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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
US 6,405,946 B1 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. Die Auslassöffnungen
besitzen einen runden bzw. elliptischen Querschnitt.
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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 Auslassöffnungen vorgesehen
sind, die horizontal angeströmt
werden und so konturiert sind, dass der Umfang der Auslassöffnung im
Verhältnis
zum Querschnitt der Auslassöffnung
maximiert ist. 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 horizontale Anströmung
der Auslassöffnungen
ist die Strömung
in den Auslassöffnungen
aufgrund von Wirbelbildung richtungsdiffus. Durch das sofortige
Auffächern
wird vermieden, dass die Flüssigkeitsoberflächenspannung
den austretenden Strahl zu einem zylindrischen Strahl kleinerer freier
Oberfläche
zusammenzieht. Die vergrößerte freie
Strahloberfläche
begünstigt
den weiteren Zerfall in kleinere Tröpfchen.
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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 große Gestaltungsfreiheit bei
der Konturierung der Auslassöffnungen
in der Lochscheibe.
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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 den Ausschnitt
II in 1 mit dem erfindungsgemäß ausgestalteten Bereich in
einer vergrößerten Darstellung, 3 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer Auslassöffnung, 4 ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer Auslassöffnung, 5 ein
drittes Ausführungsbeispiel
einer Auslassöffnung, 6 ein viertes
Ausführungsbeispiel
einer Auslassöffnung, 7 ein
fünftes
Ausführungsbeispiel
einer Auslassöffnung, 8 ein
sechstes Ausführungsbeispiel
einer Auslassöffnung
und 9 ein siebentes Ausführungsbeispiel einer Auslassöffnung.
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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 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.
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Die
Zuströmöffnung 19 ist
im unmittelbaren Anströmbereich
der Auslassöffnungen 24 so
ausgeführt,
dass die Strömung
weitgehend im rechten Winkel zur Längserstreckung der Auslassöffnungen 24, in
der 1 also entsprechend horizontal, zu den Auslassöffnungen 24 gelangt.
Der gegenüber
der Austrittsöffnung 27 durchmessergrößere Ringbereich
der Zuströmöffnung 19 ist
in der 2 vergrößert dargestellt,
anhand dieser Figur näher
erläutert und
wird im Folgenden als Anströmhohlraum 26 bezeichnet.
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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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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.
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Durch
den so genannten 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 Auslassöffnungen 24 in Verbindung
mit dem horizontal anströmbaren
Anströmhohlraum 26 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. Anstelle einer einlagigen Lochscheibe 23 kann
auch eine mehrlagig aufgebaute Lochscheibe 23 eingesetzt
werden, in der dann z.B. der Anströmhohlraum 26 unmittelbar
integriert ist. Die Auslassöffnungen 24 besitzen
in idealer Weise eine trompetenförmige
Kontur. Vom Querschnitt her sind die Auslassöffnungen 24 mit einer
mehreckigen Form, insbesondere einer wenigstens ein Dreieck umfassenden
Form, oder mit einer mehrere Bögen
in der Außenkontur
aufweisenden mäanderartigen Form
ausgebildet.
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2 zeigt
einen vergrößerten Ausschnitt
II in 1 zur Verdeutlichung der Geometrie des Anströmhohlraums 26 zwischen
der Austrittsöffnung 27 und
der Lochscheibe 23. Der Ventilsitzkörper 16 ist derart
ausgestaltet, dass der Anströmhohlraum 26 der
Zuströmöffnung 19 von
der Austrittsöffnung 27 ausgehend
oberhalb der Lochscheibe 23 radial nach außen sehr
flach verläuft.
Der Anströmhohlraum 26 erstreckt
sich in idealer Weise radial nach außen über die Auslassöffnungen 24 hinaus.
Dadurch wird vor allen Dingen jede Auslassöffnung 24 auch rückraumseitig
mit einem nennenswerten Durchflussmengenanteil gespeist. Als Rückraum 33 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.
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In
den 3 bis 9 sind sieben Ausführungsbeispiele
von erfindungsgemäßen Auslassöffnungen 24 gezeigt.
In vorteilhafter Weise sind die Auslassöffnungen 24 so konturiert,
dass der Umfang der Auslassöffnung 24 im
Verhältnis
zum Querschnitt der Auslassöffnung 24 maximiert
ist. Die Querschnittsform eines aus einer Auslassöffnung 24 austretenden
Fluidstrahls entspricht weitgehend der Querschnittsform der Auslassöffnung 24.
Die freie Oberfläche
eines aus einer Auslassöffnung 24 austretenden
Strahls ist im Verhältnis
zu dessen abgespritzter Flüssigkeitsmenge
entsprechend groß. Durch
die zu Eintrittsebenen 31 der Auslassöffnungen 24 horizontale
Anströmung
der Auslassöffnungen 24 ist
die Strömung
in den Auslassöffnungen 24 richtungsdiffus,
d.h. der austretende Fluidstrahl fächert unmittelbar nach Verlassen
der Auslassöffnung 24 auf.
Durch das sofortige Auffächern
wird vermieden, dass die Flüssigkeitsoberflächenspannung
den austretenden Strahl zu einem zylindrischen Strahl kleinerer
freier Oberfläche
zusammenzieht. Die vergrößerte freie
Strahloberfläche
begünstigt
den weiteren Zerfall in kleinere Tröpfchen.
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In
den 3 und 4 sind zwei sternförmige Auslassöffnungen 24 dargestellt.
Diese Auslassöffnungen 24 weisen
z.B. fünf
Zacken 35 auf, die jeweils für sich gesehen eine dreieckförmige Kontur besitzen.
Die Anzahl der Zacken 35 und auch ihr Format, also ihre
Länge a
bzw. Breite b sind frei wählbar. Die
sternförmige
Auslassöffnung 24 kann
entweder so ausgerichtet sein, dass eine Vertiefung zwischen zwei
Zacken 35 radial direkt auf die Ventillängsachse 2 bzw. das
Zentrum der Lochscheibe 23 gerichtet ist (3)
oder dass eine Zacke 35 mit ihrer Spitze radial direkt
auf die Ventillängsachse 2 bzw.
das Zentrum der Lochscheibe 23 zeigt (4).
Die Pfeile 32 sollen einerseits andeuten, dass die Anströmung der Auslassöffnungen 24 horizontal
zu ihren Eintrittsebenen 31 bzw. weitgehend im rechten
Winkel zur Längserstreckung
der Auslassöffnungen 24 erfolgt und
andererseits anzeigen, wie die Auslassöffnung 24 zur Ventillängsachse 2 ausgerichtet
ist.
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In
den 5 und 6 sind zwei sternförmige Auslassöffnungen 24 dargestellt.
Diese Auslassöffnungen 24 weisen
z.B. vier Zacken 35 auf, die jeweils für sich gesehen eine dreieckförmige Kontur besitzen.
Die Anzahl der Zacken 35 und auch ihr Format, also ihre
Länge a
bzw. Breite b sind frei wählbar. Die
sternförmige
Auslassöffnung 24 kann
entweder so ausgerichtet sein, dass eine Vertiefung zwischen zwei
Zacken 35 radial direkt auf die Ventillängsachse 2 bzw. das
Zentrum der Lochscheibe 23 gerichtet ist (5)
oder dass eine Zacke 35 mit ihrer Spitze radial direkt
auf die Ventillängsachse 2 bzw.
das Zentrum der Lochscheibe 23 zeigt (6).
Die Pfeile 32 sollen einerseits andeuten, dass die Anströmung der Auslassöffnungen 24 horizontal
zu ihren Eintrittsebenen 31 bzw. weitgehend im rechten
Winkel zur Längserstreckung
der Auslassöffnungen 24 erfolgt und
andererseits anzeigen, wie die Auslassöffnung 24 zur Ventillängsachse 2 ausgerichtet
ist.
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In
den 7 und 8 sind zwei dreieckförmige Auslassöffnungen 24 dargestellt.
Im Querschnitt besitzt die Auslassöffnung 24 z.B. die
Form eines gleichseitigen Dreiecks. Die Auslassöffnung 24 ist insofern
als eine Zacke 35 anzusehen. Eine solche Querschnittsform
begünstigt
ebenfalls die Generierung von Wirbeln in der Auslassöffnung 24.
Die aufgrund der horizontalen Anströmung induzierten Wirbelbewegungen
innerhalb der Auslassöffnung 24 sind
schematisch eingezeichnet und mit dem Bezugszeichen 36 gekennzeichnet.
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In
der 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Auslassöffnung 24 im
Querschnitt gezeigt. Diese Auslassöffnung 24 ist mit
einer mehrere Bögen 35' in der Außenkontur
aufweisenden mäanderartigen
Form ausgebildet.
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Die
Lochscheibe 23 kann mikrogalvanisch, laserschneidtechnisch, ätztechnisch
oder stanztechnisch hergestellt werden. Der Querschnitt der Auslassöffnungen 24 ist
je nach Herstellungsverfahren bzw. Einsatzwunsch über die
gesamte Länge
der Auslassöffnungen 24 konstant
oder in Strömungsrichtung
zunehmend, wie in den 1 und 2 dargestellt.
Im Bereich der Eintrittsebenen 31 besitzen die Auslassöffnungen 24 eine
lichte Öffnungsweite
von z.B. wenigstens 30 μm.