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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 einlagig ausgeführt ist, wobei die
in ihr eingebrachten Abspritzöffnungen als Quetschöffnungen
wirken. Der anströmseitige Eintrittsquerschnitt ist gegenüber
dem abspritzseitigen schlitzförmigen Austrittsquerschnitt jeder
Abspritzöffnung derart ausgeführt, dass die Längenerstreckung
des Austrittsquerschnitts größer als die Erstreckung
in derselben Richtung des Eintrittsquerschnitts ist und die Quererstreckung
des Austrittsquerschnitts kleiner als die Erstreckung in derselben
Richtung des Eintrittsquerschnitts ist. Eintrittsquerschnitt und
Austrittsquerschnitt sind direkt stufenlos über kontinuierliche
Wandungsverbindungen miteinander verbunden.
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In
vorteilhafter Weise ist die Fläche des abspritzseitigen
Austrittsquerschnitts kleiner oder maximal gleich der Fläche
des anströmseitigen Eintrittsquerschnitts der Abspritzöffnungen.
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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
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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
außermittigen Schnitt durch das Ventilende im Bereich der
Multi-Fächerstrahl-Düse entlang der Linie II-II
in 3,
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3 einen
Schnitt durch das Ventilende entlang der Linie III-III in 2 und
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4 das
Detail IV aus 3 mit der Großdarstellung
von schlitzförmigen Abspritzöffnungen.
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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 4 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 der. 4 ist das Detail IV aus 3 mit
Großdarstellungen von schlitzförmigen Abspritzöffnungen 25 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 einlagigen Multi-Fächerstrahl-Düse 23 sind
mehrere Abspritzöffnungen 25 vorgesehen, wobei
die Abspritzöffnungen 25 über die Dicke
der Multi-Fächerstrahl-Düse 23 gesehen
eine kontinuierlich veränderliche Öffnungskontur
besitzen.
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In
jeder einzelnen Abspritzöffnung 25 ist das sogenannte
Flachdüsenprinzip verwirklicht. Die Geometrie der Abspritzöffnungen 25 ist
durch einen anströmseitigen Eintrittsquerschnitt charakterisiert, dessen
Länge ungefähr seiner Breite entspricht, also im
Idealfall quadratisch ist. Der Eintrittsquerschnitt der Abspritzöffnungen 25 kann
jedoch auch die Form eines Kreises o. ä. aufweisen, wobei
der Eintrittsquerschnitt nicht schlitzförmig ist. Der abspritzseitige Austrittsquerschnitt
der Abspritzöffnungen 25 ist hingegen länglich,
also schlitzförmig in Form eines Rechtecks, Langlochs,
einer Ellipse o. ä. ausgeführt. Der Übergang
zwischen dem Eintrittsquerschnitt und dem Austrittsquerschnitt ist
kontinuierlich, d. h. in Strömungsrichtung geht der Eintrittsquerschnitt
morphologisch in den Austrittsquerschnitt über. Die Wandungen
der Abspritzöffnungen 25 können aus mehreren
geraden Verbindungsstrecken zwischen den beiden Endquerschnitten
konstruiert werden. Bei dem in den 2 bis 4 gezeigten
Ausführungsbeispiel sind die Eckpunkte des quadratischen
Eintrittsquerschnitts mit den korrespondierenden Eckpunkten des rechteckförmigen
Austrittsquerschnitts als Wandungsecken miteinander verbunden. Sämtliche
Wandungen sind bei dieser Ausgestaltung insofern schrägverlaufend
gegenüber der Düsenebene. Anstelle von geraden
Verbindungsstrecken zwischen den beiden Endquerschnitten sind auch
beliebig gekrümmte Verbindungsstrecken denkbar.
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Die
Längenerstreckung des abspritzseitigen Austrittsquerschnitts
(Schlitzlänge) ist grundsätzlich größer
als die Erstreckung in derselben Richtung des anströmseitigen
Eintrittsquerschnitts, so dass wirkungsvoll ein Auffächern
des Brennstoffs und somit jeweils ein gewünschter Fächerstrahl
erzielt wird. Die Quererstreckung des abspritzseitigen Austrittsquerschnitts
(Schlitzweite) ist grundsätzlich kleiner als die Erstreckung
in derselben Richtung des anströmseitigen Eintrittsquerschnitts,
wodurch das Auffächern des austretenden Fächerstrahls
weiter begünstigt wird. Der abspritzseitige Austrittsquerschnitt
ist in vorteilhafter Weise kleiner oder maximal gleich des anströmseitigen
Eintrittsquerschnitts. Die genaue Lage des Austrittsquerschnitts
zum jeweiligen Eintrittsquerschnitt 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 Austrittsquerschnitt in Bezug zum Eintrittsquerschnitt über
alle Abspritzöffnungen 25 gesehen immer weiter
nach außen.
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Entsprechend
dem zuvor beschriebenen Querschnittsübergang wird der durchtretende
Fluidstrom „breitgequetscht". Es handelt sich dabei um eine
Strömung, die nicht von den Wandungen ablöst, also
durch die Wandungen geführt ist, was die Quetschwirkung
maximiert. Die Strömungsvektoren folgen exakt den durch
die Wandungen der Abspritzöffnungen 25 vorgegebenen
Richtungen. Entsprechend divergieren die Strömungsvektoren
am Strömungsaustritt auseinander und bilden einen sich
in Abspritzrichtung weiter ausbreitenden Fächerstrahl, der
in seiner Filmdicke abnimmt und in sehr kleine Tröpfchen
zerfällt.
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Die
einzelnen Abspritzöffnungen 25 sind aufgrund der
unterschiedlichen Lage des schlitzförmigen Austrittsquerschnitts
gegenüber dem jeweiligen Eintrittsquerschnitt unterschiedlich
ausgerichtet. Die einzelnen Abspritzöffnungen 25 sind
gemäß dem Ausführungsbeispiel von 3 in
zwei geraden, parallel verlaufenden, z. B. außermittigen
Reihen angeordnet. Die einzelnen Abspritzöffnungen 25 einer Reihe
sind dabei genau auf Lücke lateral versetzt zu den Abspritzöffnungen 25 der
anderen Reihe platziert. Mit dieser Anordnung und der veränderlichen Lage
der Austrittsquerschnitte 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.
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Die
Eintrittsquerschnitte der Abspritzöffnungen 25 müssen
nicht mittig bzgl. der Längserstreckung des Austrittsquerschnitts
positioniert werden. Durch einen solchen lateralen Versatz wird
die austretende Flüssigkeitslamelle 30 in Richtung
des Versatzes gekippt, so dass sie von der Ventillängsachse 2 wegzeigend
radial nach außen abgespritzt wird. Dieser Kippwinkel sollte
für alle Fächerstrahlen 30 einer Schlitzreihe
identisch eingestellt sein. In einer zweiten Schlitzreihe kann die
Asymmetrie identisch der ersten Schlitzreihe erzeugt werden 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
Austrittsöffnung 27 des Ventilsitzkörpers 16 kann
optional mit einer Anströmerweiterung (Cavity) versehen
sein, um die Verteilung der Strömung breitflächig
zu garantieren, wenn die Abspritzöffnungen 25 außerhalb
des Durchmessers der Austrittsöffnung 27 eingebracht
sind.
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Die Öffnungskonturen
der Abspritzöffnungen 25 der Multi-Fächerstrahl-Düse 23 werden
insbesondere mittels der Ultra-Kurzpuls-Lasertechnik (UKP-Laser)
hergestellt.
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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]