Brennstoffeinspritzventil
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Bekannt ist bereits aus der DE 4221 185 Al 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 gegenüber bis dahin bekannten Einspritzventilen 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. Die Auslassöffnungen sind unmittelbar stromabwärts einer Austrittsöffnung im Ventilsitzkörper vorgesehen und werden insofern direkt angeströmt, wobei die Auslassöffnungen selbst den engsten Strömungsquerschnitt festlegen.
Aus der US 6,405,946 Bl ist bereits ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, bei dem stromabwärts des Ventilsitzes eine Lochscheibe mit mehreren Auslassöffnungen vorgesehen ist. Dabei ist zwischen einer Austrittsöffnung im Ventilsitzkörper und der Lochscheibe eine Zuströmöffnung mit größerem Durchmesser ausgebildet, die einen ringförmigen Anströmhohlraum für die Auslassöffnungen bildet. Die Auslassöffnungen der Lochscheibe stehen mit der Zuströmöffnung und dem ringförmigen Anströmhohlraum in unmittelbarer Strömungsverbindung und werden dabei von der oberen Begrenzung der Zuströmöffnung
überdeckt. Mit anderen Worten ausgedrückt liegt ein vollständiger Versatz von der den Einlass der Zuströmöffiiung festlegenden Austrittsöffiiung und den Auslassöffiiungen vor. Aufgrund des radialen Versatzes der Auslassöffnungen gegenüber der Austrittsöffnung im Ventilsitzkörper ergibt sich ein S-förmiger Strömungsverlauf des Brennstoffs, der eine zerstäubungsfördernde Maßnahme darstellt. Die Auslassöffnungen besitzen einen runden bzw. elliptischen Querschnitt.
Vorteile der Erfindung
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 Auslassöffnungen vorgesehen sind, die horizontal angeströmt werden und so konturiert sind, dass der Umfang der Auslassöffnung im Verhältnis zum Querschnitt der Auslassöffnung maximiert ist. Die horizontalen Geschwindigkeitskomponenten der in die Eintrittsebene einmündenden Strömung werden durch die Wandung der jeweiligen Auslassöffnung an der Eintrittsebene nicht behindert, so dass der Brennstoffstrahl beim Verlassen der Auslassöffnung die volle Intensität der in dem Anströmhohlraum generierten Horizontalkomponenten besitzt und deshalb mit maximaler Zerstäubung auffächert. Durch die horizontale Anströmung der Auslassöffnungen ist die Strömung in den Auslassöffnungen aufgrund von Wirbelbildung richtungsdiffus. Durch das sofortige Auffächern wird vermieden, dass die Flüssigkeitsoberflächenspannung den austretenden Strahl zu einem zylindrischen Strahl kleinerer freier Oberfläche zusammenzieht. Die vergrößerte freie Strahloberfläche begünstigt den weiteren Zerfall in kleinere Tröpfchen.
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 mit einem ringförmigen Anströmhohlraum 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.
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 große Gestaltungsfreiheit bei der Konturierung der Auslassöffnungen in der Lochscheibe.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein teilweise dargestelltes Einspritzventil, Figur 2 den Ausschnitt II in Figur 1 mit dem erfindungsgemäß ausgestalteten Bereich in einer vergrößerten Darstellung, Figur 3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer
Auslassöffnung, Figur 4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Auslassöffnung, Figur 5 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Auslassöffnung, Figur 6 ein viertes Ausführungsbeispiel einer Auslassöffnung, Figur 7 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer Auslassöffnung, Figur 8 ein sechstes Ausführungsbeispiel einer Auslassöffnung und Figur 9 ein siebentes Ausführungsbeispiel einer Auslassöffnung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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 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
- A - 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 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, z.B. 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.
Die Zuströmöffnung 19 ist im unmittelbaren Anströmbereich der Auslassöffnungen 24 so ausgeführt, dass die Strömung weitgehend im rechten Winkel zur Längserstreckung der Auslassöffnungen 24, in der Figur 1 also entsprechend horizontal, zu den Auslassöffnungen 24 gelangt. Der gegenüber der Austrittsöffnung 27 durchmessergrößere Ringbereich der Zuströmöffnung 19 ist in der Figur 2 vergrößert dargestellt, anhand dieser Figur näher erläutert und wird im Folgenden als Anströmhohlraum 26 bezeichnet.
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.
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.
Die Auslassöffnungen 24 der Lochscheibe 23 stehen mit der Zuströmöffnung 19 und dem ringförmigen Anströmhohlraum 26 in unmittelbarer Strömungsverbindung und werden dabei 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.
Durch den so genannten 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 spezifische Geometrie der Auslassöffnungen 24 in Verbindung mit dem horizontal anströmbaren Anströmhohlraum 26 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 Metallabscheidung hergestellt, wobei die Herstellung einer einlagigen Lochscheibe 23 insbesondere mit der Technik des lateralen Überwachsens vorteilhaft ist. Anstelle einer einlagigen Lochscheibe 23 kann auch eine mehrlagig aufgebaute Lochscheibe 23 eingesetzt werden, in der dann z.B. der Anströmhohlraum 26 unmittelbar integriert ist. Die Auslassöffnungen 24 besitzen in idealer Weise eine trompetenförmige Kontur. Vom Querschnitt her sind die Auslassöffnungen 24 mit einer mehreckigen Form, insbesondere einer wenigstens ein Dreieck umfassenden Form, oder mit einer mehrere Bögen in der Außenkontur aufweisenden mäanderartigen Form ausgebildet.
Figur 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt II in Figur 1 zur Verdeutlichung der Geometrie des Anströmhohlraums 26 zwischen der Austrittsöffnung 27 und der Lochscheibe 23. Der Ventilsitzkörper 16 ist derart ausgestaltet, dass der Anströmhohlraum 26 der Zuströmöffnung 19
von der Austrittsöffiiung 27 ausgehend oberhalb der Lochscheibe 23 radial nach außen sehr flach verläuft. Der Anströmhohlraum 26 erstreckt sich in idealer Weise radial nach außen über die Auslassöffiiungen 24 hinaus. Dadurch wird vor allen Dingen jede Auslassöffiiung 24 auch rückraumseitig mit einem nennenswerten Durchflussmengenanteil gespeist. Als Rückraum 33 wird der radial auswärts der jeweiligen Auslassöffiiung 24 liegende Bereich des
Anströmhohlraums 26 verstanden. Folglich sind die Quergeschwindigkeitsvektoren im Austritt der Auslassöffiiungen 24 divergent und sorgen für eine gute Zerstäubung des Brennstoffs.
In den Figuren 3 bis 9 sind sieben Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Auslassöffnungen 24 gezeigt. In vorteilhafter Weise sind die Auslassöffnungen 24 so konturiert, dass der Umfang der Auslassöffnung 24 im Verhältnis zum Querschnitt der Auslassöffnung 24 maximiert ist. Die Querschnittsform eines aus einer Auslassöffnung 24 austretenden Fluidstrahls entspricht weitgehend der Querschnittsform der Auslassöffnung 24. Die freie Oberfläche eines aus einer Auslassöffnung 24 austretenden Strahls ist im Verhältnis zu dessen abgespritzter Flüssigkeitsmenge entsprechend groß. Durch die zu Eintrittsebenen 31 der
Auslassöffnungen 24 horizontale Anströmung der Auslassöffnungen 24 ist die Strömung in den Auslassöffnungen 24 richtungsdiffus, d.h. der austretende Fluidstrahl fächert unmittelbar nach Verlassen der Auslassöffnung 24 auf. Durch das sofortige Auffächern wird vermieden, dass die Flüssigkeitsoberflächenspannung den austretenden Strahl zu einem zylindrischen Strahl kleinerer freier Oberfläche zusammenzieht. Die vergrößerte freie Strahloberfläche begünstigt den weiteren Zerfall in kleinere Tröpfchen.
In den Figuren 3 und 4 sind zwei sternförmige Auslassöffnungen 24 dargestellt. Diese Auslassöffnungen 24 weisen z.B. fünf Zacken 35 auf, die jeweils für sich gesehen eine dreieckförmige Kontur besitzen. Die Anzahl der Zacken 35 und auch ihr Format, also ihre
Länge a bzw. Breite b sind frei wählbar. Die sternförmige Auslassöffnung 24 kann entweder so ausgerichtet sein, dass eine Vertiefung zwischen zwei Zacken 35 radial direkt auf die Ventillängsachse 2 bzw. das Zentrum der Lochscheibe 23 gerichtet ist (Figur 3) oder dass eine Zacke 35 mit ihrer Spitze radial direkt auf die Ventillängsachse 2 bzw. das Zentrum der Lochscheibe 23 zeigt (Figur 4). Die Pfeile 32 sollen einerseits andeuten, dass die Anströmung der Auslassöffnungen 24 horizontal zu ihren Eintrittsebenen 31 bzw. weitgehend im rechten Winkel zur Längserstreckung der Auslassöffnungen 24 erfolgt und andererseits anzeigen, wie die Auslassöffnung 24 zur Ventillängsachse 2 ausgerichtet ist.
In den Figuren 5 und 6 sind zwei sternförmige Auslassöfmungen 24 dargestellt. Diese Auslassöffnungen 24 weisen z.B. vier Zacken 35 auf, die jeweils für sich gesehen eine dreieckförmige Kontur besitzen. Die Anzahl der Zacken 35 und auch ihr Format, also ihre Länge a bzw. Breite b sind frei wählbar. Die sternförmige Auslassöffnung 24 kann entweder so ausgerichtet sein, dass eine Vertiefung zwischen zwei Zacken 35 radial direkt auf die
Ventillängsachse 2 bzw. das Zentrum der Lochscheibe 23 gerichtet ist (Figur 5) oder dass eine Zacke 35 mit ihrer Spitze radial direkt auf die Ventillängsachse 2 bzw. das Zentrum der Lochscheibe 23 zeigt (Figur 6). Die Pfeile 32 sollen einerseits andeuten, dass die Anströmung der Auslassöffnungen 24 horizontal zu ihren Eintrittsebenen 31 bzw. weitgehend im rechten Winkel zur Längserstreckung der Auslassöffnungen 24 erfolgt und andererseits anzeigen, wie die Auslassöffnung 24 zur Ventillängsachse 2 ausgerichtet ist.
In den Figuren 7 und 8 sind zwei dreieckförmige Auslassöffnungen 24 dargestellt. Im Querschnitt besitzt die Auslassöffnung 24 z.B. die Form eines gleichseitigen Dreiecks. Die Auslassöffnung 24 ist insofern als eine Zacke 35 anzusehen. Eine solche Querschnittsform begünstigt ebenfalls die Generierung von Wirbeln in der Auslassöffnung 24. Die aufgrund der horizontalen Anströmung induzierten Wirbelbewegungen innerhalb der Auslassöffnung 24 sind schematisch eingezeichnet und mit dem Bezugszeichen 36 gekennzeichnet.
In der Figur 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Auslassöffnung 24 im Querschnitt gezeigt. Diese Auslassöffnung 24 ist mit einer mehrere Bögen 35' in der Außenkontur aufweisenden mäanderartigen Form ausgebildet.
Die Lochscheibe 23 kann mikrogalvanisch, laserschneidtechnisch, ätztechnisch oder stanztechnisch hergestellt werden. Der Querschnitt der Auslassöffnungen 24 ist je nach
Herstellungsverfahren bzw. Einsatzwunsch über die gesamte Länge der Auslassöffnungen 24 konstant oder in Strömungsrichtung zunehmend, wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt. Im Bereich der Eintrittsebenen 31 besitzen die Auslassöffnungen 24 eine lichte Öffnungsweite von z.B. wenigstens 30 μm.