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Die
Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der
Gattung des Hauptanspruchs.
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Bekannt
ist bereits aus der
DE
42 21 185 A1 ein Brennstoffeinspritzventil, das stromabwärts eines festen
Ventilsitzes eine Lochscheibe mit mehreren Auslassöffnungen
aufweist. Die Lochscheibe wird zunächst mit zumindest einer Auslassöffnung durch Stanzen
versehen, die parallel zur Ventillängsachse verläuft. Dann
wird die Lochscheibe in ihrem mittleren Bereich, der die Auslassöffnungen
aufweist, durch Tiefziehen plastisch verformt, so dass die Auslassöffnungen
geneigt gegenüber
der Ventillängsachse
verlaufen und sich in Strömungsrichtung
kegelstumpfförmig
bzw. konisch erweitern. Auf diese Weise werden zwar eine gute Aufbereitung
und eine gute Strahlstabilität
des durch die Auslassöffnungen abgegebenen
Mediums erzielt, jedoch ist der Herstellungsprozess der Lochscheibe
mit ihren Auslassöffnungen
sehr aufwändig.
Außerdem
sind mit der konventionellen Technik des Einbringens der Auslassöffnungen
Grenzen bei der Dicke der Lochscheibe sowie bei den Durchmessern
der Auslassöffnungen gesetzt.
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Aus
der
DE 43 07 159 A1 ist
bereits ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, das ebenfalls eine Lochscheibe
stromabwärts
eines Ventilsitzes aufweist. In die Lochscheibe wird durch Erodieren
parallel zur Ventillängsachse
die wenigstens eine Auslassöffnung
eingebracht. Das Erodieren erfolgt mit einer Werkzeugelektrode,
während
das sich um die Werkzeugelektrode befindliche Dielektrikum in entgegengesetzter
Richtung zum Erodiervorgang die abgelösten Partikel ausspült. Dabei
werden konische Auslassöffnungen
gebildet. Um nach dem Durchstoßen
der Werkzeugelektrode durch die Lochscheibe eine Kompensation der
entstandenen Konizität
zu vermeiden, strömt
ein an der der Werkzeugelektrode abgewandten Stirnseite zusätzlich bereitgestelltes
Dielektrikum entgegengesetzt zur Arbeitsrichtung der Werkzeugelektrode
unter Druck in die Auslassöffnungen
als Spülverstärkung. Auch
dieses Herstellungsverfahren zum Einbringen von Auslassöffnungen
in eine Lochscheibe ist relativ aufwändig. Des weiteren ist der
Herstellungsvorgang schwierig einstellbar, so dass die Geometrien
der Auslassöffnungen
in großer Stückzahl nicht
exakt reproduzierbar herzustellen sind und von zylindrischen oder
konischen Lochformen abweichende Auslassöffnungen nicht herstellbar
sind.
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Aus
der
DE 199 37 961
A1 sind außerdem verschiedenste
Konturen von Auslassöffnungen
für Brennstoffeinspritzventile
bereits bekannt. Dabei werden die Auslassöffnungen derart hergestellt,
dass in einem ersten Verfahrensschritt ein Durchgangsloch in einem
Ventilsitzelement erzeugt wird und in einem zweiten Verfahrensschritt
von dem abspritzseitigen Ende des Durchgangslochs her ein in Form und/oder
Größe und/oder
Kontur gegenüber
dem Durchgangsloch veränderter
Austrittsbereich erzeugt wird. Ein alternatives Verfahren sieht
vor, dass in einem ersten Verfahrensschritt ein Sackloch von dem dem
abspritzseitigen Ende gegenüberliegenden
zulaufseitigen Ende erzeugt wird und in einem zweiten Verfahrensschritt
von dem abspritzseitigen Ende der zu erzeugenden Auslassöffnung her
ein in Form und/oder Größe und/oder
Kontur gegenüber
dem Sackloch veränderter
Austrittsbereich erzeugt wird, so dass eine durchgehende Auslassöffnung entsteht. Allen
Auslassöffnungen
ist dabei gemein, dass sie einen zulaufseitigen zylindrischen ersten
Abschnitt, der durch Erodieren, Stanzen oder Laserstrahlbohren hergestellt
ist, besitzen, an den sich ein abspritzseitiger zweiter Abschnitt
als Austrittsbereich anschließt, der
von dem ersten zylindrischen Abschnitt abweicht und insbesondere
durch Laserbearbeitung ausgeformt ist. Der Austrittsbereich kann
gestuft, pyramidenstumpfartig, konisch, konkav oder konvex (trompetenförmig) gewölbt ausgebildet
sein.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil,
dass auf einfache Art und Weise eine gleichmäßige Feinstzerstäubung des
Brennstoffs erreicht wird, wobei eine besonders hohe Aufbereitungsqualität und Zerstäubungsgüte mit sehr
kleinen Brennstofftröpfchen
erzielt wird. Dies wird in vorteilhafter Weise dadurch erreicht,
dass stromabwärts
eines Ventilsitzes in einer Lochscheibe vorgesehene Auslassöffnungen
eine lavaldüsenartige
Kontur besitzen. Von Vorteil ist es, dass derartige Auslassöffnungen
mit extrem kleinen Durchmessern von 25 bis 250 μm herstellbar sind, mit denen
ein besonders feines Fluidspray erzeugbar ist.
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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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In
vorteilhafter Weise ist im Ventilsitzkörper stromaufwärts der
Auslassöffnungen
eine Zuströmöffnung vorgesehen,
die größer ist
als eine Austrittsöffnung
stromabwärts
des Ventilsitzes. Auf diese Weise übernimmt der Ventilsitzkörper bereits
die Funktion einer Strömungsbeeinflussung
in der Lochscheibe. In besonders vorteilhafter Weise wird durch die
Ausbildung der Zuströmöffnung ein
S-Schlag in der Strömung
zur Zerstäubungsverbesserung
des Brennstoffs erreicht, da der Ventilsitzkörper mit der oberen Begrenzung
der Zuströmöffnung die
Auslassöffnungen
der Lochscheibe überdeckt.
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Mittels
galvanischer Metallabscheidung lassen sich in vorteilhafter Weise
Lochscheiben in reproduzierbarer Weise äußerst präzise und kostengünstig in
sehr großen
Stückzahlen
gleichzeitig herstellen. Außerdem
erlaubt diese Herstellungsweise eine extrem große Gestaltungsfreiheit, da
die Konturen der Öffnungen
in der Lochscheibe frei wählbar
sind.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen 1 ein teilweise dargestelltes
Einspritzventil und 2 den Ausschnitt II in 1 mit
einer vergrößerten Auslassöffnung.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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In
der 1 ist als ein Ausführungsbeispiel ein Ventil in
der Form eines Einspritzventils für Brennstoffeinspritzanlagen
von gemischverdichtenden fremdgezündeten Brennkraftmaschinen
teilweise dargestellt. Das Einspritzventil hat einen nur schematisch
angedeuteten, einen Teil eines Ventilgehäuses bildenden, rohrförmigen Ventilsitzträger 1,
in dem konzentrisch zu einer Ventillängsachse 2 eine Längsöffnung 3 ausgebildet
ist. In der Längsöffnung 3 ist eine
z. B. rohrförmige
Ventilnadel 5 angeordnet, die an ihrem stromabwärtigen Ende 6 mit
einem z. B. kugelförmigen
Ventilschließkörper 7,
an dessen Umfang beispielsweise fünf Abflachungen 8 zum
Vorbeiströmen
des Brennstoffs vorgesehen sind, fest verbunden ist.
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Die
Betätigung
des Einspritzventils erfolgt in bekannter Weise, beispielsweise
elektromagnetisch. Zur axialen Bewegung der Ventilnadel 5 und
damit zum Öffnen
entgegen der Federkraft einer nicht dargestellten Rückstellfeder
bzw. Schließen
des Einspritzventils dient ein schematisch angedeuteter elektromagnetischer
Kreis mit einer Magnetspule 10, einem Anker 11 und
einem Kern 12. Der Anker 11 ist mit dem dem Ventilschließkörper 7 abgewandten Ende
der Ventilnadel 5 durch z.B. eine mittels eines Lasers
ausgebildete Schweißnaht
verbunden und auf den Kern 12 ausgerichtet.
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In
dem stromabwärts
liegenden Ende des Ventilsitzträgers 1 ist
ein Ventilsitzkörper 16 z.B. durch
Schweißen
dicht montiert. An seiner dem Ventilschließkörper 7 abgewandten,
unteren Stirnseite 17 ist der Ventilsitzkörper 16 gestuft
ausgeführt,
wobei in einem mittleren Bereich rund um die Ventillängsachse 2 eine
Vertiefung 20 vorgesehen ist, in der eine flache, einlagige
Lochscheibe 23 eingebracht ist. Die Lochscheibe 23 weist
wenigstens eine, idealerweise jedoch zwei bis vierzig Auslassöffnungen 24 auf.
Stromaufwärts
der Vertiefung 20 und damit der Auslassöffnungen 24 der Lochscheibe 23 ist im
Ventilsitzkörper 16 eine
Zuströmöffnung 19 vorgesehen, über die
die einzelnen Auslassöffnungen 24 angeströmt werden.
Die Zuströmöffnung 19 besitzt dabei
einen Durchmesser, der größer ist
als die Öffnungsweite
einer Austrittsöffnung 27 im
Ventilsitzkörper 16,
aus der der Brennstoff kommend in die Zuströmöffnung 19 und letztlich
in die Auslassöffnungen 24 einströmt.
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Die
Verbindung von Ventilsitzkörper 16 und Lochscheibe 23 erfolgt
beispielsweise durch eine umlaufende und dichte, mittels eines Lasers
ausgebildete Schweißnaht 25,
die außerhalb
der Zuströmöffnung 19 platziert
ist. Nach der Befestigung der Lochscheibe 23 liegt diese
in der Vertiefung 20 versenkt gegenüber der Stirnseite 17.
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Die
Einschubtiefe des Ventilsitzkörpers 16 mit
der Lochscheibe 23 in der Längsöffnung 3 bestimmt
die Größe des Hubs
der Ventilnadel 5, da die eine Endstellung der Ventilnadel 5 bei
nicht erregter Magnetspule 10 durch die Anlage des Ventilschließkörpers 7 an
einer sich stromabwärts
konisch verjüngenden
Ventilsitzfläche 29 des
Ventilsitzkörpers 16 festgelegt
ist. Die andere Endstellung der Ventilnadel 5 wird bei
erregter Magnetspule 10 beispielsweise durch die Anlage
des Ankers 11 an dem Kern 12 festgelegt. Der Weg
zwischen diesen beiden Endstellungen der Ventilnadel 5 stellt
somit den Hub dar.
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Alternativ
zu dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
kann die Lochscheibe 23 z.B. auch zweilagig mit zwei Funktionsebenen übereinander
aufgebaut sein, wobei in der stromaufwärtigen ersten Ebene dann die
Zuströmöffnung 19 und
in der stromabwärtigen
zweiten Ebene die Auslassöffnungen 24 vorgesehen
wären.
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Die
Auslassöffnungen 24 der
Lochscheibe 23 stehen mit der Zuströmöffnung 19 in unmittelbarer Strömungsverbindung,
werden jedoch von der oberen Begrenzung der Zuströmöffnung 19 überdeckt. Mit
anderen Worten ausgedrückt
liegt ein vollständiger
Versatz von der den Einlass der Zuströmöffnung 19 festlegenden
Austrittsöffnung 27 und
den Auslassöffnungen 24 vor.
Aufgrund des radialen Versatzes der Auslassöffnungen 24 gegenüber der
Austrittsöffnung 27 ergibt
sich ein S-förmiger
Strömungsverlauf des
Mediums, hier des Brennstoffs. Ein S-förmiger Strömungsverlauf wird auch bereits
dann erzielt, wenn der Ventilsitzkörper 16 alle Auslassöffnungen 24 in
der Lochscheibe 23 nur teilweise überdeckt.
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Durch
den sogenannten S-Schlag vor und innerhalb der Lochscheibe 23 mit
mehreren starken Strömungsumlenkungen
wird der Strömung
eine starke, zerstäubungsfördernde
Turbulenz aufgeprägt.
Der Geschwindigkeitsgradient quer zur Strömung ist dadurch besonders
stark ausgeprägt.
Er ist ein Ausdruck für
die Änderung
der Geschwindigkeit quer zur Strömung,
wobei die Geschwindigkeit in der Mitte der Strömung deutlich größer ist
als in der Nähe der
Wandungen. Die aus den Geschwindigkeitsunterschieden resultierenden
erhöhten
Scherspannungen im Fluid begünstigen
den Zerfall in feine Tröpfchen
nahe der Auslassöffnungen 24.
Erfindungsgemäß wird durch
die Konturierung der Auslassöffnungen 24 das
Fluid noch zusätzlich
in seiner Zerstäubung
positiv beeinflusst, so dass ein noch weiter verbesserter Zerfall
in feinste Tröpfchen
erzielbar ist.
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Die
Lochscheibe 23 ist beispielsweise mittels galvanischer
Metallabscheidung hergestellt, wobei die Herstellung einer einlagigen
Lochscheibe 23 insbesondere mit der Technik des lateralen Überwachsens
vorteilhaft ist. In erfindungsgemäßer Weise besitzen die Auslassöffnungen 24 eine
lavaldüsenartige Kontur.
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2 zeigt
einen vergrößerten Ausschnitt
II in 4 zur Verdeutlichung der Kontur
der Auslassöffnungen 24 in
der Lochscheibe 23. Die Auslassöffnungen 24 weisen
zwei in Strömungsrichtung
aufeinanderfolgende Abschnitte auf, deren Wandungen kontinuierlich
ineinander übergehen
und keine Stufen aufweisen. In einem ersten stromaufwärtigen Abschnitt
verläuft
die wenigstens eine Auslassöffnung 24 mit
einer sich in Strömungsrichtung
verjüngenden, parabolischen,
konvex gewölbten
Kontur, während der
sich anschließende
zweite stromabwärtige
Abschnitt der Auslassöffnung 24 eine
sich in Strömungsrichtung erweiternde,
parabolische, konvex gewölbte
Kontur besitzt. Innerhalb der Auslassöffnung 24 wird dabei
der engste Querschnitt gebildet, und zwar in einer Ebene 30,
die parallel zur Eintrittsebene 31 und zur Austrittsebene 32 der
Auslassöffnung 24 verläuft, mit
beiden aber nicht zusammenfällt.
Insgesamt ergibt sich dadurch die bereits erwähnte lavaldüsenartige Kontur, wobei sich
von der Ebene 30 des engsten Querschnitts ausgehend die Auslassöffnung 24 trompetenförmig erstreckt. Über die
axiale Länge
der Auslassöffnung 24 bzw.
die Dicke der Lochscheibe 23 gesehen liegt die Ebene 30 des
engsten Querschnitts nicht in der Mitte, sondern deutlich näher zur
Eintrittsebene 31 als zur Austrittsebene 32. Der
engste Querschnitt der Auslassöffnung 24 liegt
z.B. im Bereich zwischen 5% und 25% der axialen Erstreckung der
Auslassöffnung 24 hinter
der Eintrittsebene 31. Da der engste Querschnitt der Auslassöffnung 24 viel
näher zur
Eintrittsebene 31 hin liegt, ergibt sich in vorteilhafter
Weise, dass der Durchmesser der Auslassöffnung 24 im Bereich
der Austrittsebene 32 deutlich größer ist als der Durchmesser
der Auslassöffnung 24 im
Bereich der Eintrittsebene 31. Der Durchmesser der Austrittsebene 32 ist
z.B. um Faktor 3 größer.
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Die
Fertigung der Lochscheibe 23 in einem Mikrogalvanikprozess
insbesondere unter Nutzung der Technik des lateralen Überwachsens
erlaubt eine Ausbildung von hochpräzisen Auslassöffnungen 24 mit
der oben beschriebenen lavaldüsenartigen
Kontur. Auf diese Weise können
Auslassöffnungen 24 hergestellt
werden, die einen engsten Querschnitt von unter 50 μm haben.
Im Vergleich zur konventionellen Herstellungstechnik von Auslassöffnungen 24 in
Lochscheiben 23 sind mit dieser Mikrogalvanik Durchmesser
von 25 bis 250 μm
vollkommen prozesssicher ausformbar. Gegenüber bekannter Lochscheiben
kann die Lochscheibe 23 wesentlich dünner ausgeführt werden, wobei die Dicke
der Lochscheibe 23 beispielsweise 50 bis 120 μm beträgt.
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Die
lavaldüsenartigen
Auslassöffnungen 24 liegen
ohne Nachbearbeitungsprozesse direkt nach der Ausformung absolut
gratfrei vor, wobei in vorteilhafter Weise der Übergang von der oberen Stirnfläche der
Lochscheibe 23 zur Auslassöffnung 24 im Bereich
der Eintrittsebene 31 scharfkantig entsteht.