-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung geht aus von einem Einspritzventil zum Zerstäuben
von Fluid, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Ein
bekanntes Einspritzventil für Kraftstoffeinspritzanlagen
(
DE 10 2005 061
424 A1 ) weist einen in einem Ventilgehäuse festgelegten
Ventilsitzkörper auf, an dem ein eine Ventilöffnung
umgebender Ventilsitz ausgebildet ist. Der Ventilsitz wirkt mit
einem kugelförmigen Schließkopf einer elektromagnetisch betätigbaren
Ventilnadel zusammen, der je nach Ventilnadelhub gegen die Rückstellkraft
einer den Schließkörper auf den Ventilsitz aufpressenden
Ventilschließfeder einen mehr oder weniger großen Öffnungsquerschnitt
der Ventilöffnung freigibt. Für eine gute Kraftstoffzerstäubung
der aus dem Einspritzventil dosiert ausgespritzten Kraftstoffmenge
ist dem Ventilsitzkörper stromabwärts der Ventilöffnung
eine Spritzlochscheibe vorgesetzt, die mehrere Spritzlöcher
mit relativ kleinem Spritzlochmesser aufweist. Identisch oder ähnlich
aufgebaute Einspritzventile werden auch in sog. Denox-Systemen für
die Abgasnachbehandlung bei Diesel- oder Benzinmotoren zum Einsprühen
einer Harnstoff-Wasser-Lösung in das Abgas eingesetzt,
um das zur Reduktion von Stickoxiden im Katalysator benötigte
Ammoniak zur Verfügung zu stellen.
-
Bei
einer bekannten Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung (
DE 10 2004 004 738 A1 )
ist das Einspritz- oder Dosierventil vor dem Katalysator in eine Öffnung
im Rohrmantel des Abgasrohrs eingesetzt und spritzt einen Sprühkegel
unter einem spitzen Winkel zur Achse des Abgasrohrs in das im Abgasrohr
strömende Abgas ein. Um eine ausreichend hohe Stickoxidreduktionswirkung
zu erzielen, muss die Harnstoff-Wasser-Lösung gut zerstäubt
werden. Die Feinsprayaufbereitung ist jedoch bei Abspritzen von
Harnstoff-Wasser-Lösungen wegen der physikalischen Eigenschaften
dieser Lösungen, wie Oberflächenspannungen und
Viskosität, deutlich schwieriger als die Feinsprayaufbereitung
von Kraftstoff. Für die Sprühaufbereitung ist
dabei das Verhältnis der Lochlänge zum Lochdurchmesser
des mindestens einen Spritzlochs in der Spritzlochscheibe entscheidend.
Je kleiner dieses Verhältnis ist, desto höher
ist der erzielte Zerstäubungsgrad. Bei der Herstellung der
Spritzlöcher in der Spritzlochscheibe, z. B. durch Stanzen, μECM-Technik- Laserbohren
oder Erodieren sind jedoch diesem Verhältnis aus fertigungstechnischen
Gründen Grenzen gesetzt.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Das
erfindungsgemäße Einspritzventil mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch die Konzeption der Spritzlochscheibe
als Verbund aus einer extrem dünnen, das mindestens eine
Spritzloch enthaltenden Folie und mindestens einer steifen Decklage,
einerseits die Spritzlochlänge extrem klein ist, so dass
das Verhältnis von Spritzlochlänge zum Spritzlochdurchmesser
sehr klein gemacht werden kann, und andererseits durch die steife
Decklage die Spritzlochscheibe ausreichend stabil ist. Das in der
mindestens einen Decklage vorhandene, mit dem Spritzloch koaxiale
Durchgangsloch sorgt dafür, dass auf der Ein- und/oder
Ausströmseite des Spritzlochs keine strömungsbehindernden
oder -beeinflussenden Verhältnisse vorliegen. Darüber
hinaus kann die Spritzlochscheibe mit einfachen Fertigungsverfahren,
z. B. Stanzen, hergestellt und dabei eine hohe Toleranzgenauigkeit
des Spritzlochs sichergestellt werden.
-
Bei
einer Ausführung der Folie mit z. B. 0,04 mm Folienstärke
und einer Spritzlocheinstanzung von 0,08 mm wird ein Spritzlochlängen/Spritzlochdurchmesser-Verhältnis
von 0,5 erreicht, was zu einer Zerstäubungswolke des aus
dem Spritzloch austretenden Fluids mit einer mittleren Tröpfchengröße (SMD
= Sauter Mean Diameter) von < 50 μm
führt.
-
Durch
die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegebenen Einspritzventils möglich.
-
Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Spritzlochfolie
zwischen der steifen, vorzugsweise aus stanzbarem Blech hergestellten
Decklage und dem Ventilsitzkörper geklemmt. Dies hat den
Vorteil, dass die Gesamtstärke der Spritzlochscheibe bei
ausreichender Stabilität sehr klein gemacht, z. B. in einer
Gesamtstärke von weniger als 0,2 mm gehalten werden kann.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Verbund
eine zweite steife Decklage auf, die ein zum Spritzloch koaxiales Durchgangsloch
mit gegenüber dem Spritzloch deutlich größerem
Lochdurchmesser aufweist, wobei die Spritzlochfolie zwischen den
beiden Decklagen mit zu den Durchgangslöchern koaxialem
mindestens einen Spritzloch gehalten ist. Dies hat den Vorteil,
dass die Spritzlochscheibe als komplette Baueinheit in die Ventilmontage
eingeführt werden kann und Spritzlochfolie und Decklagen
nicht erst während der Montage zueinander ausgerichtet
werden müssen. Außerdem ergibt sich eine größere
Steifigkeit der Spritzlochscheibe, so dass die Lochscheibe auch
als sog. S-Schlagscheibe mit in Strömungsrichtung vorgeordnetem
Strömungsspalt eingesetzt werden kann, bei der eine sehr
gute Gleichverteilung auf mehrere Spritzlöcher gewährleistet
ist. Durch die gegenüber dem Spritzloch deutlich durchmessergrößeren Durchgangslöcher
in der der Spritzlochfolie stromaufwärts vorgesetzten zweiten
Decklage wird sichergestellt, dass im Einlaufbereich des Fluids
keine Drosselung stattfindet, sondern diese erst im Spritzloch selbst
erfolgt.
-
Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Spritzlochfolie
zwischen den beiden Decklagen geklemmt oder aber auch gekammert
sein, wozu im letzteren Fall die beiden Decklagen die Spritzlochfolie
randseitig übergreifen und die umlaufenden Übergreifungsränder
der beiden Decklagen aneinanderliegen und miteinander verbunden, z.
B. verschweißt, sind.
-
Gemäß einem
bevorzugten Verfahren wird die Spritzlochscheibe in der Weise hergestellt,
dass das mindestens eine Spritzloch in der Spritzlochfolie und das
mindestens eine Durchgangsloch in der mindestens einen Decklage
mit demselben Stanzwerkzeug gestanzt wird, das mindestens einen
abgestuften Stanzstempel mit zwei im Durchmesser an den Durchmessern
von Spritzloch und Durchgangsloch angepassten Stempelabschnitten
aufweist. Die Spritzlochfolie und die Decklage werden nacheinander
gestanzt, wobei bei jedem Stanzvorgang vom Stanzwerkzeug eine Markierung
in die Spritzlochfolie bzw. in die Decklage eingebracht wird. Spritzlochfolie und
Decklagen werden mit deckungsgleichen Markierungen aufeinandergelegt
und miteinander fest verbunden. Dieses Herstellungsverfahren hat
den Vorteil, dass die Löcher in der Spritzlochfolie und
in der mindestens einen Decklage exakt übereinanderliegen.
Das Spritzloch in der Spritzlochfolie kann jede beliebige Form aufweisen
und das Durchgangsloch in der Decklage wird vorzugsweise kreisrund
gestanzt.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Die
Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
-
1 eine
Seitenansicht eine Einspritzventils,
-
2 eine
vergrößerte Schnittdarstellung des Ausschnitts
II in 1,
-
3 eine
Unteransicht in Richtung Pfeil III in 2 einer
Spritzlochscheibe des Einspritzventils,
-
4 ausschnittweise
einen Schnitt gemäß Linie IV-IV in 3 einer
Spritzlochfolie der Spritzlochscheibe,
-
5 und 6 jeweils
ausschnittweise einen Längsschnitt der Spritzlochscheibe
in 3 mit unterschiedlichen Lochformen des Spritzlochs,
-
7 und 8 jeweils
ausschnittweise einen Längsschnitt einer modifizierten
Spritzlochscheibe gemäß zweier Ausführungsbeispiele,
-
9 eine
gleiche Darstellung wie in 2 eines
modifizierten Einspritzventils,
-
10 und 11 jeweils
eine Illustration des Stanzverfahrens zur Herstellung von zueinander koaxialen
Löchern in der Spritzlochscheibe.
-
Das
in 1 in Seitenansicht und in 2 mit einem
vergrößerten Ausschnitt längsgeschnitten dargestellte
Einspritz- oder Dosierventil dient zum Einspritzen eines Fluids,
z. B. von Kraftstoff in eine Kraftstoffeinspritzanlage einer Brennkraftmaschine, und
wird vorzugsweise bei der Abgasnachbehandlung in Brennkraftmaschinen
zur Reduktion von Stickoxiden eingesetzt. Im letzten Fall wird dosiert eine
Harnstoff-Wasser-Lösung (Handelsname: AdBlue) oder eine
Harnstoff-Wasser-Lösung mit Ammoniumformiat (Handelsname:
Denoxium) in das Abgas einer Brennkraftmaschine eingespritzt. Beim
Abspritzen wird jeweils eine sehr feine Zerstäubung mit
einem SMD < 50 μm
des Fluids erzielt.
-
Das
im Ausführungsbeispiel elektromagnetisch betätigte
Einspritzventil weist ein Ventilgehäuse 11 mit
einem Fluidzufluss 111 und einem elektrischen Anschlussstecker 12 auf,
der mit einer Erregerspule eines im Innern des Ventilgehäuses 11 angeordneten Elektromagneten
(hier nicht dargestellt) verbunden ist. Das rohrförmige,
offene Ende des Ventilgehäuses 11 ist mittels
eines eingesetzten Ventilsitzkörpers 13 abgeschlossen.
Im Ausführungsbeispiel ist das Ventilgehäuse 11 aus
Kunststoff gefertigt, und der Ventilsitzkörper 13 besteht
aus einer Keramik. Im Ventilsitzkörper 13 ist
eine Ventilöffnung 14 und ein die Ventilöffnung 14 umgebender,
konischer Ventilsitz 15 ausgebildet. Mit dem Ventilsitz 15 wirkt
ein fest mit einer Ventilnadel 16 verbundener kugelförmiger Schließkopf 17 zum
Freigeben und Verschließen der Ventilöffnung 14 zusammen.
An der Ventilnadel 16 greift einerseits der Anker des Elektromagneten
und andererseits eine hier nicht dargestellte Ventilschließfeder
an. Durch letztere wird der Schließkopf 17 auf
den Ventilsitz 15 aufgepresst. Wird der Elektromagnet erregt,
so bewegt sich die Ventilnadel 16 entgegen der Rückstellkraft
der Ventilschließfeder in 2 nach oben,
wodurch der Schließkopf 17 je nach Ventilnadelhub
mehr oder weniger vom Ventilsitz 15 abhebt und damit die
Ventilöffnung 14 mehr oder weniger freigibt, so
dass eine dosierte Fluidmenge des im Einspritzventil unter Druck
stehenden Fluids über die geöffnete Ventilöffnung 14 ausgespritzt
wird.
-
Zum
Feinzerstäuben der ausgespritzten Kraftstoffmenge ist dem
Ventilsitzkörper 13 stromabwärts der
Ventilöffnung 14 eine Spritzlochscheibe 18 vorgesetzt.
Die Spritzlochscheibe 18 ist zwischen einem endseitig am
Ventilgehäuse 11 angeformten Bund 112 und
der diesen zugekehrten Stirnseite des Ventilsitzkörpers 13 eingeklemmt.
Zur Herstellung einer festen Verbindung zwischen dem Ventilsitzkörper 13 und
dem Ventilgehäuse 11 ist der Ventilsitzkörper 13 mit
einer „Tannenbaum"-Struktur versehen und in das Ventilgehäuse 11 eingepresst,
wobei sich die Struktur im Kunststoffmaterial des Ventilgehäuses 11 verhakt
und verspreizt.
-
Die
in 2 im Schnitt und in 3 vergrößert
in Unteransicht dargestellte Spritzlochscheibe 18 ist ein
Verbund aus einer extrem dünnen Spritzlochfolie 20 von
z. B. 0,04 mm Folienstärke und einer steifen Decklage 21 aus
stanzbarem Blech mit einer Blechstärke von beispielsweise
0,1 bis 0,2 mm. Die Spritzlochfolie 20 besteht aus stanzbarem
Stahl oder einer Keramik oder einem hochtemperaturfesten Kunststoff.
Die Spritzlochfolie 20 weist mindestens ein Spritzloch 19,
im Ausführungsbeispiel der 2 und 3 insgesamt
vier Spritzlöcher 19, mit einem Lochdurchmesser
auf, der etwa doppelt so groß ist wie die Folienstärke
der Spritzlochscheibe 20, im Beispiel also 0,08 mm. Die
Decklage 21 ist mit einer der Zahl der Spritzlöcher 19 entsprechenden
Anzahl von Durchgangslöchern 23 versehen, deren
Lochdurchmesser deutlich größer ist als der Spritzlochdurchmesser.
Die Durchgangslöcher 23 sind so angeordnet, dass
jeweils ein Durchgangsloch 23 koaxial mit einem Spritzloch 19 ausgerichtet
ist. Die Spritzlochscheibe 18 ist so zwischen Ventilsitzkörper 13 und Ventilgehäuse 11 eingesetzt,
dass die Spritzlochfolie 20 mit im Bereich der Ventilöffnung 14 liegenden Spritzlöchern 19 plan
an der Stirnfläche des Ventilsitzkörpers 13 anliegt
und die Decklage 21 durch den Bund 112 des Ventilgehäuses 11 die
Spritzlochfolie 20 an der Stirnfläche des Ventilsitzkörpers 13 festklemmt.
-
Die
Spritzlöcher 19 können eine beliebige Form
aufweisen und mit ihrer Lochachse 191 parallel zur Achse 181 der
Spritzlochscheibe 18 bzw. der Spritzlochfolie 20 ausgerichtet
sein oder in einem spitzen Winkel zu dieser verlaufen, wie letzteres
in der Schnittdarstellung der Spritzlochfolie 20 in 4 dargestellt
ist. In den Ausführungsbeispielen der 2, 3 und 4 sind
die Spritzlöcher 19 so ausgeführt, dass
ihr Querschnitt längs der Spritzlochachse 181 konstant
ist. In den in 5 und 6 ausschnittweise
dargestellten Ausführungsbeispielen der Spritzlochfolie 20 weist
dagegen jedes Spritzloch 19 einen sich stromabwärts
stetig vergrößernden Querschnitt auf, wobei das
Spritzloch 19 in 5 sich konisch
und das Spritzloch 19 in 6 sich trompetenförmig
erweitert. Durch diese Trichter- oder Trompetenform des Spritzloches 19 wird
ein kontrolliertes Ablösen der Strömung im Spritzloch 19 erreicht.
-
Die
in 7 und 8 im Querschnitt dargestellten
Ausführungsbeispiele der Spritzlochscheibe 18 unterscheiden
sich von der zuvor beschriebenen Spritzlochscheibe 18 dadurch,
dass der Verbund aus Spritzlochfolie 20 und Decklage 21 noch
eine zweite Decklage 22 aufweist, die wiederum mit einer der
Zahl der Spritzlöcher 19 in der Spritzlochfolie 20 entsprechenden
Zahl von Durchgangslöchern 23 mit gegenüber
dem Spritzlochdurchmesser deutlich größerem Lochdurchmesser
versehen ist. Die zweite Decklage 22 ist auf die von der
ersten Decklage 21 abgekehrten Oberfläche der
Spritzlochfolie 20 so aufgelegt, dass alle Durchgangslöcher 23 in
beiden Decklagen 21, 22 mit den Spritzlöchern 19 in
der Spritzlochfolie 20 koaxial ausgerichtet sind. Die Spritzlochfolie 20 ist
fest zwischen den beiden Decklagen 21, 22 gehalten,
so dass die Spritzlochscheibe 18 eine für die
Montage vorgefertigte, komplette Baueinheit ist und der Verbund
zwischen Spritzlochfolie 20 und Deckelage 21 nicht – wie
bei dem Ausführungsbeispiel der 1 und 2 – erst
bei der Montage des Ventilsitzkörper 13 hergestellt
wird. In dem Ausführungsbeispiel der 7 wird
die Spritzlochfolie 20 zwischen den beiden Decklagen 21, 22 geklemmt
und im Ausführungsbeispiel der 8 „gekammert",
wobei zusätzlich auch die Ränder der Spritzlochfolie 20 von
den Decklagen 21, 22 umschlossen sind. Hierzu
sind die Decklagen 21, 22 im Durchmesser größer
ausgeführt, als die Spritzlochfolie 20, so dass
die beiden Decklagen 21, 22 randseitig über
die Spritzlochfolie 20 hinausragen und mit ihren Überstehrändern übereinanderliegen
und hier, z. B. durch eine Schweißnaht 24, miteinander
verbunden sind. Im übrigen sind die Dicken von Spritzlochfolie 20 und
Decklagen 21, 22 sowie die Durchmesser der Spritzlöcher 19 und.
Durchgangslöcher 23 in gleicher Weise ausgelegt
wie zuvor beschrieben.
-
Das
in 9 ausschnittweise im Schnitt dargestellte modifizierte
Ausführungsbeispiel des Einspritzventils unterscheidet
sich von dem zuvor beschriebenen Einspritzventil lediglich dadurch,
dass die in 8 skizzierte Spritzlochscheibe 18 als
sog. S-Schlagscheibe eingesetzt ist, wozu in die Stirnfläche
des Ventilsitzkörpers 13 eine kreisförmige
Vertiefung 25 mit einer Spalthöhe H eingebracht
ist. Abweichend von 2 sind Ventilgehäuse 11 und
Ventilsitzkörper 13 aus Metall. Zur Festlegung
des Ventilsitzkörpers 13 im Gehäuse 11 ist
der Ventilsitzkörper 13 am Ventilgehäuse 11 verschweißt.
Im übrigen entspricht dieses Ausführungsbeispiel
des Einspritzventils dem zu 2 beschriebenen,
so das gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
-
Bei
der Herstellung der Spritzlochscheibe 18 werden die Spritzlöcher 19 und
die Durchgangslöcher 23 vorteilhaft durch Stanzen
hergestellt. Im Verbund der Spritzlochscheibe 18 müssen
diese Löcher exakt übereinanderliegen. Um dies
zu gewährleisten, werden Spritzlochfolie 20 und
Decklagen 21, 22 mit demselben Stanzwerkzeug 26 nacheinander
gestanzt. Das Stanzwerkzeug 26 weist eine der Anzahl der
zu stanzenden Löcher entsprechende Zahl von Stanzstempeln 27 auf,
die jeweils mit zwei im Durchmesser gestuften Stempelabschnitten 271, 272 versehen
sind. Der vordere Stempelabschnitt 271 mit dem kleineren
Durchmesser ist zum Stanzen der Spritzlöcher 19 ausgelegt,
während der hintere Stempelabschnitt 272 mit dem
größeren Durchmesser für das Stanzen
der Durchgangslöcher 23 in den Decklagen 21, 22 vorgesehen
ist.
-
In
der schematisierten Darstellung der 10 ist
eine im Schnitt dargestellte Decklage 21 auf eine Stanzmatrize 28 aufgelegt,
und beim Absenken des Stanzwerkzeugs 26 werden mit dem
hinteren Stempelabschnitt 272 der Stanzstempel 27 die Durchgangslöcher 23 ausgestanzt.
In der Skizze gemäß 11 ist
die im Schnitt dargestellte Spritzlochfolie 20 auf eine
Stanzmatrize 29 aufgelegt, und das Stanzwerkzeug 26 wird
nur soweit abgesenkt, dass nur die vorderen Stempelabschnitte 271 der
Stanzstempel 27 die. Spritzlochfolie 20 durchstoßen
und so die Spritzlöcher 19 austanzen. Beim Stanzen
der Decklagen 21, 22 und der Spritzlochfolie 20 erzeugt das
Stanzwerkzeug 26 sowohl auf den Decklagen 21, 22 als
auch auf der Spritzlochfolie 20 eine Markierung (hier nicht
dargestellt). Zur Herstellung des Verbunds der Spritzlochscheibe 18 wird
die Spritzlochfolie 20 auf die Decklage 21 und
die Decklage 22 auf die Spritzlochfolie 20 so
aufgelegt, dass die Markierungen deckungsgleich sind. Anschließend
werden die Teile des Verbunds fest miteinander verbunden, wie dies
in 7, 8 oder 9 dargestellt
ist.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102005061424
A1 [0002]
- - DE 102004004738 A1 [0003]