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Die Erfindung betrifft einen Düsenkopf und ein Fluid-Einspritzventil, insbesondere ein Kraftstoffeinspritzventil.
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Bekannt sind Kraftstoffeinspritzventile mit einem Düsenkopf zur Zerstäubung eines Fluids. Üblicherweise werden derartige Kraftstoffeinspritzventile zur Zerstäubung von Kraftstoff in einem Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt. Insbesondere, sofern es sich um eine so genannte Direkteinspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum bei einem als Ottomotor ausgebildete Verbrennungskraftmaschine handelt, ist der Kraftstoff, unter anderem mit Hilfe des Düsenkopfes, sehr fein zu zerstäuben. zur Erzeugung einer möglichst vollständigen Verbrennung in einem Ottomotor wird ein feines Gemisch von im Brennraum vorhandener Luft und dem eingespritzten Kraftstoff gefordert.
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Mit Hilfe der Direkteinspritzung wird der Kraftstoff bei Ottomotoren heutiger Verbrennungsmotoren direkt in den Brennraum eingespritzt, wodurch gegenüber einem älteren Prinzip der Einbringung von Kraftstoff, der sogenannten Saugrohreinspritzung, der Vorteil eines reduzierten Kraftstoffverbrauchs bewirkt wird. Des Weiteren ist eine Regelung eines Abgasnachbehandlungssystems des Verbrennungsmotors mit Hilfe der Direkteinspritzung erheblich verbessert.
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Ein weiterer Vorteil der Direkteinspritzung ist eine Verbesserung einer Elastizität des Verbrennungsmotors hinsichtlich seines Ansprechverhaltens im dynamischen Betrieb, da der Kraftstoff wesentlich schneller in den Brennraum gelangt als bei der Saugrohreinspritzung, bei welcher der Kraftstoff zusammen mit der über ein Gas-Einlassventil einströmenden Verbrennungsluft in den Brennraum gelangt.
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Problematisch ist allerdings, dass das benötigte homogene Gemisch innerhalb eines kurzen Zeitraumes aufbereitet sein muss, um die genannten Vorteile der Direkteinspritzung zu erzielen. Denn da der Kraftstoff schnell im Brennraum eingebracht ist, stehen einer Verdampfung und Vermischung des Kraftstoffes mit der Verbrennungsluft nur wenig Zeit zur Verfügung.
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Somit kommt insbesondere bei der Direkteinspritzung dem Kraftstoffeinspritzventil und seiner Strahlaufbereitung eine besondere Rolle zu. Der Kraftstoff ist mit Hilfe einer besonders feinen Zerstäubung in den Zylinder einzubringen, d.h. eine Tröpfchengröße des Kraftstoffs sollte so klein wie möglich ausgebildet sein, damit eine schnelle Aufbereitung – d.h. in einem sehr kurzen Zeitraum ein homogenes Gemisch – erzielbar ist.
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Auch sollte der Kraftstoff nicht an Zylinderwände des Brennraumes gelangen, da so die Möglichkeit einer sogenannten Ölverdünnung besteht. Die Ölverdünnung kann, da sie eine Änderung einer Schmiermittelzusammensetzung bewirkt, einen schweren Schaden am Verbrennungsmotor bewirken aufgrund eines unzureichenden Viskositätsverhaltens des verdünnten Schmieröls. Ein Kolbenboden und/oder Gas-Einlassventile sollten vom Kraftstoff nicht benetzt werden, da von dort der Kraftstoff nur unzureichend verdampfen kann.
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Ein weiteres Problem stellt eine Ablagerung des Kraftstoffes am Kraftstoffeinspritzventil dar. Nach einigen Betriebsstunden des Verbrennungsmotors weist das Kraftstoffeinspritzventil eine feste und rußartige Ablagerungsschicht auf. In dieser Ablagerungsschicht kann sich Kraftstoff nachfolgender Einspritzzyklen anlagern. In späteren Verbrennungszyklen kann dieser Kraftstoff als Kraftstoffdampf entweichen und zu einer nicht gewünschten rußenden Verbrennung führen. Dies führt zu einer unvorteilhaft großen, ggf. unzulässigen Anzahl von Rußpartikeln im Abgas des Verbrennungsmotors.
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Bekannt ist, dass eine Reduktion der Rußpartikel dadurch erzielt werden soll, dass Düsenlöcher des Düsenkopfes mit Hilfe eines Laserverfahrens in den Düsenkopf eingebracht werden. Dies soll den Vorteil gegenüber einem üblichen Elektrodier-Verfahren haben, dass scharfkantige Düsenlöcher erzeugbar sind. Eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung der Ablagerungsschicht ist eine Erhöhung eines Kraftstoffdruckes stromauf des Düsenkopfes, so dass eine Austrittsgeschwindigkeit des Kraftstoffes so groß ist, dass Ablagerungen vermieden und somit keine Ablagerungsschicht aufgebaut wird. Dies ist allerdings sehr kostenaufwendig, da eine Steigerung des Kraftstoffdruckes nur mit einem höheren Energieaufwand realisierbar ist. Des Weiteren müssen alle dem Kraftstoffdruck ausgesetzten Bauteile eine dem höheren Kraftstoffdruck angepasste höhere Festigkeit aufweisen, welche zum einen mit teureren Materialien und/oder mit einer Erhöhung einer entsprechenden Bauteilwandung realisierbar ist.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Düsenkopf für ein ablagerungsreduziertes bzw. ablagerungsfreies Kraftstoffeinspritzventil bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Düsenkopf gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Düsenkopf für ein Fluid-Einspritzventil angegeben. Der Düsenkopf ist dazu vorgesehen, das Fluid zu zerstäuben. Bei dem Fluid handelt es sich vorzugsweise um einen Kraftstoff für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere um Benzin. Der Düsenkopf hat eine Längsachse.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein durchströmbarer Ventilkörper für ein Fluid-Einspritzventil angegeben. An einem ersten Ende des Ventilkörpers ist eine Zufuhrvorrichtung zur Zuführung des Fluids ausgebildet. An einem vom ersten Ende abgewandt ausgebildeten zweiten Ende des Ventilkörpers ist der Düsenkopf zur Zerstäubung des Fluids angeordnet. Insbesondere haben der Düsenkopf und der Ventilkörper eine gemeinsame Längsachse. Der Düsenkopf kann einstückig mit einem Grundkörper des Ventilkörpers ausgebildet sein. Alternativ kann es sich bei dem Düsenkopf um ein separates Werkstück handeln, das an dem Grundkörper des Ventilkörpers fixiert ist.
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Gemäß einem dritten Aspekt wird ein Fluid-Einspritzventil – insbesondere ein Kraftstoffeinspritzventil – mit dem Düsenkopf bzw. mit dem Ventilkörper angegeben. Das Kraftstoffeinspritzventil ist insbesondere dazu vorgesehen, Kraftstoff direkt in einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine einzuspritzen.
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Der Düsenkopf weist eine Düsenlochscheibe auf. Die Düsenlochscheibe hat eine Stirnfläche und eine der Stirnfläche gegenüberliegende Innenfläche. Bei einer Ausgestaltung ist die Stirnfläche vom ersten Ende des Ventilkörpers abgewandt ausgebildet und die Innenfläche ist dem ersten Ende des Ventilkörpers zugewandt ausgebildet. Bei einer Ausgestaltung ist ein sich in Richtung der Längsachse erstreckender erster axialer Abstand zwischen der Innenfläche und der Stirnfläche ausgebildet.
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Die Düsenlochscheibe weist mindestens einen die Düsenlochscheibe in Richtung der Längsachse vollständig durchdringenden Düsenlochkanal auf. An dem Düsenlochkanal zugeordneten ersten Kanalende ist eine Eintrittsfläche und an einem vom ersten Kanalende abgewandt angeordneten zweiten Kanalende des Düsenlochkanals eine Austrittsfläche ausgebildet. Die Eintrittsfläche ist an der Innenfläche der Düsenlochscheibe angeordnet. Ein Düsenlochvorsprung des Düsenlochkanals, welcher insbesondere im ersten axialen Abstand von der Eintrittsfläche positioniert ist, weist eine Kanalwandung auf. Die Kanalwandung ist über einen Umfang des Düsenlochvorsprungs ausgebildet ist. Mit anderen Worten definiert die Kanalwandung des Düsenlochvorsprungs einen Abschnitt des Düsenlochkanals. Dabei läuft die Kanalwandung insbesondere vollständig um eine Kanalachse des Düsenlochkanals herum. Die Kanalwandung hat eine sich ausgehend von der Stirnfläche in Richtung der Längsachse – insbesondere von der Innenfläche weg – sich erstreckende Wandungshöhe, derart, dass das zweite Kanalende einem von der Stirnfläche abgewandt ausgebildeten Kanalwandungsende der Kanalwandung entspricht.
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Mit Hilfe der Kanalwandung des Düsenlochvorsprungs ist der Düsenlochkanal in seiner entlang der Längsachse ausgebildeten axialen Erstreckung somit verlängert. War das zweite Kanalende, und somit die Austrittsfläche, gemäß dem Stand der Technik in einer glatten Stirnfläche enthalten, z.B. in einem in Richtung der Längsachse ersten axialen Abstand von der Eintrittsfläche, so ist das zweite Kanalende nun mit Hilfe des Düsenlochvorsprungs in einem um die Wandungshöhe vergrößerten Abstand von der Eintrittsfläche positioniert. Bei einer Ausgestaltung entspricht der Abstand der Austrittsfläche einer Summe des ersten axialen Abstandes und der Wandungshöhe. Dies hat zur Folge, dass die Austrittsfläche des Düsenlochkanals, welche am zweiten Kanalende ausgebildet ist, von der Stirnfläche beabstandet an der Düsenlochscheibe ausgestaltet ist. Das zweite Kanalende ist insbesondere gegenüber der Stirnfläche in Richtung von der Innenfläche weg versetzt.
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Sofern die Austrittsfläche nicht in Richtung der Längsachse axial von der Stirnfläche beabstandet vorliegt, wird im Bereich der Stirnfläche über einen Umfang der Austrittsfläche eine dort vorliegende Umgebungsluft angesaugt. Das heißt, die im Bereich des Kraftstoffstrahls vorliegende Umgebungsluft wird vom Kraftstoffstrahl mitgerissen. Dieser Effekt, das Mitnehmen bzw. Mitreißen der Luft im Bereich eines Fluidstrahls, ist bekannt und wird insbesondere bei Wasserstrahlpumpen zur Erzeugung großer Volumenströme genutzt.
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Mit Hilfe der Kanalwandung, welche die Austrittsfläche von der Stirnfläche in Richtung der Längsachse axial beabstandet, ist die Möglichkeit realisiert, Umgebungsluft dem aus dem Düsenlochkanal – d.h. aus der Austrittsfläche – austretenden Kraftstoff zuzuführen. Das bedeutet, dass ein größerer Volumenstrom erzielbar ist, welcher eine verbesserte, das heißt schnellere Kraftstoffaufbereitung realisiert. Da die über den Umfang der Austrittsfläche vorliegende Umgebungsluft mit dem Kraftstoff des Kraftstoffstrahls mitgerissen wird, ist in diesem Bereich ein Bereichsdruck ausgebildet, welcher ein Rückströmen von Kraftstoffdampf und/oder Kraftstofftröpfchen verhindert oder zumindest stark reduziert. Das bedeutet, di Gefahr für die Bildung von Ablagerungen besonders gering ist. Auf diese Weise ist eine ablagerungsreduzierte bzw. ablagerungsfreie Kraftstoffeinspritzdüse realisiert.
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In einer Ausgestaltung des Fluid-Einspritzventils ist in dem Ventilkörper eine Ventilnadel angeordnet. Die Ventilnadel ist gegenüber dem Ventilkörper axial beweglich, derart dass ein Schließelement der Ventilnadel in einer Schließstellung der Ventilnadel an einem Ventilsitz des Ventilkörpers anliegt um Fluid-Fluss durch die Düsenlochkanäle zu verhindern und die Ventilnadel mittels einer Aktuator-Einheit des Fluid-Einspritzventils von der Schließstellung weg verschiebbar ist, um Fluid-Fluss durch die Düsenlochkanäle freizugeben.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Innenfläche der – insbesondere einstückigen – Düsenlochscheibe den Ventilsitz auf. Auf diese Weise ist der Düsenkopf für vergleichsweise große Fluid-Drücke – z.B. von 100 bar oder mehr, vorzugsweise von 200 bar oder mehr, insbesondere in einem Bereich zwischen 250 bar und 500 bar, wobei die Grenzen eingeschlossen sind – einsetzbar.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils ist die Kanalwandung hohlkegelstumpfförmig ausgebildet. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass die im Bereich der Kanalwandung vorliegende Umgebungsluft eine Anströmrichtung hat, die zu dem Kraftstoffstrahl geneigt ist, welcher aus der Austrittsfläche austritt. Somit ist die Umgebungsluft dem Kraftstoffstrahl verbessert zuführbar ist. Das heißt, dass die Strömungsrichtung der über die hohlkegelstumpfförmige Kanalwandung geführten Umgebungsluft die Strömungsrichtung des Kraftstoffstrahls kreuzt, so dass eine Durchmischung des Kraftstoffstrahls und der Umgebungsluft bereits durch die Strömungsrichtungen herbeigeführt wird.
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Die verbesserte Zuführbarkeit ist im Vergleich zu einer hohlzylinderartig ausgestalteten Kanalwandung zu sehen. Bei einer hohlzylinderartig ausgestalteten Kanalwandung weist die Umgebungsluft die gleiche Strömungsrichtung auf wie der Kraftstoffstrahl, so dass aufgrund der gleichen Strömungsrichtungen die Zuführbarkeit und somit Durchmischung nur mit Hilfe des Mitreißens der Umgebungsluft erfolgt.
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In einer Ausgestaltung ist die Austrittsfläche kleiner ausgebildet als die Eintrittsfläche. Dies hat den Vorteil, dass der Kraftstoff, welcher durch den Düsenlochkanal strömt gemäß dem Bernoulli’schen Strömungsgesetzes an der Austrittsfläche eine erste Geschwindigkeit aufweist, welche gegenüber einer zweiten Geschwindigkeit, welche in der Eintrittsfläche bzw. im Bereich der Eintrittsfläche vorherrscht, größer ist. Somit ist auf einfache Weise die Kraftstoffzerstäubung aufgrund einer Geschwindigkeitserhöhung an der Austrittsfläche verbessert.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils weist die Düsenlochscheibe eine Mehrzahl von Düsenlochkanälen auf, das heißt, es ist mindestens ein weiterer Düsenlochkanal die Düsenlochscheibe durchdringend ausgebildet. Die Düsenlochkanäle sind üblicherweise in einem bestimmten, im Allgemeinen gleichmäßigen, Radius von einer Düsenlochscheibenmitte angeordnet, insbesondere in Draufsicht entlang der Längsachse wobei die Düsenlochscheibenmitte in einer Ausgestaltung auf der Längsachse liegt. Sobald der Kraftstoff eingespritzt wird, entsteht je Düsenlochkanal ein Kraftstoffstrahl, welcher in Form eine Kegels ausgebildet ist. Im Bereich der Düsenlochscheibenmitte ist auf diese Weise ein Innenbereich gebildet, welcher von den Kraftstoffstrahlen umgrenzt ist. In diesem Innenbereich herrscht ein geringerer Druck als in einem von den Kraftstoffstrahlen abgegrenzten Umgebungsbereich. Im Umgebungsbereich liegt in Nähe des Kraftstoffstrahls ein erster Bereichsdruck vor, welcher kleiner ist als ein zweiter Bereichsdruck in einem vom Kraftstoffstrahl weiter entfernten Umgebungsbereich. Ein im Innenbereich ausgebildeter dritter Bereichsdruck ist gegenüber dem ersten Bereichsdruck und dem zweiten Bereichsdruck deutlich reduziert.
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Es besteht die Gefahr, dass der dritte Bereichsdruck gegenüber einem ersten Bereichsdruck im Umgebungsbereich so gering ist, dass ein Unterdruck im Innenbereich ausgebildet ist, welcher zu einer Richtungsumkehr des Kraftstoffdampfes und/oder von Kraftstofftröpfchen führt. Das heißt, der Kraftstoffdampf und/oder die Kraftstofftröpfchen strömen in diesem Fall zurück auf die Stirnfläche um sich dort in Form von Ablagerungen abzusetzen. Damit ein wirkungsvoller axialer Abstand der Austrittsfläche von der Stirnfläche ausgebildet ist, kann die Wandungshöhe in Abhängigkeit eines freien radialen Abstandes ermittelt werden. Dieser freie radiale Abstand ist ein zwischen dem Düsenlochkanal und dem weiteren Düsenlochkanal radial ausgebildeter Abstand. Eine besonders vorteilhafte Wandungshöhe lässt sich in Abhängigkeit des radialen Abstandes wie folgt beschreiben:
h ≥ 1/4·D
wobei h der Wandungshöhe und D dem freien radialen Abstand entspricht.
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Mit einer solchen, in Abhängigkeit des freien radialen Abstandes zwischen den Düsenlochkanälen ermittelten Wandungshöhe, ist ein hinreichend großer Strömungskanal ausgestaltet, über welchen Umgebungsluft in den Innenbereich führbar ist, so dass der dritte Bereichsdruck im Innenbereich so groß ist, dass ein Rückströmen von Kraftstoffdampf und/oder Kraftstofftröpfchen im Innenbereich besonders gut verhindert wird.
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Zweckmäßigerweise ist die Wandungshöhe gemäß
h = 2/8·D
ausgebildet. Hierbei ist eine Kanalwanddicke der Kanalwandung berücksichtigt, welche den Strömungskanal begrenzt.
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Der Düsenlochvorsprung kann eine äußere Umfangsfläche haben, deren Kontur in einem Längsschnitt einer stetig differenzierbaren Funktion gemäß ausgestaltet ist. Damit ist der Vorteil geschaffen, dass ein Abreißen von Strömungsfäden der über die Kanalwandung strömenden, von dem Kraftstoffstrahl mitgerissenen Umgebungsluft vermieden ist. Bevorzugterweise ist die äußere Umfangsfläche rampen-förmig ausgebildet. Anders ausgedrückt hat der Düsenlochvorsprung zumindest in seinem der Stirnfläche benachbarten Bereich vorzugsweise eine Außenkontur, die im Längsschnitt die Gestalt einer stetig differenzierbaren Funktion hat und/der rampen-förmig – d.h. insbesondere in Gestalt einer Rampenfunktion – ausgebildet ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils hat der Düsenlochkanal einen der Eintrittsfläche benachbarten ersten Kanalbereich, dessen Querschnittsfläche kleiner ist als die Querschnittfläche eines der Austrittsfläche benachbarten zweiten Kanalbereichs des Düsenlochkanals. Zwischen dem ersten und dem zweiten Kanalbereich hat der Düsenlochkanal bei einer Weiterbildung eine Stufe.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten des Düsenkopfes, des Ventilkörpers und des Fluid-Einspritzventils ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Gleichen oder funktionsgleichen Elementen sind identische Bezugszeichen zugeordnet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist es möglich, dass die Elemente nicht in allen Figuren mit ihrem Bezugszeichen versehen sind ohne jedoch ihre Zuordnung zu verlieren. Es zeigen:
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1 in einer perspektivische Darstellung schematisch eine Düsenlochscheibe eines Kraftstoffeinspritzventils gemäß dem Stand der Technik,
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2 in einer perspektivischen Darstellung schematisch die Düsenlochscheibe gemäß 1 mit Kraftstoffstrahlen während eines Einspritzvorganges,
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3 in einer perspektivischen Darstellung schematisch die Düsenlochscheibe mit einer Ablagerungsschicht,
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4 in einer Seitenansicht die Düsenlochscheibe gem. 1, mit einer Kraftstoffstrahlausbreitung zweier nebeneinander angeordneter Düsenlöcher, sowie sich im Bereich der Kraftstoffstrahlen einstellende Bereichsdrücke ohne Rückströmung,
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5 in einer Seitenansicht die Düsenlochscheibe gem. 1, mit einer Kraftstoffstrahlausbreitung zweier nebeneinander angeordneter Düsenlöcher, sowie sich im Bereich der Kraftstoffstrahlen einstellende Bereichsdrücke mit Rückströmung von Kraftstoffdämpfen,
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6 in einem Ausschnitt eine vergrößerte Darstellung der Düsenlochscheibe gem. 5, mit rückströmenden Kraftstofftröpfchen,
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7 in einer perspektivischen Darstellung schematisch einen Düsenkopf eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils,
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8 in einem Ausschnitt eine Seitenansicht der Düsenlochscheibe des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils, mit einer Kraftstoffstrahlausbreitung, sowie sich im Bereich der Kraftstoffstrahlen einstellende Bereichsdrücke,
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9 in einem Ausschnitt die Düsenlochscheibe des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils in einer ersten Variante, und
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10 in einem Ausschnitt die Düsenlochscheibe des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils in einer zweiten Variante.
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Die Düsenlochscheibe eines Kraftstoffventils des Standes der Technik ist gemäß 1 ausgebildet, wobei das Kraftstoffeinspritzventil als so genannter Multistream Injector ("Mehrstrahl-Injektor") ausgebildet ist, das heißt, die Düsenlochscheibe 10 weist mehrere Düsenlochkanäle 12 auf, wobei der Düsenlochkanal 12 die Düsenlochscheibe 10 vollständig durchdringend ausgebildet ist.
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Das Kraftstoffeinspritzventil umfasst einen nicht näher dargestellten Ventilkörper mit einer Längsachse 14, wobei an einem ersten Ende des Ventilkörpers eine nicht näher dargestellte Zufuhrvorrichtung zur Zuführung eines Fluids, in der Regel Kraftstoff für Verbrennungskraftmaschinen, ausgebildet ist.
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An einem vom ersten Ende abgewandt ausgebildeten zweiten Ende des Ventilkörpers ist der Düsenkopf 11 mit der Düsenlochscheibe 10 zur Zerstäubung des Fluids angeordnet. Die Düsenlochscheibe 10 weist eine vom ersten Ende abgewandt ausgebildete Stirnfläche 16 auf.
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Der Düsenlochkanal 12 weist an einem ersten Kanalende 18 eine Eintrittsfläche 22 (s. 9 und 10) und an einem vom ersten Kanalende 18 abgewandt angeordneten zweiten Kanalende 20 eine Austrittsfläche 24 auf, wobei die Eintrittsfläche 22 an einer von der Stirnfläche 16 abgewandt ausgebildeten Innenfläche 26 der Düsenlochscheibe 10 ausgebildet ist. Zwischen der Innenfläche 26 und der Stirnfläche 16 liegt ein sich in Richtung der Längssachse 14 erstreckender erster axialer Abstand W1 vor.
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Die Düsenlochscheibe 10 ist in dem Düsenkopf 11 des Kraftstoffeinspritzventils aufgenommen. Der Düsenkopf 11 ist an dem zweiten Ende des Kraftstoffeinspritzventils positioniert, welches in einem nicht näher dargestellten Brennraum einer nicht näher dargestellten Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist. Das bedeutet, dass Kraftstoff, welcher mit Hilfe der Kraftstoffeinspritzdüse der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird, direkt in den Brennraum eingespritzt wird. Insbesondere ist es wichtig für einen optimalen, d.h. effizienten und emissionsarmen Betrieb des Verbrennungskraftmaschine, dass der Kraftstoff mit Hilfe der Kraftstoffeinspritzdüse fein zerstäubt – d.h. in sehr feinen Tröpfchen – dem Brennraum zugeführt wird. Diese feine Zerstäubung führt zu einer schnellen Kraftstoffaufbereitung, d.h. einer Gemischbildung zwischen dem in den Brennraum eingespritzten Kraftstoff und einer im Brennraum bereits vorhandenen und in der Regel teilweise komprimierten Verbrennungsluft.
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Insbesondere die Kraftstoffaufbereitung bei einer als Ottomotor oder Benzinmotor ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine stellt hohe Ansprüche an die feine Zerstäubung. Denn diese Art der Verbrennungskraftmaschine funktioniert basierend auf einer so genannten Fremdzündung, d.h. eine mit Hilfe der Gemischbildung im Brennraum vorliegendes Kraftstoff-Luftgemisch wird mit Hilfe einer Zündkerze entflammt. Diese Form der Zündung erfordert ein homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch, damit eine vollständige Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches herbeigeführt werden kann. Da dies in sehr kurzer Zeit innerhalb eines Einspritzzyklus erforderlich ist, besteht die Notwendigkeit einer feinen Zerstäubung mit Hilfe des Kraftstoffeinspritzventils.
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Eine ebenso hohe Anforderung an eine feine Zerstäubung des Kraftstoffes ist auch bei einer als Dieselmotor ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine gegeben. Das im Brennraum einer als Dieselmotor ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine vorliegende Luft-Kraftstoffgemisch wird aufgrund einer so genannten Selbstzündung verbrannt. D.h. die Zündung erfolgt hier aufgrund hoher Temperaturen im Brennraum, welche durch einen hohen Kompressionsdruck erzielbar ist. Das Luft-Kraftstoffgemisch entzündet sich an unterschiedlichen Stellen, den so genannten Zündherden, im Brennraum, und die Verbrennung schreitet aufgrund einer ansteigenden Temperatur und ansteigendem Druck im Luft-Kraftstoffgemisch fort. Hier führt eine unzureichende Verbrennung zu einer sogenannten Rußbildung, welche mit Hilfe einer feinen Zerstäubung vermieden werden kann.
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Die feine Zerstäubung ist erzielbar mit mehreren an der Düsenlochscheibe 10 ausgebildeten Düsenlochkanälen 12. Grundsätzlich ist eine Feinheit der Zerstäubung abhängig vom Durchmesser des Düsenlochkanals 12 und vom Kraftstoffdruck. Je kleiner der Durchmesser des Düsenlochkanals 12 bzw. der Durchmesser der Austrittsfläche 24 und je höher der Druck umso feiner die Zerstäubung. Es ist zu berücksichtigen, dass eine einzuspritzende Kraftstoffmasse allerdings auch abhängig ist von dem Durchmesser des Düsenlochkanals 12. D. h. wiederum je kleiner die Austrittsfläche 24 desto geringer ist die Kraftstoffmasse pro Austrittsfläche 24. Somit ist eine Anzahl der Düsenlochkanäle 12 zur Erzielung der gewünschten einzuspritzenden Kraftstoffmasse zu berücksichtigen. An dieser Stelle soll nicht unerwähnt bleiben, dass ebenso maßgeblich für eine feine Zerstäubung ein sogenannter Einspritzdruck ist.
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Damit eine Zerstäubung realisierbar ist, sind die Düsenlochkanäle 12 die Düsenlochscheibe 10 vollständig durchdringend in die Düsenlochscheibe 10 eingebracht. Bei einem Einspritzvorgang werden die Eintrittsflächen 22 der Düsenlochkanäle 12 mit Hilfe einer nicht näher dargestellten Düsennadel freigegeben, so dass der sich in einem Ventilkörper des Kraftstoffeinspritzventils befindliche Kraftstoff über die Austrittsflächen 24 unter einem entsprechenden Einspitzdruck dem Ventilkörper entströmt.
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2 zeigt schematisch aus den Austrittsflächen 24 entströmender Kraftstoff in Form von Kraftstoffstrahlen 28 während eines Einspritzvorganges. Gesetzen der Fluidmechanik entsprechend entströmt der Kraftstoff aus einem Düsenlochkanal 12 unter Bildung eines Kraftstoffkegels.
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Problematisch ist, dass sich nach mehreren Arbeitsspielen des Verbrennungsmotors, d.h. nach mehreren Zündungen und entsprechenden Verbrennungen, eine feste und rußartige Ablagerung 30 im Bereich der Austrittsquerschnittflächen 24 bilden kann, wie beispielhaft in 3 gezeigt ist.
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Diese Ablagerung 30 ist ein Resultat eines im Bereich des Kraftstoffstrahls 28 während eines Einspitzvorganges anliegenden Druckverhältnisses. Zur Erläuterung ist in 4 eine Seitenansicht der Düsenlochscheibe 10 gemäß dem Stand der Technik dargestellt. In einer Umgebung zweier aus jeweils einer Düsenöffnung austretender Kraftstoffstrahlen stellen sich in unterschiedlichen Bereichen der Kraftstoffstrahlen unterschiedliche Drücke ein, im Folgenden als Bereichsdrücke bezeichnet.
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Durch das Ausströmen des Kraftstoffes aus den Austrittsflächen 24, wird in einem Austrittsbereich des Kraftstoffes Umgebungsluft angesaugt. Mit anderen Worten wird die im Bereich des Kraftstoffstrahls 28 befindliche Umgebungsluft vom Kraftstoffstrahl 28 mitgerissen.
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Das bedeutet, dass sich in einem Saugbereich, welcher sich an der Stirnfläche 16 im Bereich der Austrittsfläche 24 befindet, ein niedrigerer erster Bereichsdruck p1 einstellt als in einem von der Austrittsfläche 24 entfernten Umgebungsbereich, in welchem ein zweiter Bereichsdruck p2 herrscht, s. 4 und 5. Insbesondere ist in einem zwischen den Kraftstoffstrahlen 28 ausgebildeten Innenbereich 32 ein dritter Bereichsdruck p3 ausgebildet, welcher gegenüber dem ersten Bereichsdruck p1 und dem zweiten Bereichsdruck p2 stark verringert ist, und einen extremen Unterdruck darstellt. Dieser gegenüber den anderen Bereichsdrücken stark verringerter dritte Bereichsdruck p3 stellt sich im Innenbereich 32 ein, da hier keine oder nur wenig Umgebungsluft bzw. Verbrennungsluft nachströmen kann.
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Als eine Folge dieses dritten Bereichsdruck p3 können Turbulenzen zwischen abströmender Umgebungsluft und rückströmender Kraftstoffdämpfe hervorgerufen werden. Eine Rückströmrichtung ist mit Hilfe des Rückströmpfeils 36 im Innenbereich 32 zwischen den Kraftstoffstrahlen 28 der 5 angedeutet. Die Kraftstoffdämpfe bilden sich aufgrund hoher Brennraumtemperaturen bereits beim Einspritzvorgang aus. Mit anderen Worten liegt der Kraftstoff während des Einspritzvorgangs in einem flüssigen Aggregatzustand und einem dampfförmigen Aggregatzustand vor.
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Das bedeutet mit anderen Worten, dass aus der Austrittsfläche 24 austretender Kraftstoff sich üblicherweise und überwiegend in Richtung des Richtungspfeils y von der Stirnfläche 16 entfernt. Allerdings kommt es aufgrund des Unterdruckes p3, welcher sich im Innenbereich 32 zwischen den Kraftstoffstrahlen 28 ausbildet, zu einer Rückströmung eines Kraftstoffdampf-Kraftstofftröpfchen-Gemisches. Dieses lagert sich an der Stirnfläche 16 an.
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Die aufgrund der Turbulenzen rückströmenden Kraftstoffdämpfe können mit Kraftstofftröpfchen 34 durchmischt sein, s. 6. Diese Kraftstofftröpfchen 34 werden dann in Richtung der Stirnfläche 16 der Düsenlochscheibe 10 beschleunigt und lagern sich im Bereich der Austrittsflächen 24 an der Stirnfläche 16 ab. Mit anderen Worten weisen zumindest teilweise die sich im Innenbereich 32 befindlichen Kraftstoffteilchen eine Strömungsrichtungsumkehr auf. Diese Strömungsrichtungsumkehr reduziert sich mit Steigerung einer Austrittsgeschwindigkeit des Kraftstoffes aus den Austrittsflächen 24, welche mit Hilfe einer Steigerung des Einspitzdruckes realisierbar ist, da mit zunehmender Austrittsgeschwindigkeit der dritte Bereichsdruck p3 nicht mehr ausreichend groß ist, die Kraftstofftröpfchen in Richtung der Stirnfläche 16 zu beschleunigen.
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Die Düsenlochscheibe 10 des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils ist gemäß 7 ausgebildet. Der Düsenlochkanal 12 weist einen Düsenlochvorsprung 25 mit einer Kanalwandung 40 auf, mit deren Hilfe die Austrittsfläche 24 von der Stirnfläche 16 in Richtung von der Innenfläche 26 weg beabstandet vorliegt.
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Der Düsenlochvorsprung 25 ist vorliegend in einem ersten axialen Abstand W1 von der Eintrittsfläche 22 positioniert. Im Bereich des Düsenlochvorsprungs 25 ist über einen Umfang des Düsenlochskanals 12 die Kanalwandung 40 ausgebildet, welche eine sich ausgehend von der Stirnfläche 16 in Richtung der Längsachse 14 erstreckende Wandungshöhe h aufweist.
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Somit entspricht das zweite Kanalende 20 einem von der Stirnfläche 16 abgewandt ausgebildeten Kanalwandungsende 46 der Kanalwandung 40.
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Das heißt mit andern Worten, die Kanalwandung 40 des Düsenlochs 25 erstreckt sich vorliegend von einer mit der Stirnfläche 16 gemeinsamen Ebene den Düsenlochkanal 12 umfassend, derart dass ihre axiale Erstreckung ausgehend von der Stirnfläche 16 in Richtung des Kraftstoffstrahls 28 ausgebildet ist.
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Das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils weist eine Kanalwandung 40 auf, welche hohlkegelstumpfförmig ausgebildet ist. Die hohlkegelstumpfförmig ausgebildete Kanalwandung 40 hat eine konisch sich verjüngende und im Bereich des Düsenlochvorsprungs 25 vollständig lateral um den Düsenlochkanal 12 umlaufende innere Umfangsfläche, so dass die Austrittsfläche 24 kleiner ausgebildet ist als eine stromaufwärts im Abstand h von der Austrittsfläche 24 positionierte Kanalquerschnittsfläche des Düsenlochs 25, die den in den Figuren eingezeichneten Durchmesser d hat.
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In einer Variante des Ausführungsbeispiels hat die innere Umfangsfläche die Gestalt eines Zylindermantels, insbesondere eines Kreiszylindermantels. In einem nicht näher dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel ist die Kanalwandung 40 hohlzylinderförmig ausgebildet.
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Die Wandungshöhe h ist so ermittelt, dass dem Innenbereich 32 in der Menge Umgebungsluft zugeführt werden kann, wie sie bei einem Ausströmen des Kraftstoffs aus der Austrittsfläche 24 gemäß dem Prinzip der Wasserstrahlpumpe mitgerissen wird.
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Zwischen zwei gegenüberliegend angeordneten Düsenlochkanälen 12, 13, d. h. zwischen einem Düsenlochkanal 12 und einem weiteren Düsenlochkanal 13, ist ein freier radialer Abstand D ausgebildet.
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Unter dem freien radialen Abstand D ist der Abstand zwischen dem Düsenlochkanal 12 und dem weiteren Düsenlochkanal 13 zu verstehen, welcher zwischen zwei nebeneinander angeordneten Kanalwandungen 40 ausgebildet ist. Der freie radiale Abstand D ist der Abstand zwischen dem Düsenlochkanal 12 und dem weiteren Düsenlochkanal 13, welcher in einem entlang der Längsachse 14 axialen Abstand von der Stirnfläche 16 bestimmt ist und der Wandungshöhe h entspricht.
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Dabei gilt zu beachten, dass der freie radiale Abstand D vorliegend entlang eines Durchmessers der Düsenlochscheibe 10 zu ermitteln ist. Dies kann angenommen werden, da üblicherweise die Düsenlochscheibe 10 einen kreisförmig ausgebildeten Umfang aufweist. Sofern allerdings die Düsenlochscheibe 10 keinen kreisförmigen Umfang aufweist und/oder eine Anordnung der Düsenlochkanäle nicht symmetrisch um einen Mittelpunkt der Düsenlochscheibe 10 positioniert sind, ist der freie radiale Abstand D zwischen zwei sich gegenüberliegenden Düsenlochkanälen 12 zu bestimmen.
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Die Wandungshöhe h lässt sich in Abhängigkeit des radialen Abstandes D bestimmen zu:
h ≥ 1/4·D.
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Wie in 7 dargestellt, ist somit zwischen jeweils zwei benachbarten Düsenlochkanälen 12 ein schneisenartiger Strömungskanal 41 ausgebildet. Damit dieser Strömungskanal 41 für eine ausreichende Luftzufuhr in den Innenbereich 32 ausgestaltet ist, ist eine Kanalwanddicke 42 der Kanalwandung 40 bei der Bestimmung der Wandungshöhe h zusätzlich zu berücksichtigen. Das bedeutet, dass die Wandungshöhe h größer als ein Viertel des radialen Abstandes D zu wählen ist. Ist beispielweise der radiale Abstand D zwischen den Düsenlochkanälen 12 6 mm, ergibt sich eine Wandungshöhe h von 1,5 mm. Damit nun ein ausreichend großer Strömungskanal 41 geschaffen werden kann, ist die Wandungshöhe h zu ca. 2 mm zu bestimmen.
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Wie in den 8 bis 10 dargestellt, hat der Düsenlochvorsprung 25 eine äußere Umfangsfläche 44. Diese äußere Umfangsfläche 44 hat bei dem Ausführungsbeispiel der 9 eine in einem Längsschnitt rampen-förmige Kontur 45. Gemäß 10 ist diese Kontur 45 abgerundet rampenartig, d.h. in Gestalt einer gekrümmten, stetig differenzierbaren Funktion ausgebildet.
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Wie in den 9 gezeigt, ist der Düsenlochkanal 12 in einem alternativen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils in Form eines gestuften Lochs ausgebildet, so dass der Düsenlochkanal 12 unterschiedliche Kanaldurchmesser aufweist. Der Kanaldurchmesser d1 in einem von der Eintrittsfläche 22 zugewandt ausgebildeten ersten Kanalbereich ist kleiner als ein zweiter Kanaldurchmesser d2 eines der Austrittsfläche 24 zugewandt ausgebildeten zweiten Kanalbereichs des Düsenlochkanals 12, so dass der erste Kanalbereich eine kleinere Querschnittsfläche hat als der zweite Kanalbereich. Zwischen dem ersten und dem zweiten Kanalbereich hat der Düsenlochkanal 12 eine Stufe. Vorliegend erstreckt sich der zweite Kanalbereich in axialer Richtung vom Düsenlochvorsprung 25 über die Stirnfläche 16 hinaus in Richtung zur Innenfläche 26 hin.
