Stand der Technik
[0001] Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Hauptanspruchs.
[0002] Aus der
DE 196 36 396 A1 ist bereits ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, bei dem stromabwärts der Ventilsitzfläche
eine Lochscheibe vorgesehen ist, die eine Vielzahl von Abspritzöffnungen aufweist.
Die günstigerweise zehn bis zwanzig Abspritzöffnungen befinden sich in einer Ebene
der Lochscheibe, die senkrecht zur Ventillängsachse verläuft. Der größte Teil der
Abspritzöffnungen ist schräg bzw. geneigt in der Lochscheibe eingebracht, so dass
die Öffnungsachsen der Abspritzöffnungen keine Parallelität zur Ventillängsachse besitzen.
Da die Neigungen der Abspritzöffnungen unterschiedlich gewählt werden können, ist
eine Divergenz der abzuspritzenden Einzelstrahlen leicht erreichbar. Die Abspritzöffnungen
sind beispielsweise durch Laserstrahlbohren in der Lochscheibe in einer weitgehend
einheitlichen Größe eingebracht. Das Brennstoffeinspritzventil eignet sich besonders
für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden fremdgezündeten Brennkraftmaschinen.
[0003] Aus der
DE 198 47 625 A1 ist bereits ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, bei dem am stromabwärtigen Ende
eine schlitzförmige Austrittsöffnung vorgesehen ist. Die Austrittsöffnung ist entweder
in einer Lochscheibe oder unmittelbar im Düsenkörper selbst ausgebildet. Die schlitzförmigen
Austrittsöffnungen sind stets zentral an der Ventillängsachse eingebracht, so dass
die Abspritzung des Brennstoffs achsparallel aus dem Brennstoffeinspritzventil heraus
erfolgt. Stromaufwärts des Ventilsitzes ist eine Drallnut vorgesehen, die den zum
Ventilsitz strömenden Brennstoff in eine kreisförmige Drehbewegung versetzt. Die flache
Austrittsöffnung sorgt dafür, dass der Brennstoff fächerartig abgespritzt wird.
[0004] Bekannt ist zudem noch ein Brennstoffeinspritzventil zum direkten Einspritzen von
Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine aus der
US 6,019,296 A, bei dem am stromabwärtigen Ende eine schlitzförmige Austrittsöffnung vorgesehen
ist, aus der Brennstoff unter einem Winkel zur Ventillängsachse austreten kann.
Vorteile der Erfindung
[0005] Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruchs 1 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 Fluidtröpfchen erzielt wird. In idealer Weise
besitzt die Multi-Fächerstrahl-Düse am stromabwärtigen Ende des Brennstoffeinspritzventils
eine Vielzahl von sehr kleinen Abspritzöffnungen, die schlitzförmig gezielt so ausgeführt
sind, dass aus der Multi-Fächerstrahl-Düse eine Vielzahl von räumlich versetzten Fächerstrahlen
austreten, die Lamellenpakete bilden, wobei sich die einzelnen Flüssigkeitslamellen
divergent zueinander bewegen und eine Lufteinsaugung zwischen die Fächerstrahlen ermöglichen.
Auf diese Weise sind Brennstoffsprays mit extrem kleinen Brennstofftröpfchen mit einem
Sauter Mean Diameter (SMD) von ca. 20 µm abspritzbar. Insofern kann sehr wirkungsvoll
die HC-Emission der Brennkraftmaschine deutlich reduziert werden.
[0006] Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen
und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
[0007] In idealer Weise handelt es sich bei der Multi-Fächerstrahl-Düse um eine Scheibe,
die im Bereich ihrer Abspritzöffnungen dreilagig ausgeführt ist, wobei in einer ersten
oberen stromaufwärtigen Lage ein Anströmkanal ausgebildet ist, dem in Strömungsrichtung
zweilagige Abspritzöffnungen mit je einem Eintrittsbereich und einem Austrittsbereich
folgen, wobei die Austrittsbereiche schlitzförmig konturiert sind. Eintrittsbereiche
und Austrittsbereiche der Abspritzöffnungen verlaufen weitgehend im rechten Winkel
zum oberen Anströmkanal. Der Anströmkanal, der Eintrittsbereich und der Austrittsbereich
jeder Abspritzöffnung überdecken sich in einer genau definierten Weise und zwar in
radialer Richtung vom Zentrum der Multi-Fächerstrahl-Düse ausgehend abweichend. Die
schlitzförmigen Austrittsbereiche haben eine größere Länge als die Breite der Anströmkanäle,
aber eine kleinere Grundfläche als die der Strömungshohlräume bildenden Eintrittsbereiche,
so dass wirkungsvoll ein Auffächern des Brennstoffs und somit jeweils ein gewünschter
Fächerstrahl erzielt wird.
[0008] Das Design der erfindungsgemäßen Multi-Fächerstrahl-Düse bietet die nötigen geometrischen
Freiheitsgrade zur variantenabhängigen Richtungs- und Auffächerungs-Steuerung der
einzelnen Fächerstrahlen. Mit den vorhandenen Geometrieparametern lässt sich die Strahlsteuerung
sehr gut beherrschen.
Zeichnung
[0009] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt
und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein teilweise
dargestelltes Ventil in der Form eines Brennstoffeinspritzventils mit einem Ausführungsbeispiel
einer Multi-Fächerstrahl-Düse in einer Seitenansicht und schematisch angedeuteten
Flüssigkeitslamellen, Figur 2 einen außermittigen Schnitt durch das Ventilende im
Bereich der Multi-Fächerstrahl-Düse entlang der Linie II-II in Figur 3, Figur 3 einen
Schnitt durch das Ventilende entlang der Linie III-III in Figur 2, Figur 4 das Detail
IV aus Figur 2 mit der Großdarstellung einer schlitzförmigen Abspritzöffnung im Schnitt
und Figur 5 das Detail V aus Figur 3 mit der Großdarstellung einer schlitzförmigen
Abspritzöffnung in der Draufsicht.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
[0010] In der Figur 1 ist als ein Ausführungsbeispiel ein Ventil in der Form eines Einspritzventils
für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden fremdgezündeten Brennkraftmaschinen
teilweise dargestellt. Das Brennstoffeinspritzventil 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.
[0011] Die Betätigung des Brennstoffeinspritzventils erfolgt in bekannter Weise, beispielsweise
elektromagnetisch. Eine Betätigung des Brennstoffeinspritzventils mit einem piezoelektrischen
oder magnetostriktiven Aktor ist jedoch ebenso denkbar. Zur axialen Bewegung der Ventilnadel
5 und damit zum Öffnen entgegen der Federkraft einer nicht dargestellten Rückstellfeder
bzw. Schließen des Brennstoffeinspritzventils 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.
[0012] In dem stromabwärts liegenden Ende des Ventilsitzträgers 1 ist ein Ventilsitzkörper
16 z.B. durch Schweißen dicht montiert. An der dem Ventilschließkörper 7 abgewandten,
unteren Stirnseite 17 des Ventilsitzkörpers 16 ist eine erfindungsgemäße scheibenförmige
Multi-Fächerstrahl-Düse 23 als Zerstäubereinrichtung befestigt. Die Verbindung von
Ventilsitzkörper 16 und Multi-Fächerstrahl-Düse 23 erfolgt beispielsweise durch eine
umlaufende und dichte, mittels eines Lasers ausgebildete Schweißnaht 26, die z.B.
an der Stirnseite 17 oder am äußeren Umfang von Ventilsitzkörper 16 und Multi-Fächerstrahl-Düse
23 vorgesehen ist. Die Befestigung der Multi-Fächerstrahl-Düse 23 erfolgt in jedem
Falle so, dass ein mittlerer Düsenbereich 28 der Multi-Fächerstrahl-Düse 23 mit einer
Vielzahl von sehr kleinen schlitzförmigen Abspritzöffnungen 25 ohne negative Verformungseinflüsse
bleibt.
[0013] In dem Ventilsitzkörper 16 ist stromabwärts einer Ventilsitzfläche 29 eine Austrittsöffnung
27 vorgesehen, von der aus der abzuspritzende Brennstoff unmittelbar in den Düsenbereich
28 der Multi-Fächerstrahl-Düse 23 eintritt. Die Multi-Fächerstrahl-Düse 23 ist z.B.
eben ausgeführt und liegt plan an der Stirnseite 17 des Ventilsitzkörpers 16 an. Die
Ausbildung des Düsenbereichs 28 wird vor allen Dingen in den Figuren 2 bis 5 deutlich.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung der Abspritzöffnungen 25 in einer spezifischen
Schlitzform und deren Verteilung über den Düsenbereich 28 treten aus der Multi-Fächerstrahl-Düse
23 Flüssigkeitslamellen 30 aus, wobei sich die einzelnen Flüssigkeitslamellen 30 divergent
zueinander bewegen und in Figur 1 nur schematisch angedeutet sind. Die zum Zentrum
der Multi-Fächerstrahl-Düse 23 nächstliegende Flüssigkeitslamelle 30 besitzt den kleinsten
Winkel α zur Mittelachse der Multi-Fächerstrahl-Düse 23 und hier entsprechend auch
zur Ventillängsachse 2, während die vom Zentrum der Multi-Fächerstrahl-Düse 23 entferntestliegende
Flüssigkeitslamelle 30 den größten Winkel, hier δ, zur Mittelachse der Multi-Fächerstrahl-Düse
23 bzw. zur Ventillängsachse 2 aufweist. Es gilt also α < β < γ < δ usw.
[0014] Figur 2 zeigt einen außermittigen Schnitt durch das Ventilende im Bereich der Multi-Fächerstrahl-Düse
23 entlang der Linie II-II in Figur 3, während Figur 3 einen Schnitt durch das Ventilende
entlang der Linie III-III in Figur 2 zeigt. In den Figuren 4 und 5 sind die Details
IV und V aus Figur 2 bzw. Figur 3 mit Großdarstellungen einer schlitzförmigen Abspritzöffnung
25 im Schnitt und in der Draufsicht dargestellt. Aus diesen Figuren wird deutlich,
dass jede Abspritzöffnung 25 eine spezifische Öffnungskontur besitzt, wobei bestimmte
Kriterien zur Abmessung und Gestaltung bei allen Abspritzöffnungen 25 wiederkehren.
In der Multi-Fächerstrahl-Düse 23 ist anströmseitig zumindest ein Anströmkanal 40
(in Figur 3 sind zwei Anströmkanäle 40 gezeigt) vorgesehen, dem stromabwärtig die
Abspritzöffnungen 25 folgen, wobei die Abspritzöffnungen 25 eine gestufte Öffnungskontur
besitzen. Insgesamt ergibt sich damit eine dreilagige bzw. dreistufige Öffnungskontur
(Figur 4) in der Multi-Fächerstrahl-Düse 23.
[0015] In einer ersten oberen stromaufwärtigen Lage der Multi-Fächerstrahl-Düse 23 verlaufen
die Anströmkanäle 40. Die zweistufigen Abspritzöffnungen 25 besitzen jeweils einen
Eintrittsbereich 41 und einen Austrittsbereich 42, die z.B. rechteckförmig ausgebildet
sind. In einer zweiten und dritten unteren stromabwärtigen Lage sind die Abspritzöffnungen
25 durch diese beiden Bereiche 41, 42 gekennzeichnet, von denen der Eintrittsbereich
41 als Strömungshohlraum dient und insbesondere der Austrittsbereich 42 schlitzförmig
verläuft. Sowohl Eintrittsbereich 41 als auch Austrittsbereich 42 der Abspritzöffnungen
25 erstrecken sich unter einem Winkel, insbesondere im rechten Winkel zum oberen Anströmkanal
40. Der schlitzförmige Austrittsbereich 42 jeder Abspritzöffnung 25 ist stets in seiner
Breite kleiner als der stromaufwärts liegende Eintrittsbereich 41 der jeweiligen Abspritzöffnung
25, so dass der Eintrittsbereich 41 von seiner Grundfläche her jeweils immer den Austrittsbereich
42 überdeckt. Die Längen von Eintrittsbereich 41 und Austrittsbereich 42 müssen nicht
zwingend gleich sein. Die genaue Lage des Austrittsbereichs 42 zum jeweiligen Eintrittsbereich
41 ist jeweils definiert und kann sich von Abspritzöffnung 25 zu Abspritzöffnung 25
verändern, wie dies in Figur 3 gezeigt ist. In radialer Richtung vom Zentrum der Multi-Fächerstrahl-Düse
23 ausgehend wandert der Austrittsbereich 42 in Bezug zum Eintrittsbereich 41 über
alle Abspritzöffnungen 25 gesehen immer weiter nach außen. Die zweilagigen Abspritzöffnungen
25 haben eine größere Länge als die Breite des Anströmkanals 40, so dass wirkungsvoll
ein Auffächern des Brennstoffs und somit jeweils ein gewünschter Fächerstrahl erzielt
wird.
[0016] In Figur 5 ist eine ideale Anordnung von Eintrittsbereich 41 und Austrittsbereich
42 der Abspritzöffnung 25 gezeigt. Der Austrittsbereich 42 der Abspritzöffnung 25
kann jedoch zum Eintrittsbereich 41 asymmetrisch und/oder konturabweichend und/oder
unter einem Winkelversatz verlaufen.
[0017] Wie in Figuren 3 und 5 dargestellt, kann der Anströmkanal 40 zu den Abspritzöffnungen
25 außermittig überdeckend verlaufen. Dadurch wird eine Strömungsasymmetrie in die
darunterliegenden Eintrittsbereich 41 eingeleitet, die beim austretenden Fächerstrahl
zu einer Verkippung in Richtung der Längenerstreckung der Abspritzöffnungen 25 führt.
Dieser Kippwinkel sollte für alle Fächerstrahlen einer Schlitzreihe identisch eingestellt
sein. In einer zweiten Schlitzreihe kann die Asymmetrie identisch der ersten Schlitzreihe
erzeugt werden (Figur 3) oder abweichend davon. Werden die Asymmetrien zweier Schlitzreihen
entgegengesetzt gewählt, so sind die beiden Fächerstrahlreihen auch senkrecht zur
Zeichenebene der Figur 1 divergent zueinander abgespritzt, wodurch insgesamt eine
doppelte Divergenz vorliegt.
[0018] Die einzelnen Abspritzöffnungen 25 sind aufgrund der unterschiedlichen Lage von Eintrittsbereich
41 und Austrittsbereich 42 zueinander unterschiedlich ausgerichtet. Die einzelnen
Abspritzöffnungen 25 sind gemäß dem Ausführungsbeispiel von Figur 3 in zwei geraden,
parallel verlaufenden Reihen angeordnet. Die einzelnen Abspritzöffnungen 25 einer
Reihe, also eines Anströmkanals 40 sind dabei genau auf Lücke lateral versetzt zu
den Abspritzöffnungen 25 des anderen Anströmkanals 40 platziert. Mit dieser Anordnung
und der veränderlichen Lage der Austrittsbereiche 42 der Abspritzöffnungen 25 sind
Flüssigkeitslamellen 30 erzeugbar, die räumlich gesehen Lamellenpakete bilden, in
denen die einzelnen Flüssigkeitslamellen 30 divergent zueinander aufgespreizt abgespritzt
werden. Auf diese Weise besitzt die innerste Flüssigkeitslamelle 30 den kleinsten
Winkel α zur Mittelachse der Multi-Fächerstrahl-Düse 23 und die radial äußerste Flüssigkeitslamelle
30 den größten Winkel zur Mittelachse der Multi-Fächerstrahl-Düse 23 (α < β < γ <
δ usw.). Die auf diese Weise erzielte Divergenz der Fächerstrahlen mit der entsprechenden
Kippung sorgt dafür, dass sich die Flüssigkeitslamellen 30 im Raum nicht überschneiden.
Dies wird noch dadurch unterstützt, dass die Abspritzöffnungen 25 richtungsparallel
angeordnet sind, wodurch alle Flüssigkeitslamellen 30 richtungsparallel zueinander
auffächern. Die schlitzförmigen Abspritzöffnungen 25 können als Rechteck oder Langloch,
oval oder gekrümmt bogenförmig ausgeführt sein.
[0019] Wie in Figur 2 gezeigt, kann die Austrittsöffnung 27 des Ventilsitzkörpers 16 optional
mit einer Anströmerweiterung (Cavity 44) versehen sein, um die Verteilung der Strömung
breitflächig zu garantieren. In den Figuren 4 und 5 sind die Stromlinien mit eingezeichnet.
Die Multi-Fächerstrahl-Düse 23 arbeitet nach dem Flachdüsenprinzip.
[0020] Anstelle der Anströmkanäle 40, die sich über mehrere Abspritzöffnungen 25 hinweg
erstrecken und damit viele Abspritzöffnungen 25 mit Brennstoff versorgen, ist es auch
denkbar, die Anströmkanäle 40 so kurz nur auszubilden, dass jeweils ein Anströmkanal
40 genau eine Abspritzöffnung 40 versorgt. Dementsprechend müssen die Abspritzöffnungen
40 nicht zwingend in einer Reihe auf der Multi-Fächerstrahl-Düse 23 angeordnet werden,
sondern können beliebig auf ihr verteilt werden.
[0021] Die Multi-Fächerstrahl-Düse 23 wird z.B. durch galvanische Abscheidung aufgebaut
(Multilayergalvanik). Andererseits ist es jedoch ebenso denkbar, die Multi-Fächerstrahl-Düse
23 stanz- und prägetechnisch, erodiertechnisch oder ätztechnisch herzustellen.
[0022] Die Zerstäubungsqualität des Fächerstrahls bzw. des Lamellenzerfalls ist so hoch,
dass Brennstoffsprays mit extrem kleinen Brennstofftröpfchen mit einem Sauter Mean
Diameter (SMD) von ca. 20 µm abspritzbar sind. Auf diese Weise kann sehr wirkungsvoll
die HC-Emission der Brennkraftmaschine deutlich gegenüber bekannter Einspritzanordnungen
reduziert werden.
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, mit einer Austrittsöffnung
(27) im Ventilsitzkörper (16) und mit einer stromabwärts des Ventilsitzes (29) angeordneten
Zerstäubereinrichtung, wobei die Zerstäubereinrichtung als Multi-Fächerstrahl-Düse
(23) mit einer Mehrzahl von Abspritzöffnungen (25) ausgeführt ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Multi-Fächerstrahl-Düse (23) anströmseitig wenigstens einen Anströmkanal (40)
besitzt, dem in Strömungsrichtung wenigstens eine zweilagige Abspritzöffnung (25)
mit einem als Strömungshohlraum dienenden Eintrittsbereich (41) und einem schlitzförmigen
Austrittsbereich (42) folgt, wobei der Eintrittsbereich (41) und der Austrittsbereich
(42) unter einem Winkel zum Anströmkanal (40) verlaufen und die Grundfläche des Eintrittsbereichs
(41) größer ist als die des Austrittsbereichs (42).
2. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Multi-Fächerstrahl-Düse (23) scheibenförmig ausgebildet ist.
3. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass einem Anströmkanal (40) mehrere Abspritzöffnungen (25) zugeordnet sind.
4. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass einem Anströmkanal (40) genau eine Abspritzöffnung (25) zugeordnet ist.
5. Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich Eintrittsbereich (41) und Austrittsbereich (42) der Abspritzöffnung (25) weitgehend
im rechten Winkel zur Erstreckung des Anströmkanals (40) erstrecken.
6. Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anströmkanal (40) zu der wenigstens einen Abspritzöffnung (25) außermittig überdeckend
verläuft.
7. Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittsbereich (42) der Abspritzöffnung (25) zum Eintrittsbereich (41) asymmetrisch
und/oder konturabweichend und/oder unter einem Winkelversatz verläuft.
8. Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abspritzöffnungen (25) derart abgemessen, ausgerichtet und/oder verteilt sind,
dass die zum Zentrum der Multi-Fächerstrahl-Düse (23) nächstliegende Flüssigkeitslamelle
(30) den kleinsten Winkel α zur Mittelachse der Multi-Fächerstrahl-Düse (23) besitzt,
während die vom Zentrum der Multi-Fächerstrahl-Düse (23) entferntestliegende Flüssigkeitslamelle
(30) den größten Winkel δ, γ zur Mittelachse der Multi-Fächerstrahl-Düse (23) aufweist.
9. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kippung der Flüssigkeitslamellen (30) vom Zentrum der Multi-Fächerstrahl-Düse
(23) ausgehend radial nach außen kontinuierlich zunimmt.
10. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittsbereich (42) der Abspritzöffnung (25) zum jeweiligen Eintrittsbereich
(41) in seiner Lage derart variiert ist, dass der Austrittsbereich (42) in Bezug zum
Eintrittsbereich (41) über alle Abspritzöffnungen (25) gesehen in radialer Richtung
vom Zentrum der Multi-Fächerstrahl-Düse (23) immer weiter nach außen wandert.
11. Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Multi-Fächerstrahl-Düse (23) durch galvanische Abscheidung aufgebaut ist.