WO2012101003A1 - Einspritzventil mit strömungsformelement - Google Patents

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Marco Vorbach
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    • F02M61/18—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for

Definitions

  • the present invention relates to an injection valve with a
  • Flow forming element to obtain a predetermined, three-dimensional spray shape during the injection process.
  • injectors with magnetic drive and with piezo drive can be distinguished. Piezo injectors are often provided with outwardly opening valve actuators, resulting in a much better robustness against coking results.
  • injection valves with magnetic drive for example, multi-hole injectors are known which ensure a good distribution of the spray in a combustion chamber, but these multi-hole injectors tend increasingly to coking.
  • a three-dimensional shape of the spray can be designed, which allows an optimal adaptation of the spray to the combustion chamber.
  • valve according to the invention for injecting fuel with the features of claim 1 has the advantage over that in a simple and cost-effective manner influencing a spray which is injected into a combustion chamber, is possible.
  • This is inventively achieved in that a flow-forming element is arranged in an inflow bore. The flow-forming element thereby influences the flow in the
  • Inflow bore such that when the valve is open a predetermined, Three-dimensional spray is generated in dependence on the geometric shape of the flow-forming element.
  • the flow-forming element is arranged in the flow direction of the inflow bore in front of a valve seat. This prevents the problem of coking, as the
  • Flow-forming element is not exposed in a combustion chamber, but protected sitting in the inflow bore of the valve. That in the
  • Flow forming element arranged on the inflow bore imposes a profile on the internal flow in the inflow bore, with the aid of which a directional control of the fuel jet into the combustion chamber becomes possible.
  • the valve is an outwardly opening valve.
  • a spray geometry in the combustion chamber can be achieved with an outwardly opening valve, which was previously not possible with outwardly opening valves.
  • Flow-forming element on the valve actuator preferably a valve needle fixed. As a result, the flow-forming element is opened at an opening
  • the spray is affected only by the geometrical changes in the valve seat, i.e. a size of the annular gap.
  • the flow-forming element on guide surfaces on a radial outer side, which allows a guide of the valve actuator in the inflow bore.
  • the flow-forming element is fixed to the inflow bore and has a passage opening through which the valve actuator is passed.
  • the flow-forming element has a geometric shape of a symmetrical ring.
  • the flow-forming element is shaped as an eccentric ring. According to another alternative, this includes
  • Flow forming element has an inner base portion and one or more outwardly projecting portions. As a result, in particular a spray in the form of fan-like fins is produced.
  • Areas can be arranged regularly or irregularly at the base area.
  • the outwardly projecting regions may each have rounded transitions, so that in each case flowing transitions are present on the outer circumference of the flow-shaping element.
  • edges may also be formed on the outer periphery of the flow-forming element.
  • the valve actuator is preferably a valve needle, and more preferably the valve is a magnetic injector.
  • the present invention can also be used in a valve with a piezo drive.
  • the invention is
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a valve according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a sectional view of FIG. 1,
  • Figure 3 is a side view of a spray according to the first
  • Embodiment, 3 is a sectional view along line II of FIG. 3, a sectional view of an injection valve according to a second exemplary embodiment of the invention, a side view of a spray of the second exemplary embodiment, a sectional view along the line II-II of FIG. 6, a sectional view of an injection valve according to a third exemplary embodiment of FIG Invention,
  • Figure 9 is a side view of a spray of the third
  • Figure 10 is a sectional view taken along the line III-III of Figure 9.
  • the injection valve 1 comprises a valve carrier 2, a valve seat 3 and an inflow bore 4.
  • the injection valve 1 is an outwardly opening valve and comprises a valve needle 5 as a valve actuator.
  • the valve needle 5 closes the outlet cross-section in a known manner
  • Valve seat 3 releases an annular gap in the open state.
  • a flow-forming element 7 is arranged on the valve needle 5.
  • the flow-forming element 7 has a symmetrical ring shape, as can be seen from the sectional view of FIG.
  • the flow-shaping element 7 reduces a flow cross-section in the inflow bore 4 to a smaller annular gap 8, as can be seen from FIG.
  • Fuel is shown in Figure 1 by the arrows B.
  • Flow-forming element 7 arranged in the flow direction in front of the valve seat 3. This ensures that coking of the flow-forming element 7 can be avoided since the flow-forming element 7 is protected in the inflow bore 4 even when the valve is fully open.
  • a circumferential collar 6 which serves on the one hand as a stop for the flow-forming element 7 for fixing the flow-forming element 7 on the valve needle and on the other hand prevents excessive turbulence of the flowing fuel in the flow direction after the flow-forming element 7.
  • Injector valve of the first embodiment shown which is injected as a uniform hollow cone in a combustion chamber.
  • Flow-forming element 7 can be influenced.
  • a simple flow-forming element 7 a targeted adaptation of the spray to the respective combustion chamber conditions can be achieved.
  • the spray 9 can be adapted in three-dimensional form, with no single rays, as in a spray nozzle are generated.
  • the other valve components can remain the same, so that a very cost-effective mass production of
  • FIGS. 5 to 7 show an injection valve with a different geometric shape of the flow-forming element.
  • the flow-forming element 17 of the second exemplary embodiment is an eccentric.
  • Wall thicknesses or the obliqueness of the cone can thereby by the
  • FIGS. 8 to 10 show an injection valve according to a third
  • a flow-forming element 27 has an annular base portion 25 and a plurality of radially outwardly projecting portions 26.
  • the projecting portions 26 are formed differently.
  • the flow-shaping element 27 has irregularly formed projecting regions 26, wherein the projecting regions 26 are formed in an arcuate manner with different radii. Furthermore, the
  • the range of the finger-shaped projections 30 of the spray and their width in the radial direction and in the circumferential direction depend on the geometric shape of the flow-shaping element 27 from.
  • a guide surface 24 is provided on one of the protruding regions 26, so that the flow-shaping element 7 also assumes a guiding function for the valve needle 5 in addition to the three-dimensional shaping of the spray.
  • the flow-forming element is respectively fixed to the valve needle 5. It should be noted, however, that it is also possible that the flow-shaping element is fixed to the valve carrier 2.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Einspritzen von Kraftstoff, umfassend einen Ventilträger (2) mit einem Ventilsitz (3) und einer Zuströmbohrung (4), ein Ventilstellglied (5) und ein Strömungsformelement (7), welches in der Zuströmbohrung (4) angeordnet ist, um bei geöffnetem Ventil ein vorbestimmtes, dreidimensionales Spray (9) zu erzeugen, wobei das Strömungsformelement (7) in Durchströmungsrichtung (B) durch die Zuströmbohrung (4) vor dem Ventilsitz (3) angeordnet ist.

Description

Beschreibung Titel
Einspritzventil mit Strömungsformelement Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Einspritzventil mit einem
Strömungsformelement, um eine vorbestimmte, dreidimensionale Sprayform während des Einspritzvorgangs zu erhalten.
Einspritzventile sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen
Ausgestaltungen bekannt. Grundsätzlich lassen sich hierbei Injektoren mit Magnetantrieb und mit Piezo-Antrieb unterscheiden. Piezo-Injektoren sind häufig mit nach außen öffnenden Ventilstellgliedern vorgesehen, wodurch eine wesentlich bessere Robustheit gegenüber einer Verkokung resultiert. Bei Einspritzventilen mit Magnetantrieb sind beispielsweise Mehrlochinjektoren bekannt, welche eine gute Verteilung des Sprays in einem Brennraum sicherstellen, jedoch neigen diese Mehrlochinjektoren verstärkt zur Verkokung. Durch Wahl der Mehrlochgeometrie kann allerdings eine dreidimensionale Form des Sprays ausgelegt werden, welche eine optimale Anpassung des Sprays an den Brennraum erlaubt.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Ventil zum Einspritzen von Kraftstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass auf einfache und kostengünstige Weise eine Beeinflussung eines Sprays, welches in einen Brennraum eingespritzt wird, möglich ist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass ein Strömungsformelement in einer Zuströmbohrung angeordnet ist. Das Strömungsformelement beeinflusst dabei die Strömung in der
Zuströmbohrung derart, dass bei geöffnetem Ventil ein vorbestimmtes, dreidimensionales Spray in Abhängigkeit von der geometrischen Form des Strömungsformelements erzeugt wird. Dabei ist das Strömungsformelement in Durchströmungsrichtung der Zuströmbohrung vor einem Ventilsitz angeordnet. Hierdurch wird das Problem der Verkokung verhindert, da das
Strömungsformelement nicht exponiert in einem Brennraum angeordnet ist, sondern geschützt in der Zuströmbohrung des Ventils sitzt. Das in der
Zuströmbohrung angeordnete Strömungsformelement prägt der Innenströmung in der Zuströmbohrung ein Profil auf, mit dessen Hilfe eine Richtungssteuerung des Kraftstoffstrahls in den Brennraum möglich wird. Somit kann durch geeignete geometrische Wahl des Strömungsformelements eine dem Brennraum des
Motors angepasste Massenverteilung über den Sprayquerschnitt erreicht werden. Im Unterschied zu einer Mehrlochdüse werden erfindungsgemäß keine echten Einzelstrahlen produziert, sondern der Druckabfall im Bereich des Strömungsformelements sorgt für ein Spray mit großen geschlossenen
Radialabschnitten.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Vorzugsweise ist das Ventil ein nach außen öffnendes Ventil. Hierdurch kann mit einem nach außen öffnenden Ventil eine Spraygeometrie im Brennraum erreicht werden, welche so bisher bei nach außen öffnenden Ventilen nicht möglich war.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das
Strömungsformelement am Ventilstellglied, vorzugsweise einer Ventilnadel, fixiert. Hierdurch wird das Strömungsformelement bei einem Öffnungs-
/Schließvorgang gemeinsam mit dem Ventilstellglied bewegt. Dadurch wird immer ein gleicher Abstand zu einer Schließfläche am Ventilstellglied
beibehalten, so dass während eines Öffnungsvorgangs des Ventils das Spray nur durch die geometrischen Änderungen am Ventilsitz, d.h., einer Größe des Ringspalts, beeinflusst wird.
Besonders bevorzugt weist das Strömungsformelement Führungsflächen an einer radialen Außenseite auf, welche eine Führung des Ventilstellglieds in der Zuströmbohrung ermöglicht. Alternativ ist das Strömungsformelement an der Zuströmbohrung fixiert und weist eine Durchgangsöffnung auf, durch welche das Ventilstellglied hindurchgeführt ist.
Besonders bevorzugt weist das Strömungsformelement eine geometrische Form eines symmetrischen Rings auf. Alternativ ist das Strömungsformelement als Exzenterring geformt. Gemäß einer weiteren Alternative umfasst das
Strömungsformelement einen inneren Basisbereich und einen oder mehrere nach außen vorstehende Bereiche. Hierdurch wird insbesondere ein Spray in Form von fächerartigen Lamellen erzeugt. Die nach außen vorstehenden
Bereiche können dabei regelmäßig oder unregelmäßig am Basisbereich angeordnet sein. Ferner können die nach außen vorstehenden Bereiche jeweils abgerundete Übergänge aufweisen, so dass jeweils fließende Übergänge am Außenumfang des Strömungsformelements vorhanden sind. Alternativ können auch Kanten am äußeren Umfang des Strömungsformelements gebildet sein.
Das Ventilstellglied ist vorzugsweise eine Ventilnadel und weiter bevorzugt ist das Ventil ein Magnetinjektor. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch bei einem Ventil mit Piezo-Antrieb verwendet werden. Die Erfindung wird
vorzugsweise bei nach außen öffnenden Ventilen mit Magnetantrieb zur
Kraftstoffeinspritzung eingesetzt.
Zeichnung
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines Ventils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 2 eine Schnittansicht von Figur 1 ,
Figur 3 eine Seitenansicht eines Sprays gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel, eine Schnittansicht entlang der Linie l-l von Figur 3, eine Schnittansicht eines Einspritzventils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, eine Seitenansicht eines Sprays des zweiten Ausführungsbeispiels, eine Schnittansicht entlang der Linie II-II von Figur 6, eine Schnittansicht eines Einspritzventils gemäß einem dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
Figur 9 eine Seitenansicht eines Sprays des dritten
Ausführungsbeispiels, und
Figur 10 eine Schnittansicht entlang der Linie III-III von Figur 9.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 4 ein Einspritzventil 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, umfasst das Einspritzventil 1 einen Ventilträger 2, einen Ventilsitz 3 und eine Zuströmbohrung 4. Das Einspritzventil 1 ist ein nach außen öffnendes Ventil und umfasst als Ventilstellglied eine Ventilnadel 5. Die Ventilnadel 5 verschließt den Austrittsquerschnitt in bekannter Weise am
Ventilsitz 3 und gibt in geöffnetem Zustand einen Ringspalt frei.
Ferner ist an der Ventilnadel 5 ein Strömungsformelement 7 angeordnet. Das Strömungsformelement 7 weist eine symmetrische Ringform auf, wie aus der Schnittansicht von Figur 2 ersichtlich ist. Das Strömungsformelement 7 reduziert einen Strömungsquerschnitt in der Zuströmbohrung 4 auf einen kleineren Ringspalt 8, wie aus Figur 1 ersichtlich ist. Eine Strömungsrichtung des
Kraftstoffs ist in Figur 1 durch die Pfeile B dargestellt. Hierbei ist das Strömungsformelement 7 in Strömungsrichtung vor dem Ventilsitz 3 angeordnet. Hierdurch wird sichergestellt, dass eine Verkokung des Strömungsformelements 7 vermieden werden kann, da das Strömungsformelement 7 auch bei vollständig geöffnetem Ventil geschützt in der Zuströmbohrung 4 liegt.
An der Ventilnadel 5 ist ferner ein umlaufender Bund 6 vorgesehen, welcher einerseits als Anschlag für das Strömungsformelement 7 zur Fixierung des Strömungsformelements 7 an der Ventilnadel dient und andererseits eine zu starke Verwirbelung des strömenden Kraftstoffs in Strömungsrichtung nach dem Strömungsformelement 7 verhindert.
Wenn in Figur 1 , wie durch den Pfeil A angedeutet, das Einspritzventil öffnet und die Ventilnadel 5 vom Ventilsitz 3 abhebt, ergibt sich ein ringförmiger
Austrittsquerschnitt, bei welchem der unter Druck stehende Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird. In den Figuren 3 und 4 ist das Spray 9 des
Einspritzventils des ersten Ausführungsbeispiels dargestellt, welches als gleichmäßiger Hohlkegel in einen Brennraum eingespritzt wird.
Erfindungsgemäß wird somit durch das Strömungsformelement 7 einer
Innenströmung in der Zuströmbohrung 4 ein Profil aufgeprägt, mit dessen Hilfe das Spray 9 in Abhängigkeit von einer geometrischen Form des
Strömungsformelements 7 beeinflusst werden kann. Somit kann durch ein einfaches Strömungsformelement 7 eine gezielte Anpassung des Sprays an die jeweiligen Brennraumbedingungen erreicht werden. Das Spray 9 kann dabei in dreidimensionaler Form angepasst werden, wobei keine Einzelstrahlen, wie bei einer Spritzlochdüse erzeugt werden. Die anderen Ventilbauteile können dabei gleich bleiben, so dass eine sehr kostengünstige Serienherstellung der
Einspritzventile möglich ist. Für verschiedene Motorenhersteller muss dabei lediglich das Strömungsformelement 7 ausgetauscht werden, wobei sonstige Bauteile gleich bleiben können. Hierdurch ergibt sich ein großer
fertigungstechnischer Vorteil.
In den Figuren 5 bis 7 ist ein Einspritzventil mit einer anderen geometrischen Form des Strömungsformelements dargestellt. Wie aus Figur 5 ersichtlich ist, ist das Strömungsformelement 17 des zweiten Ausführungsbeispiels ein Exzenter.
Dadurch ergibt sich das in den Figuren 6 und 7 dargestellte Spray, welches eine schräge Hohlkegelform mit verschiedenen Wandstärken aufweist. Die
Wandstärken bzw. die Schrägheit des Kegels kann dabei durch die
Ausgestaltung des Exzenters beeinflusst werden. Die Figuren 8 bis 10 zeigen ein Einspritzventil gemäß einem dritten
Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei ein Strömungsformelement 27 einen ringförmigen Basisbereich 25 und mehrere radial nach außen vorstehende Bereiche 26 aufweist. Die vorstehenden Bereiche 26 sind dabei unterschiedlich gebildet. Das Strömungsformelement 27 weist dabei unregelmäßig gebildete vorstehende Bereiche 26 auf, wobei die vorstehenden Bereiche 26 bogenförmig mit unterschiedlichen Radien gebildet sind. Ferner weist das
Strömungsformelement 27 kantenfreie, ineinander übergehende Übergänge zwischen den einzelnen vorstehenden Bereichen 26 auf. Dadurch ergibt sich, wie aus den Figuren 9 und 10 ersichtlich ist, ein Spray 29 mit einer Kegelform, wobei durch die zwischen den radial vorstehenden Bereichen 26 vorhandenen
Aussparungen jeweils fingerartige Sprayfortsätze gebildet werden. Dadurch kann insbesondere eine sehr gute punktuelle Mengenverteilung des Kraftstoffs im Brennraum ermöglicht werden. Wie aus Figur 9 ersichtlich ist, ergeben sich durch das Strömungsformelement 27 des dritten Ausführungsbeispiels insgesamt ein Spray 29 mit einem
hohlkegelartigen Druckbereich und vier fingerförmigen Fortsätzen 30. Die Reichweite der fingerförmigen Fortsätze 30 des Sprays sowie ihre Breite in radialer Richtung und in Umfangsrichtung hängen dabei von der geometrischen Formgebung des Strömungsformelements 27 ab.
Weiterhin ist an einem der vorstehenden Bereiche 26 eine Führungsfläche 24 vorgesehen, so dass das Strömungsformelement 7 neben der dreidimensionalen Formung des Sprays auch noch eine Führungsfunktion für die Ventilnadel 5 übernimmt.
In den beschriebenen Ausführungsbeispielen ist das Strömungsformelement jeweils an der Ventilnadel 5 fixiert. Es sei jedoch angemerkt, dass es auch möglich ist, dass das Strömungsformelement am Ventilträger 2 fixiert ist.

Claims

Ansprüche
Ventil zum Einspritzen von Kraftstoff, umfassend
einen Ventilträger (2) mit einem Ventilsitz (3) und einer
Zuströmbohrung (4),
ein Ventilstellglied (5) und
ein Strömungsformelement (7), welches in der Zuströmbohrung (4) angeordnet ist, um bei geöffnetem Ventil ein vorbestimmtes, dreidimensionales Spray (9) zu erzeugen,
wobei das Strömungsformelement (7) in Durchströmungsrichtung (B) durch die Zuströmbohrung (4) vor dem Ventilsitz (3) angeordnet ist.
Ventil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil ein nach außen öffnendes Ventil ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Strömungsformelement (7) am Ventilstellglied (5) fixiert ist.
Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das
Strömungsformelement (27) wenigstens eine Führungsfläche (24) aufweist, um das Ventilstellglied in der Zuströmbohrung (4) zu führen.
Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das
Strömungsformelement (7) am Ventilträger (2) fixiert ist und eine
Durchgangsöffnung für das Ventilstellglied (5) aufweist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Strömungsformelement (7) ein symmetrischer Ring ist. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsformelement (17) ein Exzenterring ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsformelement (27) einen Basisbereich (25) und vom
Basisbereich radial nach außen vorstehende Bereiche (26) aufweist.
Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die nach außen vorstehenden Bereiche (26) unregelmäßig gebildet sind und/oder dass das Strömungsformelement (27) am Außenumfang abgerundete Übergänge aufweist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Magnetantrieb zum Betätigen des Ventilstellglieds (5).
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