DE102010002642A1

DE102010002642A1 - Kavitationsschutz im Zulauf einer Drossel eines Kraftstoffinjektors

Info

Publication number: DE102010002642A1
Application number: DE201010002642
Authority: DE
Inventors: Joachim Boltz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-03-08
Filing date: 2010-03-08
Publication date: 2011-09-08

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Injektor, insbesondere Kraftstoffinjektor für eine Brennkraftmaschine, aufweisend ein Aktormodul 4 beherrschend ein Ventil zur Einstellung eines Durchflusses eines fluiden Mediums, wobei das Ventil über einen Diffuser 5, eine Drossel 7 und einen Drosselzulauf 8 mit einem Steuerraum 9 zur Steuerung eines Steuerkolbens 10 verbunden ist. Erfindungsgemäß wird ein Injektor bereitgestellt, bei dem die Möglichkeit einer Schädigung, die in Folge von Kavitation insbesondere in einer Drossel 7 oder einen Diffuser 5 des Injektors auftreten kann, wirkungsvoll zu verringert ist. Dies wird dadurch erreicht, dass der Drossel 7 dem Fluidstrom eine Drallströmung aufprägende Umlenkmittel vorgeschaltet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Injektor, insbesondere Kraftstoffinjektor für eine Brennkraftmaschine, aufweisend ein Aktormodul beherrschend ein Ventil zur Einstellung eines Durchflusses eines fluiden Mediums, wobei das Ventil über einen Diffusor, eine Drossel und einen Drosselzulauf mit einem Steuerraum zur Steuerung eines Steuerkolbens verbunden ist.
Stand der Technik
Ein derartiger Injektor ist aus der DE 10 2008 044 096 A1 bekannt. Dieser Injektor ist so hergestellt bzw. ausgebildet, dass ein Kavitationsumschlagspunkt von nicht-kavitierender zu kavitierender Durchströmung an einem Drosseleinlauf angeordnet ist. Durch diese Ausgestaltung wird in diesem Bereich eine Erosion verhindert, die bei herkömmlichen Ventilen mit einem kugel- oder nadelförmigen Schließelement auftritt. Wenn zwischen dem Eingang und dem Ausgang einer Drossel ein großes Druckgefälle besteht, wie dies bei Drosselbohrungen in mit Drücken von bis zu 3500 bar arbeitenden Hochdruckeinspritzventilen oft der Fall ist, wird das Medium in der Drosselbohrung so stark beschleunigt, dass der Druck auf ca. 0 bar absinkt und sich Kavitationsblasen bilden. Diese Kavitationsblasen können auf der Oberfläche der Drossel und/oder eines Diffusors und/oder auf eines Ventilsitzes implodieren und die Oberfläche des Bauteils oder der Bauteile beschädigen.
Eine weitere Möglichkeit, solche Kavitationsblasen zu verhindern, ist aus der DE 10 2007 004 553 A1 bekannt. Hier ist eine zweite Vordrossel in den Injektor eingebaut, die einen großen Teil der Kavitationsblasen kontrolliert in die flüssige Phase umwandeln soll, um Beschädigungen zu vermeiden. Hierbei ist eine genaue Abstimmung der Drosseln notwendig, um die gewünschte Funktion zu erreichen.
Der Erfindung geht die Aufgabe zu Grunde, einen Injektor bereitzustellen, bei dem die Möglichkeit einer Schädigung, die in Folge von Kavitation insbesondere in einer Drossel oder einen Diffusor des Injektors auftreten kann, wirkungsvoll zu verringert ist.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Drossel dem Fluidstrom eine Drallströmung aufprägende Umlenkmittel vorgeschaltet sind. Grundsätzlich ist festzustellen, dass das Auftreten einer Kavitation in einen Injektor der erfindungsgemäß ausgestalteten und betriebenen Art nicht zu verhindern ist, und nur die Kavitation nachträglich abbaubar oder deren Wirkung verringerbar ist. Durch die erfindungsgemäße Aufprägung einer Drallströmung auf den Fluidstrom werden aufgrund der Dichteunterschiede von einer Dampfphase und Flüssigphase diese in der Weise separiert, dass die Flüssigphase nach außen Richtung auf die Injektorwand- beziehungsweise dessen Drosselwand und Diffusorwand transportiert wird, während die Dampfphase sich mehr oder weniger zentral in der Injektormitte sammelt und so die Gefahr einer Kavitationserosion quasi ausgeschlossen ist.
Grundsätzlich ist es möglich, die diese die Drallströmung erzeugenden Umlenkmittel beliebig auszubilden und anzuordnen. Der besondere Vorteil dieser Umlenkmittel ist, dass ohne eine Änderung einer stabilen Kavitation der Fluidströmung in der Drossel eine Schädigung der Drossel und/oder des Diffusors durch die Kavitation verhindert wird.
In Weiterbildung der Erfindung sind die Umlenkmittel speziell in dem Drosselzulauf angeordnet und als drallerzeugende Geometrie ausgebildet.
In weiterer Bildung der Erfindung ist die Geometrie in einem den Drosselzulauf bildenden Ventilkörper angeordnet und als zumindest eine Spirale und/oder Nut und/oder Rippe ausgebildet. Hier sind insbesondere auch Kombinationen unterschiedlicher Ausgestaltungen im Rahmen der Erfindung möglich. Allen möglichen Ausgestaltungen erzielen den Vorteil, dass durch die Separation der Gasphase und der Flüssigkeitsphase nach dem Prinzip einer Zentrifuge verhindert wird, dass die schädigende Gasphase nahe an Bauteiloberflächen zu Kavitationsschäden führenden kann.
In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, die entsprechende Geometrie direkt in den Ventilkörper einzuarbeiten oder in einen separaten Drallkörper einzuarbeiten, der in den Drosselzulauf eingesetzt wird. Auch ist es denkbar, entsprechende Kombinationen zu realisieren.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele näher beschrieben sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine Schnittdarstellung eines Teilbereichs eines Kraftstoffinjektors mit einer drallerzeugenden Geometrie, die durch einen in einen Drosselzulauf eines Ventilkörpers eingesetzten Drallkörper gebildet ist,
2 eine perspektivische Schnittdarstellung einer drallerzeugenden Geometrie, die durch eine in einen Ventilkörper eingelassene Nut oder Spirale gebildet ist,
3 einen zweidimensionaler Längsschnitt zu 2,
4 einen Querschnitt durch einen Ventilkörper, bei dem eine drallerzeugende Geometrie aus Nuten gebildet ist,
5 ein Querschnitt ähnlich zu 4, wobei die drallerzeugende Geometrie aus Rippen gebildet ist,
6 eine schematische Darstellung des Injektors ohne eine drallerzeugende Geometrie und einer wandnah auftretenden Kavitation und
7 eine schematische Darstellung des Injektors mit einer erfindungsgemäßen drallerzeugenden Geometrie und der zentral in der Diffusormitte auftretenden Kavitation.
Ausführungsform der Erfindung
Die in 1 dargestellte Schnittdarstellung eines Teilbereichs eines Kraftstoffinjektors für insbesondere ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, das mit einem Kraftstoffdruck bis zu 3000 bar betrieben wird, zeigt einen Ventilkörper 1, der einen Ventilsitz 2 aufweist, der von einem kugelförmig ausgebildeten Schließelement 3 beherrscht wird. Das Schließelement 3 wird von einem Aktormodul 4 betätigt.
In der Darstellung gemäß 1 ist der Ventilkörper 1 von dem Aktormodul 4 auf den Ventilsitz 2 gehalten, so dass eine Strömungsverbindung von einem in den Ventilsitz 2 einmündenden Diffusor 5 in einen Entlastungsraum 6, der mit dem Niederdrucksystem des Kraftstoffsystems verschaltet ist, unterbrochen ist.
Der Diffusor 5 ist über eine Drossel 7 und weiter über einen Drosselzulauf 8 mit einem Steuerraum 9 des Kraftstoffinjektors verschaltet.
Dem Steuerraum 9 wird über eine nicht dargestellte Zulaufdrossel aus einem Hochdruckspeicher (Rail) des Kraftstoffsystems Kraftstoff zugeführt und presst die als Steuerkolben 10 ausgebildete Ventilnadel des Kraftstoffinjektors mit dessen Ventilnadelspitze auf einen nicht dargestellten Ventilnadelsitz. Dadurch sind in den Ventilnadelsitz eingearbeitete Einspritzkanäle abgesperrt. Soll nun eine Einspritzung von Kraftstoff durch die Einspritzkanäle in den zugehörigen Brennraum der Brennkraftmaschine eingeleitet werden, wird das Aktormodul 4 betätigt und das Schließelement 3 in einen den Diffusor 5 über den Ventilsitz 2 mit dem Entlastungsraum 6 verbindende offene Stellung bewegt. Dadurch wird der in dem Steuerraum 9 herrschende Kraftstoff über die Drossel 7 gesteuert abgesenkt und dadurch der Steuerkolben 10 durch die Druckreduzierung in dem Steuerraum 9 in eine die Einspritzkanäle öffnenden Position bewegt.
Soll die Einspritzung beendet werden, wird wiederum das Aktormodul betätigt, so dass das Schließelement 3 auf den Ventilsitz 2 gedrückt wird. In dem Steuerraum 9 baut sich dann wieder ein hoher Kraftstoffdruck auf und der Steuerkolben 10 drückt die Ventilnadelspitze wieder auf den Ventilnadelsitz.
In den Drosselzulauf 8 ist die drallerzeugende Geometrie in Form eines erfindungsgemäßen Drallkörpers 11 eingesetzt, der dem von dem Steuerraum 9 zu der Drossel 7 strömenden Fluidstrom eine Drallströmung aufprägt. Dieser Drallkörper 11, der in den folgenden Figuren näher beschrieben ist, ist gemäß dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 als separates Bauteil in den Drosselzulauf 8 eingesetzt.
Ausweislich dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist die drallerzeugende Geometrie direkt in den Ventilkörper 1 im Bereich des Drosselzulaufs 8 als spiralförmige Nut 12 eingearbeitet. Dabei können auch mehrere zueinander versetzte spiralförmige Nuten 12 vorgesehen sein. 3 zeigt einen zweidimensionalen Längsschnitt durch den Ventilkörper 1 gemäß 2.
4 zeigt einen Querschnitt durch den Ventilkörper 1, wobei die drallerzeugende Geometrie als Nuten 12 ausgebildet sind, während gemäß der Ausgestaltung nach 5 die drallerzeugende Geometrie in Form von Rippen 13 ausgebildet sind.
6 zeigt einen herkömmlichen Kraftstoffinjektor, dessen Drosselzulauf 8 keine drallerzeugende Geometrie aufweist. Entsprechend tritt die Kavitation im Bereich des Übergangs von der Drossel 7 in den Diffusor 5 wandnah auf.
Das wandnahe Auftreten der Kavitation wird vermieden, wenn – wie in 7 dargestellt – in dem Drosselzulauf 8 eine drallerzeugende Geometrie eingesetzt ist. Hier wird die schädigende Kavitation 14' im Zentrum der Drossel 7 und des nachfolgenden Diffusors 5 gehalten, so dass deren schädigende Wirkung auf dem jeweiligen Wandbereich unterbunden ist. Durch den Drallimpuls werden infolge der Dichteunterschiede von Dampf und Flüssigphase diese in der Weise separiert, dass die Flüssigphase nach außen in Richtung Wand transportiert wird, während der Dampf sich zentral in der Drossel- und Diffusormitte sammelt und so keine Kavitationserrosionsgefahr besteht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008044096 A1 [0002]
DE 102007004553 A1 [0003]

Claims

Injektor, insbesondere Kraftstoffinjektor für eine Brennkraftmaschine, aufweisend ein Aktormodul (4) beherrschend ein Ventil (2, 3) zur Einstellung eines Durchflusses eines fluiden Mediums, wobei das Ventil (2, 3) über einen Diffusor (5), eine Drossel (7) und einem Drosselzulauf (8) mit einem Steuerraum (9) zur Steuerung eines Steuerkolbens (10) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Drossel (7) dem Fluidstrom eine Drallströmung aufprägende Umlenkmittel vorgeschaltet sind.
Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkmittel in dem Drosselzulauf (8) angeordnet ist.
Injektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkmittel eine drallerzeugende Geometrie aufweist.
Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkmittel in einem den Drosselzulauf (8) bildenden Ventilkörper (1) angeordnet ist.
Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkmittel als mindestens eine Nut (12) ausgebildet sind.
Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkmittel als mindestens eine Rippe (13) ausgebildet sind.
Injektor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die als Nut (12) oder Rippe (13) ausgebildeten Umlenkmittel direkt in den Ventilkörper (1) eingearbeitet sind.
Injektor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die als Nut (12) oder Rippe (13) ausgebildeten Umlenkmittel in einen in den Drosselzulauf (8) eingesetzten Drallkörper (11) eingearbeitet ist.