WO2006037683A1 - Kraftstoffeinspritzventil mit mikrostrukturierung im bereich der einspritzöffnungen - Google Patents

Kraftstoffeinspritzventil mit mikrostrukturierung im bereich der einspritzöffnungen Download PDF

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Patrick Mattes
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Definitions

  • the invention relates to a fuel injection valve for internal combustion engines, as it is spielmik used for diesel engines.
  • Such fuel injection valves as they correspond to the preamble of claim 1, are known from the prior art hin ⁇ long.
  • laid-open specification DE 42 22 137 A1 shows a fuel injection valve which has a valve body in which at least one injection opening is formed. Through the opening, fuel is in the combustion chamber of
  • the injection opening has an inlet opening and an outlet opening.
  • the inlet opening is based on a pressure chamber in a fuel injection valve, which can be filled with fuel under high pressure, while the outlet opening is arranged on the outside of the valve body.
  • the fuel which is kept in the pressure chamber under high pressure, is guided by actuation of a valve needle to the inlet opening of the injection port and injected through the injection opening into the combustion chamber. Due to the high pressure of the fuel fine atomization takes place, which is essential for a clean and efficient combustion process.
  • the tip of the fuel injection valve projects into the combustion chamber of the internal combustion engine and is exposed there to high temperatures due to the combustion process in the combustion chamber.
  • Fuel residues that are not completely atomized can deposit on the outside of the valve body and in particular in the area of the outlet openings.
  • the high temperatures lead to coking of the fuel, so that coking forms over time, which partly sets the outlet openings. This affects the injection behavior of the Kraftstoffeinspitzventils so that it no longer works as desired.
  • the Kraftscherinspitzventil invention with the characterizing features of claim 1 has the advantage over that a coking of Spritz ⁇ holes can be inexpensively prevented.
  • the outer wall of the valve body is provided in the region of the outlet openings with a microstructure which has a
  • Valve body forms, which spreads over time and finally the Einspritzöffnun ⁇ gene at least partially added.
  • the microstructuring is formed by a plurality of recesses which are introduced into the outer wall of the valve body.
  • Such recesses are advantageously formed cup-shaped aus ⁇ , where they can be introduced NEN, for example by means of a laser process.
  • Other methods are conceivable, such as embossing or etching processes.
  • Further advantageous microstructures are line-shaped recesses which are formed in different arrangements around the outlet opening in the outer wall of the valve body. For example, it has proven advantageous to arrange the line-shaped recesses radially outwards or circularly concentrically around the outlet opening. Both arrangements can also be combined.
  • the depth of the microstructure that is, the depth of the individual recesses, should not be more than 50 microns, and in the cup-shaped recesses, a diameter of less than 50 microns has proved advantageous.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a fuel injection valve according to the invention.
  • 2 shows a non-sectional view of the Kraftscherinspitzventils Be ⁇ rich injection openings and Figure 3a to 3d different microstructures in an enlarged detail around the injection port around.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through an inventive fuel injection valve.
  • the Kraftscherinspitzventil has a valve body 1, in which a bore 3 is formed.
  • the bore 3 is bounded at its combustion-chamber-side end by a substantially conical valve seat 9, from which several injection openings 11 originate.
  • a piston-shaped valve needle 5 is arranged longitudinally displaceable, which is sealingly guided with a guide portion 15 in a guide portion 23 of the bore 3.
  • the valve needle 5 has at its valve seat facing the end of a substantially conical valve sealing surface 7, with which it cooperates zu ⁇ with the valve seat 9.
  • valve needle 5 starting from the guide section 15, tapers toward the valve seat 9 to form a pressure shoulder 13, so that when the pressure shoulder 13 is pressurized, a hydraulic force acts longitudinally on the valve needle 5, forcing it away from the valve seat 9.
  • a pressure chamber 19 is formed, which at the level of the pressure shoulder 13 radially - A -
  • the valve needle 5 is instructed by a device, not shown in the drawing, with a closing force which acts on the valve seat facing away from the valve needle 5 and presses the valve needle 5 in the direction of the valve seat 9.
  • a closing force which acts on the valve seat facing away from the valve needle 5 and presses the valve needle 5 in the direction of the valve seat 9.
  • the injection openings 11 each have an inlet opening 111, which is arranged in the valve seat 9.
  • the outlet opening 211 is arranged on the outer wall of the valve body 1 an ⁇ and opens directly into the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • FIG. 2 shows an external view of the valve body 1 in the region of the injection openings 11, wherein the valve body 1 is not shown cut here.
  • a plurality of injection openings 11 are arranged distributed over the circumference of the Kraftstoffeinspitzventils, so that the fuel is evenly distributed in the combustion chamber.
  • Fuel residues may remain in the region of the injection openings, since the injection at the beginning and end of the injection does not occur with the full injection pressure.
  • This fuel is charred by the high temperatures that occur during combustion and settles as coking on the outer wall of the valve body 1, preferably in the region of the outlet openings 211.
  • the outer wall is in the range the outlet openings 211 provided with a microstructuring 30, which is shown enlarged in Figure 3a.
  • the microstructure 30 here consists of recesses 301, which are cup-shaped. These have a diameter of less than 50 microns and a depth of less than 10 microns on. The microstructuring 30 inhibits coking addition and facilitates separation of coking material that forms.
  • FIG. 3a shows an alternative embodiment of the microstructure 30 in the same representation as FIG. 3a.
  • the microstructure 30 is formed here by groove-shaped recesses 302 which emanate in a star shape from the outlet opening 211.
  • the depth of the groove-shaped recesses 302 is here again preferably less than 10 ⁇ m.
  • the number of groove-shaped recesses 302 can be varied within wide limits, depending on the requirement.
  • FIG. 3 c shows a further embodiment of the microstructure 30, wherein, in addition to the radially extending, groove-shaped recesses 302, further groove-shaped recesses 302 are formed here, which are arranged concentrically as a circle and surround the outlet opening 211. It is also possible, as shown in Figure 3d, groove-shaped recesses form as crossing lines. In any case, it is important that the outer wall of the valve body 1 is surrounded in the region of the outlet openings 211 with the microstructure 30.
  • the microstructure 30 can be produced by various methods. Denk ⁇ bar here is the removal by means of a laser, with embossing or etching. Since all processes have certain advantages and disadvantages, the most favorable production method must be selected for the respective application.

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Abstract

Kraftstoffeinspritzventile, wie sie vor allem für schnelllaufende, selbstzündende Brennkraftmaschinen verwendet werden, spritzen den Kraftstoff durch sehr kleine Einspritzöffnungen (11) direkt in den Brennraum der Brennkraftmaschine. Der Bereich der Einspritzöffnungen (11) ist den hohen Brennraumtemperaturen voll ausgesetzt, so dass es zu Verkokungen im Bereich der Austrittsöffnungen (211) der Einspritzöffnungen (11) kommen kann, was das Einspritzverhalten negativ beeinflusst. Durch eine Mikrostrukturierung (30) der Außenwand im Bereich der Austrittsöffnungen (211) wird die Anlagerung der Verkokung gehemmt und sich trotzdem bildende Verkokung wird durch den Einspritzstrahl abgelöst, so dass stets freie Einspritzöffnungen (11) gewährleistet sind.

Description

Kraftstoffeinspritzventil mit Mikrostrukturierung im Bereich der Einspritzöffiiungen
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, wie es bei¬ spielsweise für Dieselmotoren Verwendung findet. Solche Kraftstoffeinspritzventile, wie sie dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechen, sind aus dem Stand der Technik hin¬ länglich bekannt. So zeigt beispielsweise die Offenlegungsschrift DE 42 22 137 Al ein Kraftstoffeinspritzventil, das einen Ventilkörper aufweist, in dem wenigstens eine Ein- Spritzöffnung ausgebildet ist. Durch die Öffnung wird Kraftstoff in den Brennraum der
Brennkraftmaschine eingespritzt, wobei die Einspritzöffnung eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung aufweist. Die Eintrittsöffnung geht von einem Druckraum in Kraft¬ stoffeinspritzventil aus, der mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt werden kann, wäh¬ rend die Austrittsöffnung an der Außenseite des Ventilkörpers angeordnet ist. Der Kraft- Stoff, der im Druckraum unter hohem Druck vorgehalten wird, wird durch Betätigung ei¬ ner Ventilnadel zur Eintrittsöffnung der Einspitzöffnung geleitet und durch die Einspritz¬ öffnung in den Brennraum eingespritzt. Durch den hohen Druck des Kraftstoffs erfolgt eine feine Zerstäubung, was für einen sauberen und effizienten Verbrennungsvorgang un- erlässlich ist.
Die Spitze des Kraftstoffeinspitzventils ragt hierbei in den Brennraum der Brennkraftma¬ schine und ist dort hohen Temperaturen durch den Verbrennungsvorgang im Brennraum ausgesetzt. Kraftstoffreste, die nicht vollständig zerstäubt werden, können sich an der Außenseite des Ventilkörpers ablagern und hierbei insbesondere im Bereich der Aus- trittsöffnungen. Durch die hohen Temperaturen kommt es zur Verkokung des Kraftstoffs, sodass sich mit der Zeit eine Verkokung bildet, die die Austrittsöffiiungen teilweise zu¬ setzt. Dies beeinträchtigt das Einspritzverhalten des Kraftstoffeinspitzventils, sodass es nicht mehr wunschgemäß arbeitet.
Aus der Schrift DE 199 51 014 Al ist bekannt, die Außenseite des Ventilkörpers oder ei¬ nes sonstigen Bauteils im Bereich der Austrittsöffnungen mit einer katalytischen Be- schichtung zu versehen. Diese Beschichtung soll entweder die Anlagerung von Verko¬ kungsmaterial von vornherein verhindern oder über den katalytischen Effekt zum Ab¬ brennen der Verkokung beitragen. Eine solche Beschichtung ist jedoch relativ teuer und muss mit aufwendigen Verfahren auf die Außenseite des Ventilkörpers aufgebracht wer¬ den. Außerdem besteht ständig die Gefahr, dass sich eine solche Schicht wegen der star¬ ken thermischen und mechanischen Belastungen durch den Verbrennungsvorgang im Lauf der Zeit ablöst.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspitzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist dem gegenüber den Vorteil auf, dass eine Verkokung der Spritz¬ löcher kostengünstig verhindert werden kann. Hierzu ist die Außenwand des Ventilkör- pers im Bereich der Austrittsöffnungen mit einer Mikrostrukturierung versehen, die eine
Anlagerung von Verkokungsmaterial in diesem Bereich verhindert. Sollte sich trotzdem eine Verkokungsschicht in diesem Bereich ausbilden, so kann durch die Mikrostrukturie¬ rung erreicht werden, dass sich die Verkokung relativ leicht wieder vom Ventilkörper löst und durch den Kraftstoffstrahl abgetragen wird. Auf diese Weise lässt sich recht einfach und kostengünstig verhindern, dass sich eine Verkokungsschicht an der Außenwand des
Ventilkörpers bildet, die sich mit der Zeit ausbreitet und schließlich die Einspritzöffnun¬ gen zumindest teilweise zusetzt.
Durch die Unteransprüche sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfin- düng möglich. In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist die Mikrostrukturierung durch eine Vielzahl von Ausnehmungen ausgebildet, die in die Außenwand des Ventil¬ körpers eingebracht sind. Solche Ausnehmungen sind vorteilhafterweise napfförmig aus¬ gebildet, wobei sie zum Beispiel mittels eines Laserverfahrens eingebracht werden kön¬ nen. Es sind auch andere Verfahren denkbar wie beispielsweise Präge- oder Ätzverfah- ren. Weitere vorteilhafte Mikrostrukturierungen sind linienförmige Ausnehmungen, die in verschiedenen Anordnungen um die Austrittsöffiiung herum in der Außenwand des Ven¬ tilkörpers ausgebildet werden. Als vorteilhaft hat sich beispielsweise erwiesen, die linien- förmigen Ausnehmungen radial nach außen anzuordnen oder kreisförmig konzentrisch um die Austrittsöffiiung herum. Es lassen sich beide Anordnungen auch kombinieren.
Die Tiefe der Mikrostrukturierung, das heißt die Tiefe der einzelnen Ausnehmungen, sollte nicht mehr als 50 μm betragen, und bei den napfförmigen Ausnehmungen hat sich ein Durchmesser von weniger als 50 μm als vorteilhaft erwiesen.
Zeichnung
In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspitzventil dargestellt. Es zeigt Figur 1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspitzventil. Figur 2 eine nicht geschnittene Darstellung des Kraftstoffeinspitzventils im Be¬ reich der Einspritzöffnungen und Figur 3a bis Figur 3d verschiedene Mikrostrukturierungen in einer Ausschnittsvergrößerung um die Einspritzöffnung herum.
Beschreibung des Ausfuhrungsbeispiels
In Figur 1 ist ein Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspitzventil dar¬ gestellt. Das Kraftstoffeinspitzventil weist einen Ventilkörper 1 auf, in dem eine Bohrung 3 ausgebildet ist. Die Bohrung 3 wird an ihrem brennraumseitigen Ende vom einem im wesentlichen konischen Ventilsitz 9 begrenzt, von dem mehrere Einspritzöffnungen 11 ausgehen. In der Bohrung 3 ist eine kolbenförmige Ventilnadel 5 längsverschiebbar an¬ geordnet, die mit einem Führungsabschnitt 15 in einem Führungsbereich 23 der Bohrung 3 dichtend geführt ist. Die Ventilnadel 5 weist an ihrem ventilsitzzugewandten Ende eine im wesentlichen konische Ventildichtfläche 7 auf, mit der sie mit dem Ventilsitz 9 zu¬ sammenwirkt. Die Ventilnadel 5 verjüngt sich ausgehend vom Führungsabschnitt 15 un¬ ter Bildung einer Druckschulter 13 dem Ventilsitz 9 zu, sodass bei Druckbeaufschlagung der Druckschulter 13 eine hydraulische Kraft in Längsrichtung auf die Ventilnadel 5 ent¬ steht, die diese vom Ventilsitz 9 wegdrückt. Zwischen der Ventilnadel 5 und der Wand der Bohrung 3 ist ein Druckraum 19 ausgebildet, der auf Höhe der Druckschulter 13 radial - A -
erweitert ist. In die radiale Erweiterung des Druckraums 19 mündet ein im Ventilkörper 1 ausgebildeter Zulauf kanal 25, über den der Druckraum 19 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt werden kann.
Die Ventilnadel 5 wird durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte Vorrichtung mit ei¬ ner Schließkraft beauftragt, die an der ventilsitzabgewandten Stirnseite der Ventilnadel 5 angreift und die Ventilnadel 5 in Richtung des Ventilsitzes 9 drückt. Wie bereits oben erwähnt ergibt sich durch den Kraftstoffdruck im Druckraum 19, der auf die Druckschul¬ ter 13 wirkt, eine vom Ventilsitz 9 wegwirkende Öffnungskraft auf die Ventilnadel 5, die der Schließkraft entgegengerichtet ist. Durch Erhöhung des Drucks im Druckraum 19 o- der durch Erniedrigung der Schließkraft auf die Ventilnadel 5 ergibt sich eine resultieren¬ de Kraft auf der Ventilnadel 5, die die Ventilnadel 5 vom Ventilsitz 9 wegbewegt, sodass die Einspritzöffnungen 11 freigegeben werden. Daraufhin strömt Kraftstoff zwischen der Ventildichtfläche 7 und dem Ventilsitz 9 hindurch zu den Einspritzöffnungen 11 und wird durch diese in den Brennraum eingespritzt. Zur Beendigung der Einspritzung werden die
Kräfteverhältnisse zwischen Öffnungs- und Schließkraft entsprechend umgekehrt, sodass sich die Ventilnadel 5 zurück in Ihre Schließstellung bewegt.
Die Einspritzöffnungen 11 weisen jeweils eine Eintrittsöffnung 111 auf, die im Ventilsitz 9 angeordnet ist. Die Austrittsöffnung 211 ist an der Außenwand des Ventilkörpers 1 an¬ geordnet und mündet direkt in den Brennraum der Brennkraftmaschine. In Figur 2 ist eine Außenansicht des Ventilkörpers 1 im Bereich der Einspritzöffnungen 11 dargestellt, wo¬ bei der Ventilkörper 1 hier nicht geschnitten dargestellt ist. Üblicherweise sind mehrere Einspritzöffnungen 11 über den Umfang des Kraftstoffeinspitzventils verteilt angeordnet, sodass der Kraftstoff gleichmäßig im Brennraum verteilt wird.
Kraftstoffreste können im Bereich der Einspritzöffnungen verbleiben, da die Einspritzung zu Beginn und zum Ende der Einspritzung nicht mit dem vollen Einspritzdruck geschieht. Dieser Kraftstoff wird durch die hohen Temperaturen, die bei der Verbrennung entstehen, verkohlt und setzt sich als Verkokung an der Außenwand des Ventilkörpers 1 ab, vor¬ zugsweise im Bereich der Austrittsöffnungen 211. Um die Anlagerung dieser Verkokung zu vermeiden, ist die Außenwand im Bereich der Austrittsöffnungen 211 mit einer Mik- rostrukturierung 30 versehen, was in Figur 3a vergrößert dargestellt ist. Die Mikrostruk- turierung 30 besteht hier aus Ausnehmungen 301, die napfförmig ausgebildet sind. Diese weisen einen Durchmesser von weniger als 50 μm und eine Tiefe von weniger als 10 μm auf. Durch die Mikrostrukturierung 30 wird die Anlagerung der Verkokung gehemmt und eine Ablösung von sich bildendem Verkokungsmaterial erleichtert.
Figur 3b zeigt in derselben Darstellung wie Figur 3a eine alternative Ausgestaltung der Mikrostrukturierung 30. Die Mikrostrukturierung 30 ist hier durch rillenförmige Aus¬ nehmungen 302 gebildet, die sternförmig von der Austrittsöffhung 211 ausgehen. Die Tiefe der rillenförmigen Ausnehmungen 302 beträgt auch hier vorzugsweise weniger als 10 μm. Die Anzahl an der rillenförmigen Ausnehmungen 302 kann in weiten Grenzen va¬ riiert werden, je nach Erfordernis. Figur 3c zeigt eine weitere Ausgestaltung der Mikro- strukturierung 30, wobei hier zusätzlich zu den radial verlaufenden, rillenförmigen Aus¬ nehmungen 302 weitere rillenförmige Ausnehmungen 302 ausgebildet sind, die als Kreis konzentrisch zueinander angeordnet sind und die Austrittsöffnung 211 umgeben. Ebenso ist es möglich, wie in Figur 3d gezeigt, rillenförmige Ausnehmungen als sich kreuzende Linien auszubilden. In jedem Fall ist es wichtig, dass die Außenwand des Ventilkörpers 1 im Bereich der Austrittsöffnungen 211 mit der Mikrostrukturierung 30 umgeben wird.
Die Mikrostrukturierung 30 kann mit verschiedenen Verfahren hergestellt werden. Denk¬ bar ist hier die Abtragung mittels eines Lasers, mit Prägeverfahren oder durch Ätzen. Da alle Verfahren bestimmte Vor- und Nachteile haben, muss für den jeweiligen Anwen- dungsfall die günstigste Fertigungsmethode gewählt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem Ventilkörper (1), in dem wenigstens eine Einspritzöffnung (11) ausgebildet ist, durch die Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann und die eine Eintrittsöffnung (111) und eine Austrittsöffnung (211) aufweist, wobei die Einspritz¬ öffnung (11) von einem im Ventilkörper (1) ausgebildeten und mit Kraftstoff befüll- baren Druckraum (19) ausgeht und die Austrittsöffnung (211) an der Außenwand des
Ventilkörpers (1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Austrittsöffnung (211) an der Außenwand des Ventilkörpers (1) eine Mikrostruktu- rierung (30) vorgesehen ist.
2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikro- strukturierung (30) aus einer Vielzahl von Ausnehmungen (301) besteht.
3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aus¬ nehmungen (301) napfförmig ausgebildet sind.
4. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die napf- förmigen Ausnehmungen (301) zumindest im wesentlichen kreisförmig ausgebildet sind.
5. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durch¬ messer der Ausnehmungen (301) kleiner als 50 μm ist.
6. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Ausnehmungen (301) kleiner als 10 μm ist.
7. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikro- strukturierung (30) aus einer Vielzahl von rillenförmigen Ausnehmungen (302) be¬ steht.
8. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die rillen- förmigen Ausnehmungen (302) eine Tiefe von weniger als 50 μm aufweisen.
9. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die rillen¬ förmigen Ausnehmungen (302) als konzentrische Kreislinien ausgebildet sind, die um die Austrittsöffnung (211) herum angeordnet sind.
10. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturierung (30) die Austrittsöffnung (211) umgibt.
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