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Stand der
Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der
Gattung des Hauptanspruchs.
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Aus
der
DE 196 36 396
A1 ist bereits ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, bei
dem stromabwärts
der Ventilsitzfläche
eine Lochscheibe vorgesehen ist, die eine Vielzahl von Abspritzöffnungen
aufweist. Die günstigerweise
zehn bis zwanzig Abspritzöffnungen
befinden sich in einer Ebene der Lochscheibe, die senkrecht zur
Ventillängsachse
verläuft. Der
größte Teil
der Abspritzöffnungen
ist schräg
bzw. geneigt in der Lochscheibe eingebracht, so dass die Öffnungsachsen
der Abspritzöffnungen
keine Parallelität
zur Ventillängsachse
besitzen. Da die Neigungen der Abspritzöffnungen unterschiedlich gewählt werden
können,
ist eine Divergenz der abzuspritzenden Einzelstrahlen leicht erreichbar.
Die Abspritzöffnungen
sind beispielsweise durch Laserstrahlbohren in der Lochscheibe in
einer weitgehend einheitlichen Größe eingebracht. Das Brennstoffeinspritzventil
eignet sich besonders für
Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden fremdgezündeten Brennkraftmaschinen.
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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 Fluidtröpfchen
erzielt wird. In idealer Weise handelt es sich bei der Lochscheibe
um eine Mikrolochscheibe, die eine Vielzahl von sehr kleinen Abspritzöffnungen
aufweist, so dass Brennstoffsprays mit extrem kleinen Brennstofftröpfchen mit
einem Sauter Mean Diameter (SMD) von ca. 20 μm abspritzbar sind. Auf diese
Weise kann sehr wirkungsvoll die HC-Emission der Brennkraftmaschine
deutlich reduziert werden. Durch das Einbringen von wenigstens einem
Schmutzabfuhrloch ist die Lochscheibe zudem verschmutzungsresistent
ausgeführt.
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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
idealer Weise handelt es sich bei der Lochscheibe um eine Mikrolochscheibe,
die eine Vielzahl von sehr kleinen Abspritzöffnungen aufweist, die einen
Durchmesser von jeweils ca. 5 bis 20 μm, z.B. 10 μm Durchmesser besitzen. Die
Abspritzöffnungen
sind möglichst
gleichmäßig und
großflächig auf
der gewölbten
Lochscheibe verteilt. Durch diese Aufteilung ist pro einzelner Abspritzöffnung die
zu zerstäubende
Durchflussmenge entsprechend klein. Durch die Schmutzabfuhrlöcher werden
jedoch maximal 60%, idealerweise 30% oder weniger, der abzuspritzenden
Brennstoffmenge abgespritzt. Die restliche Brennstoffmenge gelangt
durch die kleinen feinstzerstäubenden
Abspritzöffnungen.
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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 Ventil in der Form eines Brennstoffeinspritzventils
mit einem Ausführungsbeispiel
einer Lochscheibe, 2 die Lochscheibe in einer Seitenansicht
in einer vergrößerten Darstellung, 3 den
Ausschnitt III in 2 in einer vergrößerten Darstellung, 4 einen
Ausschnitt entsprechend Ausschnitt III mit einem alternativen Ausführungsbeispiel
der Lochscheibe und 5 ein drittes Ausführungsbeispiel
einer Lochscheibe.
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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 Brennstoffeinspritzventil 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 Brennstoffeinspritzventils erfolgt in bekannter Weise, beispielsweise
elektromagnetisch. Eine Betätigung
des Brennstoffeinspritzventils mit einem piezoelektrischen oder
magnetostriktiven Aktor ist jedoch ebenso denkbar. Zur axialen Bewegung
der Ventilnadel 5 und damit zum Öffnen entgegen der Federkraft
einer nicht dargestellten Rückstellfeder
bzw. Schließen
des Brennstoffeinspritzventils 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 der dem Ventilschließkörper 7 abgewandten,
unteren Stirnseite 17 des Ventilsitzkörpers 16 ist eine
erfindungsgemäße Lochscheibe 23 befestigt.
Die Verbindung von Ventilsitzkörper 16 und
Lochscheibe 23 erfolgt beispielsweise durch eine umlaufende
und dichte, mittels eines Lasers ausgebildete Schweißnaht 26,
die z.B. an der Stirnseite 17 oder am äußeren Umfang von Ventilsitzkörper 16 und
Lochscheibe 23 vorgesehen ist.
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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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In
dem Ventilsitzkörper 16 ist
stromabwärts der
Ventilsitzfläche 29 eine
Austrittsöffnung 27 vorgesehen,
von der aus der abzuspritzende Brennstoff in einen Strömungshohlraum 24 eintritt,
der durch eine gewölbte
oder kalottierte Ausbildung der Lochscheibe 23 zwischen
der unteren Stirnseite 17 des Ventilsitzkörpers 16 und
der Lochscheibe 23 gebildet ist. Dabei weist die Lochscheibe 23 z.B.
im Bereich der Ventillängsachse 2 ihren
größten Abstand
zur Stirnseite 17 auf, während im Bereich der Schweißnaht 26 die
Lochscheibe 23 unmittelbar am Ventilsitzkörper 16 anliegt.
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In
idealer Weise handelt es sich bei der Lochscheibe 23 um
eine Mikrolochscheibe, die eine Vielzahl von sehr kleinen Abspritzöffnungen 30 aufweist,
die einen Durchmesser von jeweils ca. 5 bis 20 μm, z.B. 10 μm Durchmesser besitzen, so dass Brennstoffsprays
mit extrem kleinen Brennstofftröpfchen
mit einem Sauter Mean Diameter (SMD) von ca. 20 μm abspritzbar sind. Auf diese
Weise kann sehr wirkungsvoll die HC-Emission der Brennkraftmaschine
deutlich gegenüber
bekannter Einspritzanordnungen reduziert werden. Die extrem kleinen
Durchmesser von ca. 10 μm
der Abspritzöffnungen 30 sind
allerdings sehr anfällig
gegenüber
Schmutzpartikeln, die in der gleichen Größenklasse im Brennstoff durchaus
mitgeführt
sein können
und durch die eine Gefahr des Zusetzens einzelner Abspritzöffnungen 30 besteht.
Erfindungsgemäß ist die
Lochscheibe 23 deshalb als verschmutzungsresistente Mikrolochscheibe
ausgeführt,
ohne dass dabei nennenswerte Einbußen bezüglich der Feinstzerstäubung in
Kauf genommen werden müssten.
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Dazu
besitzt die Lochscheibe 23 in ihrem zentralen Bereich,
z.B. direkt auf der Ventillängsachse 2 ein
Schmutzabfuhrloch 31 mit einem deutlich größeren Durchmesser
gegenüber
den Durchmessern der Abspritzöffnungen 30.
Der Durchmesser des Schmutzabfuhrlochs 31 beträgt zwischen
30 μm und 300 μm. Durch
das Schmutzabfuhrloch 31 wird der zur Lochscheibe 23 angeschwemmte
Schmutz mittels der dort austretenden Brennstoffstrahlen abgeführt. Durch
das Schmutzabfuhrloch 31 wird maximal 60%, idealerweise
30% oder weniger, der abzuspritzenden Brennstoffmenge abgespritzt.
Die restliche Brennstoffmenge gelangt durch die ca. 10 μm kleinen feinstzerstäubenden
Abspritzöffnungen 30.
Da das Schmutzabfuhrloch 31 oder mehrere Schmutzabfuhrlöcher 31 zu
einer Vergrößerung der
mittleren Tröpfchengröße gegenüber einer
Lochscheibe 23 mit ausschließlich kleinen Abspritzöffnungen 30 führen, muss
die Brennstoffmenge durch das Schmutzabfuhrloch 31 begrenzt
sein. Auf diese Weise werden immer noch SMD von kleiner 30 μm erzielt.
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Anhand
der 2 und 3, die die Lochscheibe 23 in
einer Seitenansicht in einer vergrößerten Darstellung und den
Ausschnitt III in 2 in einer vergrößerten Darstellung
zeigen, wird im Folgenden die Lochscheibe 23 und die Anströmung der Öffnungen 30, 31 erläutert. Die
Lochscheibe 23 wird zentral durch die Austrittsöffnung 27 angeströmt. Damit
die Abspritzöffnungen 30 nicht
direkt angeströmt werden,
befinden sich alle Abspritzöffnungen 30 auf einem
Scheibendurchmesser, der größer ist
als der Durchmesser der Austrittsöffnung 27 des Ventilsitzkörpers 16.
Der nicht mit den als Mikrolöcher
ausgebildeten Abspritzöffnungen 30 besetzte
zentrale Bereich der Lochscheibe 23 weist ein Schmutzabfuhrloch 31 auf.
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4 zeigt
einen Ausschnitt entsprechend Ausschnitt III mit einem alternativen
Ausführungsbeispiel
der Lochscheibe 23. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind mehrere
Schmutzabfuhrlöcher 31 mit Durchmessern
zwischen 30 μm
und 300 μm
vorgesehen, die auf einem kleineren Durchmesser auf der Lochscheibe 23 angeordnet
sind als die Abspritzöffnungen 30.
In vorteilhafter Weise befindet sich zumindest ein Teil der Schmutzabfuhrlöcher 31 auf
einem Scheibendurchmesser, der größer als der Durchmesser der
Austrittsöffnung 27 ist.
Auf diese Weise können
Schmutzpartikel noch effektiver abgeführt werden.
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In 5 ist
ein drittes Ausführungsbeispiel einer
Lochscheibe 23 dargestellt, bei dem mehrere Schmutzabfuhrlöcher 31 vorgesehen
sind, wobei ein zentrales Schmutzabfuhrloch 31 auf der
Ventillängsachse 2 angeordnet
ist, während
mehrere Schmutzabfuhrlöcher 31 kreisförmig dieses
zentrale Schmutzabfuhrloch 31 umgeben. Die Schmutzabfuhrlöcher 31 können im
zentralen Bereich der Lochscheibe 23 auch in anderer Weise
einander zugeordnet sein.
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Die
Austrittsöffnung 27 besitzt
z.B. einen Durchmesser zwischen 0,8 mm und 1,6 mm. Diese Angaben
beziehen sich auf Durchflüsse
bis zu 240 g/min und Brennstoffdrücke bis zu 6 bar. Bei einer solchen
Ausführung
ergibt sich ein mit Abspritzöffnungen 30 besetzbarer
Bereich der Lochscheibe 23 mit einem Durchmesser von ca.
4 mm. Innerhalb dieses Durchmessers ist die Lochscheibe 23 in
vorteilhafter Weise nach außen
kalottiert bzw. gewölbt.
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Die
Schmutzabfuhrlöcher 31 werden
z.B. im gleichen Arbeitsgang mit den Abspritzöffnungen 30 durch
Extrudieren, Laserbohren oder metallisches Abscheiden in einem Galvanikprozess
erzeugt. Alternativ können
die Schmutzabfuhrlöcher 31 auch
gesondert durch Erodieren oder Stanzen eingebracht werden. Auf diese
Weise können
die Schmutzabfuhrlöcher 31 beispielsweise
mit anderen Neigungen als die Abspritzöfnungen 30 in der
Lochscheibe 23 erzeugt werden.
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Die
Schmutzabsonderung in die Schmutzabfuhrlöcher 31 funktioniert
nach dem Zyklonabscheideprinzip. In den 3 und 4 sind
schematisch Stromlinien 33 des Brennstoffs und die sich
daraus ergebenden Schmutzpartikelbahnen 34 als Punktlinien eingezeichnet.
Durch die Krümmung
der Stromlinien 33 stromaufwärts der Schmutzabfuhrlöcher 31 bewegen
sich die Schmutzpartikel zu den Schmutzabfuhrlöchern 31 und werden
dort durch den Volumenstromanteil erfasst, der durch die Schmutzabfuhrlöcher 31 abgeführt wird.
Von den zu den Abspritzöffnungen 30 gerichteten
Stromlinien 33 aus verlaufen die Schmutzpartikelbahnen 34 je
nach Partikelgröße und -dichte
unter einem Winkel von 38° bis 89°. Somit ist
gewährleistet,
dass alle in den Strömungshohlraum 24 eintretenden
Partikel sicher zu den Schmutzabfuhrlöchern 31 abfließen. Um
die Schmutzabsonderung zuverlässig
zu gewährleisten, muss
die Austrittsöffnung 27 hinreichend
klein gewählt
werden, damit die Strömungsgeschwindigkeit so
groß ist,
dass der Zyklonabscheideeffekt unterstützt wird. Werden die Schmutzabfuhrlöcher 31,
wie in 4 gezeigt, außerhalb
des Durchmessers der Austrittsöffnung 27 positioniert,
so werden die Schmutzpartikel noch sicherer in die Schmutzabfuhrlöcher 31 gelenkt.