Ventil zum Zumessen von Fluid Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Ventil zum Zumessen von Fluid nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , wobei der für ein strömendes oder fließendes Medium stehende, übergeordnete Begriff Fluid in Übereinstimmung mit der Strömungslehre für Gase und Flüssigkeiten verwendet wird.

Ein bekanntes Brennstoffeinspritzventil (DE 100 48 935 A1 ) weist einen eine Ventilkammer abschließenden Ventilsitzkörper mit einer zentralen

Auslassöffnung und eine an dem Ventilsitzkörper stromabwärts der

Auslassöffnung angeordnete Spritzlochscheibe auf, die durch Schweißen an dem

Ventilsitzkörper befestigt ist. Die Spritzlochscheibe besitzt einen einzigen, zentralen Einlassbereich, der unmittelbar der Auslassöffnung im Ventilsitzkörper folgt. Vom Einlassbereich erstrecken sich mehrere Drallkanäle radial nach außen. Jeder Drallkanal mündet in eine Drallkammer, die mit einem die

Spritzlochscheibe axial durchdringenden Spritzloch versehen ist, wobei die

Mündung so gestaltet ist, dass die Drallkammer von dem im Drallkanal strömenden Brennstoff asymmetrisch angeströmt wird. Dadurch wird dem die Drallkammer durchströmenden Brennstoff eine Drallkomponente aufgeprägt, durch die der Brennstoff zerstäubt wird und in ein sog. Spray bildende kleine Tröpfchen zerfällt. Der solchermaßen aufbereitete Brennstoff trägt zu einer deutlichen Verbesserung der Verbrennung und zur Reduzierung der

Schadstoffemission bei.

Die Spritzlochscheibe mit ihrer Öffnungsstruktur aus Einlassbereich,

Drallkanälen, Drallkammern und Spritzlöchern wird mittels sog. Multilayer- Galvanik hergestellt, d. h. in mehreren metallischen Schichten durch galvanische Abscheidung aufgebaut, wie dies in der DE 196 07 288 A1 beschrieben ist.

Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Ventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass bei gleicher Anzahl von in der Spritzlochscheibe unterzubringenden Drallkanälen die Anzahl der Drallkammern verdoppelt und dadurch mehr Flexibilität in der Beeinflussung von Durchfluss und Spraywinkel des aus der Spritzlochscheibe austretenden Fluidsprays mittels variabler Öffnungsstrukturen der Spritzlochscheibe erreicht wird. Je nach Anzahl, Lage und Verteilung der jeweils einem Drallkanal zugeordneten Drallkammer-Paare in der

Spritzlochscheibe können gewünschte Formen und Abspritzrichtungen des Fluidsprays erzielt werden. Die gegensinnige Drallrichtungen der Fluidströme in den beiden zu einem Drallkammer-Paar gehörenden, gemeinsam über jeweils einen Drallkanal angeströmten Drallkammern verbessert dabei die Zerstäubung des Fluids innerhalb des aus der Spritzlochscheibe austretenden Sprays.

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 weisen die

Spritzlöcher einen gleich großen Lochdurchmesser auf und ist die Kanalbreite der Drallkanäle zumindest im Anbindungsbereich der Drallkammer-Paare kleiner gemacht als der um den Lochdurchmesser reduzierte Lochabstand der beiden Spritzlöcher in einem Drallkammer-Paar. Dadurch wird ein direktes Anströmen des in jeder Drallkammer außermittig angeordneten Spritzlochs durch das Fluid unterbunden und die Drallerzeugung in der Drallkammer unterstützt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind in der

Spritzlochscheibe vier Drallkanäle so angeordnet, dass ihre Kanalachsen um jeweils 90° in Umfangsrichtung der Spritzlochscheibe zueinander versetzt ausgerichtet sind. Bei dieser konstruktiven Gestaltung der Spritzlochscheibe mit insgesamt acht Spritzlöchern in einer Anordnung, dass die Lochachsen der Spritzlöcher eine zum Mittelpunkt der Spritzlochscheibe konzentrischen Kreislinie durchstoßen, wird das Fluid in Form eines einzigen, feinzerstäubten,

kegelförmigen Spraystrahls abgespritzt, dessen Strahl- oder Kegelachse mit der Ventilachse fluchtet.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind in der

Spritzlochscheibe zwei Drallkanäle so angeordnet, dass ihre Kanalachsen um 180° in Umfangsrichtung der Spritzlochscheibe zueinander versetzt ausgerichtet sind. In einer ersten Ausführung erstrecken sich dabei die Kanalachsen längs des Durchmessers der kreisförmigen Spritzlochscheibe. Mit dieser konstruktiven Gestaltung der Spritzlochscheibe wird das Fluid in Form von zwei schräg nach außen verlaufenden, kegelförmigen Spraystrahlen abgespritzt, deren Strahl- oder Kegelachsen zusammen mit der Ventilachse in einer gemeinsamen Ebene liegen. Die beiden Kegelachsen sind symmetrische zur Ventilachse ausgerichtet und schließen mit dieser einen gleich großen spitzen Winkel a/2 ein.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erstrecken sich die um 180° versetzt ausgerichteten Kanalachsen der beiden Drallkanäle in einer zweiten Ausführung längs einer Sekante der kreisförmigen Spritzlochscheibe, wobei die beiden Drallkanäle den Einlassbereich der Spritzlochscheibe außermittig bzw. radial versetzt queren. Mit dieser konstruktiven Gestaltung der Spritzlochscheibe wird das Fluid wiederum in Form von zwei schräg nach außen verlaufenden, gegen die Ventilachse um jeweils einen spitzen Winkel a/2 geneigten, kegelförmigen Spraystrahlen abgespritzt, deren Strahl- oder

Kegelachsen ebenfalls in einer gemeinsamen Ebene liegen, die jedoch einen Winkel γ zu der Ebene einschließt, in der die Ventilachse verläuft.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind in der

Spritzlochscheibe zwei Drallkanäle so angeordnet, dass ihre Kanalachsen um 90° in Umfangsrichtung der Spritzlochscheibe gegeneinander versetzt ausgerichtet sind. Mit dieser konstruktiven Gestaltung der Spritzlochscheibe wird das Fluid in Form eines einzigen, kegelförmigen Spraystrahls abgespritzt, dessen Strahl- oder Kegelachse gegen die Ventilachse um einen spitzen Winkel γ geneigt ist.

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 diesem in Strömungsrichtung nachgeordneter Spritzlochscheibe,

Figur 2 eine Ansicht der Spritzlochscheibe in Richtung Pfeil II in Figur 1 ,

Figur 3 eine Unteransicht der Spritzlochscheibe in Figur 2,

Figur 4 eine perspektivische Darstellung der Spritzlochscheibe in Figur 3 im Schnitt gemäß Linie IV - IV in Figur 3,

Figur 5 eine schematisch skizzierte Seitenansicht des beim Abspritzen des Fluids mit der Spritzlochscheibe gemäß Figur 1 bis 4 erzeugten Spraykegels, inklusive des Querschnittsbilds des Spraykegels,

Figur 6 eine gleiche Darstellung der Spritzlochscheibe wie in Figur 3 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,

Figur 7 eine Vorderansicht in Richtung VII in Figur 6 der beim Abspritzen des Fluids mit der Spritzlochscheibe gemäß Figur 6 erzeugten beiden Spraykegel, inklusive des Querschnittbilds der Spraykegel,

Figur 8 eine Seitenansicht in Richtung Pfeil VIII der Spraykegel in Figur 7, inklusive des Querschnittsbilds der Spraykegel,

Figur 9 eine gleiche Darstellung der Spritzlochscheibe wie in Figur 3 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,

Figur 10 eine Vorderansicht in Richtung Pfeil X in Figur 9 der beim Abspritzen des Fluids mit der Spritzlochscheibe gemäß Figur 9 erzeugten beiden

Spraykegel, inklusive des Querschnittsbilds der Spraykegel, Figur 1 1 eine Seitenansicht der Spraykegel in Richtung Pfeil XI in Figur 10 inklusive des Querschnittsbilds der Spraykegel,

Figur 12 eine gleiche Darstellung der Spritzlochscheibe wie in Figur 3 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,

Figur 13 eine Vorderansicht in Richtung Pfeil XIII in Figur 12 eines beim

Abspritzen des Fluids mit der Spritzlochscheibe gemäß Figur 12 erzeugten Spraykegels, inklusive des Querschnittbilds des Spraykegels.

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 hülsenförmigen Ventilsitzträger 1 1 auf, der mit einem Ventilkörper 12 abgeschlossen ist. In dem zusammen mit dem

Ventilsitzträger 1 1 eine Ventilkammer 13 begrenzenden Ventilsitzkörper 12 ist eine Ventil- oder Zumessoffnung 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 des Ventilglieds 16 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 Schließkopfs 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 in einer in dem Ventilsitzkörper 12 eingeformten, kreisrunden Vertiefung 19 formschlüssig einliegt und mit dem Ventilsitzkörper 12 stoffschlüssig, z.B. durch Schweißen, verbunden ist. Die in Figur 2 und 3 in Drauf- und Unteransicht sowie in Figur 1 im Schnitt und in Figur 4 in perspektivischer Ansicht des gleichen Schnitts dargestellte Spritzlochscheibe 18 weist einen mit der Zumessöffnung 14 kommunizierenden, zentralen Einlassbereich 20, vom Einlassbereich 20 beabstandete Drallkammern 21 mit je einem darin vorhandenen Spritzloch 22 zum Abspritzen des Fluids sowie Drallkanäle 23 auf, die den zentralen

Einlassbereich 20 an die Drallkammern 21 mit asymmetrischer, vorzugsweise tangentialer Einströmung des Fluids in die Drallkammern 21 anbinden. Dabei sind jeweils zwei voneinander beabstandete Drallkammern 21 an einem gemeinsamen Drallkanal 23 in der Weise angeschlossen, dass die Einströmung des vom Einlassbereich 20 aus den Drallkanal 23 durchströmenden Fluids in die beiden Drallkammern 21 , im folgenden Drallkammer-Paar genannt, mit zueinander inversen Drall- oder Drehrichtungen erzwungen ist. In Figur 3 sind in einem der an die Drallkanäle 23 angeschlossenen Drallkammer-Paare die beiden gegensinnigen Drall- oder Drehrichtungen durch Strömungspfeile 24, 25 kenntlich gemacht. Die beiden in dem jeweiligen Drallkammer-Paar vorhandenen

Spritzlöcher 22 sind in den Drallkammern 21 außermittig angeordnet und weisen einen gleich großen Lochdurchmesser auf. Die Kanalbreite der Drallkanäle 23 ist zumindest im Mündungsbereich in das jeweilige Drallkammer-Paar kleiner gemacht als der um den Lochdurchmesser reduzierte Lochabstand der beiden Spritzlöcher 22 im Drallkammer-Paar. Vorzugsweise weisen die Drallkanäle 23 eine über die Kanallänge konstante Kanalbreite auf.

Im Ausführungsbeispiel der Spritzlochscheibe gemäß Figur 1 bis 4 sind in der Spritzlochscheibe 18 vier Drallkanäle 22 so angeordnet, dass ihre Kanalachsen um jeweils 90° in Umfangsrichtung der Spritzlochscheibe 18 gegeneinander versetzt ausgerichtet sind. Dabei erstrecken sich jeweils zwei miteinander fluchtende Kanalachsen längs des Durchmessers der kreisrunden

Spritzlochscheibe 18. Die Öffnungsstruktur der Spritzlochscheibe 18 weist somit vier kreuzweise angeordnete Drallkanäle 23 und acht Spritzlöcher 22 auf, wobei die Spritzlöcher 22 so angeordnet sind, dass ihre Lochachsen eine zur

Scheibenmitte konzentrische Kreislinie durchstoßen. Durch diese Öffnungsstruktur der Spritzlochscheibe 18 tritt das Fluid fein zerstäubt in Form eines einzigen, kegelförmigen Spraystrahls 26 aus der Spritzlochscheibe 18 aus, dessen Strahl- oder Kegelachse 27 mit der Ventilachse 29 fluchtet. In Figur 5 ist ein solcher Spraystrahl 26 oder Spraykegel mit dem Kegelwinkel α in

Seitenansicht und mit Querschnittsbild 28 dargestellt, das eine Kreisfläche ist.

Bei den Ausführungsbeispielen der Spritzlochscheibe 18 gemäß Figur 6 und 9 weist die Spritzlochscheibe 18 jeweils zwei Drallkanäle 23 auf, deren

Kanalachsen um 180° in Umfangsrichtung der Spritzlochscheibe 18 zueinander versetzt ausgerichtet sind. Während bei dem Ausführungsbeispiel der

Spritzlochscheibe 18 gemäß Figur 6 die miteinander fluchtenden Kanalachsen der beiden Drallkanäle 23 sich längs des Durchmessers der kreisförmigen Spritzlochscheibe 18 erstrecken, erstrecken sich im Ausführungsbeispiel der Spritzlochscheibe 18 gemäß Figur 9 die miteinander fluchtenden Kanalachsen der beiden Drallkanäle 23 längs einer Sekante der kreisförmigen

Spritzlochscheibe 18, wobei die beiden Drallkanäle 23 den Einlassbereich 20 in der Spritzlochscheibe 18 radial versetzt queren.

Mit beiden Spritzlochscheiben 18 wird eine Aufbereitung des Fluids in zwei kegelförmigen Spraystrahlen 30, 31 mit jeweils elliptischem Querschnitt erzeugt, deren Strahl- oder Kegelachsen 27 in einer gemeinsamen Ebene liegen und einen Winkel α zwischen sich einschließen. Die beiden Spraystrahlen 30, 31 sind für die in Figur 6 dargestellte Spritzlochscheibe 18 in Figur 7 in Vorderansicht und in Figur 8 in Seitenansicht, jeweils mit Querschnittsbild 28, und für die in Figur 9 dargestellte Spritzlochscheibe 18 in Figur 10 in Vorderansicht und in Figur 1 1 in Seitenansicht, jeweils mit Querschnittsbild 28, skizziert. Während im Ausführungsbeispiel der Spritzlochscheibe 18 gemäß Figur 6 die die Strahl- oder Kegelachsen 27 der beiden Spraystrahlen 30, 31 aufnehmende Ebene mit der Ebene zusammenfällt, in der die Ventilachse 29 verläuft (Figur 8), ist dagegen im Ausführungsbeispiel der Spritzlochscheibe 18 gemäß Figur 9 die die Strahl- oder Kegelachsen 27 der beiden Spraystrahlen 30, 31 aufnehmende Ebene gegen die Ebene der Ventilachse 29 um einen spitzen Winkel γ geneigt (Figur 1 1 ).

In dem in Figur 12 dargestellten Ausführungsbeispiel der Spritzlochscheibe 18 sind in der Spritzlochscheibe 18 wiederum nur zwei Drallkanäle 23 vorhanden, die jedoch so in der Spritzlochscheibe 18 angeordnet sind, dass ihre Kanalachsen um 90° in Umfangsrichtung der Spritzlochscheibe 18

gegeneinander versetzt ausgerichtet sind. Die insgesamt vier Spritzlöcher 22 in den vier Drallkammern 21 sind so angeordnet, dass ihre Lochachsen eine zum Scheibenmittelpunkt konzentrischen Kreislinie durchstoßen. Die

Fluidaufbereitung durch diese Öffnungsstruktur der Spritzlochscheibe 18 zeigt einen einzigen, gegen die Ventilachse geneigten kegelförmigen Spraystrahl 33 mit elliptischem oder ovalem Querschnitt 34, dessen Strahl- oder Kegelachse 27 mit der Ventilachse 29 einen spitzen Winkel γ einschließt.

Die Spritzlochscheibe 18 mit ihrer Öffnungsstruktur aus Einlassbereich 20, Drallkanälen 23, Drallkammern 21 und Spritzlöchern 22 wird mittels sog.

Multilayer-Galvanik hergestellt, d. h. in ein oder zwei metallischen Schichten durch galvanische Abscheidung aufgebaut, wie dies z. B. in der DE 196 07 288 A1 beschrieben ist. Dabei erfolgt der Aufbau der Spritzlochscheibe 18 durch eine zweilagige Lithographie, wobei die Aufbringung einer leitfähigen Schicht durch Spattern oder Bekeimen erfolgt und das Metall Nickel in einem einlagigen Prozess abgeschieden wird.