WO2011076452A1 - Einspritzventil - Google Patents

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WO2011076452A1
WO2011076452A1 PCT/EP2010/064584 EP2010064584W WO2011076452A1 WO 2011076452 A1 WO2011076452 A1 WO 2011076452A1 EP 2010064584 W EP2010064584 W EP 2010064584W WO 2011076452 A1 WO2011076452 A1 WO 2011076452A1
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WO
WIPO (PCT)
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shock wave
membrane
shockwave
injection valve
valve according
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/064584
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English (en)
French (fr)
Inventor
Anton Dukart
Olaf Ohlhafer
Dirk Schmidt
Robert Giezendanner-Thoben
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority to US13/518,008 priority Critical patent/US20120256013A1/en
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Priority to EP10762643A priority patent/EP2516840A1/de
Priority to CN2010800580844A priority patent/CN102713246A/zh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
    • F02M63/06—Use of pressure wave generated by fuel inertia to open injection valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M69/00—Low-pressure fuel-injection apparatus ; Apparatus with both continuous and intermittent injection; Apparatus injecting different types of fuel
    • F02M69/04—Injectors peculiar thereto
    • F02M69/041—Injectors peculiar thereto having vibrating means for atomizing the fuel, e.g. with sonic or ultrasonic vibrations

Definitions

  • the invention relates to an injection valve, in particular an injector for
  • a spraying device for fluids is known.
  • the known spray device has a nozzle and an actuator for regulating the fluid flow through the nozzle outlet.
  • a shock wave actuator for generating shock waves is provided in the fluid in the nozzle. Via the shockwave actuator, shockwaves are generated in the spray device, which are conducted to the fluid located in the nozzle.
  • the injection valve according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that an injection behavior is improved. Specifically, defined injection jets can be realized and it can be at least largely independent of the ambient pressure, in particular combustion chamber pressure, opening of the
  • the shockwave actuator generates shock waves which are conducted to the sealing seat.
  • the physical phenomenon of the shock wave is a strong pressure wave in elastic media, such as liquids that can propagate at supersonic speeds, with high mechanical stresses and pressures in the shock front of the shock wave.
  • the shock wave represents a pressure pulse in which within a fraction of a second the pressure rises steeply and then falls steeply again.
  • the extreme pressure change produced by the pressure wave is further enhanced by the shock wave amplification channel.
  • the valve closing body can be lifted from the valve seat surface in an advantageous manner in order to open the sealing seat formed between the valve closing body and the valve seat surface.
  • very high injection pressures can be realized to an advantageous
  • Atomization to realize even at high ambient pressures fuel may be injected at a pressure of about 200 MPa (2000 bar) for diesel direct injection or 20 MPa (200 bar) for gasoline direct injection into the combustion chamber of an internal combustion engine.
  • a pressure of about 200 MPa (2000 bar) for diesel direct injection or 20 MPa (200 bar) for gasoline direct injection into the combustion chamber of an internal combustion engine On the one hand, it is possible to realize defined, individual injection jets. On the other hand, it is possible to achieve an opening of the injection valve which is independent of the combustion chamber pressure or another ambient pressure.
  • Cross-sectional area preferably evenly from the sealing seat down. This results in an advantageous reinforcement of the shock wave, which exerts a high local pressure and thus a large opening force on the valve closing body on the sealing seat.
  • an injector body which has at least one interior space, that a shockwave reinforcement element is inserted into the interior, that the shockwave reinforcement channel is at least partially configured between an inner wall of the interior space and the shockwave reinforcement element, and that a tip of the shockwave reinforcement element in the
  • shock wave channel so that the shock wave increasingly amplified.
  • the shock wave amplification channel between the inner wall of the interior and the shock wave reinforcement element at least partially annular and / or at least partially partially annular and / or at least partially configured as a ring interrupted several times.
  • the shock wave amplifying element at least
  • Annular gap which is optionally divided into sections, are formed.
  • the annular gap preferably narrows further in the direction of the sealing seat, so that the shock wave is increasingly reinforced.
  • a high pressure of the shock wave which leads to the opening of the sealing seat, then acts at least approximately uniformly over the sealing seat.
  • the shock wave amplifying element is designed.
  • the shock wave amplifying element can be designed in one or more parts. In a multi-part design, the individual parts are connected to each other in a suitable manner.
  • at least one guide element is provided for the shockwave reinforcing element, which is arranged in the interior of the injector body. As a result, a guide of the guide element is ensured, for example, along a longitudinal axis of the injection valve.
  • a spring element which acts on the valve closing body against the sealing seat.
  • the opening force on the valve closing body induced by the shock wave due to the high local pressure on the sealing seat in this case acts against a bias of the spring element.
  • the shock wave actuator has an electrically conductive, elastic membrane and at least one field coil and that the field coil is assigned to generate an induction current in the membrane of the membrane.
  • An induction current can be generated in the membrane via the field coil.
  • the interaction of the magnetic field of the field coil and the induced magnetic field generated by the induction current in the membrane results in a force on the membrane. This is what happens Bending of the membrane.
  • the bending of the membrane creates a shock wave in the medium adjacent to the membrane. This shockwave then passes from the diaphragm through the shockwave reinforcement channel to the sealing seat.
  • the membrane is designed as an at least approximately circular membrane and that the field coil in the region of one of the
  • Shock wave amplification channel facing away from the membrane is arranged.
  • a repulsive force is generated due to the magnetic field of the coil and the induced magnetic field in the diaphragm. This results in an induction current (eddy current) in the membrane, which is oriented opposite to the current through the field coil.
  • the membrane is designed as a tubular and / or conical membrane that an inner side of the membrane
  • the membrane is preferably designed as a metal membrane.
  • the metal membrane may be at least substantially formed of copper.
  • a membrane may also be formed of at least two components which serve to seal and to allow the excitation.
  • the membrane may be formed from at least one noble metal, in particular platinum, and copper.
  • the membrane may also be formed from a ferromagnetic steel sheet. In order to improve the conductivity of the membrane, a ferromagnetic steel sheet coated with copper or the like towards the field coil can also be used as the membrane.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of an injection valve of the invention in a partial, schematic sectional view
  • Fig. 2 shows a second embodiment of an injection valve of the invention in a partial, schematic sectional view.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of an injection valve 1 in a partial, schematic sectional view.
  • the injection valve 1 can serve in particular as an injector 1 for fuel injection systems.
  • Such an injector 1 can be used for air-compressing, self-igniting internal combustion engines or for mixture-compression, spark-ignited internal combustion engines.
  • the injection valve 1 can also for a
  • the injection valve 1 has an injector body 2, an injector sleeve 3 connected to the injector body 2, and a shockwave actuator 4.
  • the shock wave actuator 4 is in this case arranged in the injector body 2.
  • the injector body 2 has an inner space 5.
  • the interior 5 is bounded by an inner wall 6 of the injector body 2.
  • a valve seat surface 7 is formed on the injector body 2.
  • a valve seat 8 associated valve closing body 8 is provided with the
  • Valve seat surface 7 cooperates to a sealing seat 9. Further, a
  • Shock wave reinforcing element 10 is provided, which is at least partially disposed in the interior 5 of the injector body 2.
  • a plurality of guide elements 1 1, 12, 13 are provided which hold the shock wave reinforcement element 10.
  • the injector body 2 has an inlet channel 25 and an outlet channel 26. Via the inlet channel 25, a medium, in particular fuel, is guided into the interior 5. About the drain channel 26, the medium can be led out of the interior 5. As a result, any resulting bubbles or the like can be guided out of the inner space 5.
  • the shock wave amplification channel 22 is completely filled with the medium.
  • a shock wave 27 is generated in the medium, which is configured approximately flat in this embodiment. The shock wave 27 propagates in a direction 28 in the medium and thus passes from the membrane 17 through the shock wave amplification channel 22 to the
  • the shock wave amplifying element 10 is designed conical.
  • Shock amplification element 10 can also be designed exponentially shaped.
  • a tip 29 of the Stoßwellenstärkungselements 10 is directed to the center of the membrane 17.
  • the shock wave amplifying element 10 is with respect to the axis 15th formed symmetrically.
  • a width 30 of the annular, remaining free cross-sectional area 23 decreases in the direction 28 as far as the sealing seat 9. Furthermore, the remaining cross-sectional area 23 also decreases between the membrane 17 and the tip 29.
  • the cross-sectional area 23 is configured circular between the membrane 17 and the tip 29.
  • the shock wave 27 runs in the direction 28 to the shock wave actuator 4
  • the conical shock wave reinforcement element 10 pierces the flat shock wave front of the shock wave 27 with its tip 29.
  • the shock wave reinforcement element 10 is designed such that only a minimal part of the shock wave 27 is reflected at the tip 29. Accordingly, the
  • a force is exerted on the valve closing body 8 in the opening direction 14 due to the high local pressure.
  • the magnitude of the force can be adjusted over the given area ratios and angles of the level of the valve closing body 8 and the area in the region of the sealing seat 9.
  • the valve closing body 8 has a pressure compensation channel 40, so that a hydraulic damping of the valve closing body 8 during the opening movement is avoided.
  • the reinforced shock wave has left the pressure-effective areas of the valve closing body 8 at the sealing seat 9, again dominates the closing force of the spring element 36, so that the valve closing body 8 is adjusted against the opening direction 14 and by placing the valve closure member 8 on the valve seat surface 7 of the sealing seat. 9 is closed again.
  • the leaked during the injection process via the injection holes 38, 39 medium is replaced by the inlet channel 25.
  • a continuous flow of the medium to be injected can be achieved via the inlet channel 25 and the outlet channel 26, any gas bubbles formed being conveyed out of the interior 5.
  • the injection valve 1 is prepared for the next injection.
  • a sealing ring 41 is provided on the guide bore 16, which seals the interior 35 of the injector 3.
  • the sealing ring 41 is formed of a temperature-resistant material, for example, up to a maximum
  • the injection valve 1 can generate defined individual injection jets. Specifically, a sufficient pressure is reliably generated, for example, a
  • the power densities are limited due to the saturation effects of the ferromagnetism and the ferroelectric.
  • relatively large volume displacements are needed to promote and thus inject a sufficient amount of medium through the shock wave amplification channel 22.
  • the metal diaphragm 17 is therefore actuated inductively in this embodiment.
  • the efficiency for the purely magnetic coupling is about 75%. Part of the energy is converted into heat in the metal membrane 17 and released to the medium in the region of the side 20. By heating, there is thus an expansion of the medium on the side 20 of the membrane 17, which leads to a thermal wave, so to speak, which supports the formation process of the shockwave 27.
  • shock wave actuator 4 can realize a pumping function.
  • the metal diaphragm 17 or the piston is preferably formed of a ferromagnetic steel sheet which is coated with the field coil 18 to improve the conductivity with copper or the like. After the amount determined by the pulse of the current through the field coil 18 has been injected by operating the membrane 17, the
  • shock wave amplification channel 22 the shock wave 27 is amplified.
  • the reinforced shock wave runs up to the sealing seat 9, whereby it for spraying the medium over the
  • the amplitude of the shock wave 27 with suitable
  • Wave concentrators are increased.
  • the inlet channel 25 may open into the interior 5 at one end 42 of the interior 5.

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Ein Einspritzventil (1), das insbesondere als Injektor für Brennstoffeinspritzanlagen oder für Abgasnachbehandlungsanlagen dient, umfasst eine Stoßwellenaktorik (4), einen Ventilschließkörper (8), der mit einer Ventilsitzfläche (7) zu einem Dichtsitz (9) zusammenwirkt, und einen Stoßwellenverstärkungskanal (22). Der Stoßwellenverstärkungskanal (22) dient zum Leiten von von der Stoßwellenaktorik (4) erzeugten Stoßwellen (27) zu dem Dichtsitz (9) und zum Verstärken dieser Stoßwellen (27).

Description

Beschreibung
Titel
Einspritzventil Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil, insbesondere einen Injektor für
Brennstoffeinspritzanlagen oder für Abgasnachbehandlungsanlagen. Aus der DE 10 2006 026 153 A1 ist eine Sprüheinrichtung für Fluide bekannt. Die bekannte Sprüheinrichtung weist eine Düse und ein Stellglied zur Regulierung des Fluidstromes durch den Düsenaustritt auf. Darüber hinaus ist ein Stoßwellenaktor zur Erzeugung von Stoßwellen in dem in der Düse befindlichen Fluid vorgesehen. Über den Stoßwellenaktor werden Stoßwellen in der Sprüheinrichtung erzeugt, die auf das in der Düse befindliche Fluid geleitet werden.
Bei einer Sprüheinrichtung für Fluide mit einem Stoßwellenaktor ergibt sich das Problem, dass gegen einen Umgebungsdruck, der beispielsweise durch den Druck im Brennraum gegeben ist, gearbeitet werden muss. Außerdem ergeben sich Probleme bei der
Strahlformung.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Einspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass ein Einspritzverhalten verbessert ist. Speziell können definierte Einspritzstrahlen realisiert werden und es kann ein vom Umgebungsdruck, insbesondere Brennraumdruck, zumindest weitgehend unabhängiges Öffnen des
Einspritzventils realisiert werden. Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Einspritzventils möglich. In vorteilhafter Weise erzeugt die Stoßwellenaktorik Stoßwellen, die zu dem Dichtsitz geleitet werden. Bei dem physikalischen Phänomen der Stoßwelle handelt es sich um eine starke Druckwelle in elastischen Medien, wie zum Beispiel Flüssigkeiten, die sich mit Überschallgeschwindigkeit ausbreiten können, wobei in der Stoßfront der Stoßwelle hohe mechanische Spannungen und Drücke herrschen. Die Stoßwelle stellt einen Druckpuls dar, bei dem innerhalb eines Sekundenbruchteils der Druck steil ansteigt und anschließend wieder steil abfällt. Die durch die Druckwelle erzeugte extreme Druckänderung wird durch den Stoßwellenverstärkungskanal in ihrer Wirkung weiter verstärkt. Hierdurch kann der Ventilschließkörper in vorteilhafter Weise von der Ventilsitzfläche gehoben werden, um den zwischen dem Ventilschließkörper und der Ventilsitzfläche gebildeten Dichtsitz zu öffnen. Hierdurch lassen sich sehr hohe Einspritzdrücke realisieren, um eine vorteilhafte
Zerstäubung auch bei hohen Umgebungsdrücken zu realisieren. Beispielsweise kann Brennstoff mit einem Druck von etwa 200 MPa (2000 Bar) für die Dieseldirekteinspritzung oder von 20 MPa (200 Bar) für die Benzindirekteinspritzung in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden. Hierbei lassen sich einerseits definierte, einzelne Einspritzstrahlen realisieren. Andererseits kann ein vom Brennraumdruck oder einem anderen Umgebungsdruck unabhängiges Öffnen des Einspritzventils erzielt werden.
Vorteilhaft ist es, dass eine zur Leitung der Stoßwellen dienende, freibleibende
Querschnittsfläche des Stoßwellenverstärkungskanals von der Stoßwellenaktorik zu dem Dichtsitz hin zumindest abschnittsweise abnimmt. Hierbei nimmt die freibleibende
Querschnittsfläche vorzugsweise gleichmäßig zu dem Dichtsitz hin ab. Hierdurch kommt es zu einer vorteilhaften Verstärkung der Stoßwelle, wobei diese am Dichtsitz einen hohen lokalen Druck und somit eine große öffnende Kraft auf den Ventilschließkörper ausübt.
Ferner ist es vorteilhaft, dass ein Injektorkörper vorgesehen ist, der zumindest einen Innenraum aufweist, dass in den Innenraum ein Stoßwellenverstärkungselement eingesetzt ist, dass der Stoßwellenverstärkungskanal zumindest abschnittsweise zwischen einer Innenwand des Innenraums und dem Stoßwellenverstärkungselement ausgestaltet ist und dass eine Spitze des Stoßwellenverstärkungselements in dem
Stoßwellenverstärkungskanal entgegen einer Ausbreitungsrichtung der erzeugten
Stoßwellen orientiert ist. Die von der Stoßwellenaktorik erzeugte Stoßwelle läuft in Richtung auf den Dichtsitz. Hierbei wird die Stoßwellenfront an der Spitze des
Stoßwellenverstärkungselements durchstoßen. Hinter der Spitze verengt sich der
Stoßwellenverstärkungskanal, so dass sich die Stoßwelle zunehmend verstärkt. Hierbei ist es ferner vorteilhaft, dass der Stoßwellenverstärkungskanal zwischen der Innenwand des Innenraums und dem Stoßwellenverstärkungselement zumindest abschnittsweise ringförmig und/oder zumindest abschnittsweise teilringförmig und/oder zumindest abschnittsweise als mehrmals unterbrochener Ring ausgestaltet ist. Zusätzlich oder alternativ ist es vorteilhaft, dass das Stoßwellenverstärkungselement zumindest
näherungsweise als konisches Stoßwellenverstärkungselement ausgestaltet ist und/oder dass sich die Innenwand des Innenraums zumindest abschnittsweise von der
Stoßwellenaktorik zu dem Dichtsitz hin verjüngt. Ferner ist es vorteilhaft, dass die
Innenwand des Innenraums zumindest abschnittsweise konisch ausgestaltet ist. Hierdurch kann der Stoßwellenverstärkungskanal in vorteilhafter Weise als sich verengender
Ringspalt, der gegebenenfalls abschnittsweise aufgeteilt ist, ausgebildet werden. Der Ringspalt verengt sich hierbei in Richtung auf den Dichtsitz vorzugsweise immer weiter, so dass die Stoßwelle zunehmend verstärkt wird. Im Bereich des Dichtsitzes wirkt dann zumindest näherungsweise gleichmäßig über den Dichtsitz verteilt ein hoher Druck der Stoßwelle, der zum Öffnen des Dichtsitzes führt.
Ferner ist es vorteilhaft, dass der Ventilschließkörper an dem
Stoßwellenverstärkungselement ausgestaltet ist. Das Stoßwellenverstärkungselement kann hierbei ein- oder mehrteilig ausgestaltet sein. Bei einer mehrteiligen Ausgestaltung sind die einzelnen Teile auf geeignete Weise miteinander verbunden. Hierbei ist es auch vorteilhaft, dass zumindest ein Führungselement für das Stoßwellenverstärkungselement vorgesehen ist, das in dem Innenraum des Injektorkörpers angeordnet ist. Hierdurch ist eine Führung des Führungselements beispielsweise entlang einer Längsachse des Einspritzventils gewährleistet.
Ferner ist es vorteilhaft, dass ein Federelement vorgesehen ist, das den Ventilschließkörper gegen den Dichtsitz beaufschlagt. Die durch die Stoßwelle auf Grund des hohen lokalen Drucks am Dichtsitz induzierte öffnende Kraft auf den Ventilschließkörper wirkt hierbei gegen eine Vorspannung des Federelements. Hierdurch kann eine Abstimmung des Einspritzventils vorgenommen werden.
Vorteilhaft ist es auch, dass der Ventilschließkörper zumindest einen Druckausgleichskanal aufweist. Hierdurch wird eine hydraulische Dämpfung des Ventilschließkörpers während einer öffnenden Bewegung vermieden.
Vorteilhaft ist es, dass die Stoßwellenaktorik eine elektrisch leitende, elastische Membran und zumindest eine Feldspule aufweist und dass die Feldspule zur Erzeugung eines Induktionsstroms in der Membran der Membran zugeordnet ist. Über die Feldspule kann ein Induktionsstrom in der Membran erzeugt werden. Die Zusammenwirkung des Magnetfelds der Feldspule und des durch den Induktionsstrom in der Membran erzeugten, induzierten magnetischen Felds führt zu einer Kraft auf die Membran. Hierdurch kommt es zur Verbiegung der Membran. Durch die Verbiegung der Membran wird eine Stoßwelle in dem an die Membran angrenzenden Medium erzeugt. Diese Stoßwelle läuft dann von der Membran durch den Stoßwellenverstärkungskanal zu dem Dichtsitz. Vorteilhaft ist es, dass die Membran als zumindest näherungsweise kreisförmige Membran ausgestaltet ist und dass die Feldspule im Bereich einer von dem
Stoßwellenverstärkungskanal abgewandten Seite der Membran angeordnet ist. Beim Betätigen der Stoßwellenaktorik wird auf Grund des Magnetfelds der Spule und des induzierten Magnetfelds in der Membran eine Repulsionskraft erzeugt. Hierbei kommt es zu einem Induktionsstrom (Wirbelstrom) in der Membran, der dem Strom durch die Feldspule entgegengesetzt orientiert ist.
Vorteilhaft ist es allerdings auch, dass die Membran als rohrförmige und/oder konische Membran ausgebildet ist, dass eine Innenseite der Membran den
Stoßwellenverstärkungskanal begrenzt und dass die Feldspule im Bereich einer Außenseite der Membran angeordnet ist. Hierdurch kann die zur Erzeugung der Stoßwelle dienende Fläche der Membran in Bezug auf einen verfügbaren Einbauraum vergrößert werden.
Die Membran ist vorzugsweise als Metallmembran ausgestaltet. Insbesondere kann die Metallmembran zumindest im Wesentlichen aus Kupfer gebildet sein. Es kann auch eine Membran aus zumindest zwei Komponenten gebildet sein, die zur Abdichtung und zum Ermöglichen der Anregung dienen. Beispielsweise kann die Membran aus zumindest einem Edelmetall, insbesondere Platin, und Kupfer gebildet sein. Die Membran kann auch aus einem ferromagnetischen Stahlblech gebildet sein. Um die Leitfähigkeit der Membran zu verbessern, kann als Membran auch ein ferromagnetisches Stahlblech zum Einsatz kommen, das zu der Feldspule hin mit Kupfer oder dergleichen beschichtet ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende
Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Einspritzventils der Erfindung in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung und
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Einspritzventils der Erfindung in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung. Ausführungsformen der Erfindung
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiels eines Einspritzventils 1 in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung. Das Einspritzventil 1 kann insbesondere als Injektor 1 für Brennstoffeinspritzanlagen dienen. Solch ein Injektor 1 kann für luftverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschinen oder für gemischverdichtende, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen zum Einsatz kommen. Speziell kann das Einspritzventil 1 zum
Einspritzen von Dieselbrennstoff oder von Benzin in einen Brennraum einer
Brennkraftmaschine dienen. Das Einspritzventil 1 kann allerdings auch für eine
Abgasnachbehandlungsanlage zum Einsatz kommen, beispielsweise zur Einspritzung für DeNox-Systeme. Das erfindungsgemäße Einspritzventil 1 eignet sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle. Das Einspritzventil 1 weist einen Injektorkörper 2, eine mit dem Injektorkörper 2 verbundene Injektorhülse 3 und eine Stoßwellenaktorik 4 auf. Die Stoßwellenaktorik 4 ist hierbei in dem Injektorkörper 2 angeordnet. Außerdem weist der Injektorkörper 2 einen Innenraum 5 auf. Der Innenraum 5 ist hierbei durch eine Innenwand 6 des Injektorkörpers 2 begrenzt. An dem Injektorkörper 2 ist eine Ventilsitzfläche 7 ausgebildet. Außerdem ist ein der Ventilsitzfläche 7 zugeordneter Ventilschließkörper 8 vorgesehen, der mit der
Ventilsitzfläche 7 zu einem Dichtsitz 9 zusammenwirkt. Ferner ist ein
Stoßwellenverstärkungselement 10 vorgesehen, das zumindest teilweise in dem Innenraum 5 des Injektorkörpers 2 angeordnet ist. Hierbei sind mehrere Führungselemente 1 1 , 12, 13 vorgesehen, die das Stoßwellenverstärkungselement 10 halten. Hierbei sind die
Führungselemente 1 1 , 12, 13 mit dem Injektorkörper 2 verbunden.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Ventilschließkörper 8 an dem
Stoßwellenverstärkungselement 10 ausgebildet. Hierbei ist eine ein- oder mehrteilige Ausgestaltung des Stoßwellenverstärkungselement 10 mit dem Ventilschließkörper 8 möglich. Die Führungselemente 1 1 , 12, 13 ermöglichen in diesem Fall eine Verstellung des Stoßwellenverstärkungselements 10 und somit auch des Ventilschließkörpers 8 aus der in der Fig. 1 dargestellten Ausgangslage in einer Öffnungsrichtung 14 entlang einer Achse 15 des Einspritzventils 1. Hierbei ist der Ventilschließkörper 8 und somit auch das
Stoßwellenverstärkungselement 10 außerdem an einer Führungsbohrung 16 der
Injektorhülse 3 geführt. Die Stoßwellenaktorik 4 umfasst eine elektrisch leitende, elastische Membran 17 oder einen Kolben. Hierbei kann die Membran 17 als Metallmembran 17 ausgestaltet sein. Die
Metallmembran 17 kann aus einem Metall oder auch aus mehreren Metallen gebildet sein. Beispielsweise kann die Metallmembran 17 aus einer Stahlfolie mit einer
Kupferbeschichtung gebildet sein. Die Stoßwellenaktorik umfasst auch eine Feldspule 18. Die Feldspule 18 ist der Membran 17 zugeordnet und an einer Seite 19 der in diesem Ausführungsbeispiel kreisförmig ausgestalteten Membran 19 angeordnet. Sofern die Metallmembran 17 eine Kupferbeschichtung aufweist, ist diese vorzugsweise der Feldspule 18 zugewandt und somit an der Seite 19 vorgesehen. Die Membran 17 weist außerdem eine von der Seite 19 abgewandte weitere Seite 20 auf.
Die Seite 20 der Membran 17, die Innenwand 6 des Innenraums 5 und eine Außenseite 21 des Stoßwellenverstärkungselements 10 begrenzen einen Stoßwellenverstärkungskanal 22. Der Stoßwellenkanal 22 erstreckt sich von der Membran 17 der Stoßwellenaktorik 4 bis zu dem Dichtsitz 9. Der Stoßwellenverstärkungskanal 22 weist eine zur Leitung von
Stoßwellen dienende freibleibende Querschnittsfläche 23 auf, die senkrecht zu der Achse 15 orientiert ist. Im Bereich des Stoßwellenverstärkungselements 10 ist die freibleibende Querschnittsfläche 23 ringförmig oder als mehrfach unterbrochener Ring, wie es im Bereich der Führungselemente 1 1 , 12, 13 der Fall ist, ausgestaltet.
Bei einer Betätigung der Membran 17 mittels der Feldspule 18 wölbt sich die Membran 17 in den Innenraum 5, wie es durch eine unterbrochen dargestellte Linie 24 veranschaulicht ist. Der Injektorkörper 2 weist einen Zulaufkanal 25 und einen Ablaufkanal 26 auf. Über den Zulaufkanal 25 wird ein Medium, insbesondere Brennstoff, in den Innenraum 5 geführt. Über den Ablaufkanal 26 kann das Medium aus dem Innenraum 5 herausgeführt werden. Hierdurch können auch entstandene Blasen oder dergleichen aus dem Innenraum 5 geführt werden. Im Betrieb des Einspritzventils 1 ist der Stoßwellenverstärkungskanal 22 vollständig mit dem Medium gefüllt. Beim Betätigen der Membran 17 wird eine Stoßwelle 27 in dem Medium erzeugt, die in diesem Ausführungsbeispiel näherungsweise eben ausgestaltet ist. Die Stoßwelle 27 pflanzt sich in einer Richtung 28 in dem Medium fort und läuft somit von der Membran 17 durch den Stoßwellenverstärkungskanal 22 zu dem
Dichtsitz 9.
Das Stoßwellenverstärkungselement 10 ist konusförmig ausgestaltet. Das
Stoßwellenverstärkungselement 10 kann auch exponential geformt ausgestaltet sein.
Hierbei ist eine Spitze 29 des Stoßwellenstärkungselements 10 auf die Mitte der Membran 17 gerichtet. Das Stoßwellenverstärkungselement 10 ist bezüglich der Achse 15 symmetrisch ausgebildet. Im Bereich des Stoßwellenverstärkungselements 10 nimmt eine Breite 30 der ringförmigen, freibleibenden Querschnittsfläche 23 in der Richtung 28 bis zum Dichtsitz 9 ab. Ferner nimmt die freibleibende Querschnittsfläche 23 auch zwischen der Membran 17 und der Spitze 29 ab. Die Querschnittsfläche 23 ist zwischen der Membran 17 und der Spitze 29 kreisförmig ausgestaltet.
Nach der Auslenkung der Membran 17 zur Erzeugung der Stoßwelle 27 mit Hilfe der Stoßwellenaktorik 4 läuft die Stoßwelle 27 in der Richtung 28 zu dem
Stoßwellenverstärkungselement 10. Das kegelförmige Stoßwellenverstärkungselement 10 durchstößt die ebene Stoßwellenfront der Stoßwelle 27 mit seiner Spitze 29. Hierbei ist das Stoßwellenverstärkungselement 10 so ausgestaltet, dass nur ein minimaler Teil der Stoßwelle 27 an der Spitze 29 reflektiert wird. Entsprechend sind auch die
Führungselemente 1 1 , 12, 13 so ausgestaltet, dass Reflektionen möglichst vermieden sind. Da sich die freibleibende Querschnittsfläche 23, insbesondere die Breite 30 der
ringförmigen Querschnittsfläche 23, und somit die Fläche der Stoßwellenfront 27 in der Richtung 28 verringert, verstärkt sich die Stoßwelle 27 in dem sich verengenden
Stoßwellenverstärkungskanal 22.
Wenn die verstärkte Stoßwelle an den Dichtsitz 9 gelangt, dann wird auf Grund des hohen lokalen Drucks eine Kraft auf den Ventilschließkörper 8 in der Öffnungsrichtung 14 ausgeübt. Die Größe der Kraft kann über die gegebenen Flächenverhältnisse und Winkel des Pegels des Ventilschließkörpers 8 und der Fläche im Bereich des Dichtsitzes 9 eingestellt werden. In einem Innenraum 35 der Injektorhülse 3 sind ein Federelement 36 in Form eines
Tellerfederpakets und ein Einstellmittel 37 in Form von Einstellscheiben angeordnet. Das Federelement 36 ist vorgespannt, so dass der Ventilschließkörper 8 entgegen der
Öffnungsrichtung 14 mit einer Vorspannung gegen die Ventilsitzfläche 7 gepresst ist. Wenn die durch die verstärkte Stoßwelle 27 auf den Ventilschließkörper 8 einwirkende öffnende Kraft die Schließkraft des Federelements 36 übersteigt, dann wird der Ventilschließkörper 8 in der Öffnungsrichtung 14 verstellt. Hierdurch kommt es zum Öffnen des Dichtsitzes 9 und somit zum Austritt des Mediums aus dem Innenraum 5 über Spritzlochbohrungen 38, 39. Durch die Stoßwelle kann hierbei eine Zerstäubung des Mediums in den umliegenden Raum, insbesondere einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, erreicht werden.
Der Ventilschließkörper 8 weist einen Druckausgleichskanal 40 auf, so dass eine hydraulische Dämpfung des Ventilschließkörpers 8 während der öffnenden Bewegung vermieden ist. Nachdem die verstärkte Stoßwelle die druckwirksamen Bereiche des Ventilschließkörpers 8 am Dichtsitz 9 verlassen hat, überwiegt wieder die schließende Kraft des Federelements 36, so dass der Ventilschließkörper 8 entgegen der Öffnungsrichtung 14 verstellt wird und durch das Aufsetzen des Ventilschließkörpers 8 an der Ventilsitzfläche 7 der Dichtsitz 9 wieder geschlossen ist. Das während des Einspritzvorgangs über die Spritzlochbohrungen 38, 39 ausgetretene Medium wird über den Zulaufkanal 25 ersetzt. Hierbei kann ein stetiger Fluss des einzuspritzenden Mediums über den Zulaufkanal 25 und den Ablaufkanal 26 erreicht werden, wobei eventuell gebildete Gasblasen aus dem Innenraum 5 befördert werden. Somit ist das Einspritzventil 1 für die nächste Einspritzung vorbereitet.
In diesem Ausführungsbeispiel ist an der Führungsbohrung 16 ein Dichtring 41 vorgesehen, der den Innenraum 35 der Injektorhülse 3 abdichtet. Der Dichtring 41 ist aus einem temperaturresistenten Material gebildet, das beispielsweise bis zu einer maximalen
Brennraumtemperatur beständig ist. Der Druck des Mediums im Innenraum 4 kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 100 kPa (1 Bar) und 500 kPa (5 Bar) liegen.
Somit kann das Einspritzventil 1 definiert einzelne Einspritzstrahlen erzeugen. Speziell wird in zuverlässiger Weise ein ausreichender Druck erzeugt, um beispielsweise eine
zuverlässige Einspritzung gegen einen großen Brennraumdruck zu erzeugen.
Für die Stoßwellenerzeugung durch das Stoßwellenverstärkungselement 10 wird eine sehr schnelle, explosionsartige Entladung der gespeicherten Energiemenge benötigt. Hierbei kann in einer Zeit von wenigen Mikrosekunden eine Energiemenge von etwa 20 J abgegeben werden, was einer Leistungen von einigen MW entspricht. Bei
ferromagnetischen oder piezoelektrischen Aktoren sind die Leistungsdichten auf Grund der Sättigungseffekte des Ferromagnetismus und des Ferroelektrikums begrenzt. Andererseits werden relativ große Volumenverdrängungen benötigt, um eine ausreichende Menge an Medium durch den Stoßwellenverstärkungskanal 22 zu fördern und somit einzuspritzen.
Die Metallmembran 17 wird in diesem Ausführungsbeispiel deshalb induktiv betätigt.
Hierbei wird ein kurzer Strompuls in der als spiralförmigen Luftspule ausgestalteten
Feldspule 18 erzeugt. Dieser Strompuls erzeugt ein magnetisches Feld, das in der leitfähigen Metallmembran 17 einen Induktionsstrom in Form eines Wirbelstroms induziert, der dem Spulenstrom durch die Feldspule 18 entgegengerichtet ist. Hierbei ist die auf die Metallmembran 17 entsprechend dem Induktionsgesetz wirkende Kraft um so größer, je kürzer der Abstand der Feldspule 18 zur Metallmembran 17 ist. Deshalb ist die Feldspule 18 möglichst nah und vorzugsweise direkt an der Seite 19 der Metallmembran 17 angeordnet. Bei einer Stromstärke von 1000 A kann beispielsweise eine Kraft im Bereich von einigen kN auf die Metallmembran 17 wirken. Mit solchen Kräften können relativ große Auslenkungen, insbesondere Auslenkungen von mehr als 1 mm, der Metallmembran 17 erreicht werden, wie es beispielsweise durch die unterbrochen dargestellte Linie 24 veranschaulicht ist.
Die Feldspule 18 kann auch auf eine zylindrische oder konische Mantelfläche eines Zylinders beziehungsweise Konus angebracht werden, um die Amplitude der Stoßwelle 27 mit geeigneten Wellenkonzentratoren zu erhöhen.
Der Wirkungsgrad für die rein magnetische Kopplung beträgt etwa 75 %. Ein Teil der Energie wird in der Metallmembran 17 in Wärme umgewandelt und an das Medium im Bereich der Seite 20 abgegeben. Durch Erwärmung kommt es somit zu einer Ausdehnung des Mediums an der Seite 20 der Membran 17, was sozusagen zu einer thermischen Welle führt, die den Entstehungsprozess der Stoßwelle 27 unterstützt.
Außerdem kann die Stoßwellenaktorik 4 eine Pumpfunktion realisieren. Die Metallmembran 17 oder der Kolben ist vorzugsweise aus einem ferromagnetischen Stahlblech gebildet, welches zu der Feldspule 18 hin zur Verbesserung der Leitfähigkeit mit Kupfer oder ähnlichem beschichtet ist. Nachdem durch Betätigen der Membran 17 die durch den Puls des Stroms durch die Feldspule 18 bestimmte Menge injiziert worden ist, kann die
Membran 17 mittels eines durch die Feldspule 18 geführten Gleichstroms oder eines NF- Stroms mit einer Frequenz von weniger als 1 kHz in die in der Fig. 1 dargestellte
Ursprungslage gezogen werden. Hierdurch wird an der Seite 20 der Membran 17 ein Unterdruck erzeugt, der zum Ansaugen des Mediums aus dem Zulaufkanal 25 führt.
Zusätzlich oder alternativ kann die Rückstellfunktion auch durch eine Rückstellfeder, die auf die Membran 17 einwirkt, realisiert werden. Somit können Brennstoffe, insbesondere Benzin oder Diesel, Harnstoff für eine
Abgasverbesserung oder andere Medien in zuverlässiger Weise von dem Einspritzventil 1 über die Spritzlochbohrungen 38, 39 abgespritzt werden.
Fig. 2 zeigt ein Einspritzventil 1 in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Membran 17 als rohrförmige und konische Membran 17 ausgestaltet. Eine Innenseite 20' der Membran 17 begrenzt hierbei den Stoßwellenverstärkungskanal 22. Ferner ist die Feldspule 18 im Bereich einer Außenseite 19' der Membran 17 angeordnet. Zum Betätigen der Stoßwellenaktorik wird ein Strom durch die Feldspule 18 geführt, der einen
Induktionsstrom (Wirbelstrom) in der Membran 17 erzeugt und somit zu einer abstoßenden Kraft auf die Membran 17 führt. Hierdurch wölbt sich die Membran 17 umfänglich in
Richtung auf die Achse 15. Somit kommt es zu der Erzeugung einer Stoßwelle 27, die sich in der Richtung 28 durch den Stoßwellenverstärkungskanal 22 ausbreitet. Im
Stoßwellenverstärkungskanal 22 wird die Stoßwelle 27 verstärkt. Die verstärkte Stoßwelle läuft bis zu dem Dichtsitz 9, wodurch es zum Abspritzen des Mediums über die
Spritzlochbohrungen 38, 39 kommt.
Bei dieser Ausgestaltung kann die Amplitude der Stoßwelle 27 mit geeigneten
Wellenkonzentratoren erhöht werden.
Der Zulaufkanal 25 kann an einem Ende 42 des Innenraums 5 in den Innenraum 5 münden.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.

Claims

Ansprüche
1 . Einspritzventil (1 ), insbesondere Injektor für Brennstoffeinspritzanlagen oder für
Abgasnachbehandlungsanlagen, mit einer Stoßwellenaktorik (4), einem Ventilschließkörper (8), der mit einer Ventilsitzfläche (7) zu einem Dichtsitz (9) zusammenwirkt, und einem Stoßwellenverstärkungskanal (22), der zum Leiten von von der Stoßwellenaktorik (4) erzeugten Stoßwellen (27) zu dem Dichtsitz (9) und zum Verstärken dieser Stoßwellen (27) dient.
2. Einspritzventil nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine zur Leitung der Stoßwellen (27) dienende, freibleibende Querschnittsfläche (23) des Stoßwellenverstärkungskanals (22) von der Stoßwellenaktorik (4) zu dem Dichtsitz (9) hin zumindest abschnittsweise abnimmt.
3. Einspritzventil nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Injektorkörper (2) vorgesehen ist, der zumindest einen Innenraum (5) aufweist, dass in den Innenraum (5) ein Stoßwellenverstärkungselement (10) eingesetzt ist, dass der Stoßwellenverstärkungskanal (22) zumindest abschnittsweise zwischen einer Innenwand (6) des Innenraums (5) und dem Stoßwellenverstärkungselement (10) ausgestaltet ist und dass eine Spitze (29) des Stoßwellenverstärkungselements (10) in dem
Stoßwellenverstärkungskanal (22) entgegen einer Ausbreitungsrichtung (28) der erzeugten Stoßwellen (27) orientiert ist.
4. Einspritzventil nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Stoßwellenverstärkungskanal (22) zwischen der Innenwand (6) des Innenraums (5) und dem Stoßwellenverstärkungselement (10) zumindest abschnittsweise ringförmig und/oder abschnittsweise teilringförmig und/oder abschnittsweise als mehrmals
unterbrochener Ring ausgestaltet ist
und/oder
dass das Stoßwellenverstärkungselement (10) zumindest näherungsweise als konisches Stoßwellenverstärkungselement (10) ausgestaltet ist und/oder
dass sich die Innenwand (6) des Innenraums (5) zumindest abschnittsweise von der
Stoßwellenaktorik (4) zu dem Dichtsitz (9) hin verjüngt
und/oder
dass die Innenwand (6) des Innenraums (5) zumindest abschnittsweise konisch ausgestaltet ist.
5. Einspritzventil nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Ventilschließkörper (8) an dem Stoßwellenverstärkungselement (10) ausgestaltet ist.
6. Einspritzventil nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest ein Führungselement (1 1 , 12, 13) für das Stoßwellenverstärkungselement (10) vorgesehen ist, das in dem Innenraum (5) des Injektorkörpers (2) angeordnet ist, und/oder
dass ein Federelement (36) vorgesehen ist, das den Ventilschließkörper (8) gegen den Dichtsitz (9) beaufschlagt,
und/oder
dass der Ventilschließkörper (8) zumindest einen Druckausgleichskanal (40) aufweist.
7. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Stoßwellenaktorik (4) eine elektrisch leitende, elastische Membran (17) oder einen Kolben und zumindest eine Feldspule (18) aufweist und dass die Feldspule zur Erzeugung eines Induktionsstroms in der Membran (17) der Membran (17) zugeordnet ist
beziehungsweise zur Erzeugung eines Induktionsstroms in dem Kolben dem Kolben zugeordnet ist.
8. Einspritzventil nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Membran (17) beziehungsweise der Kolben als zumindest näherungsweise kreisförmige Membran (17) beziehungsweise als zumindest näherungsweise kreisförmiger Kolben ausgestaltet ist und dass die Feldspule (18) im Bereich einer von dem
Stoßwellenverstärkungskanal (22) abgewandten Seite (19) der Membran (17)
beziehungsweise des Kolbens angeordnet ist.
9. Einspritzventil nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Membran (17) als rohrförmige und/oder konische Membran (17) ausgestaltet ist, dass eine Innenseite (20') der Membran (17) den Stoßwellenverstärkungskanal (22) begrenzt und dass die Feldspule (18) im Bereich einer Außenseite (19') der Membran (17) angeordnet ist.
10. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Membran (17) zumindest im Wesentlichen als Metallmembran (17) ausgestaltet ist.
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