AT512423A1

AT512423A1 - Einspritzdüse zum einspritzen von medien in den brennraum einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: AT512423A1
Application number: AT1592012A
Authority: AT
Original assignee: Bosch Gmbh Robert
Priority date: 2012-02-07
Filing date: 2012-02-07
Publication date: 2013-08-15
Also published as: WO2013117978A1

Abstract

Bei einer Einspritzdüse (2) zum Einspritzen von Medien in einen Brennraum, insbesondere von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, umfassend einenDüsenkörper mit einer Spritzlöcher (17) aufweisenden Düsenspitze und ein im Düsenkörper axial verschieblich geführtes Schließglied, das zwischen einer die Spritzlöcher (17) verschließenden und einer die Spritzlöcher (17) freigebenden Lage verschiebbar ist, wobei die Spritzlöcher (17) sich in Durchflussrichtung (27) verjüngen, ist der Spritzlocheinlauf (23) abgerundet ausgebildet.

Description

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Die Erfindung betrifft eine Einspritzdüse zum Einspritzen von Medien in einen Brennraum, insbesondere von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, umfassend einen Düsenkörper mit einer Spritzlöcher aufweisenden Düsenspitze und ein im Düsenkörper axial verschieblich geführtes Schließglied, das zwischen einer die Spritzlöcher verschließenden und einer die Spritzlöcher freigebenden Lage verschiebbar ist, wobei die Spritzlöcher sich in Durchflussrichtung verjüngen.

Einspritzdüsen sind in verschiedenen Ausbildungen und für verschiedene Einsatzgebiete bekannt. Einspritzdüsen werden in der chemischen Industrie beispielsweise zum Aus- oder Aufbringen von verschiedenen Substanzen, wie z.B. Geruchsoder Geschmacksstoffen verwendet. Einspritzdüsen sind auch zum Einspritzen von Brennstoffen in einen Brennraum weit verbreitet, wobei insbesondere die Hochdruckeinspritzung von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine zu nennen ist.

Kraftstoffeinspritzdüsen bestehen aus dem Düsenkörper und einem Schließglied, wie z.B. der Düsennadel, die beide aus hochwertigem Stahl hergestellt sind. Die Düsennadel ist axial verschiebbar in dem Düsenkörper angeordnet und weist an ihrem brennraumseitigen Ende eine konische Ventildichtfläche auf. Mit dieser konischen Ventildichtfläche wirkt die Düsennadel mit einer an einem geschlossenen Ende einer Bohrung im Düsenkörper angeordneten konischen Ventilsitzfläche zusammen, wobei an der Berührungslinie zwischen Ventildichtfläche und Ventilsitzfläche ein Dichtquerschnitt gebildet wird. Diesem Dichtquerschnitt sind in KraftstoffStrömungsrichtung stromabwärts Spritzlöcher nachgeordnet, die in der Wand des • · · · · · · #· · « • · · t ♦ · ♦ « · • · * · · · ··· · *·*♦·♦ · · · .......1....... Düsenkörpers angeordnet sind und die ausgehend von der Bohrung im Düsenkörper an dessen Außenmantelfläche münden und dabei in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragen. Dabei können diese Spritzlöcher beispielsweise konisch ausgebildet sein, wobei sich der Querschnitt der Spritzlöcher von einem relativ großen Durchmesser am Kraftstoffeintritt zu einem relativ kleinen Durchmesser am Kraftstoffaustritt gleichmäßig konisch verringert.

Oben beschriebene Lochdüsen kommen in direkt einspritzenden Dieselmotoren, insbesondere bei Common-Rail-Systeraen zum Einsatz, wo sie den unter sehr hohem Druck befindlichen Kraftstoff in einem scharfen Einspritzstrahl auf die Wände der gegenüberliegenden Kolbenmulde zerstäuben. Der Düsenkörper weist in der Regel mehrere Spritzlöcher auf, die im Inneren der Düse einen gleichmäßigen Lochkreis auf dem Mantel eines Kegels bilden. Je nach Motor liegt die Anzahl der Spritzlöcher zwischen 5 (bei PKWs) bis zu 14 (bei Großdieselmotoren). Der Lochdurchmesser variiert zwischen 0,15 mm (bei PKWs) und 0,4 mm (bei Großdieselmotoren). Die Spritzlochanzahl, der Spritzlochwinkel und die Spritzlochgröße sowie die Strömungsverhältnisse an den Düsenlöchern beeinflussen den Einspritzstrahl und dessen Zerstäubung. Das jeweilige Spritzbild bestimmt gemeinsam mit anderen Faktoren, wie z.B. der Einspritzmenge, dem Einspritzdruck, dem Druckverlauf, der Brennraumgeometrie, dem Kompressionsdruck und der Kompressionstemperatur die Verbrennungsqualität bei der Verbrennung des Dieselkraftstoffs.

Die Spritzlöcher sind sehr hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Bei Angriff von Verschleißmechanismen, wie z.B. • · I · * ·♦ ·

Kavitation oder Partikelerosion kann es zu einem raschen Verschleißfortschritt und dadurch zu Veränderungen der Einspritzstrahlform, der Strahlausbreitung oder auch des Massendurchsatzes kommen. Diese Veränderungen können neben dem Überschreiten von gesetzlichen Emissionslimits durchaus auch zu Motorschäden und damit zum Ausfall führen. Um diese Folgeschäden hintan zu halten, müssen die Einspritzdüsen nach relativ kurzer Laufzeit ausgetauscht und durch neue ersetzt werden.

Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, Verschleißerscheinungen, insbesondere aufgrund von Kavitation zu vermeiden.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, dass der Spritzlocheinlauf abgerundet ausgebildet ist, wobei die Verrundung insbesondere bereits im Neuzustand der Einspritzdüse vorhanden ist. Unter dem Spritzlocheinlauf ist hierbei der Übergang von der Hochdruck führenden Innenkontur der Einspritzdüse zum Spritzloch zu verstehen. Am und/oder unmittelbar nach dem Spritzlocheinlauf kommt es bei einer herkömmlichen Spritzlochgeometrie in der Regel zur Ablösung des einzuspritzenden Mediums von der Spritzlochwand sowie zu unsymmetrischen Druck- und Geschwindigkeitszonen. Dies hat die Entstehung von Kräften z.B. durch Kavitation oder Abrasion zur Folge, welche die Spritzlochgeometrie vor allem im Beriech des Spritzlocheinlaufs verändern können.

Erfindungsgemäß wird die Entstehung der erwähnten Kräfte dadurch verhindert, dass sich im Spritzloch eine kavitationsfreie Strömung, insbesondere eine stationäre Rohrströmung einstellt. Dies wird durch die Kombination von zwei Maßnahmen erreicht, nämlich durch die abgerundete Ausbildung des Spritzlocheinlaufs und die konische Ausbildung des Spritzloches mit sich in Durchflussrichtung verkleinerndem Durchflussquerschnitt. Die Verrundung des Spritzlocheinlaufs kann durch verschiedene bekannte Verfahren hergestellt werden, beispielsweise durch Strömungsschleifen oder HE-Verrunden. Das HE-Verrunden gehört zu den hydroerosiven Bearbeitungsverfahren, das sind abtragende Fertigungsverfahren, bei denen eine mit Schleifpartikeln versetzte abrasive Flüssigkeit unter hohem Druck von bis zu 120 bar durch das zu bearbeitende Werkstück (die Spritzlochbohrung) gepumpt wird.

Neben der Verhinderung von Kavitationsschäden führt die Erfindung auch dazu, dass sich am Austritt des Spritzloches ein Freistrahl mit großer Strahlaufbruchslänge (Länge vom Strahlaustritt bis zur maximalen Wechselwirkung von Strahl und Atmosphäre) und mit nur geringen Quergeschwindigkeiten ergibt. Günstige Strömungsverhältnisse ergeben sich bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung, wenn die am Spritzlocheinlauf ausgebildete Verrundung einen Radius von 0,05 - 0,4 mm aufweist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die am Spritzlocheinlauf ausgebildete Verrundung einen Radius von 0,1 - 0,3 mm aufweist.

Ein Ablösen des Strahls von der Spritzlochwand wird gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung besonders effektiv verhindert, wenn das Verhältnis des Durchflussquerschnitts am Spritzlocheinlauf zum Durchflussquerschnitt am Spritzlochaustritt mindestens 1,25:1 beträgt. Besonders bevorzugt ist es, wenn das ·· V* Φ ·· »· ··#« ***«·«··»· φ φ · · · · » · φ « * · * · · * φφφ · ·····* φ t · .......3.......

Verhältnis des Durchflussquerschnitts am Spritzlocheinlauf zum Durchflussquerschnitt am Spritzlochaustritt zwischen 1,25:1 und 1,35:1 beträgt.

Die angegebenen Wertebereiche für die Verrundung des Spritzlocheinlaufs und die Verjüngung des Spritzloches sind besonders vorteilhaft, wenn das Spritzloch so dimensioniert ist, dass der Durchflussquerschnitt am Spritzlochaustritt 0,125 mm2 - 0,5 mm2, insbesondere 0,3 mm2 - 0,5 mm2 beträgt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In dieser zeigen Fig.l eine schematische Darstellung einer Einspritzdüse und Fig.2 eine Detaildarstellung eines Spritzloches.

In Fig. 1 ist ein Injektor 1 dargestellt, der eine Einspritzdüse 2, eine Drosselplatte 3, eine Ventilplatte 4, einen Haltekörper 5 und einen Hochdruckspeicher 6 aufweist, wobei eine mit dem Haltekörper 5 verschraubte Düsenspannmutter 7 die Einspritzdüse 2, die Drosselplatte 3 und die Ventilplatte 4 zusammenhält. Im Ruhezustand ist das Magnetventil 13 geschlossen, sodass Hochdruckkraftstoff aus dem Hochdruckspeicher 6 über die Hochdruckleitung 8, die Querverbindung 9 und die Zulaufdrossel 10 in den Steuerraum 11 der Einspritzdüse 2 strömt, der Abfluss aus dem Steuerraum 11 über die Ablaufdrossel 12 aber am Ventilsitz des Magnetventils 13 blockiert ist. Der im Steuerraum 11 anliegende Systemdruck drückt gemeinsam mit der Kraft der Düsenfeder 14 die Düsennadel 15 in den Düsennadelsitz 16, sodass die Spritzlöcher 17 verschlossen sind. Wird das Magnetventil 13 betätigt, gibt es den Durchfluss über den Magnetventilsitz frei, und Kraftstoff strömt aus dem *· «t·· ·♦ «· · ·· ♦ » · · ·* *

Steuerrauin 11 durch die Ablaufdrossel 12, den Magnetventilankerraum und die Niederdruckbohrung 18 zurück in den nicht dargestellten Kraftstofftank. Es stellt sich ein durch die Strömungsquerschnitte von Zulaufdrossel 10 und Ablaufdrossel 12 definierter Gleichgewichtsdruck im Steuerraum 11 ein, der so gering ist, dass der im Düsenraum 19 anliegende Systemdruck die im Düsenkörper längs verschieblich geführte Düsennadel 15 zu öffnen vermag, sodass die Spritzlöcher 17 freigegeben werden und eine Einspritzung erfolgt.

Parallel zur Hochdruckbohrung 8 ist eine Resonatorleitung 20 mit einer hochdruckspeicherseitigen Resonatordrossel 21 angeordnet, mit welcher auftretende Druckspitzen rascher abgesenkt werden können.

In Fig.2 ist nun ein Spritzloch 17 vergrößert dargestellt. Die Achse der Einspritzdüse 2 ist mit 24 bezeichnet. Das Spritzloch 17 weist am Übergang von der Hochdruck führenden Innenkontur 22 der Einspritzdüse 2 zum Spritzloch 17 einen Spritzlocheinlauf 23 auf, der erfindungsgemäß eine Verrundung 25 aufweist. Der Spritzlochaustritt ist mit 26 bezeichnet. Wobei der Durchmesser des zylindrischen Spritzloches 17 sich in Durchflussrichtung 27 kontinuierlich und gleichmäßig verringert, sodass der an der Stelle a gemessene Durchflussquerschnitt des Spritzlocheinlaufes 23 größer ist als der an der Stelle b gemessene Durchflussquerschnitt des Spritzlochaustritts 26. Der Durchmesser am Spritzlocheinlauf 23 wird hierbei nach der Verrundung 25 gemessen.

Claims

Μ >·Μ Μ >·Μ 4 4 4 • 4 · 4 · « *7* •44 4 444 4 4 Patentansprüche : 1. Einspritzdüse zura Einspritzen von Medien in einen Brennraum, insbesondere von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, umfassend einen Düsenkörper mit einer Spritzlöcher aufweisenden Düsenspitze und ein im Düsenkörper axial verschieblich geführtes Schließglied, das zwischen einer die Spritzlöcher verschließenden und einer die Spritzlöcher freigebenden Lage verschiebbar ist, wobei die Spritzlöcher sich in Durchflussrichtung verjüngen, dadurch gekennzeichnet, dass der Spritzlocheinlauf (23) abgerundet ausgebildet ist.
2. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die am Spritzlocheinlauf (23) ausgebildete Verrundung (25) einen Radius von 0,05 - 0,4 mm aufweist.
3. Einspritzdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die am Spritzlocheinlauf (23) ausgebildete Verrundung (25) einen Radius von 0,1 - 0,3 mm aufweist.
4. Einspritzdüse nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Durchflussquerschnitts am Spritzlocheinlauf (23) zum Durchflussquerschnitt am Spritzlochaustritt (26) mindestens 1,25:1 beträgt.
5. Einspritzdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Durchflussquerschnitts am Spritzlocheinlauf (23) zum Durchflussquerschnitt am Spritzlochaustritt (26) zwischen 1,25:1 und 1,35:1 beträgt.

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6. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussquerschnitt am Spritzlochaustritt (26) 0,125 mm2 - 0,5 mm2, insbesondere 0,3 mm2 - 0,5 mm2 beträgt.
7. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Spritzlocheinlauf (23) bereits herstellerseitig abgerundet ausgebildet ist. Anmelder durch: Wien, am Haffner und Keschmann Patentanwälte OG