DE102008042116A1

DE102008042116A1 - Ventil zum Zerstäuben eines Fluids

Info

Publication number: DE102008042116A1
Application number: DE102008042116A
Authority: DE
Inventors: Jörg HEYSE; Hartmut Albrodt; Kerstin Koch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-09-15
Filing date: 2008-09-15
Publication date: 2010-03-18
Anticipated expiration: 2028-09-16
Also published as: DE102008042116B4; JP2014029159A; US20110163187A1; JP2012503128A; US8714465B2; JP5901600B2; CN102159827A; WO2010028987A1

Abstract

Es wird ein Ventil zum Zerstäuben von Fluid, insbesondere ein Einspritz- oder Dosierventil für Kraftstoffeinspritz- oder Abgasanlagen von Brennkraftmaschinen, angegeben, dass einen Ventilsitzkörper (11) mit einem eine Ventilöffnung (13) umgebenden Ventilsitz (14), eine stromabwärts der Ventilöffnung (13) an der Stirnseite des Ventilsitzkörpers (12) anliegende Spritzlochscheibe (17) mit mindestens einem zur Ventilöffnung (13) radial versetzten Spritzloch (18) und einen zwischen Ventilöffnung (13) und dem mindestens einen Spritzloch (18) vorhandenen Anströmhohlraum (19) aufweist. Zur kostengünstigen und reproduzierbaren Herstellung einer stabilen, korrosionsbeständigen Spritzlochscheibe (18) mit verbesserter Zerstäubung des abgespritzten Fluids ist der Anströmhohlraum (19) von mindestens einer Vertiefung (20) gebildet, die in die dem Ventilsitzkörper (12) zugekehrte Scheibenfläche der Spritzlochscheibe (17) so eingebracht ist, dass ein Teil der Vertiefung (20) in die Ventilöffnung (13) hineinragt und der verbleibende Teil der Vertiefung (20) von dem Ventilsitzkörper (12) abgedeckt ist. Das mindestens eine Spritzloch (18) ist in den von dem Ventilsitzkörper (12) abgedeckten Teil der Vertiefung (20) nahe der von der Ventilöffnung (13) abgekehrten Vertiefungswand in den Boden (201) der Vertiefung (20) eingebracht.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Ventil zum Zerstäuben eines Fluids, insbesondere Einspritz- und/oder Dosierventil für Kraftstoffeinspritz- oder Abgasanlagen in Brennkraftmaschinen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei einem bekannten Brennstoffeinspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen ( DE 10 2006 041 475 A1 ) ist der Anströmhohlraum als kreisrunde Ausnehmung in die der Spritzlochscheibe zugekehrte Stirnfläche des Ventilsitzkörpers eingebracht und erstreckt sich über die Ventilöffnung und die dem Ventilsitzträger zugekehrten Öffnungen der Spritzlöcher in der Spritzlochscheibe. Die Lochachsen der Spritzlöcher sind parallel zueinander und zur Achse des Ventilsitzkörpers ausgerichtet. Die auf einem Teilerkreis angeordneten Spritzlöcher weisen alle die gleiche Form auf, deren Kontur dreieckförmig, abgeschnitten dreieckförmig, halbrund, abgeschnitten halbrund, halbelliptisch, abgeschnitten halbelliptisch, gerundet abgeschnitten dreieckförmig, halbrund oder halbelliptisch mit gerundeten Eintrittskanten oder ähnlich ausgeführt ist. Alle Spritzlochformen sind dabei so konturiert, dass eine Verjüngung des Spritzlochs auf der der Anströmseite gegenüberliegenden Seite, also radial nach außen, vorhanden ist. Durch diese Kontur wird der unmittelbar nach Verlassen des Spritzlochs sich auffächernde Fluidstrahl im radial äußeren Bereich wieder eingeschnürt, sodass im äußeren Bereich der abgespritzten fluiden Hohlkegellamelle vergleichsweise größere Tröpfchen als Manteleinhüllende verbleiben. Bei Brennkraftmaschinen mit Saugrohreinspritzung wird mit dieser Spritzlochgeometrie erreicht, dass in den ersten Startzyklen (Kaltstart) der fremdgezündeten Brennkraftmaschine die äußeren Tröpfchen des abgespritzten Brennstoffsprays sich als Wandfilm an den Saugrohrwandungen niederschlagen. Dadurch gelangen in den ersten Startzyklen nur die im Strahlzentrum existierenden, feinzerstäubten Tröpfchen und ein entsprechend hoher Brennstoffdampfanteil direkt in den Brennraum, und der schlechte aufbereitete Gemischanteil wird dem Brennraum erst verspätet zugeführt, sodass im Startzyklus der best aufbereitete Gemischanteil in den Brennraum eingebracht wird und die Abgasemissionen während dieser Zeit deutlich reduziert sind.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Ventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil einer kostengünstig und reproduzierbar herstellbaren Spritzlochscheibe mit verbesserter Zerstäubung des abgespritzten Fluids, z. B. von Kraftstoff oder Harnstoff-Wasserlösungen. Die Spritzlochscheibe ist zur Massenherstellung aus einem nicht korrodierenden Material, z. B. rostfreiem Stahl, geeignet, wobei die Taktzeiten zum Prägen der Vertiefungen und Feinstanzen der Spritzlöcher klein gehalten werden können. Durch die Verlagerung des Anströmhohlraums aus dem Ventilsitzkörper heraus in die Spritzlochscheibe werden Zusatzkosten für die Bearbeitung des Ventilsitzkörpers eingespart. Durch die den Anströmhohlraum repräsentierenden Vertiefungen in der Spritzlochscheibe, die sich einerseits bis unter die Ventilöffnung erstrecken und andererseits im Bereich der Spritzlöcher vom Ventilsitzkörper abgedeckt sind, wird ein Strömungs-S-Schlag erzielt, bei dem die aus der Ventilöffnung austretende Fluidströmung zweimal umgelenkt wird. Dieser S-Schlag fördert die zerstäubungsunterstützende Stromauffächerung im Spritzloch. Zudem kann durch die Vertiefungen bei einer für die Stabilität und Festigkeit der Spritzlochscheibe ausreichenden Dicke die Spritzlochlänge so weit verkürzt werden, dass die Spritzlochströmung für ideale Zerstäubung ausreichend stark aufgefächert aus jedem Spritzloch austreten kann, also die Strömungsaustrittsvektoren nicht im Spritzloch parallel gebündelt werden.
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Ventils möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das mindestens eine Spritzloch in der Vertiefung nahe der von der Ventilöffnung abgekehrten Wand der Vertiefung angeordnet, wobei die Grundfläche der Vertiefung um ein Vielfaches größer ist als der Querschnitt des mindestens einen Spritzlochs. Dadurch entsteht im Strömungseinzugsgebiet des Spritzlochs innerhalb der Vertiefung ein Querwirbelsystem mit parallel zur Hochachse der Spritzlochscheibe stehenden Wirbelachsen. Dieses Querwirbelsystem unterstützt durch Strömungsrotation das Auffächern des aus dem jeweiligen Spritzloch austretenden Fluidstrahls.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die mindestens eine Vertiefung einen kreisrunden, ovalen oder elliptischen Querschnitt auf. Durch eine solche Querschnittsform kann das Querwirbelsystem gezielt beeinflusst werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann das mindestens eine Spritzloch senkrecht oder schräg zur Scheibenoberfläche gestanzt werden, wobei die Schrägung zum Scheibenzentrum hin verläuft. Durch eine solche Schrägung des mindestens einen Spritzlochs findet von der Vertiefung in das Spritzloch eine maximale Strömungsumlenkung statt, wodurch im Extremfall im Spritzloch ein Zweiphasen-Gebiet (Fluid, Luft) generiert wird. Die Flüssigkeit wird dabei durch die Umlenkungskräfte an denjenigen Teil der Spritzlochwandung gedrückt der gegenüber der Anströmseite des Spritzlochs liegt. Durch die auf die Spritzlochwandung drückenden Umlenkkräfte wird der Fluidstrom entlang der Spritzlochwandung breitgedrückt. Der Fluidstrom verformt sich in seinem Querschnitt zu einer an der Spritzlochwandung einseitig anliegenden Sichel und wird entlang des Spritzlochumfangs aufgefächert. Dadurch tritt aus dem Spritzloch eine sich auffächernde Fluidlamelle mit verbesserter Zerstäubung aus.
Bei mehreren Spritzlöchern in der mindestens einen Vertiefung sind die Spritzlöcher in der mindestens einen Vertiefung so platziert, dass die Strömungsvektoren des aus den Spritzlöchern austretenden Kraftstoffsprays divergieren, damit die aus den Spritzlöchern austretenden Fluidfächer sich nicht treffen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 ausschnittweise einen Längsschnitt eines Ventils zum Zerstäuben von Fluid,
2 eine Draufsicht einer Spritzlochscheibe im Ventil gemäß 1,
3 eine vergrößerte Darstellung einer Unteransicht des Ausschnitts III in 2,
4 eine gleiche Darstellung wie in 1 mit einer modifizierten Spritzlochscheibe,
5 eine Draufsicht der Spritzlochscheibe in 4,
6 eine vergrößerte Darstellung einer Unteransicht des Ausschnitts IV in 5,
7 eine Draufsicht einer weiteren, modifizierten Spritzlochscheibe.
Das in 1 mit seinem ausspritzseitigen Ende ausschnittweise im Längsschnitt dargestellte Ventil dient zum dosierten Einspritzen und Zerstäuben von Fluid, z. B. von Kraftstoff in Kraftstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen oder von Harnstoff-Wasser-Lösungen in Abgasanlagen von Brennkraftmaschinen zur Reduktion von im Abgas enthaltenen Stickoxiden.
Das Ventil weist einen rohrförmigen Ventilsitzträger 11 auf, dessen abspritzseitiges Ende von einem Ventilsitzkörper 12 abgeschlossen ist. Der Ventilsitzkörper 12 ist in das Ende des Ventilsitzträgers 11 eingeschoben und mit diesem stoffschlüssig, z. B. durch Schweißen, verbunden. Der Ventilsitzkörper 12 weist eine Ventilöffnung 13 auf, die von einem am Ventilsitzkörper 12 ausgebildeten Ventilsitz 14 umschlossen ist. Zum Freigeben und Verschließen der Ventilöffnung 13 dient eine von einem Aktor, z. B. einem Elektromagneten, betätigte Ventilnadel 15, die an ihrem Ende einen kugelförmigen Ventilschließkörper 16 trägt. Der Ventilschließkörper 16 wird über eine die Ventilnadel 15 belastende, hier nicht dargestellte Ventilschließfeder auf den Ventilsitz 14 aufgedrückt und beim Aktivieren des Aktors gegen die Federkraft der Ventilschließfeder vom Ventilsitz 14 abgehoben. Die Größe des Hubwegs des Ventilschließkörpers 16 und die Zeit der Freigabe der Ventilöffnung 13 durch den Ventilschließkörper 16 bestimmt die über die Ventilöffnung 13 austretende Fluidmenge.
Zum Feinzerstäuben der unter Hochdruck aus der Ventilöffnung 13 austretenden Fluidmenge ist dem Ventilsitzkörper 12 stromabwärts der Ventilöffnung 13 eine Spritzlochscheibe 17 vorgesetzt, die an der Stirnseite des Ventilsitzkörpers 12 vorzugsweise stoffschlüssig, z. B. durch Schweißen, befestigt ist. Die aus korrosionsbeständigem Material, z. B. rostfreiem Stahl, bestehende Spritzlochscheibe 17 ist je nach gefordertem Spraybild mit einem oder mehreren Spritzlöchern 18 versehen, die über einen Anströmhohlraum 19 mit der Ventilöffnung 13 in Verbindung stehen. Der Anströmhohlraum 19 besteht aus mindestens einer von der Scheibenfläche 171, die dem Ventilsitzkörper 12 zugekehrt ist, her eingebrachten Vertiefung 20 in der Spritzlochscheibe 17. In den hier dargestellten Ausführungsbeispielen besteht der Anströmhohlraum 19 aus insgesamt zwei Vertiefungen 20, doch ist die Zahl der Vertiefungen 20 beliebig und richtet sich nach dem gewünschten Spraybild und der Anzahl der Spritzlöcher 18. Die Vertiefungen 20 sind auf einem konzentrischen Teilerkreis um gleich Umfangswinkel gegeneinander versetzt angeordnet. Die Vertiefungen 20 sind vorzugsweise in die Spritzlochscheibe 17 eingeprägt und weisen eine kreisrunde, ovale oder elliptische Form auf. Der Boden 201 der Vertiefung kann dabei konkav gewölbt (1) oder eben (4) sein, wobei die Bodenfläche des Bodens 201 ein Vielfaches größer ist als der Querschnitt des in den Boden 201 der Vertiefung 20 eingebrachten mindestens einen Spritzlochs 18. Die Vertiefungen 20 sind so in der Spritzlochscheibe 17 angeordnet, dass ein Teil einer jeden Vertiefung 20 in die Ventilöffnung 13 hineinragt, die Ventilöffnung 13 quasi unterläuft, und der verbleibende Teil der Vertiefung 20, in dem auch das mindestens eine Spritzloch 18 liegt, von der Stirnfläche 121 des Ventilsitzkörpers 12 abgedeckt ist. In jeder Vertiefung 20 ist das Spritzloch 18 nahe der von der Ventilöffnung 13 abgekehrten Wand der Vertiefung 20 angeordnet. Durch diese Strömungsgeometrie entsteht für das Spritzloch 18 in dessen Anströmung ein Strömungspfad, der in Form eines Strömungs-S-Schlags ausgehend von der Ventilöffnung 13 über die Vertiefung 20 in das Spritzloch 18 gelangt. Dieser S-Schlag fördert die zerstäubungsunterstützende Strömungsauffächerung im Spritzloch 18. Innerhalb der Vertiefung 20 entsteht im Strömungseinzugsgebiet des Spritzlochs 18 ein Querwirbelsystem mit zur Hochachse der Spritzlochscheibe 17 paralleler Wirbelachse. Dieses Querwirbelsystem unterstützt durch Strömungsrotation das Auffächern des aus dem Spritzloch 18 austretenden Fluidstrahls. Das Querwirbelsystem kann durch die vorstehend bereits angesprochene Form der Vertiefung 20 gezielt beeinflusst werden. Das Spritzloch 18 kann mit diversen Querschnittsformen ausgeführt werden, z. B. rund, elliptisch, oval oder mehreckig.
Die Spritzlochachsen der Spritzlöcher 18 können in beliebiger Richtung zur Scheibenoberfläche stehen. Im Ausführungsbeispiel der 2 bis 3 sind die Spritzlöcher senkrecht zur Scheibenoberfläche gestanzt. Im Ausführungsbeispiel der 4 bis 6 sind die Spritzlöcher 18 schräg zur Scheibenoberfläche gestanzt, wobei sie unter einem spitzen Winkel zur Scheibenoberfläche zum Scheibenzentrum hin geneigt sind. In beiden Fällen wird durch die bei der Strömungsumlenkung von der Vertiefung 20 in das Spritzloch 18 entstehenden Umlenkungskräfte das Fluid an denjenigen Teil der Spritzlochwandung gedrückt, der gegenüber der Anströmseite des Spritzlochs 18 liegt. Der Rest des Spritzlochs 18 ist mit Luft gefüllt. Da das Fluid im Spritzloch 18 eine freie Oberfläche hat, wird der Fluidstrang durch die auf die Spritzlochwandung drückenden Umlenkkräfte entlang der Spritzlochwandung „breitgedrückt”. Der Fluidstrang verformt sich in seinem Querschnitt zu einer an der Spritzlochwandung einseitig anliegenden Sichel 22, wie dies in der vergrößerten Darstellung der Unteransicht eines Spritzlochs 18 in 3 und 6 dargestellt ist.
Der gleiche Effekt tritt bei schräg verlaufenden Spritzlöchern 18 auf, wie diese in 4 zu sehen sind. Durch die jedoch größeren Umlenkkräfte bei der Strömungsumlenkung von der Vertiefung 20 in das schräge Spritzloch 18 verstärkt sich dieser Effekt des „Breitdrückens” des Fluidstrangs, so dass entlang der Spritzlochwandung eine deutlich größere oder längere Sichel 22 des Fluidstrangs entsteht, wie ein Vergleich von 3 und 6 zeigt. Der Austrittsströmungsvektor 21 der so aus dem Spritzloch 18 austretenden zerstäubten Fluidlamelle ist in 1 bis 6 mit 21 bezeichnet.
Das in 4 im Längsschnitt dargestellte Ausführungsbeispiel des Ventils unterscheidet sich von dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel nur durch die bereits angesprochenen Modifikationen der Spritzlochscheibe 17. Einerseits sind die Vertiefung 20 nicht wie in 1 muldenartig mit konkav gewölbtem Boden 201, sondern zylinderförmig mit ebenem Boden 201 in die Spritzlochscheibe 17 eingeprägt. Andererseits sind die Spritzlöcher 18 schräg so gestanzt, dass die Spritzlochachsen unter einem spitzen Winkel zur Scheibenoberfläche hin zum Scheibenzentrum geneigt sind. Damit die zum Scheibenzentrum hin gerichteten Ausstrittsströmungsvektoren 21 sich nicht treffen und sich ausweichen können, wird durch entsprechende Ausbildung der beiden Vertiefungen 20 dem Fluidstrang in den beiden einander gegenüberliegenden Spritzlöchern 18 noch eine Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung überlagert, die pro Spritzloch 18 variieren kann, aber vorzugsweise für alle Spritzlöcher 18 einen gleichen Umlaufsinn aufweist.
In der in 7 dargestellten Draufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Spritzlochscheibe 17 sind in jeder von zwei in der Spritzlochscheibe 17 angeordneten Vertiefungen 20 zwei Spritzlöcher 18 vorhanden, die im Ausführungsbeispiel der 7 wie in 4 schräg zur Scheibenoberfläche gestanzt sind. Die wiederum nahe dem von der Anströmseite der Vertiefung abgekehrten Wand der Vertiefung 20 angeordneten Spritzlöcher 18 sind so platziert, dass die Austrittsströmungsvektoren 21 der beiden in einer Vertiefung 20 vorhandenen Spritzlöcher 18 voneinander divergieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006041475 A1 [0002]

Claims

Ventil, zum Zerstäuben von Fluid, insbesondere Einspritz- und/oder Dosierventil für Kraftstoffeinspritz- oder Abgasanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einem Ventilsitzkörper (12), der einen eine Ventilöffnung (13) umgebenden Ventilsitz (14) aufweist, mit einer stromabwärts der Ventilöffnung (13) an der Stirnseite des Ventilsitzkörpers (12) anliegenden Spritzlochscheibe (17), die mindestens ein radial zur Ventilöffnung (13) versetztes Spritzloch (18) aufweist, und mit einem zwischen Ventilöffnung (13) und dem mindestens einen Spritzloch (18) vorhandenen Anströmhohlraum (19), dadurch gekennzeichnet, dass der Anströmhohlraum (19) von mindestens einer Vertiefung (20) gebildet ist, die in der dem Ventilsitzkörper (12) zugekehrten Scheibenfläche der Spritzlochscheibe (17) so angeordnet ist, dass ein Teil der Vertiefung (20) in die Ventilöffnung (13) hineinragt und der verbleibende Teil der Vertiefung (20) von dem Ventilsitzkörper (12) abgedeckt ist, und dass das mindestens eine Spritzloch (18) innerhalb des von dem Ventilsitzkörper (12) abgedeckten Teils der Vertiefung (20) in den Boden (201) der Vertiefung (20) eingebracht ist.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine in den Boden (201) der Vertiefung (20) eingebrachte Spritzloch (18) nahe der von der Ventilöffnung (13) abgekehrten Wand der Vertiefung (20) liegt.
Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenfläche der mindestens einen Vertiefung (20) um ein Vielfaches größer ist als der Querschnitt des darin angeordneten mindestens einen Spritzlochs (18).
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Vertiefung (20) eine kreisrunde, ovale oder elliptische Form aufweist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Spritzloch in die Spritzlochscheibe (17) so eingebracht, vorzugsweise eingestanzt, ist, dass dessen Spritzlochachse parallel zur Hochachse der Spritzlochscheibe (17) ausgerichtet ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Spritzloch so in die Spritzlochscheibe (17) eingebracht, vorzugsweise eingestanzt, ist, dass die Spritzlochachse um einen spitzen Winkel gegen die Scheibenoberfläche zum Scheibenzentrum hin geneigt ausgerichtet ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren Spritzlöchern (18) in der mindestens einen Vertiefung (20) die Spritzlochachsen gleich und/oder unterschiedlich ausgerichtet sind.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren Spritzlöchern (18) in der mindestens einen Vertiefung (20) die Spritzlöcher (18) so angeordnet sind, dass die Strömungsaustrittsvektoren der aus den Spritzlöchern (18) austretenden, auffächernden Fluidlamellen divergieren.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren Vertiefungen (20) in der Spritzlochscheibe (17) die Hochachsen der Vertiefungen (20) im gleichen Radialabstand zur Hochachse der Spritzlochscheibe (17) um gleiche Umfangswinkel gegeneinander versetzt sind.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Spritzloch (18) eine runde, elliptische, ovale oder mehreckige Querschnittsform aufweist.