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Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Düsenkörper für ein Fluid-Einspritzventil und ein Fluid-Einspritzventil.
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Fluid-Einspritzventile werden für die Einspritzung von Kraftstoff in Verbrennungsmotoren verwendet. Dabei kann Kraftstoff aus dem Düsenkörper des Fluid-Einspritzventils direkt in einen Brennraum des Verbrennungsmotors eingespritzt werden.
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Beispielsweise aus der
DE 199 37 961 A1 ist bekannt, Form, Größe und Kontur des Austrittsbereichs eines Durchgangslochs in einem Ventilsitz abweichend vom restlichen Bereich des Durchgangslochs auszugestalten, um einen großen Variantenrahmen bezüglich der Durchflüsse, Strahlwinkel und Spray-Eigenschaften zu erzielen.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen verbesserten Düsenkörper für ein Fluid-Einspritzventil anzugeben, mit dem insbesondere eine besonders emmissionsarme Verbrennung erzielbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Düsenkörper gemäß dem unabhängigen Anspruch erzielt. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Düsenkörpers und des Fluid-Einspritzventils sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Düsenkörper für ein Fluid-Einspritzventil offenbart. Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Fluid-Einspritzventil mit dem Düsenkörper offenbart. Bei dem Fluid-Einspritzventil handelt es sich insbesondere um ein Kraftstoffeinspritzventil, vorzugsweise um ein Benzin- oder Dieseleinspritzventil. Das Fluid-Einspritzventil ist vorzugsweise für die Einspritzung von Kraftstoff direkt in den Brennraum eines Verbrennungsmotors ausgelegt.
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Der Düsenkörper ist hohl. Mit anderen Worten hat er eine Wandung, deren Innenfläche ein Sackloch definiert. Bei einer Ausführungsform hat das Fluid-Einspritzventil einen Ventilkörper, der einen Fluideinlassbereich des Einspritzventils mit einem Fluidauslassbereich des Einspritzventils hydraulisch verbindet. Der Düsenkörper ist vorzugsweise im Fluidauslassbereich angeordnet. Insbesondere ist er fest mit dem Ventilkörper verbunden – zum Beispiel ist er in den Ventilkörper eingesetzt – oder er ist einstückig mit dem Ventilkörper ausgeführt. Vorzugsweise schließt er den Ventilkörper austrittsseitig ab.
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Der Düsenkörper hat mindestens einen Einspritzkanal, der die Wandung von der Innenfläche bis zu einer Außenfläche der Wandung durchdringt. Die Außenfläche der Wandung ist dabei insbesondere diejenige Fläche der Wandung, die im Betrieb des Fluid-Einspritzventils dem Brennraum zugewandt ist und insbesondere zumindest stellenweise im Brennraum freiliegt.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung hat der Düsenkörper eine Mehrzahl von Einspritzkanälen, die insbesondere gleichartig aufgebaut sind. Der Einfachheit halber erfolgt die nachfolgende Beschreibung nur anhand eines Einspritzkanals wo dies zweckmäßig erscheint, auch wenn der Düsenkörper mehrere Einspritzkanäle aufweist. Die beschriebenen Merkmale können in diesem Fall jedoch an mehreren oder allen der Einspritzkanäle verwirklicht sein.
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Der Einspritzkanal hat einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt, der dem ersten Abschnitt stromabwärts nachfolgt. Der zweite Abschnitt erstreckt sich von einer Austrittsöffnung des Einspritzkanals, die in der Außenfläche angeordnet ist, zu einer Bodenfläche des zweiten Abschnitts hin. Der erste Abschnitt erstreckt sich von einer Mündungsöffnung in der Bodenfläche des zweiten Abschnitts in Richtung zu einer Eintrittsöffnung des Einspritzkanals, die in der Innenfläche der Wandung angeordnet ist, hin. Vorzugsweise erstreckt sich der erste Abschnitt von der Mündungsöffnung in der Bodenfläche des zweiten Abschnitts bis zur Eintrittsöffnung des Einspritzkanals in der Innenfläche der Wandung des Düsenkörpers. Die Bodenfläche verläuft insbesondere ringförmig um die Mündungsöffnung herum. Auf diese Weise ist mittels der Bodenfläche im Einspritzkanal eine Stufe gebildet. Mit anderen Worten vergrößert sich der Querschnitt des Einspritzkanals an dem von der Bodenfläche gebildeten Übergang vom ersten Abschnitt zum zweiten Abschnitt stufenförmig in stromabwärtiger Richtung.
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Dabei ist die Differenz zwischen dem Äquivalentdurchmesser der Austrittsöffnung und dem Äquivalentdurchmesser der Mündungsöffnung kleiner oder gleich 40 µm, wobei insbesondere sowohl der Äquivalentdurchmesser der Austrittsöffnung als auch der Äquivalentdurchmesser der Bodenfläche größer sind als der Äquivalentdurchmesser der Mündungsöffnung. Bei einer Weiterbildung ist die Differenz größer oder gleich 5 µm. Vorzugsweise hat sie einen Wert zwischen 10 µm und 30 µm, wobei die Grenzen eingeschlossen sind. Die Länge des zweiten Abschnitts hat bei einer vorteilhaften Ausgestaltung einen Wert zwischen 10 µm und 200 µm, wobei die Grenzen eingeschlossen sind.
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Unter dem Äquivalentdurchmesser wird im vorliegenden Zusammenhang im Fall einer kreisförmigen Bodenfläche bzw. einer kreisförmigen Mündungsöffnung bzw. einer kreisförmigen Austrittsöffnung der jeweilige Durchmesser verstanden. Falls die Gestalt der Mündungsöffnung bzw. der Austrittsöffnung von einer Kreisform abweicht ist der Äquivalentdurchmesser der Durchmesser des projektionsflächengleichen Kreises. Falls die Gestalt der Außenkontur der Bodenfläche von einer Kreisform abweicht ist der Äquivalentdurchmesser der Durchmesser des projektionsflächengleichen Kreises in Bezug auf die von der Außenkontur der Bodenfläche umschlossene Fläche. Anders ausgedrückt handelt es sich um den Durchmesser derjenigen Kreisfläche, die den gleichen Flächeninhalt hat wie die von der Außenkontur der Bodenfläche umschlossene Fläche bzw. wie die Mündungsöffnung bzw. wie die Austrittsöffnung. Der Flächeninhalt der von der Außenkontur der Bodenfläche umschlossenen Fläche ist dabei insbesondere die Summe der Flächeninhalte von Bodenfläche und Mündungsöffnung.
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Mit Vorteil ist mittels des zweiten Abschnitts eine im Verhältnis zu seinem Durchmesser besonders geringe Länge des ersten Abschnitts des Einspritzkanals erzielbar. Auf diese Weise ist zum Beispiel eine besonders geringe Eindringtiefe des aus dem Einspritzkanal abgegebenen Kraftstoffsprühnebels in den Brennraum des Verbrennungsmotors erzielbar. Dabei ist die Temperatur an der Mündungsöffnung besonders gering, wobei die Temperatur umso geringer sein kann, je geringer der Äquivalentdurchmesser der Bodenfläche und je größer die Länge des zweiten Abschnitt ist. Mit dem vorliegenden Düsenkörper ist eine besonders große Reinigungswirkung im Spritzloch erzielbar, zum Beispiel durch Kavitation.
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Aufgrund der Dimensionierung des zweiten Abschnitts wird dieser während jedes Einspritzvorgangs durch Kraftstoff gereinigt, der durch den Einspritzkanal hindurch abgegeben wird. So ist die Gefahr besonders gering, dass sich im zweiten Abschnitt bzw. an der Austrittsöffnung des Einspritzkanals Ablagerungen bilden, welche zu unerwünschter Partikelemission führen. Die Gefahr einer unerwünschten Reduktion des Fluid-Durchflusses durch den Einspritzkanal im Verlauf der Lebensdauer des Düsenkörpers – beispielsweise durch die Verringerung seines Querschnitts aufgrund der Ablagerungen – ist so ebenfalls besonders gering.
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Bei einer Ausführungsform vergrößert sich der Querschnitt des ersten Abschnitts in Richtung von der Eintrittsöffnung zur Mündungsöffnung hin. Beispielsweise vergrößert er sich konisch, d.h. der erste Abschnitt hat eine kegelstumpfförmige Gestalt. Bei einer alternativen Ausführungsform hat der erste Abschnitt eine zylindrische Gestalt.
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Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform verjüngt sich der erste Abschnitt in Richtung von der Eintrittsöffnung zur Mündungsöffnung hin. Insbesondere verjüngt er sich konisch. Bei einer Weiterbildung hat er die Gestalt eines Kegelstumpfs, dessen Deckflächen von der Eintrittsöffnung des Einspritzkanals und der Mündungsöffnung gebildet sind. Auf diese Weise ist eine besonders geringe Eindringtiefe des Fluid-Sprühnebels erzielbar.
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Bei einer weiteren Ausführungsform hat der zweite Abschnitt eine zylindrische Gestalt. Alternativ kann sich sein Querschnitt von der Bodenfläche in Richtung zur Austrittsöffnung hin vergrößern.
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Bei einer alternativen Ausführungsform verjüngt sich der zweite Abschnitt in Richtung zur Austrittsöffnung hin. Auf diese Weise ist eine besonders effektive Wechselwirkung des Fluids mit der Wandfläche des zweiten Abschnitts erzielbar.
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Bei einer Ausführungsform hat der Düsenkörper eine Längsachse und weist eine Mehrzahl von Einspritzkanälen auf, die um die Längsachse herum in der Wandung verteilt sind. Insbesondere sind die Einspritzkanäle von der Längsachse beabstandet. Sie können in gleichen Winkelabständen voneinander um die Längsachse herum angeordnet sein und/oder in Richtung der Längsachse an der gleichen axialen Position angeordnet sein. Je nach der gewünschten Gestalt des vom Düsenkörper abgegebenen Fluid-Sprühnebels ist auch eine andere, beispielsweise asymmetrische Anordnung der Einspritzkanäle vorstellbar. Die Einspritzkanäle haben bei einer Weiterbildung eine Längsmittelachse, die um etwa 30° gegenüber der Längsachse geneigt ist. Beispielsweise hat die Neigung einen Wert zwischen 20° und 40°, wobei die Grenzen eingeschlossen sind.
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Bei einer Ausführungsform hat die Länge des Einspritzkanals einen Wert zwischen 0,25 mm und 0,5 mm, z. B. von 0,36 mm. Bei einer weiteren Ausführungsform hat der Äquivalentdurchmesser der Mündungsöffnung einen Wert zwischen 0,1 mm und 0,28 mm, beispielsweise einen Wert von 0,15 mm oder 0,2 mm. Bei den Wertebereichen sind die Grenzen jeweils eingeschlossen.
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Bei einer Ausführungsform hat das Fluid-Einspritzventil ein bewegliches Schließelement, das mit einem Ventilsitz an der Innenfläche der Wandung des Düsenkörpers zusammenwirkt, so dass in einer Schließstellung, in der das Schließelement am Ventilsitz anliegt, Fluidfluss durch den mindestens einen Einspritzkanal verhindert wird und in anderen Stellungen des Schließelements freigegeben wird. Das Schließelement ist insbesondere an der Spitze einer Düsennadel des Fluid-Einspritzventils angeordnet.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Düsenkörpers und des Fluid-Einspritzventils ergeben sich aus dem folgenden, im Zusammenhang mit den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel.
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Es zeigen:
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1 einen Längsschnitt eines Fluid-Einspritzventils gemäß einem Ausführungsbeispiel und
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2 einen schematischen Längsschnitt eines Ausschnitts eines Düsenkörpers des Fluid-Einspritzventils der 1.
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Im Ausführungsbeispiel und in den Figuren sind gleichartige, gleichwirkende oder identische Bestandteile mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der darin dargestellten Elemente sind grundsätzlich nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Bestandteile zum besseren Verständnis oder für eine bessere Darstellbarkeit übertrieben groß dargestellt sein.
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1 zeigt ein Fluid-Einspritzventil 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei dem Fluid-Einspritzventil 1 handelt es sich vorliegend um ein Kraftstoffeinspritzventil zur direkten Einspritzung von Benzin in einen Brennraum eines Verbrennungsmotors.
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Das Fluid-Einspritzventil 1 hat eine Ventilbaugruppe 3 und einen elektromagnetischen Aktor 5. Die Ventilbaugruppe 3 weist einen mehrteiligen Ventilkörper 7 auf, der einen Kraftstoffeinlass des Fluid-Einspritzventils 1 hydraulisch mit einem Kraftstoffauslass des Fluid-Einspritzventils 1 verbindet.
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Ein Düsenkörper 10 ist auslassseitig im Ventilkörper 7 aufgenommen und schließt den Ventilkörper 7 ab. Der Düsenkörper 10 hat eine Wandung 20 mittels der ein Sackloch 30 gebildet ist. Mit anderen Worten ist der Düsenkörper hohl und hat eine vom Sackloch 30 gebildete, im Betrieb des Fluid-Einspritzventils 1 Kraftstoff führende Kavität. Die Wandung 20 hat eine Innenfläche 210, die das Sackloch 30 des Düsenkörpers 10 begrenzt und eine vom Sackloch 30 abgewandte Außenfläche 220. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel stellt die Außenfläche 220, oder zumindest ein Teil davon, im Betrieb des Fluid-Einspritzventils 1 eine Grenzfläche zwischen dem Fluid-Einspritzventil 1 und dem Brennraum dar, in welchen das Fluid-Einspritzventil 1 Kraftstoff einspritzt.
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Die Wandung 20 ist von mindestens einem Einspritzkanal 40 durchdrungen. Mit anderen Worten ist das Sackloch 30 an einem axialen Ende des Düsenkörpers 10 durch die Wandung 20 bis auf den Einspritzkanal 40 oder die Einspritzkanäle 40 abgeschlossen.
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Die Ventilbaugruppe 3 des Fluid-Einspritzventils 1 weist zudem eine gegenüber dem Düsenkörper 10 bewegliche Ventilnadel 9 auf, die an ihrem stromabwärtigen Ende ein Schließelement 15 hat. Das Schließelement 15 wirkt mit einem Ventilsitz 215 an der Innenfläche 210 der Wandung 20 des Düsenkörpers 10 zusammen um in einer Schließstellung des Schließelements 15 Fluidfluss durch den mindestens einen Einspritzkanal 40 zu verhindern und in anderen Stellungen den Fluidfluss freizugeben. In der Schließstellung liegt das Schließelement 15 am Ventilsitz 215 an.
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2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung des Düsenkörpers 10. Es handelt sich genauer um einen Längsschnitt entlang einer Längsachse 12 des Düsenkörpers 10, wobei zur Vereinfachung der Darstellung der Teil des Düsenkörpers 10, der in der Schnittebene der 1 rechts von der Längsachse 12 liegt, weggelassen ist. Die Wandung 20 des Düsenkörpers 10 hat vorliegend eine bezüglich der Längsachse 12 rotationssymmetrische Grundform.
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Vorliegend hat der Düsenkörper 10 eine Mehrzahl von Einspritzkanälen 40, beispielsweise hat er sechs Einspritzkanäle 40. Die Einspritzkanäle sind von der Längsachse 12 beabstandet und durchdringen die Wandung 20 von der Innenfläche 210 bis zur Außenfläche 220. Jeder Einspritzkanal 40 hat eine Mittelachse 45, die gegenüber der Längsachse 12 geneigt ist, beispielsweise um einen Winkel zwischen 20° und 40°, wobei die Grenzen eingeschlossen sind. Vorliegend beträgt der Neigungswinkel der Mittelachsen 45 zur Längsachse 12 etwa 30°.
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Die Einspritzkanäle 40 sind beispielsweise in gleichen Winkelabständen um die Längsachse 12 herum angeordnet. Andere Anordnungen, beispielsweise eine asymmetrische Verteilung um die Längsachse 12 herum und/oder andere sowie unterschiedliche Neigungswinkel sind ebenfalls denkbar. Der Düsenkörper 10 kann auch einen Einspritzkanal 40 aufweisen, der mit der Längsachse 12 überlappt.
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Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist jeder der Einspritzkanäle 40 aus einem ersten Abschnitt 410 und einem zweiten Abschnitt 420 zusammengesetzt. Der erste Abschnitt 410 erstreckt sich entlang der Mittelachse 45 von einer Eintrittsöffnung 412, welche in der Innenfläche 210 der Wandung 20 angeordnet ist, stromabwärts zu einer Mündungsöffnung 414 hin, die in einer Bodenfläche 424 des zweiten Abschnitts 420 angeordnet ist. Die Eintrittsöffnung 412 begrenzt den Einspritzkanal 40 und den ersten Abschnitt 410 zum Sackloch 30 hin.
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Der zweite Abschnitt erstreckt sich entlang der Mittelachse 45 von der Bodenfläche 424 stromabwärts zu einer Austrittsöffnung 422, die in der Außenfläche 220 der Wandung 20 angeordnet ist. Die Austrittsöffnung 422 begrenzt den Einspritzkanal 40 und den zweiten Abschnitt 420 an der Außenfläche 220, d.h. an der Außenseite des Düsenkörpers 10.
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Der erste Abschnitt 410 hat bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine kegelstumpfförmige Gestalt mit einem sich in Strömungsrichtung vergrößernden Querschnitt, d.h. der Durchmesser De der Eintrittsöffnung 412 ist kleiner als der Durchmesser Dm der Mündungsöffnung 414. Der zweite Abschnitt 420 hat bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine zylindrische Gestalt, d.h. die Bodenfläche 424 und die Austrittsöffnung 422 haben den gleichen Durchmesser Da. Dabei ist der Durchmesser Da um 10 µm bis 30 µm größer als der Durchmesser Dm der Mündungsöffnung 414, wobei der Durchmesser Dm der Mündungsöffnung 414 beispielsweise 0,2 mm beträgt. Die Länge L2 des zweiten Abschnitts 420 – das ist der Abstand zwischen der Austrittsöffnung 422 und der Bodenfläche 424 – beträgt zwischen 10 µm und 200 µm, beispielsweise zwischen 50 µm und 150 µm. Die Gesamtlänge L des Einspritzkanals 40 – das ist vorliegend die Summe aus der Länge L1 des ersten Abschnitts 410 und der Länge L2 des zweiten Abschnitts 420 – beträgt beispielsweise 0,36 mm.
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Die Erfindung ist durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele nicht auf diese beschränkt. Sie umfasst vielmehr jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen der Ausführungsbeispiele und Patentansprüche beinhaltet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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