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Die
Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach Gattung
des Hauptanspruchs.
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Aus
der
US 5 108 037 A bzw.
der
DE 690 04 832
T2 sind drallerzeugende Brennstoffeinspritzventile bekannt,
bei denen zwei Strömungswege
für den Brennstoff
ausgebildet sind. Die Brennstoffströmung wird im Bereich des Ventilschließkörpers in
zwei Komponenten aufgespaltet. Der eine Teil des Brennstoffs durchströmt in einer
Drallscheibe angeordnete Drallkanäle. Die Brennstoffströmung wird
dabei mit einer Umfangsgeschwindigkeit beaufschlagt, die zu einem
Abspritzen des Brennstoffs auf einem Kegelmantel führt. Die
Drallscheibe besitzt eine zentrale Bohrung, die zur Führung des
Ventilschließkörpers verwendet
wird. Der zwischen der Führungsbohrung und
dem Ventilschließkörper ausgebildete
Spalt wird gezielt genutzt, um einen Brennstoffleckagestrom zu ermöglichen,
der ohne Drall in axialer Richtung durch die Führungsbohrung strömt. Stromaufwärts des Dichtsitzes
treffen die drallbehaftete und die axiale Brennstoffströmung aufeinander.
Die sich mischenden Brennstoffströmungen werden gemeinsam abgespritzt.
Dadurch kann der Brennstoff nicht nur auf einem Kegelmantel, sondern
als Vollkegel abgespritzt werden.
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Aus
der
DE 198 15 795
A1 ist weiterhin ein Brennstoffeinspritzventil bekannt,
bei dem ebenfalls zwei Strömungswege
zur Erzeugung einer Bi-Flux Strömung
ausgebildet sind. Sie werden in einem eigenen Bauteil erzeugt, das
stromabwärts
des Dichtsitzes eingesetzt ist. Das Bauteil wird in einem Mehrschichtverfahren
hergestellt und in eine Ausnehmung am stromabwärtigen Ende des Brennstoffeinspritzventils
eingesetzt. Der Brennstoffstrahl wird direkt aus dem drallerzeugenden
Bauteil abgespritzt. In dem Bauteil erfolgt die Aufteilung der Brennstoffströmung in
einen axialen und einen drallbehafteten Strömungsanteil. Der Axialanteil
der Strömung
wird der drallbehafteten Brennstoffströmung dabei exzentrisch wieder
zugeführt,
wodurch der Kegel auf dem der Brennstoff abgespritzt wird gegen
die Mittelachse des Brennstoffeinspritzventils geneigt wird.
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Bei
dem aus der
US 5 108
037 A bzw.der
DE 690
04 832 T2 bekannten Brennstoffeinspritzventil ist die Vergrößerung der
Toleranz zwischen dem Ventilschließkörper und der Führungsbohrung
von Nachteil. Sie ist erforderlich um einen ausreichenden Leckagestrom
zur Erzeugung einer Axialströmung
zu erreichen. Durch die Verwendung eines kugelförmigen Ventilschließkörpers und
der damit verbundenen linienförmigen
Drosselstelle sind unvermeidbare Schwankungen des Passmaßes mit
starken Streuungen des axialen Strömungsanteils verbunden. Dadurch
erhöht
sich die Ausschußquote
bei der Herstellung des Brennstoffeinspritzventils.
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Weiterhin
nachteilig ist die schlechtere Führung
des Ventilschließkörpers. Der
Ventilschließkörper wird
während
des Abspritzvorgangs von Brennstoff umströmt. Durch die Kugelgeometrie
und das vergrößerte Spiel
zwischen dem Ventilschließkörper und
der Führungsbohrung
wird die Neigung zum Schwingen erhöht. Dadurch kann es zur Ausbildung einer
instationären
Strömung
kommen. Der Verschleiß des
Brennstoffeinspritzventils erhöht
sich.
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Ferner
ist eine Beeinflussung des Verhältnisses
zwischen axialer und drallbehafteter Strömung während des Öffnungs- und Schließvorgangs nicht möglich. Die
Einstellung wird für
den Fall des vollständig
geöffneten
Brennstoffeinspritzventils optimiert und ist demgemäß während des Öffnens und Schließens des
Brennstoffeinspritzventils ein Kompromiss, der zu einer schlechteren
Verbrennung führt.
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Bei
dem aus der
DE 198
15 795 A1 bekannten Brennstoffeinspritzventil ist dagegen
die Anordnung stromabwärts
des Dichtsitzes nachteilig. Dadurch kann es leicht zu einer Verkokung
des drallerzeugenden Bauteils kommen. Eine zuverlässige und konstante
Aufbereitung des abzuspritzenden Brennstoffs kann so nicht sichergestellt
werden. Als Konsequenz verschlechtert sich die Zerstäubung und
es kommt letztlich zu einer erhöhten
Schadstoffbelastung durch die verschlechterte Verbrennung.
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Der
Brennstoffstrom wird stromabwärts
des Dichtsitzes aufgespalten und wieder vereint. Eine Veränderung
des axialen Anteils der Brennstoffströmung kann daher während des Öffnens und
Schließens
nicht vorgenommen werden.
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Das
mehrschichtig aufgebaute Drallelement erfordert darüber hinaus
ein aufwendiges Herstellverfahren und muss aufgrund der asymmetrischen Anordnung
des axialen Strömungskanals
orientiert in das Brennstoffeinspritzventil eingesetzt werden. Dadurch
erhöhen
sich die Fertigungskosten für
das Brennstoffeinspritzventil.
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In
DE 34 32 663 A1 ist
ein intermittierendes Drall-Einspritzventil
beschrieben, bei welchem der Sprühwinkel,
der Kapazitätskoeffizient
und die Bewegungsweite des ausgesprühten Brennstoffs so festgesetzt
sind, dass das Ventil optimale Motorbetriebsbedingungen erbringt.
Hierzu werden der Sprühwinkel,
der Kapazitätskoeffizient
und die Bewegungsweite des Brennstoffs unter Berücksichtigung einer Spaltfläche A
c, eines Sprühöffnungsdurchmessers d
e und der Fläche A
g tangentialer
Passagen des Ventils bestimmt. Das Einspritzventil umfasst einen
Ventilkörper
mit einer darin gebildeten Ventilbohrung, in der eine Ventilnadel
gleitfähig
eingesetzt ist. Die Sprühöffnung geht
im Ventilkörper
in einen Ventilsitz über,
der am Ende der Ventilbohrung vorhanden ist, und die Sprühöffnung hat
eine solche Form, dass sie das untere Ende der Ventilnadel aufnimmt.
Tangentiale Passagen verwirbeln den Brennstoff, wenn die Ventilnadel
sich vom Ventilsitz abhebt, um das Ventil zu öffnen und Brennstoff im Wesentlichen
als Kegel durch die Sprühöffnung zu
sprühen.
Damit die Ventilnadel des Einspritzventils in einer Ventilbohrung
des Ventilkörpers
oder einem zusätzlich
darin eingefügten
Unterteilungsglied gleiten kann, ist ein Spalt δ zwischen der Wand der Ventilbohrung
und der Oberfläche
der Ventilnadel vorgesehen.
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Demgegenüber hat
das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil
mit dem kennzeichnenden Merkmal des Hauptanspruchs den Vorteil,
dass zur Erzeugung eines axialen Strömungsanteils kein aufwendiges
zusätzliches
Bauteil erforderlich ist, sondern eine unvermeidbare Leckageströmung durch einfache
Maßnahmen
gezielt eingesetzt wird. Die Kosten dafür sind gering, da kaum zusätzliche
Fertigungsschritte erforderlich sind.
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Weiterhin
ist die Einstellung der Leckrate über die Länge des durchflußbegrenzenden
Spalts vorteilhaft, da hierdurch die Führung des Ventilschließkörpers nicht
negativ beeinflußt
wird. Die Führung
der Ventilnadel erfolgt über
eine Fläche
und wird deswegen von Schwankungen im Durchmesser der Ventilnadel
weniger stark beeinflußt,
als dies bei eine Führung
entlang einer Umfangslinie geschieht.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils
möglich.
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Die
Variation der Länge
des durchflußbegrenzenden
Axialkanals über
den Ventilhub macht eine Veränderung
des axialen Strömungsanteils während des Öffnungs-
bzw. Schließvorgangs
des Brennstoffeinspritzventils möglich.
Die so erreichbare Anreicherung oder Abmagerung des abgespritzten Brennstoffstrahls
führt zu
einer verbesserten Verbrennung und reduziert somit schließlich die
Schadgasemission.
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Ferner
ist die einfache Bildung von Varianten des Brennstoffeinspritzventils
vorteilhaft. Eine individuelle Anpassung an die speziellen Erfordernisse
einer vorgesehenen Brennkraftmaschine ist durch Variantenbildung
eines einzigen Bauteils möglich.
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Ausführungsbeispiele
sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
schematischen Teilschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines nicht
erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils;
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2 einen
schematischen Teilschnitt im Ausschnitt II der 1 durch
das erste Ausführungsbeispiel
eines nicht erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils;
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3 einen
schematischen Teilschnitt im Ausschnitt II der 1 durch
ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils;
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Bevor
anhand der 2 und 3 zwei Ausführungsbeispiele
erfindungsgemäß, von Brennstoffeinspritzventilen 1 näher beschrieben
werden, soll zum besseren Verständnis
der Erfindung zunächst
anhand von 1 das
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Brennstoffeinspritzventil 1 in
einer Gesamtdarstellung bezüglich
seiner wesentlichen Bestandteile kurz erläutert werdend.
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Das
Brennstoffeinspritzventil 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.
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Das
Brennstoffeinspritzventil 1 umfaßt einen Düsenkörper 2, in welchem
eine Ventilnadel 3 angeordnet ist. Die Ventilnadel 3 steht
mit einem Ventilschließkörper 4 in
Wirkverbindung, der mit einer auf einem Ventilsitzkörper 5 angeordneten
Ventilsitzfläche 6 zu
einem Dichtsitz zusammenwirkt. Bei dem Brennstoffeinspritzventil 1 handelt
es sich im Ausführungsbeispiel
um ein elektromagnetisch betätigtes Brennstoffeinspritzventil 1,
welches über
eine Abspritzöffnung 7 verfügt. Der
Düsenkörper 2 ist
durch eine Dichtung 8 gegen den Außenpol einer Magnetspule 10 abgedichtet.
Die Magnetspule 10 ist in einem Spulengehäuse 11 gekapselt
und auf einen Spulenträger 12 gewickelt,
welcher an einem Innenpol 13 der Magnetspule 10 anliegt.
Der Innenpol 13 und der Außenpol 9 sind durch
einen Spalt 26 voneinander getrennt und stützen sich
auf einem Verbindungsbauteil 29 ab. Die Magnetspule 10 wird über eine
Leitung 19 von einem über
einen elektrischen Steckkontakt 17 zuführbaren elektrischen Strom
erregt. Der Steckkontakt 17 ist von einer Kunststoffummantelung 18 umgeben,
die am Innenpol 13 angespritzt sein kann.
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Die
Ventilnadel 3 ist in einer scheibenförmig ausgeführten Ventilnadelführung 14 geführt. Dieser ist
eine Einstellscheibe 15 zugepaart, welche zur Einstellung
des Ventilnadelhubes dient. Auf der stromaufwärtigen Seite der Einstellscheibe 15 befindet sich
ein Anker 20. Dieser steht über einen Flansch 21 kraftschlüssig mit
der Ventilnadel 3 in Verbindung, welche durch eine Schweißnaht 22 mit
dem Flansch 21 verbunden ist. Auf dem Flansch 21 stützt sich
eine Rückstellfeder 23 ab,
welche in der vorliegenden Bauform des Brennstoffeinspritzventils 1 durch
eine in den Innenpol 13 eingepreßte Hülse 24 auf Vorspannung
gebracht wird.
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In
der Ventilnadelführung 14 und
im Anker 20 verlaufen Brennstoffkanäle 30a, 30b.
In einer zentralen Brennstoffzufuhr 16 ist ein Filterelement 25 angeordnet.
Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist durch eine Dichtung 28 gegen
eine nicht dargestellte Brennstoffleitung abgedichtet.
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Im
Ruhezustand des Brennstoffeinspritzventils 1 wird der Anker 20 über den
Flansch 21 an der Ventilnadel 3 von der Rückstellfeder 23 entgegen
seiner Hubrichtung so beaufschlagt, daß der Ventilschließkörper 4 an
der Ventilsitzfläche 6 in
dichtender Anlage gehalten wird. Bei Erregung der Magnetspule 10,
baut diese ein Magnetfeld auf, welches den Anker 20 entgegen
der Federkraft der Rückstellfeder 23 in Hubrichtung
bewegt, wobei der Hub durch einen in der Ruhestellung zwischen dem
Innenpol 13 und dem Anker 20 befindlichen Arbeitsspalt 27 vorgegeben
ist. Der Anker 20 nimmt den Flansch 21, welcher mit
der Ventilnadel 2 verschweißt ist, und damit die Ventilnadel 3 ebenfalls
in Hubrichtung mit. Der mit der Ventilnadel 3 in Wirkverbindung
stehende Ventilschließkörper 4 hebt
von der Ventilsitzfläche 6 ab, und
der über
Drallkanäle 32 und
einen Axialkanal 35 zu der Abspritzöffnung 7 gelangende
Brennstoff wird abgespritzt.
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Wird
der Spulenstrom abgeschaltet, fällt
der Anker 20 nach genügendem
Abbau des Magnetfeldes durch den Druck der Rückstellfeder 23 auf
den Flansch 21 vom Innenpol 13 ab, wodurch sich die Ventilnadel 3 entgegen
der Hubrichtung bewegt. Dadurch setzt der Ventilschließkörper 4 auf
der Ventilsitzfläche 6 auf,
und das Brennstoffeinspritzventil 1 wird geschlossen.
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2 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel eines
nicht erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1.
Stromaufwärts
des Ventilsitzkörpers 5 ist eine
Drallscheibe 31 angeordnet, in der eine Führungsausnehmung 34 zur
Führung
der Ventilnadel 3 und Drallkanäle 32 zur Erzeugung
eines Dralls in der Brennstoffströmung eingebracht sind. Die
Ventilnadel 3 ist im Bereich der Führungsausnehmung 34 zylinderförmig und
weist eine Änderung
ihrer radialen Ausdehnung auf. Bei geöffnetem Brennstoffeinspritzventil 1 bildet
sich entlang eines Axialkanals 35 zwischen Führungsausnehmung 34 und
Ventilnadel 3 eine axiale Brennstoffströmung aus und addiert sich zu
der drallbeaufschlagten tangentialen Brennstoffströmung der
Drallkanäle 32.
Die Addition der Teilströmungen
ergibt beim Abspritzen ein Summenstrahlbild.
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Die
stromaufwärts
des Ventilsitzkörpers 5 angeordnete
Drallscheibe 31 weist zur Drallerzeugung Drallkanäle 32 auf.
Diese sind beispielsweise als Nuten in die stromabwärtige Fläche des
Ventilsitzkörpers 5 eingebracht
und weisen eine Tangentialkomponente gegenüber der Längsachse des Brennstoffeinspritzventils 1 auf.
Sie werden durch die stromaufwärtige
Fläche
des Ventilsitzkörpers 5 zu geschlossenen
Kanälen
ergänzt.
Weiterhin weist die Drallscheibe 31 eine Führungsausnehmung 34 auf, an
deren stromabwärtiger
Seite eine Drallkammer 33 angeordnet ist, welche als radiale
Erweiterung der Führungsausnehmung 34 ausgebildet
ist. Die Drallkanäle 32 münden vorzugsweise
tangential in die Drallkammer 33.
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Das
stromaufwärts
der Drallscheibe 31 mit Brennstoff bedrückte Volumen ist mit den Drallkanälen 32 durch
Brennstoffkanäle 30c verbunden,
die parallel zur Längsachse
des Brennstoffeinspritzventils 1 in die Drallscheibe 31 eingebracht
sind. Sie sind z. B. als Nuten in die radial äußere Begrenzungsfläche der
Drallscheibe 31 eingebracht und werden von der Innenwand
des Düsenkörpers 2 zu
Brennstoffkanälen
verschlossen.
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Die
Ventilnadel 3 durchdringt die Führungsausnehmung 34 und
die Drallkammer 33 der Drallscheibe 31 und bildet
zusammen mit der Führungsausnehmung 34 den
Axialkanal 35 als Ringspalt in Form eines Hohlzylinders
aus. In der dargestellten Bauform sind Ventilnadel 3 und
Ventilschließkörper 4 einstückig ausgeführt. Ebenso
ist jedoch eine Ausführung
mit zwei Bauteilen möglich,
die beispielsweise miteinander verschweißt werden.
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Der
Axialkanal 35 weist eine Querschnittsänderung auf, welche durch eine
Veränderung
der radialen Ausdehnung der Ventilnadel 3 gebildet wird.
Der Axialkanal 35 wird dadurch in zwei Bereiche gegliedert.
Im stromaufwärtigen
Bereich der Drallscheibe 31 befindet sich ein für den axialen
Anteil der Brennstoffströmung
durchflußbegrenzender
Teil 36 des Axialkanals 35. Der durchflußbegrenzende
Teil 36 des Axialkanals 35 ist ein dünnwandiger
Ringspaltbereich, der sich durch eine Spielpassung. zur Führung der
Ventilnadel 3 in der Drallscheibe 31 ergibt. Die
Passung ist so gewählt,
daß sie
für die
Axialströmung
eine starke Drosselstelle bildet. Die daraus resultierende Leckage
ist abhängig
von der Länge
des durchflußbegrenzenden
Teils 36, die maximal gleich der Länge der Führungsausnehmung 34 sein
kann. In stromabwärtiger
Richtung schließt
sich ein erweiterter Teil 37 an, der in der Drallkammer 33 ausmündet.
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Die
Länge des
Hubes der Ventilnadel 3 ist kleiner als die Länge des
durchflußbegrenzenden Teils 36 des
Axialkanals 35 im Ruhezustand des Brennstoffeinspritzventils 1.
Dabei sind zwei Ausführungsvarianten
denkbar. Ist die Länge
des durchflußbegrenzenden
Teils 36 des Axialkanals 35 nur geringfügig länger als
die Hublänge
der Ventilnadel 3, führt
dies zu einer wesentlichen Änderung
der Leckage während
des Ventilhubes. Die Verkürzung
der für die
Ausbildung eines Strömungswiderstandes
relevanten Länge
des durchflußbegrenzenden
Teils 36 des Axialkanals 35 erhöht den Leckagestrom.
Dies führt
zu einer Erhöhung
des axialen Strömungsanteils
in dem abzuspritzenden Brennstoff. Das Abspritzbild des abgespritzten
Brennstoffs ist weniger aufgefächert.
Der Anteil des auf der Längsachse
des Brennstoffeinspritzventils 1 abgespritzten Brennstoffs
steigt mit der Öffnung
des Brennstoffeinspritzventils 1 an.
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Durch
Verlängerung
des durchflußbegrenzenden
Teils 36 des Axialkanals 35 kann eine zunehmend
von der Öffnung
des Brennstoffeinspritzventils 1 unabhängige Leckage eingestellt werden.
Die relative Längenänderung
des durchflußbegrenzenden Teils 36 des
Axialkanals 35 durch den Hub der Ventilnadel 3 in
Gegenstromrichtung beim Öffnen
des Brennstoffeinspritzventils 1 ist klein, so daß die Auswirkungen
auf den Leckagestrom vernachlässigbar sind.
Das Verhältnis
von axialem Strömungsanteil
zu drallbeaufschlagtem Strömungsanteil
bleibt nahezu konstant und das Abspritzbild ändert sich während der
gesamten Abspritzdauer nicht.
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3 zeigt
ein erfindungsgemäß Ausführungsbeispiel,
bei dem während
des Öffnungsvorgangs
des Brennstoffeinspritzventils 1 der Anteil der axialen
Brennstoffströmung
abnimmt. Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel
ist zwischen der Ventilnadel 3 und der Führungsausnehmung 34 der
Drallscheibe 31 ein Axialkanal 35 als Ringspalt
in Form eines Hohlzylinders ausgebildet, durch den die Brennstoffströmung bei
geöffnetem
Brennstoffeinspritzventil 1 eine axiale Komponente erhält. Durch
eine Änderung
der radialen Ausdehnung der Ventilnadel 3 wird der Axialkanal 35 wiederum
in einen durchflußbegrenzenden
Teil 36 und einen erweiterten Teil 37 unterteilt.
Der durchflußbegrenzende
Teil 36 ist an der stromabwärtigen Seite der Führungsausnehmung 34 angeordnet.
Stromaufwärts
weist die Ventilnadel 3 eine radiale Verjüngung auf,
die mit der Führungsausnehmung 34 den
erweiterten Teil 37 des Axialkanals 35 bildet.
Die Längenausdehnung
des Teils der Ventilnadel 3, der den durchflußbegrenzenden
Teil 36 bildet, ist dabei mindestens so lang, daß er im
Ruhezustand in die Führungsausnehmung 34 stromaufwärts der
Drallkammer 33 hineinragt.
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Beim Öffnen des
Brennstoffeinspritzventils 1 wird die Länge des durchflußbegrenzenden
Teils 36 des Axialkanals 35 vergrößert. Der
Strömungswiderstand
entlang dieses ringförmig
bzw. hohlzylinderförmig
ausgebildeten, durchflußbegrenzenden
Teils 36 des Axialkanals 35 vergrößert sich
dadurch und der axiale Anteil an der Brennstoffströmung reduziert sich.
Das Abspritzbild des Brennstoffs ist dadurch weiter aufgefächert. Der
durchflußbegrenzende
Teil 36 des Axialkanals 35 kann ebenso wie bei
dem ersten Ausführungsbeispiel
lang gegenüber
dem Hub der Ventilnadel 3 sein. Dadurch ist auch bei der
Anordnung der Durchflußbegrenzung
an der stromabwärtigen
Seite der Führungsausnehmung
die Unabhängigkeit
der Leckageströmung
von dem Ventilnadelhub einstellbar.
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Bei
konstanter Leckströmung
während
des gesamten Abspritzvorgangs dient bei beiden Ausführungsbeispielen
das Spaltmaß zwischen
Ventilnadel 3 und Führungsausnehmung 34 zur
Einstellung der Leckage. Durch Verändern des Paßmaßes wird
ein konzentriertes bzw, aufgefächertes
Abspritzbild erreicht.