DE10117861A1

DE10117861A1 - Injektordüse mit Drosselverhalten

Info

Publication number: DE10117861A1
Application number: DE2001117861
Authority: DE
Inventors: Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-04-10
Filing date: 2001-04-10
Publication date: 2002-10-24
Also published as: DE50213943D1; EP1379776A2; EP1379776B1; WO2002084109A3; WO2002084109A2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennräume einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Injektorkörper (2, 16), in dem eine Düsennadel (5, 30, 40) bewegbar aufgenommen ist. Die Düsennadelspitze (12) der Düsennadel (5, 30, 40) verschließt oder gibt eine Einspritzöffnung (15) in den Brennraum frei. Die Düsennadel (5, 30, 40) umfaßt mindestens einen Führungsabschnitt (6, 7, 45). Dem düsenkörperseitigen Führungsabschnitt (7, 45) der Düsennadel (5, 30, 40) ist eine Androsselstelle (17) zugeordnet.

Description

Technisches Gebiet

Zur Einspritzung von Kraftstoff in die Brennräume einer Verbrennungskraftmaschine wer den Injektoren eingesetzt, an welchen der Einspritzbeginn und die Einspritzmenge durch elektrische Ansteuerung mittels eines Magnetventils oder eines Piezoaktors eingestellt werden. In den Injektoren sind Einspritzdüsen aufgenommen. Die Injektoren halten die Einspritzdüsen, die auf die jeweiligen Verhältnisse der Verbrennungskraftmaschine, an der sie zum Einsatz kommen, abgestimmt sind. Die Auslegung der Einspritzdüse ist mit ent scheidend für die dosierte Einspritzung hinsichtlich der Einspritzdauer und der Einspritz menge je Grad Kurbelwinkel sowie hinsichtlich der Aufbereitung des Kraftstoffs im Hin blick auf Einspritzstrahlform und Zerstäubung des Kraftstoffs im Brennraum.

Stand der Technik

Aus DE 197 O1 879 Al geht eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen hervor. Diese umfaßt einen von einer Hochdruckpumpe mit Kraftstoff befüllbaren gemein samen Hochdrucksammelraum (Common Rail), der über Einspritzleitungen mit in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragenden Einspritzventilen verbunden ist. Deren Öffnungs- und Schließbewegungen werden jeweils von einem elektrisch ange steuerten Steuerventil gesteuert, wobei das Steuerventil zum Beispiel als 3/2-Wege-Ventil ausgebildet ist. Dieses verbindet einen an einer Einspritzöffnung des Einspritzventils mün denden Hochdruckkanal mit der Einspritzleitung oder einer Entlastungsleitung. Dabei ist am Steuerventilglied des Steuerventils ein mit Kraftstoffhochdruck befüllbarer hydrauli scher Arbeitsraum vorgesehen, der zur Verstellung der Einstellposition des Steuerventil gliedes des Steuerventils in einen Entlastungskanal aufsteuerbar ist.

GB 2 335 000 bezieht sich auf einen Kraftstoffmjektor mit einem verengten Kraftstoffzu lauf an einem Nadelventil. Der Kraftstoffmjektor umfaßt eine Düsennadel, welche in einer in einem Düsenkörper vorgesehenen Bohrung verschiebbar aufgenommen ist. Die Düsen nadel bildet mit dem Injektorkörper sowohl einen Kraftstoffvorratsraum als auch eine Kraftstoffaufnahmekammer für den unter hohem Druck anstehenden Kraftstoff. An der Düsennadel ist ein Strömungskanalsystem für den Kraftstoff vorgesehen, welches den Zu lauf des Kraftstoffs begrenzt. Befindet sich die Düsennadel in einer geöffneten Position, strömt Kraftstoff in Richtung auf den Vorratsraum. Fährt die Düsennadel hingegen im In jektorkörper nach oben auf, so strömt ein erhöhtes Kraftstoffvolumen in Richtung zur Ein spritzdüse.

Darstellung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Lösung bewirkt ein schnelleres Schließen der Düsennadel, wodurch sich insbesondere erhöhte Kohlenwasserstoffanteile im Abgas von Brennkraftmaschinen durch verspätetes Nadelschließen vermeiden lassen. Die bisher auftretenden höheren HC- Anteile im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine rührten nicht zuletzt daher, daß bei einem vergleichsweise langsam ablaufenden Nadelschließen durch die noch geöffnete Ein spritzdüse Kraftstoff in den Brennraum gelangte, der jedoch nicht mehr verbrannt werden konnte, da die Verbrennung gegen Nadelschließen bereits weitestgehend abgelaufen ist. Wird mittels der erfindungsgemäßen Lösung ein schnelleres Nadelschließen erzielt, so kann die Zunahme des HC-Anteils im Abgas der Verbrennungskraftmaschine vermieden werden. Ferner ist durch ein sich schnell einstellendes Schließen der Düsennadel die For mung des Einspritzverlaufes, d. h. seine Anpassung an die im Brennraum ablaufende Ver brennung, hinsichtlich des Zündverzuges, besser reproduzierbar.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Androsselstelle kann sowohl als ein im Durchmesser stärker ausgeführter Bereich der Düsennadel als auch als in geringem Abstand an dem Dü sennadelumfang angeführter Vorsprung im Injektorgehäuse ausgefihrt sein. Die Andros selstelle - vorzugsweise als eine Drosselstrecke ausgebildet - kann unterhalb eines Füh rungsabschnittes an der Düsennadel ausgebildet werden; ferner läßt sich die Drosselstrecke in dem Führungsabschnitt an der Düsennadel integrieren.

Durch die Auslegung der Androsselstelle an Düsennadel oder Gehäuse hinsichtlich Axia lerstreckung, d. h. hinsichtlich der Drosselspalthöhe sowie hinsichtlich der Spaltweite kön nen Drosselungen im Bereich zwischen 0,2 und 7% erzielt werden.

Die Anordnung der Androsselstelle unterhalb eines Führungsabschnittes oder in der Alter native in diesen integriert, zieht den vorteilhaften Effekt nach sich, daß durch die Nähe der Androsselstelle zum Führungsabschnitt ein Auslenken der Düsennadel aus der zentrierten Lage vermieden wird. Eine Auslenkung der Düsennadel quer zur Düsennadelachse hätte eine starke Abweichung der Durchflußmenge zur Folge, was jedoch aufgrund der erfin dungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ausgeschlossen ist.

Die Androsselung des Durchflusses im Bereich der Nadelspitze der Düsennadel führt an dieser zu einem Druckabfall. Dadurch verschiebt sich das Druckverhältnis zum Steuerraum derart, daß das dortige Druckniveau höher liegt und somit ein schnelleres Einfahren der Düsennadel in die Sitzfläche des Injektorkörpers ermöglicht wird.

Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Einspritzdüse eines Kraftstoffinjektors, der mittels eines Magnetventils ansteuerbar ist,

Fig. 2 eine Ausführungsvariante einer Einspritzdüse mit Überströmkanälen oberhalb einer Androsselstelle und

Fig. 3 eine weitere Ausführungsvariante mit schematisch dargestelltem druckentlast baren Steuerraum.

Ausführungsvarianten

Fig. 1 ist eine Einspritzdüse eines Kraftstoffinjektors entnehmbar, der über ein Magnet ventil angesteuert werden kann.

Ein Injektor 1 zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennräume einer Verbrennungs kraftmaschine umfaßt einen Injektorkörper 2, in dem eine Düsennadel 5 aufgenommen ist. Im Injektorkörper 2 ist eine Hochdruckbohrung 3 ausgebildet, über welche ein Düsenraum 4 mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff beaufschlagbar ist. Die Hochdruckbohrung 3 steht mit einem hier nicht dargestellten Hochdrucksammelraum (Common Rail) in Ver bindung, in welchem ein weitgehend konstanter hoher Druck erzeugt wird. In der Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Lösung gemäß Fig. 1 umfaßt die Düsennadel 5 einen ersten Führungsabschnitt 6 sowie einen zweiten Führungsabschnitt 7, mit welchem sie im Injektorkörper 2 geführt ist.

Im Bereich der Düsennadel 5, in welchem diese vom Düsenraum 4 umgeben ist, ist an der Düsennadel 5 eine Druckstufe 8 ausgebildet. An den Düsenraum 4 im Injektorkörper 2 schließt sich ein Zulaufring 9 an, der im Durchmesser 10 ausgeführt ist. Unterhalb des Zu laufringes 9 zwischen Injektorkörper 2 und Düsennadel 5 ist an der Düsennadel 5 der zweite Führungsabschnitt 7 ausgebildet. In den zweiten Führungsabschnitt 7 können Strö mungsflächen 20 für den Kraftstoff integriert sein, um ein Zuströmen des Kraftstoffes vom Düsenraum 4 über den Zulaufring 9 zur Düsenspitze zu gewährleisten.

Im Vergleich zum Durchmesser 10 des Zulaufringes 9 ist der Injektorkörper 2 im Bereich des zweiten Führungsabschnitts 7 in einem leicht reduzierten Durchmesser 11 ausgebildet. Der Injektorkörper 2 gemäß der Darstellung in Fig. 1 geht in einen Düsenkörper 16 über. Die Bohrung im Düsenkörper 16, welche die Düsennadel 5 umschließt, ist in dem Bereich des zweiten Führungsabschnittes 7 mit einem kleineren Durchmesser ausgeführt, so daß sichergestellt ist, daß die Düsennadel 5 im düsenseitigen Bereich nur innerhalb des zweiten Führungsabschnittes 7 geführt ist.

In axiale Richtung der Düsennadel 5 gemäß der Darstellung in Fig. 1 gesehen, schließt sich am zweiten Führungsabschnitt 7 eine Androsselstelle 17 an. Die Androsselstelle 17 ist bevorzugt als eine Drosselstrecke ausgebildet, welche sich in axiale Richtung der Düsen nadel 5 gesehen über eine Spalthöhe h₁ (Bezugszeichen 19) erstreckt. Zwischen dem Dü senkörper 16 und der Androsselstelle 17, die gemäß der Darstellung in Fig. 1 als eine Düsennadel 5 ausgebildet ist, stellt sich eine Spaltweite 18 ein, über welche die Drossel wirkung je nach Auslegung der Androsselstelle 17 einstellbar ist. Bevorzugt werde mittels der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung Drosselwirkungen zwischen 0,2 und 7% realisiert. Dadurch stellt sich an der Düsenspitze 12 ein Druckabfall ein, wodurch sich das Druckverhältnis zwischen der Düsenspitze 12 und einem hier nicht näher dargestellten Steuerraum zugunsten des Druckniveaus im Steuerraum verschiebt. Je höher der Druck im hier nicht dargestellten Steuerraum, welcher die Düsennadel beaufschlagt, desto kürzere Schließzeiten der Düsennadel 5 lassen sich erzielen.

Im unteren Bereich der vorzugsweise als Sacklochdüse beschaffenen Einspritzdüse 12 ist an dieser eine kegelförmige Sitzfläche 14 ausgebildet. Im geschlossenen Zustand der Düsennadel 5 liegt die Düsennadelspitze 12 mit ihrer Sitzfläche 14 am Düsensitz 13 an, der an der der Düsennadel 5 zuweisenden Wandung des Düsenkörpers 16 ausgebildet ist.

Im in Fig. 1 wiedergegebenen Zustand ist die Düsennadel 5 mit ihrer Düsennadelspitze 12 in den Düsensitz 13 gefahren, so daß die Einspritzöffnung 15, welche in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine hineinragt, durch die Düsenspitze 15 verschlossen ist. Die Androsselwirkung stellt sich erst beim Auffahren der Düsennadel 5 in den hier nicht näher dargestellten Steuerraum ein, wodurch es an der Düsennadelspitze 12 zu einem Druckabfall kommt, der für ein schnelles Nadelschließen durch Druckbeaufschlagung des der Düsennadel 5 zugeordneten Steuerraumes in vorteilhafter Weise ausgenutzt werden kann.

Der Darstellung gemäß Fig. 2 ist eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorge schlagenen Lösung mit Überströmkanälen oberhalb einer Androsselstelle zu entnehmen. Im Injektorkörper 2 eines Injektors 1 zum Einspritzen von Kraftstoff ist analog zur Dar stellung gemäß Fig. 1 eine Düsennadel 30 in vertikale Richtung bewegbar aufgenommen. An der Düsennadel 30 ist ein erster Führungsabschnitt 6 sowie ein zweiter Führungsab schnitt 7 ausgebildet. Im Injektorgehäuse 2 ist eine Hochdruckbohrung 3 ausgebildet, die in einen Düsenraum 4 mündet. Zulaufseitig steht die Hochdruckbohrung 3 mit einem nicht dargestellten Hochdrucksammelraum (Common Rail) in Verbindung. Im Unterschied zur in Fig. 1 dargestellten Ausführungsvariante ist an der Düsennadel 30 gemäß der Darstel lung in Fig. 2 ein Überstromkanalsystem 31 ausgebildet, welches im wesentlichen von einem mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoffdüsenraum 4 umschlossen ist. Unter halb des Überströmkanalsystems 31 ist analog zur Darstellung der Düsennadel 5 in Fig. 1 an der Düsennadel 30 eine Androsselstelle 17 ausgebildet.

Die Androsselstelle 17 gemäß der Darstellung in Fig. 2 ist bevorzugt an der Düsennadel 30 als eine Drosselstrecke ausgeführt, welche sich in einer axialen Spalthöhe 19 in Axial richtung der Düsennadel 30 erstreckt. Zwischen der den zweiten Führungsabschnitt 7 um gebenden Bohrung des Düsenkörpers 16 und der Androsselstelle stellt sich eine Spaltweite 19 ein, über welche je nach Auslegung die Drosselwirkung variiert werden kann. Unterhalb der Androsselstelle 17 ist eine Düsennadel 30 gemäß der Darstellung in Fig. 2 ein Sitz durchmesser 14 ausgebildet, der in einen Düsensitz 13 im Düsenkörper 16 des Injektorkör pers 2 eingefahren ist. Im in Fig. 2 wiedergegebenen Zustand ist die Einspritzöffnung 15, die in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine hineinragt, durch die Düsennadel spitze 12, welche in ihren Düsensitz 13 gefahren ist, verschlossen.

Gemäß der Darstellung in Fig. 2 können am Umfang der Düsennadel 30 im Bereich des Düsenraumes 4 die Überströmkanäle 31 mit einer Neigung 32 aufgebracht werden, wo durch sich eine Begrenzung des in Richtung Düsennadelspitze 12 einstellenden Kraftstoff volumenstroms ergibt. Die Androsselstelle 17 bewirkt einen Druckabfall im Bereich der Düsennadelspitze 12, so daß sich unter Berücksichtigung des sich im Steuerraum einstel lenden Druckniveaus ein schnelleres Schließen der Düsennadelspitze 12 in ihren Düsensitz 13 erzielen läßt. Dadurch unterbleibt ein Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine gegen Ende der Verbrennung, so daß keine unverbrannten Kohlenwasserstoffe aufgrund des weitestgehend abgeschlossenen Verbrennungsvorgangs mehr entstehen können.

Der Darstellung gemäß Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemä ßen Lösungen mit schematisch dargestelltem druckentlastbaren Steuerraum zu entnehmen.

Gemäß dieser Ausführungsvariante eines Kraftstoffinjektors 1 zum Einspritzen von Kraft stoff in die Brennräume von Verbrennungskraftmaschinen ist ein Düsenkörper 16 an einem Injektorkörper 2 aufgenommen. In Injektorkörper 2 bzw. Düsenkörper 16 ist eine Düsen nadel 40 in vertikale Richtung bewegbar aufgenommen. Im oberen Bereich der Düsennadel 40 ist diese von einem Ring 41 umschlossen, während die obere Stirnfläche der Düsenna del 40 eine Begrenzungswand eines hier nur schematisch dargestellten Steuerraums 42 darstellt. Zwischen der Stirnseite des Rings 41 und einem Bund 44 der Düsennadel 40 ist ein Schließfilterelement 43 aufgenommen. Unterhalb des Bundes 44, an welchem die Schließfeder 43 anliegt, sind am Umfang der Düsennadel 40 Strömungsfreiflächen 46 auf genommen, durch welche der Kraftstoff in Richtung auf die Düsennadelspitze 12 in den Düsenkörper 16 einschießt. Die Strömungsfreiflächen 46 sind an der Düsennadel 40 gemäß der Darstellung in Fig. 3 an einem Führungsabschnitt 45 ausgebildet, der in der Bohrung des Düsenkörpers 16 geführt ist. Der Führungsabschnitt 45 ist in einem Durchmesser 49 ausgebildet. Gemäß der Darstellung in Fig. 3 schließt sich an den Führungsabschnitt 45 der Düsennadel 40 die Androsselstelle 17 an, welche bevorzugt als Drosselstrecke ausge bildet ist und sich in axiale Richtung mit der Höhe h1 (Bezugszeichen 19) erstreckt. Zwi schen der Androsselstelle 17, die an der Düsennadel 40 ausgebildet ist, und der Bohrung des Düsenkörpers 16 stellt sich eine Spaltweite 18 ein, welche den Grad der Drosselung im wesentlichen bestimmt. Unterhalb der Androsselstelle 17 ist die Bohrung, welche die Dü sennadel 40 im Düsenkörper 16 umschließt, in einem erweiterten Durchmesser 50 ausge bildet. Ein Zulaufraum 47 im Düsenkörper 16 dient zur Aufnahme des über die Strömungs freiflächen 46 und die Androsselstelle 17 einströmenden Kraftstoffvolumens.

Im Bereich der Düsennadelspitze 12 der Düsennadel 40 umfaßt diese einen Sitzflächen durchmesser 14, der am Düsensitz 13 des Düsenkörpers 16 anliegt und somit die in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine hineinragende Einspritzöffnung 15 verschließt. Bei der Konfiguration der Düsennadelspitze der Düsennadel 40 handelt es sich beispielsweise um eine Sacklochdüse; daneben wäre die Ausbildung der Düsennadelspitze 12 auch als eine Sitzlochdüse möglich.

Neben der in Fig. 1 und 3 wiedergegebenen Ausführungsmöglichkeit, die Androsselstelle 17 unterhalb des zweiten Führungsabschnittes 7 bzw. des Führungsabschnittes 45 vorzuse hen, besteht in vereinfachter Ausführungsmöglichkeit der Düsennadeln S bzw. 40 auch die Möglichkeit, die Androsselstelle 17 unmittelbar in den zweiten Führungsabschnitt 7 bzw. den Führungsabschnitt 45 an der Düsennadel 40 zu integrieren. Damit könnte die entspre chende Düsennadel 5 bzw. 40, in axialer Länge gesehen, kürzergehalten werden.

Der durch die am düsennahen Bereich liegende Androsselstelle 17 erzielbare Effekt des Druckabfalls an der Düsennadelspitze 12 erlaubt ein schnelleres Schließen der Düsennadel 40 und damit eine präzise Beendigung der Einspritzphase, so daß das Auftreten unver brannter Kohlenwasserstoffe im Abgas bei Einsatz der erfindungsgemäßen Lösung erheb lich vermindert, wenn nicht völlig ausgeschlossen ist. Die Anordnung der Androsselstelle 17 hinter einem zweiten Führungsabschnitt 7 der Düsennadel 5 und der Düsennadel 30 bzw. hinter einem Führungsabschnitt 45 der Düsennadel 40 oder deren Integration darin verhindert eine Auslenkung der Düsennadel 5, 30, 40 gemäß der dargestellten Ausfüh rungsvarianten derart, daß sich die Durchflußmenge zur Düsennadelspitze 12 durch Aus lenkung derselben quer zu ihrer Achse verändert und somit sich das Durchflußvolumen stark verändert.

Bezugszeichenliste

1

Injektor

2

Injektorkörper

3

Hochdruckbohrung

4

Düsenraum

5

Düsennadel

6

1

. Führungsabschnitt

7

2

. Führungsabschnitt

8

Druckstufe

9

Zulaufring

10

Durchmesser Zulaufring

11

Durchmesser

2

. Führungsabschnitt

12

Düsennadelspitze

13

Düsensitz

14

Sitzdurchmesser

15

Einspritzöffnung

16

Düsenkörper

17

Androsselstelle

18

Spaltweite

19

Spalthöhe

20

Strömungsflächen Kraftstoff

30

Düsennadel

31

Überströmkanäle

32

Kanalneigung

33

Symmetrieachse

40

Düsennadel

41

Ring

42

Steuerraum

43

Schließfeder

44

Bund

45

Führung

46

Strömungsfreifläche

47

Zulaufraum

48

Sacklochdüse

49

Durchmesser Führungsabschnitt

50

Durchmesser Zulaufraum

Claims

1. Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennräume einer Verbren nungskraftmaschine mit einem Injektorkörper (2, 16), in welchem eine Düsennadel (5, 30, 40) bewegbar aufgenommen ist, deren Düsennadelspitze (12) eine Einspritzöff nung (15) in den Brennraum verschließt oder freigibt und die Düsennadel (5, 30, 40) mindestens einen Führungsabschnitt (6, 7, 45) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Düsensitzes (13, 14) der Düsennadel (5, 30, 40) eine Androsselstelle (17) ausgebildet ist.

2. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Androsselstelle (17) als sich koaxial zur Düsennadel (5, 30, 40) erstreckende Drosselstrecke ausgebil det ist.

3. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Androsselstelle (17) unterhalb eines düsenkörperseitigen Führungsabschnittes (7, 45) angeordnet ist.

4. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Androssel stelle (17) der Düsennadel (5, 30, 40) die Drosselstrecke in einer Spalthöhe (19) aus gebildet ist.

5. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Androsselstelle (17) und dem Injektorgehäuse (2) eine minimale Spaltweite (18) je nach geforderter Drosselwirkung ausgebildet ist.

6. Kraftstoffmjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Androsselstelle (17) als im Durchmesser verdickter Bereich der Düsennadel (5, 30, 40) ausgeführt ist.

7. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Androsselstelle (17) als Vorsprung im Injektorgehäuse (2, 16) ausgeführt ist.

8. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsennadel spitze (12) der Düsennadel (5, 30, 40) eine Sacklochdüse (48) ist.

9. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Androsselstelle (17) in den düsenkörperseitigen Führungsabschnitt (7, 45) der Düsennadel (5, 30, 40) integriert ist.