WO2005064149A1

WO2005064149A1 - Brennstoffeinspritzventil

Info

Publication number: WO2005064149A1
Application number: PCT/EP2004/053006
Authority: WO
Inventors: Markus Gesk; Martin Maier; Guenter Dantes
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2003-12-23
Filing date: 2004-11-18
Publication date: 2005-07-14
Also published as: DE10360773A1

Abstract

Das endungsgemässe Brennstoffeinspritzventil zeichnet sich dadurch aus, dass stromabwärts eines einen festen Ventilsitz (29) aufweisenden Ventilsitzkörpers (16) eine Lochscheibe (23) angeordnet ist, die wenigstens eine Auslassöffnung (24) besitzt. dass Die wenigstens eine Auslassöffnung (24) weist eine lavaldüsenartige Kontur auf, wodurch verbunden mit dem besonders kleinen Durchmesser eine sehr hohe Zerstäubungsgüte mit äusserst kleine Brennstofftröpfchen erzielbar ist. Unmittelbar stromaufwärts der Auslassöffnungen (24) ist eine Zuströmöffnung (19) vorgesehen. Der Ventilsitzkörper (16) deckt die Zuströrnöffnung (19) derart ab, dass die strornabwärtigen Auslassöffnungen (24) der Lochscheibe (23) überdeckt sind. Das Brennstoffeinspritzventil eignet sich besonders für den Einsatz in Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden fremdgezündeten Brennkraflrnaschinen.

Description

Brennstoffeinspritzventil

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Hauptanspruchs .

Bekannt ist bereits aus der DE 4221 185 AI ein Brennstoffeinspritzventil, das stromabwärts eines festen Ventilsitzes eine Lochscheibe mit mehreren

Auslassöffnungen aufweist. Die Lochscheibe wird zunächst mit zumindest einer Auslassöffhung durch Stanzen versehen, die parallel zur Nentillängsachse verläuft. Dann wird die Lochscheibe in ihrem mittleren Bereich, der die Auslassöffnungen aufweist, durch Tiefziehen plastisch verformt, so dass die Auslassöffnungen geneigt gegenüber der Nentillängsachse verlaufen und sich in

Strömungsrichtung kegelstumpfförmig bzw. konisch erweitem. 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.

Aus der DE 43 07 159 AI ist bereits ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, das ebenfalls eine Lochscheibe stromabwärts eines Ventilsitzes aufweist. In die Lochscheibe wird durch Erodieren parallel zur Nentillängsachse die wenigstens eine Auslassöfrhung 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 äbgewandten 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.

Aus der DE 19937961 AI sind außerdem verschiedenste Konturen von Auslassöffnungen für Brennstoffeinspritzventile bereits bekannt. Dabei werden die Auslassöffnungen derart hergestellt, dass in einem ersten Nerfahrensschritt ein Durchgangsloch in einem Nentilsitzelement erzeugt wird und in einem zweiten

Nerfahrensschritt von dem äbspritzseitigen Ende des Durchgangslochs her ein in Form undoder Größe und/oder Kontur gegenüber dem Durchgangsloch veränderter Austrittsbereich erzeugt wird. Ein alternatives Verfahren sieht vor, dass in einem ersten Nerfahrensschritt ein Sackloch von dem dem äbspritzseitigen Ende gegenüberliegenden zulaufseitigen Ende erzeugt wird und in einem zweiten

Nerfahrensschritt von dem äbspritzseitigen Ende der zu erzeugenden Auslassöfrhung her ein in Form und/oder Größe und/oder Kontur gegenüber dem Sackloch veränderter Austrittsbereich erzeugt wird, so dass eine durchgehende Auslassöfrhung 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 äbspritzseitiger 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 (trompetenfόrmig) gewölbt ausgebildet sein.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptansprachs hat den Vorteil, dass auf einfache Art und Weise eine gleichmäßige Feinstzerstäubung des Brennstoffs erreicht wird, wobei eine besonders hohe Auf bereitungsqualität und Zerstäubungsgüte mit sehr kleinen

Brennstofftröpfchen erzielt wird. Dies wird in vorteilhafter Weise dadurch erreicht, dass stromabwärts eines Ventilsitzes in einer Lochscheibe vorgesehene Auslassöfmungen 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.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.

In vorteilhafter Weise ist im Ventilsitzkörper stromaufwärts der Auslassöffnungen eine Zuströmöffnung vorgesehen, die größer ist als eine Austrittsöfrhung 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.

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. Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein teilweise dargestelltes Einspritzventil und Figur 2 den Ausschnitt II in Figur 1 mit einer vergrößerten Auslassöfrhung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Figur 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 Längsδff ung 3 ausgebildet ist. In der Längsöffnung 3 ist eine z. B. rohrförmige Ventilnadel 5 angeordnet, die an ihrem stromäbwärtigen 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.

In dem stromabwärts hegenden Ende des Ventilsitzträgers 1 ist ein Ventilsitzkörper 16 z.B. durch Schweißen dicht montiert. An seiner dem Ventilschließkörper 7 äbgewandten, 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 Zuströmöfmung 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.

Die Verbindung von Ventilsitzkörper 16 und Lochscheibe 23 erfolgt beispielsweise durch eine umlaufende und dichte, mittels eines Lasers ausgebildete Schweißnaht 25, die außerhalb der Zuströmöfmung 19 platziert ist. Nach der Befestigung der Lochscheibe 23 liegt diese in der Vertiefung 20 versenkt gegenüber der Stirnseite 17.

Die Einschubtiefe des Ventilsitzkörpers 16 mit der Lochscheibe 23 in der Längsöffhung 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.

Alternativ zu dem in der Figur 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 stromäbwärtigen zweiten Ebene die

Auslassöffnungen 24 vorgesehen wären.

Die Auslassöffnungen 24 der Lochscheibe 23 stehen mit der Zuströmöffnung 19 in unmittelbarer Strömungsverbindung, werden jedoch von der oberen Begrenzung der Zuströmöfmung 19 überdeckt. Mit anderen Worten ausgedrückt liegt ein vollständiger Versatz von der den Einlass der Zuströmöf ung 19 festlegenden Austrittsöffhung 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 Auslassöfmungen 24 in der Lochscheibe 23 nur teilweise überdeckt.

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. Erfϊndungsgemäß wird durch die Konturierung der Auslassöfmungen 24 das Fluid noch zusätzlich in seiner Zerstäubung positiv beeinflusst, so dass ein noch weiter verbesserter Zerfall in feinste Tröpfchen erzielbar ist.

Die Lochscheibe 23 ist beispielsweise mittels galvanischer Metallabscheidimg hergestellt, wobei die Herstellung einer einlagigen Lochscheibe 23 insbesondere mit der Technik des lateralen Überwachsens vorteilhaft ist. In erfindungsgemäßer Weise besitzen die Auslassöfmungen 24 eine lavaldüsenartige Kontur.

Figur 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt π in Figur 4 zur Verdeutlichung der Kontur der Auslassöffnungen 24 in der Lochscheibe 23. Die Auslassöfmungen 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 Auslassöfrhung 24 mit einer sich in Strömungsrichtung verjüngenden, parabolischen, konvex gewölbten Kontur, während der sich anschließende zweite stromabwärtige Abschnitt der Auslassöfrhung 24 eine sich in Strömungsrichtung erweiternde, parabolische, konvex gewölbte Kontur besitzt. Innerhalb der Auslassöfrhung 24 wird dabei der engste Querschnitt gebildet, und zwar in einer Ebene 30, die parallel zur Eintrittsebene 31 und zur Austrittsebene 32 der Auslassöfrhung 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 Auslassöfrhung 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 Auslassöfrhung 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.

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.

Die lavaldüsenartigen Auslassöffnungen 24 liegen ohne

Nachbearbeitungsprozesse direkt nach der Ausformung absolut gratf ei vor, wobei in vorteilhafter Weise der Übergang von der oberen Stirnfläche der Lochscheibe 23 zur Auslassöfrhung 24 im Bereich der Eintrittsebene 31 scharfkantig entsteht.

Claims

Ansprüche

1. 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, und mit einer stromabwärts des Ventilsitzes (29) angeordneten Lochscheibe (23), die wenigstens eine Auslassöffnung (24) besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Auslassöffnung (24) eine lavaldüsenartige Kontur aufweist.

2. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Auslassöf nung (24) zwei Abschnitte aufweist, von denen sich ein erster Abschnitt in Strömungsrichtung verjüngend, konvex gewölbt und ein zweiter Abschnitt in Strömungsrichtung erweiternd, konvex gewölbt erstreckt.

3. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Abschnitte der Auslassöffnung (24) kontinuierlich ineinander übergehen.

4. Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassöffnung (24) eine Eintrittsebene (31) und eine

Austrittsebene (32) hat und der engste Querschnitt der Auslassöfrhung (24) in einer Ebene (30) zwischen der Eintrittsebene (31) und der Austrittsebene (32) liegt.

5. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ebene (30) des engsten Querschnitts näher zur Eintrittsebene (31) hin liegt als zur Austrittsebene (32).

6. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der engste Querschnitt der Auslassöffnung (24) im Bereich zwischen 5% und 25% der axialen Erstreckung der Auslassöffnung (24) hinter der Eintrittsebene (31) hegt.

7. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Auslassöffnung (24) im Bereich der

Austrittsebene (32) größer ist als der Durchmesser der Auslassöfmung (24) im Bereich der Eintrittsebene (31).

8. Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Auslassöffnung (24) zwischen 25 und

250 μm hegt.

9. Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Lochscheibe (23) zwischen 50 und 120 μm beträgt.

10. Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochscheibe (23) mittels Mikrogalvanik, insbesondere mittels Technik des lateralen Überwachsens herstellbar ist.

11. Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochscheibe (23) in einer Vertiefung (20) des Ventilsitzkörpers (16) eingesetzt ist.

12. Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts der wenigstens einen Auslassöffnung (24) eine Zuströmöffnung (19) vorgesehen ist und die Lochscheibe (23) derart am Ventilsitzkörper (16) befestigt ist, dass die Auslassöffnung (24) durch den Ventilsitzkörper (16) überdeckt ist.