-
Die
Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der
Gattung des Hauptanspruchs.
-
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.
-
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, wobei jedoch die Auslassöffnungen in nachteiliger Weise
den engsten Strömungsquerschnitt
bilden und die Zerstäubungsqualität mindern.
Die den S-förmigen
Verlauf der Strömung
bestimmende Zuströmöffnung weist
eine durchgehend konstante Höhe
auf.
-
Vorteile der
Erfindung
-
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 im Ventilsitzkörper
stromaufwärts
der Auslassöffnungen eine
Zuströmöffnung mit
einem ringförmigen
Anströmhohlraum
vorgesehen ist, 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. Durch
die stetige Verringerung der Höhe
der Zuströmöffnung von
der Austrittsöffnung
ausgehend bis zu den Auslassöffnungen
in der Lochscheibe wird die Strömung
in der Zuströmöffnung vorteilhafterweise zerstäubungsfördernd beschleunigt.
-
Die
horizontalen Geschwindigkeitskomponenten der in die Eintrittsebene
einmündenden
Strömung
werden durch die Wandung der jeweiligen Auslassöffnung an der Eintrittsebene
nicht behindert, so dass der Brennstoffstrahl beim Verlassen der
Auslassöffnung
die volle Intensität
der in dem Anströmhohlraum
generierten Horizontalkomponenten besitzt und deshalb mit maximaler
Zerstäubung
auffächert.
-
Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch
angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
-
Von
besonderem Vorteil ist es, wenn stromabwärts eines Ventilsitzes eine
anströmbare
Durchtrittsfläche
oberhalb der wenigstens einen Auslassöffnung in dem stromaufwärts der
Lochscheibe vorgesehenen Anströmhohlraum
kleiner ist als die Fläche
der Eintrittsebene der Auslassöffnung,
wobei sich die Durchtrittsfläche
berechnet als das Produkt aus dem Umfang der Auslassöffnung im
Bereich ihrer Eintrittsebene und der freien Höhe im Anströmhohlraum der Zuströmöffnung.
-
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.
-
Zeichnung
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 1 ein
teilweise dargestelltes Einspritzventil, 2 den Ausschnitt
II in 1 mit dem erfindungsgemäß ausgestalteten Anströmhohlraum
in einer vergrößerten Darstellung
und 3 den gleichen Ausschnitt II mit einer zweiten
Ausführungsform.
-
Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
-
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.
-
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.
-
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 eine, idealerweise jedoch zwei bis vierzig 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.
-
Die
Zuströmöffnung 19 ist
erfindungsgemäß insbesondere
im unmittelbaren Anströmbereich
der Auslassöffnungen 24 mit
einer besonderen Geometrie ausgeführt. Der gegenüber der
Austrittsöffnung 27 durchmessergrößere Ringbereich
der Zuströmöffnung 19 ist
in den 2 und 3 vergrößert dargestellt, anhand dieser
Figuren näher
erläutert
und wird im Folgenden als Anströmhohlraum 26 bezeichnet.
-
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.
-
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.
-
Alternativ
zu dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
kann die Lochscheibe 23 z.B. auch zweilagig mit zwei Funktionsebenen übereinander
aufgebaut sein.
-
Die
Auslassöffnungen 24 der
Lochscheibe 23 stehen mit der Zuströmöffnung 19 und dem
ringförmigen
Anströmhohlraum 26 in
unmittelbarer Strömungsverbindung
und werden dabei von der oberen Begrenzung der Zuströmöffnung 19 überdeckt.
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.
-
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 der Zuströmöffnung 19 bzw. des
Anströmhohlraums 26 das Fluid
durch seine permanente Beschleunigung noch zusätzlich in seiner Zerstäubung positiv
beeinflusst, so dass ein noch weiter verbesserter Zerfall in feinste Tröpfchen erzielbar
ist.
-
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,
ovale oder auch mehreckige Form aufweisen.
-
2 zeigt
einen vergrößerten Ausschnitt
II in 1 zur Verdeutlichung der Geometrie der Zuströmöffnung 19 bzw.
des Anströmhohlraums 26 zwischen
der Begrenzungsfläche 30 des
Ventilsitzkörpers 16 und
der Lochscheibe 23. Der Ventilsitzkörper 16 ist derart
ausgestaltet, dass die Begrenzungsfläche 30 von der Austrittsöffnung 27 (Durchmesser
D1) ausgehend in Richtung zur Lochscheibe 23 in einem ersten
Abschnitt 30a radial nach außen hin stetig schräg geneigt
bis zu einem Durchmesser D2 abfällt. Im
Bereich des Durchmessers D2 ist eine Stufe bzw. ein Knick in der
Begrenzungsfläche 30 vorgesehen, von
dem an ein zweiter Abschnitt 30b der Zuströmöffnung 19 radial
nach außen
folgt, der weitgehend senkrecht zur Ventillängsachse 2 durch die
Begrenzungsfläche 30 begrenzt
ist. Während
in dem ersten Abschnitt 30a in Strömungsrichtung gesehen die Höhe der Zuströmöffnung 19 stetig
geringer wird, besitzt der zweite Abschnitt 30b also eine
weitgehend konstante Höhe.
Der Übergang
vom ersten zum zweiten Abschnitt der Begrenzungsfläche 30 (Durchmesser
D2) liegt dabei unmittelbar vor den Auslassöffnungen 24, direkt
an den Begrenzungskanten der Auslassöffnungen 24 oder oberhalb
der Auslassöffnungen 24.
Dies führt
dazu, dass über
einer senkrecht zur Ventillängsachse 2 verlaufenden
Eintrittsebene 31 der wenigstens einen Auslassöffnung 24 nur noch
eine geringe Höhe
des Anströmhohlraums 26 vorliegt
und die Strömung
auf dem Weg von der Austrittsöffnung 27 ausgehend
zu den Auslassöffnungen 24 stetig
zerstäubungsfördernd beschleunigt
wird. Der Durchmesser der gesamten Zuströmöffnung 19 einschließlich eines
gegenüber
den Auslassöffnungen 24 radial
auswärtigen
Rückraums
R ist mit D3 gekennzeichnet.
-
In
idealer Weise gilt, dass eine gedachte anströmbare senkrechte Durchtrittsfläche über der
Auslassöffnung 24 im
Anströmhohlraum 26,
die sich berechnet als das Produkt aus dem Umfang der Auslassöffnung 24 im
Bereich ihrer Eintrittsebene 31 und der freien Höhe im Anströmhohlraum 26,
kleiner ist als die Fläche
der Eintrittsebene 31 der Auslassöffnung 24. Die höchste Zerstäubungsgüte wird
erzielt, wenn dieses Verhältnis
an allen Auslassöffnungen 24 der
Lochscheibe 23 eingehalten ist.
-
Bei
den vorbeschriebenen Größenverhältnissen
ist die gedachte Durchtrittsfläche
der kleinste, mengenzumessende Querschnitt im Strömungspfad. Die
Eintrittsebene 31 der Auslassöffnung 24 bietet der
in sie eintretenden Strömung
mehr Querschnittsfläche,
als für
die durch die Durchtrittsfläche 32 vordosierte
Durchflussmenge benötigt
wird. Die Strömung
ist insofern in der Eintrittsebene 31 vollständig von
der Wandung der Auslassöffnung 24 abgelöst. Die
horizontalen Geschwindigkeitskomponenten der in die Eintrittsebene 31 einmündenden
Strömung werden
also durch die Wandung der Auslassöffnung 24 an der Eintrittsebene 31 nicht
behindert, so dass der Brennstoffstrahl beim Verlassen der Auslassöffnung 24 die
volle Intensität
der in dem Anströmhohlraum 26 generierten
Horizontalkomponenten besitzt und deshalb mit maximaler Zerstäubung auffächert.
-
In 3 ist
ein weiterer erfindungsgemäß ausgestalteter
Anströmhohlraum 26 als
Ringbereich der Zuströmöffnung 19 in
einer vergrößerten Darstellung
in einem mit 2 vergleichbaren Ausschnitt gezeigt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
verläuft
die Begrenzungsfläche 30 des
Ventilsitzkörpers 16 von der
Austrittsöffnung 27 parabelförmig, konvex
gewölbt,
wobei dieser erste Abschnitt 30a der Begrenzungsfläche 30 oberhalb
der wenigstens einen Auslassöffnung 24 fließend in
den zweiten weitgehend senkrecht zur Ventillängsachse 2 verlaufenden,
eine konstante Höhe
aufweisenden Abschnitt 30b übergeht.