AT414159B

AT414159B - Einspritzdüse

Info

Publication number: AT414159B
Application number: AT12562004A
Authority: AT
Original assignee: Bosch Gmbh Robert
Priority date: 2004-07-22
Filing date: 2004-07-22
Publication date: 2006-09-15
Also published as: ATA12562004A; WO2006007620A1

Description

2

AT 414 159 B

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einspritzdüse für das Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, bei welcher das Öffnen und Schließen der Einspritzquerschnitte durch eine axial entgegen der Kraft einer Feder verschiebliche Düsennadel erfolgt, welche mit Kraftstoffdruck entgegen der Kraft der Feder im Öffnungssinne beaufschlagbar ist. 5

Einspritzdüsen in Injektoren für Common Rail Systeme zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine sind üblicherweise so ausgebildet, dass das Öffnen und Schließen der Einspritzquerschnitte durch eine Düsennadel erfolgt, die mit einem Schaft längsverschieblich in einem Düsenkörper geführt ist. Die Steuerung der Bewegung der Düsennadel io wird über ein Magnetventil vorgenommen. Die Düsennadel wird beidseitig mit dem Kraftstoffdruck und durch eine in Schließrichtung wirkende Druckfeder beaufschlagt. An der Düsennadelrückseite, d.h. der dem Düsennadelsitz abgewandten Seite der Düsennadel ist ein Steuerraum vorgesehen, in welchem Kraftstoff unter Druck die Düsennadel in Schließrichtung beaufschlagt und damit die Düsennadel auf den Nadelsitz bzw. Ventilsitz drückt. 15

Das Steuerventil, welches beispielsweise als Magnetventil ausgebildet sein kann, gibt eine Abflussöffnung oberhalb des Steuerraums frei, sodass der Kraftstoffdruck im Steuerraum sinkt, worauf die Düsennadel entgegen der Kraft der Feder vom auf der anderen Seite anstehenden Kraftstoffdruck von ihrem Sitz abgehoben wird und auf diese Weise dem Durchtritt von Kraftstoff 20 in einen Düsenvorraum und damit zu den Einspritzöffnungen freigibt. Im Interesse verbesserter Emissionswerte ist die geometrische Form des Ventilsitzes, der Nadelspitze und des Sacklochs, in welchem die Einspritzöffnungen vorgesehen sind, von wesentlicher Bedeutung. Das Öff-nungs- und Schließverhalten der Düse bestimmt wesentlich die Russ- und NOX-Emissionen. Im Bereich des Ventilsitzes, des Sacklochs und der Einspritzöffnungen kommt es nach dem Abhe-25 ben der Düsennadel kurzzeitig zu sehr hohen Strömungsgeschwindigkeiten, welche rasch wiederum auf null reduziert werden. Moderne Einspritzsysteme arbeiten mit hohem Einspritzdruck. An bestimmten Stellen, bei welchen ein Unterdrück herrscht, kann es zu Bildung von Gasblasen kommen, wobei in darauf folgenden Überdruckphasen diese Gasblasen implodie-ren. Wenn eine derartige Implosion in der Nähe von Wänden stattfindet, kommt es zu erosiven 30 Abtragungen bzw. Kavitationsschäden an den Bauteilen der Einspritzdüse, welche zum Ausfall der Einspritzdüse führen können.

Bei magnetventilgesteuerten Einspritzdüsen, wie sie beispielsweise bei Common Rail Systemen zum Einsatz gelangen, liegt bereits zu Beginn der Nadelöffnung eine sehr hohe Druckdifferenz 35 zwischen Düsenvorraum und Sackloch vor. Im Düsenvorraum herrscht stets der volle Pumpendruck des Common Rails. Eine derartig hohe Druckdifferenz tritt bei konventionellen Systemen zum Zeitpunkt des Nadelöffnens nicht notwendigerweise auf, da hier der wesentlich niedrigere Öffnungsdruck maßgebend ist. Ein nahezu oder gänzlich von Kraftstoff entleertes Sackloch wird bei konventionellen Systemen mit moderat ansteigendem Druck gefüllt. Bei Common Rail Dü-40 sen treten wesentlich höhere Strahlgeschwindigkeiten im Bereich des Ventilsitzes und im nachfolgenden Bereich des Sacklochs auf, wodurch bei ungünstiger Ausbildung der Nadelspitzen-bzw. der Sacklochgeometrie Kavitationserscheinungen wegen hoher Auftreffgeschwindigkeiten des Kraftstoffstrahls auf die Wände von Bauelementen auftreten. Derartige Erscheinungen sind als Strahlkavitation bekannt. 45

Die Erfindung zielt nun darauf ab, eine Einspritzdüse der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher auch bei hohen Strahlgeschwindigkeiten eine verbesserte Strömungsführung erreicht wird, bei welcher abrupte Umlenkungen und abrupte Geschwindigkeitsänderungen vermieden werden und Aufprallzonen minimiert werden. Zum Einen zielt die Erfindung somit darauf so ab, das Entstehen von Gasblasen zu verhindern und, wenn dies schon nicht vermeidbar ist, eine Implosion in der Nähe der Wand zu verhindern, sodass gegebenenfalls dennoch auftretende Kavitationserscheinungen an Stellen verlegt werden können, welche die Funktion und Lebensdauer der Bauteile nicht oder nur unwesentlich beeinträchtigen. Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemäße Einspritzdüse im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass 55 die Düsennadel an ihrem an den Ventilsitz anschließenden in das die Einspritzöffnungen auf- 3

AT 414 159 B weisende Sackloch eintauchenden Ende wenigstens eine ringförmige Rille oder Nut aufweist. Wesentlich für die erfindungsgemäße Ausbildung ist somit, dass im Anschluss an den Ventilsitz die Düsennadel entsprechende Ausnehmungen aufweist, welche die Oberfläche der Düsennadel in größerem Abstand von Wandbereichen bewegen und eine entsprechende Umlenkung 5 bewirken. Strahlkavitation soll somit bevorzugt, soweit sie sich nicht überhaupt vermeiden läßt, im Bereich der Düsennadel im Anschluss an den Düsennadelsitz, nicht aber im Wandbereich des Sacklochs auftreten, sodass ein hier gegebenenfalls auftretender Verschleiss die sichere Funktion der Düse nicht beeinträchtigt. Diese Ausnehmung kann im Querschnitt gesehen ringförmig oder ringnutförmig sein, wobei es lediglich wesentlich ist, dass das im wesentlichen io kegelförmige Ende der Düsennadel nicht über den gesamten Bereich bis zur Düsenspitze eine einheitliche Kegelfläche ausbildet. Die an den Düsennadelsitz anschließenden Bereiche der Düsennadel sollen somit abweichend vom Grundkegel, wie er dem Bereich der Düsennadel im Nadelsitz entspricht, ausgestaltet sein, um an dieser Stelle entsprechende Modifikationen der Strömung ohne abrupte Umlenkungen und Geschwindigkeitsänderungen zu gewährleisten. 15

In besonders einfacher Weise kann die Ausbildung hierbei so getroffen sein, dass die Nut- oder Rillenflanken von kegelstumpfförmigen Flächen gebildet sind, deren dem Ventilsitz benachbarte Erzeugende einen größeren Winkel einschließen als die den Ventilsitz bildenden Erzeugenden. Wenn an einen im wesentlichen spitzwinkeligen Kegel stumpfwinkelige Kegelflächen anschlie-20 ßen, führt dies zu einem Rücksprung in der Oberfläche der Mantelfläche der Düsennadelspitze und damit de facto zur Ausbildung einer Rille oder Nut. Wenn weiters, wie es einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung entspricht, die Ausbildung so getroffen ist, dass der Grund der Rille bzw. Nut einen Durchmesser aufweist, der etwa 2/3 bis 1/3 des Durchmessers des Ventilsitzes beträgt, wird gleichzeitig sichergestellt, dass eine Umlenkung der über den Ventilsitz herein-25 strömenden Strahlen erst in Abstand vom Öffnungsquerschnitt des Ventilsitzes erfolgt, wodurch bereits eine Vergleichmäßigung der Geschwindigkeit gewährleistet werden kann.

Die die Nut bzw. die Rille begrenzenden Flanken müssen nicht notwendigerweise kegelstumpfförmige Flächen sein. Vielmehr kann der gleiche Effekt naturgemäß auch mit entsprechend 30 verrundeten Flächen erzielt werden, wobei eine bevorzugte Ausbildung darin besteht, dass die an den Ventilsitz anschließende Fläche der Düsennadel als nach Art einer Hohlkehle verrunde-te Fläche ausgebildet ist.

Eine weitere Verbesserung der Strömungsführung und Vergleichmäßigung der Geschwindigkei-35 ten läßt sich dadurch erzielten, dass die Düsennadelspitze abgestumpft ausgebildet ist und in einem axialen Abstand von der Ebene des Ventilnadelsitzes liegt, welcher kleiner ist als der axiale Abstand des gedachten Schnittpunktes der Erzeugenden der Ventilsitzfläche von der genannten Ebene, wobei vorzugsweise die Ausbildung so getroffen ist, dass der Grund der Rille oder Nut in einem axialen Abstand von der Ventilsitzfläche liegt, welche 1/10 bis 1/3 des Durch-40 messers des Ventilnadelsitzes beträgt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Beispielen nach dem Stand der Technik und Ausführungsbeispielen einer erfindungsgemäßen Modifikation der Düsennadel näher erläutert. In dieser zeigen Fig.1 einen Querschnitt durch eine Einspritzdüse 45 konventioneller Bauart, Fig.2 ein vergrößertes Detail des Düsennadelsitzes bei einer derartigen Ausbildung und Fig.3 eine abgewandelte Ausbildung des Sacklochs und des Düsennadelsitzes entsprechend dem Stand der Technik. In Fig.4 bis Fig.10 sind nun abgewandelte Ausbildungen der Düsennadelspitze entsprechend dem erfindungsgemäßen Vorschlag dargestellt. so In Fig.1 ist eine Düsennadel 1 ersichtlich, welche längsverschieblich in einem Düsenkörper 2 geführt ist. Die Düsennadel 1 wird an ihrer Vorder- und Rückseite mit Kraftstoffdruck sowie durch eine in Schließrichtung wirkende Druckfeder 3 beaufschlagt. Die Druckfeder 3 wird mit Vorspannung zwischen einer Auflagefläche am Umfang der Düsennadel 1 und einer Steuerhülse 4 angeordnet, welche sich an einer nicht mehr dargestellten Zwischenplatte abstützt. An der 55 Düsennadelrückseite befindet sich ein Steuerraum 5, der in der Schließstellung der Düsennadel 4

AT 414 159 B 1 mit Kraftstoffdruck beaufschlagt ist und damit die Düsennadel 1 auf den Ventilsitz 6 presst.

Zum Öffnen der Düsennadel 1 wird durch ein nicht dargestelltes Steuerventil eine Abflussöffnung oberhalb des Steuerraums 5 freigegeben, sodass der Kraftstoffdruck im Steuerraum 5 5 sinkt und die Düsennadel 1 aufgrund des auf ihre Druckschulter wirkenden Kraftstoffdrucks von ihrem Ventilsitz 6 entgegen der Kraft der Feder 3 abhebt. Dem unter Druck stehenden Kraftstoff wird auf diese Weise der Weg aus einem Düsenvorraum durch den nun geöffneten Ventilsitz 6 in ein die Einspritzöffnungen 8 tragendes Sackloch 9 freigegeben, wodurch der Brennstoff über die Einspritzöffnungen in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann, io Das Volumen des Sacklochs 9 soll möglichst klein gehalten werden, um Kohlenwasserstoffemissionen des Motors minimal zu halten. Bei der vergrößerten Darstellung nach Fig.2 ist ersichtlich, dass nach einem Abheben der Düsennadel von ihrem Düsennadelsitz 6 im Bereich der Wand der in diesem Falle zylindrischen Ausbildung des Sacklochs kurzfristig Unterdrück entstehen kann, sodass die mit 10 bezeichneten Bereiche besonders anfällig für Kavitationser-15 scheinungen sind. Bei der Ausbildung des Sacklochs nach Fig.3 wird eine andere geometrische Form gewählt, mit der aber immer noch die Gefahr besteht, dass nach dem Abheben der Düsennadel 1 von ihrem Düsennadelsitz 6 Kavitationserscheinungen in dem mit 11 bezeichneten Bereich entstehen. 20 Die Fig.4 zeigt nun eine erste erfindungsgemäße Ausbildung der Düsennadel, bei welcher anschließend an einen Bereich 12, welcher mit dem Düsennadelsitz 6 zusammenwirkt, zunächst eine Verminderung der Kraftstoffgeschwindigkeit und damit eine bessere Umlenkung in Richtung der Einspritzöffnungen dadurch bewirkt wird, dass Kegelstumpfflächen 13 mit wesentlich größerem Öffnungswinkel des Kegels gegenüber dem Öffnungswinkel der Kegelstumpfflä-25 chen 12 ausgebildet werden, sodass hier ein Rücksprung von der gedachten Oberfläche, wie sie durch die gestrichelte Linie 14 angedeutet ist, nach Art einer ringförmigen Nut ausgebildet wird. Der Nutgrund 15 ist hier als der Schnittlinie der beiden Kegelstumpfflächen 13 und 16 definiert, wobei die anschließende Kegelstumpffläche 16 wiederum einen wesentlich spitzeren Öffnungswinkel einschließt, sodass sie im Querschnitt eine Rille oder ringförmige Nut ergibt. 30 Insgesamt endet die Düsennadel in einer Stirnfläche 17 und ist auf diese Weise abgestumpft ausgebildet. Die Flächen 13 und 16 führen zu einer wirkungsvollen Verminderung der Kraftstoffgeschwindigkeit und zu einer Verbesserung der Umlenkung und damit zu einer wesentlichen Verringerung von möglichen Kavitiatioserscheinungen im Bereich der Wände des Sacklochs 9, in welche diese Düsennadel eintaucht. Dem Auftreten von Kavitationen im Bereich des 35 Sacklochs wird auf diese Weise wirkungsvoll entgegengetreten, wobei die von den Erzeugenden der Kegelstumpfflächen eingeschlossenen Winkel in dem an den Ventilsitz anschließenden Bereich mit Vorteil zwischen 90° und 170°, und insbesondere 120°, gewählt werden, wohingegen der von der Nadelspitze ausgehende Kegelstumpf einen Öffnungswinkel von 20° bis 50° aufweisen kann. Wie in Fig. 5 dargestellt, kann nun der Übergang zwischen diesen beiden 40 Kegelstumpfflächen und damit der Nutgrund verrundet nach Art einer Hohlkehle ausgebildet werden, wobei dieser verrundete Flächenbereich mit 18 bezeichnet wurde. Ebenso ist es, wie in Fig.6 dargestellt, möglich, anstelle des ersten stumpfkegeligen Abschnitts 13 eine in radialer Richtung einwärts springende ebene Fläche 19 vorzusehen, an welche sich ein verrundeter Bereich 20 anschließt, welcher wiederum in die Kegelstumpfflächen 16 übergeht. 45

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Düsennadelspitze ist in Fig.7 dargestellt. Hier wird zur Verminderung der Kraftstoffgeschwindigkeit und Verbesserung der Umlenkung in Richtung der Einspritzöffnungen in einem Abstand von etwa 1/10 bis 1/3 des Durchmessers a des Nadelsitzes vom Nadelsitz an ein zylindrischer Ansatz 21 ausgebildet, dessen Durchmesser etwa 1/3 so bis 2/3 des Nadelsitzdurchmessers a beträgt. Wandnahe Implosionen von Gasblasen werden auf diese Weise gleichfalls wirkungsvoll verhindert. Bei der Darstellung nach Fig.8 werden im Prinzip die Kegelstumpfflächen 12, 13 und 16 analog der Ausbildung nach Fig.4 gestaltet. Abweichend von der Ausbildung nach Fig.4 ist allerdings die stirnseitige ebene Fläche wiederum von einer Kegelspitze gebildet, deren Mantelflächen mit 22 bezeichnet sind. Die Fig.9 entspricht 55 wiederum im wesentlichen der Ausbildung nach Fig.5, wobei hier wiederum anstelle der ebenen

Claims

5 AT 414 159 B Stirnfläche 17 die bereits in Fig.8 ersichtliche kegelförmige Ausbildung mit den Mantelflächen 22 vorgesehen ist. Bei der Ausbildung nach Fig.10 geht die Wand der Düsennadel im Anschluss an die kegel-5 stumpfförmige Sitzfläche unmittelbar in einen bis zur Nadelspitze durchgehenden gekrümmten Bereich nach Art einer Hohlkehle über, welcher hier mit 23 bezeichnet ist. Bei dieser Ausbildung wurde wiederum eine ebene Stirnfläche 17 als Abschluss der Düsennadel im Inneren des Sacklochs gewählt. io Die dargestellten Geometrien der Düsennadel sind in keiner Weise auf magnetventilgesteuerte Einspritzdüsen beschränkt. Sie bewähren sich allgemein bei Einspritzdüsen von Common Rail Systemen, bei welchen hohe Einspritzdrücke vorgesehen sind, und insbesondere auch bei Ausbildungen mit Piezostellern. 15 Patentansprüche: 1. Einspritzdüse für das Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, bei welcher das Öffnen und Schließen der Einspritzquerschnitte durch eine axial ent- 20 gegen der Kraft einer Feder verschiebliche Düsennadel erfolgt, welche mit Kraftstoffdruck entgegen der Kraft der Feder im Öffnungssinne beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (1) an ihrem an den Ventilsitz (6) anschließenden in das die Einspritzöffnungen (8) aufweisende Sackloch (9) eintauchenden Ende wenigstens eine ringförmige Rille oder Nut aufweist. 25
2. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut- oder Rillenflanken von kegelstumpfförmigen Flächen (13,16) gebildet sind, deren dem Ventilsitz (6) benachbarte Erzeugende einen größeren Winkel einschließen als die den Ventilsitz (4) bildenden Erzeugenden (14). 30
3. Einspritzdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grund (15) der Rille bzw. Nut einen Durchmesser auh/veist, der etwa 2/3 bis 1/3 des Durchmessers des Ventilsitzes (6) beträgt.
4. Einspritzdüse nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die an den Ventil sitz (6) anschließende Fläche der Düsennadel (1) als nach Art einer Hohlkehle verrundete Fläche (18) ausgebildet ist.
5. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dü- 40 sennadelspitze abgestumpft ausgebildet ist und in einem axialen Abstand von der Ebene des Ventilnadelsitzes (6) liegt, welcher kleiner ist als der axiale Abstand des gedachten Schnittpunktes der Erzeugenden der Ventilsitzfläche (12) von der genannten Ebene.
6. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Grund 45 (15) der Rille oder Nut in einem axialen Abstand von der Ventilsitzfläche (12) liegt, welche 1/10 bis 1/3 des Durchmessers des Ventilnadelsitzes (6) beträgt. Hiezu 6 Biaft Zeichnungen 50 55