-
Stand der Technik
-
Die Erfindung geht aus von einem Ventil zum Zumessen eines Fluids, insbesondere einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Hauptanspruchs.
-
Es ist bereits hinlänglich bekannt, an Brennstoffeinspritzventilen Ventilsitzkörper mit einem die Abspritzöffnungen umfassenden, kuppenartig in Abspritzrichtung nach außen stehenden Mittenbereich des Ventilsitzkörpers auszugestalten. Entweder handelt es sich dabei um eine Kegelkuppe mit einer konischen Mantelfläche im Mittenbereich (z.B.
DE 10 2013 219 027 A1 ) oder um eine Kugelkuppe mit einer sphärisch konvex nach außen verlaufenden Wölbung (z.B.
EP 2 333 306 A1 ). In beiden Fällen geht der kuppenartige Mittenbereich des Ventilsitzkörpers fließend und in stetigem Fortgang in eine ebene und flache Stirnfläche des Ventilsitzkörpers über. Bei solchen Brennstoffeinspritzventilen für die direkte Einspritzung von Brennstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine verlaufen die Abspritzöffnungen von der Innenkontur des die Abspritzöffnungen aufweisenden Bauteils, in der Regel des Ventilsitzkörpers, bis zu dessen Außenkontur als zylindrische oder einfach oder zweifach gestufte Bohrungen.
-
Vorteile der Erfindung
-
Das erfindungsgemäße Ventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine verbesserte Anströmung und höhere Lochfüllgrade der in einem Ventilsitzkörper eingebrachten Abspritzöffnungen mit dem Fluid, insbesondere einem Brennstoff erreicht werden. In vorteilhafter Weise wird die Kavitationsneigung am Eintritt der Abspritzöffnungen reduziert und die starke Strömungsumlenkung am Eintritt der Abspritzöffnungen effektiv kompensiert. Die Anströmung der Abspritzöffnungen wird homogenisiert, wodurch sich die Zerstäubung des Fluids, insbesondere des Brennstoffsprays weiter verbessern lässt. Erfindungsgemäß ist deshalb wenigstens eine Abspritzöffnung, idealerweise sind viele bzw. alle Abspritzöffnungen vorgesehen, die eine durch eine Vielzahl von Stufen gebildete, in Strömungsrichtung sich verjüngende Konizität aufweisen.
-
Erfindungsgemäß ist es möglich, über den Lochumfang gesehen und theoretisch auch über die Länge der Abspritzöffnungen unterschiedliche Konizitäten in ein und derselben Abspritzöffnung zu erreichen. Die Konizität über den Umfang kann auf beispielsweise unterschiedliche Lochneigungen und -ausrichtungen und damit unterschiedlich starke Strömungsumlenkungen angepasst werden.
-
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Ventils möglich.
-
Die Umsetzung der konischen Gesamtkontur über eine Stufung der Abspritzöffnungen erlaubt die Einführung einer Exzentrizität durch Achsversatz der einzelnen Stufen. In vorteilhafter Weise ist die Konizität damit asymmetrisch über den Lochumfang gesehen ausgeführt. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Abspritzöffnungen erlaubt es, die Konizität der Abspritzöffnungen auf der radial äußeren Seite der Strömungsablösung, also im Bereich der Kavitationsbildung, gezielt einzustellen. Gemäß der Erfindung wird es möglich, die Strömungsablösung mit geometrisch kleinerer Lochkonizität je nach Auslegungsgrad zu verringern oder ganz zu vermeiden.
-
In vorteilhafter Weise mündet die wenigstens eine mehrfach gestufte und konisch verlaufende Abspritzöffnung in stromabwärtiger Richtung gesehen in einer durchmessergrößeren Vorstufe, die z.B. zylindrisch ausgeführt ist. Entsprechend können hier die Vorteile von Layouts für geringe Lochlängen aufweisende Abspritzöffnungen und entsprechende Strahlpenetrationen erzielt werden.
-
Figurenliste
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
- 1 einen schematischen Schnitt durch ein Brennstoffeinspritzventil in einer bekannten Ausgestaltung mit einem Abspritzöffnungen aufweisenden Ventilsitzkörper am stromabwärtigen Ventilende,
- 2 einen Ventilsitzkörper mit einer erfindungsgemäß ausgestalteten Abspritzöffnung als Ausschnitt II von 1 in einer vergrößerten Darstellung,
- 3 ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Abspritzöffnung als Ausschnitt III-V von 2,
- 4 ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Abspritzöffnung als Ausschnitt III-V von 2,
- 4A eine Draufsicht auf die Abspritzöffnung gemäß 4 in Blickrichtung des Pfeils IV A und
- 5 ein drittes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Abspritzöffnung als Ausschnitt III-V von 2.
-
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
-
Ein in 1 dargestelltes bekanntes Beispiel eines Brennstoffeinspritzventils 1 ist in der Form eines Brennstoffeinspritzventils 1 für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen ausgeführt. Das Brennstoffeinspritzventil 1 eignet sich insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen nicht dargestellten Brennraum einer Brennkraftmaschine. Allgemein ist die Erfindung anwendbar bei Ventilen zum Zumessen eines Fluids.
-
Das Brennstoffeinspritzventil 1 besteht aus einem Düsenkörper 2, in welchem eine Ventilnadel 3 angeordnet ist. Die Ventilnadel 3 steht mit einem Ventilschließkörper 4 in Wirkverbindung, der mit einer an einem Ventilsitzkörper 5 angeordneten Ventilsitzfläche 6 zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Ventilsitzkörper 5 und Düsenkörper 2 können auch einteilig ausgeführt sein. Bei dem Brennstoffeinspritzventil 1 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um ein nach innen öffnendes Brennstoffeinspritzventil 1, welches über wenigstens eine Abspritzöffnung 7 verfügt, typischerweise aber wenigstens zwei Abspritzöffnungen 7 aufweist. Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist jedoch idealerweise als Mehrloch-Einspritzventil ausgeführt und hat deshalb zwischen vier und dreißig Abspritzöffnungen 7. Der Düsenkörper 2 ist durch eine Dichtung 8 gegen ein Ventilgehäuse 9 abgedichtet. Als Antrieb dient z.B. ein elektromagnetischer Kreis, der eine Magnetspule 10 als Aktuator umfasst, die in einem Spulengehäuse 11 gekapselt und auf einen Spulenträger 12 gewickelt ist, welcher an einem Innenpol 13 der Magnetspule 10 anliegt. Der Innenpol 13 und das Ventilgehäuse 9 sind durch eine Verengung 26 voneinander getrennt und miteinander durch ein nicht ferromagnetisches Verbindungsbauteil 29 verbunden. Die Magnetspule 10 wird über eine Leitung 19 von einem über einen elektrischen Steckkontakt 17 zuführbaren elektrischen Strom erregt. Der Steckkontakt 17 ist von einer Kunststoffummantelung 18 umgeben, die am Innenpol 13 angespritzt sein kann. Alternativ sind auch piezoelektrische oder magnetostriktive Aktuatoren verwendbar.
-
Die Ventilnadel 3 ist in einer Ventilnadelführung 14 geführt, welche scheibenförmig ausgeführt ist. Zur Hubeinstellung dient eine zugepaarte Einstellscheibe 15. Auf der anderen Seite der Einstellscheibe 15 befindet sich ein Anker 20. Dieser steht über einen ersten Flansch 21 kraftschlüssig mit der Ventilnadel 3 in Verbindung, welche durch eine Schweißnaht 22 mit dem ersten Flansch 21 verbunden ist. Auf dem ersten Flansch 21 stützt sich eine Rückstellfeder 23 ab, welche in der vorliegenden Bauform des Brennstoffeinspritzventils 1 durch eine Einstellhülse 24 auf Vorspannung gebracht wird.
-
In der Ventilnadelführung 14, im Anker 20 und an einem Führungskörper 41 verlaufen Brennstoffkanäle 30, 31 und 32. Der Brennstoff wird über eine zentrale Brennstoffzufuhr 16 zugeführt und durch ein Filterelement 25 gefiltert. Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist durch eine Dichtung 28 gegen eine nicht weiter dargestellte Brennstoffverteilerleitung und durch eine weitere Dichtung 36 gegen einen nicht weiter dargestellten Zylinderkopf abgedichtet.
-
Auf der stromabwärtigen Seite des Ankers 20 ist ein ringförmiges Dämpfungselement 33, welches aus einem Elastomerwerkstoff besteht, angeordnet. Es liegt auf einem zweiten Flansch 34 auf, welcher über eine Schweißnaht 35 kraftschlüssig mit der Ventilnadel 3 verbunden ist.
-
Im Ruhezustand des Brennstoffeinspritzventils 1 wird der Anker 20 von der Rückstellfeder 23 entgegen seiner Hubrichtung so beaufschlagt, dass der Ventilschließkörper 4 an der Ventilsitzfläche 6 in dichtender Anlage gehalten wird. Bei Erregung der Magnetspule 10 baut diese ein Magnetfeld auf, welches den Anker 20 entgegen der Federkraft der Rückstellfeder 23 in Hubrichtung bewegt, wobei der Hub durch einen in der Ruhestellung zwischen dem Innenpol 12 und dem Anker 20 befindlichen Arbeitsspalt 27 vorgegeben ist. Der Anker 20 nimmt den ersten Flansch 21, welcher mit der Ventilnadel 3 verschweißt ist, ebenfalls in Hubrichtung mit. Der mit der Ventilnadel 3 in Verbindung stehende Ventilschließkörper 4 hebt von der Ventilsitzfläche 6 ab, und der Brennstoff wird durch die Abspritzöffnungen 7 abgespritzt.
-
Wird der Spulenstrom abgeschaltet, fällt der Anker 20 nach genügendem Abbau des Magnetfeldes durch den Druck der Rückstellfeder 23 vom Innenpol 13 ab, wodurch sich der mit der Ventilnadel 3 in Verbindung stehende erste Flansch 21 entgegen der Hubrichtung bewegt. Die Ventilnadel 3 wird dadurch in die gleiche Richtung bewegt, wodurch der Ventilschließkörper 4 auf der Ventilsitzfläche 6 aufsetzt und das Brennstoffeinspritzventil 1 geschlossen wird.
-
Der Ventilsitzkörper 5 ist mit einem die Abspritzöffnungen 7 umfassenden, kuppenartig in Abspritzrichtung nach außen stehenden, rotationssymmetrisch zu einer Ventillängsachse 40 ausgebildeten Mittenbereich 44 ausgestaltet. Der Mittenbereich 44 ist z.B. als Kugelkuppe sphärisch konvex nach außen gewölbt ausgeführt.
-
Bei bekannten Brennstoffeinspritzventilen mit mehreren Abspritzöffnungen 7 und einem kugelförmigen oder stiftförmigen Ventilschließkörper 4 strömt der Brennstoff nach dem Öffnen des Ventils über den Dichtsitz um 360° verteilt und je nach Geometriekombination unterschiedlich hohem Turbulenzgrad zu den Eintrittskanten der Abspritzöffnungen 7. Da in den Eintrittsbereichen der Abspritzöffnungen 7 die größten Strömungsumlenkungen erfolgen, ist es je nach Auslegung und Targeting-Ausrichtung möglich, dass im Eintritt der Abspritzöffnungen 7 Kavitationen im Fluid entstehen und damit asymmetrische Lochfüllgrade vorliegen.
-
Aufgabe der Erfindung ist es nun, die Kavitationsneigung am Eintritt der Abspritzöffnungen 7 zu reduzieren und damit Beschädigungen am Eintritt der Abspritzöffnungen 7 zu vermeiden sowie Nachteile der starken Strömungsumlenkung effektiv zu kompensieren. Ziel der Erfindung ist es zudem, die Anströmung der Abspritzöffnungen 7 zu homogenisieren und damit die Zerstäubung des Brennstoffsprays noch weiter zu verbessern.
-
Erfindungsgemäß ist deshalb wenigstens eine Abspritzöffnung 7, idealerweise sind viele bzw. alle Abspritzöffnungen 7 vorgesehen, die eine durch eine Vielzahl von Stufen 37 gebildete, in Strömungsrichtung sich verjüngende Konizität aufweisen. In vorteilhafter Weise wird die Konizität asymmetrisch über den Lochumfang gesehen ausgeführt. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Abspritzöffnungen 7 erlaubt es, die Konizität der Abspritzöffnungen 7 auf der radial äußeren Seite der Strömungsablösung, also im Bereich der Kavitationsbildung, gezielt einzustellen. Gemäß der Erfindung wird es möglich, die Strömungsablösung mit geometrisch kleinerer Lochkonizität je nach Auslegungsgrad zu verringern oder ganz zu vermeiden.
-
In der 2 ist ein Ventilsitzkörper 5 mit einer erfindungsgemäß ausgestalteten Abspritzöffnung 7 als Ausschnitt II von 1 in einer vergrößerten Darstellung gezeigt. Aus der 2 geht hervor, dass stromabwärts der Ventilsitzfläche 6 im z.B. sphärisch gewölbten Mittenbereich 44 des Ventilsitzkörpers 5 erfindungsgemäß eine Abspritzöffnung 7 ausgeformt ist, die mehrere Stufen 37 aufweist, die derart eingebracht sind, dass sich die Abspritzöffnung 7 in Strömungsrichtung konisch verjüngt, allerdings mit einer asymmetrischen Konizität.
-
In den 3 bis 5 sind drei verschiedene Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Abspritzöffnungen 7 beispielhaft für die Möglichkeiten der Konturgebung gezeigt. Auch von den dargestellten Konturen abweichende Konturen der Abspritzöffnung 7 sind denkbar. 3 zeigt ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Abspritzöffnung 7 als Ausschnitt III-V von 2. Die z.B. drei bis fünfzehn Stufen 37 der Abspritzöffnung 7 sind derart eingebracht, dass sich eine Asymmetrie der sich verjüngenden Konizität zwischen wenigstens zwei sich gegenüberliegenden Wandungsbereichen, vorzugsweise aufgrund der Anströmrichtung zwischen einem radial inneren Wandungsbereich 39 und einem radial äußeren Wandungsbereich 38 bezogen auf die Ventillängsachse 40 ergibt. Dabei sind die Stufen 37 der Abspritzöffnung 7 an dem radial inneren Wandungsbereich 39 in ihrer radialen Erstreckung kleiner als die Stufen 37 an dem radial äußeren Wandungsbereich 38 der Abspritzöffnung 7 ausgeformt, so dass im radial äußeren Wandungsbereich 38 eine größere Konizität vorliegt als am steileren radial inneren Wandungsbereich 39.
-
Zur Ausformung der Abspritzöffnungen 7 muss für jede einzelne Abspritzöffnung 7 eine Achse pro Stufe 37 definiert werden, wodurch sich entsprechende Achsversätze von Stufe 37 zu Stufe 37 ergeben. Die resultierende Konizität der Abspritzöffnung 37 kann unterschiedlich ausgeprägt sein, je nach Versatz der Achsen aufeinanderfolgender Stufen 37. Die maximalen Versätze einer Stufe 37 zur unmittelbar darauffolgenden Stufe 37 in der Abspritzöffnung 7 können dabei gleich dem Radius des jeweils unmittelbar vorherigen größeren Teillochs sein; in der Regel werden die Versätze jedoch kleiner als der Radius des jeweils unmittelbar vorherigen größeren Teillochs sein. In ein und derselben Abspritzöffnung 7 können die Stufen 37 beispielsweise eine konstant große axiale Erstreckung haben.
-
4 zeigt ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Abspritzöffnung 7 als Ausschnitt III-V von 2. Bei diesem Beispiel sind die Stufen 37 der Abspritzöffnung 7 derart eingebracht, dass sie auf einer Seite der Abspritzöffnung 7 vollständig auslaufen, vorzugsweise an dem radial inneren Wandungsbereich 39, so dass der radial innere Wandungsbereich 39 der Abspritzöffnung 7 letztlich zylindrisch verläuft. Entsprechend sind die Absätze der Stufen 37 in ihrer radialen Erstreckung über den Umfang betrachtet in jeder Stufe 37 stetig veränderlich.
-
4A zeigt eine Draufsicht auf die Abspritzöffnung 7 gemäß 4 mit einem radial inneren Wandungsbereich 39, der zylindrisch verläuft, in Blickrichtung des Pfeils IV A, wobei die Stufen 37 nicht maßstäblich wiedergegeben sind.
-
5 zeigt ein drittes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Abspritzöffnung 7 als Ausschnitt III-V von 2. Bei dieser Ausführungsform mündet die wenigstens eine gestufte und konisch verlaufende Abspritzöffnung 7 in stromabwärtiger Richtung gesehen in einer durchmessergrößeren Vorstufe 42, die z.B. zylindrisch ausgeführt ist. Entsprechend können hier die Vorteile von Layouts für geringe Lochlängen aufweisende Abspritzöffnungen 7 und entsprechende Strahlpenetrationen erzielt werden.
-
Als typischer Werkstoff für den Ventilsitzkörper 5 kann Stahl verwendet werden. Die Herstellung des kuppenartigen Mittenbereichs 44 kann deshalb mittels Zerspanen (z. B. Drehen, Schleifen, Honen), durch Umformen (z. B. Fließpressen) oder auch durch Urformen (z. B. Metal Injection Molding) oder durch 3D-Drucken erfolgen. Abgesehen von Stahl kommen aber auch andere metallische Werkstoffe oder keramische Werkstoffe für den Ventilsitzkörper 5 in Frage.
-
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt und z.B. für andersartig angeordnete Abspritzöffnungen 7 sowie für beliebige Bauweisen von nach innen öffnenden Mehrloch-Brennstoffeinspritzventilen 1 anwendbar.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102013219027 A1 [0002]
- EP 2333306 A1 [0002]
