WO2014000947A1 - Ventil zum zumessen von fluid - Google Patents

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WO2014000947A1
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swirl
spray
chambers
swirl chambers
valve
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PCT/EP2013/059894
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Franz Thoemmes
Martin Stahl
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Robert Bosch Gmbh
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    • F02M61/1853—Orifice plates
    • F02M61/186—Multi-layered orifice plates

Definitions

  • the invention is based on a valve for metering fluid, in particular of a metering or injection valve for internal combustion engines, according to the preamble of claim 1.
  • a known fuel or fuel injection valve for fuel injection systems of internal combustion engines in particular for direct injection of fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine, (DE 100 48 935 AI) has an actuated by an actuator valve member, which is used to open and close the valve with a on a Valve seat body formed, a valve opening enclosing valve seat cooperates.
  • a disc-shaped swirl element also called spray-orifice plate, is arranged, which has an inlet area communicating with the valve opening and a plurality of outlet openings, also called injection holes.
  • the injection holes are arranged centrally in a respective swirl chamber. From the inlet area, one swirl channel leads to one swirl chamber each and opens tangentially into it, so that the fuel flowing from the inlet area to the swirl chambers flows into the swirl chamber
  • Swirl chambers flows asymmetrically.
  • the mouths of the swirl channels are placed so that the flow direction of the fluid in all swirl chambers
  • the fluid is rectified, so the fluid is e.g. flows counterclockwise from the mouth to the spray hole to then tumbled from the spray hole. Due to the swirl element, a very good atomization of the high-pressure fuel is achieved.
  • valve according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that with the opposing fluid flows in at least two of the swirl chambers in conjunction with a different number of
  • Intake manifold injection systems are realized with two inlet channels or sprays with oval cross-section, which are particularly well suited for a homogeneous distribution of the fluid in so-called DNOX systems with oval exhaust pipes.
  • DNOX systems with oval exhaust pipes.
  • the swirl chambers with mutually opposite directions of rotation or twist of the fluid flows can spray jets or spray lobes specifically separated and / or merge together and different beam or lobe shapes with kidney-shaped or
  • four swirl chambers arranged offset by the same circumferential angle are present and the swirl chambers are arranged successively or diametrically in the circumferential direction with mutually inverse rotational or twist directions of the fluid flows.
  • the swirl chambers with opposed rotary or Twist directions of the fluid streams arranged successively in the circumferential direction so arise twice two opposing, unidirectional air vortex, which suck on remote from each other, so offset by 180 ° sides of the sprayed spray air into the spray center.
  • the ambient air generated on the opposite sides of the spray each have a transverse pulse, which leads to the formation of a flat jet and a sufficiently large angular momentum to a complete separation of the spray into two individual beams.
  • the swirl chambers are arranged diametrically with opposite directions of rotation or twist of the fluid flows, then two adjacent, unidirectional swirls of air are created, which attract each other and generate a common air vortex in the far field.
  • the spray sprayed from the four spray holes thus generates two opposing air vortices, which repel each other and trigger a transverse pulse of the ambient air in the same direction, so that against the axis of the
  • Spray orifice tilted spray radiation is generated.
  • two offset by the same circumferential angle to each other arranged swirl chambers are present.
  • two air vortices which repel and trigger a transverse pulse of the ambient air, which leads to a tilting of the spray lobe against the spray perforated disk or the valve axis and produces a kidney-shaped cross section of the spray lobe and leads to the formation of a flat jet.
  • the swirl chambers with inverse directions of rotation or swirl of the fluid flows are arranged successively in the circumferential direction or form two groups, each with three circumferentially successively arranged swirl chambers, in which the directions of rotation or swirl of the fluid flows are in the same direction.
  • transversal pulses of the ambient air are generated at six points of the sprayed-off spray offset by 60 °, the transverse pulses offset by 120 ° being rectified. This leads to a somewhat triangular cross-section of the spray lobe emerging from the spray-orifice plate, whose axis is aligned with the valve axis.
  • the swirl chambers form with inverse turning or
  • the spray emerging from the six spray holes thus produces two opposing air swirls, which repel each other and trigger a transverse pulse of the ambient air in the same direction.
  • the axis of the spray lobe is tilted with respect to the spray perforated disk.
  • the above-described spray shapes and Abspritzutteren the fluid can be influenced by other measures, such as by a cylindrical or frustoconical design of the swirl chambers, an axially symmetric or non-axially symmetric shape of the swirl chambers, a centric or eccentric arrangement of the spray hole in the swirl chamber and an inclination the spray hole against the aligned with the valve axis axis of the spray perforated disk and by different lengths of the
  • FIG. 1 shows a detail of a longitudinal section of a valve for metering fluid with valve seat body and the valve seat body in the flow direction of downstream spray perforated disk
  • FIG. 2 shows a plan view of the spray perforated disk in FIG. 1,
  • Figure 4 is a same view as in Figure 3 a modified
  • Figure 5 is a plan view of the spray perforated disk according to another
  • Figure 6 is a plan view of the spray perforated disk according to another
  • FIG. 7 shows a section VII of the spray perforated disk in FIG. 6 with modified swirl chamber, FIG.
  • FIG. 8 shows a schematically illustrated spray pattern when using the spray perforated disk according to FIG. 2, FIG.
  • FIG. 9 is a schematically illustrated spray pattern when using the spray perforated disk according to FIG. 6,
  • FIG. 10 shows a schematically illustrated spray pattern when using a
  • Figure 11 is a schematically illustrated spray image when using a 6-hole spray perforated disk, in which the swirl chambers with inverse rotary or
  • Twist directions of the fluid flows are arranged sequentially in the circumferential direction
  • Figure 12 is a schematically illustrated spray pattern when using a 6-hole spray perforated disc, in which the swirl chambers with inverse rotary or
  • Swirl directions of the fluid flows are divided into two groups, in which the circumferentially successive swirl chambers each have the same rotational or helical directions of the fluid flows.
  • the illustrated in Figure 1 fragmentary with its fluid outlet end valve for metering fluid is preferably used as an injection valve for injecting fuel in fuel injection systems of internal combustion engines or for the metered injection of urea-water solutions in the
  • the valve has a part of a valve housing performing sleeve-shaped valve seat carrier 11 which is connected to a valve body 12th
  • Valve chamber 13 limiting valve seat body 12 is a valve or
  • Vent opening 14 and the metering opening 14 surrounding valve seat 15 is formed.
  • the valve seat 15 acts to close and release the
  • a hollow valve needle 162 e.g. welded
  • Valve needle 162 of the valve member 16 the fluid supply to the valve chamber 13, for which purpose at least one flow hole 17 is provided in the valve needle 162.
  • the valve seat 15 forms together with the closing head 161 a sealing seat, which is acted upon by the standing in the valve chamber 13 under system pressure fluid volume.
  • the closing head 161 is engaged by a valve needle 162 engaging, not shown here
  • Valve closing spring pressed onto the valve seat 15. Releasing the
  • Vent opening 14 takes place by lifting the closing head 161 of the valve seat 15 against the restoring force of the valve closing spring and is in a known manner by means of a valve needle 162 acting on
  • the orifice 14 is in the flow direction of the fluid as
  • the spray perforated disk 18 shown in section in FIG. 2 in plan view and in FIG. 3 has an inlet region 19 communicating with the metering orifice 14, which is arranged coaxially with the valve axis, a plurality of swirl chambers 20, each with an injection port 21 and swirl channels 22 extending from the inlet region 19 go out and each in a swirl chamber 20 open so that the fluid flows into the respective swirl chamber 20 asymmetrically, for example tangentially.
  • the fluid flows are the Twist chambers 20 designed so that the rotational or helical directions of the fluid flows in at least two of the swirl chambers 20 are in opposite directions.
  • FIG. 2 These fluid flows are indicated symbolically in FIG. 2 by arrows 23 and 24, wherein arrow 23 is counterclockwise for a dall direction and arrow 24 for a swirl direction in a clockwise direction.
  • arrow 23 is counterclockwise for a dall direction and arrow 24 for a swirl direction in a clockwise direction.
  • a total of four swirl chambers 20 are each provided with a spray hole 21, wherein the swirl chambers 20 are formed axially symmetrical.
  • the swirl chambers 20 are arranged in the spray perforated disk 18 such that their axes pierce a circular line 25 which is concentric with the axis of the inlet region 19 at the same distance from one another.
  • the injection holes 21 are arranged centrally in the swirl chambers 20, and the spray hole axes are aligned parallel to the axis of the spray hole 18 and the valve axis, so that the hole axes of the injection holes 21 to the axis of the inlet portion 19 and the valve axis concentric circle 25 in the same Pierced distance from each other.
  • the spray hole axes also with respect to the axis of the
  • Spray hole 18 and the valve axis to be tilted at an acute angle, as shown in Figure 4. Also, the axisymmetric
  • Twist chambers 20 have a truncated cone shape, as is also shown in Figure 4.
  • all swirl chambers 20 and injection holes 21 are formed identically in a spray perforated disk 18.
  • cylindrical and frusto-conical swirl chambers 20 and perpendicular to the spray orifice plate 18 extending and tilted with respect to the spray orifice plate 18 injection holes 21 in the same spray orifice plate 18 to influence certain effects in the influence of the spraying holes 21 exiting under high pressure sprays.
  • the inlet region 19, the swirl channels 22 and the swirl chambers 20 are formed by the one disk surface of the spray orifice plate 18 of different depths or equal depths in the spray orifice plate 18, z. B. by impressing or by material discharge by means of erosion, etching or U KP laser, and are covered by the flat face of the valve seat body 12 fluid-tight.
  • the swirl chambers 20 are in the circumferential direction with inverse rotational or twisting directions of the fluid flows arranged sequentially, as indicated by the flow direction arrows 23 and 24.
  • this spray perforated disk 18 results in a spray image of the emerging from the four spray holes 21 fluid spray, as shown in Figure 8.
  • the exiting spray 26 arise twice two opposite, inversely rotating vortices sucking air on the opposite sides of the sprayed spray air from the ambient air into the spray center.
  • the sucked ambient air is symbolized by arrows 27.
  • the sucked ambient air 27 generates on mutually remote sides of the
  • Sprays 26 transverse pulses, which are directed towards each other and lead to the formation of a flat jet of the spray 26. With sufficiently large, imparted to the fluid in the swirl chambers 20 rotational or swirl pulse lead this
  • Spray orifice plate 18 resulting spray image 26 is sketched in Figure 9.
  • the swirl chambers 20 are formed in the spray 26 two times adjacent, unidirectional vortex, which attract and generate a common air vortex in the far field.
  • the spray sprayed out of the four spray holes 21 creates two counter-rotating
  • spray-spray 26 two air vortices form with opposite twisting or rotating directions, which repel each other and trigger a transverse pulse of the ambient air 27. This Transverse pulse causes a tilting of the spray lobe against the axis of
  • Twist chamber configuration arise in the spray spray 26 three mutually offset by 120 ° pairs of mutually opposite air vortices that repel each other, with diametrically opposite pairs generate the same direction transverse pulses of the ambient air 27. This leads to an approximately triangular cross section of the spray lobe emerging from the spray-orifice plate 18.
  • the spray pattern sketched in Figure 12 results in a spray orifice plate 18 with six swirl chambers 20, wherein the swirl chambers 20 with inverse rotational or swirl directions of the fluid flows to two groups, each with three in
  • Circumferentially circumferentially arranged swirl chambers 20 are divided, in which the fluid flows are in the same direction.
  • two sprayed, unidirectional vortices form twice in the spray spray 26, which attract each other and produce a common air vortex in the far field.
  • the spray 26 issuing from the six spray holes 21 produces two counter air swirls which repel each other and cause a transverse pulse of the ambient air 27 in the same direction, thus tilting the axis of the spray lobe with respect to the axis of the spray hole disk 18.
  • Fluid sprays can be additionally influenced by further measures. If the spray holes 21 are not arranged centrally in the swirl chamber 20, but positioned off-center or eccentric, as shown in Figure 5, the result is in the flow of the eccentric injection holes 21, a transverse pulse, which contributes to a lateral inclination of the exiting fluid spray. Depending on the desired spray pattern, the spray holes 21 can be arranged off-center in all swirl chambers 20 or only one or the other Twist chamber 20 are provided with an eccentrically arranged injection hole 21, as shown in Figure 5.
  • the swirl chambers 20 may be non-axisymmetric, e.g. drop-shaped, are formed, as shown in Figure 7 for a swirl chamber 20. Again, all of the swirl chambers 20 may again be non-axially symmetrical, or else some of the swirl chambers 20 may retain an axially symmetrical shape.

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Abstract

Es wird ein Ventil zum Zumessen von Fluid, insbesondere ein Dosier- oder Einspritzventil für Brennkraftmaschinen, mit einer Zumessöffnung und einer der Zumessöffnung in Strömungsrichtung des Fluids nachgeordneten Spritzlochscheibe (18) angegeben, wobei die Spritzlochscheibe (18) einen mit der Zumessöffnung kommunizierenden Einlassbereich (19), Drallkammern (20) mit je einem Spritzloch (21) und von dem Einlassbereich (19) ausgehende Drallkanäle (22) aufweist, die in je einer Drallkammer (20) so münden, dass das Fluid die Drallkammern (20) asymmetrisch anströmt. Zur Realisierung flexibler, auf die Umgebungsgeometrie optimierter Strahlformen und Strahlrichtungen des als Spray abgespritzten Fluids sind die Anströmungen der Drallkammern (20) so ausgeführt, dass die Fluidströmungen in mindestens zwei Drallkammern (20) gegensinnige Dreh- oder Drallrichtungen (23, 24) aufweisen.

Description

Beschreibung Titel
Ventil zum Zumessen von Fluid Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Ventil zum Zumessen von Fluid, insbesondere von einem Dosier- oder Einspritzventil für Brennkraftmaschinen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein bekanntes Kraft- oder Brennstoffeinspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, (DE 100 48 935 AI) weist ein von einem Aktuator betätigtes Ventilglied auf, das zum Öffnen und Schließen des Ventils mit einem an einem Ventilsitzkörper ausgebildeten, eine Ventilöffnung umschließenden Ventilsitz zusammenwirkt. Stromabwärts des Ventilsitzes ist ein scheibenförmiges Drallelement, auch Spritzlochscheibe genannt, angeordnet, das einen mit der Ventilöffnung kommunizierenden Einlassbereich und mehrere Auslassöffnungen, auch Spritzlöcher genannt, aufweist. Die Spritzlöcher sind zentral in je einer Drallkammer angeordnet. Vom Einlassbereich führt je ein Drallkanal zu je einer Drallkammer und mündet tangential in dieser, so dass der vom Einlassbereich zu den Drallkammern strömende Brennstoff die
Drallkammern asymmetrisch anströmt. Die Mündungen der Drallkanäle sind so gelegt, dass die Strömungsrichtung des Fluids in allen Drallkammern
gleichgerichtet ist, also das Fluid z.B. gegen Uhrzeigersinn von der Mündung zum Spritzloch strömt, um danach drallbehaftet aus dem Spritzloch auszutreten. Durch das Drallelement wird eine sehr gute Zerstäubung des mit Hochdruck abgespritzten Brennstoffs erzielt.
Offenbarung der Erfindung Das erfindungsgemäße Ventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass mit den gegensinnigen Fluidströmungen in mindestens zwei der Drallkammern in Verbindung mit einer unterschiedlichen Anzahl von
Drallkammern flexible Strahlformen des als Spray abgespritzten Fluids realisiert werden können, die auf die Umgebungsgeometrie des Sprays optimiert sind. So können z. B. Sprays mit zwei getrennten Strahlen zur Verwendung in
Saugrohreinspritzsystemen mit zwei Einlasskanälen oder Sprays mit ovalem Querschnitt realisiert werden, die sich in sog. DNOX-Systemen mit ovalen Abgasrohren besonders gut für eine homogene Verteilung des Fluids eignen. Je nach Anzahl und Anordnung der Drallkammern mit zueinander gegensinnigen Dreh- oder Drallrichtungen der Fluidströmungen lassen sich Spraystrahlen oder Spraykeulen gezielt voneinander trennen und/oder zusammenführen und verschiedene Strahl- oder Keulenformen mit nierenförmigen oder
dreieckförmigen oder herzförmigen Querschnitten mit oder ohne gegenüber der Spritzlochscheibe geneigter Strahlrichtung erzielen. Physikalisch wird dies dadurch erreicht, dass die aus den Spritzlöchern austretenden, drallbehafteten Fluidsprays ihren Querschnitt durch die Zentrifugalkraft stetig verbreitern. In Lochnähe wird die Umgebungsluft in axialer Richtung beschleunigt und saugt von außen Umgebungsluft ins Spray. Die Tropfengeschwindigkeit hat zusätzlich eine Tangentialkomponente, die einen Tangentialimpuls auf die Umgebungsluft überträgt und Luftwirbel erzeugt, die ihrerseits Rückwirkungen auf das Fluidspray haben. Durch Anordnung und Anzahl der Drallkammern mit zueinander gegensinnigen Drallrichtungen der Fluidströmungen können diese Luftwirbel so eingestellt werden, dass sich die vorstehend angesprochenen, unterschiedlichen Sprayquerschnittsformen und Spritzrichtungen der Spraykeulen oder
Spraystrahlen ergeben.
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Ventils möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind vier um gleiche Umfangswinkel gegeneinander versetzt angeordnete Drallkammern vorhanden und die Drallkammern mit zueinander inversen Dreh- oder Drallrichtungen der Fluidströmungen in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend oder diametral angeordnet. Sind die Drallkammern mit einander entgegenrichteten Dreh- oder Drallrichtungen der Fluidströmen in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet, so entstehen zweimal zwei einander gegenüberliegende, gleichdrehende Luftwirbel, die auf voneinander abgekehrten, also um 180° versetzten Seiten des abgespritzten Sprays Luft ins Sprayzentrum saugen. Die Umgebungsluft erzeugt auf den voneinander abgekehrten Seiten des Sprays jeweils einen Querimpuls, der zur Ausbildung eines Flachstrahls und bei genügend großem Drehimpuls zu einer völligen Trennung des Sprays in zwei Einzelstrahlen führt. Sind dagegen die Drallkammern mit gegensinnigen Drehoder Drallrichtungen der Fluidströmungen diametral angeordnet, so entstehen zweimal zwei nebeneinanderliegende, gleichdrehende Luftwirbel, die sich anziehen und im Fernfeld jeweils einen gemeinsamen Luftwirbel erzeugen. Das aus den vier Spritzlöchern abgespritzte Spray erzeugt somit zwei gegensinnige Luftwirbel, die sich abstoßen und jeweils einen Querimpuls der Umgebungsluft in die gleiche Richtung auslösen, so dass ein gegen die Achse der
Spritzlochscheibe gekippte Sprayabstrahlung erzeugt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind zwei um gleiche Umfangswinkel zueinander versetzt angeordnete Drallkammern vorhanden. Im abgespritzten Spray bilden sich zwei Luftwirbel, die sich abstoßen und einen Querimpuls der Umgebungsluft auslösen, der zu einem Kippen der Spraykeule gegen die Spritzlochscheibe bzw. der Ventilachse führt und einen nierenförmigen Querschnitt der Spraykeule erzeugt und zur Bildung eines Flachstrahls führt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind sechs um gleiche Umfangswinkel gegeneinander versetzt angeordnete Drallkammern vorhanden.
Die Drallkammern mit inversen Dreh- oder Drallrichtungen der Fluidströmungen sind in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet oder bilden zwei Gruppen mit je drei in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend angeordneten Drallkammern, in denen die Dreh- oder Drallrichtungen der Fluidströmungen gleichsinnig sind. Bei der erstgenannten Anordnung der Drallkammern werden an sechs um 60° versetzten Stellen des abgespritzten Sprays Querimpulse der Umgebungsluft erzeugt, wobei die um 120° zueinander versetzten Querimpulse gleichgerichtet sind. Dies führt zu einem etwas dreieckförmigen Querschnitt der aus der Spritzlochscheibe austretenden Spraykeule, deren Achse mit der Ventilachse fluchtet. Bilden dagegen die Drallkammern mit inversen Dreh- oder
Drallrichtungen der Fluidströmungen jeweils zwei Gruppen mit je drei in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Drallkammern, in denen die Dreh- oder Drallrichtungen der Fluidströmungen gleichsinnig sind, so bilden sich in dem aus der Spritzlochscheibe austretenden Spray zweimal drei nebeneinanderliegende, gleichdrehende Luftwirbel, die sich anziehen und im Fernfeld einen
gemeinsamen Luftwirbel erzeugen. Das aus den sechs Spritzlöchern austretende Spray erzeugt somit zwei gegensinnige Luftwirbel, die sich abstoßen und jeweils einen Querimpuls der Umgebungsluft in gleiche Richtung auslösen. Die Achse der Spraykeule wird gegenüber der Spritzlochscheibe gekippt.
Selbstverständlich ist es möglich, in der Spritzlochscheibe auch eine
ungeradzahlige Anzahl von Drallkammern mit je einem Spritzloch vorzusehen, von denen mindestens zwei der Drallkammern einander entgegengerichtete Dreh- oder Drallrichtungen der Fluidströmungen aufweisen.
Die vorstehend beschriebenen Sprayformen und Abspritzrichtungen des Fluids können noch durch weitere Maßnahmen beeinflusst werden, so durch eine zylinder- oder kegelstumpfförmige Ausbildung der Drallkammern, eine axialsymmetrische oder nicht-axialsymmetrische Form der Drallkammern, eine zentrische oder exzentrische Anordnung des Spritzlochs in der Drallkammer und eine Schrägstellung des Spritzlochs gegen die mit der Ventilachse fluchtenden Achse der Spritzlochscheibe sowie durch unterschiedliche Längen der
Spritzlöcher. Jede dieser Maßnahmen kann bei allen Drallkammern oder Spritzlöchern einer Spritzlochscheibe vorgenommen werden, jedoch können in der Spritzlochscheibe an unterschiedlichen Drallkammern und Spritzlöchern auch verschiedene dieser Maßnahmen gleichzeitig eingesetzt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ausschnittweise einen Längsschnitt eines Ventils zum Zumessen von Fluid mit Ventilsitzkörper und dem Ventilsitzkörper in Strömungsrichtung nachgeordneter Spritzlochscheibe, Figur 2 eine Draufsicht der Spritzlochscheibe in Figur 1,
Figur 3 einen Schnitt längs der Linie III - III in Figur 2,
Figur 4 eine gleiche Darstellung wie in Figur 3 einer modifizierten
Spritzlochscheibe,
Figur 5 eine Draufsicht der Spritzlochscheibe gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel,
Figur 6 eine Draufsicht der Spritzlochscheibe gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel,
Figur 7 einen Ausschnitt VII der Spritzlochscheibe in Figur 6 mit modifizierter Drallkammer,
Figur 8 ein schematisch dargestelltes Spraybild bei Einsatz der Spritzlochscheibe gemäß Figur 2,
Figur 9 ein schematisch dargestelltes Spraybild bei Einsatz der Spritzlochscheibe gemäß Figur 6,
Figur 10 ein schematisch dargestelltes Spraybild bei Verwendung einer
Zweiloch-Spritzlochscheibe,
Figur 11 ein schematisch dargestelltes Spraybild bei Verwendung einer 6-Loch- Spritzlochscheibe, bei der die Drallkammern mit inversen Dreh- oder
Drallrichtungen der Fluidströmungen in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet sind,
Figur 12 ein schematisch dargestelltes Spraybild bei Einsatz einer 6-Loch- Spritzlochscheibe, bei der die Drallkammern mit inversen Dreh- oder
Drallrichtungen der Fluidströmungen auf zwei Gruppen aufgeteilt sind, in denen die in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Drallkammern jeweils gleiche Dreh- oder Drallrichtungen der Fluidströmungen aufweisen. Das in Figur 1 ausschnittweise mit seinem fluidaustrittsseitigen Ende dargestellte Ventil zum Zumessen von Fluid wird vorzugsweise als Einspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in Kraftstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen oder zum dosierten Einspritzen von Harnstoff- Wasser- Lösungen in den
Abgasstrang von Brennkraftmaschinen zwecks Nachbehandlung des Abgases eingesetzt. Das Ventil weist einen Teil eines Ventilgehäuses darstellenden hülsenförmigen Ventilsitzträger 11 auf, der mit einem Ventilkörper 12
abgeschlossen ist. In dem zusammen mit dem Ventilsitzträger 11 eine
Ventilkammer 13 begrenzenden Ventilsitzkörper 12 ist eine Ventil- oder
Zumessöffnung 14 und ein die Zumessöffnung 14 umgebender Ventilsitz 15 ausgebildet. Der Ventilsitz 15 wirkt zum Schließen und Freigeben der
Zumessöffnung 14 mit einem kugelförmigen Schließkopf 161 eines Ventilglieds 16 zusammen, der an dem dem Ventilsitzkörper 12 zugekehrten Ende einer hohlen Ventilnadel 162 befestigt, z.B. angeschweißt, ist. Über die hohle
Ventilnadel 162 des Ventilglieds 16 erfolgt die Fluidzufuhr zur Ventilkammer 13, wozu in der Ventilnadel 162 mindestens ein Durchflussloch 17 vorgesehen ist. Der Ventilsitz 15 bildet zusammen mit dem Schließkopf 161 einen Dichtsitz, der von dem in der Ventilkammer 13 unter Systemdruck stehenden Fluidvolumen beaufschlagt ist. Zum Schließen der Zumessöffnung 14 ist der Schließkopf 161 von einer an der Ventilnadel 162 angreifenden, hier nicht dargestellten
Ventilschließfeder auf den Ventilsitz 15 aufgepresst. Das Freigeben der
Zumessöffnung 14 erfolgt durch Abheben des Schließkopfes 161 von dem Ventilsitz 15 gegen die Rückstellkraft der Ventilschließfeder und wird in bekannter Weise mittels eines an der Ventilnadel 162 angreifenden
elektromagnetischen, piezokeramischen oder magnetostriktiven Aktors bewirkt.
Der Zumessöffnung 14 ist in Strömungsrichtung des Fluids eine als
Drallerzeugungselement ausgebildete Spritzlochscheibe 18 nachgeordnet, die vorzugsweise plan an dem Ventilsitzkörper 12 anliegt und an diesem befestigt, z.B. verschweißt, ist. Die in Figur 2 in Draufsicht und in Figur 3 im Schnitt dargestellte Spritzlochscheibe 18 weist einen mit der Zumessöffnung 14 kommunizierenden Einlassbereich 19, der hier koaxial zur Ventilachse angeordnet ist, mehrere Drallkammern 20 mit je einem Spritzloch 21 und Drallkanäle 22 auf, die von dem Einlassbereich 19 ausgehen und in je einer Drallkammer 20 so münden, dass das Fluid die jeweilige Drallkammer 20 asymmetrisch, z.B. tangential, anströmt. Dabei sind die Fluidanströmungen der Drallkammern 20 so ausgeführt, dass die Dreh- oder Drallrichtungen der Fluidströmungen in mindestens zwei der Drallkammern 20 gegensinnig sind. Diese Fluidströmungen sind in Figur 2 mit Pfeilen 23 bzw. 24 symbolisch eingezeichnet, wobei Pfeil 23 für eine Dallrichtung entgegen Uhrzeigersinn und Pfeil 24 für eine Drallrichtung im Uhrzeigersinn steht. Im Ausführungsbeispiel der Figur 2 und 3 sind insgesamt vier Drallkammern 20 mit je einem Spritzloch 21 vorhanden, wobei die Drallkammern 20 axialsymmetrisch ausgebildet sind. Die Drallkammern 20 sind so in der Spritzlochscheibe 18 angeordnet, dass ihre Achsen eine zur Achse des Einlassbereichs 19 konzentrische Kreislinie 25 im gleichen Abstand voneinander durchstoßen. Die Spritzlöcher 21 sind zentral in den Drallkammern 20 angeordnet, und die Spritzlochachsen sind parallel zur Achse der Spritzlochscheibe 18 bzw. der Ventilachse ausgerichtet, so dass auch die Lochachsen der Spritzlöcher 21 die zur Achse des Einlassbereichs 19 bzw. der Ventilachse konzentrische Kreislinie 25 in gleichem Abstand voneinander durchstoßen.
Alternativ können die Spritzlochachsen auch gegenüber der Achse der
Spritzlochscheibe 18 bzw. der Ventilachse um einen spitzen Winkel gekippt sein, wie dies in Figur 4 dargestellt ist. Auch können die axialsymmetrischen
Drallkammern 20 Kegelstumpfform aufweisen, wie dies ebenfalls in Figur 4 dargestellt ist. Vorzugsweise werden alle Drallkammern 20 und Spritzlöcher 21 in einer Spritzlochscheibe 18 identisch ausgebildet. Es ist jedoch auch möglich, zylinderförmige und kegelstumpfförmige Drallkammern 20 und senkrecht zur Spritzlochscheibe 18 verlaufende und gegenüber der Spritzlochscheibe 18 gekippte Spritzlöcher 21 in der gleichen Spritzlochscheibe 18 auszubilden, um bestimmte Effekte in der Beeinflussung des aus den Spritzlöchern 21 unter Hochdruck austreten Sprays zu beeinflussen.
Der Einlassbereich 19, die Drallkanäle 22 und die Drallkammern 20 sind von der einen Scheibenfläche der Spritzlochscheibe 18 aus unterschiedlich tief oder gleich tief in die Spritzlochscheibe 18 eingeformt, z. B. durch Einprägen oder durch Materialaustragung mittels Erodieren, Ätzen oder U KP-Laser, und werden von der planen Stirnseite des Ventilsitzkörpers 12 fluiddicht abgedeckt.
Bei der Spritzlochscheibe 18 gemäß Figur 2 sind die Drallkammern 20 mit inversen Dreh- oder Drallrichtungen der Fluidströmungen in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet, wie dies durch die Strömungsrichtungspfeile 23 und 24 ausgewiesen ist. Bei dieser Spritzlochscheibe 18 ergibt sich ein Spraybild des aus den vier Spritzlöchern 21 austretenden Fluidsprays, wie es in Figur 8 dargestellt ist. In diesem Spraybild ist zusätzlich die Anordnung der Spritzlöcher 21, die ebenfalls auf der zur Ventilachse konzentrischen Kreislinie 25 liegen, eingezeichnet. Im austretenden Spray 26 entstehen zweimal zwei einander gegenüberliegende, invers drehende Wirbel, die auf voneinander abgekehrten Seiten des abgespritzten Sprays Luft aus der Umgebungsluft ins Sprayzentrum saugen. Die angesaugte Umgebungsluft ist durch Pfeile 27 symbolisiert. Die angesaugte Umgebungsluft 27 erzeugt auf voneinander abgekehrten Seiten des
Sprays 26 Querimpulse, die aufeinander zugerichtet sind und zur Ausbildung eines Flachstrahls des Sprays 26 führen. Bei genügend großem, dem Fluid in den Drallkammern 20 verliehenen Dreh- oder Drallimpuls führen diese
Querimpulse zu einer völligen Trennung des Sprays 26 in zwei Einzelstrahlen.
Im Ausführungsbeispiel der Spritzlochscheibe 18 gemäß Figur 6 sind ebenfalls vier um gleiche Umfangswinkel gegeneinander versetzt angeordnete
Drallkammern 20 vorhanden. Anders als in der Spritzlochscheibe 18 gemäß Figur 2 sind die Drallkammern 20 mit zueinander inversen Dreh- oder
Drallrichtungen der Fluidströmungen diametral angeordnet. Das sich bei dieser
Spritzlochscheibe 18 ergebende Spraybild 26 ist in Figur 9 skizziert. Bei dieser Anordnung der Drallkammern 20 entstehen im Spray 26 zweimal zwei nebeneinanderliegende, gleichdrehende Wirbel, die sich anziehen und im Fernfeld jeweils ein gemeinsamen Luftwirbel erzeugen. Das aus den vier Spritzlöchern 21 abgespritzte Spray erzeugt zwei gegensinnig drehende
Luftwirbel, die sich abstoßen und einen in die gleiche Richtung weisenden Querimpuls durch die angesaugte Umgebungsluft 27 auslösen, der zu einer gegen die Achse der Spritzlochscheibe 18 gekippten Sprayabstrahlung führt. Werden bei der Spritzlochscheibe 18 gemäß Figur 2 die beiden in der
Bildhorizontalen liegenden Drallkammern 20 mit Spritzlöchern 21 entfernt, so erhält man eine Zweiloch-Spritzscheibe, bei deren Verwendung ein Spraybild entsteht, wie es in Figur 10 dargestellt ist. Im abgespritzten Spray 26 bilden sich zwei Luftwirbel mit einander entgegengesetzten Drall- oder Drehrichtungen aus, die sich abstoßen und einen Querimpuls der Umgebungsluft 27 auslösen. Dieser Querimpuls bewirkt ein Kippen der Spraykeule gegen die Achse der
Spritzlochscheibe 18 und erzeugt einen Flachstrahl.
Wird die Spritzlochscheibe 18 gemäß Figur 2 um zwei weitere Drallkammern 20 mit zueinander inversen Drehrichtungen der Fluidströme in den Drallkammern 20 erweitert, deren Achsen mit den Achsen der übrigen Drallkammern 20 denselben zur Scheibenmitten konzentrischen Kreis 25 durchstoßen und in
Umfangsrichtung den gleichen Abstand voneinander aufweisen, so ergibt sich ein in Figur 1 dargestelltes Spraybild der 6-Lochscheibe. Durch die
Drallkammerkonfiguration entstehen im abgespritzten Spray 26 drei um 120° zueinander versetzte Paare von zueinander gegensinnigen Luftwirbeln, die einander abstoßen, wobei diametral gegenüberliegende Paare gleich gerichtete Querimpulse der Umgebungsluft 27 erzeugen. Dies führt zu einem etwa dreieckförmigen Querschnitt der aus der Spritzlochscheibe 18 austretenden Spraykeule.
Das in Figur 12 skizzierte Spraybild ergibt sich bei einer Spritzlochscheibe 18 mit sechs Drallkammern 20, wobei die Drallkammern 20 mit inversen Dreh- oder Drallrichtungen der Fluidströmungen auf zwei Gruppen mit je drei in
Umfangsrichtung aufeinanderfolgend angeordneten Drallkammern 20 aufgeteilt sind, in denen die Fluidströmungen gleichsinnig sind. Dadurch bilden sich im abgespritzten Spray 26 zweimal drei nebeneinanderliegende, gleichdrehende Wirbel aus, die sich anziehen und im Fernfeld einen gemeinsamen Luftwirbel erzeugen. Das aus den sechs Spritzlöchern 21 austretende Spray 26 erzeugt zwei gegensinnige Luftwirbel, die sich abstoßen und einen Querimpuls der Umgebungsluft 27 in die gleiche Richtung auslösen, wodurch die Achse der Spraykeule gegenüber der Achse der Spritzlochscheibe 18 gekippt wird.
Form und Strahlrichtung des aus der Spritzlochscheibe 18 austretenden
Fluidsprays können durch weitere Maßnahmen zusätzlich beeinflusst werden. Werden die Spritzlöcher 21 nicht zentral in der Drallkammer 20 angeordnet, sondern außermittig oder exzentrisch positioniert, wie dies in Figur 5 dargestellt ist, so entsteht in der Lochströmung der außermittigen Spritzlöcher 21 ein Querimpuls, der zu einer seitlichen Neigung des austretenden Fluidsprays beiträgt. Je nach gewünschtem Spraybild können die Spritzlöcher 21 in allen Drallkammern 20 außermittig angeordnet werden oder nur die eine oder andere Drallkammer 20 mit einem exzentrisch angeordneten Spritzloch 21 ausgestattet werden, wie dies in Figur 5 dargestellt ist.
Als weitere Maßnahme zur Beeinflussung von Sprayform und Strahlrichtung des Sprays können die Drallkammern 20 nicht- axialsymmetrisch, z.B. tropfenförmig, ausgebildet werden, wie dies in Figur 7 für eine Drallkammer 20 dargestellt ist. Dabei können ebenfalls wiederum alle Drallkammern 20 nicht-axialsymmetrisch geformt sein oder aber auch einige der Drallkammern 20 eine axialsymmetrische Form beibehalten.

Claims

Ansprüche
1. Ventil zum Zumessen von Fluid, insbesondere Dosier- oder Einspritzventil für Brennkraftmaschinen, mit einer Zumessöffnung (14) und einer der Zumessöffnung (14) in Strömungsrichtung des Fluids nachgeordneten Spritzlochscheibe (18), die einen mit der Zumessöffnung (14)
kommunizierenden Einlassbereich (19), Drallkammern (20) mit je einem Spritzloch (21) und von dem Einlassbereich (19) ausgehende Drallkanäle (22) aufweist, die in je einer Drallkammer (20) so münden, dass das Fluid die Drallkammer (20) asymmetrisch anströmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Anströmungen der Drallkammern (20) so ausgeführt sind, dass die
Fluidströmungen in mindestens zwei Drallkammern (20) gegensinnige Drehoder Drallrichtungen aufweisen.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drallkammern (20) axialsymmetrisch, vorzugsweise zylindrisch oder kegelstumpfförmig, ausgebildet sind und die Achsen der Drallkammern (20) eine zur Achse des Einlassbereichs (19) konzentrische Kreislinie (25) in vorzugsweise gleichem Abstand voneinander durchstoßen.
3. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochachsen der Spritzlöcher (21) eine zur Achse des Einlassbereichs (19) konzentrische Kreislinie (25) in vorzugsweise gleichem Abstand voneinander durchstoßen.
4. Ventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder
Drallkammer (20) das Spritzloch (21) zentral oder exzentrisch angeordnet ist.
5. Ventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer Drallkammer (20) das Spritzloch (21) zentral und in mindestens einer weiteren Drallkammer (20) das Spritzloch (21) exzentrisch angeordnet ist.
6. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Drallkammer (20) eine nicht-axialsymmetrische Form aufweist.
7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei um gleiche Umfangswinkel gegeneinander versetzt angeordnete Drallkammern (20) vorhanden sind.
8. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass vier um gleiche Umfangswinkel gegeneinander versetzt angeordnete
Drallkammern (20) vorhanden sind und die Drallkammern (20) mit zueinander inversen Dreh- oder Drallrichtungen der Fluidströmungen in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend oder diametral angeordnet sind.
9. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sechs um gleiche Umfangswinkel gegeneinander versetzt angeordnete Drallkammern (20) vorhanden sind und die Drallkammern (20) mit zueinander inversen Dreh- oder Drallrichtungen der Fluidströmungen in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet sind oder zwei Gruppen mit je drei in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend angeordneten
Drallkammern (20) bilden, in denen die Dreh- oder Drallrichtungen der Fluidströmungen gleichsinnig sind.
10. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochachse mindestens eines der Spritzlöcher (21) senkrecht zur
Spritzlochscheibe (18) verläuft.
11. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochachse mindestens eines der Spritzlöcher (21) gegen die
Spritzlochscheibe (18) geneigt ist.
12. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Einlassbereich (19), Drallkanäle (22) und Drallkammern (20) als
Vertiefungen in eine Scheibenfläche der Spritzlochscheibe (18) eingeformt sind und diese Scheibenfläche von dem Ventilsitzkörper (12) überdeckt ist.
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