EP2115291B1

EP2115291B1 - Ventil, vorrichtung und verfahren zur erzeugung eines fluidpulses

Info

Publication number: EP2115291B1
Application number: EP20080707539
Authority: EP
Inventors: Franz Durst; Bülent Ünsal Dr.-Ing.
Original assignee: FMP Fluid Measurements and Projects GmbH
Current assignee: FMP Tech GmbH Fluid Measurements and Projects
Priority date: 2007-02-05
Filing date: 2008-02-04
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2028-02-04
Also published as: RU2009133331A; BRPI0808143A2; EP2115291B8; ATE504733T1; JP2010518299A; MX2009008260A; KR20090117893A; DE502008003091D1; EP2115291A1; DE102007006415A1; US20100089460A1; CN101652557A; CA2677433A1; WO2008095674A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung eines Fluidpulses unter Verwendung des Ventils, wie z.B. in Dokument JP 08 200, 183 gezeigt.
Herkömmliche Ventile zum Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum eines Verbrennungsmotors, so genannte Brennstoffeinspritzventile, sind üblicherweise so konstruiert, dass der dem Brennstoffeinspritzventil zugeführte Brennstoff ausschließlich durch eine am Brennstoffeinspritzventil vorgesehene Brennstoffeinspritzöffnung in den Brennraum abgeführt wird. Bei einigen Brennstoffeinspritzventilen ist neben einer Brennstoffzuführleitung auch eine Brennstoffrücklaufleitung vorgesehen, welche ein Abführen von Gasblasen ermöglichen oder mit einer Druckregeleinrichtung zusammenwirkt.
Ein solches Ventil ist beispielsweise aus der DE 42 22 628 A1 bekannt. Dabei ist das als Brennstoffeinspritzventil ausgebildete Ventil in eine gestufte Aufnahmebohrung eingesetzt. Ein Brennstoffzuführ- und ein Brennstoffabführkanal sind mit einer ringraumartigen Brennstoffkammer verbunden, welche zwischen dem Brennstoffeinspritzventil und der gestuften Aufnahmebohrung gebildet ist. Von der Brennstoffkammer gelangt der Brennstoff über Siebkörper in das Brennstoffeinspritzventil. Der Brennstoffrückführkanal ist mit einem Druckregler verbunden, mit dem der in der Brennstoffkammer anstehende Druck in Abhängigkeit eines im Brennraum herrschenden Luftdrucks geregelt wird.
Die DE 43 32 118 A1 beschreibt eine Möglichkeit einer Befestigung sowie einer elektrischen Kontaktierung des oben beschriebenen Brennstoffeinspritzventils.
Aus der US 6,877,679 B2 ist ein Einspritzsystem bekannt, bei dem in einem Brennstoffeinspritzventil ein mit Magnetspulen bewegbarer Kolben vorgesehen ist. Im Kolben ist ein Fluiddurchgang vorgesehen, durch den das Fluid von einer Brennstoffzuführöffnung zu einer Einspritzöffnung strömt. Ein Brennstoffrücklaufkanal ist über eine Niederdruckpumpe mit der Brennstoffzuführöffnung verbunden.
Die US 6,412,704 B2 beschreibt ein Brennstoffeinspritzventil, bei dem die Bewegung eines Ventilschließkörpers mit einer mit einem Piezoaktor angesteuerten Hydraulik gesteuert wird.
Weitere Brennstoffeinspritzventile sind aus den US-Patenten 5,040,727 und 6,029,902 bekannt. Dabei befindet sich in der Nähe einer Einspritzöffnung eine Kraftstoffdosierkammer, welche mit einem Brennstoffzuführkanal verbunden ist. Ferner ist mit der Brennstoffdosierkammer eine Entgasungsleitung verbunden, so dass sich in der Brennstoffdosierkammer keine unerwünschten Gasblasen ansammeln können.
Die DE 198 47 388 A1 offenbart ein Kraftstoffeinspritzsystem mit durch Kraftstoff kühlbaren Einspritzdüsen. Dabei ist zum Zwecke der Kühlung eine in der Nähe einer Düsenöffnung abzweigende Rücklaufleitung vorgesehen. Die Rücklaufleitung ist über ein absperrbares Drosselventil mit einer Hochdruckpumpe verbunden. Zum Öffnen der Düsenöffnung wird das Drosselventil geschlossen. Infolgedessen steigt der von der Hochdruckpumpe erzeugte Druck soweit an, dass ein die Düsenöffnung verschließende Düsennadel abhebt. Bei diesem Vorgang bleibt eine in der Nähe der Düsenöffnung vorgesehene Öffnung der Rücklaufleitung stets geöffnet. Infolgedessen wirkt der von der Hochdruckpumpe erzeugte Druck auch im gesamten Bereich der Rücklaufleitung. Die Rücklaufleitung bzw. das Rücklaufsystem weist eine gewisse Elastizität auf. Infolgedessen kann der Volumenstrom des eingespritzten Kraftstoffs nicht genau gesteuert werden. Das kann insbesondere bei Mehrfacheinspritzungen zu relativ großen Ungenauigkeiten führen.
Die DE 196 39 149 C1 beschreibt eine ähnliche Einspritzdüse. Auch dabei ist eine Bypassleitung über eine Drossel mit einer Hochdruckleitung verbunden. Die Bypassleitung zweigt hier allerdings relativ weit entfernt von der Düsenöffnung ab. Auch hier bleibt die Bypassleitung beim Öffnen der Düsenöffnung geöffnet. Es treten insoweit dieselben Probleme wie bei der DE 198 47 388 A1 auf.
Beim Öffnen und Schließen einer Brennstoffeinspritzöffnung durchlaufen bei herkömmlichen Brennstoffeinspritzventilen Druckwellen das gesamte Leitungs- und Pumpsystem. Insbesondere bei kurzen Einspritzzeiten und hohen Einspritzfrequenzen werden die durch die Druckwellen verursachten Druckfluktuationen so stark, dass die während eines Einspritzvorgangs eingespritzte Menge an Brennstoff nicht mehr genau kontrolliert werden kann.
Bei herkömmlichen Brennstoffeinspritzventilen wird beim Einspritzvorgang der zunächst in Ruhe befindliche Brennstoff beschleunigt und durch die Brennstofföffnung ausgestoßen. Zur Beschleunigung des Brennstoffs müssen Trägheitskräfte überwunden werden. Infolgedessen ergibt sich eine Zeitverzögerung bis die maximale Masseflussrate durch die Brennstofföffnung gefördert wird. Diese Zeitverzögerung begrenzt eine weitere Verkürzung der Öffnungszeiten bei Brennstoffeinspritzventilen. Eine solche weitere Verkürzung der Öffnungszeiten würde insbesondere Mehrfacheinspritzungen während eines Takts eines Verbrennungsmotors ermöglichen. Theoretische und experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass mit derartigen Mehrfacheinspritzungen der Verbrennungsprozess weiter optimiert werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es sollen insbesondere ein Ventil, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Erzeugung eines Fluidpulses angegeben werden, mit denen auch bei extrem kurzen Fluidpulszeiten unmittelbar nach der Öffnung einer Fluidauslassöffnung eine hohe Masseflussrate des geförderten Fluids erreicht werden können.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 8, 10 und 13 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 7, 9, 11 und 12 sowie 14 bis 18.
Nach Maßgabe der Erfindung ist bei dem Ventil vorgesehen, dass zumindest ein Fluidabströmkanal vom Fluiddurchgang über zumindest eine in der Nähe der Fluidabströmöffnung vorgesehene Fluidauslassöffnung abzweigt, und dass im Ventilgehäuse eine Einrichtung zum abwechselnden Öffnen der Fluidabströmöffnung und der Fluidauslassöffnung vorgesehen ist, so dass der Fluiddurchgang ununterbrochen mit Fluid durchströmbar ist.
Bei dem vorgeschlagenen Ventil ist abwechselnd die Fluidabströmöffnung geöffnet und die Fluidauslassöffnung geschlossen oder die Fluidabströmungöffnung geschlossen und die Fluidauslassöffnung geöffnet. Das vorgeschlagene Ventil arbeitet ähnlich einem Doppelventil, welches ein Hauptventil und ein Rücklaufventil umfasst, die abwechselnd geöffnet und geschlossen werden. Damit ist gewährleistet, dass der Fluiddurchgang ununterbrochen und mit im Wesentlichen gleich bleibender Geschwindigkeit mit Fluid durchströmt wird. Die erfindungsgemäß vorgesehene Einrichtung zum abwechselnden Öffnen der Fluidabströmöffnung und der Fluidauslassöffnung bewirkt lediglich eine Umlenkung des aus dem Fluiddurchgang abströmenden Fluids wechselweise durch die Fluidabström- und die Fluidauslassöffnungen. Infolgedessen muss das Fluid beim Durchtritt durch die Fluidauslassöffnung nicht mehr beschleunigt werden. Damit kann die Ausbildung von Druckwellen vermieden werden. Es können erheblich verkürzte Öffnungszeiten realisiert werden, wobei eine hohe Masseflussrate unmittelbar nach der Öffnung der Fluidauslassöffnung erreicht werden kann. Die Menge des durch die Fluidauslassöffnung während eines Fluidpulses geförderten Fluids kann mit hoher Genauigkeit reproduziert werden.
Nach einer besonders einfachen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der ventilschließkörper im Fluiddurchgang aufgenommen ist.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, dass der Ventilschließkörper und die Fluidabströmöffnung korrespondierend zueinander ausgebildet sind, so dass der Ventilschließkörper in der ersten Stellung die Fluidabströmöffnung verschließt und in der zweiten Stellung freigibt. Damit ist es möglich, das abwechselnde Öffnen der Fluidabströmöffnung und der Fluidauslassöffnung mittels einer einzigen Stelleinrichtung zu steuern.
Die Stelleinrichtung weist zur Bewegung des Ventilschließkörpers einen Piezoaktor oder eine Magnetspule auf. Es können als Stelleinrichtung auch mehrere Piezoaktoren oder auch eine Kombination eines Piezoaktors mit einer hydraulischen Hilfseinrichtung zur Bewegung des Ventilschließkörpers vorgesehen sein. Derartige Stelleinrichtungen ermöglichen kurze Öffnungszeiten sowie eine hohe Öffnungsfrequenz.
Zweckmäßigerweise ist eine Einrichtung zum Kühlen des Fluidabströmkanals vorgesehen. Dabei kann es sich um zumindest einen oder mehrere Kühlkanäle handeln, die zur Abfuhr von Wärme mit dem Fluid oder einem besonderen Kühlfluid durchströmt werden. Das die Wärme abführende Fluid oder Kühlfluid kann auch über den Fluidabströmkanal abgeführt werden. Zum Kühlen kann auch ein Peltier-Element vorgesehen sein, welches im Bereich des Fluidabströmkanals vorgesehen oder Bestandteil des Fluidabströmkanals ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Ventil kann es sich um ein Brennstoffeinspritzventil handeln. In diesem Fall ist das Fluid Flüssigbrennstoff.
Bei dem erfindungsgemäßen Ventil kann es sich aber auch um ein pneumatisches Ventil handeln. In diesem Fall ist das Fluid ein Gas, vorzugsweise Luft. Das erfindungsgemäße Ventil eignet sich insbesondere als pneumatisches Steuerventil zur Erzeugung extrem kurzer Druckluftpulse.
Nach weiterer Maßgabe der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Fluidpulses vorgesehen, bei der die Fluideinlassöffnung des erfindungsgemäßen Ventils über eine erste Leitung mit einer Druckquelle verbunden ist, und wobei der Fluidabströmkanal über eine stromabwärts der Fluidabströmöffnung vorgesehene zweite Leitung mit einem Fluidvorrat verbunden ist.
Zwischen der Druckquelle und dem Fluidvorrat wird ein geeignetes Druckgefälle eingestellt, so dass eine ununterbrochene Strömung des Fluids durch den Fluiddurchgang mit einer vorgegebenen Strömungsgeschwindigkeit erreicht wird. Die Einstellung eines geeigneten Druckgefälles kann mit herkömmlichen Drosselventilen oder dgl. realisiert werden. Sofern in die zweite Leitung ein Drosselventil eingeschaltet ist, wird es als vorteilhaft angesehen, dass damit ein ähnliches Druckgefälle erzeugt wird, wie bei geöffneter Fluidauslassöffnung. Damit ist gewährleistet, dass unabhängig davon, ob die Fluidauslassöffnung oder die Fluidabströmöffnung gerade geöffnet ist, stets in etwa derselbe Druck im Fluiddurchgang herrscht.
Bei dem Fluidvorrat kann es sich um einen Gasspeicher, beispielsweise einen Flüssiggasbehälter, oder auch die Atmosphäre handeln. Falls die Vorrichtung als Brennstoffeinspritzsystem ausgebildet ist, handelt es sich bei dem Fluidvorrat beispielsweise um einen Brennstofftank.
Die vorgeschlagene Vorrichtung ist mit einer herkömmlichen Vorrichtung zur Erzeugung eines Fluidpulses mit Niederdruckrückführung vergleichbar.
Nach weiterer Maßgabe der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Fluidpulses vorgesehen, bei der die Fluideinlassöffnung des erfindungsgemäßen Ventils über eine erste Leitung mit einer Druckquelle verbunden ist, und wobei die Fluidabströmöffnung über die zweite Leitung mit der Druckquelle verbunden ist.
Bei der Druckquelle kann es sich um eine Hochdruckpumpe oder einen Druckbehälter handeln. Falls die Vorrichtung als pneumatische Vorrichtung ausgestaltet ist, kann die Druckquelle auch ein Kompressor sein.
Auch in diesem Fall wird zwischen der ersten und der zweiten Leitung ein Druckgefälle erzeugt, welches eine ununterbrochene Strömung durch den Fluiddurchgang ermöglicht. Das Druckgefälle kann beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass die zweite Leitung an einer Niederdruckseite der Druckquelle angeschlossen wird.
Die vorgeschlagene Vorrichtung ist mit einer herkömmlichen Vorrichtung zur Erzeugung eines Fluidpulses vergleichbar, welche nach dem Prinzip der Hochdruckrückführung ausgestaltet ist.
Vorteilhafterweise umfasst die Stelleinrichtung zur Bewegung des Ventilschließkörpers eine elektronische Steuereinrichtung, mit der die Öffnungszeit des Ventils sowie die Öffnungsfrequenz steuerbar sind. Die Steuerung kann in Abhängigkeit gemessener oder voreingestellter Parameter erfolgen. Die elektronische Steuereinrichtung kann insbesondere so ausgestaltet sein, dass damit während eines Takts eines Verbrennungsmotors die Fluidauslassöffnung mehrfach geöffnet und geschlossen werden kann.
Nach weiterer Maßgabe der Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung eines Fluidpulses mit folgenden Schritten vorgesehen:
Bereitstellen eines erfindungsgemäßen Ventils,
abwechselndes Öffnen der Fluidabströmöffnung und der Fluidauslassöffnung, so dass der Fluiddurchgang ununterbrochen mit Fluid durchströmt wird.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren kann die Ausbildung von Druckwellen in einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Fluidpulses vermieden werden. Ferner kann damit unmittelbar nach dem Öffnen des Ventilschließkörpers eine hohe, insbesondere die maximale, Masseflussrate an Fluid durch die Fluidauslassöffnung gefördert werden. Das ermöglicht eine erhebliche Verkürzung der Öffnungszeiten. Damit können insbesondere bei Brennstoffeinspritzsystem Mehrfacheinspritzungen realisiert und damit die Verbrennung in einem Verbrennungsmotor weiter optimiert werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Fluidströmung durch das abwechselnde Öffnen der Fluidabströmöffnung und der Fluidauslassöffnung wechselweise umgelenkt. Das durch die Fluidauslassöffnung zu fördernde Fluid muss infolgedessen bei der Erzeugung eines Fluidpulses nicht gesondert beschleunigt werden. Es kann durch die Umlenkung der Fluidströmung sofort die darin enthaltende kinetische Energie genutzt und damit der Fluidpuls erzeugt werden. Durch die vorgeschlagene Umlenkung der Fluidströmung wird auf einfache Weise die Erzeugung unerwünschter Druckwellen in der Vorrichtung zur Erzeugung von Fluidpulsen vermieden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird zum wechselweisen Öffnen der Fluidabströmöffnung und der Fluidauslassöffnung der Ventilschließkörper verwendet. Dazu kann der Ventilschließkörper in Richtung der Fluidauslassöffnung zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung hin und her bewegt werden. Mit den vorgeschlagenen Verfahrensschritten lässt sich auf besonders einfache Weise ein zur Durchführung des Verfahrens geeignetes Ventil bzw. eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Fluidpulses realisieren.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden als Stelleinrichtung zur Bewegung des Ventilschließkörpers ein Piezoaktor oder eine Magnetspule verwendet. Derartige Stelleinrichtungen ermöglichen besonders kurze Öffnungszeiten.
Schließlich kann nach einem weiteren Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens der Fluidabströmkanal gekühlt werden.
In den vorstehenden Ausführungen sind das Ventil, die Vorrichtung sowie das Verfahren zur Erzeugung eines Fluidpulses jeweils mit einer Fluidauslassöffnung, einem Fluidabströmkanal sowie einer Fluidabströmöffnung beschrieben worden. Selbstverständlich ist es möglich, dass auch mehrere Fluidauslassöffnungen bei einem Ventil vorgesehen sind. Die Fluidauslassöffnung kann auch mit einem Ventilteller oder einem kegelartig ausgestalteten Ventilschließkörper verschließbar sein. Hinsichtlich der zumindest einen Fluidauslassöffnung sind Ausgestaltungen möglich, wie sie bei herkömmlichen Ventilen, insbesondere Brennstoffeinspritzventilen, bekannt sind.
In den vorstehenden Ausführungen sind das Ventil sowie die Vorrichtung und das Verfahren zur Erzeugung eines Fluidpulses jeweils mit einer Fluidabströmöffnung und einem Fluidabströmkanal beschrieben worden. Selbstverständlich ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch möglich, dass ein einziger Fluidabströmkanal verzweigt ausgebildet und über mehrere Fluidabströmöffnungen mit dem Fluiddurchgang verbunden ist. Die Fluidabströmöffnung kann auch als Ringkanal ausgebildet sein, welcher mit zumindest einem Fluidabströmkanal verbunden ist. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass mehrere Fluidabströmkanäle mit mehreren Fluidabströmöffnungen mit dem Fluiddurchgang verbunden sind. Beispielsweise können zwei, drei, vier oder fünf Fluidabströmöffnungen vorgesehen sein. Ein minimaler Gesamtquerschnitt, durch welchen das Fluid durch den Fluidabströmkanal abströmt, ist zweckmäßigerweise größer als ein maximaler Durchlassquerschnitt der Fluidauslassöffnung. Damit wird sichergestellt, dass stets eine ausreichende Strömungsgeschwindigkeit des Fluids bereitgestellt wird. Insgesamt sind in der gesamten Vorrichtung zum Erzeugen eines Fluidpulses die vom Fluid durchströmten Öffnungen in ihrem Durchflussquerschnitt so aufeinander abzustimmen, dass an der Fluidauslassöffnung ein vorgegebener gewünschter Druck herrscht.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: ein Ventil mit einem in einer ersten Stellung be- findlichen Ventilschließkörper,
Fig. 2: das Ventil gemäß Fig. 1, wobei der Ventilschließ- körper sich in zweiten Stellung befindet,
Fig. 3: eine Draufsicht nach Fig. 2,
Fig. 4: eine schematische Ansicht eines weiteren Ventils,
Fig. 5: die Rate des Massestroms über der Zeit für ein Ven- til nach dem Stand der Technik,
Fig. 6: einen Vergleich der Masseflussrate über der Zeit für ein Ventil nach dem Stand der Technik mit einem erfindungsgemäßen Ventil,
Fig. 7: eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Fluidpulses mit Hochdruckrückführung,
Fig. 8: eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Fluidpulses mit Niederdruckrückführung und
Fig. 9: eine Vorrichtung nach Fig. 8 mit Kühlung.

In den Fig. 1 bis 3 ist ein Ventilgehäuse 1 mit einem Fluiddurchgang 2 vorgesehen, der eine Fluidauslassöffnung 3 aufweist. In der Nähe der Fluidauslassöffnung 3 zweigen zwei über Fluidabströmöffnungen 4 mit dem Fluiddurchgang 2 verbundene Fluidabströmkanäle 5 ab.
Im Fluiddurchgang 2 ist ein Ventilschließkörper 6 vorgesehen, welcher mit einer (hier nicht gezeigten) Stelleinrichtung in axialer Richtung hin und her bewegbar ist. Der Ventilschließkörper 6 weist an seinem freien Ende, hier kegelförmig ausgebildete, erste Schließflächen 7 auf, welche mit an dem Ventilgehäuse 1 vorgesehenen zweiten Schließflächen 8 derart korrespondieren, dass die Fluidabströmöffnung 3 in einer ersten Stellung des Ventilschließkörpers 6 - wie sie in Fig. 1 gezeigt ist - geschlossen werden kann.
Der Ventilschließkörper 6 weist ferner radial davon sich erstreckende Vorsprünge 9 mit daran vorgesehenen dritten Schließflächen 10 auf. Die dritten Schließflächen 10 grenzen an die ersten Schließflächen 7 an oder sind nahe bei den ersten Schließflächen 7 angeordnet. Die Vorsprünge 9 bzw. die daran vorgesehenen dritten Schließflächen 10 erstrecken sich in axialer Richtung lediglich über einen unteren Abschnitt des Ventilschließkörpers 6.
Fig. 1 zeigt den Ventilschließkörper 6 in der ersten Stellung, in der die Fluidauslassöffnung 3 geschlossen und gleichzeitig die Fluidabströmöffnungen 4 geöffnet sind. In der ersten Stellung sind die Fluidabströmöffnungen 4 geöffnet und das Fluid strömt durch den Fluiddurchgang 2 in die Fluidabströmkanäle 5.
Fig. 2 zeigt den Ventilschließkörper 6 in einer zweiten Stellung, bei der die ersten 7 und die zweiten Schließflächen 8 voneinander entfernt sind. In der zweiten Stellung verschließen die dritten Schließflächen 10 die Fluidabströmöffnungen 4. In diesem Fall strömt das Fluid 2 durch den Fluiddurchgang 2 und durch die Fluidauslassöffnung 3.
Fig. 3 zeigt eine Draufsicht nach Fig. 2. Daraus ist erkennbar, dass der Fluiddurchgang 2 zumindest im Bereich des Ventilschließkörpers 6 zumindest abschnittsweise ringraumartig ausgebildet ist.
Obwohl es in den Fig. 1 bis 3 nicht gezeigt ist, ist es selbstverständlich, dass im Ventilgehäuse 1 stromaufwärts des Fluiddurchgangs 2 eine Fluideinlassöffnung zum Zuführen von Fluid vorgesehen ist.
Fig. 4 zeigt schematisch ein weiteres Ventil. Dabei verzweigt sich der Fluiddurchgang 2 in einen ersten Ast a1, an dessen Ende die Fluidauslassöffnung vorgesehen ist. Ein zweiter Ast a2 ist bezüglich einer Achse A des Fluiddurchgangs 2 symmetrisch zum ersten Ast a1 angeordnet, d. h. ein erster Winkel α1 zwischen einer ersten Achse A1 des ersten Ast a1 und der Achse A ist genauso groß wie ein zweiter Winkel α2 zwischen der Achse A und einer zweiten Achse A2 des zweiten Asts a2. Der Fluidabströmöffnung 4 ist ein hier nicht gesondert dargestellter Fluidabströmkanal stromabwärts nachgeordnet. Die Fluidauslassöffnung 3 und die Fluidabströmöffnung 4 sind jeweils mit einem (hier nicht gezeigten) Ventil versehen, mit dem wechselweise die Fluidauslassöffnung und die Fluidabströmöffnung geöffnet bzw. geschlossen werden können. Das vorgeschlagene weitere Ventil hat den Vorteil, dass infolge der symmetrischen Anordnung der Äste a1 a2 bezüglich des Fluiddurchgangs 2 auf einfache Weise der Strömungswiderstand stromabwärts des Fluiddurchgangs 2 weitgehend konstant gehalten werden kann, unabhängig davon, ob gerade die Fluidauslass- oder die Fluidabströmöffnung geöffnet ist. Damit kann auf besonders einfache Weise jegliche Erzeugung von Druckwellen vermieden werden.
Fig. 5 zeigt eine numerische Simulation der Masseflussrate über der Zeit für ein Ventil nach dem Stand der Technik. Die Kurve lit. a gibt die Masseflussrate über der Zeit in einer ersten Leitung wieder, welche zum Zuführen von Fluid mit einer Fluideinlassöffnung verbunden ist. Die Kurve lit. b gibt den Verlauf der Masseflussrate über der Zeit in einem Abschnitt des Fluiddurchgangs 2 wieder, welcher sich unmittelbar vor der Fluidauslassöffnung 3 befindet. Wie insbesondere aus der Kurve lit. a ersichtlich ist, treten bei herkömmlichen Ventilen Druckwellen in der ersten Leitung auf. Wie aus der Kurve lit. b ersichtlich ist, nimmt die Masseflussrate nach dem Öffnen der Fluidauslassöffnung kontinuierlich bis auf einen Maximalwert zu. D. h. unmittelbar nach dem Öffnen der Fluidauslassöffnung wird nicht die maximale Masseflussrate erreicht. Dieser Effekt wird nach derzeitigem Kenntnisstand dadurch erklärt, dass unmittelbar vor dem Öffnen der Fluidauslassöffnung sich das Fluid in Ruhe befindet und zunächst beschleunigt werden muss. Die Beschleunigung führt zu einer endlichen Änderungsgeschwindigkeit des durch die Fluidauslassöffnung geförderten Fluids. Beim Öffnen der Fluidauslassöffnung bildet sich eine negative Druckwelle aus, welche der eigentlichen Beschleunigung des Fluids entgegenwirkt.
Fig. 6 zeigt einen Vergleich der Masseflussrate über der Zeit für ein herkömmliches Ventil mit einem erfindungsgemäßen Ventil. Die Kurve lit. c gibt den Verlauf der Masseflussrate über der Zeit für ein herkömmliches Ventil und die Kurve lit. d den Verlauf der Masseflussrate für ein erfindungsgemäßes Ventil wieder. Die aus Fig. 6 klar ersichtlich ist, ist die Masseflussrate beim erfindungsgemäßen Ventil unmittelbar nach dem Öffnen der Fluidauslassöffnung erheblich höher als beim Ventil nach dem Stand der Technik. Ein Maximalwert der Masseflussrate wird beim erfindungsgemäßen Ventil bereits eine Millisekunde nach dem Öffnen der Fluidauslassöffnung erreicht. Damit kann bei erheblichen verkürzten Öffnungszeiten reproduzierbar eine besonders hohe Masseflussrate realisiert werden. Die Öffnungszeiten können also erheblich verkürzt werden. Abgesehen davon ist es möglich, praktisch unmittelbar nach dem Öffnen der Fluidauslassöffnung die maximale Masseflussrate zu erzielen. Die vorteilhaften Effekte des erfindungsgemäßen Ventils werden insbesondere darauf zurückgeführt, dass das Fluid vor dem Öffnen der Fluidauslassöffnung nicht mehr beschleunigt werden muss. Eine besonders vorhandene Fluidströmung durch den Fluiddurchgang 2 wird durch die Bewegung des Ventilschließkörpers 6 lediglich umgelenkt.
Die Fig. 7 und 8 zeigen Vorrichtungen zur Erzeugung eines Fluidpulses am Beispiel eines Brennstoffeinspritzsystems für Flüssigbrennstoff. Bei der in Fig. 7 gezeigten Vorrichtung handelt es sich um ein Brennstoffeinspritzsystem mit Hochdruckrückführung. In einem Kraftstofftank 11 ist eine Kraftstoffpumpe 12 vorgesehen. Die Kraftstoffpumpe ist unter Zwischenschaltung eines Kraftstofffilters 13 und eines Druckreglers 14 über eine erste Leitung 15 mit der Fluideinlassöffnung des allgemein mit dem Bezugszeichen 16 bezeichneten Brennstoffeinspritzventils verbunden. Der Druckregler 14 ist ferner unter Zwischenschaltung einer Staustrahlpumpe 14a mit der Kraftstoffpumpe 12 verbunden. Eine zweite Leitung 7 ist über den/die Fluidabströmkanäle mit der/den Fluidabströmöffnung/en verbunden. Stromaufwärts ist die zweite Leitung 17 mit einer Hochdruckpumpe 18 verbunden, welche wiederum mit einem in die erste Leitung 15 eingeschalteten Hochdruckbehälter 19 verbunden ist.
Fig. 8 zeigt ein Brennstoffeinspritzsystem mit Niederdruckrückführung. Dabei ist die zweite Leitung 17 unmittelbar mit dem Kraftstofftank 11 verbunden. In die erste Leitung 15 ist kein Hochdruckbehälter eingeschaltet.
Bei beiden Varianten der gezeigten Brennstoffeinspritzsysteme wird ununterbrochen Fluid durch das Ventil 16 gefördert. Dabei steht das Fluid ständig unter dem erforderlichen Einspritzdruck bzw. Druck für die Erzeugung eines Fluidpulses.
Die vorgeschlagene Vorrichtung zur Erzeugung eines Fluidpulses kann als Brennstoffeinspritzsystem zum Einspritzen von Flüssigbrennstoff bei Verbrennungsmotoren, insbesondere Benzin- oder Dieselmotoren, verwendet werden. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Ventil bzw. die Vorrichtung zur Erzeugung eines Fluidpulses kann aber auch für pneumatische Einrichtungen verwendet werden. In diesem Fall wird als Fluid ein Gas, beispielsweise Druckluft, verwendet. Das vorgeschlagene Ventil ermöglicht die Erzeugung extrem kurzer Öffnungszeiten und damit extrem kurzer Ventilpulse, welche eine besonders schnelle und exakte Steuerung pneumatischer Vorrichtungen ermöglichen.
Fig. 9 zeigt eine Variante des Brennstoffeinspritzsystems nach Fig. 8. Dabei ist in der zweiten Leitung 17 eine Kühleinrichtung 20 vorgesehen. Mit der Kühleinrichtung 20 wird das zum Kraftstofftank 11 zurückgeführte Fluid, insbesondere Flüssigbrennstoff, gekühlt. Es wird damit eine unerwünschte Erwärmung des Fluids im Kraftstofftank 11 verhindert.
Bei der Kühleinrichtung 20 kann es sich um eine herkömmliche Kühleinrichtung, beispielsweise einen Wärmetauscher oder dgl., handeln.

Bezugszeichenliste

1: Ventilgehäuse
2: Fluiddurchgang
3: Fluidauslassöffnung
4: Fluidabströmöffnung
5: Fluidabströmkanal
6: Ventilschließkörper
7: erste Schließflächen
8: zweite Schließflächen
9: Vorsprung
10: dritte Schließflächen
11: Kraftstofftank
12: Kraftstoffpumpe
13: Kraftstofffilter
14: Druckregler
14a: Staustrahlpumpe
15: erste Leitung
16: Ventil
17: zweite Leitung
18: Hochdruckpumpe
19: Hochdruckbehälter
20: Kühleinrichtung

α1, α2: erster, zweiter Winkel
A: Achse
A1: erste Achse
A2: zweite Achse
a1: erster Ast
a2: zweiter Ast

Claims

Ventil, bei dem eine in einem Ventilgehäuse (1) vorgesehene Fluideinlassöffnung über einen Fluiddurchgang (2) mit zumindest einer stromabwärts der Fluideinlassöffnung vorgesehenen Fluidauslassöffnung (3) verbunden ist, und wobei im Ventilgehäuse (1) ein mittels einer einen Piezoaktor oder eine Magnetspule aufweisenden Stelleinrichtung von einer die Fluidauslassöffnung (3) freigebenden ersten in eine die Fluidauslassöffnung (3) verschließende zweite Stellung bewegbarer Ventilschließkörper (6) aufgenommen ist, wobei zumindest ein Fluidabströmkanal (5) vom Fluiddurchgang (2) über zumindest eine in der Nähe der Fluidauslassöffnung (3) vorgesehene Fluidabströmöffnung (4) abzweigt, wobei der Ventilschließkörper (6) und die Fluidabströmöffnung (4) korrespondierend zueinander ausgebildet sind, so dass der Ventilschließkörper (6) in der ersten Stellung die Fluidabströmöffnung (4) verschließt und in der zweiten Stellung freigibt, so dass der Fluiddurchgang (2) ununterbrochen und im Wesentlichen mit gleichbleibender Strömungsgeschwindigkeit mit Fluid durchströmt wird.
Ventil nach Anspruch 1, wobei der Ventilschließkörper (6) im Fluiddurchgang (2) aufgenommen ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Einrichtung zum Kühlen des Fluidabströmkanals (5) vorgesehen ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ventil (16) ein Brennstoffeinspritzventil und das Fluid Flüssigbrennstoff ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Ventil (16) ein pneumatisches Ventil und das Fluid ein Gas ist.
Vorrichtung zur Erzeugung eines Fluidpulses, mit einem Ventil nach Anspruch 1 bei der die Fluideinlassöffnung des Ventils (16) über eine erste Leitung (15) mit einer Druckquelle verbunden ist, und wobei der Fluidabströmkanal (5) über eine stromabwärts der Fluidabströmöffnung (4) vorgesehene zweite Leitung (17) mit einem Fluidvorrat verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Fluidvorrat ein Gasspeicher oder ein Brennstofftank (11) ist.
Vorrichtung zur Erzeugung eines Fluidpulses, mit einem Ventil nach Anspruch 1 bei der die Fluideinlassöffnung des Ventils (16) über eine erste Leitung (15) mit einer Hochdruckseite einer Druckquelle verbünden ist, und wobei die Fluidabströmöffnung (3) über eine zweite Leitung (17) mit einer Niederdruckseite der Druckquelle verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Druckquelle eine Hochdruckpumpe (18) oder ein Druckbehälter (19) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Druckquelle ein Kompressor ist.
Verfahren zur Erzeugung eines Fluidpulses mit folgenden Schritten:
Bereitstellen eines Ventils (16) nach Anspruch 1,

abwechselndes Öffnen der Fluidabströmöffnung (4) und der Fluidauslassöffnung (3), so dass der Fluiddurchgang (2) ununterbrochen und im Wesentlichen mit gleich bleibender Strömungsgeschwindigkeit mit Fluid durchströmt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Fluidströmung durch das abwechselnde Öffnen der Fluidabströmöffnung (4) und der Fluidausl-assöffnung (3) wechselweise umgelenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Fluidabströmkanal (5) gekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Fluideinlassöffnung des Ventils (16) über eine erste Leitung (15) mit einer Druckquelle verbunden ist, und wobei der Fluidabströmkanal (5) über eine stromabwärts der Fluidabströmöffnung (4) vorgesehene zweite Leitung (17) mit einem Fluidvorrat verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei zur Einstellung einer im Wesentlichen gleich bleibenden Strömungsgeschwindigkeit ein Drosselventil in die zweite Leitung (17) eingeschaltet wird, wobei das Drosselventil so ausgestaltet ist, dass damit ein ähnliches Druckgefälle erzeugt, wird, wie bei geöffneter Fluidauslassöffnung (3).