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Die
Erfindung geht aus von einem Einspritzventil, insbesondere für die Kraftstoff-Direkteinspritzung
in den Brennraum von Brennkraftmaschinen in Fahrzeugen, nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei
einem solchen, einem sog. außenöffnenden
Einspritzventil wird bei offener Abspritzöffnung der Kraftstoff in Form
eines Hohlkegels oder Kegelmantels, auch als Spraykonus bezeichnet,
ausgesprüht.
Um den Spraykonus insbesondere in Hinblick auf den Gegendruck im
Brennraum zu stabilisieren, ist bei einem bekannten Einspritzventil
dieser Art (
DE 196
33 260 A1 ) im Strömungsweg
des Kraftstoffs vor der Abspritzöffnung
eine Vielzahl von über
den Umfang verteilten Kraftstoffkanälen so angeordnet, dass die
aus ihnen austretenden Kraftstoffstrahlen oder -strähnen bis
hinter die Abspritzöffnung
im wesentlichen erhalten bleiben. Durch eine entsprechende Anordnung
und Ausbildung dieser Kraftstoffkanäle ist es möglich, innerhalb des Spraykonus, also
innerhalb der kegelmantelförmigen
Kraftstofflamelle, die Kraftstoffverteilung zu beeinflussen.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Einspritzventil
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass der bei
offener Abspritzdüse
sich ausbildende Spraykonus des abgespritzten Kraftstoffs durch
die geeignet angeordneten Störelemente
mit einer beliebigen Anzahl von Lücken versehen werden kann,
die in Breite und Position frei variierbar sind. Dadurch ist es
beispielsweise möglich,
dass die Zündkerze
im Brennraum von zwei Seite her mit zerstäubtem Kraftstoff umgeben ist.
Mittels der Lücken
kann im Spraykonus ein Druckausgleich erzeugt werden, wodurch eine
Belüftung
des Innenfelds des Spraykonus erreicht wird, was zu einer erhöhten Stabilität des Spraykonus
gegenüber
dem Gegendruck im Brennraum führt.
Zugleich wird der gegen Ende der Einspritzung auftretende, sog.
Kamineffekt verhindert, der aufgrund des Rückströmens des zerstäubten Kraftstoffs
in Richtung Ventilnadel entsteht und ein Verkoken der Ventilnadel
begünstigt.
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Die
beschriebenen Effekte werden optimal erreicht, wenn gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung die Störelemente
in eine von Grenzschichten begrenzte Kernströmung der bei offener Abspritzöffnung einsetzenden
Kraftstoffströmung,
also in das Innenfeld des Spraykonus, hineinragen.
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Wird
gemäß einer
weiteren Ausführungsform der
Erfindung ein Teil der Störelemente
so ausgeführt,
dass sie nur in eine der die Kernströmung begrenzenden Grenzschichten
der Kraftstoffströmung hineinragen,
so rufen diese Störelemente
keine Teilung des Spraykonus hervor, sondern eine lokale Umlenkung
des Kraftstoffs. Dadurch wird vorteilhaft eine sich üblicherweise
ausbildende, rezirkulierende Luftströmung, ein sog. Ringwirbel,
gestört,
die die Flüssig-/Dampfphase
bindet und die zündfähige Lambdaschicht
auf einen nur engen Raum begrenzt.
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Durch
die in den weiteren Ansprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegebenen Einspritzventils möglich.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung sind die Störelemente
am Schließkopf angeordnet
und stehen an der Abspritzkante über
die Kopfabspritzfläche
empor. Das Überstandsmaß wird gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung größer als
5–10 μm gewählt, um
ein Hineinragen der Störelemente
in die Kernströmung
des Spraykonus zu gewährleisten.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird das Überstandsmaß eines
Teils der Störelemente
kleiner als 5 μm
gemacht, so dass diese Störelemente
nur in die Grenzschicht der Kraftstoffströmung im Spraykonus und nicht
in die Kernströmung
hineinragen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung sind die Störelemente
beliebig längs der
Abspritzkante des Schließkopfes
verteilt angeordnet. Beispielsweise können drei Störelemente
um jeweils 120° Umfangswinkel
gegeneinander versetzt sein. Es können aber auch mehrere Störelemente einseitig
am Schließkopf
angeordnet werden.
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Eine
serienmäßige Herstellung
dieser Störelemente
kann mittels galvanischem Auftrag, durch Laserabtrag oder durch
Abtrag mit einer Diamantnadel, einem sog. Mikrohobel, erfolgen.
Insbesondere das Laserabtragsverfahren bietet viele gestalterische Freiheitsgrade
bei kostengünstiger
Herstellung.
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Zeichnung
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Die
Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
im folgenden näher
beschrieben. Es zeigen in schematisierter Darstellung:
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1 ausschnittweise
einen Längsschnitt eines
Einspritzventils im Ventilöffnungsbereich,
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2 einen
Schnitt längs
der Linie II-II in 1,
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3 eine
gleiche Darstellung wie in 2 bei geöffnetem
Einspritzventil,
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4 bis 6 jeweils
eine Draufsicht in Richtung Pfeil IV in 3 einer
Ventilnadel im Einspritzventil gemäß dreier Ausführungsbeispiele,
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7 eine
gleiche Darstellung wie in 2 mit modifizierter
Ventilnadel,
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8 eine
gleiche Darstellung wie in 8 bei entferntem
Ventilkörper.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Das
in 1 ausschnittweise mit seinem Endbereich im Längsschnitt
dargestellte Einspritzventil, insbesondere für die Kraftstoff-Direkteinspritzung
in den Brennraum von Brennkraftmaschinen in Fahrzeugen, weist einen
Ventilkörper 11 und
eine Ventilnadel 12 mit endseitig ausgebildetem Schließkopf 13 auf.
Der Ventilkörper 11 ist
mit einem eine Ventilöffnung 14 umschließenden Ventilsitz 15 versehen.
Die Ventilnadel 12 ist durch die Ventilöffnung 14 hindurchgeführt, so
dass ihr Schließkopf 13,
der zusammen mit dem Ventilsitz 15 eine Abspritzöffnung 16 bildet,
abspritzseitig der Abspritzöffnung 16 liegt. Der
Schließkopf 13 weist
in seinem dem Ventilkörper 11 zugekehrten
Kopfbereich oberhalb einer sog. Abspritzkante 17 eine Kopfabspritzfläche 18 auf,
die mit dem Ventilsitz 15 derart zusammenwirkt, dass die Kopfabspritzfläche 18 in
der Schließstellung
des Einspritzventils auf dem Ventilsitz 15 aufliegt und
die Abspritzöffnung 16 verschließt und in
der Offenstellung des Einspritzventils zusammen mit dem Ventilsitz 15 die
Abspritzöffnung 16 begrenzt.
Die Ventilnadel 12 ist in der Schließstellung, z.B. mittels einer
Ventilschließfeder,
vorgespannt und wird zum Öffnen
von einem hier nicht dargestellten Aktor gegen die Kraft der Ventilschließfeder in
Richtung Pfeil 19 in 3 verschoben.
Bei offener Abspritzöffnung 16 wird
aus dem Einspritzventil Kraftstoff in Form eines Spraykonus oder
eines Hohlkegels oder einer kegelmantelförmigen Kraftstofflamelle ausgesprüht. Die
Schließstellung
des Einspritzventils ist in 2, die Offenstellung
in 3 dargestellt.
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Zur
Erzeugung von Spraylücken
im Spraykonus des ausgesprühten
Kraftstoffes sind Störelemente 20 vorgesehen,
die in die beim Ventilöffnen über die
offene Abspritzöffnung 16 einsetzende
Kraftstoffströmung
hineinragen. In den dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Störelemente 20 am Schließkopf 13 der
Ventilnadel 12 angeordnet, jedoch ist es auch möglich, die
Störelemente 20 dem Ventilsitz 15 zuzuordnen.
Die Störelement 20 sind dabei
so ausgebildet, dass sie in eine von zwei Grenzschichten begrenzte
Kernströmung
der abgespritzten Kraftstoffströmung
hineinragen. Die Anordnung der Störelemente 20 am Schließkopf 13 ist
so getroffen, dass die Störelemente 20 an
der Abspritzkante 17 mit einem Überstehmaß h (3) über die Kopfabspritzfläche 18 des
Schließkopfes 12 überstehen.
Das Überstandsmaß h ist
größer als
5–10 μm gewählt. Die
Verteilung der Störelemente 20 längs der
Abspritzkante 17 ist beliebig und richtet sich nach der
Anzahl und Verteilung der im Spraykonus gewünschten Lücken. In 4–6 sind
drei Ausführungsbeispiele
für eine
mögliche
Anordnung der Störelemente
dargestellt. In 4 sind drei Störelemente 20 jeweils
um 120° Umfangswinkel
gegeneinander versetzt längs
der Abspritzkante 17 angeordnet. In 5 sind drei
Störelemente 20 einseitig
am Schließkopf 13 mit
gleichem Abstand voneinander angeordnet. In 6 sind sechs
Störelemente 20 über eine
Umfangswinkel von 180° an
der Abspritzkante 17 gleichmäßig verteilt.
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Die
Störelemente 20 werden
von Graten 21 gebildet, die aus der Oberfläche des
Schließkopfes 13 ausgearbeitet
sind. Im Ausführungsbeispiel
der 2–6 werden
die Grate 21 dadurch gewonnen, dass in die Oberfläche des
unterhalb der Abspritzkante 17 liegenden Schließkopfbereichs 22 zur Abspritzkante 17 hin
verlaufende Furchen 23 eingegraben sind und das aus den
Furchen 23 ausgeschobene Material als Grat 21 über die
Abspritzkante 17 hinausragt. Das Eingraben der Furchen 23 wird
mittels einer Diamantnadel, einem sog. Mikrohobel, vorgenommen.
Ein solcher Grat 21 kann aber auch durch Laserabtrag auf
der Kopfabspritzfläche 18 des Schließkopfes 13 herbeigeführt werden.
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In
dem Ausführungsbeispiel
des Einspritzventils gemäß 7 und 8 sind
die Störelemente 20 ebenfalls
als Grate 21' ausgebildet,
die sich von der Kopfabspritzfläche 18 des
Schließkopfes 13 emporheben.
Das Überstandsmaß h dieser
Grate 21' ist kleiner
5 μm gewählt, so
dass die Störelemente 20 nicht
in die Kernströmung,
sondern nur in die längs der
Kopfabspritzfläche 18 sich
ausbildende Grenzschicht der Kraftstoffströmung hineinragen. Durch diese
niedrigeren Grate 21' wird
eine lokale Umlenkung der Kraftstoffströmung erzeugt, die vorteilhaft die
eingangs beschriebenen Ringwirbelbildung stört. Diese Grate 21' können mit
Methoden der Mikrogalvanik durch Materialauftrag auf der Kopfabspritzfläche 18 hergestellt
werden.
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Selbstverständlich ist
es möglich,
den Schließkopf 13 der
Ventilnadel 12 sowohl mit den Graten 21 als auch
mit den Graten 21' zu
versehen, so dass beide Effekte, nämlich die Mikrostörung der Grenzschichtströmung zur
Umlenkung des Kraftstoffs und die Makrostörung der Kernströmung zur Ausbildung
von Lücken,
erzielt werden.