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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 in vorteilhafter Weise 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 z.B. gewölbten Bodenbereich Abspritzöffnungen unmittelbar eingebracht. Auf eine dünne Lochscheibe und ein Umformen einer solchen Lochscheibe nach dem Einbringen der Abspritzöffnungen kann verzichtet werden. Stattdessen besitzt das Brennstoffeinspritzventil in der Ventilhülse selbst unmittelbar die Abspritzöffnungen. Das Einbringen der Abspritzöffnungen erfolgt dabei erst nach dem Umformen der Ventilhülse. In erfindungsgemäßer Weise sind die Abspritzöffnungen konisch ausgeführt, wobei die kleinste Durchtrittsfläche jeder Abspritzöffnung in der Einlassebene der Abspritzöffnung liegt und die größte Durchtrittsfläche jeder Abspritzöffnung in der Auslassebene der Abspritzöffnung liegt. Dazu liegt eine asymmetrische Konizität vor und zwar in der Weise, dass die radial außen liegenden Wandungen einen größeren Winkel zu einer gedachten Öffnungsmittellinie als den Winkel der radial innen liegenden Wandungen der jeweiligen Abspritzöffnung definieren. Die Abspritzöffnungen sind in idealer Weise eng aneinander liegend z.B. auf einem gedachten Kreis angeordnet, mit Abständen der Lochwandungen benachbarter Abspritzöffnungen im Bereich ihrer Einlassebenen, die kleiner sind als die Öffnungsweiten bzw. die Durchmesser der Abspritzöffnungen in den Einlassebenen. Diese besondere Formgebung der Abspritzöffnungen und deren Anordnung zueinander 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 Anordnung der Abspritzöffnungen wird das Medium so in die Abspritzöffnungen geführt, dass eine recht einseitige Anströmung realisiert ist, 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 Abspritzöffnungen,
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2a und 2b Ausgestaltungsvarianten von konischen Abspritzöffnungen,
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3a und 3b schematisch angedeutete Variationsmöglichkeiten bei der Ausgestaltung der Abspritzöffnungen und
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4 eine schematische Anordnung von mehreren Abspritzöffnungen auf einem Teilkreisdurchmesser im Bereich der Einlassebenen der 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. Alternativ kann das Einspritzventil auch zum Eindosieren eines Reduktionsmittels, z.B. AdBlue, in den Abgasstrang einer Brennkraftmaschine genutzt werden. 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 zum Vorbeiströmen des Brennstoffs stegförmige Führungsbereiche, 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 liegen radial nach innen verschoben gegenüber dem zylindrischen Verlauf der Ventilhülse 1 vor und dienen zur Führung der Ventilnadel 5. Am Außenumfang der Ventilhülse 1 ergeben sich in den Bereichen der nach innen gerichteten Führungsbereiche 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 entstehen dazwischen in entsprechender Anzahl die Strömungskanäle, 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 konischer Konturierung z.B. 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 inexakter Weise in einer gewünschten asymmetrischen Konizität in 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 fünf und zwanzig Abspritzöffnungen 14 vorgesehen sein.
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Die 2a und 2b zeigen Ausgestaltungsvarianten von konischen Abspritzöffnungen 14 in erfindungsgemäßer Ausformung. Dabei wird deutlich, dass die Abspritzöffnungen 14 z.B. einen kreisförmigen Querschnitt besitzen, der jedoch auch elliptisch oder anderweitig abweichend von einer Kreisform vorgesehen sein kann. In erfindungsgemäßer Weise sind die Abspritzöffnungen 14 konisch ausgeführt, wobei die kleinste Durchtrittsfläche jeder Abspritzöffnung 14 in der Einlassebene 25 der Abspritzöffnung 14 liegt und die größte Durchtrittsfläche jeder Abspritzöffnung 14 in der Auslassebene 26 der Abspritzöffnung 14 liegt. Dazu liegt eine asymmetrische Konizität vor und zwar in der Weise, dass in Bezug zur Ventillängsachse 2 die radial außen liegenden Wandungen einen größeren Winkel zu einer gedachten Öffnungsmittellinie 27 als den Winkel der radial innen liegenden Wandungen der jeweiligen Abspritzöffnung 14 definieren. Diese Winkel der Lochwandungen zu den Öffnungsmittellinien 27 liegen beispielsweise im Bereich von 5° bis 25°. Wie 2b zeigt, kann die Konizität derart stark in ihrer Asymmetrie ausgeprägt sein, dass die Auslassebene 26 einer Abspritzöffnung 14 einen vollständigen Versatz zu der Einlassebene 25 dieser Abspritzöffnung 14 hat. Üblicherweise werden jedoch die Einlassebene 25 und die Auslassebene 26 einer Abspritzöffnung 14 einen überlappenden Versatz bei einer Projektion in eine Ebene aufweisen, wie dies 2a verdeutlicht. Durch die Ausgestaltung und Anordnung der Abspritzöffnungen 14 wird das Medium so in die Abspritzöffnungen 14 geführt, dass eine recht einseitige Anströmung realisiert ist, die sich an die radial innere Lochwandung anlegt (verdeutlicht wird dieser Effekt durch kleine Pfeile 28), 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 3a und 3b zeigen schematisch angedeutete Variationsmöglichkeiten bei der Ausgestaltung der Abspritzöffnungen 14. Durch die Erhöhung des Neigungswinkels (Konizität) der Abspritzöffnung 14 (3a) und/oder durch eine Vergrößerung der Länge der konischen Abspritzöffnung 14 (3b) kann die Bildung einer feinstzerstäubenden Ringlamelle in der Abspritzöffnung 14 durch eine noch verbesserte einseitige Lochinnenströmung gefördert werden.
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In der 4 ist eine schematische Anordnung von mehreren Abspritzöffnungen 14 auf einem Teilkreisdurchmesser im Bereich der Einlassebenen 25 der Abspritzöffnungen 14 dargestellt. Die Abspritzöffnungen 14 sind in idealer Weise eng aneinander liegend z.B. auf einem gedachten Kreis angeordnet, mit Abständen a der Lochwandungen benachbarter Abspritzöffnungen 14 im Bereich ihrer Einlassebenen 25, die kleiner sind als die Öffnungsweiten bzw. die Durchmesser d der Abspritzöffnungen 14 in den Einlassebenen 25. Es gilt a < d, insbesondere a << d, z.B. in einem Verhältnis a:d von 1:1,5 bis 1:6, wobei d allgemein für die Öffnungsweite der Einlassebene 25 der Abspritzöffnung 14 steht, die nicht unbedingt als kreisrunde Einlassebene 25 einen Durchmesser haben muss. Die besondere Formgebung der Abspritzöffnungen 14 und deren enge Anordnung zueinander 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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Für höchste Dichtheiten und besondere Festigkeitsanforderungen bzw. aus Verschleißgründen können gezielt angepasste Nachbearbeitungsverfahren an der Ventilhülse 1 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.
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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]
