Ventil zum Zumessen von Fluid Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Ventil zum Zumessen von Fluid, insbesondere von einem Dosier- oder Einspritzventil für Brennkraftmaschinen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein bekanntes Kraft- oder Brennstoffeinspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, (DE 100 48 935 AI) weist ein von einem Aktuator betätigtes Ventilglied auf, das zum Öffnen und Schließen des Ventils mit einem an einem Ventilsitzkörper ausgebildeten, eine Ventilöffnung umschließenden Ventilsitz zusammenwirkt. Stromabwärts des Ventilsitzes ist ein scheibenförmiges Drallelement, auch Spritzlochscheibe genannt, angeordnet, das einen mit der Ventilöffnung kommunizierenden Einlassbereich und mehrere Auslassöffnungen, auch Spritzlöcher genannt, aufweist. Die Spritzlöcher sind zentral in je einer Drallkammer angeordnet. Vom Einlassbereich führt je ein Drallkanal zu je einer Drallkammer und mündet tangential in dieser, so dass der vom Einlassbereich zu den Drallkammern strömende Brennstoff die

Drallkammern asymmetrisch anströmt. Die Mündungen der Drallkanäle sind so gelegt, dass die Strömungsrichtung des Fluids in allen Drallkammern

gleichgerichtet ist, also das Fluid z.B. gegen Uhrzeigersinn von der Mündung zum Spritzloch strömt, um danach drallbehaftet aus dem Spritzloch auszutreten. Durch das Drallelement wird eine sehr gute Zerstäubung des mit Hochdruck abgespritzten Brennstoffs erzielt.

Offenbarung der Erfindung Das erfindungsgemäße Ventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass mit den gegensinnigen Fluidströmungen in mindestens zwei der Drallkammern in Verbindung mit einer unterschiedlichen Anzahl von

Drallkammern flexible Strahlformen des als Spray abgespritzten Fluids realisiert werden können, die auf die Umgebungsgeometrie des Sprays optimiert sind. So können z. B. Sprays mit zwei getrennten Strahlen zur Verwendung in

Saugrohreinspritzsystemen mit zwei Einlasskanälen oder Sprays mit ovalem Querschnitt realisiert werden, die sich in sog. DNOX-Systemen mit ovalen Abgasrohren besonders gut für eine homogene Verteilung des Fluids eignen. Je nach Anzahl und Anordnung der Drallkammern mit zueinander gegensinnigen Dreh- oder Drallrichtungen der Fluidströmungen lassen sich Spraystrahlen oder Spraykeulen gezielt voneinander trennen und/oder zusammenführen und verschiedene Strahl- oder Keulenformen mit nierenförmigen oder

dreieckförmigen oder herzförmigen Querschnitten mit oder ohne gegenüber der Spritzlochscheibe geneigter Strahlrichtung erzielen. Physikalisch wird dies dadurch erreicht, dass die aus den Spritzlöchern austretenden, drallbehafteten Fluidsprays ihren Querschnitt durch die Zentrifugalkraft stetig verbreitern. In Lochnähe wird die Umgebungsluft in axialer Richtung beschleunigt und saugt von außen Umgebungsluft ins Spray. Die Tropfengeschwindigkeit hat zusätzlich eine Tangentialkomponente, die einen Tangentialimpuls auf die Umgebungsluft überträgt und Luftwirbel erzeugt, die ihrerseits Rückwirkungen auf das Fluidspray haben. Durch Anordnung und Anzahl der Drallkammern mit zueinander gegensinnigen Drallrichtungen der Fluidströmungen können diese Luftwirbel so eingestellt werden, dass sich die vorstehend angesprochenen, unterschiedlichen Sprayquerschnittsformen und Spritzrichtungen der Spraykeulen oder

Spraystrahlen ergeben.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Ventils möglich.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind vier um gleiche Umfangswinkel gegeneinander versetzt angeordnete Drallkammern vorhanden und die Drallkammern mit zueinander inversen Dreh- oder Drallrichtungen der Fluidströmungen in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend oder diametral angeordnet. Sind die Drallkammern mit einander entgegenrichteten Dreh- oder Drallrichtungen der Fluidströmen in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet, so entstehen zweimal zwei einander gegenüberliegende, gleichdrehende Luftwirbel, die auf voneinander abgekehrten, also um 180° versetzten Seiten des abgespritzten Sprays Luft ins Sprayzentrum saugen. Die Umgebungsluft erzeugt auf den voneinander abgekehrten Seiten des Sprays jeweils einen Querimpuls, der zur Ausbildung eines Flachstrahls und bei genügend großem Drehimpuls zu einer völligen Trennung des Sprays in zwei Einzelstrahlen führt. Sind dagegen die Drallkammern mit gegensinnigen Drehoder Drallrichtungen der Fluidströmungen diametral angeordnet, so entstehen zweimal zwei nebeneinanderliegende, gleichdrehende Luftwirbel, die sich anziehen und im Fernfeld jeweils einen gemeinsamen Luftwirbel erzeugen. Das aus den vier Spritzlöchern abgespritzte Spray erzeugt somit zwei gegensinnige Luftwirbel, die sich abstoßen und jeweils einen Querimpuls der Umgebungsluft in die gleiche Richtung auslösen, so dass ein gegen die Achse der

Spritzlochscheibe gekippte Sprayabstrahlung erzeugt wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind zwei um gleiche Umfangswinkel zueinander versetzt angeordnete Drallkammern vorhanden. Im abgespritzten Spray bilden sich zwei Luftwirbel, die sich abstoßen und einen Querimpuls der Umgebungsluft auslösen, der zu einem Kippen der Spraykeule gegen die Spritzlochscheibe bzw. der Ventilachse führt und einen nierenförmigen Querschnitt der Spraykeule erzeugt und zur Bildung eines Flachstrahls führt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind sechs um gleiche Umfangswinkel gegeneinander versetzt angeordnete Drallkammern vorhanden.

Die Drallkammern mit inversen Dreh- oder Drallrichtungen der Fluidströmungen sind in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet oder bilden zwei Gruppen mit je drei in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend angeordneten Drallkammern, in denen die Dreh- oder Drallrichtungen der Fluidströmungen gleichsinnig sind. Bei der erstgenannten Anordnung der Drallkammern werden an sechs um 60° versetzten Stellen des abgespritzten Sprays Querimpulse der Umgebungsluft erzeugt, wobei die um 120° zueinander versetzten Querimpulse gleichgerichtet sind. Dies führt zu einem etwas dreieckförmigen Querschnitt der aus der Spritzlochscheibe austretenden Spraykeule, deren Achse mit der Ventilachse fluchtet. Bilden dagegen die Drallkammern mit inversen Dreh- oder

Drallrichtungen der Fluidströmungen jeweils zwei Gruppen mit je drei in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Drallkammern, in denen die Dreh- oder Drallrichtungen der Fluidströmungen gleichsinnig sind, so bilden sich in dem aus der Spritzlochscheibe austretenden Spray zweimal drei nebeneinanderliegende, gleichdrehende Luftwirbel, die sich anziehen und im Fernfeld einen

gemeinsamen Luftwirbel erzeugen. Das aus den sechs Spritzlöchern austretende Spray erzeugt somit zwei gegensinnige Luftwirbel, die sich abstoßen und jeweils einen Querimpuls der Umgebungsluft in gleiche Richtung auslösen. Die Achse der Spraykeule wird gegenüber der Spritzlochscheibe gekippt.

Selbstverständlich ist es möglich, in der Spritzlochscheibe auch eine

ungeradzahlige Anzahl von Drallkammern mit je einem Spritzloch vorzusehen, von denen mindestens zwei der Drallkammern einander entgegengerichtete Dreh- oder Drallrichtungen der Fluidströmungen aufweisen.

Die vorstehend beschriebenen Sprayformen und Abspritzrichtungen des Fluids können noch durch weitere Maßnahmen beeinflusst werden, so durch eine zylinder- oder kegelstumpfförmige Ausbildung der Drallkammern, eine axialsymmetrische oder nicht-axialsymmetrische Form der Drallkammern, eine zentrische oder exzentrische Anordnung des Spritzlochs in der Drallkammer und eine Schrägstellung des Spritzlochs gegen die mit der Ventilachse fluchtenden Achse der Spritzlochscheibe sowie durch unterschiedliche Längen der

Spritzlöcher. Jede dieser Maßnahmen kann bei allen Drallkammern oder Spritzlöchern einer Spritzlochscheibe vorgenommen werden, jedoch können in der Spritzlochscheibe an unterschiedlichen Drallkammern und Spritzlöchern auch verschiedene dieser Maßnahmen gleichzeitig eingesetzt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten

Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ausschnittweise einen Längsschnitt eines Ventils zum Zumessen von Fluid mit Ventilsitzkörper und dem Ventilsitzkörper in Strömungsrichtung nachgeordneter Spritzlochscheibe, Figur 2 eine Draufsicht der Spritzlochscheibe in Figur 1,

Figur 3 einen Schnitt längs der Linie III - III in Figur 2,

Figur 4 eine gleiche Darstellung wie in Figur 3 einer modifizierten

Spritzlochscheibe,

Figur 5 eine Draufsicht der Spritzlochscheibe gemäß einem weiteren

Ausführungsbeispiel,

Figur 6 eine Draufsicht der Spritzlochscheibe gemäß einem weiteren

Ausführungsbeispiel,

Figur 7 einen Ausschnitt VII der Spritzlochscheibe in Figur 6 mit modifizierter Drallkammer,

Figur 8 ein schematisch dargestelltes Spraybild bei Einsatz der Spritzlochscheibe gemäß Figur 2,

Figur 9 ein schematisch dargestelltes Spraybild bei Einsatz der Spritzlochscheibe gemäß Figur 6,

Figur 10 ein schematisch dargestelltes Spraybild bei Verwendung einer

Zweiloch-Spritzlochscheibe,

Figur 11 ein schematisch dargestelltes Spraybild bei Verwendung einer 6-Loch- Spritzlochscheibe, bei der die Drallkammern mit inversen Dreh- oder

Drallrichtungen der Fluidströmungen in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet sind,

Figur 12 ein schematisch dargestelltes Spraybild bei Einsatz einer 6-Loch- Spritzlochscheibe, bei der die Drallkammern mit inversen Dreh- oder

Drallrichtungen der Fluidströmungen auf zwei Gruppen aufgeteilt sind, in denen die in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Drallkammern jeweils gleiche Dreh- oder Drallrichtungen der Fluidströmungen aufweisen. Das in Figur 1 ausschnittweise mit seinem fluidaustrittsseitigen Ende dargestellte Ventil zum Zumessen von Fluid wird vorzugsweise als Einspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in Kraftstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen oder zum dosierten Einspritzen von Harnstoff- Wasser- Lösungen in den

Abgasstrang von Brennkraftmaschinen zwecks Nachbehandlung des Abgases eingesetzt. Das Ventil weist einen Teil eines Ventilgehäuses darstellenden hülsenförmigen Ventilsitzträger 11 auf, der mit einem Ventilkörper 12

abgeschlossen ist. In dem zusammen mit dem Ventilsitzträger 11 eine

Ventilkammer 13 begrenzenden Ventilsitzkörper 12 ist eine Ventil- oder

Zumessöffnung 14 und ein die Zumessöffnung 14 umgebender Ventilsitz 15 ausgebildet. Der Ventilsitz 15 wirkt zum Schließen und Freigeben der

Zumessöffnung 14 mit einem kugelförmigen Schließkopf 161 eines Ventilglieds 16 zusammen, der an dem dem Ventilsitzkörper 12 zugekehrten Ende einer hohlen Ventilnadel 162 befestigt, z.B. angeschweißt, ist. Über die hohle

Ventilnadel 162 des Ventilglieds 16 erfolgt die Fluidzufuhr zur Ventilkammer 13, wozu in der Ventilnadel 162 mindestens ein Durchflussloch 17 vorgesehen ist. Der Ventilsitz 15 bildet zusammen mit dem Schließkopf 161 einen Dichtsitz, der von dem in der Ventilkammer 13 unter Systemdruck stehenden Fluidvolumen beaufschlagt ist. Zum Schließen der Zumessöffnung 14 ist der Schließkopf 161 von einer an der Ventilnadel 162 angreifenden, hier nicht dargestellten

Ventilschließfeder auf den Ventilsitz 15 aufgepresst. Das Freigeben der

Zumessöffnung 14 erfolgt durch Abheben des Schließkopfes 161 von dem Ventilsitz 15 gegen die Rückstellkraft der Ventilschließfeder und wird in bekannter Weise mittels eines an der Ventilnadel 162 angreifenden

elektromagnetischen, piezokeramischen oder magnetostriktiven Aktors bewirkt.

Der Zumessöffnung 14 ist in Strömungsrichtung des Fluids eine als

Drallerzeugungselement ausgebildete Spritzlochscheibe 18 nachgeordnet, die vorzugsweise plan an dem Ventilsitzkörper 12 anliegt und an diesem befestigt, z.B. verschweißt, ist. Die in Figur 2 in Draufsicht und in Figur 3 im Schnitt dargestellte Spritzlochscheibe 18 weist einen mit der Zumessöffnung 14 kommunizierenden Einlassbereich 19, der hier koaxial zur Ventilachse angeordnet ist, mehrere Drallkammern 20 mit je einem Spritzloch 21 und Drallkanäle 22 auf, die von dem Einlassbereich 19 ausgehen und in je einer Drallkammer 20 so münden, dass das Fluid die jeweilige Drallkammer 20 asymmetrisch, z.B. tangential, anströmt. Dabei sind die Fluidanströmungen der Drallkammern 20 so ausgeführt, dass die Dreh- oder Drallrichtungen der Fluidströmungen in mindestens zwei der Drallkammern 20 gegensinnig sind. Diese Fluidströmungen sind in Figur 2 mit Pfeilen 23 bzw. 24 symbolisch eingezeichnet, wobei Pfeil 23 für eine Dallrichtung entgegen Uhrzeigersinn und Pfeil 24 für eine Drallrichtung im Uhrzeigersinn steht. Im Ausführungsbeispiel der Figur 2 und 3 sind insgesamt vier Drallkammern 20 mit je einem Spritzloch 21 vorhanden, wobei die Drallkammern 20 axialsymmetrisch ausgebildet sind. Die Drallkammern 20 sind so in der Spritzlochscheibe 18 angeordnet, dass ihre Achsen eine zur Achse des Einlassbereichs 19 konzentrische Kreislinie 25 im gleichen Abstand voneinander durchstoßen. Die Spritzlöcher 21 sind zentral in den Drallkammern 20 angeordnet, und die Spritzlochachsen sind parallel zur Achse der Spritzlochscheibe 18 bzw. der Ventilachse ausgerichtet, so dass auch die Lochachsen der Spritzlöcher 21 die zur Achse des Einlassbereichs 19 bzw. der Ventilachse konzentrische Kreislinie 25 in gleichem Abstand voneinander durchstoßen.

Alternativ können die Spritzlochachsen auch gegenüber der Achse der

Spritzlochscheibe 18 bzw. der Ventilachse um einen spitzen Winkel gekippt sein, wie dies in Figur 4 dargestellt ist. Auch können die axialsymmetrischen

Drallkammern 20 Kegelstumpfform aufweisen, wie dies ebenfalls in Figur 4 dargestellt ist. Vorzugsweise werden alle Drallkammern 20 und Spritzlöcher 21 in einer Spritzlochscheibe 18 identisch ausgebildet. Es ist jedoch auch möglich, zylinderförmige und kegelstumpfförmige Drallkammern 20 und senkrecht zur Spritzlochscheibe 18 verlaufende und gegenüber der Spritzlochscheibe 18 gekippte Spritzlöcher 21 in der gleichen Spritzlochscheibe 18 auszubilden, um bestimmte Effekte in der Beeinflussung des aus den Spritzlöchern 21 unter Hochdruck austreten Sprays zu beeinflussen.

Der Einlassbereich 19, die Drallkanäle 22 und die Drallkammern 20 sind von der einen Scheibenfläche der Spritzlochscheibe 18 aus unterschiedlich tief oder gleich tief in die Spritzlochscheibe 18 eingeformt, z. B. durch Einprägen oder durch Materialaustragung mittels Erodieren, Ätzen oder U KP-Laser, und werden von der planen Stirnseite des Ventilsitzkörpers 12 fluiddicht abgedeckt.

Bei der Spritzlochscheibe 18 gemäß Figur 2 sind die Drallkammern 20 mit inversen Dreh- oder Drallrichtungen der Fluidströmungen in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet, wie dies durch die Strömungsrichtungspfeile 23 und 24 ausgewiesen ist. Bei dieser Spritzlochscheibe 18 ergibt sich ein Spraybild des aus den vier Spritzlöchern 21 austretenden Fluidsprays, wie es in Figur 8 dargestellt ist. In diesem Spraybild ist zusätzlich die Anordnung der Spritzlöcher 21, die ebenfalls auf der zur Ventilachse konzentrischen Kreislinie 25 liegen, eingezeichnet. Im austretenden Spray 26 entstehen zweimal zwei einander gegenüberliegende, invers drehende Wirbel, die auf voneinander abgekehrten Seiten des abgespritzten Sprays Luft aus der Umgebungsluft ins Sprayzentrum saugen. Die angesaugte Umgebungsluft ist durch Pfeile 27 symbolisiert. Die angesaugte Umgebungsluft 27 erzeugt auf voneinander abgekehrten Seiten des

Sprays 26 Querimpulse, die aufeinander zugerichtet sind und zur Ausbildung eines Flachstrahls des Sprays 26 führen. Bei genügend großem, dem Fluid in den Drallkammern 20 verliehenen Dreh- oder Drallimpuls führen diese

Querimpulse zu einer völligen Trennung des Sprays 26 in zwei Einzelstrahlen.

Im Ausführungsbeispiel der Spritzlochscheibe 18 gemäß Figur 6 sind ebenfalls vier um gleiche Umfangswinkel gegeneinander versetzt angeordnete

Drallkammern 20 vorhanden. Anders als in der Spritzlochscheibe 18 gemäß Figur 2 sind die Drallkammern 20 mit zueinander inversen Dreh- oder

Drallrichtungen der Fluidströmungen diametral angeordnet. Das sich bei dieser

Spritzlochscheibe 18 ergebende Spraybild 26 ist in Figur 9 skizziert. Bei dieser Anordnung der Drallkammern 20 entstehen im Spray 26 zweimal zwei nebeneinanderliegende, gleichdrehende Wirbel, die sich anziehen und im Fernfeld jeweils ein gemeinsamen Luftwirbel erzeugen. Das aus den vier Spritzlöchern 21 abgespritzte Spray erzeugt zwei gegensinnig drehende

Luftwirbel, die sich abstoßen und einen in die gleiche Richtung weisenden Querimpuls durch die angesaugte Umgebungsluft 27 auslösen, der zu einer gegen die Achse der Spritzlochscheibe 18 gekippten Sprayabstrahlung führt. Werden bei der Spritzlochscheibe 18 gemäß Figur 2 die beiden in der

Bildhorizontalen liegenden Drallkammern 20 mit Spritzlöchern 21 entfernt, so erhält man eine Zweiloch-Spritzscheibe, bei deren Verwendung ein Spraybild entsteht, wie es in Figur 10 dargestellt ist. Im abgespritzten Spray 26 bilden sich zwei Luftwirbel mit einander entgegengesetzten Drall- oder Drehrichtungen aus, die sich abstoßen und einen Querimpuls der Umgebungsluft 27 auslösen. Dieser Querimpuls bewirkt ein Kippen der Spraykeule gegen die Achse der

Spritzlochscheibe 18 und erzeugt einen Flachstrahl.

Wird die Spritzlochscheibe 18 gemäß Figur 2 um zwei weitere Drallkammern 20 mit zueinander inversen Drehrichtungen der Fluidströme in den Drallkammern 20 erweitert, deren Achsen mit den Achsen der übrigen Drallkammern 20 denselben zur Scheibenmitten konzentrischen Kreis 25 durchstoßen und in

Umfangsrichtung den gleichen Abstand voneinander aufweisen, so ergibt sich ein in Figur 1 dargestelltes Spraybild der 6-Lochscheibe. Durch die

Drallkammerkonfiguration entstehen im abgespritzten Spray 26 drei um 120° zueinander versetzte Paare von zueinander gegensinnigen Luftwirbeln, die einander abstoßen, wobei diametral gegenüberliegende Paare gleich gerichtete Querimpulse der Umgebungsluft 27 erzeugen. Dies führt zu einem etwa dreieckförmigen Querschnitt der aus der Spritzlochscheibe 18 austretenden Spraykeule.

Das in Figur 12 skizzierte Spraybild ergibt sich bei einer Spritzlochscheibe 18 mit sechs Drallkammern 20, wobei die Drallkammern 20 mit inversen Dreh- oder Drallrichtungen der Fluidströmungen auf zwei Gruppen mit je drei in

Umfangsrichtung aufeinanderfolgend angeordneten Drallkammern 20 aufgeteilt sind, in denen die Fluidströmungen gleichsinnig sind. Dadurch bilden sich im abgespritzten Spray 26 zweimal drei nebeneinanderliegende, gleichdrehende Wirbel aus, die sich anziehen und im Fernfeld einen gemeinsamen Luftwirbel erzeugen. Das aus den sechs Spritzlöchern 21 austretende Spray 26 erzeugt zwei gegensinnige Luftwirbel, die sich abstoßen und einen Querimpuls der Umgebungsluft 27 in die gleiche Richtung auslösen, wodurch die Achse der Spraykeule gegenüber der Achse der Spritzlochscheibe 18 gekippt wird.

Form und Strahlrichtung des aus der Spritzlochscheibe 18 austretenden

Fluidsprays können durch weitere Maßnahmen zusätzlich beeinflusst werden. Werden die Spritzlöcher 21 nicht zentral in der Drallkammer 20 angeordnet, sondern außermittig oder exzentrisch positioniert, wie dies in Figur 5 dargestellt ist, so entsteht in der Lochströmung der außermittigen Spritzlöcher 21 ein Querimpuls, der zu einer seitlichen Neigung des austretenden Fluidsprays beiträgt. Je nach gewünschtem Spraybild können die Spritzlöcher 21 in allen Drallkammern 20 außermittig angeordnet werden oder nur die eine oder andere Drallkammer 20 mit einem exzentrisch angeordneten Spritzloch 21 ausgestattet werden, wie dies in Figur 5 dargestellt ist.

Als weitere Maßnahme zur Beeinflussung von Sprayform und Strahlrichtung des Sprays können die Drallkammern 20 nicht- axialsymmetrisch, z.B. tropfenförmig, ausgebildet werden, wie dies in Figur 7 für eine Drallkammer 20 dargestellt ist. Dabei können ebenfalls wiederum alle Drallkammern 20 nicht-axialsymmetrisch geformt sein oder aber auch einige der Drallkammern 20 eine axialsymmetrische Form beibehalten.