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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, die Lamellenpakete bilden, wobei sich die einzelnen Flüssigkeitslamellen divergent
zueinander bewegen und eine Lufteinsaugung zwischen die Fächerstrahlen
ermöglichen. Auf diese Weise sind Brennstoffsprays mit
extrem kleinen Brennstofftröpfchen mit einem Sauter Mean
Diameter (SMD) von ca. 20 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 im Bereich ihrer Abspritzöffnungen
dreilagig ausgeführt ist, wobei in einer ersten oberen
stromaufwärtigen Lage ein Anströmkanal ausgebildet
ist, dem in Strömungsrichtung zweilagige Abspritzöffnungen
mit je einem Eintrittsbereich und einem Austrittsbereich folgen, wobei
die Austrittsbereiche schlitzförmig konturiert sind. Eintrittsbereiche
und Austrittsbereiche der Abspritzöffnungen verlaufen weitgehend
im rechten Winkel zum oberen Anströmkanal. Der Anströmkanal,
der Eintrittsbereich und der Austrittsbereich jeder Abspritzöffnung überdecken
sich in einer genau definierten Weise und zwar in radialer Richtung
vom Zentrum der Multi-Fächerstrahl-Düse ausgehend
abweichend. Die schlitzförmigen Austrittsbereiche haben
eine größere Länge als die Breite der
Anströmkanäle, aber eine kleinere Grundfläche
als die der Strömungshohlräume bildenden Eintrittsbereiche,
so dass wirkungsvoll ein Auffächern des Brennstoffs und
somit jeweils ein gewünschter Fächerstrahl erzielt
wird.
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Das
Design der erfindungsgemäßen Multi-Fächerstrahl-Düse
bietet die nötigen geometrischen Freiheitsgrade zur variantenabhängigen
Richtungs- und Auffächerungs-Steuerung der einzelnen Fächerstrahlen.
Mit den vorhandenen Geometrieparametern lässt sich die
Strahlsteuerung sehr gut beherrschen.
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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 Multi-Fächerstrahl-Düse in einer Seitenansicht
und schematisch angedeuteten Flüssigkeitslamellen, 2 einen
außermittigen Schnitt durch das Ventilende im Bereich der
Multi-Fächerstrahl-Düse entlang der Linie II-II
in 3, 3 einen Schnitt durch das Ventilende
entlang der Linie III-III in 2, 4 das
Detail IV aus 2 mit der Großdarstellung
einer schlitzförmigen Abspritzöffnung im Schnitt
und 5 das Detail V aus 3 mit der
Großdarstellung einer schlitzförmigen Abspritzöffnung
in der Draufsicht.
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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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In
dem Ventilsitzkörper 16 ist stromabwärts einer
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.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung der
Abspritzöffnungen 25 in einer spezifischen Schlitzform
und deren Verteilung über den Düsenbereich 28 treten
aus der Multi-Fächerstrahl-Düse 23 Flüssigkeitslamellen 30 aus, 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 zur
Mittelachse 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 der Multi-Fächerstrahl-Düse 23 bzw.
zur Ventillängsachse 2 aufweist. Es gilt also α < β < γ < δ usw.
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2 zeigt
einen außermittigen Schnitt durch das Ventilende im Bereich
der Multi-Fächerstrahl-Düse 23 entlang
der Linie II-II in 3, während 3 einen
Schnitt durch das Ventilende entlang der Linie III-III in 2 zeigt.
In den 4 und 5 sind die Details IV und V
aus 2 bzw. 3 mit Großdarstellungen
einer schlitzförmigen Abspritzöffnung 25 im
Schnitt und in der Draufsicht dargestellt. Aus diesen Figuren wird
deutlich, dass jede Abspritzöffnung 25 eine spezifische Öffnungskontur
besitzt, wobei bestimmte Kriterien zur Abmessung und Gestaltung
bei allen Abspritzöffnungen 25 wiederkehren. In
der Multi-Fächerstrahl-Düse 23 ist anströmseitig
zumindest ein Anströmkanal 40 (in 3 sind
zwei Anströmkanäle 40 gezeigt) vorgesehen, dem
stromabwärtig die Abspritzöffnungen 25 folgen, wobei
die Abspritzöffnungen 25 eine gestufte Öffnungskontur
besitzen. Insgesamt ergibt sich damit eine dreilagige bzw. dreistufige Öffnungskontur (4)
in der Multi-Fächerstrahl-Düse 23.
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In
einer ersten oberen stromaufwärtigen Lage der Multi-Fächerstrahl-Düse 23 verlaufen
die Anströmkanäle 40. Die zweistufigen
Abspritzöffnungen 25 besitzen jeweils einen Eintrittsbereich 41 und einen
Austrittsbereich 42, die z. B. rechteckförmig ausgebildet
sind. In einer zweiten und dritten unteren stromabwärtigen
Lage sind die Abspritzöffnungen 25 durch diese
beiden Bereiche 41, 42 gekennzeichnet, von denen
der Eintrittsbereich 41 als Strömungshohlraum
dient und insbesondere der Austrittsbereich 42 schlitzförmig
verläuft. Sowohl Eintrittsbereich 41 als auch
Austrittsbereich 42 der Abspritzöffnungen 25 erstrecken
sich unter einem Winkel, insbesondere im rechten Winkel zum oberen
Anströmkanal 40. Der schlitzförmige Austrittsbereich 42 jeder
Abspritzöffnung 25 ist stets in seiner Breite
kleiner als der stromaufwärts liegende Eintrittsbereich 41 der
jeweiligen Abspritzöffnung 25, so dass der Eintrittsbereich 41 von
seiner Grundfläche her jeweils immer den Austrittsbereich 42 überdeckt.
Die Längen von Eintrittsbereich 41 und Austrittsbereich 42 müssen
nicht zwingend gleich sein. Die genaue Lage des Austrittsbereichs 42 zum
jeweiligen Eintrittsbereich 41 ist jeweils definiert und
kann sich von Abspritzöffnung 25 zu Abspritzöffnung 25 verändern,
wie dies in 3 gezeigt ist. In radialer Richtung
vom Zentrum der Multi-Fächerstrahl-Düse 23 ausgehend
wandert der Austrittsbereich 42 in Bezug zum Eintrittsbereich 41 über
alle Abspritzöffnungen 25 gesehen immer weiter nach
außen. Die zweilagigen Abspritzöffnungen 25 haben
eine größere Länge als die Breite des
Anströmkanals 40, so dass wirkungsvoll ein Auffächern des
Brennstoffs und somit jeweils ein gewünschter Fächerstrahl
erzielt wird.
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In 5 ist
eine ideale Anordnung von Eintrittsbereich 41 und Austrittsbereich 42 der
Abspritzöffnung 25 gezeigt. Der Austrittsbereich 42 der
Abspritzöffnung 25 kann jedoch zum Eintrittsbereich 41 asymmetrisch
und/oder konturabweichend und/oder unter einem Winkelversatz verlaufen.
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Wie
in 3 und 5 dargestellt, kann der Anströmkanal 40 zu
den Abspritzöffnungen 25 außermittig überdeckend
verlaufen. Dadurch wird eine Strömungsasymmetrie in die
darunterliegenden Eintrittsbereich 41 eingeleitet, die
beim austretenden Fächerstrahl zu einer Verkippung in Richtung
der Längenerstreckung der Abspritzöffnungen 25 führt.
Dieser Kippwinkel sollte für alle Fächerstrahlen
einer Schlitzreihe identisch eingestellt sein. In einer zweiten
Schlitzreihe kann die Asymmetrie identisch der ersten Schlitzreihe
erzeugt werden (3) oder abweichend davon. Werden
die Asymmetrien zweier Schlitzreihen entgegengesetzt gewählt,
so sind die beiden Fächerstrahlreihen auch senkrecht zur
Zeichenebene der 1 divergent zueinander abgespritzt,
wodurch insgesamt eine doppelte Divergenz vorliegt.
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Die
einzelnen Abspritzöffnungen 25 sind aufgrund der
unterschiedlichen Lage von Eintrittsbereich 41 und Austrittsbereich 42 zueinander
unterschiedlich ausgerichtet. Die einzelnen Abspritzöffnungen 25 sind
gemäß dem Ausführungsbeispiel von 3 in
zwei geraden, parallel verlaufenden Reihen angeordnet. Die einzelnen
Abspritzöffnungen 25 einer Reihe, also eines Anströmkanals 40 sind
dabei genau auf Lücke lateral versetzt zu den Abspritzöffnungen 25 des
anderen Anströmkanals 40 platziert. Mit dieser
Anordnung und der veränderlichen Lage der Austrittsbereiche 42 der
Abspritzöffnungen 25 sind Flüssigkeitslamellen 30 erzeugbar,
die räumlich gesehen Lamellenpakete bilden, in denen die
einzelnen Flüssigkeitslamellen 30 divergent zueinander aufgespreizt
abgespritzt werden. Auf diese Weise besitzt die innerste Flüssigkeitslamelle 30 den
kleinsten Winkel α zur Mittelachse der Multi-Fächerstrahl-Düse 23 und
die radial äußerste Flüssigkeitslamelle 30 den größten
Winkel zur Mittelachse der Multi-Fächerstrahl-Düse 23 (α < β < γ < δ usw.).
Die auf diese Weise erzielte Divergenz der Fächerstrahlen
mit der entsprechenden Kippung sorgt dafür, dass sich die
Flüssigkeitslamellen 30 im Raum nicht überschneiden. Dies
wird noch dadurch unterstützt, dass die Abspritzöffnungen 25 richtungsparallel
angeordnet sind, wodurch alle Flüssigkeitslamellen 30 richtungsparallel zueinander
auffächern. Die schlitzförmigen Abspritzöffnungen 25 können
als Rechteck oder Langloch, oval oder gekrümmt bogenförmig
ausgeführt sein.
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Wie
in 2 gezeigt, kann die Austrittsöffnung 27 des
Ventilsitzkörpers 16 optional mit einer Anströmerweiterung
(Cavity 44) versehen sein, um die Verteilung der Strömung
breitflächig zu garantieren. In den 4 und 5 sind
die Stromlinien mit eingezeichnet. Die Multi-Fächerstrahl-Düse 23 arbeitet
nach dem Flachdüsenprinzip.
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Anstelle
der Anströmkanäle 40, die sich über mehrere
Abspritzöffnungen 25 hinweg erstrecken und damit
viele Abspritzöffnungen 25 mit Brennstoff versorgen,
ist es auch denkbar, die Anströmkanäle 40 so
kurz nur auszubilden, dass jeweils ein Anströmkanal 40 genau
eine Abspritzöffnung 40 versorgt. Dementsprechend
müssen die Abspritzöffnungen 40 nicht
zwingend in einer Reihe auf der Multi-Fächerstrahl-Düse 23 angeordnet
werden, sondern können beliebig auf ihr verteilt werden.
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Die
Multi-Fächerstrahl-Düse 23 wird z. B. durch
galvanische Abscheidung aufgebaut (Multilayergalvanik). Andererseits
ist es jedoch ebenso denkbar, die Multi-Fächerstrahl-Düse 23 stanz-
und prägetechnisch, erodiertechnisch oder ätztechnisch
herzustellen.
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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. 20 μm abspritzbar sind. Auf diese Weise kann
sehr wirkungsvoll die HC-Emission der Brennkraftmaschine deutlich
gegenüber bekannter Einspritzanordnungen reduziert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19636396
A1 [0002]
- - DE 19847625 A1 [0003]
- - US 6019296 A [0004]