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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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Aus
der
DE 198 47 625
A1 ist bereits ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, bei
dem am stromabwärtigen
Ende eine schlitzförmige
Austrittsöffnung vorgesehen
ist. Die Austrittsöffnung
ist entweder in einer Lochscheibe oder unmittelbar im Düsenkörper selbst
ausgebildet. Die schlitzförmigen
Austrittsöffnungen
sind stets zentral an der Ventillängsachse eingebracht, so dass
die Abspritzung des Brennstoffs achsparallel aus dem Brennstoffeinspritzventil
heraus erfolgt. Stromaufwärts
des Ventilsitzes ist eine Drallnut vorgesehen, die den zum Ventilsitz
strömenden
Brennstoff in eine kreisförmige
Drehbewegung versetzt. Die flache Austrittsöffnung sorgt dafür, dass der
Brennstoff fächerartig
abgespritzt wird.
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Bekannt
ist zudem noch ein Brennstoffeinspritzventil zum direkten Einspritzen
von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine aus der
US 6,019,296 A ,
bei dem am stromabwärtigen Ende
eine schlitzförmige
Austrittsöffnung
vorgesehen ist, aus der Brennstoff unter einem Winkel zur Ventillängsachse
austreten kann.
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Vorteile der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 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 besitzt die Multi-Fächerstrahl-Düse am stromabwärtigen Ende
des Brennstoffeinspritzventils eine Vielzahl von sehr kleinen Abspritzöffnungen,
die schlitzförmig gezielt
so ausgeführt
sind, dass aus der Multi-Fächerstrahl-Düse eine
Vielzahl von räumlich
versetzten Fächerstrahlen
austreten, wobei sich die einzelnen Flüssigkeitslamellen divergent
zueinander bewegen. Erfindungsgemäß ist dazu an dem Brennstoffeinspritzventil
die Zerstäubereinrichtung
als Multi-Fächerstrahl-Düse derart
ausgeführt,
dass benachbarte Abspritzöffnungen
unterschiedliche asymmetrisch von den Mittelachsen der Abspritzöffnungen
verschobene Strömungsaustritte
haben. Auf diese Weise sind Brennstoffsprays mit extrem kleinen
Brennstofftröpfchen
mit einem Sauter Mean Diameter (SMD) von ca. 50 μm abspritzbar. Insofern kann
sehr wirkungsvoll die HC-Emission der Brennkraftmaschine deutlich
reduziert werden.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
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In
idealer Weise handelt es sich bei der Multi-Fächerstrahl-Düse um eine
Scheibe, die mittels Mikrogalvanoformung hergestellt ist. Besonders
vorteilhaft ist es, die Multi-Fächerstrahl-Düse mikrogalvanisch
einlagig oder mit mehreren Strukturebenen herzustellen. Auf diese
Weise sind einfach und in großen
Stückzahlen
exakt reproduzierbar Abspritzöffnungen
mit filigranen Öffnungsstrukturen,
wie z.B. Schlitzbreiten von ca. 20 bis 100 μm und Schlitzlängen von
bis zu 400 μm
herstellbar. Die Größe des lateralen Überwachsens
bei der Mikrogalvanoformung der Abspritzöffnungen legt die Flächenüberschneidung
in die jeweilige Abspritzöffnung
hinein und damit die Größe eines
Absatzes in ihr fest.
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Die
Abspritzöffnungen
sind derart abgemessen, ausgerichtet und/oder verteilt, dass die
zum Zentrum der Multi-Fächerstrahl-Düse nächstliegende Flüssigkeitslamelle
den kleinsten Winkel zur Mittelachse der Multi-Fächerstrahl-Düse besitzt,
während die
vom Zentrum der Multi-Fächerstrahl-Düse entferntestliegende
Flüssigkeitslamelle
den größten Winkel
zur Mittelachse der Multi-Fächerstrahl-Düse aufweist.
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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
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1 ein
teilweise dargestelltes Ventil in der Form eines Brennstoffeinspritzventils
mit einem Ausführungsbeispiel
einer Multi-Fächerstrahl-Düse in einer
Seitenansicht und schematisch angedeuteten Flüssigkeitslamellen,
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2 einen
schematischen Längsschnitt durch
eine schlitzförmige
Abspritzöffnung
der Multi-Fächerstrahl-Düse um 90° gedreht
gegenüber 1,
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3 einen
Schnitt durch mehrere Abspritzöffnungen
der Multi-Fächerstrahl-Düse als Großdarstellung des Düsenbereichs
in 1,
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4 einen
Schnitt durch mehrere Abspritzöffnungen
einer zweiten Multi-Fächerstrahl-Düse und
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5 eine
Draufsicht auf die Abspritzöffnungen
gemäß 4.
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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 scheibenförmige Multi-Fächerstrahl-Düse 23 als
Zerstäubereinrichtung
befestigt. Die Verbindung von Ventilsitzkörper 16 und Multi-Fächerstrahl-Düse 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
Multi-Fächerstrahl-Düse 23 vorgesehen
ist. Die Befestigung der Multi-Fächerstrahl-Düse 23 erfolgt
in jedem Falle so, dass ein mittlerer Düsenbereich 28 der
Multi-Fächerstrahl-Düse 23 mit
einer Vielzahl von sehr kleinen schlitzförmigen Abspritzöffnungen 25 ohne
negative Verformungseinflüsse
bleibt.
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Die
Einschubtiefe des Ventilsitzkörpers 16 mit
der Multi-Fächerstrahl-Düse 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 unmittelbar in den Düsenbereich 28 der
Multi-Fächerstrahl-Düse 23 eintritt.
Die Multi-Fächerstrahl-Düse 23 ist z.B. eben
ausgeführt
und liegt plan an der Stirnseite 17 des Ventilsitzkörpers 16 an.
Die Ausbildung des Düsenbereichs 28 wird
vor allen Dingen in den 2 bis 5 deutlich.
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Die
Multi-Fächerstrahl-Düse
23 wird
durch galvanische Abscheidung aufgebaut, wobei die Mikrogalvanoformung
gezielt so eingesetzt wird, dass individuelle Schlitzbreiten der
Abspritzöffnungen
25 erzeugt
werden, so dass gewünschte
Flüssigkeitslamellen
30 abspritzbar
sind. Der Aufbau der Multi-Fächerstrahl-Düse
23 erfolgt
nach dem aus der
DE
196 07 288 A1 bekannten Grundprinzip der Mikrogalvanoformung.
Dazu werden Fotolackstrukturen
32 (
3) auf einem
Trägermaterial
(Wafer) an Stellen erzeugt, an denen später die schlitzförmigen Abspritzöffnungen
25 verlaufen
sollen. Die Fotolackstrukturen
32 werden auf dem Wafer
appliziert und strukturiert (Fotolithographie). Die Fotolackstrukturen
32 werden
nachfolgend durch galvanisches Metallabscheiden umwachsen, wobei
das Um- bzw. Überwachsen
der Fotolackstrukturen
32 ganz gezielt gesteuert und individuell
für jede
Abspritzöffnung
25 eingestellt
wird. Das laterale Überwachsen
der Fotolackstrukturen
32 sorgt für eine gezielte Konturbildung
im Bereich der späteren
schlitzförmigen
Abspritzöffnungen
25.
Abschließend
wird die Galvanikschicht vom Wafer abgelöst und der Fotolack
32 herausgelöst. Auf
diese Weise können
eine Vielzahl (mehrere Hundert) von Multi-Fächerstrahl-Düsen
23 zugleich
auf einem Wafer hergestellt werden.
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Aufgrund
der erfindungsgemäßen Ausbildung
der Abspritzöffnungen 25 in
Schlitzform unterschiedlicher Ausrichtung und deren Verteilung über den
Düsenbereich 28 treten
aus der Multi-Fächerstrahl-Düse 23 Flüssigkeitslamellen 30 aus,
die räumlich
gesehen Lamellenpakete bilden können, wobei
sich die einzelnen Flüssigkeitslamellen 30 divergent
zueinander bewegen und in 1 nur schematisch
angedeutet sind. Die zum Zentrum der Multi-Fächerstrahl-Düse 23 nächstliegende
Flüssigkeitslamelle 30 besitzt
den kleinsten Winkel α (z.B.
0°) zur Mittelachse 33 der
Multi-Fächerstrahl-Düse 23 und hier
entsprechend auch zur Ventillängsachse 2,
während
die vom Zentrum der Multi-Fächerstrahl-Düse 23 entferntestliegende
Flüssigkeitslamelle 30 den größten Winkel,
hier δ,
zur Mittelachse 33 der Multi-Fächerstrahl-Düse 23 bzw.
zur Ventillängsachse 2 aufweist.
Es gilt hier also α < β < γ < δ usw.
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2 zeigt
einen schematischen Längsschnitt
durch eine schlitzförmige
Abspritzöffnung 25 der
Multi-Fächerstrahl-Düse 23 um
90° gedreht
gegenüber 1,
durch die verdeutlicht werden soll, dass die schlitzförmigen Abspritzöffnungen 25 eine Längserstreckung
senkrecht zur Zeichenebene der 1 haben
und sich die einzelnen Flüssigkeitslamellen 30 entsprechend
der Längsausrichtung
der Abspritzöffnungen 25 ausbreiten.
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3 zeigt
den Ausschnitt III durch mehrere Abspritzöffnungen 25 der Multi-Fächerstrahl-Düse 23 als
Großdarstellung
des Düsenbereichs 28 in 1. Erfindungsgemäß sind die
einzelnen Abspritzöffnungen 25 aufgrund
des unterschiedlichen Überwachsens
des abgeschiedenen Metalls an den Fotolackstrukturen 32 unterschiedlich
ausgerichtet. Die einzelnen Abspritzöffnungen 25 sind gemäß dem Ausführungsbeispiel
von 1 z.B. in einer geraden Reihe radial nach außen verlaufend
angeordnet. Um Flüssigkeitslamellen 30 zu
erzeugen, die räumlich gesehen
Lamellenpakete bilden, in denen die einzelnen Flüssigkeitslamellen 30 divergent
zueinander aufgespreizt abgespritzt werden, ist die Abspritzöffnung 25,
die am nächsten
zum Zentrum der Multi-Fächerstrahl-Düse 23 liegt,
durch keinen oder den kleinsten Anteil des lateralen Überwachsens
gebildet, während
die Abspritzöffnung 25,
die am weitesten vom Zentrum der Multi-Fächerstrahl-Düse 23 entfernt
liegt, durch den größten Anteil
des lateralen Überwachsens
gebildet ist. Die Größe des Überwachsens
legt die Flächenüberschneidung
in die Abspritzöffnung 25 hinein
und damit die Größe eines Absatzes 31 in
ihr fest, durch den der freie Strömungsbereich und der Strömungsaustritt
immer weiter asymmetrisch von der Mittelachse der Abspritzöffnung 25 verschoben
werden. Auf diese Weise besitzt die innerste Flüssigkeitslamelle 30 den
kleinsten Winkel α (z.B.
0°) zur
Mittelachse 33 der Multi-Fächerstrahl-Düse 23 und
die radial äußerste Flüssigkeitslamelle 30 den
größten Winkel
zur Mittelachse 33 der Multi-Fächerstrahl-Düse 23 (α < β < γ < δ usw.). Der
kontinuierlich zunehmende Grad des Überwachsens vom Scheibenzentrum
zum Scheibenrand hin führt
zu einer Kippung der Fächerstrahlen,
die vom Scheibenzentrum zum Scheibenrand hin zunimmt. Zum besseren
Verständnis
sind die Fotolackstrukturen 32a, 32b schematisch
in die Abspritzöffnungen 25 miteingezeichnet.
Die Bereiche der letztlich wieder entfernten Fotolackstrukturen 32a, 32b sind
Strömungsabschnitte
der einzelnen Abspritzöffnungen 25.
Der galvanische Aufbau erfolgt von der Seite der ersten Fotolackstruktur 32a her
in Richtung der späteren
Durchströmungs-
und Abspritzrichtung. Nach dem Stoppen der Galvanik verbleiben im Bereich
des Strömungsaustritts
jeder Abspritzöffnung 25 trichterförmige Rundungen.
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4 zeigt
einen Schnitt durch mehrere Abspritzöffnungen 25 einer
zweiten Multi-Fächerstrahl-Düse 23 und 5 eine
Draufsicht auf die Abspritzöffnungen 25 gemäß 4.
Mit diesem Ausführungsbeispiel
wird verdeutlicht, dass es nicht zwingend notwendig ist, die Abspritzöffnungen 25 spiegelbildlich
und symmetrisch zur Mittelachse 33 der Multi-Fächerstrahl-Düse 23 bzw.
zur Ventillängsachse 2 auszurichten.
Vielmehr ist es auch möglich,
z.B. alle Fächerstrahlen
zu ein und derselben Seite auszurichten oder, wie in 4 gezeigt,
unabhängig
von der Mittelachse 33 der Multi-Fächerstrahl-Düse 23 divergente
Ausrichtungen der Abspritzrichtungen zu definieren. Während mit α1 der Winkel
der Ausbreitungsrichtung einer Flüssigkeitslamelle 30 zur
linken Zeichnungsseite hin gekennzeichnet ist, sind drei weitere
Flüssigkeitslamellen 30 zur
rechten Zeichnungsseite hin gerichtet, die sich untereinander wiederum
divergent ausbreiten, da hier α2 < β < γ gilt. Die
Mittelachse 33 der Multi-Fächerstrahl-Düse 23 verläuft nicht
exakt in der Mitte zwischen den beiden grundsätzlichen Ausbreitungsrichtungen
der Flüssigkeitslamellen 30;
vielmehr wird der Fächerstrahl
mit dem Winkel α2
von der Seite der Multi-Fächerstrahl-Düse 23 abgespritzt,
auf der auch die Abspritzöffnung 25 mit
dem Fächerstrahl
unter dem Winkel α1
liegt.
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Die
Abspritzöffnungen 25 müssen nicht
in einer geraden Reihe angeordnet sein, sondern können beliebig
auf der Multi-Fächerstrahl-Düse 23 verteilt sein.
Die Abspritzöffnungen 25 sind
jedoch in der Weise platziert, dass die austretenden Fächerstrahlen
Lamellenpakete bilden, in denen sie sich nicht gegenseitig berühren, also
einen räumlichen
Versatz zueinander aufweisen.
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Durch
die Richtungsdivergenz zwischen den einzelnen Fächerstrahlen wird eine Tröpfchenkoagulation
verhindert. Noch bevor die Fächerstrahlen
in kleinste Tröpfchen
zerfallen, wird bedingt durch die Richtungsdivergenz der Fächerstrahlen
Umgebungsluft in die Zwischenräume
zwischen den Fächerstrahlen
eingesaugt. Die Sogwirkung entsteht durch die Volumenvergrößerung der
Zwischenräume
mit zunehmendem Abstand von der Multi-Fächerstrahl-Düse 23 und
der damit einsetzenden Luft-Ausgleichsströmung. Durch intensive Zumischung
von Umgebungsluft und insgesamt großer Kontaktfläche zwischen
den Fächerstrahlen
und der eingesaugten Luft findet nach dem Zerfall der Fächerstrahlen
in Tröpfchen
eine intensive Verdampfung der Flüssigkeitströpfchen statt.
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Die
Zerstäubungsqualität des Fächerstrahls bzw.
des Lamellenzerfalls ist so hoch, dass Brennstoffsprays mit extrem
kleinen Brennstofftröpfchen mit
einem Sauter Mean Diameter (SMD) von ca. 50 μm abspritzbar sind. Auf diese
Weise kann sehr wirkungsvoll die HC-Emission der Brennkraftmaschine deutlich
gegenüber
bekannter Einspritzanordnungen reduziert werden.