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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spritzlochscheibe und ein Ventil. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Spritzlochscheibe für ein Ventil für ein strömendes Fluid und insbesondere für ein Dosier- oder Einspritzventil für eine Brennkraftmaschine sowie ein Ventil für ein strömendes Fluid und insbesondere ein Dosier- oder ein Spritzventil für eine Brennkraftmaschine.
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Bei Ventilen für strömende Fluide und insbesondere bei Dosier- oder Einspritzventilen für Brennkraftmaschinen wird bei bestimmten Ausführungsformen ein Ventilsitzkörper, welcher eine Ventilkammer abschließt, in Strömungsrichtung des Fluides eine sogenannte Spritzlochscheibe nachgeschaltet, welche mindestens ein Spritzloch aufweist, welches der Abgabe des Fluides aus der Ventilkammer in einen Abgaberaum hinein, zum Beispiel in eine Brennkammer oder dergleichen, dient.
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Oft wird dabei zur Aufbereitung die sogenannte Turbulenzzerstäubung des strömenden Fluides im Übergang vom Spritzloch der Spritzlochscheibe in den Abgaberaum des Fluides verwendet. Insbesondere bei vergleichsweise niedrigen Drücken kann dies zu einer inhomogenen Strahlverteilung und/oder zu vergleichsweise großen Tropfen führen, dies ist bei vielen Anwendungen nicht erwünscht oder sogar nachteilig.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Spritzlochscheibe mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass bei ihrem Einsatz in einem Ventil eine vergleichsweise homogene Verteilung der Tröpfchen im Zerstäubungskegel bei einer Verringerung der Tröpfchengröße erreicht werden kann. Dies wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 dadurch erreicht, dass eine Spritzlochscheibe für ein Ventil für ein strömendes Fluid und insbesondere für ein Dosier- oder Einspritzventil für eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, mit einem Scheibenkörper und einer im Scheibenkörper ausgebildeten Spritzlochanordnung, welche mit einer Mehrzahl Spritzlöcher zur Abgabe zugeführten Fluides als Spray ausgebildet ist, wobei die Spritzlöcher derart zu einer Geometrie der Spritzlochscheibe ausgebildet sind, dass im Betrieb durch Wechselwirkung mehrerer Paare von Einzelstrahlen aus den Spritzlöchern austretenden Fluides als Kollisionspaare entstehen und paarweise derart kollidierbar sind, dass aus jedem Paar Einzelstrahlen ein Strahlkegel des Sprays mit guter Aufbereitung formbar ist. Die erfindungsgemäßen Vorteile einer guten Zerstäubung bei homogener Strahlverteilung und reduzierter Tröpfchengröße im Zerstäubungskegel stellen sich insbesondere dadurch ein, dass die Geometrie der Spritzlochscheibe hinsichtlich der Spritzlöcher derart angepasst ist, dass im Betrieb durch Wechselwirkung mehrere Paare von Einzelstrahlen aus den Spritzlöchern austretenden Fluides als Kollisionspaare entstehen und paarweise derart kollidierbar sind, dass aus jedem Paar von Einzelstrahlen ein kombinierter Strahlkegel des Sprays mit guter Aufbereitung formbar ist.
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Im technischen Zusammenhang der vorliegenden Erfindung werden die Begriffe Zerstäubungskegel, Spraykegel und Spray synonym verwendet.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Spritzlochscheibe sind die Lochanordnung, die Lochausrichtung und/oder die Geometrie der Spritzlochscheibe derart ausgebildet, dass das ovale Querschnittsbild des Zerstäubungskegels oder Sprays (i) bei niedrigen Drücken im Bereich von etwa 3·105 Pa (3 bar) bis etwa 10·105 Pa (10 bar), (ii) mit einer homogenen Verteilung des Fluides im Spray und/oder (iii) mit einer reduzierten Tröpfchengröße des Sprays mit einem SMD-Wert von weniger als 80 μm erzeugbar ist. Auf diese Art und Weise sind auch Einsatzbereiche der erfindungsgemäßen Spritzlochscheibe und eines mit der Spritzlochscheibe ausgestatteten Ventiles möglich, bei welchen bisher nur vergleichsweise schlechtere Ergebnisse, zum Beispiel im Hinblick auf die Homogenität des Zerstäubungskegels und/oder die Verteilung der Tröpfchengrößen, erzielt werden konnten.
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Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spritzlochscheibe sind oder werden der Strahlwinkel und/oder die Auffächerung jedes der gebildeten Strahlkegel der Kollisionspaare durch Anpassung der Form und/oder der Neigungswinkel der den Kollisionspaaren zu Grunde liegenden einzelnen Spritzlöcher in der Spritzlochscheibe und/oder relativ zu einander eingestellt ist.
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Alternativ oder zusätzlich können gemäß einer anderen Ausgestaltungsform der Erfindung durch Anpassung der Form und/oder der Neigungswinkel der den Kollisionspaaren zu Grunde liegenden einzelnen Spritzlöcher in der Spritzlochscheibe und/oder relativ zu einander im Betrieb entstehende Strahlkegel von Kollisionspaaren zur Wechselwirkung bringbar und insbesondere miteinander verbindbar sein.
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Dabei kann dadurch insbesondere ein ovaler und/oder flacher kombinierter Strahlkegel erzeugbar sein.
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Um eine Berührung von Einzelstrahlen gegebenenfalls zu vermeiden, ist es bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Spritzlochscheibe vorgesehen, dass eine Mehrzahl von Spritzlöchern in der Spritzlochscheibe seitlich versetzt zu einer Mittelachse der Spritzlochscheibe ausgebildet ist.
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Die einem Kollisionspaar zu Grunde liegenden Spritzlöcher können in Bezug auf einander unterschiedliche Geometrien und/oder Ausrichtungen aufweisen.
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So ist es gemäß einer weiteren Alternative der erfindungsgemäßen Spritzlochscheibe vorgesehen, dass die einem Kollisionspaar zu Grunde liegenden Spritzlöcher in der Spritzlochscheibe von einem ersten Spritzloch und einem zweiten Spritzloch gebildet werden, das erste Spritzloch ein senkrechtes Loch ist, insbesondere mit einer Lochachse parallel zu einer Mittelachse der Spritzlochscheibe, und das zweite Spritzloch ein Loch mit einer um einen von null Grad verschiedenen Winkel zur Mittelachse der Spritzlochscheibe geneigten Lochachse ist.
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Alternativ oder zusätzlich dazu können jedoch (i) die einem Kollisionspaar zu Grunde liegenden Spritzlöcher in der Spritzlochscheibe von einem ersten Spritzloch und einem zweiten Spritzloch gebildet werden, (ii) das erste Spritzloch und das zweite Spritzloch Löcher sein mit um von null Grad verschiedenen Winkeln zur Mittelachse der Spritzlochscheibe geneigten Lochachsen, (iii) die Lochachsen des ersten Spritzloches und des zweiten Spritzloches so geneigt sein, dass sie einander schneiden. Dabei kann der Neigungswinkel der Lochachse des ersten Spritzloches insbesondere geringer sein als der Neigungswinkel des zweiten Spritzloches, jeweils relativ zur Mittelachse der Spritzlochscheibe.
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Auch die Querschnittsform eines jeweiligen Spritzloches kann einer Variation unterworfen werden, um die Eigenschaften des kombinierten Sprays zu beeinflussen. So ist es bei einer anderen bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Spritzlochscheibe vorgesehen, dass ein jeweiliges Spritzloch (31) einen kreisförmigen oder einen nicht-kreisförmigen und insbesondere einen ovalen oder ellipsenförmigen Querschnitt aufweist.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Ventil für ein strömendes Fluid und insbesondere ein Dosier- oder Einspritzventil für eine Brennkraftmaschine. Erfindungsgemäß ist dieses Ventil mit einem einer Ventilkammer abschließenden Ventilsitzkörper mit einer Ventilöffnung und mit einer stromabwärts zum Ventilsitzkörper gelegenen Spritzlochscheibe ausgebildet. Die Spritzlochscheibe weist die erfindungsgemäß beschriebene Gestalt auf, so dass beim Einsatz des erfindungsgemäßen Ventils ein Zerstäubungskegel oder Spray mit einer vergleichsweise homogenen Verteilung und ggf. reduzierter mittlerer Tröpfchengröße entsteht, insbesondere nach Art eines flach ausgestalteten Zerstäubungskegels oder nach Art eines Flachsprays.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.
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1 ist eine schematische und geschnittene Seitenansicht eines Teils eines erfindungsgemäßen Ventils.
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2 und 3 zeigen in einer schematischen und geschnittenen Seitenansicht beziehungsweise in einer Draufsicht eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spritzlochscheibe mit einer 4-Loch-Geometrie.
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4 und 5 zeigen Ergebnisse der Anwendung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spritzlochscheibe mit zwei separaten Zerstäubungskegeln.
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6 bis 8 zeigen die Ergebnisse der Anwendung einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spritzlochscheibe, bei welcher die einzelnen Zerstäubungskegel zu einem gemeinsamen Spray vereint werden.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 8 Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.
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Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form von einander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
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1 zeigt in schematischer und geschnittener Seitenansicht einen Ausschnitt einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventiles 1 unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Spritzlochscheibe 10.
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Das Ventil 1 umfasst einen Ventilsitzträger 2, in dessen unteren Bereich der Ventilsitz 7 ausgebildet und über erste Befestigungsmittel 9-1 am Ventilsitzträger 2 befestigt ist. Ein Ventilglied 8 weist an seinem unteren Ende einen, hier kugelförmig ausgebildeten Schließkopf 5 auf, welcher gesteuert auf dem Ventilsitz 7 aufsitzen kann, um eine Ventilöffnung 6 gesteuert zu verschließen oder freizugeben. Der Ventilsitz 7 wird von einer konischen Fläche eines Ventilsitzkörpers 4 gebildet und weist an seinem unteren Ende die Ventilöffnung 6 auf. An der Stirnseite des Ventilsitzkörpers 4 und abgewandt von der Ventilöffnung 6 ist an der Außenseite des Ventilsitzkörpers 4 über zweite Befestigungsmittel 9-2 eine erfindungsgemäße Spritzlochscheibe 10 angebracht, welche einen Scheibenkörper 20 und eine Spritzlochanordnung 30 aufweist.
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Die Spritzlochscheibe 10 weist verschiedene Ausnehmungen auf, über welche einerseits mehrere Spritzlöcher 31-1, 31-2 der Spritzlochanordnung 30 ausgebildet sind.
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Das strömende Fluid 11 verlässt das Ventil 1 über ein jeweiliges Spritzloch 31-1, 31-2 jeweils in Form eines einzelnen Strahls 11-1, 11-2 der als Zerstäubungskegels auftritt und synonym auch als Spray oder Spraykegel bezeichnet werden kann.
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In der Oberseite 21 des Scheibenkörpers 20 ist eine Ausnehmung 33 ausgebildet, die im Zusammenwirken mit der Ventilkammer 6 als Vorkammer fungiert und das strömende Fluid 11 zur Verteilung auf die verschiedenen Spritzlöcher 31-1 und 31-2 aufnimmt.
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Bei der Ausführungsform gemäß 1 ist eines der Spritzlöcher 31-1 als senkrechtes Spritzloch ausgebildet, wogegen das zweite Spritzloch 31-2 ein geneigtes Spritzloch ist, so dass sich die gedachten Lochachsen der ersten und zweiten Spritzlöcher 31-1 beziehungsweise 31-2 schneiden. Dies führt in der Anwendung dazu, dass die einzelnen Strahlen 11-1 und 11-2 miteinander wechselwirken können und sich gegebenenfalls auch zu einem gemeinsamen Zerstäubungskegel 12-1, 12-2 des Sprays 12 vereinigen.
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Die 2 und 3 zeigen in schematischer und geschnittener Seitenansicht beziehungsweise in einer Draufsicht eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spritzlochscheibe 10, die ähnlich zu der Spritzlochscheibe 10 aus der 1 aufgebaut ist, wobei bei der Ausführungsform der 2 und 3 keine Ausnehmung 33 in der Oberseite 21 des Scheibenkörpers 20 zur Bildung einer Vorkammer ausgebildet ist.
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2 ist eine geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Spritzlochscheibe 10 mit 4-Loch-Geometrie, also mit zwei senkrechten ersten Spritzlöchern 31-1 und zwei geneigten zweiten Spritzlöchern 31-2.
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3 zeigt die Ansicht der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spritzlochplatte 10 aus 2 von unten, also mit Blick auf die Unterseite 22 des Scheibenkörpers 20 und also mit der Ansichtsrichtung III-III aus 2.
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Dagegen ist 2 der Schnitt in 3 entlang der Schnittebene II-II.
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Zu erkennen ist, dass die Spritzlochachse 35 des ersten und senkrechten Spritzloches 31-1 senkrecht auf der Unterseite 22 des Scheibenkörpers 20 steht. Dagegen ist die Spritzlochachse 36 des zweiten und geneigten Spritzloches 31-2 um einen Winkel 38 gegenüber der lateralen Mittelachse 16 durch die laterale Mitte 15 des Scheibenkörpers 20 und auch gegenüber der Spritzlochachse 35 des ersten Spritzloches 31-1 geneigt.
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Die Ausrichtung der ersten und zweiten Spritzlöcher 31-1 und 31-2 ist paarweise so gewählt, dass sich die Achsen 35 und 36 eines ersten Spritzlochpaares 39-1 einerseits und des zweiten Spritzlochpaares 39-2 andererseits treffen. Somit können ihre einzelnen Strahlen, das heißt die Zerstäubungskegel 12-1 und 12-2 des strömenden Fluides 11 nach Verlassen der Spritzlochscheibe 10 miteinander wechselwirken, um zum Beispiel einen gemeinsamen Zerstäubungskegel 12 zu bilden, der dann bestimmte geometrische Eigenschaften und Eigenschaften der Verteilung der Tröpfchen im Spray 12 aufweist. Die Spritzlöcher 31-1 und 31-2 sind auf einem Anordnungskreis 37 angeordnet.
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Die 4 und 5 zeigen eine Momentaufnahme bei der Verwendung einer erfindungsgemäßen Spritzlochscheibe mit 4-Loch-Geometrie, ähnlich der, wie sie in den 1 bis 3 dargestellt ist.
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Durch Wechselwirkung der Einzelstrahlen eines Spritzlochpaares 39-1 beziehungsweise 39-2 entstehen zwei kombinierte Zerstäubungskegel 12-1 und 12-2. Diese besitzen als kombinierte Zerstäubungskegel eine Aufweitung mit einem Winkel 43 und einem Winkelabstand 44 zwischen den beiden Zerstäubungskegeln 12-1 und 12-2.
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5 zeigt dabei die Strahlverteilung der einzelnen Zerstäubungskegel 12-1 und 12-2, wie sie etwa in der Ebene V-V aus 4 entstünde.
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Die 6 bis 8 zeigen, wie durch eine entsprechende geometrische Ausgestaltung der Gesamtheit sämtlicher vier Spritzlöcher 31-1, 31-2; 31-2, 31-2 der Spritzlochplatte 10 die einzelnen Zerstäubungskegel 12-1 und 12-2, wie sie separat in den 4 und 5 dargestellt sind, mit einander zu einem gemeinsamen Zerstäubungskegel 12 kombiniert werden können.
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In den 6 und 7 sind die Winkelausdehnungen 41 und 42 in der y-Richtung beziehungsweise in der x-Richtung zu erkennen.
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In 8 sind dem Kern nach noch die beiden einzelnen Zerstäubungskegel 12-1 und 12-2 in der Verteilung des kombinierten Zerstäubungskegels 12 in der Schnittebene VIII-VIII zu erkennen.
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Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:
Eine Zielsetzung der vorliegenden Erfindung besteht in der Verbesserung herkömmlicher Zerstäubungskonzepte.
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Herkömmliche Aufbereitungskonzepte, z.B. mit Turbulenzzerstäubung, führen bei niedrigen Drücken von 3 bar bis 10 bar zu inhomogenen Stahlverteilungen und/oder zu relativ großen Tröpfchengrößen z.B. mit SMD-Werten von ca. 80 μm bis 150 μm.
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Das erfindungsgemäße Konzept soll zu einer homogeneren Verteilung innerhalb der Spraykegel 12 und zu einer deutlichen Reduzierung der Tröpfchengrößen im Spray führen.
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Der erfindungsgemäße Ansatz beruht darauf, mehrere Strahlpaare aus Spritzlochpaaren 39-1, 39-2 so kollidieren zu lassen, dass zwei Strahlkegel 12-1, 12-2 mit guter Aufbereitung entstehen.
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In der Anwendung können entsprechend aufgebaute Mehrstrahlventile eingesetzt werden, um Motoren mit zwei Einlassventilen pro Zylinder mit Kraftstoff zu versorgen.
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Als weitere Anwendungsgebiete sind aber auch Ad-Blue-Dosierung (DNOX) und Wassereinspritzung zu möglich, bei denen ebenfalls flexible Strahlformen Einsetzbar sind.
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Ein Ansatzpunkt besteht z.B. darin, der Stahlwinkel 44 zwischen den beiden Strahlen 12-1, 12-2 und die Auffächerung 43 der beiden Einzelstrahlen z.B. über die Lochneigungswinkel in der Spritzlochscheibe 10 einzustellen.
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Auch sind ovale bzw. Flachstrahlen im kombinierten Spray 12 realisierbar, z.B. indem sich die einzelnen Strahlkegel 12-1, 12-2 miteinander verbinden.
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Dabei können die Spritzlöcher 31-1, 31-2 der kollidierenden Strahlen sind hierbei auf der Spritzlochschiebe 10 seitlich zu einer gedachten Mittelachse 16 versetzt sein, damit sich die Einzelstrahlen nicht berühren.
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Folgende Vorteile stellen sich erfindungsgemäß ein:
- (i) homogenes und feinzerstäubtes Spray,
- (ii) gute Zerstäubung, sogar bei niedrigen Drücken, z.B. im Vergleich zur Turbulenzzerstäubung,
- (iii) kostengünstiges Design der Spritzlochscheibe 10, die durch Stanzen oder Laserbohren hergestellt werden kann.
