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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen,
wie es beispielsweise für
die Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum von selbstzündenden
Brennkraftmaschinen verwendet wird.
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Aus
dem Stand der Technik sind Kraftstoffeinspritzventile, wie sie für die Kraftstoffeinspritzung direkt
in den Brennraum einer Brennkraftmaschine verwendet werden, seit
langem bekannt. Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil
aus, wie es aus der Offenlegungsschrift
DE 42 00 709 A1 bekannt
ist. Ein solches Kraftstoffeinspritzventil weist einen Ventilkörper auf,
in dem ein Druckraum ausgebildet ist. Im Druckraum befindet sich
eine Ventilnadel, die mit einem Ventilsitz zusammenwirkt und dadurch eine
Verbindung zwischen dem Druckraum und wenigstens einer Einspritzöffnung öffnet und
schließt, sodass
eine Kraftstoffeinspritzung zum gewünschten Zeitpunkt in einen
Brennraum der Brennkraftmaschine erfolgt. Durch den hohen Kraftstoffdruck,
der im Druckraum herrscht, wird der Kraftstoff beim Ausspritzen
aus der Einspritzöffnung
zerstäubt,
sodass eine effektive und schadstoffarme Verbrennung im Brennraum
stattfinden kann.
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Einspritzöffnungen
sind meist als Bohrung im Ventilkörper ausgebildet und weisen
eine im wesentlichen zylindrische Form auf. Hierbei treten jedoch verschiedene
technische Probleme auf, die noch nicht abschließend befriedigend gelöst sind.
Zum einen kann durch die hohen Temperaturen, wie sie im Brennraum
herrschen, ein Teil des Kraftstoffs bereits in der Einspritzöffnung verbrennen
und dort zu sogenannter Verkokung führen, das heißt, dass
Verbrennungsrückstände des
Kraftstoffs die Einspritzöffnungen
teilweise zusetzen, was den Durchfluss durch die Einspritzöffnungen
mindert. Zum anderen ist die Zerstäubung des Kraftstoffs davon
abhängig,
wie der Kraftstoff in der Einspritzöffnung fließt und aus der Einspritzöffnung austritt.
Bei den bisher verwendeten Einspritzöffnungen ist diese Strahlaufbereitung
nur unzureichend möglich,
da häufig
Turbulenzen in den Einspritzöffnungen
entstehen, wobei das Auftreten dieser Turbulenzen nicht sicher beherrscht
wird.
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Zur
Lösung
des Problems der Turbulenz in den Einspritzöffnungen ist aus der Offenlegungsschrift
DE 42 00 709 A1 bekannt,
Einspritzöffnungen auszubilden,
die mehrere scharfe Abrisskanten aufweisen, die sich quer zur Strömungsrichtungen
erstrecken. Diese sorgen für
eine bessere Zerstäubung des
Kraftstoffs, jedoch bildet sich hier keine turbulente Grenzschicht,
die die Strömungsgeschwindigkeit mindert.
Darüber
hinaus ist aus der Schweizer Patentanmeldung
CH 34 00 93 ein Kraftstoffeinspritzventil bekannt,
bei dem die Einspritzöffnungen
eine Innenwand in Form eines Schraubgewindes aufweisen. Hierdurch
lässt sich
zwar ein gewisser Drall im Spritzloch erzeugen, jedoch ergibt sich
nicht die für
die Einspritzöffnung
günstige
turbulente Grenzschicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den
Vorteil auf, dass eine bessere Zerstäubung des Kraftstoffs bei einer
längeren
Lebensdauer des Kraftstoffeinspritzventils erreicht wird. Hierzu
weisen die Einspritzöffnungen,
von denen das Kraftstoffeinspritzventil meist mehrere aufweist,
an der Innenwand mehrere Vertiefungen auf, die napfförmig ausgebildet
sind, sodass in verkleinertem Maßstab eine Oberfläche ähnlich der
eines Golfballs entsteht. Dadurch werden zwei Verbesserungen erzielt:
Zum einen ist die Ablagerung von unverbranntem Kraftstoff, also
eine Verkokung der Einspritzöffnung,
weit weniger wahrscheinlich, da Verbrennungsrückstände nur schwer an der Innenwand
der Einspritzöffnungen
haften können und
durch den Kraftstoffstrom mitgerissen werden. Zum anderen bildet
sich durch die Vertiefungen eine turbulente Grenzschicht an der
Wand der Einspritzöffnungen,
was zu einer besseren Zerstäubung
des Kraftstoffeinspritzstrahls führt.
Durch die bessere Zerstäubung
wird eine weitere Optimierung des Verbrennungsprozesses im Brennraum
erreicht, was letztendlich die Schadstoffemissionen vermindert.
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Die
napfförmigen
Vertiefungen sind in vorteilhafter Weise über die gesamte Innenwand der
Einspritzöffnungen
verteilt ausgebildet. Hierbei ist die Tiefe dieser Vertiefungen
we niger als 50 μm,
vorzugsweise weniger als 10 μm.
Dies erlaubt die Ausbildung einer turbulenten Grenzschicht an der
Innenwand der Einspritzöffnung,
ohne dass der Durchflusswiderstand durch die Vertiefungen beeinträchtigt wäre.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Vertiefungen
zueinander beabstandet. Dadurch sind die Verhältnisse an der Innenwand der Einspritzöffnungen
leichter reproduzierbar als bei Vertiefungen, die sich teilweise überlappen.
Ohne großen
Aufwand lassen sich so verschiedene Einspritzöffnungen herstellen, die die
gleiche Charakteristika aufweisen, so dass die Streuung zwischen
einzelnen Einspritzventilen minimiert wird.
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Zeichnung
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In
der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil
dargestellt. Es zeigt
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1 einen
Längsschnitt
durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil,
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2 eine
vergrößerte Darstellung
einer Einspritzöffnung
und
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3 eine
vergrößerte Darstellung
des mit III bezeichneten Ausschnitts der 2.
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In 1 ist
ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil
im Längsschnitt
dargestellt. Das Kraftstoffeinspritzventil weist einen Ventilkörper 1 auf,
in dem eine Bohrung 3 ausgebildet ist, so dass ein Druckraum 19 gebildet
wird. Der Druckraum 19 wird brennraumseitig von einem konischen
Ventilsitz 11 begrenzt und ist in einem mittleren Abschnitt
radial erweitert. In die radiale Erweiterung des Druckraums 19 mündet ein
im Ventilkörper 1 verlaufender
Zulaufkanal 25, über
den der Druckraum 19 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt werden
kann. Im Druckraum 19 ist eine kolbenförmige Ventilnadel 5 längsverschiebbar
angeordnet, die in einem ventilsitzabgewandten Führungsabschnitt 15 in
der Bohrung 3 geführt
ist. Am ventilsitzseitigen Ende des Führungsabschnitts 15 ist
eine Druckschulter 13 ausgebildet, so dass durch den Kraftstoffdruck
im Druckraum 19 eine vom Ventilsitz 11 weggerichtete
hydraulische Kraft auf die Ventilnadel 5 ausgeübt wird.
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Die
Ventilnadel 5 weist an ihrem ventilsitzzugewandten Ende
eine im wesentlichen konische Ventildichtfläche 9 auf, mit der
die Ventilnadel 5 mit dem konischen Ventilsitz 11 zusammenwirkt.
An den konischen Ventilsitz 11 schließt sich ein Sackloch 12 an, von dem
mehrere Einspritzöffnungen 7 ausgehen. Die
Einspritzöffnungen 7 sind
hierbei zumindest im wesentlichen zylindrisch ausgebildet.
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Die
Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils ist aus dem Stand
der Technik hinlänglich
bekannt: Die Ventilnadel 5 wird durch eine Schließkraft, die
auf das ventilsitzabgewandte Ende der Ventilnadel 5 wirkt,
in Anlage am Ventilsitz 11 gehalten. Soll eine Einspritzungen
erfolgen, so wird die Schließkraft gemindert,
so dass die hydraulische Kraft auf die Druckschulter 13 die
Ventilnadel 5 vom Ventilsitz 11 wegdrückt, wodurch
Kraftstoff aus dem Druckraum 19 in das Sackloch 12 und
von dort durch die Einspritzöffnungen 7 austritt.
Der austretende Kraftstoff aus den Einspritzöffnungen 7 gelangt
schließlich
direkt in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, wo er verbrannt
wird. Zur Beendigung der Einspritzung wird die Schließkraft auf
die Ventilnadel 5 wiederum erhöht, sodass die Ventilnadel 5 zurück in ihre Schließstellung
in Anlage an den Ventilsitz 11 gleitet.
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2 zeigt
eine vergrößerte Darstellung
einer Einspritzöffnung 7.
Die Einspritzöffnung 7 weist eine
Eintrittsöffnung 107.
und eine Austrittsöffnung 207 auf,
wobei die Eintrittsöffnung 107 mit
der Austrittsöffnung 207 durch
eine Innenwand 17 verbunden ist. Da die Einspritzöffnung 7 eine
zylindrische oder nur leicht konische Form aufweist, entspricht
die Form der Innenwand 17 weitgehend einem Zylinder. An
der Innenwand 17 ist eine Vielzahl von Vertiefungen 30 ausgebildet,
die napfförmig
ausgebildet sind, also im Wesentlichen kreisrunde Vertiefungen,
die vorzugsweise zueinander beabstandet sind. 3 zeigt
hierzu nochmals eine Vergrößerung des
mit III bezeichneten Ausschnitts von 2, in der
die Form der Vertiefungen 30 besser ersichtlich ist. Die
Tiefe t der Vertiefungen 30 beträgt weniger als 50 μm, vorzugsweise
weniger als 10μm.
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Die
Form der Vertiefungen 30 erzeugen eine turbulente Grenzschicht
des durchfließenden
Kraftstoffs an der Innenwand 17, die dem physikalischen Phänomen ähnelt, das
bei einem fliegenden Golfball auftritt. Die an der Oberfläche des
Golfballs vorhandenen Vertiefungen, die sogenannten Dimples, sorgen
hier für
einen ruhigen Flug, da eine turbulente Grenzschicht für eine verminderte
Reibung des Golfballs sorgt. Durch einen ähnlichen Effekt wird bei dem
erfindungsgemäßen Einspritzventil
der effektive Einspritzdruck erhöht,
da der Durchflusswiderstand durch die Vertiefungen 30 und
die dadurch entstehende turbulente Grenzschicht gemindert wird.
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Darüber hinaus
wirken die Vertiefungen 30 derart, dass eine Verkokung
der Einspritzöffnung 7 gemindert
wird. Durch die rauhere Oberfläche
der Innenwand 17 kann sich Material weniger gut anlagern, so
dass sich dennoch bildende Rückstände, wie
sie durch die Brennraumtemperaturen in den Einspritzöffnungen 7 erzeugt
werden, vom durchfließenden Kraftstoff
fortgerissen werden.
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Die
Vertiefungen 30 können
beispielsweise mittels eines Laserverfahrens oder erosiver Bearbeitung
in die Innenwand 17 eingebracht werden. Insbesondere mittels
Laserverfahren lässt
sich die Anzahl, Tiefe und Form der Vertiefungen 30 in
weiten Grenzen einstellen und reproduzierbar herstellen.
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In
der Draufsicht sind die napfförmigen
Vertiefungen vorzugsweise kreisrund gefertigt. Es ist jedoch auch
möglich,
jede andere Form zu wählen,
beispielsweise länglich
oder elliptisch. Die Ränder
der Vertiefungen 30 sind dabei abgerundet, was durch eine
entsprechende Prozessführung
bei der Herstellung oder durch eine anschließende Nachbehandlung sichergestellt
werden kann. Der Durchmesser d der Vertiefungen 30 ist
größer als
deren Tiefe t und liegt im Bereich von einigen 10 μm, vorzugsweise
20 μm bis
100 μm.