DE102012214522B3

DE102012214522B3 - Einspritzventil

Info

Publication number: DE102012214522B3
Application number: DE102012214522.2A
Authority: DE
Inventors: Klemens Grieser; Oliver Berkemeier; Jens Wojahn; Jan Linsel; Kay Hohenboeken
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2012-08-15
Filing date: 2012-08-15
Publication date: 2014-03-27
Anticipated expiration: 2032-08-16
Also published as: RU2637299C2; RU2013138133A; US9541041B2; US20140048035A1; CN103590954A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Einspritzventil zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum eines Verbrennungsmotors. Gemäß einem Ansatz der Erfindung weist ein Einspritzventil zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum eines Verbrennungsmotors einen Ventilsitz (13) und ein Ventilelement (14) auf, wobei über eine Hubbewegung des Ventilelements (14) wenigstens eine im Ventilsitz (13) ausgebildete, zum Brennraum (19) führende Einspritzöffnung (17, 18) freigebbar oder verschließbar ist, wobei in einem dem Brennraum (19) zugewandten Bereich des Einspritzventils (10) eine katalytische Beschichtung (20a, 21a) vorgesehen ist, und wobei das Einspritzventil (10) wenigstens eine in Richtung zum Brennraum (19) hin langgestreckte, in den Brennraum (19) hineinragende Aufwölbung (20, 21) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Einspritzventil zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum eines Verbrennungsmotors. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Einspritzventil, welches im Wege einer effizienteren Nutzung vorhandener katalytischer Beschichtungen eine verbesserte Eliminierung von (z. B. Brennstoff-)Ablagerungen im Bereich der in den Brennraum ragenden Ventilspitze des Einspritzventils und damit auch eine günstigere Emissionscharakteristik des Verbrennungsmotors ermöglicht.
Bei der Direkteinspritzung von Brennstoff in den Brennraum eines Verbrennungsmotors tritt das Problem auf, dass Ablagerungen im Bereich der in den Brennraum ragenden Ventilspitze des Einspritzventils in Form von Brennstoffablagerungen oder Rußpartikeln auftreten, welche zum einen die Emissionscharakteristik des Verbrennungsmotors, zum anderen aber auch die Betriebsparameter des Einspritzventils negativ beeinflussen können.
Zur Überwindung dieses Problems ist es z. B. aus DE 199 51 014 A1 bekannt, am brennraumseitigen Ende des Einspritzventils Beschichtungen aufzubringen, durch die eine katalytische Umwandlung bzw. Verbrennung der unerwünschten Ablagerungen erfolgt.
Auch bei Einsatz solcher katalytischer Beschichtungen am brennraumseitigen Ende des Einspritzventils tritt jedoch in dessen Betrieb das weitere Problem auf, dass die während des normalen Motorbetriebs im Bereich der katalytischen Beschichtungen auftretenden Temperaturen häufig nicht ausreichen, um einen wirksamen Ablauf der erwünschten katalytischen Reaktionen zu gewährleisten, wobei insbesondere die sogenannte Light-Off-Temperatur (= ”Anspringtemperatur”) der katalytisch wirkenden Schicht oft nicht erreicht wird. Infolgedessen kann der Fall auftreten, dass die eigens eingesetzte katalytische Beschichtung die beabsichtigte Wirkung verfehlt und infolgedessen aufgrund der verbleibenden Brennstoff- bzw. Rußpartikelablagerungen Beeinträchtigungen der Ventilfunktion sowie auch verstärkte Emissionen des Verbrennungsmotors auftreten.
Aus der DE 101 18 163 B4 ist ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, bei welchem in dem Ventilsitzkörper zumindest zwei Abspritzöffnungen ausgebildet sind, wobei diese Abspritzöffnungen zumindest teilweise von einem Ringwall geringer axialer Höhe als Abschirmung gegen die im Brennraum zirkulierenden Gemischströmungen umgeben sind.
Die DE 198 02 883 A1 betrifft eine Einspritzdüse mit einem um die Auslassöffnung eingearbeiteten Ringkanal.
Vor dem obigen Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Einspritzventil zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum eines Verbrennungsmotors bereitzustellen, welches im Betrieb des Verbrennungsmotors eine verbesserte Eliminierung von unerwünschten Ablagerungen am brennraumseitigen Endabschnitt des Einspritzventils und damit eine Verbesserung des Betriebsverhaltens des Einspritzventils sowie der Emissionscharakteristik des Verbrennungsmotors ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Gemäß einem ersten Ansatz der Erfindung weist ein erfindungsgemäßes Einspritzventil zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum eines Verbrennungsmotors einen Ventilsitz und ein Ventilelement auf, wobei über eine Hubbewegung des Ventilelements wenigstens eine im Ventilsitz ausgebildete, zum Brennraum führende Einspritzöffnung freigebbar oder verschließbar ist, wobei in einem dem Brennraum zugewandten Bereich des Einspritzventils eine katalytische Beschichtung vorgesehen ist, wobei diese katalytische Beschichtung zumindest um die Einspritzöffnungen ausgebildet ist, und wobei das Einspritzventil wenigstens zwei in Richtung zum Brennraum hin langgestreckte, in den Brennraum hineinragende Aufwölbungen aufweist, welche jeweils in Bezug auf eine Längsachse des Einspritzventils eine axiale Erstreckung aufweisen, die wenigstens 50% der Erstreckung der betreffenden Aufwölbung in einer zur Längsachse des Einspritzventils senkrechten Richtung beträgt, und wobei die katalytische Beschichtung auch auf den Aufwölbungen ausgebildet ist.
Dabei können die Aufwölbungen eine axiale Erstreckung aufweisen, welche insbesondere wenigstens 75% der Erstreckung dieser Aufwölbungen in einer zur Längsachse des Einspritzventils senkrechten Richtung beträgt.
Der Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, den dem Brennraum zugewandten Abschnitt des Einspritzventils derart in seiner Form bzw. Geometrie auszugestalten, dass durch Bereitstellung einer größeren Oberfläche in dem an den Brennraum angrenzenden Abschnitt eine verstärkte Absorption von Wärmeenergie aus dem Brennraum und damit eine verstärkte Wärmezufuhr in den Bereich der katalytischen Beschichtung auftritt, mit der Folge, dass Temperaturbereiche, innerhalb derer die zur Beseitigung der unerwünschten Ablagerungen erforderlichen katalytischen Prozesse ablaufen, schneller und/oder häufiger erreicht werden. Insbesondere führt die verstärkte Absorption von Wärmeenergie aus dem Brennraum dazu, dass die Light-Off-Temperatur (= ”Anspringtemperatur”) der katalytischen Beschichtung schneller und häufiger überschritten wird.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Einspritzventil eine erste, in Bezug auf die Längsachse des Einspritzventils radial innen angeordnete Aufwölbung und eine zweite, in Bezug auf die Längsachse des Einspritzventils radial außen angeordnete Aufwölbung auf. Die erste Aufwölbung kann insbesondere eine sich in Richtung zum Brennraum verjüngende, kegelförmige Geometrie aufweisen. Die zweite Aufwölbung kann insbesondere in Bezug auf die Längsachse des Einspritzventils als umlaufender Kragen ausgebildet sein.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Einspritzventil eine Mehrzahl von Einspritzöffnungen auf, welche schräg zur Längsachse des Einspritzventils angeordnet sind. Dabei können die Einspritzöffnungen insbesondere in radialer Richtung zwischen der ersten Aufwölbung und der zweiten Aufwölbung angeordnet sein. Die erfindungsgemäß am Einspritzventil vorgesehenen Aufwölbungen werden dabei hinsichtlich ihrer Platzierung und Geometrie derart ausgestaltet, dass keine Beeinträchtigung der Kraftstoffeinspritzung über die zum Brennraum führenden Einspritzöffnungen erfolgt.
Gemäß einer Ausführungsform ist wenigstens eine Aufwölbung am Ventilsitz ausgebildet.
Erfindungsgemäß soll die katalytische Beschichtung insbesondere um die Einspritzöffnungen herum aufgebracht sein um die Ablagerungen in diesem Bereich bestmöglichst zu verringern bzw. ganz zu vermeiden. Die Aufwölbungen dienen dazu, mehr Wärme in die Oberfläche zu leiten und so den katalytischen Prozeß zu starten. Aber auch die Aufwölbungen sollen möglichst frei von Ablagerungen bleiben und sollten daher ebenfalls katalytisch beschichtet sein.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Ventilelement eine Ventilnadel sowie eine an einem Ende der Ventilnadel angeordnete Ventilkugel auf.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen beschriebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des beispielhaften Aufbaus eines Einspritzventils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus eines Einspritzventils gemäß dem Stand der Technik.
Im Weiteren wird zunächst unter Bezugnahme auf 2 ein typischer Aufbau eines Einspritzventils 1 gemäß dem Stand der Technik erläutert.
Gemäß 2 weist dieses Einspritzventil 1 einen an einem Ventilgehäuse 2 (z. B. durch Verschweißen) fixierten Ventilsitz 3 sowie ein Ventilelement 4 auf, welches aus einer sich entlang der Längsachse ”A” des Einspritzventils 1 erstreckenden und entlang dieser Längsachse A hubbeweglich angeordneten Ventilnadel 5 und einer im Endabschnitt dieser Ventilnadel 5 angeordneten Ventilkugel 6 ausgebildet ist. Mittels Hubbewegung des Ventilelements 4 bzw. der zugehörigen Ventilkugel 6 sind innerhalb des Ventilsitzes 3 ausgebildete, zum Brennraum 9 führende Einspritzöffnungen 7, 8 freigebbar oder verschließbar, wobei bei Freigabe der Einspritzöffnungen 7, 8 Kraftstoff bzw. ein den Kraftstoff enthaltender Sprühnebel aus dem zwischen Ventilsitz 3 und Ventilelement 4 befindlichen Fluidraum unter geeigneten Winkeln entsprechend der Ausrichtung der Einspritzöffnungen 7, 8 in den Brennraum 9 eintritt.
Gemäß 2 sind Oberflächenbereiche, an denen der Ventilsitz 3 in Kontakt mit dem Brennraum 9 steht, mit ”3a” bzw. ”3b” bezeichnet. Zumindest in einem Teilbereich dieser Oberflächenbereiche 3a, 3b ist, wie bereits eingangs erläutert, eine katalytische Beschichtung vorgesehen, durch welche bei ausreichend hoher Temperatur (insbesondere Überschreitung der ”Light-Off-Temperatur”) eine katalytische Umwandlung unerwünschter (insbesondere Brennstoff- oder Ruß-)Ablagerungen erfolgt. Geeignete Materialien für derartige katalytische Beschichtungen sind dem Fachmann z. B. aus DE 199 51 014 A1 bekannt und können z. B. Kobalt (Co), Nickel (Ni), Kobaltoxide oder Nickeloxide, Oxide von Kobalt- oder Nickel-Legierungen oder auch Edelmetalle (z. B. Ru, Rh, Pd, Os, Ir oder Pt) aufweisen.
1 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus eines Einspritzventils 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche eine effizientere Nutzung der vorstehend beschriebenen katalytischen Beschichtung ermöglicht. Dabei sind im Vergleich zu 2 analoge bzw. im Wesentlichen funktionsgleiche Komponenten mit entsprechenden, um ”10” erhöhten Bezugsziffern bezeichnet.
Gemäß 1 unterscheidet sich das erfindungsgemäße Einspritzventil 10 von dem herkömmlichen Einspritzventil 1 aus 2 dadurch, dass der Ventilsitz 13 (durch Einsatz zusätzlichen Materials in seinem an den Brennraum 19 angrenzenden Bereich) zwei in den Brennraum 19 hineinragende Aufwölbungen (bzw. Aufbauchungen) 20, 21 aufweist. Des Weiteren sind im Ausführungsbeispiel von 1 katalytische Beschichtungen 20a, 21a auf den Oberflächen dieser Aufwölbungen 20, 21 vorgesehen.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel (jedoch ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre) weist das Einspritzventil 10 insbesondere eine in Bezug auf seine (mit ”A” bezeichnete) Längsachse radial innen angeordnete erste Aufwölbung 20 und eine in Bezug auf die Längsachse A des Einspritzventils 10 radial außen angeordnete zweite Aufwölbung 21 auf. Dabei weist die erste Aufwölbung 20 eine sich in Richtung zur Brennraummitte hin verjüngende, im Wesentlichen kegelförmige bzw. kegelstumpfförmige Geometrie auf, wohingegen die zweite Aufwölbung 21 in Bezug auf die Längsachse A des Einspritzventils 10 als umlaufender Kragen ausgebildet ist.
Wie ebenfalls aus 1 ersichtlich ist, sind die Einspritzöffnungen 17, 18 in – bezogen auf die Längsachse A des Einspritzventils 10 – radialer Richtung zwischen der ersten Aufwölbung 20 und der zweiten Aufwölbung 21 angeordnet. Durch die gewählte Geometrie ist gewährleistet, dass die Aufwölbungen 20, 21 nicht zu einer Beeinträchtigung bzw. Beschränkung des über die Einspritzöffnungen 17, 18 in den Brennraum 19 eintretenden Sprühnebels führen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die konkrete Anordnung der Einspritzöffnungen 17, 18 beschränkt, wobei insbesondere auch mehr Einspritzöffnungen oder auch nur eine Einspritzöffnung vorgesehen sein können.
Wenngleich in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die katalytische Beschichtung 20a, 21a unmittelbar auf den Aufwölbungen 20, 21 ausgebildet ist, ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt. In weiteren Ausführungsformen kann die katalytische Beschichtung auch teilweise oder vollständig in nicht gewölbten Oberflächenbereichen auf der dem Brennraum 19 zugewandten Seite des Einspritzventils 10 bzw. des Ventilsitzes 13 vorgesehen sein, da auch in solchen Anordnungen die von den Aufwölbungen aus dem Brennraum 19 absorbierte Wärmeenergie über das Material des Einspritzventils 10 bzw. Ventilsitzes 13 hin zu den Bereichen der jeweiligen katalytischen Beschichtung geleitet wird und ebenfalls zu einer Steigerung von deren Effizienz beitragen kann.
Die Erfindung ist nicht auf die in 1 gezeigte, spezielle Geometrie des Einspritzventils 10 insbesondere in dem an den Brennraum 19 angrenzenden Bereich beschränkt. Somit sollen auch weitere Ausführungsformen als von der vorliegenden Erfindung umfaßt gelten, bei denen wenigstens zwei Aufwölbungen derart vorgesehen ist, dass eine erhöhte Absorption von Wärmeenergie aus dem Brennraum und damit im Betrieb des Verbrennungsmotors eine schnellere und/oder häufigere Überschreitung der Anspringtemperatur der katalytischen Beschichtung erzielt wird.

Claims

Einspritzventil zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum eines Verbrennungsmotors, mit einem Ventilsitz (13) und einem Ventilelement (14), wobei über eine Hubbewegung des Ventilelements (14) wenigstens eine im Ventilsitz (13) ausgebildete, zum Brennraum (19) führende Einspritzöffnung (17, 18) freigebbar oder verschließbar ist, und wobei in einem dem Brennraum (19) zugewandten Bereich des Einspritzventils (10) eine katalytische Beschichtung (20a, 21a) vorgesehen ist, wobei diese katalytische Beschichtung (20a, 21a) zumindest um die Einspritzöffnungen (17, 18) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzventil (10) wenigstens zwei in Richtung zum Brennraum (19) hin langgestreckte, in den Brennraum (19) hineinragende Aufwölbungen (20, 21) aufweist, welche jeweils in Bezug auf eine Längsachse (A) des Einspritzventils (10) eine axiale Erstreckung aufweisen, die wenigstens 50% der Erstreckung der betreffenden Aufwölbung (20, 21) in einer zur Längsachse (A) des Einspritzventils (10) senkrechten Richtung beträgt, und wobei die katalytische Beschichtung auch auf den Aufwölbungen (20, 21) ausgebildet ist.
Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufwölbungen (20, 21) in Bezug auf die Längsachse (A) des Einspritzventils (10) eine axiale Erstreckung aufweisen, welche wenigstens 75% der Erstreckung der betreffenden Aufwölbung (20, 21) in einer zur Längsachse (A) des Einspritzventils (10) senkrechten Richtung beträgt.
Einspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine erste, in Bezug auf die Längsachse (A) des Einspritzventils (10) radial innen angeordnete Aufwölbung (20) und eine zweite, in Bezug auf die Längsachse (A) des Einspritzventils (10) radial außen angeordnete Aufwölbung (21) aufweist.
Einspritzventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Aufwölbung (20) eine sich in Richtung zum Brennraum (19) verjüngende, kegelförmige Geometrie aufweist.
Einspritzventil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Aufwölbung (21) in Bezug auf die Längsachse (A) des Einspritzventils (10) als umlaufender Kragen ausgebildet ist.
Einspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Mehrzahl von Einspritzöffnungen (17, 18) aufweist, welche schräg zur Längsachse (A) des Einspritzventils (10) angeordnet sind.
Einspritzventil nach Anspruch 6 und einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzöffnungen (17, 18) in radialer Richtung zwischen der ersten Aufwölbung (20) und der zweiten Aufwölbung (21) angeordnet sind.
Einspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Aufwölbung (20, 21) am Ventilsitz (13) ausgebildet ist.
Einspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (14) eine Ventilnadel (15) sowie eine an einem Ende der Ventilnadel (16) angeordnete Ventilkugel (16) aufweist.