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Die
Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der
Gattung des Hauptanspruchs.
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Bekannt
ist bereits aus der
DE
42 21 185 A1 ein Brennstoffeinspritzventil, das stromabwärts eines festen
Ventilsitzes eine Lochscheibe mit mehreren Auslassöffnungen
aufweist. Die Lochscheibe wird zunächst mit zumindest einer Auslassöffnung durch Stanzen
versehen, die parallel zur Ventillängsachse verläuft. Dann
wird die Lochscheibe in ihrem mittleren Bereich, der die Auslassöffnungen
aufweist, durch Tiefziehen plastisch verformt, so dass die Auslassöffnungen
geneigt gegenüber
der Ventillängsachse
verlaufen und sich in Strömungsrichtung
kegelstumpfförmig
bzw. konisch erweitern. Auf diese Weise werden gegenüber bis
dahin bekannten Einspritzventilen eine gute Aufbereitung und eine
gute Strahlstabilität
des durch die Auslassöffnungen
abgegebenen Mediums erzielt, jedoch ist der Herstellungsprozess
der Lochscheibe mit ihren Auslassöffnungen sehr aufwändig. Die
Auslassöffnungen
sind unmittelbar stromabwärts
einer Austrittsöffnung
im Ventilsitzkörper
vorgesehen und werden insofern direkt angeströmt, wobei die Auslassöffnungen
selbst den engsten Strömungsquerschnitt
festlegen.
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Aus
der JP 2001-046919 A ist bereits ein Brennstoffeinspritzventil bekannt,
bei dem stromabwärts
des Ventilsitzes eine Lochscheibe mit mehreren Auslassöffnungen
vorgesehen ist. Dabei ist zwischen einer Austrittsöffnung im
Ventilsitzkörper
und der Lochscheibe eine Zuströmöffnung mit
größerem Durchmesser
ausgebildet, die einen ringförmigen Anströmhohlraum
für die
Auslassöffnungen
bildet. Die Auslassöffnungen
der Lochscheibe stehen mit der Zuströmöffnung und dem ringförmigen Anströmhohlraum
in unmittelbarer Strömungsverbindung
und werden dabei von der oberen Begrenzung der Zuströmöffnung überdeckt.
Mit anderen Worten ausgedrückt
liegt ein vollständiger
Versatz von der den Einlass der Zuströmöffnung festlegenden Austrittsöffnung und
den Auslassöffnungen
vor. Aufgrund des radialen Versatzes der Auslassöffnungen gegenüber der
Austrittsöffnung
im Ventilsitzkörper
ergibt sich ein S-förmiger
Strömungsverlauf
des Brennstoffs, der eine zerstäubungsfördernde
Maßnahme
darstellt.
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Bekannt
sind des weiteren bereits Brennstoffeinspritzventile, bei denen
die Abspritzung des Brennstoffs über
einen Ringspalt erfolgt. So ist beispielsweise ein Brennstoffeinspritzventil
aus der
EP 0 783 628
B1 bekannt, das stromabwärts eines Ventilsitzes eine
Düsenplatte
besitzt, die sich dadurch auszeichnet, dass in ihr zuströmseitig
eine Vielzahl von drallerzeugenden Elementen vorgesehen ist, denen in
stromabwärtiger
Richtung ein ununterbrochener Ringspalt folgt. Die drallerzeugenden
Elemente sind dabei schaufelradähnlich
angeordnet, da jedes einzelne Element weitgehend radial verläuft und
in Umfangsrichtung gekippt ist und die Elemente in Kreisform hintereinander
angeordnet sind. Der Ringspalt wird von allen Drallelementen mit
Brennstoff gespeist und stellt letztlich die Abspritzgeometrie dar.
Auf diese Weise ist ausschließlich
eine fein zerstäubende Hohlkegellamelle
des Brennstoffsprays darstellbar.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil,
dass auf einfache Art und Weise eine gleichmäßige Feinstzerstäubung des
Brennstoffs erreicht wird, wobei eine besonders hohe Aufbereitungsqualität und Zerstäubungsgüte mit sehr
kleinen Brennstofftröpfchen
erzielt wird. Dies wird in vorteilhafter Weise dadurch erreicht,
dass stromabwärts
eines Ventilsitzes eine Lochscheibe mit mindestens zwei Auslassöffnungen
vorgesehen ist, in die jeweils mittig ein Zapfen ragt, der in jeder Auslassöffnung einen
Ringspalt entstehen lässt.
Mit dieser Anordnung ist eine gleichmäßige Feinstzerstäubung des
Brennstoffs ohne Zusatzenergie möglich.
Der Zerfall in kleinste Tröpfchen
hat zur Konsequenz, dass die Abgasemission einer Brennkraftmaschine
weiter reduziert und ebenso eine Verringerung des Brennstoffverbrauchs
erzielt werden können.
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Insbesondere
ist es von Vorteil, das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil
in einer Brennkraftmaschine einzusetzen, die zwei Einlassventile
pro Brennraum besitzt, wie dies bei modernen Brennkraftmaschinen
verstärkt üblich ist.
Das Brennstoffeinspritzventil kann so in vorteilhafter Weise mit z.B.
zwei getrennt abgespritzten Einzelstrahlen auf zwei Einlassventile
zielen, ohne dass die Saugrohrwände
benetzt werden. Eine verbesserte Brennstoffaufbereitung durch Lamellenzerstäubung ist
die positive Folge. Die Strahlwinkel sind in idealer Weise sehr variabel
einstellbar.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch
angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
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In
vorteilhafter Weise ist im Ventilsitzkörper stromaufwärts der
Auslassöffnungen
eine Zuströmöffnung mit
einem ringförmigen
Anströmhohlraum vorgesehen,
die größer ist
als eine Austrittsöffnung stromabwärts des
Ventilsitzes. Auf diese Weise übernimmt
der Ventilsitzkörper
bereits die Funktion einer Strömungsbeeinflussung
in der Lochscheibe. In besonders vorteilhafter Weise wird durch
die Ausbildung der Zuströmöffnung ein
S-Schlag in der Strömung
zur Zerstäubungsverbesserung
des Brennstoffs erreicht, da der Ventilsitzkörper mit der oberen Begrenzung
der Zuströmöffnung die
Auslassöffnungen
der Lochscheibe überdeckt.
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Mittels
galvanischer Metallabscheidung lassen sich in vorteilhafter Weise
Lochscheiben in reproduzierbarer Weise äußerst präzise und kostengünstig in
sehr großen
Stückzahlen
gleichzeitig herstellen. Außerdem
erlaubt diese Herstellungsweise eine extrem große Gestaltungsfreiheit, da
die Konturen der Öffnungen
in der Lochscheibe frei wählbar
sind.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 1 ein
teilweise dargestelltes Einspritzventil, 2 eine Schnittdarstellung
durch die Lochscheibe entlang der Linie II-II in 1, 3 eine
zweite Ausführungsform
in gleicher Schnittdarstellung, 4 eine dritte
Ausführungsform
in gleicher Schnittdarstellung und 5 eine vierte
Ausführungsform
in gleicher Schnittdarstellung.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In
der 1 ist als ein Ausführungsbeispiel ein Ventil in
der Form eines Einspritzventils für Brennstoffeinspritzanlagen
von gemischverdichtenden fremdgezündeten Brennkraftmaschinen
teilweise dargestellt. Das Einspritzventil hat einen nur schematisch
angedeuteten, einen Teil eines Ventilgehäuses bildenden, rohrförmigen Ventilsitzträger 1,
in dem konzentrisch zu einer Ventillängsachse 2 eine Längsöffnung 3 ausgebildet
ist. In der Längsöffnung 3 ist eine
z. B. rohrförmige
Ventilnadel 5 angeordnet, die an ihrem stromabwärtigen Ende 6 mit
einem z. B. kugelförmigen
Ventilschließkörper 7,
an dessen Umfang beispielsweise fünf Abflachungen 8 zum
Vorbeiströmen
des Brennstoffs vorgesehen sind, fest verbunden ist.
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Die
Betätigung
des Einspritzventils erfolgt in bekannter Weise, beispielsweise
elektromagnetisch. Zur axialen Bewegung der Ventilnadel 5 und
damit zum Öffnen
entgegen der Federkraft einer nicht dargestellten Rückstellfeder
bzw. Schließen
des Einspritzventils dient ein schematisch angedeuteter elektromagnetischer
Kreis mit einer Magnetspule 10, einem Anker 11 und
einem Kern 12. Der Anker 11 ist mit dem dem Ventilschließkörper 7 abgewandten Ende
der Ventilnadel 5 durch z.B. eine mittels eines Lasers
ausgebildete Schweißnaht
verbunden und auf den Kern 12 ausgerichtet.
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In
dem stromabwärts
liegenden Ende des Ventilsitzträgers 1 ist
ein Ventilsitzkörper 16 z.B. durch
Schweißen
dicht montiert. An seiner dem Ventilschließkörper 7 abgewandten,
unteren Stirnseite 17 ist der Ventilsitzkörper 16 gestuft
ausgeführt,
wobei in einem mittleren Bereich rund um die Ventillängsachse 2 eine
Vertiefung 20 vorgesehen ist, in der eine flache, z.B.
einlagige Lochscheibe 23 eingebracht ist. Die Lochscheibe 23 weist
wenigstens zwei oder mehrere Auslassöffnungen 24 auf. Stromaufwärts der
Vertiefung 20 und damit der Auslassöffnungen 24 der Lochscheibe 23 ist
im Ventilsitzkörper 16 eine
Zuströmöffnung 19 vorgesehen, über die
die einzelnen Auslassöffnungen 24 angeströmt werden. Die
Zuströmöffnung 19 besitzt
dabei einen Durchmesser, der größer ist
als die Öffnungsweite
einer Austrittsöffnung 27 im
Ventilsitzkörper 16,
aus der der Brennstoff kommend in die Zuströmöffnung 19 und letztlich
in die Auslassöffnungen 24 einströmt.
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Die
Verbindung von Ventilsitzkörper 16 und Lochscheibe 23 erfolgt
beispielsweise durch eine umlaufende und dichte, mittels eines Lasers
ausgebildete Schweißnaht 25,
die außerhalb
der Zuströmöffnung 19 platziert
ist. Nach der Befestigung der Lochscheibe 23 liegt diese
in der Vertiefung 20 versenkt gegenüber der Stirnseite 17.
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Die
Einschubtiefe des Ventilsitzkörpers 16 mit
der Lochscheibe 23 in der Längsöffnung 3 bestimmt
die Größe des Hubs
der Ventilnadel 5, da die eine Endstellung der Ventilnadel 5 bei
nicht erregter Magnetspule 10 durch die Anlage des Ventilschließkörpers 7 an
einer sich stromabwärts
konisch verjüngenden
Ventilsitzfläche 29 des
Ventilsitzkörpers 16 festgelegt
ist. Die andere Endstellung der Ventilnadel 5 wird bei
erregter Magnetspule 10 beispielsweise durch die Anlage
des Ankers 11 an dem Kern 12 festgelegt. Der Weg
zwischen diesen beiden Endstellungen der Ventilnadel 5 stellt
somit den Hub dar.
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Alternativ
zu dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
kann die Lochscheibe 23 z.B. auch zweilagig mit zwei Funktionsebenen übereinander
aufgebaut sein.
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Die
Auslassöffnungen 24 der
Lochscheibe 23 stehen mit der Zuströmöffnung 19 und einem äußeren Anströmhohlraum 26 in
unmittelbarer Strömungsverbindung,
wobei der gesamte Anströmhohlraum 26 und
damit auch die Auslassöffnungen 24 von
der oberen Begrenzung der Zuströmöffnung 19 überdeckt
werden. Mit anderen Worten ausgedrückt liegt ein vollständiger Versatz
von der den Einlass der Zuströmöffnung 19 festlegenden
Austrittsöffnung 27 und
den Auslassöffnungen 24 vor.
Aufgrund des radialen Versatzes der Auslassöffnungen 24 gegenüber der
Austrittsöffnung 27 ergibt
sich ein S-förmiger Strömungsverlauf
des Mediums, hier des Brennstoffs.
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Durch
den sogenannten S-Schlag vor und innerhalb der Lochscheibe 23 mit
mehreren starken Strömungsumlenkungen
wird der Strömung
eine starke, zerstäubungsfördernde
Turbulenz aufgeprägt.
Der Geschwindigkeitsgradient quer zur Strömung ist dadurch besonders
stark ausgeprägt.
Er ist ein Ausdruck für
die Änderung
der Geschwindigkeit quer zur Strömung,
wobei die Geschwindigkeit in der Mitte der Strömung deutlich größer ist
als in der Nähe der
Wandungen. Die aus den Geschwindigkeitsunterschieden resultierenden
erhöhten
Scherspannungen im Fluid begünstigen
den Zerfall in feine Tröpfchen
nahe der Auslassöffnungen 24.
Erfindungsgemäß wird durch
die spezifische Geometrie des Anströmhohlraums 26 mit
in die Auslassöffnungen 24 versenkten
Zapfen 33 das Fluid noch zusätzlich in seiner Zerstäubung positiv
beeinflusst, so dass ein noch weiter verbesserter Zerfall in feinste
Tröpfchen erzielbar
ist.
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Die
Lochscheibe 23 ist beispielsweise mittels galvanischer
Metallabscheidung hergestellt, wobei die Herstellung einer einlagigen
Lochscheibe 23 insbesondere mit der Technik des lateralen Überwachsens
vorteilhaft ist. Eine stanztechnische Herstellung der Lochscheibe 23 ist
ebenso denkbar. Die Auslassöffnungen 24 besitzen
in idealer Weise eine trompetenförmige
oder lavaldüsenartige
Kontur. Vom Querschnitt her können
die Auslassöffnungen 24 z.B.
eine kreisförmige
oder ovale Form aufweisen.
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2 zeigt
eine Schnittdarstellung durch die Lochscheibe 23 entlang
der Linie II-II in 1 zur Verdeutlichung der einen
Ringspalt bildenden Auslassöffnungen 24 und
der Geometrie des jeweils zugeordneten Anströmhohlraums 26 zwischen
der Begrenzungsfläche
des Ventilsitzkörpers 16 und
der Lochscheibe 23. Die Begrenzungsfläche des Ventilsitzkörpers 16 ist
eben ausgeführt
und verläuft
senkrecht zur Ventillängsachse 2,
so dass die Höhe
des Anströmhohlraums 26 konstant über seine
radiale Erstreckung ist. Im in 2 gezeigten
Ausführungsbeispiel
sind zwei gegenüberliegende,
taschenartig ausgebildete Anströmhohlräume 26 der
Zuströmöffnung 19 vorgesehen, über die
jeweils genau eine Auslassöffnung 24 angeströmt wird.
Die Auslassöffnungen 24 liegen
dabei weitgehend zentral innerhalb des jeweiligen Anströmhohlraums 26.
In jede Auslassöffnung 24 ragt
ein Zapfen 33 bis ungefähr
zur axialen Mitte der Auslassöffnung 24.
Die Zapfen 33 sind beispielsweise einteilig an der die
Anströmhohlräume 26 begrenzenden
Begrenzungsfläche
des Ventilsitzkörpers 16 ausgeformt.
Allerdings können
die Zapfen 33 auch nachträglich erst an dem Ventilsitzkörper 16 angeformt
werden. Die Zapfen 33 können
z.B. zylindrisch oder kegelförmig
ausgebildet sein.
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Um
eine sichere Einbaulage der Lochscheibe 23 zu gewährleisten
und sicherzustellen, dass die Zapfen 33 exakt in die Auslassöffnungen 24 zur
Bildung optimaler Ringspalte eintauchen, sind am Umfang der Lochscheibe 23 Fixierelemente 34 vorgesehen,
die entweder als Vertiefungen oder als Nasen ausgeführt sind
und dabei mit entsprechenden Fixierelementen am Ventilsitzkörper 16 korrespondieren. Für Anwendungen,
bei denen große
Strahlwinkel gewünscht
sind, kann es von Vorteil sein, die Zapfen 33 so vorzusehen,
dass sie exzentrisch in die Auslassöffnungen 24 ragen
und somit ungleichmäßige Ringspalte
entstehen. Dabei sind die Ringspalte auf der Seite zur Ventillängsachse 2 hin
enger als auf der radial außen
liegenden Seite.
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In
den 3 bis 5 sind drei weitere erfindungsgemäß ausgestaltete
Abspritzgeometrien in mit 2 vergleichbaren
Schnittdarstellungen gezeigt. 3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
bei dem acht Auslassöffnungen 24 in
der Lochscheibe 23 vorgesehen sind, wobei wiederum in jede
Auslassöffnung 24 ein
Zapfen 33 hineinragt. Allerdings ist es auch denkbar, sowohl Auslassöffnungen 24 ohne Zapfen 33 als
auch Auslassöffnungen 24 mit
Zapfen 33 in einer Lochscheibe 23 kombiniert vorzusehen. Der
Anströmhohlraum 26 ist
bei dem in 2 gezeigten Beispiel ringförmig ausgeführt, so
dass der aus der Austrittsöffnung 27 kommende
Brennstoff in die Zuströmöffnung 19 eintreten
und sich dann gleichmäßig radial
nach außen
verteilen kann.
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In
den 4 und 5 sind zwei Ausführungsbeispiele
dargestellt, bei denen die Auslassöffnungen 24 in der
Lochscheibe 23 durch ein vorgelagertes Drallelement mit
drallbehaftetem Brennstoff versorgt werden. Die Drallelemente sind
dabei nichts anderes als 6- oder
9-förmig
ausgebildete Anströmhohlräume 26 der
Zuströmöffnung 19.
Jedem Anströmhohlraum 26 ist
genau eine Auslassöffnung 24 zugeordnet.
Durch die in die Auslassöffnungen 24 ragenden
Zapfen 33 kann die bereits drallbehaftete, rotierende Strömung optimal
in die Ringspalte der Auslassöffnungen 24 eintreten
und erhält
um die Zapfen 33 herum eine Strömungsführung.
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Während bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 4 vier
Anströmhohlräume 26 jeweils
um 90° versetzt
und mit gleichem Richtungssinn (Linksdrall) vorgesehen sind und
somit alle Auslassöffnungen 24 mit
einer gleichdrehenden Strömung
versorgt werden, zeigt 5 ein Beispiel, bei dem jeweils
um 180° versetzt
liegend zwei Anströmhohlräume 26 dicht
nebeneinander liegend ausgeführt
sind, wobei jeweils ein Paar zur Erzeugung eines Rechts- und Linksdralls
dient. Für
die verschiedensten Anwendungsfälle
können
die Anströmhohlräume 26 beliebig für rechts-
und/oder linksdrehende Strömungen
ausgelegt werden.
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Herstellbar
sind solche Konturen beispielsweise mittels ECM-Verfahren (Electro
Chemical Machining).
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In
allen beschriebenen Ausführungsbeispielen
sind die Auslassöffnungen 24 derart
zu den darüber
liegenden Anströmhohlräumen 26 angeordnet, dass
genügend
Höhe zur
Verfügung
steht, um den Brennstoff verlustarm bis zu den Kanten der Auslassöffnungen 24 strömen zu lassen.
Dadurch wird vor allen Dingen jede Auslassöffnung 24 auch rückraumseitig
mit einem nennenswerten Durchflussmengenanteil gespeist. Als Rückraum wird
der radial auswärts
der jeweiligen Auslassöffnung 24 liegende
Bereich des Anströmhohlraums 26 verstanden.
Folglich sind die Quergeschwindigkeitsvektoren im Austritt der Auslassöffnungen 24 divergent
und sorgen für eine
gute Zerstäubung
des Brennstoffs.