DE102004058652A1

DE102004058652A1 - Brennstoffeinspritzventil und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102004058652A1
Application number: DE200410058652
Authority: DE
Inventors: Martin Mueller; Marco Vorbach; Andreas Krause; Kai Gartung; Charlotte Summerer; Thomas Stach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-12-06
Filing date: 2004-12-06
Publication date: 2006-06-14

Abstract

Ein Brennstoffeinspritzventil (1) zum Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine umfaßt eine in einem Düsenkörper (3) geführte Ventilnadel (4), welche durch einen Aktor (7) betätigbar ist und durch eine Rückstellfeder (9) so beaufschlagt ist, dass ein mit der Ventilnadel (4) in Wirkverbindung stehender Ventilschließkörper (5) in dichtender Anlage an einer Ventilsitzfläche (6A) gehalten wird. An einer der Ventilsitzfläche (6A) zugewandten Oberfläche (17) des Ventilschließkörpers (5) sind Nuten (14) vorgesehen, die bewirken, dass sowohl ein Längsschnitt als auch ein Querschnitt einer von der Austrittsöffnung des Brennstoffeinspritzventils freigesetzten Brennstoffgemischwolke (15) von einer symmetrischen Gestalt abweicht. Die Abweichung von der symmetrischen Gestalt wird durch die Anordnung und der geometrischen Gestalt der Nuten (14) auf der der Ventilsitzfläche (6A) zugewandten Oberfläche (17) des Ventilschließkörpers (5) bestimmt.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Anspruchs 1 bzw. von einem Verfahren zu dessen Herstellung nach der Gattung des Anspruchs 21.

Beispielsweise ist aus der DE 195 34 445 A1 ein nach außen öffnendes Brennstoffeinspritzventil bekannt, welches einen kegeligen Dichtsitz aufweist. Die Ventilnadel weist eine Zentralbohrung auf, welche in eine dem Dichtsitz vorgelagerte Druckkammer mündet. Ein Aktor, der als piezoelektrischer Aktor ausgeführt ist, stützt sich einerseits gegen einen Düsenkörper und andererseits gegen eine mit der Ventilnadel kraftschlüssig verbundene Druckschulter ab. Eine Rückstellfeder hält die Ventilnadel in einer Schließstellung. Bei Erregung des Aktors wird durch Längenausdehnung desselben die Ventilnadel gegen die schließende Kraft der Rückstellfeder geöffnet und Brennstoff abgespritzt.

Nachteilig bei dem aus der DE 195 34 445 A1 bekannten Brennstoffeinspritzventil ist insbesondere, dass der in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzte Brennstoffstrahl kegelförmig und symmetrisch zu einer Längsachse des Brennstoffeinspritzventils ist. Eine schräge Einspritzung sowie eine asymmetrische Verfomung des Kegelstrahls beispielsweise zur Kompensation einer engen Einbaulage des Brennstoffeinspritzventils ist hierbei nicht möglich.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass durch einfache Maßnahmen an der dem Ventilsitz zugewandten Oberfläche des Ventilschließkörpers eine asymmetrische Einspritzung realisierbar ist.

Dadurch, dass an einer dem Ventilsitz zugewandten Oberfläche des Ventilschließkörpers Nuten vorgesehen sind, erfährt der strömende Brennstoff noch eine Geschwindigkeitskomponente, die von der durch die Neigung des Ventilschließkörpers vorgegebenen Richtung abweicht. Dadurch wird der strömende Brennstoff aus seiner ursprünglichen Richtung abgelenkt, wobei die Divergenz des austretenden Brennstoffstrahls sich vergrößert.

Dabei ist es von Vorteil, dass die oben genannte Eigenschaft des Brennstoffstrahls durch erfindungsgemäße Maßnahmen einstellbar ist, indem ein Ventilschließkörper realisierbar ist, welcher entsprechend den Anforderungen an die Form und Richtung des Brennstoffstrahls, der sich nach der gegebenen geometrischen Form der vorhandenen Brennkammer richtet, angepaßt ist.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen der Turbulenzgrad der Brennstoffgemischwolke verbessert wird, da in einem kleinen Bereich nahe einer Sitzberührlinie in den Nuten, die in die Oberfläche des Ventilschließkörpers eingebracht sind, die laminare Strömung abreißt und aufgrund von Kanten an der Schnittlinie der Nuten mit der Oberfläche des Ventilschließkörpers Turbulenzen erzeugt werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterentwicklungen des im Hauptanspruch angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.

Vorteilhafterweise sind die Nuten am Ventilschließkörper stromaufwärts von einer Sitzberührlinie angebracht.

Die Nuten weisen Formen auf, deren Achsen verschiedene Orientierungen gegenüber der Sitzberührlinie haben können.

Durch diese verschiedene Orientierungen gegenüber der Sitzberührlinie können unterschiedliche Längsschnitte bzw. Querschnitte der austretenden Brennstoffgemischwolke realisiert werden.

Asymmetrische bzw. nicht radial symmetrische Anordnungen der Nuten gegenüber der Längsachse des Brennstoffeinspritzventils bewirken ebenfalls einen asymmetrischen Querschnitt oder auch Längsschnitt der austretenden Brennstoffgemischwolke, was den Vorteil hat, dass durch die Oberflächenstruktur mit asymmetrischen bzw. nicht radialsymmetrisch bezüglich der Längsachse angebrachten Strukturelementen des Ventilschließkörpers die Form der austretenden Brennstoffgemischwolke auch an komplizierte Brennraumgeometrien angepaßt werden kann.

Die Erweiterung einer bewährten Bauform eines Brennstoffeinspritzventils, um die dreidimensionale Form des abgespritzten Brennstoffgemischs an vorhandene Brennraumgeometrien anzupassen, ist einfach zu bewerkstelligen, indem die Oberfläche des Ventilschließkörpers des gegebenen Brennstoffeinspritzventil nachbearbeitet wird.

Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 einen schematischen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffeinspritzventils;
2 einen schematischen Teilschnitt durch einen Ventilsitz und einen Ventilsitzkörper eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffeinspritzventils im geschlossenen Zustand;
3 einen schematischen Teilschnitt durch einen Ventilsitz und einen Ventilsitzkörper eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffeinspritzventils im offenen Zustand; und
4 einen schematischen Längsschnitt einer Brennstoffgemischwolke, die von einem erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffeinspritzventil mit asymmetrischer Anordnung der Nuten abgespritzt wird.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Ein in 1 dargestelltes erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1 ist in der Form eines Brennstoffeinspritzventils 1 für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen ausgeführt. Das Brennstoffeinspritzventil 1 eignet sich insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen nicht dargestellten Brennraum einer Brennkraftmaschine.
Nachfolgend wird zum besseren Verständnis der erfindungsgemäßen Maßnahmen ein nach außen öffnendes Brennstoffeinspritzventil 1 beschrieben, um dann daran anschließend im Zusammenhang damit das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil 1 und das erfindungsgemäße Verfahren zum Strukturieren eines Ventilschließkörpers eines Brennstoffeinspritzventil 1 zu erläutern.
Das Brennstoffeinspritzventil 1 besteht aus einem Gehäusekörper 2 und einem Düsenkörper 3, in welchem eine Ventilnadel 4 angeordnet ist. Die Ventilnadel 4 steht mit einem Ventilschließkörper 5 in Wirkverbindung, der mit einer an einem Ventilsitzkörper 6 ausgebildeten Ventilsitzfläche 6A zu einem Dichtsitz zusammenwirkt.
Bei dem Brennstoffeinspritzventil 1 handelt es sich im ersten Ausführungsbeispiel um ein nach außen öffnendes Brennstoffeinspritzventil 1. Das Brennstoffeinspritzventil 1 weist einen Aktor 7 auf, der im ersten Ausführungsbeispiel als piezoelektrischer Aktor 7 ausgeführt ist. Der Aktor stützt sich einerseits an dem Gehäusekörper und andererseits an einer mit der Ventilnadel 4 in Wirkverbindung stehenden Schulter 8 ab. Abströmseitig der Schulter 8 ist eine Rückstellfeder 9 angeordnet, welche sich ihrerseits an dem Düsenkörper 3 abstützt.
Die Ventilnadel 4 weist einen Brennstoffkanal 10 auf, durch welchen der durch eine zulaufseitige zentrale Brennstoffzufuhr 11 zugeleitete Brennstoff zum Dichtsitz geführt wird. Zuströmseitig des Dichtsitzes ist eine Drallkammer 12 ausgebildet, in welche der Brennstoffkanal 10 ausmündet.
Im Ruhezustand des Brennstoffeinspritzventils 1 wird die Schulter 8 durch die Kraft der Rückstellfeder 9 entgegen der Hubrichtung so beaufschlagt, dass der Ventilschließkörper 5 an der Ventilsitzfläche 6A in dichtender Anlage gehalten wird, wobei es für die Dichtung ausreichend ist, dass die Berührung der Ventilsitzfläche 6A an der Oberfläche des Ventilschließkörpers 17 eine Sitzberührlinie 16 ist.
Bei Erregung des piezoelektrischen Aktors 7 dehnt sich dieser in axialer Richtung entgegen der Federkraft der Rückstellfeder 9 aus, so dass die Schulter 8 mit der Ventilnadel 4, welche mit der Schulter 8 kraftschlüssig verbunden ist, in Hubrichtung bewegt wird. Der Ventilschließkörper 5 hebt von der Ventilsitzfläche 6A ab, und der über den Brennstoffkanal 10 geführte Brennstoff wird abgespritzt.
Wird der Erregerstrom abgeschaltet, reduziert sich die axiale Ausdehnung des piezoelektrischen Aktors 7, wodurch die Ventilnadel 4 durch den Druck der Rückstellfeder 9 entgegen der Hubrichtung bewegt wird. Der Ventilschließkörper 5 setzt auf der Ventilsitzfläche 6A auf und das Brennstoffeinspritzventil 1 wird geschlossen.
Erfindungsgemäß umfasst das Brennstoffeinspritzventil 1 an einem abströmseitigen Ende 13 einen Ventilschließkörper 5, der an einer der Ventilsitzfläche 6A gegenüberliegenden Oberfläche 17 zumindest zwei Nuten 14 aufweist. Die Nuten 14 können mittels verschiedener Verfahren auf der Oberfläche 17 angebracht sein. Mögliche Verfahren erstrecken sich unter anderem auf mechanische und chemische Verfahren. Z.B. kann man Nuten 14 in die Oberfläche 17 einfräsen oder sie mit Hilfe einer geeigneten Chemikalie wegätzen.
Ein weiteres mögliches Verfahren, um die Oberfläche 17 des Ventilschließkörpers 5 zu strukturieren, ist ein lithografisches Verfahren, bei dem mittels einer Maske auf der Oberfläche 17 eine Struktur definiert wird und anschließend diese Struktur mit naßchemischen Verfahren in die Oberfläche 17 eingeprägt wird. Ein mögliches optisches Verfahren zur Strukturbildung in der Oberfläche 17 ist eine Oberflächenstrukturierung mittels eines Lasers.
2 zeigt in einer Schnittdarstellung den Ventilschließkörper 5 eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffeinspritzventils 1 im geschlossenen Zustand, wobei lediglich die Sitzberührlinie 16 die Ventilsitzfläche 6A berührt. In diesem Ausführungsbeispiel sind acht ellipsenförmige Nuten 14 vorgesehen, die radialsymmetrisch oberhalb der Sitzberührlinie 16 angeordnet sind, wobei eine lange Halbachse der Ellipse annähernd senkrecht zur Sitzberührlinie orientiert ist.
3 zeigt in einer Schnittdarstellung den Ventilschließkörper 5 eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffeinspritzventils 1 mit zumindest zwei symmentrisch angebrachten halbkreisförmigen Nuten 14 im geöffneten Zustand, wobei deutlich zu erkennen ist, dass die Sitzberührlinie 16 die Ventilsitzfläche 6A nicht berührt. In diesem Ausführungsbeispiel sind die halbkreisförmigen Nuten 14 bezüglich der Sitzberührlinie so orientiert, dass die Achse, die den Durchmesser des Halbkreises bildet, annähernd einen Winkel von 90° mit der Sitzberührlinie 16 einschließt.
4 zeigt eine Brennstoffgemischwolke 15, welche von einer schematisch dargestellten Abspritzöffnung 18 eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1 in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Eine asymmetrische Längsstruktur der Brennstoffgemischwolke 15 ist deutlich zu erkennen, was darauf zurückzuführen ist, dass die Nuten 14 unterschiedliche Formen, Längen oder auch Tiefen haben können und nicht radialsymmetrisch stromaufwärts der Sitzberührlinie 16 angebracht sind.
Die Nuten 14 können alle oder auch nur eine Teilmenge davon kann rautenförmig, dreieckig, kreisförmig, oval oder trapezförmig sein, wobei die verschiedenen Symmetrieachsen der Formen noch unterschiedlich bezüglich der Sitzberührlinie 16 ausgerichtet werden können. Zum Beispiel kann man entweder die kurze oder die lange Halbachse annähernd senkrecht zur Sitzberührlinie 16 ausrichten.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt und z. B. auch für elektromagnetisch betätigbare Brennstoffeinspritzventile 1 anwendbar.

Claims

Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einer in einem Düsenkörper (3) angeordneten Ventilnadel (4), welche durch einen Aktor (7) betätigbar ist, wobei ein mit der Ventilnadel (4) in Wirkverbindung stehender, dem Brennraum zugewandter Ventilschließkörper (5) im unbetätigten Zustand des Aktors (7) in dichtender Anlage an einer Ventilsitzfläche (6A) gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, dass an einer der Ventilsitzfläche (6A) zugewandten Oberfläche (17) des Ventilschließkörpers (5) Nuten (14) vorgesehen sind.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der aufgebrachten Nuten (14) zumindest zwei beträgt.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (14) unterschiedliche Tiefen haben.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (14) eine festgelegte Tiefe haben.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (14) stromaufwärts von einer Sitzberührlinie (16) angebracht sind.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (14) radialsymmetrisch bezüglich der Längsachse (20) des Brennstoffeinspritzventils (1) angeordnet sind.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (14) unterschiedliche Längen haben.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (14) unterschiedliche Formen haben.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (14) rautenförmig sind.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (14) dreieckig sind.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (14) kreisförmig sind.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (14) ellipsenförmig sind.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine lange Halbachse der Ellipse stromabwärts annähernd senkrecht zur Sitzberührlinie (16) orientiert ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine kurze Halbachse der Ellipse stromabwärts annähernd senkrecht zur Sitzberührlinie (16) orientiert ist.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (14) trapezförmig sind.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass parallele Seiten des Trapez stromabwärts annähernd senkrecht zur Sitzberührlinie (16) orientiert sind.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass nicht parallele Seiten des Trapez stromabwärts annähernd senkrecht zur Sitzberührlinie (16) orientiert sind.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (14) halbkreisförmig sind.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser des Halbkreises stromabwärts annähernd senkrecht zur Sitzberührlinie (16) orientiert ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Radius des Halbkreises stromabwärts annähernd senkrecht zur Sitzberührlinie (16) orientiert ist, so dass der Durchmesser annähernd parallel zur Sitzberührlinie (16) orientiert ist.
Verfahren zum Strukturieren eines Ventilschließkörpers (5) am abströmseitigen Ende (13) eines Brennstoffeinspritzventils (1) an einer einer Ventilsitzfläche (6A) zugewandten Oberfläche (17), wobei das Brennstoffeinspritzventil (1) zum Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine geeignet ist und eine in einem Düsenkörper (3) angeordnete Ventilnadel (4) aufweist, welche durch einen Aktor (7) betätigbar ist und wobei der mit der Ventilnadel (4) in Wirkverbindung stehende, dem Brennraum zugewandte Ventilschließkörper (5) im unbetätigten Zustand des Aktors (7) in dichtender Anlage an der Ventilsitzfläche (6A) gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen in der Oberfläche (17) Nuten (14) sind und dass die Nuten (14) mittels Material abtragender Verfahren eingebracht werden.
Verfahren zum Strukturieren eines Ventilschließkörpers eines Brennstoffeinspritzventils nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das abtragende Verfahren ein optisches Verfahren ist.
Verfahren zum Strukturieren eines Ventilschließkörpers eines Brennstoffeinspritzventils nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das abtragende Verfahren ein chemisches Verfahren ist.
Verfahren zum Strukturieren eines Ventilschließkörpers eines Brennstoffeinspritzventils nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass dem abtragenden Verfahren ein lithographisches Verfahren vorausgeht.
Verfahren zum Strukturieren eines Ventilschließkörpers eines Brennstoffeinspritzventils nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das abtragende Verfahren ein mechanisches Verfahren ist.