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Die
Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der
Gattung des Hauptanspruchs.
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Aus
der
DE 42 21 185 A1 ist
bereits ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, bei dem der Ventilsitzkörper mittels
eines spanenden Fertigungsverfahrens hergestellt ist. Der Ventilsitzkörper muss
im Bereich des Ventilsitz nach der spanenden Bearbeitung einer sich
anschließenden
Bearbeitung unterzogen werden, um die für die Dichtfunktion notwendige
Genauigkeit beim Zusammenwirken mit einem kugelförmig ausgebildeten Ventilschließkörper zu
erreichen. Mit dem Ventilsitzkörper
ist eine separat gefertigte Spritzlochscheibe durch Schweißen dichtend
verbunden. Die Schweißverbindung
hat den Nachteil, dass die Wärmeeinwirkung
zu einer unerwünschten
Deformation bzw. zu Verschleiß führen kann.
Die bekannte Kombination aus Ventilsitzkörper, Spritzlochscheibe und
Ventilschließkörper erfordert
einen relativ hohen Fertigungsaufwand, sowohl bei der Herstellung
des Ventilsitzkörpers
als auch bei der Montage der Spritzlochscheibe an einem Ventilsitzträger des Brennstoffeinspritzventils.
Der relativ hohe Verarbeitungsaufwand und die relativ hohen Materialkosten
führen insgesamt
zu relativ hohen Fertigungskosten.
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Ein
weiterer Nachteil des in der
DE 42 21 185 A1 beschriebenen Brennstoffeinspritzventils
besteht darin, dass im Vergleich zur Drallaufbereitung eine Hubdrosselkurve
relativ steil verläuft,
was bedeutet, dass ein relativ großer Gesamthub gewählt werden
muss, um die Änderung
der Durchflussmenge des Brennstoffs aufgrund von Änderungen
des Gesamthubs beispielsweise durch Verschleiß des Ventilnadel-Ventilsitz-Bereiches in
Grenzen zu halten. Das hat zur Folge, dass mit einer Erhöhung des
Gesamthubs die Endstufenleistung des elektromagnetischen Antriebs
des Ankers gesteigert werden muss oder dass der Ankerfreiweg so
gewählt werden
muss, dass das Brennstoffeinspritzventil ausreichend geöffnet werden
kann. Ein größerer Ankerfreiweg
wiederum führt
zu einem höheren
bzw. unzulässigen
Verschleiß am
Ventilsitzträger
des Brennstoffeinspritzventils. Darüber hinaus wird dadurch auch
der Anwendungsbereich des Hochdruckeinspritzventils bzgl. des maximalen
Arbeitshubs und des Systemdrucks stark eingeschränkt. Der Grund dafür liegt
darin, dass bei einem erhöhten
Verschleiß der
maximale Arbeitshub vergrößert wird,
was ebenfalls eine Vergrößerung des Sitzspalts
nach sich zieht, wobei sich dann die Menge des abgespritzten Brennstoffs
vergrößert.
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Vorteile der
Erfindung
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Ein
Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein Hubdrosselgradient
bei einem gegebenem Arbeitshubbereich minimiert wird. Bei einem
geringeren Hubdrosselgradienten bleibt eine wegen Verschleiß im Ventilsitz
und eine an einer Ventilnadel verursachte Hubänderung kontrollierbar. D.h.
eine geringe Änderung
des Hubs der Ventilnadel bewirkt ebenfalls nur eine geringe Änderung
der Menge des abgegebenen Brennstoffs. Dieser Effekt ist gewünscht beim
Design eines Brennstoffeinspritzventils.
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Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils
besteht darin, dass bei vorgegebenen Durchfluss bei maximalem Arbeitshub,
der dazu notwendige maximale Arbeitshub verringert werden kann,
um den gewünschten
Durchfluss zu erzielen. Das hat zur Folge, dass der gesamte Ankerweg,
inklusive Ankerfreiweg reduziert werden kann, was sich eventuell
auch auf eine Reduzierung der Länge
des Brennstoffeinspritzventils auswirken kann. Dadurch ist eine
kompakte Bauweise des Brennstoffeinspritzventils möglich.
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Mit
einer Reduktion des gesamten Ankerwegs ist es auch möglich die
dazu notwendige Endstufenleistung der Spannungsquelle, die den Magnetkreis
speist, zu verringern.
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Somit
kann durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen
auch der notwendige Ankerfreiweg verringert werden, was sich wiederum
durch einen verringerten Verschleiß am Ventilsitz vorteilhaft
auswirkt.
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Ferner
ergeben sich durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen Verbesserungen bei
der Aufbereitung des Brennstoffgemischs, da die Strömung am
Ventilsitz des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils
ein von einer laminaren Strömung
abweichendes Verhalten zeigt, da die Strömung in die Abspritzöffnungen
umgelenkt werden muß.
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Durch
die erfindungsgemäßen Maßnahmen,
die an einem bestimmten Design eines Brennstoffeinspritzventils
angewendet werden, kann der Anwendungsbereich des erfindungsgemäß abgeänderten
Brennstoffeinspritzventils bezüglich
des Brennstoffdurchflusses bei maximalem Arbeitshub oder bezüglich des
Systemdrucks erweitert werden.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils
ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und wird in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
schematischen Schnitt durch das abströmseitige Ende eines Brennstoffeinspritzventils gemäß dem Stand
der Technik;
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2 einen
schematischen Teilschnitt durch einen Ventilsitz mit einem kugelförmigen Ventilschließkörper eines
Brennstoffeinspritzventils gemäß dem Stand
der Technik;
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3 eine
Hubdrosselkurve bzw. einen Hubdrosselgradient in Abhängigkeit
des Hubs einer Ventilnadel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils;
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4 einen
schematischen Teilschnitt durch einen Ventilsitz eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils
und
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5 einen
schematischen Teilschnitt durch eine Abspritzöffnung eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Anhand
von 1 und 2 wird ein Ausführungsbeispiel
eines Brennstoffeinspritzventils 1 gemäß dem Stand der Technik zum
besseren Verständnis
der Erfindung zunächst
in einer Gesamtdarstellung bezüglich
seiner wesentlichen Bestandteile kurz erläutert. Anschließend werden
die erfindungsgemäßen Maßnahmen
anhand der Figuren 3, 4 und 5 beschrieben,
die sich hauptsächlich
auf ein abströmseitiges Ende 28 des
Brennstoffeinspritzventils 1 erstrecken.
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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 oder zum Einspritzen von Brennstoff in
ein Ansaugrohr.
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Das
Brennstoffeinspritzventil 1 umfaßt an seinem abströmseitigen
Ende 28 einen Ventilsitzträger 3, in welchem
eine Ventilnadel 6 angeordnet ist. Die Ventilnadel 6 steht
mit einem Ventilschließkörper 8 in
Wirkverbindung, der mit einer in einem Ventilsitzkörper 14 angeordneten
Ventilsitzfläche 17 zu
einem Dichtsitz zusammenwirkt. Bei dem in 1 dargestelltem
Brennstoffeinspritzventil 1 handelt es sich um ein elektromagnetisch betätigtes Brennstoffeinspritzventil 1,
welches über
zumindest zwei Abspritzöffnungen 18 verfügt, die
in einer Spritzlochscheibe 15 angeordnet sind.
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Die
Magnetspule 11 wird über
eine nicht näher
dargestellte Leitung von einem über
einen ebenfalls nicht dargestellten elektrischen Steckkontakt zuführbaren
elektrischen Strom erregt.
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Die
Ventilnadel 6 ist in einem zylinderförmig ausgeführten Führungsabschnitt 19 geführt. Diesem
ist an seinem abströmseitigen
Ende die Spritzlochscheibe 15 zugepaart.
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Im
Führungsabschnitt 19 kann
der Brennstoff, sobald der an einer Ventilsitzfläche 17 des Ventilsitzkörpers 14 in
dichtender Anlage gehaltene Ventilschließkörper 8 abgehoben ist
zu den Abspritzöffnungen 18 strömen.
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Im
Ruhezustand des Brennstoffeinspritzventils 1 hält eine
nicht dargestellte Rückstellfeder
die Ventilnadel 6 in dichtender Anlage an der Ventilsitzfläche 17.
Bei Erregung der Magnetspule 11, baut diese ein Magnetfeld
auf, welches einen Anker 12 in Hubrichtung bewegt, wobei
der Hub der Ventilnadel 6 durch das Design des Brennstoffeinspritzventils 1 vorgegeben
ist. Der Anker 12 nimmt die Ventilnadel 6 in Hubrichtung
bis zu einem Anschlag an einem Kern 13 mit, wobei der Ventilschließkörper 8 von
der Ventilsitzfläche 17 abhebt und
Brennstoff aus den Abspritzöffnungen 18 abgespritzt
wird.
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Wird
der Spulenstrom abgeschaltet, bewegt sich der Anker 12 nach
genügendem
Abbau des Magnetfeldes wieder in die entgegengesetzte Richtung,
wodurch sich die Ventilnadel 6 ebenfalls entgegen der Hubrichtung
bewegt. Dadurch setzt der Ventilschließkörper 8 in dichtender
Anlage auf der Ventilsitzfläche 17 auf, und
das Brennstoffeinspritzventil 1 wird geschlossen.
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2 zeigt
einen Teilschnitt eines Ventilsitzkörpers 14 mit einem
kugelförmig
ausgeprägten
Ventilschließkörper 8 im
geöffneten
Zustand, wobei sich zwischen dem Ventilschließkörper 8 und dem Ventilsitzkörper 14 ein
Sitzspalt 20 ausgebildet hat, durch den der Brennstoff
zu den Abspritzöffnungen 18 strömen kann. Im
geschlossenen Zustand berührt
der Ventilschließkörper 8 den
Ventilsitzkörper 14 entlang
einer Sitzberührlinie 29,
die innerhalb der Ventilsitzfläche 17 verläuft und
die Zeichenebene in den Berührungspunkten
A schneidet.
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Die
Bemaßungen
in 2 erstrecken sich auf den Hub h der Ventilnadel 6,
den Dichtdurchmesser D und den Durchmesser dL einer Abspritzöffnung 18.
Diese Größen gehen
in eine erfindungsgemäß bevorzugte Formel
zur Berechnung einer Hubdrosselkurve ein, die aus der Kontinuitätsgleichung
unter Zugrundelegung der Geometrie des Ventilsitzkörpers 14 und
des dazugehörigen
Ventilschließkörpers 8 hergeleitet
wird. Die Hubdrosselkurve, die in 3 als durchgezogene
Linie dargestellt ist, ergibt sich als normierter, vom Hub h der
Ventilnadel 6 abhängiger
Durchfluss Q(h), wobei die Normierungsgröße Q(hmax) der Durchfluss ist,
der bei maximalem Hub hmax der Ventilnadel 6 möglich ist
bzw. gemessen wurde.
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Daraus
ergibt sich folgende Formel:
folgende Bedeutung der in
der Formel aufgeführten
Variablen gilt:
- h
- Hub der Ventilnadel 6
- hmax
- maximaler Hub der
Ventilnadel 6
- Q(h)
- Durchfluss in Abhängigkeit
des Hubs h der Ventilnadel 6
- Q(hmax)
- Durchfluss bei maximalem
Arbeitshub hmax, Normierungsgröße
- n
- Anzahl der Abspritzöffnungen 18
- dL
- Durchmesser einer
Abspritzöffnung 18D
- D
- Dichtdurchmesser
- Θ
- Sitzwinkel
- f(...)
- Größe, die von n, dL, D, Θ und h abhängig ist.
- a
- Widerstandszahl für die Abspritzöffnung 18
- b
- Widerstandszahl für den Sitzspalt.
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Untersuchungen
haben gezeigt, dass eine Änderung
der Widerstandszahlen a und b, insbesondere von b nur einen sehr
geringen Einfluss auf die Normierungsgröße Q(hmax) hat, aber gleichzeitig
den Verlauf der Hubdrosselkurve beeinflusst. Daraus ergibt sich,
dass die Widerstandszahl b, die sich auf den Sitzspalt 20 bezieht,
gut geeignet ist, um den Hubdrosselgradienten 32, dessen
Definition in 3 verdeutlicht ist, zu verbessern
bzw. zu minimieren.
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Konkret
bedeutet dies, dass bei einer Verringerung der Widerstandszahl b
eine starke Verringerung des Hubdrosselgradienten 32 erzielbar
ist, und dadurch bei gleichem zulässigen Hubdrosselgradienten 32 eine
starke Verringerung des notwendigen Hubs h der Ventilnadel 6 erzielbar
ist. Zum Beispiel würde
eine Reduktion der Widerstandszahl b um den Faktor 1,4 eine Verringerung
des notwendigen Hubs h der Ventilnadel 6 um 10 μm mit sich
bringen. Aus strömungstechnischer
Sicht ist die Widerstandszahl b optimal, wenn eine Einlauffläche 33 die Form
einer Ellipse 24, wie in 4 gezeigt,
annimmt, deren große
Halbachse x im Verhältnis
3–4:1,
bevorzugt 3,33:1, zur kleinen Halbachse y steht.
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4 und 5 zeigen
die erfindungsgemäßen Maßnahmen
am Ventilschließkörper 8.
Die von einer kugelförmigen
Oberfläche
abweichenden Teilflächen 16 der
Oberfläche 21 des
Ventilschließkörpers 8 sind
als ellipsenförmige 24 Einlaufflächen 33 ausgeprägt. Diese
können
radialsymmetrisch zu einer Längsachse 31 der Ventilnadel 6 angeordnet
sein. Erfindungsgemäß kann auch
ein Querschnitt 22 der Abspritzöffnung 18 von einer
Kreisform abweichen und ebenfalls ellipsenförmig 24 ausgeprägt sein.
Dies ist in der Detailansicht von 5 gezeigt.
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Die
Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Insbesondere
sind beliebige Kombinationen der verschiedenen Merkmale möglich.
