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Die
Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der
Gattung des Hauptanspruchs.
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Bekannt
ist bereits aus der
DE
42 21 185 A1 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.
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Aus
der JP 2001-046919 A 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 Zuströmöffnung festlegenden Austrittsöffnung und
den Auslassöffnungen
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, wobei jedoch die Auslassöffnungen in nachteiliger Weise
den engsten Strömungsquerschnitt
bilden und die Zerstäubungsqualität mindern.
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Vorteile der
Erfindung
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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 eine anströmbare Durchtrittsfläche oberhalb
wenigstens einer Auslassöffnung
in einem stromaufwärts
der Lochscheibe vorgesehenen Anströmhohlraum kleiner ist als die
Fläche
der Eintrittsebene der Auslassöffnung,
wobei sich die Durchtrittsfläche
berechnet als das Produkt aus dem Umfang der Auslassöffnung im
Bereich ihrer Eintrittsebene und der freien Höhe im Anströmhohlraum. 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.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch
angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
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In
vorteilhafter Weise ist im Ventilsitzkörper stromaufwärts der
Auslassöffnungen
eine Zuströmöffnung mit
dem 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.
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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.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 1 ein
teilweise dargestelltes Einspritzventil, 2 den Ausschnitt
II in 1 mit dem erfindungsgemäß ausgestalteten Ringbereich
in einer vergrößerten Darstellung, 3 den
gleichen Ausschnitt II mit einer zweiten Ausführungsform, 4 den
gleichen Ausschnitt II mit einer dritten Ausführungsform und 5 den
gleichen Ausschnitt II mit einer vierten Ausführungsform.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In
der 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.
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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.
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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.
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Die
Zuströmöffnung 19 ist
erfindungsgemäß insbesondere
im unmittelbaren Anströmbereich
der Auslassöffnungen 24 mit
einer besonderen Geometrie ausgeführt. Der gegenüber der
Austrittsöffnung 27 durchmessergrößere Ringbereich
der Zuströmöffnung 19 ist
in den 2 bis 5 vergrößert dargestellt, anhand dieser
Figuren näher
erläutert
und wird im Folgenden als Anströmhohlraum 26 bezeichnet.
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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.
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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.
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Alternativ
zu dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
kann die Lochscheibe 23 z.B. auch zweilagig mit zwei Funktionsebenen übereinander
aufgebaut sein.
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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.
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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.
Erfindungsgemäß wird durch
die spezifische Geometrie des Anströmhohlraums 26 das
Fluid noch zusätzlich
in seiner Zerstäubung
positiv beeinflusst, so dass ein noch weiter verbesserter Zerfall
in feinste Tröpfchen
erzielbar ist.
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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. Eine stanztechnische Herstellung der Lochscheibe 23 ist
ebenso denkbar. Die Auslassöffnungen 24 besitzen
in idealer Weise eine trompetenförmige
oder lavaldüsenartige
Kontur. Vom Querschnitt her können
die Auslassöffnungen 24 z.B.
eine kreisförmige,
ovale oder auch mehreckige Form aufweisen.
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2 zeigt
einen vergrößerten Ausschnitt
II in 1 zur Verdeutlichung der Geometrie des Anströmhohlraums 26 zwischen
der Begrenzungsfläche 30 des
Ventilsitzkörpers 16 und
der Lochscheibe 23. Der Ventilsitzkörper 16 ist derart
ausgestaltet, dass die Begrenzungsfläche 30 von der Austrittsöffnung 27 ausgehend
zur Lochscheibe 23 radial nach außen hin stetig schräg geneigt
abfällt.
Dies führt
dazu, dass über
einer senkrecht zur Ventillängsachse 2 verlaufenden
Eintrittsebene 31 der wenigstens einen Auslassöffnung 24 nur
noch eine geringe Höhe
des Anströmhohlraums 26 vorliegt
und die Strömung
auf dem Weg zu den Auslassöffnungen 24 stetig
beschleunigt wird. Erfindungsgemäß gilt dabei,
dass eine anströmbare
senkrechte Durchtrittsfläche 32 über der
Auslassöffnung 24 im
Anströmhohlraum 26, die
sich berechnet als das Produkt aus dem Umfang der Auslassöffnung 24 im
Bereich ihrer Eintrittsebene 31 und der freien Höhe im Anströmhohlraum 26,
kleiner ist als die Fläche
der Eintrittsebene 31 der Auslassöffnung 24 (Fläche 32 < Fläche 31).
Dieses Verhältnis
gilt für
wenigstens eine Auslassöffnung 24;
die höchste
Zerstäubungsgüte wird
jedoch erzielt, wenn dieses Verhältnis
an allen Auslassöffnungen 24 der Lochscheibe 23 eingehalten
ist.
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Bei
den vorbeschriebenen Größenverhältnissen
ist die Durchtrittsfläche 32 der
kleinste, mengenzumessende Querschnitt im Strömungspfad. Die Eintrittsebene 31 der
Auslassöffnung 24 bietet
der in sie eintretenden Strömung
mehr Querschnittsfläche, als
für die
durch die Durchtrittsfläche 32 vordosierte Durchflussmenge
benötigt
wird. Die Strömung
ist insofern in der Eintrittsebene 31 vollständig von
der Wandung der Auslassöffnung 24 abgelöst. Die
horizontalen Geschwindigkeitskomponenten der in die Eintrittsebene 31 einmündenden
Strömung
werden also durch die Wandung der Auslassöffnung 24 an der Eintrittsebene 31 nicht
behindert, so dass der Brennstoffstrahl beim Verlassen der Auslassöffnung 24 die
volle Intensität
der in dem Anströmhohlraum 26 generierten
Horizontalkomponenten besitzt und deshalb mit maximaler Zerstäubung auffächert.
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In
den 3 bis 5 sind drei weitere erfindungsgemäß ausgestaltete
Anströmhohlräume 26 als
Ringbereiche der Zuströmöffnung 19 in
einer vergrößerten Darstellung
in einem jeweils mit 2 vergleichbaren Ausschnitt
gezeigt. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel,
bei dem die Begrenzungsfläche 30 des
Ventilsitzkörpers 16 unmittelbar über der
Auslassöffnung 24 nach
unten gewölbt
ist, um die Durchtrittsfläche 32 so
zu verkleinern, dass sie kleiner ist als die Fläche der Eintrittsebene 31 der
Auslassöffnung 24.
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In
den 4 und 5 sind zwei Ausführungsbeispiele
dargestellt, bei denen die Begrenzungsfläche 30 des Ventilsitzkörpers 16 eben
und dabei senkrecht zur Ventillängsachse 2 verläuft, jedoch die
Auslassöffnungen 24 erhaben
in den Anströmhohlraum 26 hinein
ausgeführt
sind. Der um die Auslassöffnungen 24 jeweils
erhaben ausgeführte
Bereich der Lochscheibe 23 kann dabei z.B. konvex (4)
oder konkav (5) herausgewölbt ausgebildet sein. Herstellbar
sind solche Konturen beispielsweise mittels ECM-Verfahren (Electro
Chemical Machining). Auch hier gilt wieder, dass die anströmbare senkrechte
Durchtrittsfläche 32 über der wenigstens
einen Auslassöffnung 24 in
dem Anströmhohlraum 26 kleiner
ist als die Fläche
der Eintrittsebene 31 der Auslassöffnung 24.
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Bei
den in den 3 bis 5 gezeigten Beispielen
ist die Höhe
des Anströmhohlraums 26 nur
unmittelbar im Bereich der Auslassöffnungen 24 reduziert.
Auf diese Weise hat die Strömung
im Gegensatz zum in 2 gezeigten Beispiel im gesamten
um die Auslassöffnungen 24 herum
liegenden Gebiet des Anströmhohlraums 26 genügend Höhe zur Verfügung, um
verlustarm bis zu den Kanten der Auslassöffnungen 24 zu strömen. Dadurch
wird vor allen Dingen jede Auslassöffnung 24 auch rückraumseitig
mit einem nennenswerten Durchflussmengenanteil gespeist. Als Rückraum R
wird der radial auswärts
der jeweiligen Auslassöffnung 24 liegende
Bereich des Anströmhohlraums 26 verstanden.
Folglich sind die Quergeschwindigkeitsvektoren im Austritt der Auslassöffnungen 24 divergent
und sorgen für eine
gute Zerstäubung
des Brennstoffs.