AT511731B1 - Kavitationsoptimierte drosselbohrungen - Google Patents

Abstract

Bei einer Einspritzdüse (1) zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine umfassend eine axial verschiebliche Düsennadel (6), welche zur Steuerung ihrer Öffnungs- und Schließbewegung von dem in einem mit Kraftstoff gefüllten Steuerraum (12) herrschenden Druck in axialer Richtung beaufschlagbar ist, wobei der Steuerraum (12) mit einer eine Zulaufdrossel (15) aufweisenden Zuleitung (24) und einer eine Ablaufdrossel (20) aufweisenden Ableitung (23) in Verbindung steht und wenigstens ein den Zu- oder Ablaufkanal öffnendes oder schließendes Steuerventil (16) vorgesehen ist, mit dem der Druck im Steuerraum (12) gesteuert wird, weist die Zulauf- und/ oder die Ablaufdrossel (15,20) einen sich über wenigstens eine Teillänge der Drossel (15,20) erstreckenden Abschnitt mit sich in Durchflussrichtung verringerndem Querschnitt auf und die Einlaufkante (25) der Zulauf- bzw. Ablaufdrossel (15,20) ist verrundet (26) ausgebildet.

Description

österreichisches Patentamt AT 511 731 B1 2014-10-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Einspritzdüse zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine umfassend eine axial verschiebliche Düsennadel, welche zur Steuerung ihrer Öffnungs- und Schließbewegung von dem in einem mit Kraftstoff gefüllten Steuerraum herrschenden Druck in axialer Richtung beaufschlagbar ist, wobei der Steuerraum mit einer eine Zulaufdrossel aufweisenden Zuleitung und einer eine Ablaufdrossel aufweisenden Ableitung in Verbindung steht und wenigstens ein den Zu- oder Ablaufkanal öffnendes oder schließendes Steuerventil vorgesehen ist, mit dem der Druck im Steuerraum gesteuert wird.

[0002] Derartige auch als Injektoren bezeichnete Vorrichtungen werden häufig für Common-Rail-Systeme zum Einspritzen von Dieselkraftstoffen in den Brennraum von Dieselmotoren verwendet und 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 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. den Ventilsitz drückt.

[0003] Das Steuerventil, welches beispielsweise als Magnetventil ausgebildet sein kann, gibt eine vom Steuerraum wegführende Ableitung frei, sodass der Kraftstoffdruck bei Betätigung des Steuerventils 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 den Durchtritt von Kraftstoff zu den Einspritzöffnungen freigibt. Die Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel wird durch den Unterschied zwischen dem Durchfluss in der Zuleitung zu dem Steuerraum und dem Durchfluss in der Ableitung aus dem Steuerraum bestimmt, wobei sowohl in der Zu- als auch in der Ableitung eine Drossel eingeschaltet ist, welche den maximalen Durchfluss jeweils bestimmt.

[0004] Die Düsennadel wird somit durch Druckdifferenzen zwischen dem Steuerraum und dem Hochdruckraum oberhalb des Düsensitzes bewegt. Der Steuerraum ist entweder direkt mit der Düsennadel in Verbindung oder es kann auch ein Stellglied dazwischengeschaltet werden. Beim Öffnen des Steuerventils wird ein Massenstrom über die Zulaufdrossel(n) vom Rail zum Steuerraum und weiter über die Ablaufdrossel(n) zum geöffneten Steuerventil realisiert. Von dort aus mündet dieser Massenstrom in der Regel in den Leckagekreislauf. Der Druckabfall wird dadurch realisiert, dass durch die Zulaufdrossel ein geringerer Massestrom stattfindet als durch die Ablaufdrossel. Damit fällt der Druck im Steuerraum gegenüber dem Hochdruckraum und die Düsennadel wird von Ihrem Sitz gehoben und die Einspritzung beginnt, sobald ein Kräfteungleichgewicht in Richtung des Öffnens der Nadel herrscht.

[0005] Gestaltet man nun die Massenströme über die Zu- bzw. Ablaufdrosseln so unterschiedlich, dass der Druck im Steuerraum sehr weit abfällt, kann man ein sehr rasches Nadelöffnen realisieren. Es kommt jedoch auf Grund der Druckdifferenz zu Dampfdruckunterschreitungen bereits innerhalb der Länge der Zulaufdrosselbohrung und in weiterer Folge zu Kavitationsschäden innerhalb der Zulaufdrossel. Bei der Ablaufdrossel wird mehr oder weniger gegen den maximal wenige Bar betragenden Leckagedruck abgesteuert. Bei sehr hohen Systemdrücken und damit hohen Steuerraumdrücken kann es hier ebenfalls zu Kavitationsschäden innerhalb der Ablaufdrossel kommen.

[0006] Diese Schäden verändern wiederum den Massendurchsatz durch die geschädigten Drosseln und damit die Druckverhältnisse im Steuerraum und in weiterer Folge die Öffnungscharakteristik.

[0007] Das Dokument DE 102005060663 A1 offenbart eine Pumpe-Düse-Einrichtung für eine Brennkraftmaschine, bei der ein Steuerraum zum Einsatz gelangt, an den eine Ablauf- und eine 1 /8 österreichisches Patentamt AT 511 731 B1 2014-10-15

Zulaufdrossel angeschlossen ist.

[0008] Das Dokument DE 102009046373 A1 offenbart einen Kraftstoffinjektor, umfassend einen Steuerraum, eine Zulauf- sowie eine Ablaufdrossel.

[0009] Das Dokument WO 2006/029927 beschreibt eine Einspritzdüse, umfassend eine Düsennadel, einen mit der Düsennadel zusammenwirkenden Steuerraum, eine Zulaufdrossel sowie eine Ablaufdrossel und ein Steuerventil.

[0010] Das Dokument US 2002/0185111 beschreibt eine Einspritzdüse, umfassend eine Steuerkammer, die mit einer Zu- bzw. Ablaufdrossel zusammenwirkt.

[0011] Die vorliegende Erfindung zielt daher darauf ab, Kavitationsschäden zu verringern oder sogar ganz zu vermeiden.

[0012] Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Einspritzdüse der eingangs genannten Art erfin-dungsgemäß im Wesentlichen derart weitergebildet, dass die Zulauf- und/oder die Ablaufdrossel einen sich über wenigstens eine Teillänge der Drossel erstreckenden Abschnitt mit sich in Durchflussrichtung verringerndem Querschnitt aufweist und dass die Einlaufkante der Zulauf-bzw. Ablaufdrossel verrundet ausgebildet ist, wobei der Abschnitt mit sich in Durchflussrichtung verringerndem Querschnitt konisch ausgebildet ist. Die Erfindung bezieht sich somit auf die Formgebung der Drosselbohrungen. Gegenüber der herkömmlichen Form einer nahezu zylindrischen Drosselbohrung ist diese konisch, d.h. sich in Durchflussrichtung verjüngend, und mit einer Verrundung der Einlaufkante ausgeführt, so dass über die Länge der Drosselbohrung jedenfalls der Dampfdruck nicht unterschritten wird und sich so eine kavitationsfreie Strömung einstellt. Die Verrundung an der Einlaufkante und die Konizität bewirken beide eine Verringerung der Kavitationsneigung und haben dabei eine komplementäre Wirkung. Bei größerer Ein-laufverrundung kann die Konizität zurückgenommen werden und bei kleinerer Einlaufverrun-dung wird eine größere Konizität benötigt, um jeweils oberhalb des kritischen Dampfdruckes zu bleiben.

[0013] Die Strömungsverhältnisse am Einlauf in die Drosselbohrung können hinsichtlich des Kavitationsproblems wie folgt dargestellt werden. Kavitationsgebiete entstehen meist an den Stellen, wo der statische Druck in einem Strömungsfeld minimal, die Geschwindigkeit nach der Bernoulli-Gleichung demnach maximal ist. Diese wird im Bereich des engsten Strömungsquerschnitts erreicht, der sich unmittelbar nach der Einlaufkante zur Drosselbohrung befindet. Neben hohen Geschwindigkeiten führen auch starke Umlenkungen der Strömung zu hohen Druckverlusten. Um Fluidteilchen trotz ihrer Trägheit auf einer gekrümmten Bahn zu halten, ist nämlich ein Druckgradient erforderlich. Somit ist der statische Druck auf der Innenseite der Kurve, d.h. auf der Seite der strömungsführenden Wand, geringer als auf deren Außenseite.

[0014] Kavitationsgebiete findet man bei den genannten Drosselbohrungen daher vorwiegend in der Nähe des Drosselbohrungseinlaufs. Da diese Kavitationsfilme von den Rändern des Strömungsgebiets ausgehen, bildet sich in der Drosselbohrung eine Verengung des durchströmten Querschnitts aus. Weiter stromabwärts legt sich die Strömung wieder an die Wand der Drosselbohrung an und nimmt den kompletten zur Verfügung stehenden Querschnitt ein. Der statische Druck steigt wieder auf das Niveau des Gegendrucks und die Strömungsgeschwindigkeit sinkt entsprechend. Bei ausreichend starker Unterschreitung des kritischen Drucks können die Kavitationsfilme jedoch auch den Austritt der Drosselbohrung erreichen. Bei der erfindungsgemäß erreichbaren kavitationsfreien Durchströmung der Drosselbohrung kann sich durch Ablösung im Einlaufbereich ebenfalls eine leicht Eischnürung des Strömungsquerschnitts ergeben. Dabei ist der Druckverlust jedoch nicht groß genug, um den kritischen Wert zu unterschreiten.

[0015] Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Querschnitt der Zulauf- und/oder der Ablaufdrossel sich in Durchflussrichtung stetig verringert. Dies hat besonders günstige Strömungsverhältnisse zur Folge.

[0016] Mit Vorteil ist die Querschnittsverringerung lediglich in einem an die verrundete Einlauf- 2/8 österreichisches Patentamt AT 511 731 B1 2014-10-15 kante unmittelbar anschließenden Teilabschnitt der Zulauf- und/oder Ablaufdrossel vorgesehen.

[0017] Bevorzugt weist die Verrundung der Einlaufkante einen Krümmungsradius von 50μιη bis ΙΟΟμπΊ auf.

[0018] Bevorzugt beträgt die Konizität des mit sich verringerndem Querschnitt ausgebildeten Abschnitts der Zulauf- bzw. Ablaufdrossel 10μιη bis 30μιη.

[0019] Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In dieser zeigen Fig. 1 und Fig. 2 den grundsätzlichen Aufbau eines Injektors für ein Common-Rail-Einspritzsystem von großen Dieselmotoren und Fig. 3 eine Detailansicht der Zu- oder Ableitung mit Drossel.

[0020] Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Injektor 1 umfassend einen Injektorkörper 2, einen Ventilkörper 3, eine Zwischenplatte 4 und eine Injektordüse 5, welche durch eine Düsenspannmutter 6 zusammengehalten werden. Die Injektordüse 5 umfasst eine Düsennadel 7, welche im Düsenkörper der Injektordüse 5 längsverschieblich geführt ist und mehrere Freiflächen aufweist, durch welche aus dem Düsenvorraum 8 Kraftstoff zur Nadelspitze strömen kann. Bei der Öffnungsbewegung der Düsennadel 7 wird der Kraftstoff über mehrere Einspritzöffnungen 9 in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.

[0021] An der Düsennadel 7 befindet sich ein Bund, an welchem sich eine Druckfeder 10 abstützt, die mit ihrem oberen Ende eine Steuerhülse 11 gegen die Unterseite der Zwischenplatte 4 drückt. Die Steuerhülse 11, die obere Stirnfläche der Düsennadel 7 und die Unterseite der Zwischenplatte 4 begrenzen einen Steuerraum 12. Der im Steuerraum 12 herrschende Druck ist für die Steuerung der Bewegung der Düsennadel maßgeblich. Über die Kraftstoffzulaufbohrung 13 wird der Kraftstoffdruck einerseits im Düsenvorraum 8 wirksam, wo er über die Druckschulter der Düsennadel 7 eine Kraft in Öffnungsrichtung der Düsennadel 7 ausübt. Anderseits wirkt er über den Zulaufkanal 14 und die eine Zulaufdrossel 15 aufweisende Zuleitung 24 im Steuerraum 12 und hält, unterstützt von der Kraft der Druckfeder 10, die Düsennadel 7 in ihrer Schließstellung.

[0022] Mit dem Ansteuern des Elektromagneten 16 wird der Magnetanker 17 samt der mit ihm verbundenen Ventilnadel 18 angehoben und der Ventilsitz 19 des Steuerventils geöffnet. Der Kraftstoff aus dem Steuerraum 12 strömt durch die eine Ablaufdrossel 20 aufweisende Ableitung 23 und den offenen Ventilsitz 19 in den drucklosen Ablaufkanal 21, was mit dem Absinken der hydraulischen Kraft auf die obere Stirnfläche der Düsennadel 7 zum Öffnen der Düsennadel 7 führt. Der Kraftstoff gelangt nun durch die Einspritzöffnungen 9 in den Brennraum des nicht dargestellten Motors. Im geöffneten Zustand der Injektordüse 5 fließt gleichzeitig Hochdruckkraftstoff durch die Zulaufdrossel 15 in den Steuerraum 12 zu und über die Ablaufdrossel 20 eine etwas größere Menge ab. Dabei wird die sogenannte Steuermenge drucklos in den Ablaufkanal 21 abgeführt, also zusätzlich zur Einspritzmenge aus dem Rail entnommen. Die Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel 7 wird durch den Durchflussunterschied zwischen Zu-und Ablaufdrossel 15 und 20 bestimmt.

[0023] Bei Beendigung der Ansteuerung des Elektromagneten 16 wird der Magnetanker 17 durch die Kraft der Druckfeder 22 nach unten gedrückt und die Ventilnadel 18 verschließt über den Ventilsitz 19 den Ablaufweg des Kraftstoffs durch die Ablaufdrossel 20. Über die Zulaufdrossel 15 wird im Steuerraum 12 wieder der Kraftstoffdruck aufgebaut und erzeugt eine Schließkraft, welche die hydraulische Kraft auf die Druckschulter der Düsennadel 7 vermindert um die Kraft der Druckfeder 10, übersteigt. Die Düsennadel 7 verschließt den Weg zu den Einspritzöffnungen 9 und beendet den Einspritzvorgang.

[0024] In Fig. 3 ist nun die Zulaufdrossel 15 vergrößert und schematisch dargestellt. Der Zuleitungsabschnitt 24 weist einen Durchmesser D1 auf, der einem Vielfachen des Durchmessers D2 der Zulaufdrossel 15 entspricht. Typischerweise entspricht der Durchmesser D1 dem 2- bis 4-fachen des Durchmessers D2. Der Zuleitungsabschnitt verjüngt sich bei 27 in Richtung zur Zulaufdrossel 15 kontinuierlich, wobei ein gekrümmter Wandbereich ausgebildet wird. Am Übergang des Zuleitungsabschnittes 24 zur Zulaufdrossel 15 befindet sich die strichliert darge- 3/8 österreichisches Patentamt AT 511 731 B1 2014-10-15 stellte Zulaufkante 25. Diese Zulaufkante ist wie bei 26 dargestellt erfindungsgemäß verrundet ausgebildet. Die Zulaufdrossel 15 weist im Anschluss an die Verrundung 26 eine Verjüngung auf, sodass sich der Durchmesser von D2 auf D3 verringert.

[0025] Die Ablaufdrossel 20 kann in herkömmlicher Weise ausgebildet sein. Alternativ kann die Ablaufdrossel so ausgebildet sein wie dies in Fig. 3 anhand der Zulaufdrossel 15 gezeigt wurde. 4/8

Claims (5)

1. österreichisches Patentamt AT 511 731 B1 2014-10-15 Patentansprüche 1. Einspritzdüse zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine umfassend eine axial verschiebliche Düsennadel (6), welche zur Steuerung ihrer Öffnungsund Schließbewegung von dem in einem mit Kraftstoff gefüllten Steuerraum (12) herrschenden Druck in axialer Richtung beaufschlagbar ist, wobei der Steuerraum (12) mit einer eine Zulaufdrossel (15) aufweisenden Zuleitung (24) und einer eine Ablaufdrossel (20) aufweisenden Ableitung (23) in Verbindung steht und wenigstens ein den Zu- oder Ablaufkanal öffnendes oder schließendes Steuerventil (16) vorgesehen ist, mit dem der Druck im Steuerraum (12) gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Zulauf- und/oder die Ablaufdrossel (15, 20) einen sich über wenigstens eine Teillänge der Drossel (15, 20) erstreckenden Abschnitt mit sich in Durchflussrichtung verringerndem Querschnitt aufweist und dass die Einlaufkante (25) der Zulauf- bzw. Ablaufdrossel (15, 20) verrundet (26) ausgebildet ist, wobei der Abschnitt mit sich in Durchflussrichtung verringerndem Querschnitt konisch ausgebildet ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Zulauf-und/oder der Ablaufdrossel sich in Durchflussrichtung stetig verringert.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverringerung lediglich in einem an die verrundete Einlaufkante (26) unmittelbar anschließenden Teilabschnitt der Zulauf- und/oder Ablaufdrossel (15, 20) vorgesehen ist.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verrundung (26) der Einlaufkante einen Krümmungsradius von 20pm bis 200pm aufweist.
5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Konizität des mit sich verringerndem Querschnitt ausgebildeten Abschnitts der Zulauf- bzw. Ablaufdrossel 5pm bis 120pm beträgt. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen 5/8