DE4435270A1 - Brennstoffeinspritzvorrichtung - Google Patents
BrennstoffeinspritzvorrichtungInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einer
Brennstoffeinspritzvorrichtung nach der Gattung des
Hauptanspruchs. Es ist bereits aus der EP-OS 0 302 660 ein
Brennstoffeinspritzventil bekannt, an dessen stromabwärtigem
Ende ein Adapter vorgesehen ist, in den aus einer
Austrittsöffnung kommender Brennstoff gelangt, der wiederum
am stromabwärtigen Ende des Adapters auf eine ebene, Maschen
aufweisende Metallscheibe zum Aufbrechen des Brennstoffs
trifft. Die Metallscheibe ist dabei so angeordnet, daß ein
Luftstrom über Löcher in dem Adapter dafür sorgt, daß an der
Metallscheibe hängenbleibende Brennstofftropfen weggerissen
werden. Eine bessere Zerstäubungsgüte wird also erst dann
erreicht, wenn der Brennstoff nahe der Metallscheibe von
einem Luftstrom umfaßt wird, durch den aber eine genaue
Abspritzgeometrie nicht erreicht werden kann. Die
quadratischen Maschen der Metallscheibe sind aufgrund des
gleichmäßigen Geflechts gleich groß und bilden ein in alle
Richtungen symmetrisches, kariertes Muster. Das Geflecht der
Metallscheibe ist also gitterförmig ausgebildet, wobei das
Geflecht in axialer Richtung keine Querschnittsveränderungen
aufweist. Es sind somit keine speziellen Zerstäuberkanten
vorgesehen.
Außerdem ist schon aus der DE-OS 27 23 280 bekannt, an einem
Brennstoffeinspritzventil stromabwärts einer Dosieröffnung
ein Brennstoffaufbrechglied in der Form einer ebenen dünnen
Scheibe aus zuführen, die eine Vielzahl von gebogenen
schmalen Schlitzen aufweist. Die bogenförmigen Schlitze, die
durch Ätzen in der Scheibe eingebracht sind, sorgen mit
ihrer Geometrie, also mit ihrer radialen Breite und ihrer
Bogenlänge, dafür, daß ein Brennstoffschleier gebildet wird,
der in kleine Tröpfchen aufbricht. Der Ätzvorgang zur
Herstellung der Schlitze ist dabei kostenintensiv. Außerdem
müssen die einzelnen Schlitzgruppen sehr exakt zueinander
eingebracht werden, um das Aufbrechen des Brennstoffs in
gewünschter Weise zu erreichen. Über die gesamte axiale
Erstreckung des Aufbrechgliedes weisen die bogenförmigen
Schlitze jeweils eine konstante Öffnungsweite auf. Die
Zerstäubung soll also durch die horizontale, radial
ausgebildete Geometrie der Schlitze in der Ebene des
Aufbrechgliedes verbessert werden.
Aus der Literatur, beispielsweise aus Heuberger:
"Mikromechanik", Springer-Verlag 1989, Seite 236 ff. und aus
Reichl: "Micro System Technologies 90", Springer-Verlag
1990, Seite 521 ff. ist bereits das sogenannte LIGA-
Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Bauelemente
bekannt. Dieses Verfahren umfaßt die Schritte Lithographie,
Galvanoformung und Abformung. Einfach lassen sich so äußerst
genaue Mikrostrukturen in sehr guter Qualität und großen
Stückzahlen herstellen. Im Gegensatz zu beispielsweise
Erodierverfahren läßt sich mit dem LIGA-Verfahren eine
ungleich größere Geometrievielfalt fertigen.
Bekannt ist aus der WO 92/13188 bereits eine Vorrichtung zur
Verbesserung der Brennstoffzerstäubung durch Zuführen von
Luft in den flüssigen Brennstoff noch vor einer
Einspritzdüse. Das Zuführen der Luft erfolgt dabei
ansaugseitig über eine Luftstrahlpumpe bei Unterdruck in
eine Brennstoffpumpe. Die Einblasung der Luft wird über eine
einzige Bohrung in den Brennstoffströmungsweg hinein
vorgenommen, so daß der Brennstoff immer nur an einer Stelle
mit einströmenden Luftblasen angereichert wird.
Die erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzvorrichtung mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den
Vorteil, daß mit geringem Kostenaufwand ein
Zerstäubungsgitter an einem Brennstoffeinspritzventil
vorgesehen sein kann, das ohne jegliche Hilfsenergie zu
einer deutlichen Verbesserung der Zerstäubungsgüte beiträgt,
da der auf das Zerstäubungsgitter treffende Brennstoff
besonders fein in kleinste Tröpfchen zerstäubt wird, die
einen reduzierten sogenannten Sauter Mean Diameter (SMD)
aufweisen, also einen verringerten mittleren
Tropfendurchmesser des abgespritzten Brennstoffs. Als
Konsequenz können u. a. die Abgasemission einer
Brennkraftmaschine weiter reduziert und ebenso eine
Verringerung des Brennstoffverbrauchs erzielt werden.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das
Zerstäubungsgitter für die Einspritzung von Brennstoffen
völlig neuartige Zerstäuberstrukturen aufweist, die sich
besonders durch eine einfach und sehr variabel herstellbare,
in der Geometrie jedoch komplizierte Anordnung von
Zerstäuberstegen mit Zerstäuberkanten auszeichnet. Die
Zerstäuberstege bzw. die gesamte Zerstäuberstruktur weisen
bzw. weist dabei nicht nur horizontal, also radial
verlaufend neue Geometrien auf, sondern besitzen auch in
axialer Erstreckung, also über die Dicke des
Zerstäubungsgitters Querschnittsveränderungen, die eine
optimale Zerstäubung des Brennstoffs ermöglichen. Der
Brennstoff trifft auf die scharfkantigen
Zerstäuberstrukturen mit ihren zum Ventilschließkörper
zugewandten Zerstäuberkanten, wird dadurch instabil und
zerfällt in feinere Tröpfchen. Stromabwärts der
Zerstäuberkanten kommt es aufgrund der Geometrie der
Zerstäuberstruktur, speziell wegen der
Querschnittsverkleinerung der Zerstäuberstege, zu lokalen
Kavitationen, also Unterdruckbereichen. Das Aufprallen des
Brennstoffs auf die Zerstäuberstruktur hat ebenfalls zur
Folge, daß in dem zerstäubten Brennstoff stromabwärts der
Zerstäuberkanten Wirbel und Rückströmungen auftreten, wobei
diese Turbulenzen besonders die Zerstäubungsgüte erhöhen.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind
vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im
Hauptanspruch angegebenen Brennstoffeinspritzvorrichtung
möglich.
Besonders vorteilhaft ist es, die Zerstäubungsgitter mittels
der sogenannten LIGA- bzw. MIGA-Verfahren zu fertigen. Mit
hoher Formgenauigkeit sind so große Stückzahlen von
Zerstäubungsgittern mit sehr geringen Abmessungen der
Zerstäuberstrukturen herstellbar. Das Zerstäubungsgitter
kann entweder stromabwärts einer Spritzlochscheibe oder
direkt stromabwärts einer Ventilsitzfläche ohne zusätzliche
Spritzlochscheibe sehr einfach am Einspritzventil
beispielsweise mittels Klebens, Lötens, Schweißens oder
Einrastens befestigt werden. Wenn eine Spritzlochscheibe dem
Zerstäubungsgitter vorgeschaltet ist, findet an dem
Zerstäubungsgitter eine sogenannte sekundäre Zerstäubung
statt.
Von Vorteil kann es sein, zur Zerstäubungsverbesserung des
Brennstoffs eine zusätzliche Gaseinblasvorrichtung
vorzusehen. Noch vor dem Erreichen des
Brennstoffeinspritzventils wird in den Brennstoff mit dieser
Vorrichtung ein Gas eingeblasen. In vorteilhafter Weise
erfolgt die Gaszufuhr über ein Einblasgitter mit einer
Vielzahl von Öffnungen. Auch das Einblasgitter läßt sich
sehr gut mittels LIGA-Verfahren herstellen. Zur Gewinnung
des gewünschten Brennstoffdruckes wird direkt nach der
Gaseinblasung das Gemisch aus Brennstoff und Gasblasen
abgebremst, indem der Querschnitt für die Brennstoffströmung
wieder vergrößert wird. Bei zunehmendem Druck werden die
Gasblasen im Gemisch komprimiert. Bis zu einer bestimmten
Gaskonzentration im Gemisch herrscht noch eine
Blasenströmung (bubbly flows) im Einspritzventil.
Unmittelbar stromabwärts einer Dichtkante des
Einspritzventils entspannen sich bei der Einspritzung die
Gasblasen schlagartig und sorgen somit für eine feine
Zerstäubung des Brennstoffs. Die scharfkantige
Zerstäuberstruktur sorgt dann unmittelbar nachfolgend für
eine weitere Zerstäubungsverbesserung entsprechend der
bereits erwähnten Vorgänge.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein
teilweise dargestelltes Einspritzventil mit
erfindungsgemäßen Zerstäubungsgittern, Fig. 2 einen
vereinfachten Zerstäubungsbereich mit einem
Zerstäubungsgitter, Fig. 3 eine Vergrößerung der
Zerstäuberstruktur aus Fig. 2, Fig. 4 bis Fig. 9
Beispiele für Zerstäuberstrukturen mit dreieckförmigen,
rauten- bzw. drachenviereckförmigen und zumindest teilweise
gekrümmte Begrenzungen aufweisenden Querschnitten, Fig. 10
ein Zerstäubungsgitter mit viereckförmiger Grundstruktur,
Fig. 11 ein Zerstäubungsgitter mit kreisförmiger
Grundstruktur, Fig. 12 ein Zerstäubungsgitter mit
sechseckförmiger Grundstruktur, Fig. 13 ein
Zerstäubungsgitter mit dreieckförmiger Grundstruktur, Fig.
14 eine schematische Darstellung der Brennstoffeinspritz
vorrichtung mit einer Gaseinblasvorrichtung, Fig. 15 ein
Ausführungsbeispiel einer Gaseinblasvorrichtung und Fig. 16
ein Einblasgitter für eine Gaseinblasvorrichtung.
In der Fig. 1 ist als ein Ausführungsbeispiel ein Ventil in
der Form eines Einspritzventils für
Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden
fremdgezündeten Brennkraftmaschinen teilweise dargestellt.
Das Einspritzventil hat einen 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 vorgesehen sind, verbunden ist.
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 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 Schweißnaht mittels eines Lasers verbunden
und auf den Kern 12 ausgerichtet.
Zur Führung des Ventilschließkörpers 7 während der
Axialbewegung dient eine Führungsöffnung 15 eines
Ventilsitzkörpers 16. In das stromabwärts liegende, dem Kern
12 abgewandte Ende des Ventilsitzträgers 1 ist in der
konzentrisch zur Ventillängsachse 2 verlaufenden
Längsöffnung 3 der zylinderförmige Ventilsitzkörper 16 durch
Schweißen dicht montiert. An seiner dem Ventilschließkörper
7 abgewandten, unteren Stirnseite 17 ist der
Ventilsitzkörper 16 mit einer beispielsweise topfförmig
ausgebildeten Spritzlochscheibe 21 konzentrisch und fest
verbunden, die also unmittelbar an dem Ventilsitzkörper 16
anliegt.
Die Verbindung von Ventilsitzkörper 16 und Spritzlochscheibe
21 erfolgt beispielsweise durch eine umlaufende und dichte,
mittels eines Lasers ausgebildete erste Schweißnaht 22.
Durch diese Art der Montage ist die Gefahr einer
unerwünschten Verformung der Spritzlochscheibe 21 in ihrem
zentralen Bereich 24, in dem sich wenigstens eine,
beispielsweise vier durch Stanzen oder Erodieren ausgeformte
Abspritzlöcher 25 befinden, vermieden. Die Spritzlochscheibe
21 ist des weiteren mit der Wandung der Längsöffnung 3 im
Ventilsitzträger 1 beispielsweise durch eine umlaufende und
dichte zweite Schweißnaht 30 verbunden.
Die Einschubtiefe des aus Ventilsitzkörper 16 und
topfförmiger Spritzlochscheibe 21 bestehenden
Ventilsitzteils in die 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 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.
Der kugelförmige Ventilschließkörper 7 wirkt mit der sich in
Strömungsrichtung kegelstumpfförmig verjüngenden
Ventilsitzfläche 29 des Ventilsitzkörpers 16 zusammen, die
in axialer Richtung zwischen der Führungsöffnung 15 und der
unteren Stirnseite 17 des Ventilsitzkörpers 16 ausgebildet
ist.
Stromabwärts der Spritzlochscheibe 21 ist in der
Längsöffnung 3 des Ventilsitzträgers 1 ein erfindungsgemäßes
Zerstäubungsgitter 32 angeordnet. Das Zerstäubungsgitter 32
stellt eine dünne Scheibe dar, die mit dem Ventilsitzträger
l beispielsweise mittels Klebens fest verbunden ist. Der
Bereich der Befestigung des Zerstäubungsgitters 32 ist in
der Fig. 1 nur beispielhaft und schematisch dargestellt, da
die verschiedensten Verbindungstechniken 33 zum Fixieren des
Zerstäubungsgitters 32 zum Einsatz kommen können, wie z. B.
Schweißen, Löten oder Einrasten. Alternativ zu dem
beispielsweise in der Längsöffnung 3 eingeklebten
Zerstäubungsgitter 32 ist in der Fig. 1 noch ein zweites
Zerstäubungsgitter 32 dargestellt, das in Umfangsrichtung
von einem umlaufenden Klemmring 34 begrenzt wird. In dem
Klemmring 34 ist das Zerstäubungsgitter 32 eingeklemmt,
eingespannt oder umgossen. Der Klemmring 34 ermöglicht eine
sehr einfache Montage des Zerstäubungsgitters 32, da das
Zerstäubungsgitter 32 mit dem Klemmring 34 in einem
Verfahrensschritt zwischen dem stromabwärtigen Ende des
Ventilsitzträgers 1 und einer den stromabwärtigen Abschluß
des Einspritzventils bildenden Schutzkappe 35 eingespannt
werden kann. Die Montage kann beispielsweise so erfolgen,
daß das Zerstäubungsgitter 32 bereits in die Schutzkappe 35
eingelegt und dann zusammen mit der Schutzkappe 35 am
Ventilsitzträger 1 befestigt wird, indem die Schutzkappe 35
und der Ventilsitzträger 1 eine Rastverbindung eingehen.
Weitere hier nicht beschriebene, aber durchaus übliche
Fügeverfahren 33, wie Schweißen oder Löten, sind ebenfalls
zur Befestigung des Zerstäubungsgitters 32 denkbar. Die
Verbindungstechniken 33 spielen jedoch nur eine
untergeordnete Rolle, da Zerstäuberstrukturen 36 in
mittleren Bereichen 37 der erfindungsgemäßen
Zerstäubungsgitter 32 entscheidend für eine gewünschte
hervorragende Zerstäubungsqualität des Brennstoffs sind.
Die beispielsweise vier Abspritzlöcher 25 der
Spritzlochscheibe 21 befinden sich z. B. symmetrisch um die
Ventillängsachse 2 in Form von Eckpunkten eines Quadrates
verteilt und besitzen damit jeweils den gleichen Abstand
zueinander und zur Ventillängsachse 2. Die aus den
Abspritzlöchern 25 austretenden Brennstoffstrahlen
kollidieren stromabwärts der Spritzlochscheibe 21 mit den
Zerstäuberstrukturen 36 des Zerstäubungsgitters 32. Das
Kollidieren bzw. Aufprallen und Umströmen des Brennstoffs an
den erfindungsgemäßen Zerstäuberstrukturen 36 stellt eine
besonders wirksame Aufbereitungsart dar, bei der eine
Zerstäubung in besonders kleine Tröpfchen erfolgt und die
nachfolgend näher erläutert wird. An dem Zerstäubungsgitter
32 findet also eine sogenannte sekundäre Zerstäubung statt,
durch die die Brennstofftröpfchen in ihrer Größe weiter
reduziert werden. Die Anordnung der Spritzlochscheibe 21 ist
keinesfalls Bedingung für das optimale Wirken des
Zerstäubungsgitters 32; vielmehr erweist sich die
Zerstäuberanordnung ohne Spritzlochscheibe 21 stromabwärts
der Ventilsitzfläche 29 im Einspritzventil als besonders
wirksam.
Um das Aufbereitungsprinzip näher zu erläutern, zeigt die
Fig. 2 vereinfacht den Abspritzbereich des
Einspritzventils, besonders die Bereiche um die
Ventilsitzfläche 29 und das Zerstäubungsgitter 32 herum.
Eine Spritzlochscheibe 21 ist dabei nicht vorgesehen. Der
bei von der Ventilsitzfläche 29 abgehobenem
Ventilschließkörper 7 in Richtung Zerstäubungsgitter 32
abgegebene Brennstoff trifft also unmittelbar ohne
Beeinflussung einer Spritzlochscheibe 21 auf die
Zerstäuberstruktur 36.
Mit dem erfindungsgemäßen Zerstäubungsgitter 32 soll
besonders die Zerstäubungsqualität des Brennstoffs ohne
zusätzliche Hilfsenergie verbessert werden, wobei
insbesondere die neuen Geometrien der Zerstäuberstruktur 36
dazu beitragen. Bisher ist es bei Einspritzventilen üblich,
die Zerstäubung des Brennstoffs unter anderem mittels
Spritzlochscheiben 21 vorzunehmen. Der Druckabfall an der
Spritzlochscheibe 21 beträgt dabei ca. 90% der
Druckdifferenz zwischen dem Einspritzventil und einem nicht
dargestellten Saugrohr der Brennkraftmaschine. Die
Druckenergie wird infolge viskoser Reibung und turbulenter
Dissipation in Wärmeenergie und außerdem in kinetische
Energie umgewandelt. In den Abspritzlöchern 25 der
Spritzlochscheibe 21 nimmt die Geschwindigkeit des
Brennstoffs aufgrund der Querschnittsverengung deutlich zu,
die ein Faktor für die Zerstäubungsgüte des Brennstoffs ist.
Durch den Kontakt mit den scharfkantigen Rändern der
Abspritzlöcher 25 werden aufgrund der Störung der Oberfläche
des Fluids, hier des Brennstoffs, und der Entstehung von
lokaler Kavitation die Brennstoffstrahlen stromabwärts der
Spritzlochscheibe 21 instabil und turbulent.
Für eine gute Zerstäubung des Brennstoffs ist eine Turbulenz
des Fluidstrahls erforderlich, die sich in einer großen
Reynoldschen Zahl ausdrückt. Zur Realisierung der Turbulenz
des Brennstoffstrahls bietet sich z. B. die erfindungsgemäße
Zerstäuberstruktur 36 mit ihrer besonderen Geometrie an. In
der Fig. 2 sind die Zerstäuberstruktur 36 und die
Fluidbewegungen schematisch dargestellt. Der Druckabfall an
dem Zerstäubungsgitter 32 ist aufgrund relativ großer, quer
zur Ventillängsachse 2 verlaufender Querschnittsflächen von
Durchströmbereichen 38 zwischen den Zerstäuberstrukturen 36
wesentlich geringer als der Druckabfall an der
Spritzlochscheibe 21. Deshalb verlagert sich ein großer Teil
des Gesamtdruckabfalls im Einspritzventil an eine Dichtkante
39, die an der Ventilsitzfläche 29 genau dort gebildet ist,
wo der Ventilschließkörper 7 im geschlossenen Zustand des
Einspritzventils weitgehend mit einer Linienberührung an der
Ventilsitzfläche 29 anliegt. Infolgedessen ist die
Anströmgeschwindigkeit des Fluidstrahles 40 stromaufwärts
des Zerstäubungsgitters 32 höher als im Fall einer folgenden
Spritzlochscheibe 21, so daß eine qualitativ hochwertige
Zerstäubung an der Zerstäuberstruktur 36 möglich ist.
In der Fig. 3 ist noch einmal ein Teilbereich des
Zerstäubungsgitters 32 vergrößert dargestellt, wobei das
dreieckförmige Gitterprofil im Querschnitt besonders
deutlich wird. Das Zerstäubungsgitter 32 besitzt z. B. eine
solche dreieckförmige Zerstäuberstruktur 36, daß eine ebene
Fläche 41 mit einer inneren und äußeren Zerstäuberkante 42
zum Ventilschließkörper 7 hin zeigt, während eine
Dreieckspitze 43 vom Ventilschließkörper 7 abgewandt
ausgebildet ist. Der Zerstäubungsvorgang des Brennstoffs ist
anhand der Fig. 3 erkennbar. Der Fluidstrahl 40 mit einer
großen Anströmgeschwindigkeit, die durch einen Pfeil 45
angedeutet ist, wird zunächst durch die Anströmung an der
scharfkantigen Zerstäuberstruktur 36, speziell an den
Zerstäuberkanten 42 instabil und zerfällt danach in feine
Tröpfchen. Von den Zerstäuberkanten 42 aus verlaufende
Stromlinien 47 verdeutlichen die Instabilität des
Brennstoffs. Stromabwärts der Zerstäuberkanten 42 kommt es
aufgrund der dreieckigen Geometrie der Zerstäuberstruktur 36
zu lokalen Kavitationen 48, also Unterdruckbereichen. Das
Aufprallen des Brennstoffs auf die Zerstäuberstruktur 36 hat
ebenfalls zur Folge, daß in dem zerstäubten Brennstoff
stromabwärts der Zerstäuberkanten 42 Wirbel bzw.
Rückströmungen 49 auftreten. Die Zerstäubung des Brennstoffs
wird zudem durch aerodynamische Kräfte der Umgebungsluft
verbessert. Als Resultat liegt ein aus kleinsten Tröpfchen
gebildeter feiner Brennstoffnebel vor, wobei sich die
Brennstofftröpfchen durch einen deutlich reduzierten
sogenannten Sauter Mean Diameter (SMD), also einen
verringerten mittleren Tropfendurchmesser des abgespritzten
Brennstoffs, auszeichnen.
Ziel dieser Aufbereitungsart ist es, besonders fein
zerstäubten Brennstoffin Form kleinster Tröpfchen aus dem
Einspritzventil abzuspritzen, um beispielsweise sehr geringe
Abgasemissionen der Brennkraftmaschine zu erreichen und den
Brennstoffverbrauch zu senken. Mit dem Zerstäubungsgitter 32
kann genau diese Forderung in besonders vorteilhafter Weise
erfüllt werden. Durch das Aufreißen des Brennstoffs am
Zerstäubungsgitter 32 entsteht nämlich stromabwärts des
Zerstäubungsgitters 32 der eben beschriebene feine
Tröpfchennebel. Diese besonders kleinen, den Tröpfchennebel
bildenden Brennstofftröpfchen besitzen nun eine wesentlich
größere Oberfläche als die Brennstoffstrahlen vor dem
Auftreffen auf dem Zerstäubungsgitter 32, die wiederum für
eine gute Zerstäubung ein Indiz ist. Man kann auch davon
sprechen, daß stromabwärts des Zerstäubungsgitters 32 ein
Brennstoffspray gebildet wird. Diese soeben beschriebene
Wirkungsweise zeichnet auch alle nachfolgend aufgeführten
Ausführungsbeispiele der Zerstäuberstrukturen 36 aus.
In den Fig. 4 bis 9 sind einige vorteilhafte und einfach
herstellbare Zerstäuberstrukturen 36 im Querschnitt
dargestellt, die in Zerstäubungsgittern 32 für
Einspritzventile einsetzbar sind. Die Winkel der
Brennstoffsprays können durch die unterschiedlichen
Geometrien der Zerstäuberstrukturen 36 variiert werden. Die
Fig. 4 und 5 zeigen dreieckförmige Zerstäuberstrukturen
36, die sich durch ihre Winkel voneinander unterscheiden. An
der vom Ventilschließkörper 7 abgewandten Dreieckspitze 43
liegt beispielsweise einmal ein spitzer Winkel (Fig. 4) und
bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 5 ein stumpfer Winkel
vor. Weitere Ausführungsbeispiele für Zerstäuberstrukturen
36 sind in den Fig. 6 und 7 dargestellt, wobei die
Zerstäuberstrukturen 36 hier einen rauten- bzw.
drachenviereckförmigen Querschnitt aufweisen. Der Brennstoff
trifft bei diesen Zerstäuberstrukturen 36 nicht auf eine
senkrecht zur Ventillängsachse 2 verlaufende ebene Fläche
41, sondern auf zwei schräg zur Ventillängsachse 2
verlaufende Flächen 44, die neben den zwei Zerstäuberkanten
42 noch eine weitere zum Ventilschließkörper 7 hin
gerichtete Aufreißkante 50 besitzen, die genau zwischen den
beiden schrägen Flächen 44 liegt. Die Ausführungsbeispiele
in den Fig. 8 und 9 weisen jeweils eine ebene Fläche 41
und eine gekrümmte Fläche 46 auf, wobei die gekrümmte, dem
Ventilschließkörper 7 abgewandte Fläche 46 sowohl mit einem
konstanten als auch mit einem variablen Radius ausgeformt
sein kann. Die Übergänge von der ebenen Fläche 41 zu der
gekrümmten Fläche 46 stellen jeweils die zwei
Zerstäuberkanten 42 dar.
Die Fig. 10 bis 13 zeigen einige Ausführungsbeispiele von
Zerstäubungsgittern 32 in ihrer Draufsicht und verdeutlichen
damit die Anordnung der Zerstäuberstrukturen 36 auch in
radialer Erstreckung. Die kreisförmigen Zerstäubungsgitter
32 weisen jeweils eine äußere kreisringförmige Randzone 52
auf, die damit in Umfangsrichtung den mittleren Bereich 37
mit der Zerstäuberstruktur 36 und den sich dazwischen
ergebenden Durchströmbereichen 38 vollständig umgibt. Die
Zerstäuberstrukturen 36 können sehr variabel hergestellt und
auf gewünschte Formen von Brennstoffnebeln abgestimmt
werden. So weisen die Zerstäuberstrukturen 36 in ihrer
Grundtendenz beispielsweise viereckförmige (Fig. 10),
kreisförmige (Fig. 11), sechseckförmige (Fig. 12) oder
dreieckförmige (Fig. 13) Geometrien auf. Neben dieser
Grundstruktur 53 im Zerstäubungsgitter 32 sind in den
Zerstäuberstrukturen 36 weitere meist durch einen
Mittelpunkt 54 der Zerstäubungsgitter 32 verlaufende und von
der Randzone 52 ausgehende Zerstäuberstege 55 vorgesehen.
Diese Zerstäuberstege 55 kreuzen entsprechend der Ausbildung
der Grundstruktur 53 der Zerstäuberstruktur 36 diese unter
verschiedenen Winkeln. So verlaufen die Zerstäuberstege 55
bei der kreisförmigen Grundstruktur 53 (Fig. 11)
beispielsweise unter rechten Winkeln zueinander von der
Randzone 52 zum Mittelpunkt 54, während die Zerstäuberstege
55 bei der sechseckförmigen Grundstruktur 53 (Fig. 12)
jeweils einen Winkel von 60° einschließen. In der
dreieckförmigen Grundstruktur 53 (Fig. 13) sind die
Zerstäuberstege 55 z. B. unter einem Winkel von jeweils 120°
eingebracht und verlaufen vollständig innerhalb der
dreieckförmigen Grundstruktur 53, da diese ebenfalls von der
Randzone 52 ausgehend ausgebildet ist.
Im Gegensatz dazu sind die kreisförmige, die viereckförmige
bzw. die sechseckförmige Grundstruktur 53 mit radialem
Abstand von der Randzone 52 im Inneren des
Zerstäubungsgitters 32 ausgeformt. Da die Zerstäuberstege 55
von der Randzone 52 zum Mittelpunkt 54 verlaufen und dabei
die Grundstruktur 53 kreuzen, ergeben sich sowohl zwischen
der Randzone 52 und der Grundstruktur 53 als auch zwischen
der Grundstruktur 53 und dem Mittelpunkt 54
Durchströmbereiche 38. In der Zerstäuberstruktur 36 mit der
sechseckförmigen Grundstruktur 53 werden durch die
Zerstäuberstege 55 folglich sechs äußere und sechs innere
Durchströmbereiche 38 gebildet. Die Zerstäuberstruktur 36
mit der viereckförmigen Grundstruktur 53 ist z. B. so
ausgebildet, daß die das Viereck bildenden Zerstäuberstege
55 jeweils bis zur Randzone 52 verlaufen, während innerhalb
der viereckförmigen Grundstruktur 53 in Form eines Kreuzes
Zerstäuberstege 55 angeordnet sind, wodurch vier
Durchströmbereiche 38 innerhalb der Grundstruktur 53
entstehen. Zwischen der viereckförmigen Grundstruktur 53 und
der Randzone 52 ergeben sich aufgrund der Anordnung der
Zerstäuberstege 55 z. B. acht Durchströmbereiche 38, wobei
jeweils vier Durchströmbereiche 38 eine gleiche Größe
aufweisen.
Zur Herstellung der Zerstäubungsgitter 32 als Metallgitter
mit diesen Zerstäuberstrukturen 36 werden beispielsweise die
sogenannten LIGA (Lithographie, Galvanoformung, Abformung)-
bzw. MIGA (Mikrostrukturierung, Galvanoformung, Abformung)-
Verfahren angewandt, die sich besonders zur Herstellung
dreidimensionaler Mikrostrukturen eignen. Näher beschrieben
ist das LIGA-Verfahren beispielsweise in Heuberger:
"Mikromechanik", Springer-Verlag 1989, Seite 236 ff. und in
Reichl: "Micro System Technologies 90", Springer-Verlag
1990, Seite 521 ff. In einem ersten Verfahrensschritt wird
dabei mittels optischer Lithographie eine
Resiststrukturierung vorgenommen. Von einer Maske werden die
entsprechenden Strukturen auf die resistbeschichtete
Substratoberfläche z. B. mittels Projektionsbelichtung
übertragen. Nach der Resistentwicklung liegt ein
strukturiertes Resistprofil auf dem Träger vor, das nun
weiterverarbeitet werden kann. Da die mikromechanischen
Anwendungsmöglichkeiten von Lackprofilen begrenzt sind,
bietet sich eine galvanoplastische Abformung der
Resiststrukturen an. Als Materialien hierfür kommen alle
galvanikfähigen Metalle (z. B. Nickelsulfamat) in Betracht.
Die nach der Galvanoformung entstandenen metallischen
Strukturen können anschließend mit konventionellen
Abformtechniken vervielfältigt werden. Dazu ist zunächst
eine Kunststoff-Zwischenform herzustellen, aus der dann
z. B. mittels galvanischer Abformung das endgültige
Werkstück gefertigt werden kann. Besonders vorteilhaft beim
LIGA-Verfahren ist der Fakt, daß eine Vielzahl von
Materialien verwendet werden kann, z. B. Metalle,
Kunststoffe oder Keramiken, und eine Herstellung großer
Stückzahlen gleichzeitig möglich ist. Mit den genannten
Verfahren sind problemlos Zerstäuberstrukturen 36 bzw.
Zerstäuberstege 55 erzeugbar, die eine größte Breite
zwischen < 50 µm und
200 µm und eine axiale Erstreckung, also eine Profilhöhe von
rund 200 µm aufweisen.
Die Zerstäuberstrukturen 36 sind beispielsweise auch mittels
Kunststoffspritzgießens erzeugbar. Dafür eignen sich einige
gegen Brennstoffe beständige Kunststoffe, insbesondere
Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS),
Epoxidharz (EP) und Phenolharz (PH). Mit dem Spritzgießen
sind ebenfalls sehr exakte Strukturen erzielbar, die scharfe
Zerstäuberkanten 42 aufweisen. Wegen einer erwünschten
Eigenstabilität sollten die einzelnen Zerstäuberstege 55
eine Mindestbreite an ihrer breitesten Stelle von 100 µm und
eine Mindestprofilhöhe von 100 µm besitzen. Außerdem können
die Zerstäuberstrukturen 36 durchaus mittels bekannter
Siliziumtechnologie z. B. durch Ätzen hergestellt werden.
Eine weitere Verbesserung der Zerstäubungsgüte des
Brennstoffs ist erreichbar, wenn der Brennstoff mit Gas,
beispielsweise mit Luft versetzt wird. Die Fig. 14 zeigt
eine schematische Darstellung einer
Brennstoffeinspritzvorrichtung, bei der eine
Gaseinblasvorrichtung 57 einem Einspritzventil mit der
erfindungsgemäßen Zerstäuberstruktur 36 vorgeschaltet ist.
Die Gaseinblasvorrichtung 57 ist beispielsweise zwischen
einem nicht dargestellten Massenstromsensor und dem
Einspritzventil angeordnet. Die Gaszufuhr 58 in die
Gaseinblasvorrichtung 57 erfolgt beispielsweise senkrecht
zur Brennstoffströmungsrichtung.
In der Fig. 15 ist ein Ausführungsbeispiel einer
Gaseinblasvorrichtung 57 vergrößert gegenüber der Fig. 14
nochmals als einzelnes Bauteil schematisch dargestellt. Die
Gaseinblasvorrichtung 57 ist dabei so ausgestaltet, daß in
einem mittleren Gaseinblasbereich 59 eine deutliche
Querschnittsverengung 60 für den Brennstoff vorgesehen ist.
In dem Gaseinblasbereich 59 liegt also ein enger Spalt zum
Durchströmen des Brennstoffs vor. Die Geschwindigkeit des
Brennstoffs nimmt aufgrund der Querschnittsverengung 60
spürbar zu, wobei die in mit einem Systemdruck einströmenden
Brennstoff gespeicherte Druckenergie in kinetische Energie
umgewandelt wird. In den Brennstoff mit niedrigem Überdruck
von beispielsweise 0,5 bar wird nun das Gas eingeblasen.
Zur Zuführung des Gases, das der verbesserten Aufbereitung
und Zerstäubung des Brennstoffs dient, ist an der
Gaseinblasvorrichtung 57 ein Einlaßstutzen 61 vorgesehen.
Als Gas kann z. B. die durch einen Bypass vor einer
Drosselklappe in einem Saugrohr der Brennkraftmaschine
abgezweigte Saugluft, durch ein Zusatzgebläse geförderte
Luft, aber auch rückgeführtes Abgas der Brennkraftmaschine
oder eine Mischung von Luft und Abgas verwendet werden. Die
Verwendung rückgeführten Abgases ermöglicht eine Reduzierung
der Schadstoffemission der Brennkraftmaschine. Die Zuführung
des Gases bis hin zu der Gaseinblasvorrichtung 57 ist nicht
näher dargestellt.
Von dem Einlaßstutzen 61 aus tritt das Gas in eine Kammer
63, die zu der Querschnittsverengung 60 hin von einem
scheibenförmigen Einblasgitter 64 begrenzt ist. Die
Gaseinblasvorrichtung 57 kann auch derart ausgebildet sein,
daß über zwei Kammern 63 und zwei Einblasgitter 64 Gas in
den Brennstoff einblasbar ist, wobei die Kammern 63
miteinander verbunden sein können oder auch getrennt
voneinander mit Gas über verschiedene Einlaßstutzen 61
versorgt werden können. Des weiteren ist es möglich, eine
Kammer 63 mit kreisringförmigem Querschnitt und einem sie
innen begrenzenden, rohrförmigen Einblasgitter 64
vorzusehen. Anstelle des Einblasgitters 64 können in der
Gaseinblasvorrichtung 57 auch mehrere gelochte Röhrchen
verwendet werden. Über im Einblasgitter 64 ausgeformte
Öffnungen 66 gelangt das Gas direkt in den Brennstoff.
Zur Gewinnung des gewünschten Brennstoffdruckes wird direkt
nach der Gaseinblasung das Gemisch aus Brennstoff und
Gasblasen 67 abgebremst, indem der Querschnitt für die
Brennstoffströmung beispielsweise wieder auf die Größe des
Querschnitts beim Eintritt in die Gaseinblasvorrichtung 57
vergrößert wird. Bei zunehmendem Druck werden die Gasblasen
67 im Gemisch komprimiert. Aufgrund der Oberflächenspannung
zwischen Gas und Brennstoff ist je nach Blasengröße der
Druck in den Gasblasen 67 entsprechend höher als der
Gemischdruck. Bis zu einer bestimmten Gaskonzentration im
Gemisch herrscht noch eine Blasenströmung (bubbly flows) im
Einspritzventil. Unmittelbar stromabwärts der Dichtkante 39
entspannen sich bei der Einspritzung die Gasblasen 67
schlagartig. Der Vorgang wird als Blasenexplosion
bezeichnet, die nach den "Shear-Type"-Zerfallmechanismen des
Brennstoffs für eine Feinstzerstäubung sorgt. Die
scharfkantige Zerstäuberstruktur 36 sorgt dann unmittelbar
nachfolgend für eine weitere Verbesserung der
Zerstäubungsgüte entsprechend der bereits beschriebenen
Vorgänge. Bei Verwendung von Brennstoff mit Gasblasen 67
sollte zwischen der Dichtkante 39 und der Zerstäuberstruktur
36 auf die Spritzlochscheibe 21 verzichtet werden, um eine
Blasenverstopfung in den Abspritzlöchern 25 zu vermeiden.
Ein Ausführungsbeispiel des Einblasgitters 64 ist in der
Fig. 16 dargestellt. Das Einblasgitter 64 stellt dabei
einen rechteckigen Grundkörper dar, dessen Kantenlängen z. B.
zwischen 1 mm und 5 mm betragen und in dem eine Vielzahl von
Öffnungen 66 siebähnlich angeordnet sind, so daß man von
einer Löcherfolie sprechen kann. Das bereits beschriebene
LIGA-Verfahren kann auch zur Herstellung des Einblasgitters
64 sehr gut verwendet werden. Dabei sind die Einblasgitter
64 in sehr großen Stückzahlen mit hoher Formgenauigkeit
herstellbar. Anstelle des in Fig. 16 gezeigten
Einblasgitters 64 sind auch andere sieb- bzw. gitterförmige
Einblasmittel denkbar. Da mit dem LIGA-Verfahren kleinste
Strukturen präzise fertigbar sind, ist es jederzeit möglich,
das Einblasgitter 64 mit Öffnungen 66, die Durchmesser z. B.
zwischen 10 µm und 50 µm aufweisen, vorzusehen.
Claims (17)
1. Brennstoffeinspritzvorrichtung für
Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, mit
einem Brennstoffeinspritzventil, mit einer Ventillängsachse,
mit einem Ventilschließkörper, der mit einer
Ventilsitzfläche zusammenwirkt, mit wenigstens einer
Abspritzöffnung und mit einem stromabwärts der wenigstens
einen Abspritzöffnung angeordneten Zerstäubungsgitter,
dadurch gekennzeichnet, daß das Zerstäubungsgitter (32) mit
einer Zerstäuberstruktur (36) ausgestattet ist, die in
axialer Richtung, also über die Dicke des
Zerstäubungsgitters (32) zumindest teilweise
Querschnittsveränderungen aufweist, wobei die
Zerstäuberstruktur (36) Durchströmbereiche (38) mit quer zur
Ventillängsachse (2) verlaufenden Querschnittsflächen
beinhaltet und sich die Querschnittsflächen in axialer
Richtung zumindest teilweise ändern.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Zerstäuberstruktur (36) des Zerstäubungsgitters (32) in
axialer Richtung zumindest teilweise einen dreieckförmigen
Querschnitt hat.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die einen dreieckförmigen Querschnitt besitzende
Zerstäuberstruktur (36) mit einer ebenen, senkrecht zur
Ventillängsachse (2) verlaufenden und dem
Ventilschließkörper (7) zugewandten Fläche (41) mit sie
begrenzenden Zerstäuberkanten (42) ausgebildet ist, während
eine Dreieckspitze (43) dem Ventilschließkörper (7)
abgewandt vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Zerstäuberstruktur (36) des Zerstäubungsgitters (32) in
axialer Richtung zumindest teilweise einen viereckförmigen
Querschnitt hat.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Zerstäuberstruktur (36) den Querschnitt in der Form
eines Drachenvierecks besitzt, wobei eine Aufreißkante (50)
dem Ventilschließkörper (7) am weitesten zugewandt
ausgebildet ist, während weitere Zerstäuberkanten (42) erst
weiter stromabwärts folgen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Zerstäuberstruktur (36) des Zerstäubungsgitters (32) in
axialer Richtung einen zumindest teilweise gekrümmte
Begrenzungen aufweisenden Querschnitt hat.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die gekrümmten Begrenzungen durch gekrümmte Flächen (46)
gebildet sind und die Flächen (46) der Zerstäuberstruktur
(36) dem Ventilschließkörper (7) abgewandt verlaufen,
während eine ebene Fläche (41) mit Zerstäuberkanten (42) dem
Ventilschließkörper (7) zugewandt ausgebildet ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Zerstäubungsgitter (32)
kreisförmig ausgebildet ist, wobei eine kreisringförmige
Randzone (52) einen mittleren Bereich (37) mit der
Zerstäuberstruktur (36) vollständig umgibt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Zerstäuberstruktur (36) in dem mittleren Bereich (37)
des Zerstäubungsgitters (32) eine geometrische Grundstruktur
(53) besitzt, die zumindest teilweise über Zerstäuberstege
(55) mit der Randzone (52) verbunden ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Zerstäuberstruktur (36) in dem mittleren Bereich (37)
des Zerstäubungsgitters (32) eine geometrische Grundstruktur
(53) besitzt, die direkt aus der Randzone (52) heraus
verläuft.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Zerstäuberstege (55), die nicht zu der Grundstruktur
(53) gehören, durch einen Mittelpunkt (54) des
Zerstäubungsgitters (32) verlaufen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Grundstruktur (53) die Form eines
Vielecks hat.
13. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Grundstruktur (53) die Form eines Kreises hat.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäuberstruktur (36) des
Zerstäubungsgitters (32) mittels LIGA (Lithographie,
Galvanoformung, Abformung)- bzw. MIGA (Mikrostrukturierung,
Galvanoformung, Abformung)-Verfahren, Kunststoffspritzgießen
oder Ätzen hergestellt ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
dem Brennstoffeinspritzventil eine Gaseinblasvorrichtung
(57) vorgeschaltet ist, mit der Gasblasen (67) in den
abzuspritzenden Brennstoff eingeblasen werden.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß in der Gaseinblasvorrichtung (57) die unmittelbare
Gaszufuhr zum Brennstoff, über wenigstens ein Einblasgitter
(64) erfolgt, das eine Vielzahl von Öffnungen (66) aufweist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
daß das Einblasgitter (64) mittels LIGA- bzw. MIGA-Verfahren
hergestellt ist.
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---|---|---|---|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |