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Die
Erfindung bezieht sich auf eine ventilgesteuerte Düse für die Einspritzung
von Fluid, wie eine ventilgesteuerte Düse für die Einspritzung von Kraftstoff
in eine Verbrennungskraftmaschine. In dieser Beschreibung wird der
Ausdruck „Verbrennungskraftmaschine" so aufgefasst, dass
er Maschinen mit einem intermittierenden Verbrennungszyklus umfasst,
wie hin- und hergehende oder drehende Motoren, die entweder im Zwei- oder
Viertakt-Zyklus arbeiten.
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Die
Eigenschaften des von einer Einspritzdüse in eine Verbrennungskraftmaschine
abgegebenen Kraftstoffsprühnebels,
beispielsweise direkt in die Verbrennungskammer, haben eine größere Wirkung
auf die Steuerung der Kraftstoffverbrennung, was wiederum die Betriebsstabilität der Maschine,
den Kraftstoffwirkungsgrad der Maschine und die Zusammensetzung
der Maschinenabgase beeinflusst. Um diese Wirkungen zu optimieren,
insbesondere in einer funkengezündeten
Maschine, umfassen die gewünschten
Eigenschaften des Kraftstoffsprühnebels,
der aus der Einspritzdüse
austritt, kleine Kraftstofftröpfchengröße (flüssige Kraftstoffe),
kontrollierte Sprühnebelgeometrie
und im Fall von Maschinen mit Direkteinspritzung ein kontrolliertes Eindringen
des Kraftstoffs in die Verbrennungskammer. Ferner ist wenigstens
bei kleinen Kraftstoffraten eine relativ abgeschlossene und gleichmäßig verteilte zündbare Wolke
von Kraftstoffdampf in der Umgebung der Maschinenzündkerze
erwünscht.
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Einige
bekannte Einspritzdüsen,
die für
die Ausgabe des Kraftstoffs direkt in die Verbrennungskammer einer
Maschine verwendet werden, haben ein nach außen sich öffnendes Tellerventil, das
den Kraftstoff in Form eines zylindrischen oder divergierenden konischen
Sprühnebels
abgibt. Die Art der Form des Kraftstoffsprühnebels hängt ab von einer Anzahl von
Faktoren einschließlich
der Geometrie der Öffnung
und des die Düse
bildenden Ventils, insbesondere der Oberflächen der Öffnung und des Ventils unmittelbar
neben dem Ventilsitz, wo die Öffnung
und das Ventil aneinanderliegen, um abzudichten, wenn die Düse geschlossen
ist. Wenn die Düsengeometrie
so gewählt
wurde, dass sie die erforderliche Leistung der Einspritzdüse und daher des
Verbrennungsvorgangs ergibt, ist es wichtig, diese Geometrie aufrecht
ZU erhalten, da sonst die Leistung der Maschine verschlechtert werden
kann, insbesondere bei niedrigen Kraftstoffraten.
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Die
Festsetzung und Ausbildung von festen Verbrennungsprodukten oder
anderen Niederschlägen
an den Düsenoberflächen, über welche
der Kraftstoff strömt,
kann die Geometrie des Kraftstoffströmungsweges durch die offene
Düse beeinflussen
und kann daher die Erzeugung einer direkten Kraftstoffverteilung
und damit den Verbrennungsprozess der Maschine beeinflussen. Die
Hauptursache solcher Ansammlungen auf diesen Oberflächen ist
das Anhaften von Kohlenstoffteilchen oder anderen Teilchen an denselben,
die aus der Verbrennung des Kraftstoffs stammen, einschließlich einer
unvollständigen
Verbrennung von restlichem Kraftstoff, der auf diesen Oberflächen zwischen
den Einspritzzyklen zurückgelassen
wird. Verfahren zur Verringerung oder Steuerung solcher Ausbildun gen
sind bekannt, wie in den Australischen Patentanmeldungen Nr. 36205/89
und 71474/91 beschrieben.
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Es
ist bekannt, dass ein hohler Sprühnebel
oder Kraftstoffstreifen bzw. eine Kraftstofffahne, der aus einer
Düse austritt,
anfangs einer Bahn folgt, die hauptsächlich durch die Austrittsrichtung
und Austrittsgeschwindigkeit des Kraftstoffs bestimmt wird. Es ist
ferner bekannt, dass bei Fortbewegung des Kraftstoffsprühnebels über das
Ausgabeende der Einspritzdüse
ein Druck innerhalb des Bereiches erzeugt wird, der durch der Sprühnebel unmittelbar
strömungsabwärts von
der Düse
begrenzt wird, der niedriger ist als der Druck auf der Außenseite
des Kraftstoffsprühnebels
und welcher eine Einwärtskontraktion
des Sprühnebels
fördert.
Dies wird als „Halsbildung" (necking) bezeichnet.
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Es
hat sich gezeigt, dass Störungen
der Kraftstoffströmung,
die aus einer Einspritzdüse
austritt, die Form des Kraftstoffsprühnebels oder der Fahne wesentlich
beeinflussen kann, insbesondere während und nach der Halsbildung
derselben. Solche Einflüsse
können
eine unvorhersagbare Ablenkung und/oder Dispersion des Kraftstoffs
beeinflussen, was wiederum den Verbrennungsprozess nachteilig beeinflussen
kann und somit für
einer Anstieg des Kraftstoffverbrauchs, unerwünschte Werte der Abgasemission
und auch Instabilität des
Maschinenbetriebs, insbesondere bei Niederlastbetrieb, Anlass geben
kann.
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Störungen,
die zu solchen unerwünschten
Einflüssen
Anlass geben können,
umfassen die Anwesenheit von unregelmäßigen Niederschlägen auf
den den Einspritzdüsenausgang
bildenden Oberflächen,
wie Kohlenstoff oder andere mit der Verbrennung zusammenhängende Niederschläge, die
Exzentrizität
des Ventils und die Sitzbestandteile der Düse oder ein übermäßiger Abstand
zwischen dem das Ventil stützenden Schaft
und der Bohrung, in welcher der Ventilschaft sich beim Öffnen und
Schließen
des Einspritzdüsenausgangs
axial bewegt. Eine seitliche Bewegung oder Exzentrizität des Ventils
und der Niederschläge
auf den Oberflächen
des Ventils oder des Ventilsitzes können zu Änderungen in der relativen
Strömungsgeschwindigkeit
durch die verschiedenen Abschnitte des Umfangs der Düse führen und
somit einen asymmetrischen Kraftstoffsprühnebel bewirken.
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Die
oben erläuterten
Störungen
der Ausgabe des Kraftstoffs, beispielsweise zur Verbrennungskammer
einer Maschine, sind besonders wesentlich bei Maschinen, die mit
einem stark geschichteten Luft-/Kraftstoffgemisch arbeiten, wie
es als sehr zweckmäßig betrachtet
wird, die Abgasemissionen während
des Niederlastbetriebs zu steuern.
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Die
gleichzeitig anhängige
Internationale Patentanmeldung Nr. PCT/AU93/00074, veröffentlicht
am 19. August 1993 als WO93/16282, betrifft eine Einspritzdüse mit einem
Vorsprung, der vom Ventilkopf derselben nach unten steht und eine äußere Toroidoberfläche besitzt.
Bei einem Vorsprung mit dieser Geometrie hat sich jedoch der Anmelderin
gezeigt, dass sie nur eine aus einer Anzahl von verschiedenen Geometrien
ist, die sie entwickelt und als geeignet für die Steuerung der Form und
Richtung des Kraftstoffnebels oder der Kraftstofffahne, die aus
einer Einspritzdüse
austritt, gefunden hat. Ferner hat die Anmelderin gefunden, dass
die Vorsprünge,
wie sie in der oben genannten gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung beschrieben
sind, vom Standpunkt der Wärmeübertragung
und der mechanischen Leistungsfähigkeit
verbessert werden können,
so dass die Vorsprünge
ein größeres Wärmerückhaltevermögen und die
Fähigkeit
besitzen, Kohlenstoffrückstände zu verbrennen
oder auf andere Weise von dort zu entfernen. Die Anmelderin hat
auch bei ihrer Forschung verschiedene Anordnungen für die Halterung
des Vorsprungs nachgewiesen, die vom Standpunkt der Steuerung der
Form und Richtung des aus einer Einspritzdüse austretenden Kraftstoffsprühnebels
vorteilhaft sind.
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Die
Erfindung schafft daher in ihrer allgemeinen Form eine Einspritzdüse mit einem
Körper,
der eine Düse
aufweist, durch die Fluid ausgegeben wird, wobei die Düse eine Öffnung mit
einer Innenfläche
und ein Ventilorgan mit einer komplementären Außenfläche aufweist, das Ventilorgan
relativ zur Öffnung
verschiebbar ist, um jeweils einen Kanal zwischen den Flächen für die Ausgabe
von Fluid in Form eines Sprühnebels
oder eine dichtende Berührung
zwischen denselben zu bilden, um die Ausgabe von Fluid zu verhindern,
mit einem Fluidströmungssteuerkörper, der
jenseits eines Endes des Körpers
der Einspritzdüse
angeordnet ist, das der Lage der Öffnung entspricht, wobei der
Strömungssteuerkörper eine
Steuerfläche
im Abstand von der Düse
in Bewegungsrichtung des Ventilorgans aufweist, wobei die Steuerfläche so geformt
und angeordnet ist, dass sie den Fluidsprühnebel fördert, der durch das aus der Öffnung austretende
Fluid erzeugt wird, damit er einen durch die Form der Steuerfläche bestimmten
Weg verfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkörper teilweise
hohl mit einem mittleren Hohlraum ausgebildet ist, wobei der mittlere
Hohlraum von der Steuerfläche sowie
aus dem aus der Öffnung
austretenden Fluid entfernt ist.
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Vorzugsweise
ist der Strömungssteuerkörper so
ausgebildet und angeordnet, dass er eine Zusammenziehung des Kraftstoffsprühnebels
nach innen fördert,
um der durch die Form der Steuerfläche bestimmten Bahn zu folgen.
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Zweckmäßigerweise
kann der Strömungssteuerkörper entweder
am Ventilorgan oder dem Körper
der Einspritzdüse
angebracht werden, so dass er sich über das Ende desselben in einer
Richtung erstreckt, die allgemein der Richtung entspricht, in der
der Fluidsprühnebel
aus der Öffnung
austritt. Diese Anordnung oder Lagerung ist jedoch nicht wesentlich
und es kann irgendeine vorteilhafte Stellung oder Anbringung angewendet
werden.
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Die
Erfindung kann vorteilhafterweise auf eine Kraftstoffeinspritzdüse angewendet
werden, wie sie in einer Verbrennungskraftmaschine verwendet wird,
insbesondere eine Kraftstoffeinspritzdüse, die den Kraftstoff direkt
in die Verbrennungskammer der Maschine ausgibt, und insbesondere
wo der Kraftstoff mit einem Gas, wie Luft, mitgerissen wird. Dementsprechend
kann der Strömungssteuerkörper vorteilhafterweise
an besonderen Stellen innerhalb der Maschinenverbrennungskammer
angeordnet werden. Wenn es erwünscht
ist, den Kraftstoffsprühnebel
in einer bestimmten Richtung innerhalb der Verbrennungskammer einer
Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise gegen eine Zündeinrichtung,
wie eine Zündkerze,
zu führen,
kann es erwünscht
sein, den Strömungssteuerkörper irgendwo
anders als am Ventilorgan anzubringen. Daher ist der Strömungssteuerkörper nicht
notwendigerweise ein Vorsprung oder ein Teil, der an einem Ende
des Ventilorgans vorgesehen ist. Beispielsweise kann der Strömungssteuerkörper vom
Zylinderkopf, der Zylinderwand, der Zündkerze oder irgendeiner anderen
geeigneten Fläche
abstehen oder nach unten stehen (be dependant).
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Die
Steuerfläche
des Strömungssteuerkörpers kann
typischerweise eine Außenfläche sein,
aber für andere
Anwendungen kann eine innere Steuerfläche geeigneter sein.
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Ein
Strömungssteuerkörper, der
wenigstens teilweise hohl ausgebildet ist, kann höhere Wärmerückhalteeigenschaften
infolge eines eingeschränkten
leitenden Strömungsweges,
durch den die Wärme
zum Ventilorgan und/oder zur Düse
strömen
kann, bieten. So werden hohe Temperaturen wirksamer im Strömungssteuerkörper aufrecht
erhalten, und daher sind auf der Kohlenstoffniederschlagung auf
den Oberflächen
der Düse
und/oder des Ventilorgans beruhende Probleme weniger bedeutsam.
Ferner führt
im Fall eines Strömungssteuerkörpers, der
mit einem bewegten Ventilelement verbunden ist, das verringerte
Gewicht zu einem schneller ansprechenden Ventilmechanismus. Darüber hinaus
kann sich die bei der Formgebung des Strömungssteuerkörpers angewendete
hohle Konstruktion in das Ventilorgan selbst erstrecken und somit
die Auftreffkraft auf die Öffnungs-
und Schließbewegung
des Ventilorgans verringern. Insbesondere, wenn der Strömungssteuerkörper einen
eingeschnürten
Teil, der vom Ventilkopf absteht, enthält, dient der hohle Teil auch zur
Erzeugung eines eingeschnürten
Wärmeleitungsweges
zum Ventilorgan und daher zur Düse.
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Der
Strömungssteuerkörper kann
eine Vielzahl von geometrischen Formen sowohl im Hinblick auf den Querschnitt
als auch der Länge
nach aufweisen, einschließlich
asymmetrischer Querschnitte oder eines Querschnitts mit konstanter
Geometrie, jedoch veränderlicher
Querschnittsfläche.
Ferner kann der Strömungssteuerkörper mit
inneren oder äußeren Rillen
versehen sein, die zur Formung einer gewünschten Sprühnebelgeometrie beitragen.
Diese Rillen können
auch eine erhöhte
Oberfläche
des Strömungssteuerkörpers schaffen, welcher
nütz lich
sein kann bei der Erzielung größerer Erhitzung
des Strömungssteuerkörpers. Ferner
muss der Strömungssteuerkörper nicht
notwendigerweise mit dem Ventilkörper
oder der Bewegungsrichtung desselben axial ausgerichtet sein, noch
muss er symmetrisch sein um eine bestimmte Achse.
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Ferner
kann der Strömungssteuerkörper mit
einem Teil versehen sein, der im Verhältnis zu dem Rest desselben
beweglich ist. Beispielsweise kann ein beweglicher Teil an einem
Strömungssteuerkörper befestigt sein,
der mit dem Ventilorgan verbunden ist. Der bewegliche Teil kann
die Form eines Rings einnehmen, der auf einem am Ventilorgan befestigten
Dorn beweglich angebracht sein kann, wobei der Ring in Abhängigkeit von
der Bewegung des Ventilorgans beweglich ist. Die Bewegung des beweglichen
Teils kann durch das Vorhandensein von Auftreffflächen eingeschränkt sein,
mit welchen der bewegliche Teil kollidiert, was eine Schwingung
des Strömungssteuerkörpers hervorruft,
und eine Verlagerung irgendwelcher Kohlenstoffniederschläge auf demselben
fördert.
Vorzugsweise ist die Fläche,
die zur Führung
des Fluidsprühnebels
dient, entweder gänzlich
oder teilweise auf dem beweglichen Teil vorgesehen.
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Bei
jedem dieser Vorschläge
ist der Strömungssteuerkörper vorzugsweise
so ausgebildet und angeordnet, dass der Fluidsprühnebel, der aus der Düse austritt,
wenn diese geöffnet
ist, einen Teil der Steuerfläche des
Strömungssteuerkörpers nahe
dem Ventilorgan umfasst und sodann längs eines Weges strömt, der
wenigstens teilweise bestimmt ist durch die Form oder Gestalt der
Strömungssteuerfläche. Ferner
kann der Strömungssteuerkörper in
Ventilen vom Typ Tellerventil oder Zapfendüse (pintle nozzle) angewendet
werden und kann am Ventilorgan jedes dieser Ventiltypen befestigt
werden.
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Zweckmäßigerweise
kann der Abstand des Strömungssteuerkörpers, wenn
er sich vom Ventilorgan erstreckt, erreicht werden, indem ein Halsteil
zwischen dem Ventilorgan und dem benachbarten Ende des Strömungssteuerkörpers gebildet
wird, welcher die Querschnittsfläche
verringert, durch die Wärme
aus dem Strömungssteuerkörper in
das Ventilorgan strömen
kann und daher durch die Einspritzdüse zum Maschinenzylinder oder
Zylinderkopf abgeführt
wird. Dieser Halsteil trägt
zum Zurückhalten
der Wärme
im Strömungssteuerkörper bei,
um dadurch den Steuerkörper
auf einer ausreichend hohen Temperatur zu halten, damit jeglicher Kohlenstoff
oder andere Teilchen, die sich auf der Oberfläche desselben entwickeln oder
niederschlagen, weggebrannt werden. In gleicher Weise, wenn der
Strömungssteuerkörper vom
Körper
der Einspritzdüse
oder einem anderen Teil der Verbrennungskammer statt vom Ventilorgan
absteht, kann ein eingeschnürter
oder enger Teil vorgesehen werden, um den oben beschriebenen Wärmerückhalteeffekt
zu erzielen.
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Die
Verwendung des Strömungssteuerkörpers als
Hilfe zur Steuerung von Form und Weg des Fluidsprühnebels,
der erzeugt wird, wenn Fluid aus der Einspritzdüse austritt, trägt wesentlich
zu einer besseren Durchführung
des Verbrennungsprozesses und daher zu einer besseren Steuerung
der Abgasemissionen und des Kraftstoffwirkungsgrades der Maschine
bei. Der Strömungssteuerkörper stabilisiert
den Fluidsprühnebel durch
das Vorhandensein einer physikalischen Fläche für die Führung des Sprühnebels
strömungsabwärts der Düse. Dies
hat das Ergebnis der Verringerung der seitlichen Ablenkung des Fluids
während
der Einspritzperiode.
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Die
Berührung
des Fluidsprühnebels
mit der Steuerfläche
des Strömungssteuerkörpers besteht
hauptsächlich
aus der natürlichen
Einschnürung
des Sprühnebels
in einem kurzen Abstand nach dem Austreten des Sprühnebels
aus der Einspritzdüse,
teilweise infolge einer Erscheinung, die als Coanda-Effekt bekannt ist. Wenn
eine solche Berührung
hergestellt ist, bleibt der Sprühnebel
in der Nachbarschaft der Steuerfläche des Strömungssteuerkörpers und
wird durch diesen geführt.
Der Sprühnebel
folgt einem Weg, der allgemein der benachbarten Fläche des
Strömungssteuerkörpers entspricht,
wodurch die Möglichkeit
einer seitlichen Verschiebung und/oder Störung des Fluidsprühnebels
reduziert wird.
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Es
wird bemerkt, dass die Führung
des Fluidsprühnebels
durch die Steuerfläche
des Strömungssteuerkörpers zur
Gleichförmigkeit
in Richtung der Strömung
des Fluidsprühnebels
in die Maschinenverbrennungskammer beiträgt, und dabei anderen Einflüssen, wie
sie oben beschrieben wurden, entgegenwirkt, die Unregelmäßigkeiten
oder Aufspaltung des Fluidsprühnebels
oder Teile desselben hervorrufen könnten. Die Führung des
Fluidsprühnebels
kann auch zur Korrektur von Unterschieden im Sprühnebel oder Störungen desselben
beitragen, die auf Herstellungsunterschieden einschließlich Toleranzänderungen
von Maschine zu Maschine beruhen.
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Die
Erfindung läßt sich
leichter verstehen aus der folgenden Beschreibung einiger praktischer
beispielhafter Anordnungen der Kraftstoffeinspritzdüse, wie
in den begleitenden Figuren dargestellt.
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Es
zeigt:
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1 einen
Teilschnitt eines Kraftstoffeinspritzventils, von welchem ein Strömungssteuerkörper gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung absteht;
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2 einen
Teilschnitt ähnlich
wie 1 einer anderen Ausführungsform des Strömungssteuerkörpers;
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3 einen
Teilschnitt eines Kraftstoffeinspritzventils mit einer anderen Form
des Strömungssteuerkörpers, der
davon absteht;
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4 einen
Teilschnitt ähnlich
der 3 einer anderen Ausführungsform des Strömungssteuerkörpers;
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5 einen
Teilschnitt eines Kraftstoffeinspritzventils, von welchem ein mehrteiliger
Strömungssteuerkörper absteht;
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6 einen
Teilschnitt einer Kraftstoffeinspritzdüse mit einem Strömungssteuerkörper, der
vom Einspritzkörper
derselben gestützt
ist; und
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7 einen
Teilschnitt einer Kraftstoffeinspritzdüse mit einem Strömungssteuerkörper, der
vom Einspritzkörper
derselben getragen wird, um Kraftstoff gegen eine Zündkerze
zu richten.
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Die
in den 1 bis 7 dargestellten und nachfolgend
beschriebenen Kraftstoffeinspritzdüsen und -ventile können in
einen weiten Bereich von Kraftstoffinjektoren eingebaut werden,
welche für
die Abgabe des Kraftstoffs in die Verbrennungskammer einer Maschine
verwendet werden. Typische Former von Injektoren, in welche die
oben beschriebene Düse
eingebaut werden kann, sind in der Internationalen Patentanmeldung
Nr. WO88/07628 und in der US-Patentschrift Nr. 4844339 der Anmelderin
beschrieben.
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Wie
in l zu sehen ist, ist der Körper 10 der
Kraftstoffeinspritzdüse
von allgemein zylindrischer Form mit einem Dornteil 11,
der so ausgebildet und angeordnet ist, dass er in eine Bohrung in
einem damit zusammenwirkenden Teil einer vollständigen Kraftstoffeinspritzeinheit
aufgenommen wird. Ein Ventilorgan 13, das so ausgebildet
und angeordnet ist, dass es mit dem Düsenkörper 10 zusammenwirkt,
besitzt einen Ventilkopf 14 und einen Ventilschaft 15.
Der Schaft 15 hat einen Führungsteil 18, der
in einer Bohrung 12 des Körpers 10 axial gleitend
ist. Der Schaft 15 ist hohl, so dass der Kraftstoff durch
diesen ausgegeben werden kann, und Öffnungen 16 sind vorgesehen
in der Wand des Schaftes 15, um den Durchtritt des Kraftstoffs
vom Inneren des Schaftes 15 in die Bohrung 12 zu
ermöglichen.
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Der
Ventilkopf 14 besitzt teilsphärische Form und ist in einer Öffnung 17 aufgenommen,
die in einem Ende des Körpers 10 vorgesehen
ist und mit der Bohrung 12 in Verbindung steht. Die Wand
der Öffnung 17 besitzt
Kegelstumpfform und liegt am Ventilkopf 14 längs der
Auflagelinie 20 an, wenn das Ventil 13 sich in
der geschlossenen Stellung befindet. Ein Strömungssteuerkörper 30 ist
einstückig
mit dem Kopf 14 des Ventils 13 gebildet und ist
mit diesem durch einen Halsteil 31 verbunden, der eine
wesentlich verringerte Querschnittsfläche aufweist verglichen mit
dem größeren Teil
des Strömungssteuerkörpers 30,
um Wärmeströmung vom
Strömungssteuerkörper 30 in
das Ventil 13 und den Einspritzkörper einzuschränken und
dadurch die Temperatur des Strömungssteuerkörpers 30 zu
erhöhen,
wie obere beschrieben.
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Der
Strömungssteuerkörper 30 besteht
aus zwei Teilen, 36 und 37, die beide Kegelstumpfform
besitzen, wobei der kürzere
Teil 36 an der Halsteil 31 anschließt. Um die
Wärmeströmung vom
Strömungssteuerkörper 30 zur
Düse weiter
einzuschränken,
ist eine zylindrische Höhlung 30b im
Führungsvorsprung 30 ausgebildet.
Demgemäß ist die
verbleibende Wanddicke oder Wärmeübertragungsfläche des
Strömungssteuerkörpers 30 wesentlich
geringer, als sie zur Verfügung
stände,
wenn der Strömungssteuerkörper 30 solide
gebildet wäre.
So wird eine Einschränkung
der Wärmeübertragung
zur Einspritzdüse
in der Umgebung von 30a erzeugt und die Wärmerückhaltung
im Strömungssteuerkörper 30 verbessert.
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Es
wird bemerkt, dass die Höhlung 30b nicht
zylindrisch sein muss, da jede Geometrie der Höhlung 30, welche den
Wärmeleitungsweg
reduziert, angewendet werden kann. Als ein zusätzlicher Vorteil verringert die
Anwesenheit der Höhlung 30b den
Impuls und daher die Auftreffgeschwindigkeit des Ventilorgans 13 beim Schließen und
daher wird die Einspritzsteuerung und die Geräuschverringerung verbessert.
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Der
Durchmesser der Verbindung 32 zwischen den zwei Teilen 36 und 37 des
Strömungssteuerkörpers 30 wird
so gewählt,
dass der aus der Öffnung 17,
wenn sie geöffnet
ist, austretende Kraftstoffsprühnebel einer
Bahn folgt, die an einer Außenfläche 33 des
Strömungssteuerkörpers 30 anliegt.
Der Durchmesser der Verbindung 32 zur Förderung einer Befestigung der
inneren Grenzschicht des austretenden Kraftstoffsprühnebels
zur Außenfläche 33 des
Strömungssteuerkörpers 30,
so dass der Kraftstoffsprühnebel
einer Bahn komplementär
zur Oberfläche 33 folgt,
wird weitgehend experimentell bestimmt. Die Form der Außenfläche 33 kann
so gewählt
werden, dass der Kraftstoff in einer gewünschten Richtung speziell gerichtet
wird, die nicht koaxial ist mit der Einspritzdüse.
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Wenn
die Form der Öffnung 17 und
des Ventilkopfes 14 einen Kraftstoffsprühnebel erzeugen, der von der
Endfläche
der Düse
nach außen
divergiert, kann es erwünscht
sein, den Durchmesser des Strömungssteuerkörpers 30 an
der Verbindungsstelle 32 desselben größer zu machen als den Durchmesser
des Ventilkopfes 14. Der Durchmesser an der Verbindungsstelle 32 muss
jedoch nicht so gewählt
sein, dass er sich in oder durch der Kraftstoffsprühnebel erstreckt,
der aus der Düse
austritt, da dies zu einem Aufbrechen und/oder einer Auswärtsablenkung
des Kraftstoffsprühnebels
entgegen den Zielen der Erfindung führen würde. Ferner kann der Durchmesser
des Kraftstoffsteuerkörpers 30 nahe
der Düse
geringer sein als derjenige des Ventilkopfes 14, da ein
austretender Kraftstoffsprühnebel
nach dem Verlassen der Düse
von Natur aus nach innen zusammenbricht, wie oben erwähnt, und
würde so
in Berührung
mit der Außenfläche 33 des
Strömungssteuerkörpers 30 gebracht.
Ferner wird der axiale Abstand zwischen der Endfläche des
Ventilkopfes 14 und dem Beginn der Außenfläche 33 an der Verbindungsstelle 32 des
Strömungssteuerkörpers 30 so
gewählt,
dass er das Anhaften des austretenden Sprühnebels an der Außenfläche 33 fördert.
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Es
dürfte
für den
Fachmann klar sein, dass die Abmessungen des Strömungssteuerkörpers
30 durch eine
Anzahl von Faktoren einschließlich
der Abmessungen der Einspritzdüse,
der Natur des einzuspritzenden Fluids oder Kraftstoffs und der Geschwindigkeit
und Richtung der Ausgabe aus der Düse beeinflusst werden. Typische
Abmessungen des Strömungssteuerkörpers
30,
wie er in
1 dargestellt ist, werden nachfolgend lediglich
beispielhaft angegeben:
| – Durchmesser
der Kugel, welche die konvexe Ventilfläche bildet | 5,5
mm |
| – Der vom
Ventilsitz eingeschlossene Winkel | 80° |
| – Enddurchmesser
des Strömungssteuerkörpers | 2,5
mm |
| – Unten
vom Strömungssteuerkörper eingeschlossener
Winkel | 40° |
| – Oben vom
Strömungssteuerkörper eingeschlossener
Winkel | 85° |
| – Länge des
Strömungssteuerkörpers | 8,2
mm |
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In 2 ist
eine alternative Ausführungsform
der Einspritzdüse
und des Strömungssteuerkörpers dargestellt,
wobei eine Führungsfläche 27 des
Strömungssteuerkörpers 26 nicht
Kegelstumpfform besitzt, sondern eine verjüngte Form besitzt, die in Längsrichtung
gekrümmt
ist. Anfänglich
besitzt die Fläche 27 eine
nicht konvergierende Form in einem oberen Abschnitt 29 und
bildet sich allmählich
in eine konvergente Form in einem unteren Abschnitt 28 um,
der vom Ventilkopf 23 entfernt ist.
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Es
wird bemerkt, dass die Oberfläche
des Ventilkopfes 23 und die Oberfläche einer damit zusammenwirkenden Öffnung 25 im
Wesentlicher koaxial zueinander liegen und am Ausgabeende der Düse im Wesentlichen
in einer gemeinsamen diametraler Ebene enden, wobei der Kraftstoffsprühnebel oder
die daraus austretende Fahne anfänglich
den divergierenden Abschnitt 29 der Oberfläche 27 berühren und
nachfolgend einen Weg verfolgen, der durch den konvergierenden Abschnitt 28 der
Oberfläche 27 gegen
das untere Ende des Strömungssteuerkörpers 26 zu
bestimmt ist. Zusätzlich
kann eine Anzahl von bogenförmigen
Längsnuten 41 am
Vorsprung 26 vorgesehen werden, wie oben beschrieben. Es
kann irgendeine Anzahl oder Form von Nuten vorgesehen werden.
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Wie
in den 3 und 4 gezeigt, können dreieckige und rechteckige
prismatisch geformte Strömungssteuerkörper 42 bzw. 43 vorgesehen
werden, die vom Ventilorgan 13 der Düse abstehen. Es wird bemerkt,
dass die Strömungssteuerkörper 42, 43 eine
konstante prismatische Oberfläche
in der Axialrichtung des Ventils 13 besitzen. Ferner ist
die Geometrie der Strömungssteuerkörpers 42, 43 in
den 3 bzw. 4 symmetrisch um die Achse des
Ventils 13 dargestellt, es ist jedoch nicht wesentlich,
dass sie symmetrisch oder axial ausgerichtet ist.
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In 5 ist
eine Konstruktion gezeigt, in der ein Strömungssteuerkörper 35 in
Form eines Zapfens 38 mittig aus einer Endfläche 48 eines
Ventilkopfes 39 in Richtung stromabwärts vorsteht, in einem Flanschteil 47 endet
und einen beweglichen toroidförmigen
Ring 50 aufweist, der auf dem Zapfen 38 zwischen
dem Ventilkopf 39 und dem Flanschteil 47 angeordnet
ist. Die Außenfläche 50a des
Rings 50 bildet die Strömungssteuerfläche, an
der der Kraftstoffsprühnebel
oder die Fahne anhaftet und auf einem vorgeschriebenen Weg geführt wird,
wie oben beschrieben.
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Der
Ring 50 hat ein wesentliches Ausmaß an Freiheit, sich in der
Axialrichtung des Zapfens 38 zu verschieben, und bewegt
sich auf diese Weise in Abhängigkeit
von den Bewegungen des Ventilkopfes 39, um eine damit zusammenwirkende Öffnung der
Einspritzdüse
zu öffnen
und zu schließen.
Wenn diese Bewegung eintritt, tritt der Aufprall des Rings 50 entweder
am Flansch 47 oder an der Endfläche 48 des Ventilkopfes 39 auf. Der
Aufprall des Rings 50 verursacht eine Vibration des ganzen
Strömungssteuerkörpers 35,
die ausreicht, um eine Ablösung
darauf sitzender Kohlenstoffniederschläge zu fördern.
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Es
ist eine hohle Ausführungsform
des Dorns 38 und/oder Flansches 47 vorgesehen,
um die Wärmerückhaltung
im Strömungssteuerkörper 35 zu
maximieren. Auch können
bewegliche Teile anderer Geometrie als derjenigen des toroidförmigen Rings 50 verwendet
werden. Zusätzlich
können
der Ring 50, der Dorn 38 und der Flansch 47 aus
Materialien anderer Wärmeleitfähigkeit
oder Dichte hergestellt werden, um die Wärmerückhaltung oder Schwingungseigenschaften
des Strömungssteuerkörpers 35 zu
verändern.
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Bei
allen bisher beschriebener Ausführungsformen
kann der Strömungssteuerkörper aus
schlecht wärmeübertragendem
Material hergestellt werden, insbesondere einem Material mit einer
niedrigeren Wärmeübertragungsrate
als der rostfreie Stahl, der normalerweise für das Ventil einer Kraftstoffeinspritzdüse verwendet
wird.
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6 zeigt
eine Konstruktion, bei der ein Strömungssteuerkörper 61 am
stromabwärts
gelegenen Ende eines Arms 60 angeordnet ist, der sich von
einer Endfläche 70 des
Zapfenteils 11 erstreckt, wie oben in 1 beschrieben.
Der Arm 60 ist so ausgebildet, dass er das Austreten von
Kraftstoff aus der Öffnung 17 nicht
verhindert, jedoch sicherstellt, dass der aus der Düse, wenn
sie geöffnet
ist, austretende Kraftstoffsprühnebel
einem auf der Außenfläche 61a des
Strömungssteuerkörpers 61 beruhenden
Bahn folgt. Wenn gewünscht,
kann der Arm 60 aus einem höher wärmeleitender Material als demjenigen
des Zapfenteils 11 hergestellt werden, so dass die Wärmeübertragung
zum Strömungssteuerkörper 61 sowie
die Wärmerückhaltung in
demselben gefördert
wird.
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Aus 7 ist
zu sehen, dass am Abströmende
eines bogenförmigen
Arms 160 ein Strömungssteuerkörper 161 angeordnet ist,
dessen Achse unter einem Winkel zur Mittelachse eines Ventilorgans 113 steht
und eine Steuerfläche 173 bildet.
Bei Verwendung wird eine Fahne oder ein Sprühnebel von aus der Öffnung 117 austretendem
Kraftstoff in Richtung einer Zündkerze 180 längs der
Steuerfläche 173 geführt.
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Es
ist zu bemerken, dass der Strömungssteuerkörper 61, 161,
wie anhand der 6 oder 7 beschrieben,
entweder mit dem Ventilorgan, dem Düsenkörper selbst, der Zündkerze,
der Zylinderwand oder tatsächlich
mit irgendeiner vorteilhaften Stelle im Zylinderkopf verbunden sein
kann. Die Anordnung stellt keine Beschränkung der vorliegenden Erfindung
dar. Ferner müssen
die Strömungssteuerkörper 61, 161 nicht
in irgendeiner besonderen Weise symmetrisch sein, und sie sind mit
einem hohlen Teil versehen, wie oben beschrieben.
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Die
Erfindung ist auf tellerventilartige Kraftstoffeinspritzdüsen aller
Bauarten anwendbar, aus denen Kraftstoff in Form eines Sprühnebels
oder einer Fahne austritt, einschließlich Einspritzdüsen, bei
denen Kraftstoff alleine eingespritzt wird und bei denen Kraftstoff,
mitgeführt
in einem Gas, wie Luft, eingespritzt wird. Beispiele besonderer
Düsenkonstruktionen,
auf die die Erfindung anwendbar ist, sind in der US-Patentschrift
Nr. 5090625 und der Internationalen Patentanmeldung WO91/11609 der
Anmelderin beschrieben. Auch können die
hier beschriebenen Einspritzdüsen
zum Einspritzen anderer Fluide zusätzlich zu Kraftstoff mit ähnlich vorteilhafter
Steuerung des Fluidsprühnebels
verwendet werden. Ferner kann die erfindungsgemäße Einspritzdüse gleichermaßen in Ventilen
vom Zapfentyp (pintle type) verwendet werden.
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Die
Erfindung ist nicht durch die vorangehende Beschreibung eingeschränkt, und
es können
vom Fachmann andere Abände rungen
entwickelt werden, die in den Umfang der Erfindung fallen, wie er
durch die folgenden Ansprüche
definiert ist. Es wird bemerkt, dass die Erfindung auf Einspritzdüsen anwendbar
ist, die Kraftstoff direkt in die Verbrennungskammer oder in das
Luftzuführsystem
der Maschine liefern, und dass sie sowohl auf Zweitakt- als auf
Viertakt-Maschinen angewendet werden kann. Zusätzlich können die Einspritzdüsen bei
anderen Anwendungen als der Abgabe von Kraftstoff in Verbrennungskraftmaschinen
verwendet werden.