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Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil
für Brennkraftmaschinen
aus, wie es der Gattung des Patentanspruchs 1 entspricht. Derartige Kraftstoffeinspritzventile
sind aus dem Stand der Technik bekannt. So zeigt die
DE 196 09 218 A1 ein Kraftstoffeinspritzventil,
das einen Ventilkörper
mit einer, Bohrung aufweist. Die Bohrung wird an ihrem brennraumseitigen
Ende von einem konischen Ventilsitz begrenzt, von dem mehrere Einspritzkanäle abgehen,
die in den Brennraum der Brennkraftmaschine münden. In der Bohrung ist eine
Ventilnadel längsverschiebbar
angeordnet, die mit einer ebenfalls konischen Ventildichtfläche mit
dem Ventilsitz zusammenwirkt und so den Kraftstoffzufluss zu den
Einspritzkanälen
steuert. Bei vom Ventilsitz abgehobener Ventilnadel strömt Kraftstoff
zwischen der Ventildichtfläche
und dem Ventilsitz hindurch zu den Eintrittsöffnungen der Einspritzkanäle und wird
von dort in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt. Die
Einspritzkanäle
sind hierbei vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang des Kraftstoffeinspritzventils
verteilt und es herrscht innerhalb der Einspritzkanäle eine
gleichmäßige Strömung des
Kraftstoffs. Hierdurch erreicht man eine hohe Eindringtiefe des
Kraftstoffstrahls in den Brennraum, was bei großen Brennräumen und damit großem Hubraum
zu einer schnellen Verteilung des Kraftstoffs führt und damit zu einer guten
Verbrennung.
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Eine hohe Eindringtiefe der Kraftstoffstrahlen ist
jedoch nicht immer von Vorteil. Insbesondere bei kleinen Brennkraftmaschinen
mit einem geringen Brennraumvolumen wird ein Kraftstoffstrahl angestrebt,
der bereits kurz nach Austritt aus dem Einspritzkanal des Kraftstoffeinspritzventils
stark zersträubt,
um eine möglichst
homogene Verteilung des Kraftstoffs im Brennraum zu erreichen. Dies
kann beispielsweise dadurch erreichen werden, dass der Kraftstoffstrom
im Einspritzkanal einen Vortex bildet, also einen Drall oder einen
Wirbel um die Längsachse
des im wesentlichen zylindrischen Einspritzkanals. Dies führt unmittelbar
nach Austritt des Kraftstoffs aus dem Einspritzkanal zu einer starken
Zersträubung.
Solche Einspritzventile sind aus dem Stand der Technik ebenfalls
bekannt, beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
JP 11-082229 A oder der
US 6 065 692 . Bei diesen
Einspritzventilen wird durch Nuten in der Ventilnadel bzw. durch
eingelegte Strömscheiben
ein Vortex erzeugt, womit die oben angegebenen Wirkungen eintreten.
Diese Einspritzventile weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie
jeweils nur eine einzelne Einspritzöffnung aufweisen und konstruktionsbedingt
für den
Einsatz in modernen direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen nur eingeschränkt geeignet
sind.
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Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den
Vorteil auf, dass wie bei den bekannten Kraftstoffeinspritzventilen
mehrere Einspritzkanäle über den
Umfang des Kraftstoffeinspritzventils verteilt angeordnet sein können und
in sämtlichen
Einspritzkanälen
ein Vortex erzeugt wird. Hierzu ist der zwischen der Ventildichtfläche und
dem Ventilsitz ausgebildete Ringspalt, durch den der Kraftstoff
den Einspritzkanälen
zuströmt, nicht über den
gesamten Umfang gleich dick ausgebildet. Der Kraftstoff strömt, abhängig vom
Azimutwinkel bezüglich
der Längsachse
der Bohrung, mit unterschiedlicher Geschwindigkeit in die Einspritzkanäle, so dass
sich an der Eintrittsöffnung
der Einspritzkanäle
ein Geschwindigkeitsgradient in Umfangsrichtung ausbildet. Dadurch
wird der Kraftstoffstrom im Einspritzkanal in eine Wirbelbewegung versetzt,
die zu der oben erwähnten
starken Zerstäubung
des austretenden Kraftstoffs im Brennraum führt.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale
sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung
möglich.
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist
die Ventilnadel auf Höhe
der Eintrittsöffnungen
der Einspritzkanäle
mit einem Querschnitt gestaltet, der einem Dreieck mit konvex gewölbten Seitenflächen entspricht.
Dies ermöglicht
in einfacher Art und Weise eine Zuflusscharakteristik zu den Einspritzkanälen, die
zu dem erwünschten
Vortex im Einspritzkanal führt.
Ebenso vorteilhaft ist die Ausgestaltung der Ventilnadel auf Höhe der Eintrittsöffnung der
Einspritzkanäle
in Form eines Ovals, was ebenfalls zu den dargestellten Zuströmverhältnissen
führt.
Ebenso vorteilhaft ist die Ausgestaltung einer Ventilnadel, die
auf Höhe
der Eintrittsöffnungen
einen Querschnitt aufweist, der einem Sechseck entspricht, wobei
die Innenwinkel der aneinandergrenzenden Seiten abwechselnd größer und
kleiner als 120° sind.
Die Eintrittsöffnungen
sind hierbei vorzugsweise in einer Radialebene zur Längsachse
der Bohrung angeordnet, so dass in allen Einspritzkanälen dieselben
Vortices erzeugt werden.
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Ebenso ist es vorteilhaft, wenn die
den Eintrittsöffnungen
gegenüberliegende
Fläche
der Ventilnadel abgeflacht ist, wobei die gedachte Verlängerung
der Einspritzkanäle
diese Flä che
der Ventilnadel in einem schiefen Winkel schneidet. Dadurch lassen sich
die Einströmbedingungen
für jeden
Einspritzkanal separat modifizieren. Außerdem lassen sich so die gewünschten
Einströmbedingungen
bei einer beliebigen Anzahl von Einspritzkanälen erreichen.
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Zeichnung
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In der Zeichnung sind verschiedene
Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils
dargestellt. Es zeigt
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1 einen
Längsschnitt
durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil
an dessen brennraumseitigen Ende,
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2 den
Querschnitt eines Kraftstoffeinspritzventils, wie es aus dem Stand
der Technik bekannt ist, entlang der Linie A-A der 1,
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2A eine
geschnittene Darstellung des Ventilkörpers im Bereich des Ventilsitzes,
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3 ebenfalls
einen Querschnitt entlang der Linie A-A der 1 eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils,
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3A eine
geschnittene Darstellung des Ventilkörpers im Bereich des Ventilsitzes
mit dem Kraftstoffverlauf im Einspritzkanal,
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4,
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5 und
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6 weitere
Ausführungsbeispiele,
die denselben Querschnitt wie 3 darstellen,
und
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7 denselben
Querschnitt wie 3, jedoch
weist die Ventilnadel hier einen kreisrunden Querschnitt auf.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
einen Längsschnitt
durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil,
wobei nur das brennraumseitige Ende des ansonsten hinlänglich aus
dem Stand der Technik bekannten Kraftstoffeinspritzventils dargestellt
ist. In einem Ventilkörper 1 ist
eine Bohrung 3 ausgebildet, die eine Längsachse 4 aufweist.
Die Bohrung 3 wird an ihrem brennraumseitigen Ende von
einem im wesentlichen konischen Ventilsitz 5 begrenzt,
in dem die Eintrittsöffnungen 107 mehrerer
Einspritzkanäle 7 angeordnet sind,
die in Einbaulage des Kraftstoffeinspritzventils in der Brennkraftmaschine
in den Brennraum derselben münden.
In der Bohrung 3 ist eine kolbenförmige Ventilnadel 10 längsverschiebbar
angeordnet, deren brennraumseitiges Ende mit dem Ventilsitz 5 zusammenwirkt.
Die Ventilnadel 10 weist einen zylindrischen Abschnitt 13 auf,
an den sich ein konischer Abschnitt 11 anschließt, an welchen
wiederum ein zweiter zylindrischer Abschnitt 16 grenzt.
An den zweiten zylindrischen Abschnitt 16 schließt sich
eine konische Ventildichtfläche 12 an,
mit der die Ventilnadel 10 in ihrer Schließstellung
am konischen Ventilsitz 5 anliegt. Das brennraumseitige
Ende der Ventilnadel 10 bildet die konische Ventilnadelspitze 15,
die von der Ventildichtfläche 12 durch
eine Ringnut 14 getrennt ist.
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Zwischen der Ventilnadel 10 und
der Wand der Bohrung 3 ist ein Druckraum 8 ausgebildet,
der mit Kraftstoff unter hohem Druck befällt werden kann. In Schließstellung
der Ventilnadel 10, das ist, wenn die Ventildichtfläche 12 am
Ventilsitz 5 anliegt, werden die Einspritzkanäle 7 durch
die Ventilnadel 10 vom Druckraum 8 getrennt. In Öffnungsstellung
der Ventilnadel 10, also wenn die Ventildichtfläche 12 durch
eine Längsbewegung
der Ventilnadel 10 vom Ventilsitz 5 abgehoben
ist, strömt
Kraftstoff aus dem Druckraum 8 zwischen der Ventildichtfläche 12 und dem
Ventilsitz 5 hindurch zu den Eintrittsöffnungen 107 der Einspritzkanäle 7 und
wird von dort in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.
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2 zeigt
einen Querschnitt entlang der Linie A-A der 1 eines Kraftstoffeinspritzventils, wie es
aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Ventilnadel 10 weist
hier auf Höhe
der Eintrittsöffnungen 107 der
Einspritzkanäle 7,
von denen hier sechs über den
Umfang des Ventilkörpers 1 verteilt
angeordnet sind, eine kreisrunde Form auf. Hierdurch ergibt sich in Öffnungsstellung
der Ventilnadel 10 ein kreisrunder Ringspalt 17 zwischen
der Ventilnadel 10 und dem Ventilsitz 5, durch
den der Kraftstoff den Einspritzkanälen 7 zuströmt. Durch
die rotationssymmetrische Ausgestaltung des Ringspalts 17,
der über den
gesamten Umfang des Ventilkörpers 1 eine
konstante Breite D aufweist, ergibt sich überall die gleiche Strömungsgeschwindigkeit
des Kraftstoffs. Betrachtet man die Geschwindigkeit des Kraftstoffstroms
im Bereich der Eintrittsöffnung 107 eines Einspritzkanals 7,
so ist die tangentiale Geschwindigkeit am linken Rand vL,
wie es in 2 an allen
Einspritzkanälen 7 angedeutet
ist, gleich groß wie
die tangentiale Geschwindigkeit vR am rechten
Rand der Einspritzkanäle 7. 2A zeigt einen Teil des
Ventilkörpers 1 in
geschnittener Darstellung im Bereich des Ventilsitzes 5.
Exemplarisch geht hier ein Einspritzkanal 7 ab, der zur
Verdeutlichung mit vergrößertem Durchmesser
dargestellt ist. Die tangentialen Einlaufgeschwindigkeiten VL und VR des Kraftstoffs
sind gleich groß,
so dass sich eine gleichmäßige Strömung des
Kraftstoffs im Einspritzkanal 7 und damit die bekannt hohe
Eindringtiefe in den Brennraum der Brennkraftmaschine ergibt.
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3 zeigt
wie 2 einen Querschnitt
entlang der Linie A-A der 1 eines
ersten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils.
Die Ventilnadel 10 weist auf Höhe der Eintrittsöffnungen 107 der
Einspritzkanäle 7 eine Form
auf, die einem Sechseck entspricht, wodurch an der Ventilnadel 10 sechs
Seitenflächen 20 gebildet
werden. Die Innenwinkel der aneinandergrenzenden Seitenflächen 20 ist
abwechselnd kleiner und größer als
120°, so
dass die Verlängerung
der Einspritzkanäle 7 einen
schiefen Winkel mit der jeweils gegenüberliegenden Seitenfläche 20 bildet.
Der Ringspalt 17 variiert somit in seiner Breite über den Umfang
des Ventilkörpers 1.
Die bisher bekannte Form der Ventilnadel 10 ist durch eine
gepunktete Linie angedeutet, wodurch die nicht überall gleiche Breite D des
Ringspalts 17 verdeutlicht wird.
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Betrachtet man einen einzelnen Einspritzkanal 7,
so ist der Spalt zwischen der Seitenfläche 20 der Ventilnadel 10 und
dem linken Rand der Eintrittsöffnung 107 des
Einspritzkanals 7 kleiner als der Spalt zwischen dem rechten
Rand der Eintrittsöffnung 107 und
der Seitenfläche 20.
Dadurch ergibt sich am rechten Rand ein höherer Strömungswiderstand des Kraftstoffs
im Ringspalt 17 und damit bezüglich des Einspritzkanals 7 eine
geringere tangentiale Geschwindigkeit vR beim
Eintritt des Kraftstoffs. Am linken Rand hingegen ergibt sich durch
den geringeren Strömungswiderstand
eine entsprechend höhere
tangentiale Geschwindigkeit vL. Durch diese unterschiedlichen
Eintrittsgeschwindigkeiten des Kraftstoffs an beiden Seiten des
Einspritzkanals 7 ergibt sich ein Vortex, der beim Austritt
des Kraftstoffs in den Brennraum der Brennkraftmaschine zu einer starken
Zersträubung
führt und
damit zu einer geringeren Eindringtiefe. Bei den Einspritzkanälen 7,
die neben dem exemplarisch ausgewählten Einspritzkanal 7 liegen,
kehren sich, was die linke und rechte Seite des Einspritzkanals 7 betrifft,
die Geschwindigkeitsverhältnisse
um, so dass der Vortex in diesen Einspritzkanälen 7 eine gegensinnige
Rotationsrichtung aufweist. In 3 sind
die tangentialen Geschwindigkeiten vL und
vR in sämtlichen
Einspritzkanälen 7 durch
Pfeile angedeutet.
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3A zeigt
in der gleichen Darstellung wie 2A die
Einströmverhältnisse
an einem Einspritzkanal 7 des in 3 dargestellten Einspritzventils. Die
tangentialen Geschwindigkeitskomponenten vL und
vR führen
im Einspritzkanal 7 zu einem Vortex, der hier von der Eintrittsöffnung 107 aus
gesehen im Gegenuhrzeigersinn rotiert.
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4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils, wiederum
als Querschnitt entlang der Linie A-A der 1. Die Ventilnadel 10 weist
hier auf Höhe
der Eintrittsöffnungen 107 der
Einspritzkanäle 7 eine
Dreiecksform auf mit konvex, also nach außen gewölbten Seitenflächen. Auch
hier erhält
man ähnliche
Einströmverhältnisse
wie bei dem in 3 gezeigten Einspritzventil
und ebensolche Vortices, die bei benachbarten Einspritzkanälen 7 unterschiedliche
Orientierung aufweisen. Die kleinste Breite des Ringspalts 17 ist
in der 3 mit D1 bezeichnet, die größte mit D2.
Diese Form der Ventilnadel 10 ist auf sechs Einspritzkanäle 7 abgestimmt,
die gleichmäßig über den
Umfang des Ventilkörpers 1 verteilt
angeordnet sind. Die übliche
kreisrunde Form der Ventilnadel 10 ist durch eine gepunktete
Linie angedeutet. Alternativ kann es auch vorgesehen sein, dass
die Ventilnadel 10 einen Querschnitt aufweist, der einem
Dreieck mit konkav, also nach innen gewölbten Seitenflächen entspricht.
Auch hier ergeben sich Einströmbedingungen,
die in der oben dargelegten Weise zu einem Vortex in den Einspritzkanälen 7 führen.
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5 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel in
derselben Darstellung wie 4.
Die Ventilnadel 10 weist hier auf Höhe der Eintrittsöffnungen 107 eine
Querschnittsform auf, die einer Kreissägenform ähnelt. Die den Einspritzkanälen 7 gegenüberliegenden
Seitenflächen 20 der
Ventilnadel 10 sind bezüglich
der gedachten Verlängerung
der Einspritzkanäle 7 schräg angeordnet,
wie dies auch bei dem Ausführungsbeispiel
der 3 der Fall ist.
Die Einströmverhältnisse
sind hier jedoch an jedem Einspritzkanal 7 identisch, so
dass auch der sich ausbildende Vortex in allen Einspritzkanälen 7 dieselbe
Rotationsrichtung hat.
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6 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel,
wobei hier nur vier Einspritzkanäle 7 über den Umfang
des Ventilkörpers 1 verteilt
angeordnet sind. Dies bedingt eine andere Form der Ventilnadel 10, die
auf Höhe
der Eintrittsöffnungen 107 eine
ovale Form mit angespitzten Enden aufweist. Auch hier ergibt sich
durch den sich in Umfangsrichtung ändernden Ringspalt 17 Einströmbedingungen
in die Einspritzkanäle 7,
die dort einen Vortex erzeugen.
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7 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils. Die
Ventilnadel 10 ist hierbei im Bereich der Eintrittsöffnungen 107 kreisrund
gestaltet, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Statt dessen
ist die Ventilsitzfläche 5 so
modifiziert, so dass sich ähnliche Einströmbedingungen
in die Einspritzkanäle 7 ergeben
wie bei einer entsprechend geformten Ventilnadel 10. Der
Ventilsitz 5 weist im Querschnitt eine Form auf, die einem
Dreieck mit konkav gewölbten Seitenflächen entspricht,
also etwa die Form, die in 4 die
Ventilnadel 10 besitzt. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil,
dass die Ventilnadel 10 unverändert bleiben kann und aus
den bekannten Kraftstoffeinspritzventilen übernommen werden kann. Auch
die anderen Ausgestaltungen der Ventilnadel 10, die in den 3, 5 und 6 dargestellt
sind, können
in analoger Weise auf die Form den Ventilsitzes 5 übertragen werden
bei einer gleichzeitig kreisrund ausgebildeten Ventilnadel 10 im
Bereich der Eintrittsöffnungen 107.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass
ein Vortex nicht bei sämtlichen
Einspritzkanäle 7 erwünscht ist.
Zur besseren Verteilung des Kraftstoffs bei größeren Brennräumen kann
es vorteilhaft sein, beispielsweise nur bei jedem zweiten Ein spritzkanal 7 einen Vortex
zu erzeugen. Dies hat den Vorteil, dass ein Teil der Einspritzkanäle 7 den
Kraftstoff weit in den Brennraum einspritzen, während die Einspritzkanäle mit Vortex
den Kraftstoff stärker
zerstäuben,
so dass der durch diese Einspritzkanäle eingespritzte Kraftstoff
nur eine geringe Eindringtiefe erreicht. In diesem Fall ist nur
bei einem Teil der Eintrittsöffnungen 107 die
Ventilnadel 10 bzw. die Ventildichtfläche 12 so gestaltet,
dass der Abstand der Eintrittsöffnung 107 von der
Ventildichtfläche 12 an
wenigstens zwei Stellen unterschiedlich ist, was die unterschiedlichen
Einströmgeschwindigkeiten
verursacht und damit eine Wirbelbildung. Die Ventildichtfläche 12 ist
im Bereich der übrigen
Eintrittsöffnungen 107 so
gestaltet, dass die Einströmbedingungen über die
gesamte Eintrittsöffnung 107 gleich
sind, wie schon in 2 dargestellt.