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Die
Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der
Gattung des Hauptanspruchs.
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Es
ist schon ein Brennstoffeinspritzventil aus der
US 4 759 335 bekannt mit einem Ventilschließkörper, der
mit einem Dichtsitz eines Ventilsitzes zusammenwirkt, und mit einem
stromab des Dichtsitzes angeordneten Strömungsaustrittsbereich. Das
bekannte Brennstoffeinspritzventil erzeugt ein Spray, dessen mittlerer
Tropfendurchmesser für
zukünftige Abgasemissionsvorschriften
nicht hinreichend gering ist.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den
Vorteil, daß auf
einfache Art und Weise die Zerstäubung
verbessert wird, indem in dem Strömungsaustrittsbereich die Kraftstoffströmung beeinflussende
Unebenheiten bzw. Erhebungen angeordnet sind. Auf diese Weise kann
der mittlere Tropfendurchmesser des Sprays ohne Aufwendung von zusätzlicher
Hilfsenergie verringert werden, so daß geringere Abgasemissionen erreichbar
sind.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch
angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
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Besonders
vorteilhaft ist, wenn der Strömungsaustrittsbereich
durch eine erste Wandung und eine der ersten Wandung gegenüberliegende zweite
Wandung gebildet ist, wobei zwischen der ersten Wandung und der
zweiten Wandung ein Austrittsspalt gebildet ist, da der Kraftstoffstrahl
auf diese Weise definiert geführt
aus dem Brennstoffeinspritzventil ausströmt.
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Auch
vorteilhaft ist, wenn in Strömungsrichtung
gesehen die zweite Wandung mit einer zweiten Abströmkante nach
der ersten Wandung mit einer ersten Abströmkante endet, da dies eine
besonders einfache Ausführungsform
darstellt.
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Gemäß einem
vorteilhaften Ausführungsbeispiel
haben die Erhebungen eine senkrecht zu einer Oberfläche des
Strömungsaustrittsbereichs
gemessene Höhe,
die kleiner ist als 100 Mikrometer und größer ist als die Rauhigkeitsspitzen
der Grundfläche.
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Sehr
vorteilhaft ist, wenn die Erhebungen im Austrittsspalt angeordnet
sind, da auf diese Weise eine sogenannte Karmann'sche Wirbelstraße erzeugbar ist, deren periodisch
ablösende
Wirbel Turbulenz erzeugen, so daß der Kraftstoffstrahl in kleinere
Tropfen als beim Stand der Technik zerfällt.
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Darüber hinaus
vorteilhaft ist, wenn die Erhebungen stromab der ersten Abströmkante angeordnet
sind, da der Kraftstoffstrahl auf diese Weise bereits an den Erhebungen
in viele Einzelstrahlen mit großer
Strahloberfläche
zerfällt.
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Des
weiteren vorteilhaft ist, wenn die Erhebungen zylinderförmig, tetraederförmig, pyramidenförmig, kegelförmig, prismaförmig, quaderförmig, halbkugelförmig oder
noppenförmig
ausgebildet sind, da auf diese Weise eine hinreichend große Turbulenz in
dem aus dem Brennstoffeinspritzventil austretenden Kraftstoffstrahl
erzeugbar ist, um die Oberfläche des
Kraftstoffstrahls zum Schwingen anzuregen und den Kraftstoffstrahl
dadurch in sehr kleine Tropfen zu zerstäuben.
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Weiterhin
vorteilhaft ist, wenn die Höhe
der Erhebungen stromabwärts
kontinuierlich oder stufenförmig
ansteigt oder abnimmt, da der Kraftstoffstrahl an den Erhebungen
in viele Einzelstrahlen aufgespalten wird, die dann stromab weniger
häufig
mit anderen Einzelstrahlen kollidieren.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung sind die Erhebungen in quer zur Strömung vorgesehenen
Reihen angeordnet, wobei die Reihen beispielsweise zueinander versetzt
vorgesehen sind.
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Darüber hinaus
vorteilhaft ist, die Erhebungen mittels Aufrauhen, Mikroprägen, Laserabtragen, Ätzen, Mikrogalvanik
oder Aufbringen einer Beschichtung zu erzeugen, da dies geeignete
Verfahren zum Herstellen der Erhebungen sind.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Brennstoffeinspritzventils, 2 eine
abschnittsweise Draufsicht auf das erste Ausführungsbeispiel, 3 ein
zweites Ausführungsbeispiel, 4 ein
drittes Ausführungsbeispiel, 5 eine
abschnittsweise Draufsicht auf das dritte Ausführungsbeispiel, 6 ein
viertes Ausführungsbeispiel, 7 ein
fünftes
Ausführungsbeispiel, 8 ein
sogenanntes A-Ventil und 9 ein sogenanntes I-Ventil.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
vereinfacht ein erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäß ausgebildeten Brennstoffeinspritzventils.
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Das
Brennstoffeinspritzventil dient dazu, Kraftstoff als Spray fein
zu zerstäuben,
um den Kraftstoffverbrauch und die Abgasemissionen zu senken. Der
Kraftstoff wird beispielsweise bei der sogenannten Saugrohreinspritzung
in ein Ansaugrohr oder bei der sogenannten Direkteinspritzung direkt
in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.
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Das
Brennstoffeinspritzventil hat ein Ventilgehäuse 1 mit einem Eingangskanal 2 für den Kraftstoff.
In dem Ventilgehäuse 1 ist
ein schematisch dargestellter Aktor 3 zur axialen Verstellung
einer Ventilnadel 4 angeordnet. Der Aktor 3 ist
beispielsweise ein mit einer erregbaren Spule zusammenwirkender Magnetanker,
ein Hydraulikelement, ein Piezoaktor oder ähnliches.
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Die
Ventilnadel 4 ist in dem Ventilgehäuse 1 axial beweglich
vorgesehen und weist beispielsweise einen dem Aktor 3 zugewandten
Nadelschaft 7 und einen dem Aktor 3 abgewandten
Ventilschließkörper 8 auf.
Der Aktor 3 überträgt seine
Bewegung direkt oder indirekt auf den Nadelschaft 7 der
Ventilnadel 4, wodurch der mit einem Ventilsitz 9 zusammenwirkende
Ventilschließkörper 8 das
Brennstoffeinspritzventil in Richtung einer Ventilachse 5 öffnet oder
schließt. Das
Brennstoffeinspritzventil weist beispielsweise einen sogenannten
Kugel-Kegelsitz auf, wobei der Ventilsitz 9 beispielsweise
kegelförmig
ausgebildet ist und der Ventilschließkörper 8 einen mit dem
Ventilsitz 9 zusammenwirkenden Kugel- oder Radienabschnitt 10 aufweist.
Das Brennstoffeinspritzventil kann aber selbstverständlich auch
eine andere Ausbildung, beispielsweise einen Kugel-Kugelsitz, einen Kegel-Kegelsitz
oder einen Kegel-Kugelsitz aufweisen. Bei geschlossenem Brennstoffeinspritzventil liegt
der Ventilschließkörper 8 über seinen
gesamten Umfang an dem Ventilsitz 9 mit Linien- oder Flächenberührung dicht
an, was im folgenden als Dichtsitz 11 bezeichnet wird.
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Stromab
des Ventilsitzes 9 schließt sich ein Strömungsaustrittsbereich 14 an,
von dem aus der Kraftstoff als sogenannter Freistrahl der von der Brennkraftmaschine
angesaugten Luft zugemischt wird.
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Der
Strömungsaustrittsbereich 14 ist
durch eine erste Wandung 15 und eine der ersten Wandung 15 gegenüberliegende
zweite Wandung 16 gebildet, wobei zwischen der ersten Wandung 15 und
der zweiten Wandung 16 ein Austrittsspalt 17 gebildet
ist, durch den der Kraftstoff 20 bei geöffnetem Brennstoffeinspritzventil
ausströmt.
Die erste Wandung 15 erstreckt sich vom Dichtsitz 11 ausgehend
bis zu einer ersten Abströmkante 18 und
die zweite Wandung 16 vom Dichtsitz 11 ausgehend
in Strömungsrichtung bis
zu einer zweiten Abströmkante 19.
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Die
erste Wandung 15 und die zweite Wandung 16 können beispielsweise
einteilig miteinander verbunden oder auch jeweils an einem separaten
Teil vorgesehen sein. Der Austrittsspalt 17 ist als ein
geschlossener Strömungskanal
ausgeführt,
dessen Querschnitt beliebige Form haben kann, beispielsweise kreisförmig, ringförmig oder
rechteckförmig. Die
zweite Wandung 16 mit der zweiten Abströmkante 19 endet auf
der dem Dichtsitz 11 abgewandten Seite stromab der ersten
Abströmkante 18 der
ersten Wandung 15. Die erste Abströmkante 18 und die zweite
Abströmkante 19 können aber
selbstverständlich
auch in einer gleichen zur Ventilachse 5 senkrechten Ebene
liegen.
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Erfindungsgemäß sind in
dem Strömungsaustrittsbereich 14 Unebenheiten
bzw. Erhebungen 22 angeordnet, die in die Kraftstoffströmung hineinragen
und diese auf diese Weise beeinflussen bzw. stören.
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Die
Erhebungen 22 sind gegenüber einer beispielsweise an
der zweiten Wandung 16 ausgebildeten Grundfläche 23 des
Strömungsaustrittsbereichs 14 erhaben
ausgebildet und haben eine senkrecht zu der Grundfläche 23 gemessene
Höhe, die beispielsweise
kleiner als 100 Mikrometer und größer ist als die Höhe der Rauhigkeitsspitzen
der Grundfläche 23.
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Die
Erhebungen 22 können
beliebig nebeneinander angeordnet sein, beispielsweise in einer oder
mehreren, quer zur Strömung
stehenden Reihen 24 (2). Die
Reihen 24 sind in Strömungsrichtung
gesehen hintereinander angeordnet, wobei beispielsweise jeweils
die Erhebungen 22 einer Reihe 24 zu den Erhebungen 22 der
benachbarten Reihen 24 zueinander versetzt angeordnet sind.
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Die
Erhebungen 22 können
in dem Austrittsspalt 17 und/oder bei stromabwärts liegender
zweiter Abströmkante 19 stromab
der ersten Abströmkante 18 angeordnet
sein. Die Erhebungen 22 können an der ersten Wandung 15 und/oder
an der zweiten Wandung 16 vorgesehen sein. Die Erhebungen 22 ragen
von einer der beiden Wandungen 15,16 ausgehend
in den Austrittsspalt 17 hinein und können bis an die gegenüberliegende
Wandung 15,16 reichen.
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Die
Unebenheiten bzw. Erhebungen 22 sind beispielsweise zylinderförmig, tetraederförmig, pyramidenförmig, kegelförmig, prismaförmig, quaderförmig, halbkugelförmig, noppenförmig oder ähnlich ausgebildet.
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Die
Ausrichtung der Erhebungen 22 zur Strömung ist beliebig, beispielsweise
können
die Erhebungen 22 mit einer Kante oder einer Fläche in Richtung
der Strömung
ausgerichtet sein.
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Pyramiden
und Tetraeder haben eine strömungsgünstige Form,
die Strömungsverwirbelungen auf
der stromabwärtigen
Seite vermeidet oder zumindest verringert, so daß keine oder nur wenig Ablagerungen
an der stromabwärtigen
Seite der Pyramiden oder Tetraeder auftreten.
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Der
Kraftstoff wird im Ventilgehäuse 1 ausgehend
vom Eingangskanal 2 bis an den Ventilschließkörper 8 stromauf
des Dichtsitzes 11 geleitet. Beim Öffnen des Brennstoffeinspritzventils
hebt der Ventilschließkörper 8 von
dem Dichtsitz 11 ab, so daß Kraftstoff über eine
zwischen dem Ventilschließkörper 8 und
dem Ventilsitz 9 gebildete Ausgangsöffnung als Kraftstoffstrahl
in den Austrittsspalt 17 des Strömungsaustrittsbereichs 14 ausströmt.
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In
dem Austrittsspalt 17 wird der Kraftstoffstrahl über den
gesamten Umfang durch die Fläche
des Strömungsaustrittsbereichs 14 geführt, während der
Kraftstoffstrahl bei in Strömungsrichtung stromabwärts liegender
zweiter Abströmkante 19 stromab
der ersten Abströmkante 18 als
Teilfreistrahl nur noch teilweise am Umfang geführt ist. Der Kraftstoffstrahl
verläßt den Strömungsaustrittsbereich 14 des
Brennstoffeinspritzventils stromab der zweiten Abströmkante 19 als
vollständiger
Freistrahl und zerfällt
in viele kleine Einzeltropfen. Je geringer der gemittelte Tropfendurchmesser
ist, desto geringer ist der Verbrauch der Brennkraftmaschine und
desto geringer sind die Abgasemissionen.
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Der
bei geöffnetem
Brennstoffeinspritzventil durch den Austrittsspalt 17 austretende
Kraftstoffstrahl umströmt
und/oder überströmt die Erhebungen 22,
wobei in der Strömung
erhebliche Turbulenzen erzeugt werden, die an der Oberfläche des Kraftstoffstrahls
Schwingungen anregen. Durch die Schwingungen an der Oberfläche des
Kraftstoffstrahls zerfällt
der Kraftstoffstrahl in besonders kleine Tropfen. Diese Verbesserung
der Zerstäubung ist
erreicht, ohne zusätzliche
Energie aufzuwenden. Die Anordnung der Erhebungen 22 im
Strömungsaustrittsbereich 14 ist
daher eine einfache und kostengünstige
Art und Weise, kleinere Tropfendurchmesser als beim Stand der Technik
zu erzeugen.
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Wenn
die Erhebungen 22, wie beispielsweise die Pyramiden und
die Tetraeder, schräge
Flächen aufweisen,
wird der Kraftstoffstrahl beim Umströmen und/oder Überströmen der
Erhebungen 22 bereits in viele Einzelstrahlen geteilt,
da die Strömung
den schrägen
Flächen
folgend quer zur Hauptströmung abgelenkt
wird und jeweils an den stromabwärtigen Kanten
der Erhebungen 22 als Freistrahl abreißt. Die an den Erhebungen 22 erzeugten
Einzelstrahlen haben insgesamt eine größere Strahloberfläche als
der Kraftstoffstrahl stromauf der Erhebungen 22.
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Die
Erhebungen 22 sind beispielsweise auch mittels Aufrauhen,
Sandstrahlen, Rollieren, Mikroprägen,
Laserabtragen, Ätzen,
Mikrogalvanik oder Aufbringen einer Beschichtung erzeugt.
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2 zeigt
in einer Draufsicht vereinfacht eine Teilansicht des ersten Ausführungsbeispiels
gemäß 1.
Bei dem Brennstoffeinspritzventil nach 2 sind die
gegenüber
dem Brennstoffeinspritzventil nach 1 gleichbleibenden
oder gleichwirkenden Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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3 zeigt
in einem Teilschnitt vereinfacht ein zweites Ausführungsbeispiel
eines Brennstoffeinspritzventils.
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Bei
dem Brennstoffeinspritzventil nach 3 sind die
gegenüber
dem Brennstoffeinspritzventil nach 1 und 2 gleichbleibenden
oder gleichwirkenden Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Das
Brennstoffeinspritzventil nach 3 unterscheidet
sich von dem Brennstoffeinspritzventil nach 1 darin,
daß die
Erhebungen 22 nicht als Pyramiden, sondern als Zylinder
ausgebildet sind.
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4 zeigt
in einem Teilschnitt vereinfacht ein drittes Ausführungsbeispiel
eines Brennstoffeinspritzventils.
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Bei
dem Brennstoffeinspritzventil nach 4 sind die
gegenüber
dem Brennstoffeinspritzventil nach 1 bis 3 gleichbleibenden
oder gleichwirkenden Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Das
Brennstoffeinspritzventil nach 4 unterscheidet
sich von dem Brennstoffeinspritzventil nach 1 darin,
daß die
Erhebungen 22 nicht als Pyramiden, sondern als Tetraeder
ausgebildet sind.
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Die
Höhe der
Erhebungen 22, beispielsweise der Tetraeder, kann in Strömungsrichtung
stufenweise oder kontinuierlich abnehmen oder zunehmen. Da die an
den Erhebungen 22 abreißenden Einzelstrahlen 26 im
unterschiedlichen Abstand zur Grundfläche 23 als Freistrahl
abreißen,
kommt es zu wenig Kollisionen zwischen den Einzelstrahlen 26,
so daß diese
erhalten bleiben und eine große
Oberfläche aufweisen.
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Die
Höhe der
Erhebungen 22 einer Reihe 24 ist beispielsweise
konstant, kann aber auch verändert
werden, beispielsweise gemäß einer
Sinuskurve.
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5 zeigt
in einer Draufsicht vereinfacht eine Teilansicht des dritten Ausführungsbeispiels
gemäß 4.
Bei dem Brennstoffeinspritzventil nach 5 sind die
gegenüber
dem Brennstoffeinspritzventil nach 1 gleichbleibenden
oder gleichwirkenden Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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6 zeigt
in einem Teilschnitt vereinfacht ein viertes Ausführungsbeispiel
eines Brennstoffeinspritzventils.
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Bei
dem Brennstoffeinspritzventil nach 6 sind die
gegenüber
dem Brennstoffeinspritzventil nach 1 bis 5 gleichbleibenden
oder gleichwirkenden Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Das
Brennstoffeinspritzventil nach 6 unterscheidet
sich von dem Brennstoffeinspritzventil nach 1 darin,
daß die
Erhebungen 22 als Noppen ausgebildet sind.
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Die
Erhebungen 22 sind beispielsweise als eine Strukturschicht 25 galvanisch
aufgetragen. Die Strukturschicht 25 besteht aus einer ebenen
Schicht 26, auf der beispielsweise halbkugelförmige Erhebungen 22 vorgesehen
sind. Die Strukturschicht 25 ist beispielsweise aus Chrom
hergestellt. Der Durchmesser der halbkugelförmigen Erhebungen 22 liegt beispielsweise
zwischen 0 und 30 Mikrometern. Die Strukturschicht 25 läßt sich
beispielsweise mittels eines bekannten Strukturchromverfahrens herstellen. Die
Dicke der Strukturschicht 25 nimmt beispielsweise an einem
dem Dichtsitz 11 zugewandten Rand der Strukturschicht 25 kontinuierlich
ab, um einen die Kraftstoffströmung
störenden
Absatz zu vermeiden.
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Die
Herstellung der Strukturschicht 25 erfordert keine hochpräzise Bearbeitung
der Oberfläche und
ist daher einfach und kostengünstig.
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7 zeigt
in einem Teilschnitt vereinfacht ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Brennstoffeinspritzventils.
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Bei
dem Brennstoffeinspritzventil nach 7 sind die
gegenüber
dem Brennstoffeinspritzventil nach 1 bis 6 gleichbleibenden
oder gleichwirkenden Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Das
Brennstoffeinspritzventil nach 7 unterscheidet
sich von dem Brennstoffeinspritzventil nach 1 darin,
daß die
Erhebungen 22 im Austrittsspalt 17 des Strömungsaustrittsbereichs 14 angeordnet
sind und von der ersten Wandung 15 zur zweiten Wandung 16 reichen.
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Bei
Anordnung der Erhebungen 22 im Austrittsspalt 17 bildet
sich in der Strömung
stromab jeder Erhebung 22 eine sogenannte Wirbelschleppe aus,
die auch als Karmann'sche
Wirbelstraße
bezeichnet wird. Mit der Strömung
lösen periodisch
Wirbel von jeder Erhebung 22 ab, die in der Strömung zusätzliche
Turbulenz erzeugen und auf diese Weise ein Zerfallen des Kraftstoffstrahls
in möglichst
kleine Tropfen fördern.
Je kleiner der angeströmte
Querschnitt der Erhebung 22 ist und je kleiner die Abstände zwischen
den Erhebungen 22 sind, desto höher ist die von der Wirbelschleppe
erzeugte Turbulenz. Das Versetzen der einzelnen Reihen 24 zueinander
erhöht
ebenso die Turbulenz im Kraftstoffstrahl.
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8 zeigt
vereinfacht ein sogenanntes A-Ventil, dessen Ventilschließkörper 8 einen
Hub in Strömungsrichtung
gesehen nach außen
ausführt.
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Bei
dem Brennstoffeinspritzventil nach 8 sind die
gegenüber
dem Brennstoffeinspritzventil nach 1 bis 7 gleichbleibenden
oder gleichwirkenden Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
ist die erste Wandung 15 am Ventilsitz 9 und die
zweite Wandung 16 an dem Ventilschließkörper 8 ausgebildet.
Der Ventilschließkörper 8 erweitert
sich von einem dem Aktor 3 abgewandten Ende des Nadelschafts 7 ausgehend
in Strömungsrichtung
bis zu der zweiten Abströmkante 19,
die gegenüber
der an dem Ventilsitz 9 ausgebildeten ersten Abströmkante 18 in Strömungsrichtung
stromabwärts
liegt. Der Ventilsitz 9 erweitert sich stromab des Dichtsitzes 11 bis
zu der ersten Abströmkante 18.
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Zwischen
dem Ventilschließkörper 8 und dem
Ventilsitz 9 ist der Austrittsspalt 17 vorgesehen.
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Die
Erhebungen 22 sind beispielsweise am Ventilschließkörper 8 stromab
des Dichtsitzes 11 und stromauf der zweiten Abströmkante 19 und/oder
am Ventilsitz 9 stromab des Dichtsitzes 11 und
stromauf der ersten Abströmkante 18 vorgesehen.
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9 zeigt
vereinfacht ein sogenanntes I-Ventil, dessen Ventilschließkörper 8 einen
Hub entgegen der Strömungsrichtung
nach innen ausführt.
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Bei
dem Brennstoffeinspritzventil nach 9 sind die
gegenüber
dem Brennstoffeinspritzventil nach 1 bis 8 gleichbleibenden
oder gleichwirkenden Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
bilden die erste Wandung 15 und die zweite Wandung 16, die
an einem Ventilsitzkörper 31 ausgebildet
sind, den als Strömungskanal
ausgebildeten Austrittsspalt 17. Der Strömungskanal
ist stromab des Ventilsitzes in einem ersten Bereich 29 beispielsweise
zylindrisch ausgeführt
und erweitert sich anschließend
in einem zweiten Bereich 30 in Strömungsrichtung kegelförmig. Die
erste Abströmkante 18 und
die zweite Abströmkante 19 liegen
in einer Ebene. Die Erhebungen 22 sind beispielsweise in
dem zweiten Bereich 30 angeordnet.
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Bei
geöffnetem
Brennstoffeinspritzventil wird der Kraftstoff beispielsweise mittels
einer nicht dargestellten Drallscheibe in Rotation versetzt, so
daß die in
den Austrittsspalt 17 eintretende Strömung durch die Zentrifugalkraft
eine rotationssymmetrische Lamelle bildet und an der ersten Wandung 15 und
der zweiten Wandung 16 entlang strömt. Dabei umströmt und überströmt der Kraftstoff die
Erhebungen 22 und wird stromab der Erhebungen 22 fein
zerstäubt.