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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Kraftstoffstoffeinspritzventile
und speziell Kraftstoffstoffeinspritzventile mit Hochdruck-Direkteinspritzung.
Noch spezieller betrifft sie Kraftstoffstoffeinspritzventile mit
Hochdruck-Direkteinspritzung, die einen Druckdrallgenerator aufweisen.
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In
DE 197 36 682 A1 wird
ein Kraftstoffstoffeinspritzventil gemäß dem Oberbegriff des beigefügten Anspruchs
1 beschrieben.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Durch
die vorliegende Erfindung wird eine Vorrichtung bereitgestellt,
so wie sie in den beigefügten
Ansprüchen
definiert ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Die
beigefügten
Zeichnungen, welche mit in diese Anmeldung einbezogen sind und einen
Bestandteil dieser Patentbeschreibung darstellen, zeigen derzeit
bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung und dienen zusammen mit der weiter oben gegebenen
allgemeinen Beschreibung und der weiter unten gegebenen ausführlichen
Beschreibung dazu, die Merkmale der Erfindung zu erläutern.
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1 ist
eine Schnittdarstellung eines Kraftstoffeinspritzventils entlang
seiner Längsachse.
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2 ist
eine vergrößerte Schnittdarstellung
des den Ventilsitz enthaltenden Teils des in 1 dargestellten
Kraftstoffeinspritzventils.
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2A ist
eine vergrößerte Teil-Schnittdarstellung
eines Teils der in 2 dargestellten Drallgenerator-Bauteile.
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Die 3 und 4 sind
Draufsichten der Drallgenerator-Bauteile
des in den 1 und 2 dargestellten
Kraftstoffeinspritzventils.
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5 ist
ein Diagramm von mittels numerischer Fluiddynamik durchgeführten Simulationen
der statischen Durchflussrate des in den 1 und 2 dargestellten
Kraftstoffeinspritzventils.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM(EN)
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1 zeigt
eine beispielhafte Ausführungsform
eines Kraftstoffeinspritzventils der bevorzugten Ausführungsform,
speziell ein Kraftstoffeinspritzventil mit Hochdruck-Direkteinspritzung.
Das Kraftstoffeinspritzventil 10 weist ein mittels Overmolding-Technologie (Überspritzen)
hergestelltes Kunststoffelement 12 auf, welches ein Gehäuseelement 14 aus
Metall umschließt.
Im Inneren des durch Überspritzen
hergestellten Kunststoffelements 12 und des Metall-Gehäuseelements 14 sind
ein Kraftstoffeinlass 16 mit einem In-line-Kraftstofffilter 18 und
ein einstellbares Kraftstoffeinlassrohr 20 angeordnet.
Das einstellbare Kraftstoffeinlassrohr 20 ist, bevor es
am Kraftstoffeinlass 16 befestigt wird, in Längsrichtung
einstellbar, so dass die Länge
einer Anker-Vorspannfeder 22, mit welcher der Flüssigkeitsstrom
im Kraftstoffeinspritzventil 10 eingestellt werden kann,
verändert
werden kann. Das durch Überspritzen
hergestellte Kunststoffelement 12 trägt außerdem ein Verbindungsstück 24, über welches
das Kraftstoffeinspritzventil 10 mit einer externen Spannungsquelle
verbunden ist, wie etwa einem elektronischen Steuergerät (electronic
control unit, ECU). Am Kraftstoffeinlass 16 ist ein O-Ring 26 vorgesehen,
der dazu dient, eine dichte Verbindung des Kraftstoffeinlasses 16 mit
einem Kraftstoffzuführungs-Element
wie etwa einer Kraftstoff-Verteilerleitung (nicht dargestellt) herzustellen.
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Das
Metall-Gehäuseelement 14 umschließt einen
Spulenkörper 28 und
eine Magnetspule 30. Die Magnetspule 30 ist funktional
mit dem Verbindungsstück 24 verbunden.
Der in der Nähe
des Spulenkörpers 28 und
der Magnetspule 30 befindliche Teil 32 des Einlassrohres 16 dient
als ein Ständer.
Ein Anker 34 ist mittels einer Ventilgehäuseummantelung 36 und
eines Ventilgehäuses 38 axial
bezüglich
des Einlassrohres 16 ausgerichtet.
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Das
Ventilgehäuse 38 ist
im Inneren der Ventilgehäuseummantelung 36 angeordnet.
Am Einlass des Ventilgehäuses
befindet sich ein Ankerführungsring 40.
Ein sich in axialer Richtung erstreckender Kraftstoff-Durchflusskanal 42 verbindet
den Einlass 44 des Ventilgehäuses mit dem Auslass 46 des
Ventilgehäuses 38.
Ein Ventilsitz 50 befindet sich in der Nähe des Auslasses 46 des
Ventilgehäuses.
Der Kraftstoff strömt,
infolge der strömungstechnischen Kopplung
der Elemente, vom Kraftstoffzuführungs-Element
(nicht dargestellt) durch den Kraftstoffeinlass 16, den
Kraftstoffdurchlass 52 des Ankers und den Kraftstoff-Durchflusskanal 42 des
Ventilgehäuses
und strömt
dann aus dem Kraftstoffauslasskanal 54 des Ventilsitzes
aus.
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Der
Kraftstoffdurchlass 52 des Ankers ist bezüglich des
Kraftstoff-Durchflusskanals 42 des Ventilgehäuses 38 axial
ausgerichtet. Der Kraftstoff strömt aus
dem Kraftstoffdurchlass 52 des Ankers durch ein Paar quer
verlaufender Kanäle 56 aus
und strömt
in den Einlass 44 des Ventilgehäuses 38 ein. Der Anker 34 ist
mit dem Teil 32 des Einlassrohres 16, welches als
Ständer
dient, magnetisch gekoppelt. Der Anker 34 wird durch den
Ankerführungsring 40 geführt und führt in Reaktion
auf eine von der Magnetspule 30 erzeugte elektromagnetische
Kraft axial eine hin- und hergehende Bewegung entlang der Längsachse 58 des
Ventilgehäuses
aus. Die elektromagnetische Kraft wird durch den Stromfluss vom
elektronischen Steuergerät über das
Verbindungsstück 24 zu
den Enden der Magnetspule 30, die um den Spulenkörper 28 gewickelt
ist, hervorgerufen. Ein Nadelventil 60 ist funktional mit
dem Anker 34 verbunden und bewirkt, dass der Kraftstoffauslasskanal 54 im
Ventilsitz geöffnet
oder geschlossen wird, was das Ausströmen von Kraftstoff aus dem
Kraftstoffeinspritzventil 10 ermöglicht bzw. verhindert.
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Der
Ventilsitz 50 ist in der Nähe des Auslasses 46 des
Ventilgehäuses 38 angeordnet.
Ein zusammengepresster Endabschnitt 64 des Ventilgehäuses 38 umschließt den Ventilsitz 50,
und mittels einer Schweißverbindung 66 sind
das Ventilgehäuse 38 und
der Ventilsitz 50 aneinander befestigt und abgedichtet.
Ein Drallgenerator 70 ist in Strömungsrichtung gesehen vor dem
Ventilsitz 50 im Kraftstoff-Durchflusskanal 42 des
Ventilgehäuses 38 angeordnet.
Der Drallgenerator 70 ermöglicht, dass der Kraftstoff
ein Drallmuster am Ventilsitz 50 bildet. Der Drallgenerator 70 umfasst
vorzugsweise, wie in 2 dargestellt, ein Paar flache
Scheiben, eine Führungsscheibe 72 und
eine Drallgeneratorscheibe 74.
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Die
Führungsscheibe 72,
die in 3 dargestellt ist, weist einen Umfang 76,
eine zentrale Öffnung 78 und
wenigstens einen Kraftstoffdurchlass 80 zwischen dem Umfang 76 und
der zentralen Öffnung 78 auf.
Die zentrale Öffnung 78 führt das
Nadelventil 60, wenn das Nadelventil 60 an einer
Fläche
des Kraftstoffauslasskanals 54 zur Anlage kommt, um den
Durchfluss von Kraftstoff durch den Ventilsitz zu verhindern. Bei
dem wenigstens einen Kraftstoffdurchlass 80 handelt es
sich vorzugsweise um eine Vielzahl von Kraftstoffdurchlässen 80,
welche Kraftstoff zur Drallgeneratorscheibe 74 lenken.
Die Drallgeneratorscheibe 74, die in 4 dargestellt
ist, weist eine Vielzahl von Langlöchern 82 auf, welche der
Vielzahl von Kraftstoffdurchlässen 80 in
der Führungsscheibe 72 entspricht.
Jedes der Langlöcher 82 erstreckt
sich tangential von der zentralen Öffnung 84 aus zu der
jeweiligen Kraftstoffdurchlassöffnung 86 und
stellt einen tangentialen Kraftstoffdurchflussweg für den Kraftstoff
zur Verfügung,
welcher aus den Kraftstoffdurchlässen 80 der
flachen Führungsscheibe 72 durch
die Drallgeneratorscheibe 74 strömt.
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Die
flache Führungsscheibe 72,
die in 2A dargestellt ist, weist eine
erste Fläche 90 und
eine zweite Fläche 92 auf.
Die zweite Fläche 92 liegt
an der flachen Drallgeneratorscheibe 74 an. Jeder der Kraftstoffdurchlässe 80 hat
eine Wand 94, die sich zwischen der ersten Fläche 90 und
der zweiten Fläche 92 der
flachen Führungsscheibe 72 erstreckt. Die
Wand 94 weist einen Einlass 96, einen Auslass 98 und
einen Übergangsbereich 100 zwischen
dem Einlass 96 und dem Auslass 98 auf.
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Der
Einlass 96 der Wand 94 befindet sich in der Nähe der ersten
Fläche 90.
Der Auslass 98 der Wand 94 befindet sich in der
Nähe der
zweiten Fläche 92.
Der Übergangsbereich 100 wird
durch die Oberfläche
der Wand 94 gebildet. Der Übergangsbereich 100 definiert
die Querschnittsfläche
des Kraftstoffdurchlasses 80. Die Oberfläche der
Wand 94 ist so gestaltet, dass die Richtung des Kraftstoffs,
der aus dem Kraftstoff-Durchflusskanal 42 eines Ventilgehäuses 38 zu
der flachen Drallgeneratorscheibe 74 fließt, allmählich geändert wird.
Um die allmähliche Änderung
der Strömungsrichtung
zu erreichen, ist die Oberfläche
der Wand 94 vorzugsweise so gestaltet, dass scharfe Ecken
im Kraftstoffdurchflussweg vermieden oder auf ein Minimum begrenzt
werden. Die Oberfläche
der Wand 94 sorgt für
einen Übergangsbereich 100 mit
einer Querschnittsfläche, welche
sich vergrößert, wenn
sich der Übergangsbereich 100 dem
Auslass 98 der Wand 94 nähert.
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Der Übergangsbereich 100 weist
einen Eintrittsabschnitt 102 auf, der sich in der Nähe des Einlasses 96 befindet,
und einen Austrittsabschnitt 104, der sich in der Nähe des Auslasses 98 befindet.
Der Austrittsabschnitt 104 ist vorzugsweise eine schräge Fläche der
Wand 94 oder eine bogenförmig gekrümmte Fläche der Wand 94. Die
schräge
Fläche der
Wand 94 bildet vorzugsweise einen spitzen Winkel mit der
zweiten Fläche 92,
und eine bogenförmig gekrümmte Fläche der
Wand 94 bildet einen Krümmungsradius
zwischen dem Eintrittsabschnitt 102 und dem Auslass 98 der
Wand 94. Der Eintrittsabschnitt 102 ist vorzugsweise
eine lineare Fläche
der Wand 94, welche im Wesentlichen senkrecht zur ersten
Fläche 90 ist.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
besitzen der Umfang 76, die Führungsöffnung 78, der Einlass 96 der
Wand 94 und der Auslass 98 der Wand 94 jeweils
eine im Wesentlichen kreisförmige
Gestalt. Somit weist die flache Führungsscheibe 72 vorzugsweise
einen kreisförmigen
Umfang 76, welcher der ersten Fläche 90 und der zweiten
Fläche 92 gemeinsam
ist, eine kreisförmige
Führungsöffnung 78 und eine
Vielzahl von kreisförmigen
Durchlässen 80,
die sich zwischen der kreisförmigen
Führungsöffnung 78 und
dem kreisförmigen
Umfang 76 befinden, auf, wobei die Vielzahl von kreisförmigen Kraftstoffdurchlässen 80 gleichmäßig um die
kreisförmige
Führungsöffnung 78 herum
verteilt ist. Die kreisförmigen
Kraftstoffdurchlässe 80 weisen
jeweils eine Wand 94 mit einem kreisförmigen Einlass 96 und
einem kreisförmigen
Auslass 98 auf. Der kreisförmige Einlass 96 besitzt
einen ersten Durchmesser D1, und der kreisförmige Auslass 98 besitzt
einen zweiten Durchmesser D2. Der zweite Durchmesser D2 des kreisförmigen Auslasses 98 ist
größer als
der erste Durchmesser D1 des kreisförmigen Einlasses 96.
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Der
Größenunterschied
zwischen dem ersten und dem zweiten Durchmesser D1, D2 wird vorzugsweise
durch das Vorhandensein eines gleichförmigen Übergangsbereiches 100 erreicht.
Zum Beispiel sind die schräge
oder bogenförmig
gekrümmte Fläche, welche
den Austrittsabschnitt 104 bildet, und die lineare Fläche, welche
den Eintrittsabschnitt 102 bildet, im Wesentlichen identisch
um eine Mittelachse des Durchlasses 80 herum angeordnet.
Die Formen des Eintritts- und des Austrittsabschnitts 102, 104 der bevorzugten
Ausführungsform
sehen die Vergrößerung der
durch den Übergangsbereich 100 definierten
Querschnittsfläche
vor, wenn sich der Übergangsbereich 100 dem
Auslass 98 der Wand 94 nähert. Die zunehmende Querschnittsfläche könnte auch
mit einem anderen Eintrittsabschnitt 102 erreicht werden,
als mit der linearen Fläche
der bevorzugten Ausführungsform.
Insbesondere könnte
der Eintrittsabschnitt 102 ähnlich wie der bevorzugte Austrittsabschnitt 104,
jedoch mit einer bezüglich desselben
verdrehten ("transponierten") Anordnung, ebenfalls
eine schräge
oder bogenförmig
gekrümmte Fläche der
Wand 94 sein. Wenn sowohl der Eintritts- als auch der Austrittsabschnitt 102, 104 jeweils
eine schräge
oder bogenförmig
gekrümmte
Fläche
ist, sollte der Übergangsbereich 100 einen
Zwischenabschnitt zwischen dem Eintritts- und dem Austrittsabschnitt 102, 104 aufweisen,
welcher eine lineare Fläche
der Wand 94 ist, so dass die Durchflussrichtung des Kraftstoffs
allmählich
geändert
wird.
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Obwohl
ein gleichförmiger Übergangsbereich 100 bevorzugt
wird, könnte
auch ein Übergangsbereich 100 mit
einer nicht gleichförmigen
Anordnung um die Mittelachse herum verwendet werden. Die nicht gleichförmige Anordnung
sollte so beschaffen sein, dass die Wand 94 des Durchlasses 80 die
Richtung des aus einem Kraftstoff-Durchflusskanal eines Ventilgehäuses zum
Ventilsitz strömenden Kraftstoffs
allmählich ändert. Um
diese allmähliche Änderung
der Durchflussrichtung zu erreichen, könnte der Übergangsbereich 100 zum
Beispiel einen Austrittsabschnitt 104 mit einer schrägen oder
bogenförmig
gekrümmten
Fläche
der Wand 94, die sich auf einer Seite der Mittelachse befindet,
welche der zentralen Öffnung 78 am
nächsten
liegt, und mit einer linearen Fläche
der Wand 94 der anderen Seite der Mittelachse aufweisen.
Der nicht gleichförmige Übergangsbereich 100 würde außerdem für eine Vergrößerung der
durch den Übergangsbereich 100 definierten
Querschnittsfläche,
wenn sich der Übergangsbereich 100 dem
Auslass 98 der Wand 94 nähert, sorgen, so dass die Durchflussrichtung
des Kraftstoffs allmählich
geändert
wird.
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Das
Kraftstoffeinspritzventil gemäß der vorliegenden
Erfindung ermöglicht
auch ein Verfahren zum Einstellen der Durchflussmenge in einem Druckdrallgenerator
eines Kraftstoffeinspritzventils. Das Kraftstoffeinspritzventil
umfasst ein Ventilgehäuse mit
einem Kraftstoff-Durchflusskanal, der sich axial von einem Einlass
zu einem Auslass erstreckt; einen Anker, der in der Nähe des Einlasses
des Ventilgehäuses
angeordnet ist; ein Nadelventil, das funktional mit dem Anker verbunden
ist; einen Ventilsitz, der in der Nähe des Auslasses des Ventilgehäuses angeordnet
ist; eine flache Drallscheibe, die am Ventilsitz anliegt, und ein
Führungselement,
welches das Nadelventil führt.
Das Verfahren kann durchgeführt
werden, indem ein Führungselement
mit einer Fläche vorgesehen
wird, die so gestaltet ist, dass die Richtung des aus einem Kraftstoff-Durchflusskanal eines Ventilgehäuses zum
Ventilsitz strömenden
Kraftstoffs allmählich
geändert
wird, und indem das Führungselement
in der Nähe
der flachen Drallgeneratorscheibe angeordnet wird.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist das Führungselement
eine flache Führungsscheibe,
und die Fläche
wird durch eine Wand 94 eines Durchlasses 80 gebildet,
der sich zwischen einer ersten Fläche 90 und einer zweiten
Fläche 92 erstreckt.
Die Wand 94 weist einen Übergangsbereich 100 auf,
der sich zwischen einem Einlass 96 in der Nähe der ersten
Fläche 90 und
einem Auslass 98 in der Nähe der zweiten Fläche 92 erstreckt.
Der Übergangsbereich 100 wird
durch Prägen
der zweiten Fläche 92 hergestellt,
so dass die Querschnittsfläche
des Auslasses 98 größer als
die Querschnittsfläche
des Einlasses 96 ist.
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5 zeigt
eine mittels numerischer Fluiddynamik (Computational Fluid Dynamic,
CFD) durchgeführte
Simulation einer Beziehung zwischen der Tiefe, mit der die zweite
Fläche 92 der
flachen Führungsscheibe
geprägt
ist, und der statischen Durchflussrate durch das Kraftstoffeinspritzventil
der vorliegenden Erfindung. Mit zunehmender Prägetiefe wächst die statische Durchflussrate,
bis eine maximale Durchflussrate erhalten wird. Somit können durch
Prägen
der zweiten Fläche
mit unterschiedlichen Tiefen verschiedene Durchflussraten erhalten und
an die beabsichtigte Anwendung angepasst werden. Die bevorzugte
flache Führungsscheibe
weist eine axiale Dicke von ca. 0,44 mm auf, und der Durchmesser
des Einlasses 96 in der Nähe der ersten Fläche 90 beträgt ungefähr 1,0 mm.
Vor dem Prägen
hat der Auslass 98 in der Nähe der zweiten Fläche 92 einen
Durchmesser, der ungefähr
gleich dem Durchmesser des Einlasses 96 in der Nähe der ersten
Fläche 90 ist.
Nach dem Prägen
der zweiten Fläche 92 hat
der Auslass 98 einen zweiten Durchmesser D2, welcher größer als
der erste Durchmesser D1 des Einlasses 96 in der Nähe der ersten
Fläche 90 ist.
Zum Beispiel ist, wie in 5 dargestellt, wenn die zweite
Fläche 92 geprägt wird
und die größte Erhöhung der
statischen Durchflussrate bei einer Prägetiefe von 150 Mikrometern
erreicht, der zweite Durchmesser D2 um ungefähr 15% größer als der erste Durchmesser
D1. Diese Vergrößerung des zweiten
Durchmessers D2, welche durch Anwendung eines Übergangsbereiches 100 der
Wand 94 erreicht wird, der eine Oberfläche aufweist, die so gestaltet
ist, dass die Richtung des Kraftstoffdurchflusses allmählich geändert wird,
führt zu
CFD-Berechnungen, welche eine Erhöhung der statischen Durchflussrate
um ungefähr
5% ergeben. Reale physische Prüfungen
der bevorzugten Ausführungsform
des Kraftstoffeinspritzventils ergeben eine Erhöhung der statischen Durchflussrate
um mehr als 10%.
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Obwohl
die Erfindung unter Bezugnahme auf gewisse bevorzugte Ausführungsformen
offenbart wurde, können
im Rahmen des in den beigefügten Ansprüchen definierten
Schutzbereiches der Erfindung zahlreiche Modifikationen und Änderungen
gegenüber
den beschriebenen Ausführungsformen
vorgenommen werden. Dementsprechend soll die Erfindung nicht auf
die beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt
sein, sondern den vollen Umfang haben, der durch die Formulierungen
der folgenden Ansprüche
definiert ist.