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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 10 2008 054 840 A1 ist bereits eine Multi-Fächerstrahl-Düse für ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, bei der stromabwärts eines festen Ventilsitzes, der an der inneren Wandung einer Ventilhülse vorgesehen ist, unmittelbar in der Ventilhülse selbst eine Multi-Fächerstrahl-Düse ausgeformt ist. Die Multi-Fächerstrahl-Düse ist dabei im Bereich einer am stromabwärtigen Ende der Ventilhülse gebildeten Wölbung unmittelbar integriert. Die als Zerstäubereinrichtung dienende Multi-Fächerstrahl-Düse besitzt eine Mehrzahl von schlitzförmigen Abspritzöffnungen, so dass aus den Abspritzöffnungen austretende Flüssigkeitslamellen Lamellenpakete bilden, in denen die einzelnen Flüssigkeitslamellen divergent zueinander verlaufen. Das Einbringen der Abspritzöffnungen in die tiefgezogene Ventilhülse kann mittels Ultra-Kurzpuls-Lasertechnik erfolgen.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, dass eine sehr hohe Funktionsintegration in einer Ventilhülse höchster Präzision sowie eine verbesserte Sprayaufbereitung aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung der Abspritzöffnungen in dieser Ventilhülse erreicht ist. Die Ventilhülse ist dabei als Multifunktionshülse ausgeführt, da sie sowohl den Ventilsitz trägt als auch die Ventilnadel während ihrer Axialbewegung an der inneren Wandung führt. Neben den Funktionen Nadelführung, Kraftstoffdurchlass und Dichtheit ist auch die Funktion Gemischaufbereitung in der Multifunktionshülse integriert. Am stromabwärtigen Ende der präzisionstiefgezogenen Ventilhülse sind in einem gewölbten Bodenbereich Abspritzöffnungen unmittelbar eingebracht. Erfindungsgemäß wird auf eine dünne Lochscheibe und ein Umformen einer solchen Lochscheibe nach dem Einbringen der Abspritzöffnungen ganz verzichtet. Stattdessen besitzt das Brennstoffeinspritzventil in der Ventilhülse selbst unmittelbar die Abspritzöffnungen. Das Einbringen der Abspritzöffnungen erfolgt dabei grundsätzlich erst nach dem Umformen der Ventilhülse. Wenigstens eine der Abspritzöffnungen (idealerweise aber alle) weist auf der inneren Seite der Wölbung der Ventilhülse einen nutartig bzw. rinnenförmig vertieften Anströmbereich auf, der eine einseitige Anströmung der Abspritzöffnung ermöglicht. Die angeprägten Anströmbereiche sorgen für eine reduzierte Tröpfchengröße mit der Folge einer besseren Sprayaufbereitung, die wiederum zu einer verbesserten Verbrennung des Brennstoffs und damit zu reduzierten Schadstoffemissionen führt.
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Durch die Anströmbereiche wird das Medium so in die Abspritzöffnungen geführt, dass eine einseitige Anströmung erfolgt, die sich an die Lochwandung anlegt, wodurch eine optimierte Hohlkegellamelle erzeugt werden kann. Diese Hohlkegellamelle weist eine große Fläche bzw. ein großes Verhältnis von Oberfläche zu abgespritzter Masse auf und erzeugt beim Aufreißen kleinste Brennstofftröpfchen.
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Mit den so eingebrachten Abspritzöffnungen wird also auf einfache Art und Weise eine gleichmäßige Feinstzerstäubung des Brennstoffs erreicht, wobei eine besonders hohe Aufbereitungsqualität und Zerstäubungsgüte mit sehr kleinen Fluidtröpfchen erzielt wird.
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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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Um eine hohe Präzision der Tiefziehteile sicherzustellen, ist der Tiefziehprozess dahingehend angepasst, dass in Nachbarbereichen von Bereichen mit hoher Präzisionsforderung Freiformflächen vorgesehen sind, die als Stoffüberlauf dienen, womit Prozessschwankungen ausgeglichen werden können. Eine weitere Möglichkeit der Präzisionsverbesserung ist eine lokale Erwärmung (Laser, Induktion, Widerstandserwärmung, Reibung, chemische Reaktion) der Ventilhülse während des Tiefziehprozesses. Durch Plattieren eines höherwertigen Werkstoffs auf den Werkstoff der Ventilhülse können lokale Eigenschaftsverbesserungen bzgl. Härte, Festigkeit, Härtbarkeit, Verschleiß, Elastizität usw. erreicht werden.
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Für höchste Dichtheiten und besondere Festigkeitsanforderungen bzw. aus Verschleißgründen können gezielt angepasste Nachbearbeitungsverfahren angewendet werden. Die Ventilsitzfläche wird beispielsweise in einer Finishbearbeitung mittels Ringhonen mit gebundenem Korn auf die gewünschte Oberflächenqualität gebracht und mittels Laser gehärtet. Indem die Ventilsitzfläche umlaufend wulstartig nach innen hervorsteht, muss nur die dem Dichtsitz dienende Wulstspitze exakt bearbeitet werden.
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Die Abspritzöffnungen werden nach dem Tiefziehprozess der Ventilhülse insbesondere mittels der Ultra-Kurzpuls-Lasertechnik eingebracht. Diese Lasertechnik ermöglicht die lasertechnische Herstellung von Abspritzöffnungen in ausreichend genauer Querschnittspräzision, die z.B. zum Abspritzen von Flüssigkeitslamellen erforderlich ist.
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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 einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Anströmgeometrie von Spritzlöchern,
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2 eine Schnittdarstellung durch das abspritzseitige Ventilende entlang der Linie II-II in 1 und
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3 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts III in 1 mit einem Spritzloch.
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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 eine nur schematisch angedeutete, einen Teil eines Ventilgehäuses bildende, rohrförmige Ventilhülse 1, in der 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 mit einem z. B. kugelförmigen Ventilschließkörper 7 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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An dem stromabwärtigen Ventilende des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils wird auf die üblicherweise bekannten Lochscheiben verzichtet. Stattdessen zeichnet sich die Ventilhülse 1 durch eine hohe Funktionsintegration aus, wobei u.a. auch die Lochscheibenfunktion mit mehreren zumessenden Abspritzöffnungen 14 von der Ventilhülse 1 übernommen wird. Die Ventilhülse 1 umfasst dabei verglichen mit bekannten Brennstoffeinspritzventilen die Bauteile Ventilsitzträger und Ventilsitzkörper nun integriert in einem Bauteil auf, wobei eine Ventilsitzfläche 15 unmittelbar an der inneren Wandung der Ventilhülse 1 mitausgeformt ist. Die Ventilsitzfläche 15 wird beispielsweise mittels Ringhonen auf die gewünschte Oberflächenqualität gebracht und mittels Laser gehärtet.
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Die Ventilhülse 1 ist insofern als Multifunktionshülse ausgeführt, da sie sowohl den Ventilsitz 15 trägt als auch die Ventilnadel 5 während ihrer Axialbewegung an der inneren Wandung führt. Die Ventilnadel 5 besitzt dazu an ihrem stromabwärtigen Ende, das als Ventilschließkörper 7 fungiert, zwischen mehreren Strömungskanälen 8 zum Vorbeiströmen des Brennstoffs stegförmige Führungsbereiche 17, die zur Führung der Ventilnadel 5 mit der inneren Wandung der Ventilhülse 1 korrespondieren. Die über ihren stromabwärtigen Umfangsbereich in der Ventilhülse 1 befindlichen mehreren stegförmigen Führungsbereiche 17 liegen radial nach innen verschoben gegenüber dem zylindrischen Verlauf der Ventilhülse 1 vor und dienen zur Führung der Ventilnadel 5. In idealer Weise sind die Führungsbereiche 17 in der Ventilhülse 1 in einer Anzahl von zwei bis fünf eingeprägt, also z.B. in einer Anzahl von vier, wie dies aus der Schnittdarstellung durch das untere Ende der Ventilhülse 1 in 2 zu erkennen ist. Am Außenumfang der Ventilhülse 1 ergeben sich in den Bereichen der nach innen gerichteten Führungsbereiche 17 Vertiefungen 18, da das Material der Ventilhülse 1 an diesen Stellen nach innen verdrückt, verschoben, eingeprägt o.ä. wird. Durch die Anordnung der über den Umfang verteilten Führungsbereiche 17 entstehen dazwischen in entsprechender Anzahl die Strömungskanäle 8, die der Brennstoffweiterleitung zur Ventilsitzfläche 15 hin dienen.
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Als besonderer Teil der Funktionsintegration in der Ventilhülse 1 ist am stromabwärtigen Ende die tiefgezogene Ventilhülse 1 mit einer Wölbung 20 versehen, in der die erfindungsgemäß ausgestalteten Abspritzöffnungen 14 unmittelbar eingebracht sind. Die Wölbung 20 der Ventilhülse 1 ist im Ausführungsbeispiel rotationssymmetrisch kalottenförmig ausgeführt, sie kann auch abweichend davon z.B. paraboloidförmig und von ihrer Grundfläche elliptisch statt kreisförmig sein. Die Abspritzöffnungen 14 werden nach dem Tiefziehprozess in einem ersten Prozessschritt in weitgehend zylindrischer Konturierung mittels der Ultra-Kurzpuls-Lasertechnik eingebracht. Diese Lasertechnik ermöglicht erstmals die lasertechnische Herstellung von Abspritzöffnungen 14 in ausreichend genauer Querschnittspräzision, die zum Abspritzen von spezifisch ausgeformten Flüssigkeitslamellen, wie z.B. Hohlkegellamellen erforderlich ist. Die Abspritzöffnungen 14 können mittels der Lasertechnik senkrecht oder schräg zur Oberflächennormalen der gewölbten Ventilhülse 1 eingeformt werden.
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Bei dieser erfindungsgemäßen Ausführung ist die Rissbildungsgefährdung deutlich reduziert, da die Abspritzöffnungen 14 erst nach dem Umformen der Ventilhülse 1, die insbesondere durch Tiefziehen hergestellt wird, in diese eingebracht werden. In der Ventilhülse 1 können ca. zwischen zwei und sechzig Abspritzöffnungen 14 vorgesehen sein, wobei eine Anzahl von zwei bis acht Abspritzöffnungen 14 im Verhältnis von Herstellungsaufwand zu optimalen Zerstäubungsergebnissen am geeignetsten anzusehen ist. In idealer Weise sind z.B. der Anzahl der Strömungskanäle 8 entsprechend genau so viele Abspritzöffnungen 14 in der Wölbung 20 der Ventilhülse 1 eingebracht, im Ausführungsbeispiel gemäß 2 also vier Abspritzöffnungen 14, um für jede Abspritzöffnung 14 die gleiche Anströmung zu erzeugen. Zur Erzeugung bestimmter Richtungseffekte kann jedoch auch eine asymmetrische Anordnung bzw. eine ungleiche Anzahl von Abspritzöffnungen 14 zu Strömungskanälen 8 gewählt werden.
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3 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts III in 1 mit einer Abspritzöffnung 14 in der Ventilhülse 1. Die Abspritzöffnungen 14 weisen nicht nur eine zylindrische Kontur auf, sondern zusätzlich einen nutartig bzw. rinnenförmig vertieften Anströmbereich 24, der eine zusätzliche seitliche, z.B. teilweise radiale Erstreckung aufweist. Wenigstens eine Abspritzöffnung 14 besitzt einen solchen Anströmbereich 24, in idealer Weise besitzen alle Abspritzöffnungen 14 derartige Anströmbereiche 24. Diese Anströmbereiche 24 werden in einem zweiten Prozessschritt der Herstellung der Abspritzöffnungen 14 z.B. durch Anprägen ausgeformt. Die angeprägten Anströmbereiche 24 sorgen für eine reduzierte Tröpfchengröße mit der Folge einer besseren Sprayaufbereitung, die wiederum zu einer verbesserten Verbrennung des Brennstoffs und damit zu reduzierten Schadstoffemissionen führt.
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Die Anströmbereiche 24 der Abspritzöffnungen 14 werden auf der inneren Seite der Wölbung 20 der Ventilhülse 1 innerhalb der umlaufenden Ventilsitzfläche 15 eingeprägt. Idealerweise sind die Anströmbereiche 24 länglich gerade oder gebogen, elliptisch o.ä. ausgeformt und besitzen eine Erstreckung zu jeweils einem Strömungskanal 8 hin. Die Anströmbereiche 24 können auch so ausgeformt sein, dass der Strömung darin eine Drallkomponente aufgeprägt werden kann. In diesem Falle verlaufen dann z.B. die Anströmbereiche 24 außermittig zu den Abspritzöffnungen 14 hin, wo sie beispielsweise weitgehend tangential münden. Durch die Anströmbereiche 24 wird das Medium so in die Abspritzöffnungen 14 geführt, dass eine einseitige Anströmung erfolgt, die sich an die Lochwandung anlegt, wodurch eine optimierte Hohlkegellamelle erzeugt werden kann. Diese Hohlkegellamelle weist eine große Fläche bzw. ein großes Verhältnis von Oberfläche zu abgespritzter Masse auf und erzeugt beim Aufreißen kleinste Brennstofftröpfchen.
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Die Konturierung des Ventilschließkörpers 7 in seinem den Abspritzöffnungen 14 zugewandten unteren Bereich sowie der Ventilhülse 1 auf der inneren Seite der Wölbung 20 ist so durch Geometrieanpassungen vorgenommen, dass das dazwischen eingeschlossene Volumen 22 („Totvolumen“) minimiert ist, um den zuvor beschriebenen Einströmeffekt in die Anströmbereiche 24 der Abspritzöffnungen 14 maximal ausnutzen zu können. Bei geschlossenen Ventilschließkörper 7, also beim Anliegen an der Ventilsitzfläche 15, ist der Abstand des Ventilschließkörpers 7 von der Ventilhülse 1 innerhalb der Ventilsitzfläche 15 im Volumen 22 sehr klein. In der 3 ist dieser Abstand nicht maßstabsgerecht, sondern vergrößert dargestellt.
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Um eine hohe Präzision der Tiefziehteile sicherzustellen, ist der Tiefziehprozess dahingehend angepasst, dass in Nachbarbereichen von Bereichen mit hoher Präzisionsforderung Freiformflächen vorgesehen sind, die als Stoffüberlauf dienen, womit Prozessschwankungen ausgeglichen werden können. Eine weitere Möglichkeit der Präzisionsverbesserung ist eine lokale Erwärmung (Laser, Induktion, Widerstandserwärmung, Reibung, chemische Reaktion) der Ventilhülse 1 während des Tiefziehprozesses. Des Weiteren werden durch geeignete Materialauswahl und gezielte thermomechanische Behandlung der Einfluss von Eigenspannungen und Textur weitgehend reduziert. Dies kann durch eine Schlussglühung mit anschließendem Kalibrierarbeitsgang und/oder den Einsatz von texturfreiem Blech oder Blech mit rotationssymmetrischer Textur erfolgen. Durch Plattieren, das Aufbringen eines Zusatzwerkstoffs, eines höherwertigen Werkstoffs auf den Werkstoff der Ventilhülse 1 können lokale Eigenschaftsverbesserungen bzgl. Härte, Festigkeit, Härtbarkeit, Verschleiß, Elastizität usw. erreicht werden.
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Für höchste Dichtheiten und besondere Festigkeitsanforderungen bzw. aus Verschleißgründen können gezielt angepasste Nachbearbeitungsverfahren angewendet werden. Die Ventilsitzfläche 15 wird beispielsweise in einer Finishbearbeitung mittels Ringhonen mit gebundenem Korn auf die gewünschte Oberflächenqualität gebracht und mittels Laser gehärtet. Der Schleifstift ist dabei so ausgelegt, dass der Ventilsitz 15 und der Nadelführungsbereich in einem einzigen Arbeitsgang bearbeitet werden, so dass ein sehr guter Rundlauf zwischen Ventilsitz 15 und Führung erreicht wird. Aufgrund der präzisen Vorbearbeitung ist auch jederzeit eine wirtschaftliche Nachbearbeitung mit den gängigen Feinbearbeitungsverfahren (Schleifen, Läppen, Prägen, EDM, ECM, Laserbearbeitung, Elektronenstrahlbearbeitung usw.) möglich. Die Innenkontur der Ventilhülse 1 wird z.B. präzise durch µ-ECM bearbeitet, indem die Kontur mit der Elektrode angetastet wird, um den ECM-Prozess durchführen zu können. Indem die Ventilsitzfläche 15, wie in 3 gezeigt, umlaufend geringfügig wulstartig nach innen hervorsteht, muss nur die dem Dichtsitz dienende Wulstspitze exakt bearbeitet werden. Durch eine flexible Aufspannung der Ventilhülse 1 kann erreicht werden, dass sich die Innenkontur der Ventilhülse 1 am Schleifstift ausrichtet, so dass durch das Tiefziehen verursachte Lageabweichungen zwischen Innen- und Außenkontur ausgeglichen werden. Für die Herstellung des Aufpressdurchmessers wird die Ventilhülse 1 vorzugsweise an der Innenkontur ausgerichtet, um eine lagegerechte Montage der Ventilhülse 1 am Brennstoffeinspritzventil zu ermöglichen.
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Durch entsprechende Prägeprozesse in einer geeigneten Ziehstufe kann eine lokale Anpassung der Wandstärke erreicht werden, die eine wirtschaftliche Herstellung der Gemischaufbereitung ermöglicht. Die Herstellung der Abspritzöffnungen 14 kann durch alle gängigen Verfahren, wie Bohren, Stanzen, Laserbohren, EDM, ECM, EDCM, Ionenstrahl, Elektronenstrahl erfolgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19636396 A1 [0002]
- DE 102008054840 A1 [0003]
