EP0914556B1

EP0914556B1 - Brennstoffeinspritzventil

Info

Publication number: EP0914556B1
Application number: EP97949951A
Authority: EP
Inventors: Heinz Fuchs; Günter DANTES; Jörg HEYSE
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-01-30
Filing date: 1997-11-19
Publication date: 2006-10-04
Anticipated expiration: 2017-11-19
Also published as: DE19703200A1; JP2000508739A; KR100623891B1; EP0914556A1; KR20000064808A; DE59712741D1; WO1998034026A1; US6170763B1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen.
Aus der DE-OS 41 21 310 ist bereits ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, das einen Ventilsitzkörper besitzt, an dem ein fester Ventilsitz ausgebildet ist. Mit diesem im Ventilsitzkörper ausgebildeten Ventilsitz wirkt ein im Einspritzventil axial beweglicher Ventilschließkörper zusammen. An den Ventilsitzkörper schließt sich in stromabwärtiger Richtung eine flache Düsenrichtplatte an, in der dem Ventilsitz zugewandt eine H-förmige Vertiefung als Einlaßbereich vorgesehen ist. An den H-förmigen Einlaßbereich schließen sich in stromabwärtiger Richtung vier Abspritzlöcher an, so daß sich ein abzuspritzender Brennstoff über den Einlaßbereich bis hin zu den Abspritzlöchern verteilen kann. Eine Beeinflussung der Strömungsgeometrie in der Düsenrichtplatte durch den Ventilsitzkörper soll dabei nicht erfolgen. Vielmehr ist ein Strömungsdurchlaß stromabwärts des Ventilsitzes im Ventilsitzkörper so weit ausgeführt, daß der Ventilsitzkörper keinen Einfluß auf die Öffnungsgeometrie der Düsenrichtplatte hat.
Die gemachten Aussagen bezüglich einer fehlenden Beeinflussung des Ventilsitzkörpers auf die Öffnungsgeometrie einer an einem Brennstoffeinspritzventil angeordneten Lochscheibe treffen auch auf Brennstoffeinspritzventile zu, die aus der US-PS 4,699,323 oder der EP-PS 0 310 819 bereits bekannt sind. Auch hier weisen die Lochscheiben Funktionsebenen mit unterschiedlichen Öffnungsgeometrien auf; eine Überdeckung der Einlaßbereiche der Abspritzöffnungen in der Lochscheibe durch den Ventilsitzkörper ist jedoch in keinster Weise gewünscht bzw. erlaubt.
Aus der DE-OS 196 07 277 ist bereits ein Brennstoffeinspritzventil mit einer Lochscheibe bekannt, die mehrere, unterschiedliche Öffnungsgeometrien aufweisende Funktionsebenen besitzt. Die einzelnen Funktionsebenen der Lochscheibe werden mittels galvanischer Metallabscheidung (Multilayergalvanik) aufeinander aufgebaut. Auch bei diesem Einspritzventil soll der Ventilsitzkörper die Einlaßöffnungen in der oberen Funktionsebene der Lochscheibe in keinem Fall begrenzen bzw. überdecken.
Aus der US 4,925,111 A ist bereits ein Brennstoffeinspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen bekannt, das einen einen festen Ventilsitz aufweisenden Ventilsitzkörper hat. An einer Ventilnadel ist ein konischer Ventilschließabschnitt vorgesehen, der mit dem Ventilsitz zusammenwirkt, wobei die Ventilnadel entlang einer Ventillängsachse axial bewegbar ist. An seinem stromabwärtigen Ende weist das Brennstoffeinspritzventil eine Schutzkappe aus Kunststoff auf. Diese Schutzkappe besitzt in einem mittleren Bereich einen Einlassbereich und mehrere Auslassöffnungen, wobei eine obere, den Einlassbereich aufweisende Funktionsebene eine andere Öffnungsgeometrie im Querschnitt besitzt als eine untere, die Auslassöffnungen aufweisende Funktionsebene in diesem mittleren Kappenbereich. Der Ventilsitzkörper deckt den Einlassbereich der Schutzkappe teilweise unmittelbar mit einer unteren Stirnseite derart ab, dass die Auslassöffnungen durch den Ventilsitzkörper überdeckt sind. Der Einlassbereich in der Schutzkappe ist dadurch gebildet, dass eine einzige mittlere Vertiefung der unteren Stirnseite des Ventilsitzkörpers zugewandt im Bodenteil der ansonsten topfförmigen Schutzkappe ausgeformt ist. Von dieser einen Vertiefung der Schutzkappe ausgehend erstrecken sich sämtliche Auslassöffnungen.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß auf einfache Art und Weise eine gleichmäßige Feinstzerstäubung des Brennstoffs ohne Zusatzenergie erreicht wird, wobei eine besonders hohe Zerstäubungsgüte und eine an die jeweiligen Erfordernisse angepaßte Strahlformung erzielt wird. Dies wird in vorteilhafter Weise dadurch erreicht, daß eine stromabwärts eines Ventilsitzes angeordnete Lochscheibe eine Öffnungsgeometrie für einen vollständigen axialen Durchgang des Brennstoffs aufweist, die durch einen den festen Ventilsitz umfassenden Ventilsitzkörper begrenzt wird. Damit übernimmt der Ventilsitzkörper bereits die Funktion einer Strömungsbeeinflussung in der Lochscheibe, die bei bisher bekannten Lochscheiben durch deren obere Schichten bzw. Funktionsebenen erzielt werden konnte. In besonders vorteilhafter Weise wird ein S-Schlag in der Strömung zur Zerstäubungsverbesserung des Brennstoffs erreicht, da der Ventilsitzkörper mit einer unteren Stirnseite die Auslaßöffnungen der Lochscheibe überdeckt.
Der durch die geometrische Anordnung von Ventilsitzkörper und Lochscheibe erzielte S-Schlag in der Strömung erlaubt die Ausbildung bizarrer Strahlformen mit einer hohen Zerstäubungsgüte. Die Lochscheiben ermöglichen in Verbindung mit entsprechend ausgeführten Ventilsitzkörpern für Ein-, Zwei- und Mehrstrahlsprays Strahlquerschnitte in unzähligen Varianten, wie z. B. Rechtecke, Dreiecke, Kreuze, Ellipsen. Solche ungewöhnlichen Strahlformen erlauben eine genaue optimale Anpassung an vorgegebene Geometrien, z. B. an verschiedene Saugrohrquerschnitte von Brennkraftmaschinen. Daraus ergeben sich die Vorteile einer formangepaßten Ausnutzung des verfügbaren Querschnitts zur homogen verteilten, abgasmindernden Gemischeinbringung und einer Vermeidung von abgasschädlichen Wandfilmanlagerungen an der Saugrohrwandung. Mit einem solchen Brennstoffeinspritzventil kann folglich die Abgasemission der Brennkraftmaschine reduziert und ebenso eine Verringerung des Brennstoffverbrauchs erzielt werden.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch 1 angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
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. Besonders im Vergleich zu Siliziumlochscheiben, bei denen aufgrund der Kristallachsen erreichbare Konturen streng vorgegeben sind (Pyramidenstümpfe), ist eine flexible Formgebung sehr vorteilhaft. Das metallische Abscheiden hat besonders im Vergleich zur Herstellung von Siliziumscheiben den Vorteil einer sehr großen Materialvielfalt. Die verschiedensten Metalle mit ihren unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften und Härten können bei der Herstellung der Lochscheiben zum Einsatz kommen.
Besonders vorteilhaft ist es, die Lochscheiben mit zwei Funktionsebenen auszubilden, wobei eine Funktionsebene durch eine über ihre axiale Dicke gesehen konstante Öffnungsgeometrie gekennzeichnet ist, die sich entsprechend von der Öffnungsgeometrie der nachfolgenden Funktionsebene unterscheidet. Da der Ventilsitzkörper letztlich die Eintrittsgeometrie in die Lochscheibe festlegt, reichen bereits zwei Funktionsebenen zur Erzielung eines S-förmigen Strömungsverlaufs aus. Gegenüber mehrlagigen bzw. mehrschichtigen Lochscheiben ergeben sich die Vorteile einer einfacheren, billigeren und zeitlich kürzeren Herstellung, da einerseits weniger metallisches Material abgeschieden werden muß und andererseits auf Galvanikstartschichten verzichtet werden kann. Außerdem kann der Photoresist wesentlich einfacher entfernt werden. Zudem läßt sich die Genauigkeit bei der Fertigung der Lochscheiben besser kontrollieren, weil sämtliche Öffnungskonturen der Lochscheibe von einer äußeren Stirnseite aus einsehbar sind.
Ganz allgemein ist als sehr bedeutender Vorteil des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils festzuhalten, daß in einfacher Art und Weise Strahlbildvariationen möglich sind. So sind besonders einfach flache, keglige, mehrere Einzelstrahlen umfassende und asymmetrische (einseitig gerichtete) Strahlbilder erzeugbar.

Zeichnung

Beispiele der nicht erfindungsgemäßen Einspritzventile und Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein teilweise dargestelltes nicht erfindungsgemäßes Einspritzventil mit einer Lochscheibe stromabwärts des Ventilsitzkörpers, Figur 2 eine Lochscheibe nach Figur 1 in einer Draufsicht, Figur 3 ein teilweise dargestelltes erfindungsgemäßes Einspritzventil mit einer Lochscheibe stromabwärts des Ventilsitzkörpers, Figur 4 eine Lochscheibe nach Figur 3 in einer Draufsicht, Figur 5 eine nicht erfindungsgemäße Lochscheibe in einer Draufsicht, Figur 6 eine Lochscheibe im Schnitt entlang der Linie VI-VI in Figur 5, Figur 7 eine erfindungsgemäße Lochscheibe in einer Draufsicht, Figur 8 eine Lochscheibe im Schnitt entlang der Linie VIII-VIII in Figur 7, Figur 9 eine erfindungsgemäße Lochscheibe in einer Draufsicht, Figur 10 eine Lochscheibe im Schnitt entlang der Linie X-X in Figur 9, Figur 11 eine erfindungsgemäße Lochscheibe in einer Draufsicht und Figur 12 eine Lochscheibe im Schnitt entlang der Linie XII-XII in Figur 11.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In der Figur 1 ist als ein Beispiel 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 zum Vorbeiströmen des Brennstoffs vorgesehen sind, fest 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 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.
Zur Führung des Ventilschließkörpers 7 während der Axialbewegung dient eine Führungsöffnung 15 eines Ventilsitzkörpers 16, der in das stromabwärts liegende, dem Kern 12 abgewandte Ende des Ventilsitzträgers 1 in der konzentrisch zur Ventillängsachse 2 verlaufenden Längsöffnung 3 durch Schweißen dicht montiert ist. An seiner dem Ventilschließkörper 7 abgewandten, unteren Stirnseite 17 ist der Ventilsitzkörper 16 mit einem z. B. topfförmig ausgebildeten Lochscheibenträger 21 konzentrisch und fest verbunden, der somit zumindest mit einem äußeren Ringbereich 22 unmittelbar an dem Ventilsitzkörper 16 anliegt. Der Lochscheibenträger 21 weist dabei eine ähnliche Form auf wie bereits bekannte topfförmige Spritzlochscheiben, wobei ein mittlerer Bereich des Lochscheibenträgers 21 mit einer Durchgangsöffnung 20 ohne Zumeßfunktion versehen ist.
Eine Lochscheibe 23 ist stromaufwärts der Durchgangsöffnung 20 derart angeordnet, daß sie die Durchgangsöffnung 20 vollständig überdeckt. Die Lochscheibe 23 stellt nur ein Einsatzteil dar, das in den Lochscheibenträger 21 einsetzbar ist. Der Lochscheibenträger 21 ist mit einem Bodenteil 24 und einem Halterand 26 ausgeführt. Der Halterand 26 erstreckt sich in axialer Richtung dem Ventilsitzkörper 16 abgewandt und ist bis zu seinem Ende hin konisch nach außen gebogen. Das Bodenteil 24 wird von dem äußeren Ringbereich 22 und der zentralen Durchgangsöffnung 20 gebildet.
Die Verbindung von Ventilsitzkörper 16 und Lochscheibenträger 21 erfolgt beispielsweise durch eine umlaufende und dichte, mittels eines Lasers ausgebildete erste Schweißnaht 25. Durch diese Art der Montage ist die Gefahr einer unerwünschten Verformung des Lochscheibenträgers 21 in seinem mittleren Bereich mit der Durchgangsöffnung 20 und der dort stromaufwärts angeordneten Lochscheibe 23 vermieden. Der Lochscheibenträger 21 ist im Bereich des Halterandes 26 des weiteren mit der Wandung der Längsöffnung 3 im Ventilsitzträger 1 beispielsweise durch eine umlaufende und dichte zweite Schweißnaht 30 verbunden.
Die im Bereich der Durchgangsöffnung 20 innerhalb der kreisförmigen Schweißnaht 25 zwischen dem Lochscheibenträger 21 und dem Ventilsitzkörper 16 einklemmbare Lochscheibe 23 liegt mit einer oberen Stirnfläche 28 an der unteren Stirnseite 17 des Ventilsitzkörpers 16 an, so daß innerhalb der Schweißnaht 25 das Bodenteil 24 des Lochscheibenträgers 21 mit Abstand von der Stirnseite 17 entfernt liegt. Die Lochscheibe 23 umfaßt z. B. zwei Funktionsebenen. Eine Funktionsebene soll dabei über ihre axiale Erstreckung jeweils eine weitgehend konstante Öffnungskontur besitzen, so daß gerade die nächste Funktionsebene eine andere Öffnungskontur aufweist.
Die Einschubtiefe des aus Ventilsitzkörper 16, topfförmigem Lochscheibenträger 21 und Lochscheibe 23 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 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. Der kugelförmige Ventilschließkörper 7 wirkt mit der kegelstumpfförmigen Ventilsitzfläche 29 des Ventilsitzkörpers 16 zusammen, die in axialer Richtung zwischen der Führungsöffnung 15 und einer unteren zylindrischen, sich bis zur Stirnseite 17 erstreckenden Austrittsöffnung 31 des Ventilsitzkörpers 16 ausgebildet ist.
Eine Einspannung mit dem Lochscheibenträger 21 als indirekte Befestigung der Lochscheibe 23 am Ventilsitzkörper 16 hat den Vorteil, daß temperaturbedingte Verformungen vermieden werden, die eventuell bei Verfahren wie Schweißen oder Löten bei einer direkten Befestigung der Lochscheibe 23 auftreten könnten. Der Lochscheibenträger 21 stellt jedoch keineswegs eine ausschließliche Bedingung zur Befestigung der Lochscheibe 23 dar. Da die Befestigungsmöglichkeiten nicht erfindungswesentlich sind, soll hier nur der Verweis auf übliche bekannte Fügeverfahren, wie Schweißen, Löten oder Kleben, erfolgen.
Die in den Figuren 1 bis 12 dargestellten Lochscheiben 23 werden in wenigstens zwei metallischen Funktionsebenen durch galvanische Abscheidung aufgebaut. Aufgrund der tiefenlithographischen, galvanotechnischen Herstellung gibt es besondere Merkmale in der Konturgebung, von denen hiermit einige in Kurzform zusammenfassend aufgeführt sind:

Funktionsebenen mit über die Scheibenfläche konstanter Dicke,
durch die tiefenlithographische Strukturierung weitgehend senkrechte Einschnitte in den Funktionsebenen, welche die jeweils durchströmten Hohlräume bilden (fertigungstechnisch bedingte Abweichungen von ca. 3° gegenüber optimal senkrechten Wandungen können auftreten),
gewünschte Hinterschneidungen und Überdeckungen der . Einschnitte durch mehrlagigen Aufbau einzeln strukturierter Metallschichten,
Einschnitte mit beliebigen, weitgehend achsparallele Wandungen aufweisenden Querschnittsformen,
einteilige Ausführung der Lochscheibe, da die einzelnen Metallabscheidungen unmittelbar aufeinander erfolgen.

In den folgenden Abschnitten wird nur in Kurzform das Verfahren zur Herstellung der Lochscheiben 23 gemäß der Figuren 1 bis 12 erläutert. Sämtliche Verfahrensschritte der galvanischen Metallabscheidung zur Herstellung einer Lochscheibe sind der DE-OS 196 07 288 entnehmbar. Charakteristisch für das Verfahren der sukzessiven Anwendung von photolithographischen Schritten (UV-Tiefenlithographie) und anschließender Mikrogalvanik ist, daß es auch in großflächigem Maßstab eine hohe Präzision der Strukturen gewährleistet, so daß es ideal für eine Massenfertigung mit sehr großen Stückzahlen einsetzbar ist. Auf einem Wafer kann eine Vielzahl von Lochscheiben 23 gleichzeitig gefertigt werden.
Ausgangspunkt für das Verfahren ist eine ebene und stabile Trägerplatte, die z. B. aus Metall (Titan, Kupfer), Silizium, Glas oder Keramik bestehen kann. Auf die Trägerplatte wird optional zunächst wenigstens eine Hilfsschicht aufgalvanisiert. Dabei handelt es sich beispielsweise um eine Galvanikstartschicht (z. B. Cu), die zur elektrischen Leitung für die spätere Mikrogalvanik benötigt wird. Die Galvanikstartschicht kann auch als Opferschicht dienen, um später ein einfaches Vereinzeln der Lochscheibenstrukturen durch Ätzung zu ermöglichen. Das Aufbringen der Hilfsschicht (typischerweise CrCu oder CrCuCr) geschieht z. B. durch Sputtern oder durch stromlose Metallabscheidung. Nach dieser Vorbehandlung der Trägerplatte wird auf die Hilfsschicht ein Photoresist (Photolack) ganzflächig aufgebracht.
Die Dicke des Photoresists sollte dabei der Dicke der Metallschicht entsprechen, die in dem später folgenden Galvanikprozeß realisiert werden soll, also der Dicke der unteren Funktionsebene der Lochscheibe 23. Die zu realisierende Metallstruktur soll mit Hilfe einer photolithographischen Maske invers in dem Photoresist übertragen werden. Eine Möglichkeit besteht darin, den Photoresist direkt über die Maske mittels UV-Belichtung zu belichten (UV-Tiefenlithographie).
Die letztlich im Photoresist entstehende Negativstruktur zur späteren Funktionsebene der Lochscheibe 23 wird galvanisch mit Metall (z. B. Ni, NiCo) aufgefüllt (Metallabscheidung). Das Metall legt sich durch das Galvanisieren eng an die Kontur der Negativstruktur an, so daß die vorgegebenen Konturen formtreu in ihm reproduziert werden. Um die Struktur der Lochscheibe 23 zu realisieren, müssen die Schritte ab dem optionalen Aufbringen der Hilfsschicht entsprechend der Anzahl der gewünschten axial aufeinanderfolgenden Öffnungskonturen wiederholt werden, wobei z. B. die zwei Funktionsebenen der Lochscheibe 23 auch in einem Galvanikschritt erzeugt werden können. Eine weitere Galvanikstartschicht wird beim Aufbau einer zwei Funktionsebenen umfassenden Lochscheibe 23 in vorteilhafter Weise nicht benötigt. Abschließend erfolgt das Vereinzeln der Lochscheiben 23. Dazu wird die Opferschicht weggeätzt, wodurch die Lochscheiben 23 von der Trägerplatte abheben. Danach wird der verbliebene Photoresist aus den Metallstrukturen herausgelöst.
Figur 2 zeigt als ein nicht erfindungsgemäßes Beispiel einer Lochscheibe 23 die in Figur 1 im Schnitt gezeigte Lochscheibe 23 in einer Draufsicht. Die Lochscheibe 23 ist als flaches, kreisförmiges Bauteil ausgeführt, das wenigstens zwei axial aufeinanderfolgende Funktionsebenen aufweist. Eine untere, zuerst abgeschiedene Funktionsebene 35 weist durch die Mikrogalvanik in ihrer Größe festgelegte Auslaßöffnungen 39 auf, während die mikrogalvanisch hergestellte Öffnungskontur einer oberen Funktionsebene 36 zusätzlich noch durch den Ventilsitzkörper 16 beeinflußt bzw. begrenzt wird. Beide Funktionsebenen 35 und 36 sind z. B. in einem Galvanikschritt hergestellt. Die obere Funktionsebene 36 weist einen Einlaßbereich 40 auf, der eine rechteckförmige Kontur besitzt und letztlich eine Vertiefung in der Lochscheibe 23 darstellt. Von dem Einlaßbereich 40 ausgehend verlaufen die z. B. vier Auslaßöffnungen 39, die nahe der vier Eckpunkte des Einlaßbereichs 40 angeordnet und mit quadratischen Querschnitten ausgeführt sind, durch die untere Funktionsebene 35 bis zu einer unteren Stirnfläche 38 der Lochscheibe 23 (Figur 1).
Der Ventilsitzkörper 16 ist mit seiner unteren Austrittsöffnung 31 derart ausgeformt, daß die untere Stirnseite 17 des Ventilsitzkörpers 16 teilweise eine obere Abdeckung des Einlaßbereichs 40 der oberen Funktionsebene 36 der Lochscheibe 23 bildet und somit die Eintrittsfläche des Brennstoffs in die Lochscheibe 23 festlegt. Bei dem in der Figur 1 dargestellten Beispiel besitzt die Austrittsöffnung 31 einen kleineren Durchmesser als den Durchmesser eines gedachten Kreises, auf dem die Auslaßöffnungen 39 der Lochscheibe 23 liegen. Mit anderen Worten ausgedrückt liegt ein vollständiger Versatz von der den Einlaß der Lochscheibe 23 festlegenden Austrittsöffnung 31 und den Auslaßöffnungen 39 vor. Bei einer Projektion des Ventilsitzkörpers 16 auf die Lochscheibe 23 überdeckt der Ventilsitzkörper 16 sämtliche Auslaßöffnungen 39. Aufgrund des radialen Versatzes der Auslaßöffnungen 39 gegenüber der Austrittsöffnung 31 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 39 in der Lochscheibe 23 nur teilweise überdeckt.
Durch den sogenannten S-Schlag 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 39. Da die Strömung im Auslaß aufgrund der aufgeprägten Radialkomponente einseitig abgelöst ist, erfährt sie wegen fehlender Konturführung keine Strömungsberuhigung. Eine besonders hohe Geschwindigkeit weist das Fluid an der abgelösten Seite auf. Die zerstäubungsfördernden Turbulenzen und Scherspannungen werden somit im Austritt nicht vernichtet.
Die durch die Turbulenz vorhandenen Querimpulse quer zur Strömung führen unter anderem dazu, daß die Tröpfchenverteilungsdichte im abgespritzten Spray eine große Gleichmäßigkeit aufweist. Daraus resultiert eine herabgesetzte Wahrscheinlichkeit von Tröpfchenkoagulationen, also von Vereinigungen kleiner Tröpfchen zu größeren Tropfen. Die Folge der vorteilhaften Reduzierung des mittleren Tröpfchendurchmessers im Spray ist eine relativ homogene Sprayverteilung. Durch den S-Schlag wird in dem Fluid eine feinskalige (hochfrequente) Turbulenz erzeugt, welche den Strahl unmittelbar nach Austritt aus der Lochscheibe 23 in entsprechend feine Tröpfchen zerfallen läßt.
Figur 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausfürhrungsbeispiel eines teilweise dargestellten Einspritzventils. Die gegenüber dem in Figur 1 dargestellten nicht erfindungsgemäßen Beispiel gleichen bzw. gleichwirkenden Bauteile sind dabei durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Das Einspritzventil der Figur 3 entspricht im wesentlichen dem Einspritzventil der Figur 1, weshalb im folgenden nur die sich unterscheidenden Bereiche Austrittsöffnung 31, Lochscheibe 23 und Lochscheibenträger 21 näher erläutert werden. Die Austrittsöffnung 31 stellt nun die Verlängerung der sich in Strömungsrichtung kegelstumpfförmig verjüngenden Ventilsitzfläche 29 dar und weist deshalb ebenfalls eine kegelstumpfförmige Gestalt auf. Der Ventilsitzfläche 29 folgt also in stromabwärtiger Richtung kein zylindrischer Bereich.
Die wiederum zwei Funktionsebenen 35 und 36 besitzende Lochscheibe 23 weist bei diesem Ausführungsbeispiel vier in der oberen Funktionsebene 36 ausgebildete Einlaßbereiche 40 auf, was anschaulich der Figur 4 als Draufsicht auf die Lochscheibe 23 entnehmbar ist. Der Ventilsitzkörper 16 überdeckt mit seiner unteren Stirnseite 17 die vier Einlaßbereiche 40 wiederum derart, daß ein vollständiger Versatz von Austrittsöffnung 31 und den vier in der unteren Funktionsebene 35 ausgebildeten Auslaßöffnungen 39 entsteht. Die vier Einlaßbereiche 40 sind voneinander durch Materialbereiche der oberen Funktionsebene 36 getrennt, die von der unteren Funktionsebene 35 ausgehend durch weitere mikrogalvanische Abscheidung aufgebaut werden. Der Lochscheibenträger 21 ist nahe der Durchgangsöffnung 20 abgewinkelt ausgeführt, so daß er die Lochscheibe 23 an ihrem äußeren Rand formgenau untergreifen und gegen die Stirnseite 17 des Ventilsitzkörpers 16 drücken kann.
Alle bereits bei dem nicht erfindungsgemäßen Beispiel nach den Figuren 1 und 2 ausgeführten Vorteile des Versatzes von Austrittsöffnung 31 und Auslaßöffnungen 39 sowie des sich dadurch bildenden S-Schlags in der Mediumströmung ergeben sich bei dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel nach den Figuren 3 und 4 in vergleichbarer Weise. Figur 4 zeigt die Anordnung der vier z. B. rechteckförmig ausgebildeten Einlaßbereiche 40. Über die kreisförmige Lochscheibe 23 gesehen sind die Einlaßbereiche 40 um jeweils 90° zueinander ausgebildet, wobei sich die Einlaßbereiche 40 nicht berühren, da sie von galvanisch abgeschiedenen Materialbereichen der oberen Funktionsebene 36 voneinander getrennt sind. Dabei wird im Zentrum der Lochscheibe 23 ein fast quadratischer Materialbereich gebildet, von dem ausgehend sich die vier Einlaßbereiche 40 radial nach außen hin erstrecken. Von den radial äußeren Abschnitten der Einlaßbereiche 40 ausgehend verlaufen jeweils eine, also insgesamt vier z. B. quadratische Querschnitte aufweisende Auslaßöffnungen 39 axial durch die untere Funktionsebene 35 hindurch bis zur unteren Stirnfläche 38 der Lochscheibe 23. Mit einer Strich-Punkt-Linie ist in Figur 4 die Austrittsöffnung 31 des Ventilsitzkörpers 16 im Bereich der unteren Stirnseite 17 symbolisch angedeutet, um den Versatz zu den Auslaßöffnungen 39 zu verdeutlichen.
In den Figuren 7 bis 12 sind weitere Ausführungsbeispiele von zwei Funktionsebenen 35 und 36 aufweisenden Lochscheiben 23 dargestellt, die ähnlich den Figuren 3 und 4, erfindungsgemäß durch den Ventilsitzkörper 16 eine Strömungsbeeinflussung erfahren. Allen nachfolgenden erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen der Lochscheiben 23 der Figuren 7 bis 12 ist gemeinsam, daß sie mehrere von einander vollständig getrennte Einlaßbereiche 40 in der oberen Funktionsebene 36 sowie in gleicher Anzahl Auslaßöffnungen 39 in der unteren Funktionsebene 35 besitzen, wobei die Einlaßbereiche 40 jeweils so groß bezüglich ihrer Weite bzw. Breite ausgeführt sind, daß alle Auslaßöffnungen 39 vollständig überströmt werden. Damit ist gemeint, daß keine der die Einlaßbereiche 40 begrenzenden Wandungen die Auslaßöffnungen 39 abdeckt. Daraus ergibt sich, daß die Einlaßbereiche 40 gewöhnlich größere Querschnitte besitzen als die von ihnen ausgehenden Auslaßöffnungen 39.
Bei der in den Figuren 5 und 6 gezeigten nicht erfindungsgemäßen Lochscheibe 23 ist der Einlaßbereich 40 in einer doppelrautenähnlichen Form ausgeführt, wobei die beiden Rauten durch einen mittleren Verbindungsbereich 42 verbunden sind, so daß nur ein einziger Einlaßbereich 40 vorhanden ist. Von dem doppelrautenförmigen Einlaßbereich 40 ausgehend verlaufen vier z. B. quadratische Querschnitte besitzende Auslaßöffnungen 39 durch die untere Funktionsebene 35, die vom Mittelpunkt der Lochscheibe 23 aus gesehen z. B. an den entferntesten Punkten des Einlaßbereichs 40 ausgebildet sind. Da die Rauten des Einlaßbereichs 40 relativ flach und langgestreckt ausgeführt sind, bilden jeweils zwei Auslaßöffnungen ein Öffnungspaar, das relativ weit entfernt von dem zweiten Öffnungspaar auf der anderen Seite der Lochscheibe 23 liegt. Eine solche Anordnung der Auslaßöffnungen 39 ermöglicht eine Zweistrahl- oder auch Flachstrahlabspritzung bei nicht ganz so weit entfernten Öffnungspaaren. Die Figur 6 ist eine Schnittdarstellung entlang einer Linie VI-VI in Figur 5.
Die weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele von Lochscheiben 23 der Figuren 7 bis 12 besitzen andere Öffnungsgeometrien der Einlaßbereiche 40 sowie der Auslaßöffnungen 39 gegenüber dem in den Figuren 5 und 6 gezeigten nicht erfindungsgemäßen Beispiel, um zu verdeutlichen, daß sehr einfach auch andere Strahlbilder bzw. Abspritzmuster erzielbar sind. Neben der Erzeugung eines mehrstrahligen oder flachen Strahlbildes (Figur 5) sind durch eine entsprechende Anordnung und Ausformung der Einlaßbereiche 40 und Auslaßöffnungen 39 jederzeit auch eine Kegelstrahlabspritzung (Figuren 7 und 8), asymmetrische Strahlbilder (Figuren 9 und 10) sowie drallbehaftete Strahlbilder (Figuren 11 und 12) erzeugbar. Die Lochscheibe 23 nach den Figuren 7 und 8 weist beispielsweise vier kreisförmige Einlaßbereiche 40 auf, die weitgehend gleichmäßig um das Zentrum der Lochscheibe 23 angeordnet und auch in gleicher Größe ausgeführt sind. Von jeweils einem kreisförmigen Einlaßbereich 40 ausgehend verläuft durch die untere Funktionsebene 35 jeweils eine Auslaßöffnung 39, die im dargestellten Ausführungsbeispiel wiederum einen quadratischen Querschnitt besitzt. Andere Querschnittsformen (z. B. kreisförmig, oval, vieleckig) sind je nach gewünschtem Abspritzmuster jederzeit mittels mikrogalvanischer Metallabscheidung ausformbar. Die Auslaßöffnungen 39 erstrecken sich beispielsweise nicht vom Zentrum der Einlaßbereiche 40 ausgehend bis zur unteren Stirnfläche 38 der Lochscheibe 23, sondern sind in der Draufsicht auf die Lochscheibe 23 im Uhrzeigersinn gesehen hinter den jeweiligen Zentren der Einlaßbereiche 40 ausgebildet. Dies wird besonders in der Figur 8 deutlich, die die Lochscheibe 23 als Schnitt entlang einer Linie VIII-VIII in Figur 7 darstellt.
In den Figuren 9 und 10 ist eine Lochscheibe 23 dargestellt, mit der ein asymmetrisches Strahlbild erzeugbar ist. Für besondere Anwendungszwecke wie z. B. eine ungewöhnliche Einbaulage des Einspritzventils an der Brennkraftmaschine, ist nicht nur ein aus der Lochscheibe 23 austretender Kegelstrahl bzw. Flachstrahl wünschenswert, sondern ein Absprühen des Brennstoffs unter einem bestimmten Winkel zur Ventillängsachse 2 (Figuren 1 und 3). Mit einer Lochscheibe 23 nach Figuren 9 und 10 ist dies möglich. Die Lochscheibe 23 besitzt drei ovale bzw. eiförmige Einlaßbereiche 40 in der oberen Funktionsebene 36 und drei in der unteren Funktionsebene 35 ausgeformte Auslaßöffnungen 39, die beispielsweise quadratisch ausgeformt sind. Jeweils ein Einlaßbereich 40 bildet mit jeweils einer Auslaßöffnung 39 eine Funktionseinheit mit einem vollständigen axialen Durchgang für den Brennstoff. Die drei Einlaßbereiche 40 sind in Form eines Dreiecks asymmetrisch über die Lochscheibenfläche 23 verteilt, wobei die drei Auslaßöffnungen 39 ebenfalls exzentrische Auslässe aus den Einlaßbereichen 40 darstellen. Eine solche Lochscheibe 23 mit einem asymmetrisch erzeugbaren Strahlbild kann insbesondere bei sogenannten Schiefstrahlventilen verwendet werden. Damit wird auch unter ungünstigen Einbaubedingungen ein sehr gezieltes Abspritzen z. B. auf ein Einlaßventil einer Brennkraftmaschine ohne Wandbenetzung eines Saugrohrs gewährleistet. Die Figur 10 ist eine Schnittdarstellung entlang einer Linie X-X in Figur 9.
Ein letztes Ausführungsbeispiel einer Lochscheibe 23 zeigen die Figuren 11 und 12, wobei die Figur 12 eine Schnittdarstellung entlang einer Linie XII-XII in Figur 11 ist. Bei dieser Lochscheibe 23 sind die beispielsweise vier Einlaßbereiche 40 derart ausgeführt, daß dem sie durchströmenden Brennstoff eine Drallkomponente aufgeprägt wird. Die Einlaßbereiche 40 sind je nach Betrachtungsweise sechs-förmig bzw. neun-förmig ausgeführt, wobei die aus den ungefähr kreisförmig ausgeformten Bereichen 43 herausstehenden Tangentialarme 44 weitgehend in Uhrzeigersinn zeigend zum Zentrum der Lochscheibe 23 bzw. letztlich zur Ventillängsachse 2 hin gerichtet sind. Der Ventilsitzkörper 16 überdeckt die Einlaßbereiche 40 beispielsweise derart, daß der Brennstoff von der Austrittsöffnung 31 kommend nur in die Tangentialarme 44 eintreten kann, von wo er in die kreisförmigen Bereiche 43 der Einlaßbereiche 40 einströmen und in die dort mittig ausgeführten, kreisförmige Querschnitte aufweisenden Auslaßöffnungen 39 eintreten kann. Der drallbehaftete Brennstoff verläßt die Lochscheibe 23 über die Auslaßöffnungen 39. Die Drallbeaufschlagung des Brennstoffs stellt eine besonders zerstäubungsfördernde Maßnahme des Brennstoffs dar. Ähnlich den sechs- bzw. neun-förmigen Einlaßbereichen 40 können an deren Stelle auch anders geformte, drallerzeugende Einlaßbereiche 40 vorgesehen sein, die z. B. spiralförmig, sichelförmig oder kreisbogenförmig ausgeführt sind.

Claims

Brennstoffeinspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einer Ventillängsachse (2), mit einem einen festen Ventilsitz (29) aufweisenden Ventilsitzkörper (16), mit einem mit dem Ventilsitz (29) zusammenwirkenden Ventilschließkörper (7), der entlang der Ventillängsachse (2) axial bewegbar ist, mit einer stromabwärts des Ventilsitzes (29) angeordneten Lochscheibe (23), die einen Einlassbereich (40) und wenigstens eine Auslassöffnung (39) besitzt, wobei eine obere, den Einlassbereich (40) aufweisende Funktionsebene (36) eine andere Öffnungsgeometrie im Querschnitt besitzt als eine untere, die wenigstens eine Auslassöffnung (39) aufweisende Funktionsebene (35), und wobei der Ventilsitzkörper (16) den Einlassbereich (40) der Lochscheibe (23) teilweise unmittelbar mit einer unteren Stirnseite (17) derart abdeckt, dass wenigstens zwei Auslassöffnungen (39) durch den Ventilsitzkörper (16) überdeckt sind, wobei
in der Lochscheibe (23) mehrere von einander durch Materialbereiche der oberen Funktionsebene (36) vollständig getrennte Einlassbereiche (40) und in gleicher Anzahl Auslassöffhungen (39) vorgesehen sind, so dass von jedem Einlassbereich (40) genau eine Auslassöffnung (39) ausgeht, so dass der Ventilsitzkörper (16) alle Einlassbereiche (40) der Lochscheibe (23) teilweise unmittelbar mit der unteren Stirnseite (17) derart abdeckt, dass alle Auslassöffnungen (39) durch den Ventilsitzkörper (16) überdeckt sind.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die oberen und unteren Funktionsebenen (35, 36) der Lochscheibe (23) metallisch aufeinander aufgebaut sind.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass jeder Einlassbereich (40) der Lochscheibe (23) einen größeren Querschnitt hat als jede einzelne Auslassöffnung (39).
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass keine der Auslassöffnungen (39) durch eine Wandung des jeweiligen Einlassbereichs (40) überdeckt ist.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Auslassöffnungen (39) mit quadratischen, rechteckförmigen, vieleckigen, kreisförmigen oder ovalen Querschnitten ausgeformt sind.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Einlassbereiche (40) derart über die Fläche der Lochscheibe (23) angeordnet sind, dass keglige, flache, mehrstrahlige oder asymmetrische Strahlbilder erzeugbar sind.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet,
dass die Einlassbereiche (40) derart ausgebildet sind, dass in sie hineinströmender Brennstoff eine Drallbeaufschlagung erfährt.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Lochscheibe (23) mit Hilfe eines Lochscheibenträgers (21) am Ventilsitzkörper (16) befestigbar ist.