DE102009054441A1

DE102009054441A1 - Kraftstoff-Einspritzdüse für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE102009054441A1
Application number: DE102009054441A
Authority: DE
Inventors: Holmer Dipl.-Ing. 74906 Slocinski; Ralf Dipl. Betriebsw. Schüle (FH), 71083; Ilona Dipl.-Ing. 70199 Gostic; Axel 74838 Löffler; Michael Dipl.-Ing. 74321 Hekel; Gerhard 74354 Beier; Horst Dipl.-Ing. 71397 Ressel; Marco Dipl.-Ing. 70193 Wyszkowski; Robert Dipl.-Wirtsch.-Ing. 73116 Haubold
Original assignee: LOrange GmbH
Current assignee: LOrange GmbH
Priority date: 2009-11-25
Filing date: 2009-11-25
Publication date: 2011-06-30
Also published as: WO2011063929A1; EP2504561A1; CN102725511B; KR101682346B1; EP2504561B1; CN102725511A; KR20120086738A; DK2504561T3

Abstract

Eine Kraftstoff-Einspritzdüse für Brennkraftmaschinen, insbesondere selbstzündende Brennkraftmaschinen, weist eine Düsennadel (5) mit in einer Längsbohrung (4) des Düsenkörpers (2) geführtem Schaftabschnitt (7) auf, der in einen eingeschnürten, einen Druckraum (9) durchsetzenden Schaftabschnitt (14) übergeht, wobei der Übergang zwischen diesen Schaftabschnitten innerhalb der Längsbohrung (4) beabstandet von deren Einmündung in den Druckraum (9) liegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Einspritzdüse für Brennkraftmaschinen, insbesondere selbstzündende Brennkraftmaschinen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Kraftstoff-Einspritzdüsen dieses Grundaufbaus sind beispielsweise aus der DE 39 38 551 A1 bekannt. Bei den hohen Einspritzdrücken, mit denen zunehmend gearbeitet wird, sind solche Einspritzdüsen kavitationsgefährdet, insbesondere bei Ausbildung lokaler Druckdifferenzen. Eine diesbzüglich kritische Zone ist der Übergangsbereich vom in der Längsbohrung des Düsenkörpers geführten Schaftabschnitt der Düsennadel auf deren im Durchmesser reduzierten, den Druckraum durchsetzenden Schaftabschnitt. In Verbindung mit der im Wesentlichen radialen Anströmung des in den Druckraum ragenden Teiles des zum Führungsabschnitt korrespondierenden Schaftabschnittes und der an diesen anschließenden Druckschulter des eingeschnürten Schaftabschnittes sich ergebende Druckunterschiede haben, wie die Praxis gezeigt hat, offenbar zumindest eine Zone niedrigen Druckes zur Folge, die im auf die Druckschulter übergehenden Teil des zum Führungsabschnitt korrespondierenden Schaftabschnittes zu Kavitationsschäden führen kann.
Aus der DE 195 15 936 A1 ist es bezogen auf ähnliche Durchströmungsverhältnisse für einen auf einen geführten Schaftabschnitt folgenden, eingeschnürten Schaftabschnitt einer Ventilnadel einer Durchströmungsmittel-Steuervorrichtung bekannt, durch tangentiale Anströmung des Druckraumes eine spiral- oder schraubenlinienförmige Umströmung des Ventilschaftes zu erreichen, um lokale Druckdifferenzen und daraus etwa folgende Kavitationsschäden zu vermeiden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Kraftstoffeinspritzdüse der eingangs genannten Art eine Ausbildung vorzuschlagen, mit der sich Kavitationsschäden insbesondere im Bereich des Überganges vom im Führungsabschnitt der Längsbohrung geführten Schaftabschnitt der Düsennadel auf deren eingeschnürten Schaftabschnitt vermeiden lassen.
Erreicht wird dies mit den Merkmalen des Anspruches 1, demzufolge der im Führungsabschnitt geführte Schaftabschnitt der Düsennadel mit Abstand zum Übergang des Führungsabschnittes in den Druckraum innerhalb des Führungsabschnittes endet. Dieser Aufbau hat auslaufend vom Führungsabschnitt der Längsbohrung einen durch diese radial außen abgrenzten, axial gegen den Druckraum offenen Ringraum zur Folge, in dem sich offenbar – ungeachtet der axialen Bewegungen der Düsennadel – ein zumindest bezüglich der Druckverhältnisse weitgehend abgeglichener, auf gegenüber den Druckspitzen im Druckraum niedrigerem Druckniveau liegender Flüssigkeitsring bildet.
Dieser dürfte zu einem allmählichen Druckübergang vom Druckraum auf den Ringspalt zwischen dem Schaftabschnitt der Düsennadel und dem Führungsabschnitt der Längsbohrung führen und damit eine gewisse Schutzfunktion erfüllen, einmal hinsichtlich der Bildung von Gasbläschen im Übergang vom Druckraum auf den Ringspalt und im Ringspalt und zum anderen auch hinsichtlich der Kavitationsschäden verursachenden Implosion von aus dem Ringspalt austretenden Gasbläschen, wenn die Düsennadel geöffnet wird. So wird zunächst die Bildung von Gasbläschen zumindest verringert und zum anderen steht für aus dem Ringspalt auf den Ringraum beim Öffnen der Düsennadel austretende Gasbläschen innerhalb des Ringraumes auch ein größeres Flüssigkeitsvolumen als im Ringspalt zur Verfügung, so dass es kaum zu wandnahen Implosionen kommt. Wesentlich dürfte für die erfindungsgemäß erreichte zumindest weitgehende Vermeidung von Kavitationsschäden auch der sich verlaufend in Richtung auf den Ringspalt ergebende Druckabfall sein, entsprechend der Querschnittsverringerung des Ringraumes zum Ringspalt hin.
Insbesondere erweist sich die erfindungsgemäße Ausgestaltung in Verbindung mit einer Kraftstoffzuführung auf den Druckraum in radialer Überdeckung zur Taille der Einschnürung als zweckmäßig, da so auch in Verbindung mit der asymmetrischen Anströmung der Düsennadel eine Verringerung der Druckunterschiede im Druckraum zu erreichen ist.
In konstruktiver Ausgestaltung erweist es sich als zweckmäßig, wenn, bezogen auf die Schließlage der Düsennadel, deren geführter Schaftabschnitt in einem Abstand vom Übergang der Längsbohrung des Düsenkörpers auf den Druckraum mündet, der einem Bruchteil des Durchmessers des Führungsabschnittes entspricht, so dass durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung auch keine wesentliche Verringerung der Länge des geführten Schaftabschnittes oder ein verlängerter Düsenaufbau bedingt ist.
In Bezug auf die Größenverhältnisse erweist es sich als zweckmäßig, wenn der Abstand vom Übergang des Führungsabschnittes der Längsbohrung auf den Druckraum zum benachbarten Ende des geführten Schaftabschnittes der Düsennadel kleiner als der Radius der Längsbohrung ist, wobei sich für den Abstand eine Bemessung als zweckmäßig erwiesen hat, bei der dieser etwa einem Drittel des Durchmessers der Längsbohrung entspricht.
Bezogen auf die Größe des auslaufend auf den Druckraum von der Längsbohrung und dem Düsennadelschaft begrenzten Ringraumes innerhalb der Längsbohrung des Düsenkörpers erweist es sich als zweckmäßig, wenn der eingeschnürte Schaftabschnitt unter einem Kegelwinkel von < 90°, insbesondere von etwa 70 bis 90°, an den geführten Schaftabschnitt anschließt, so dass der im Übergang auf den Druckraum entstehende Ringraum im Querschnitt flach dreiecksförmig ausgebildet ist.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung, die in vereinfachter Darstellung einen Querschnitt durch eine Kraftstoff-Einspritzdüse zeigt.
In der Figur ist der auf den Brennraum der nicht gezeigten Brennkraftmaschine einspritzende Teil einer Einspritzdüse 1 für Kraftstoffe, insbesondere Dieselkraftstoffe, schematisiert dargestellt, der insbesondere auch Bestandteil eines Kraftstoffinjektors sein kann. Die Einspritzdüse 1 weist einen Düsenkörper 2 auf, der eine in Richtung seiner Längsachse 3 verlaufende Längsbohrung 4 mit Abschnitten unterschiedlichen Durchmessers aufweist. Die Längsbohrung 4 nimmt eine Düsennadel 5 auf und läuft auf im brennraumseitigen Ende des Düsenkörpers 2 vorgesehene Einspritzöffnungen 6 aus.
Die Düsennadel 5 weist einen gegebenenfalls mit Mikrorillen versehenen Schaftabschnitt 7 auf, mit dem sie in einem Führungsabschnitt 8 der Längsbohrung 4 des Düsenkörpers 2 in Richtung der Längsachse 3 axial verschieblich geführt ist. Dieser Führungsabschnitt 8 mündet auf einen im Durchmesser erweiterten und als Druckraum 9 ausgebildeten Teil der Längsbohrung 4 aus, an den ein weiterer Abschnitt 10 der Längsbohrung 4 anschließt, der über eine bohrungsseitige Sitzfläche 11 sich verjüngend auf die Einspritzöffnungen 6 ausläuft.
Mit 12 ist ein axial verlaufender Kraftstoffzufuhrkanal bezeichnet, der radial auf den Druckraum 9 ausmündet, wobei die Kraftstoffzuführung im Ausführungsbeispiel über zwei Mündungsöffnungen 13 asymmetrisch auf den Druckraum 9 erfolgt, der von einem an den geführten Schaftabschnitt 7 anschließenden und radial eingeschnürten Schaftabschnitt 14 der Düsennadel 5 durchsetzt ist. An den über dem Verlauf der Längsachse 3 verlaufend eingeschnürten Schaftabschnitt 14 schließt ein weiterer Schaftabschnitt 15 an, der im Durchmesser gegenüber dem Schaftabschnitt 7 reduziert ist und der zum Umfang der Längsbohrung 4 einen Ringraum 16 abgrenzt, über den die Kraftstoffzufuhr vom Druckraum 9 in Richtung auf die Sitzfläche 11 des Düsenkörpers 2 erfolgt, zu der die Düsennadel 5 benachbart zu ihrer Düsennadelspitze 17 eine korrespondierende Sitzfläche 18 aufweist.
Bei in Schließstellung befindlicher Düsennadel 5 ist über die aneinander anliegenden Sitzflächen 11 und 18 der Kraftstoffzulauf auf die Einspritzöffnungen 6 gesperrt. Wird die Düsennadel 5 aus ihrem Sitz angehoben, so wird über die Einspritzöffnungen 6 Kraftstoff auf den jeweiligen Brennraum eingespritzt, bei Zuführung von Kraftstoff über die Mündungsöffnungen 13 auf den Druckraum 9 im Bereich der Taille 19 des eingeschnürten Schaftabschnittes 14. Die Taille 19 liegt in radialer Überdeckung zu den Mündungsöffnungen 13, die bezogen auf den Umfang des Druckraumes 9 asymmetrisch versetzt zur Längsachse 3 angeordnet sind, so dass sich strömungsbedingt zumindest über den Umfangsbereich des Druckraumes 9 auf unterschiedlichem Druckniveau liegende Bereiche ergeben. Dies kann bei entsprechenden Druckunterschieden zur Ausbildung von Kavitationsbläschen in dem oder den jeweiligen Unterdruckbereichen führen, die bei wandnaher Implosion im Bereich höherer Drücke zur Beschädigung der jeweiligen Oberfläche führen können. Kritisch sind solche Schäden insbesondere im in der Längsbohrung 4 geführten Abschnitt der Düsennadel 5, vor allem wenn sie an der Düsennadel 5 auftreten.
Erfindungsgemäß ist ein zumindest weitgehender Schutz dieses Bereiches gegen Kavitationsschäden dadurch erreicht, dass der in der Längsbohrung 4 des Düsenkörpers 2 geführte Schaftabschnitt 7 beabstandet zur Mündung der Längsbohrung 4 auf den gegenüber der Längsbohrung 4 radial erweiterten Druckraum 9 endet, dass also der Übergang zwischen dem in der Längsbohrung 4 geführten Schaftabschnitt 7 und dem hierzu eingeschnürten Schaftabschnitt 14 vor der Einmündung des Führungsabschnittes 8 der Längsbohrung 4 liegt, und damit innerhalb des Führungsabschnittes 8 der Längsbohrung 4. Hierdurch ergibt sich einlaufend vom Druckraum 9 auf den Führungsabschnitt 8 umschließend zum Anschlussbereich des eingeschnürten Schaftabschnittes 14 an den geführten Schaftabschnitt 7 ein Ringraum 20, insbesondere ein flach dreiecksförmiger, spaltartiger Ringraum 20. Funktionell könnte der im Ringraum 20 sich bildende Flüssigkeitsring wohl aufgrund der allmählichen, Drucksprünge vermeidenden oder zumindest reduzierenden Querschnittsübergänge vom Druckraum 9 auf den Ringspalt zwischen dem Schaftabschnitt 7 und dem Führungsabschnitt 8 als „Schutzring” gegen die Entstehung von Kavitationsbläschen im Übergang auf den Ringspalt und im Ringspalt verstanden werden, der auch für beim Öffnen der Düsennadel aus dem Ringspalt austretende Gasbläschen den nötigen Freiraum für eine etwaige Implosion derselben im wandfernen Bereich lässt, so dass Kaviationsschäden am Düsenschaft zumindest weitgehend vermieden werden.
Ungeachtet dessen, ob und inwieweit die teils auf theoretischen Überlegungen basierende Erläuterung des erfindungsgemäßen Effektes zutreffend ist, hat sich in der Praxis die er findungsgemäße Ausbildung als zielführend erwiesen und als geeignet, Kavitationsschäden im angesprochenen Bereich zumindest im Wesentlichen zu vermeiden.
Im Rahmen der Erfindung erweist es sich als zweckmäßig und ausreichend, wenn der Abstand 21 des geführten Schaftabschnittes 7 der Düsennadel 5 vom Übergang der Längsbohrung 4 des Düsenkörpers 2 auf den Druckraum 9 einem Bruchteil des Durchmessers 22 des Führungsabschnittes 8 des Düsenkörpers 2 entspricht. Ein bevorzugtes Größenverhältnis ist, dass der Abstand 21 kleiner als der halbe Durchmesser 22 der Längsbohrung 4 ist, insbesondere etwa bei einem Drittel des Durchmessers 22 der Längsbohrung 3 liegt. Dies bevorzugt in Verbindung mit einem Kegelwinkel 24 von < 90° des eingeschnürten Schaftabschnittes 14 im Anschluss an den geführten Schaftabschnitt 7, wobei sich insbesondere Kegelwinkel im Bereich um 70° als zweckmäßig erweisen, so dass sich ein verhältnismäßig flacher Ringquerschnitt ergibt.
Insbesondere in Verbindung mit solchen Größenverhältnissen erweist sich für den eingeschnürten Schaftabschnitt 14 ein Taillendurchmesser 23 als zweckmäßig, der größer ist als der halbe Durchmesser der Längsbohrung 7, und insbesondere bei etwa zwei Drittel des Durchmessers 22 der Längsbohrung 7 liegt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3938551 A1 [0002]
DE 19515936 A1 [0003]

Claims

Kraftstoff-Einspritzdüse für Brennkraftmaschinen, insbesondere selbstzündende Brennkraftmaschinen, mit einer eine Düsennadel (5) aufnehmenden, in einem Düsenkörper (2) verlaufenden Längsbohrung (4), die ausgehend von einem Führungsabschnitt (8) für die Düsennadel (5) über einen zu einem Druckraum (9) erweiterten Bereich auf zumindest eine Einspritzöffnung (6) ausläuft, wobei die Düsennadel (5) einen zum Führungsabschnitt (8) korrespondierenden, geführten Schaftabschnitt (7) aufweist, an den überbrückend zu einem auf den Düsennadelsitz auslaufenden Schaftteil (15) ein im Durchmesser verlaufend eingeschnürter Schaftabschnitt (14) anschließt, der den Druckraum (9) durchsetzt, auf den umfangsseitig asymmetrisch zumindest eine Kraftstoffzuführung (12) ausmündet, dadurch gekennzeichnet, dass der im Führungsabschnitt (8) des Düsenkörpers (2) liegende Schaftabschnitt (7) der Düsennadel (5) mit Abstand zum Übergang der Längsbohrung (4) in den Druckraum (9) innerhalb der Längsbohrung (4) endet.
Kraftstoff-Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffzuführung (12) auf den Druckraum (9) in radialer Überdeckung zur Taille (19) des eingeschnürten Schaftabschnittes (14) ausmündet.
Kraftstoff-Einspritzdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass, bezogen auf die Schließlage der Düsennadel (5), deren geführter, zum Führungsabschnitt (8) der Längsbohrung (4) korrespondierender Schaftabschnitt (7) in einem Abstand (21) vom Übergang der Längsbohrung (4) des Düsenkörpers (2) auf den Druckraum (9) endet, der einem Bruchteil des Durchmessers des Führungsabschnittes (8) der Längsbohrung (4) entspricht.
Kraftstoff-Einspritzdüse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (21) vom Übergang der Längsbohrung (4) auf den Druckraum (9) zum benachbarten Ende des geführten Schaftabschnittes (7) der Düsennadel (5) kleiner als der halbe Durchmesser (22) der Längsbohrung (4) ist, insbesondere bei etwa einem Drittel des Durchmessers (22) der Längsbohrung (4) liegt.
Kraftstoff-Einspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der eingeschnürte Schaftabschnitt (14) unter einem Kegelwinkel (24) von < 90°, insbesondere etwa um 70°, an den geführten Schaftabschnitt 14 anschließt.
Kraftstoff-Einspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (23) der Taille (19) des eingeschnürten Schaftabschnittes (14) größer ist als der halbe Durchmesser (22) der Längsbohrung (4), insbesondere bei etwa zwei Drittel des Durchmessers (22) der Längsbohrung (4) liegt.