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Die Erfindung betrifft einen Düsenkörper für ein Einspritzventil einer Brennkraftmaschine mit einer Düsenkörperausnehmung und mindestens einem sich von der Düsenkörperausnehmung zu einer Außenoberfläche des Düsenkörpers erstreckenden Einspritzloch mit einer Austrittsöffnung an der Außenoberfläche des Düsenkörpers.
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Derartige Düsenkörper kommen beispielsweise in Injektoren für Dieselmotoren zum Einsatz. Im eingebauten Zustand bildet der Düsenkörper die Spitze eines Kraftstoffinjektors und ragt in einen Brennraum eines Zylinderkopfs. Bei bekannten Düsenkörpern ist eine Düsenkörperausnehmung symmetrisch um eine Längsachse des Düsenkörpers angeordnet, welche in Brennraumrichtung häufig in ein Sackloch mündet. Von dem Sackloch gehen ein oder mehrere Einspritzlöcher aus, durch welche Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt werden kann. An ihrem dem Brennraum gegenüberliegenden Ende steht die Düsenkörperausnehmung in Verbindung mit einer unter Druck stehenden Kraftstoffzuleitung. In der Düsenkörperausnehmung ist ein Ventilglied, beispielsweise eine Düsennadel, beweglich gelagert. Das Ventilglied weist eine Dichtkante auf, welche im geschlossenen Zustand des Einspritzventils einen Dichtsitz mit einer Dichtfläche in der Düsenkörperausnehmung bildet. In diesem Zustand sind das unterhalb des Dichtsitzes liegende Sackloch und die Einspritzlöcher von der Kraftstoffzuleitung getrennt, so dass keine Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum stattfindet.
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Zum Öffnen des Einspritzventils wird die Düsennadel vom Dichtsitz abgehoben. Somit kann unter Druck stehender Kraftstoff von der Kraftstoffzuleitung zu den Einspritzlöchern strömen und durch diese in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden.
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Im Betrieb beeinflussen Parameter, wie das Strömungsverhalten und die Durchflussrate des Kraftstoffs durch die Einspritzlöcher, den Verbrennungsprozess im Brennraum. Unter Anderem aufgrund immer strenger werdender gesetzlicher Vorschriften wird eine immer weiter optimierte Steuerung des Verbrennungsprozesses hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen notwendig. Bei Dieselmotoren treten dabei zwei Effekte auf, die gegenläufige Maßnahmen erfordern und somit zu einem Zielkonflikt führen.
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Zur Verringerung der Emissionen sind Spritzlöcher mit einem kleinen Durchmesser und einem möglichst hohen Durchflussbeiwert vorteilhaft. Bei gegebenem Spritzlochdurchmesser führen auch eine hohe Konizität des Spritzlochs und ein hoher Verrundungsgrad an der Einlassöffnung zu einem hohen Durchflussbeiwert.
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Andererseits erhöht sich durch einen geringen Spritzlochdurchmesser und hohe Durchflussbeiwerte die Neigung der Spritzlöcher zur Verkokung. Dabei führen Ablagerungen des Kraftstoffs zu einem teilweisen Verstopfen der Spritzlöcher. Die Bildung von Kavitäten des durchströmenden Kraftstoffs verringert die Verkokungsneigung. Für eine gute Verkokungsresistenz sind daher eher größere Spritzlöcher mit geringeren Durchflussbeiwerten (und kavitierendem Kraftstoff) von Vorteil.
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Bisher wurde versucht, dem Zielkonflikt über verschiedenste Maßnahmen in gewissen Grenzen entgegenzuwirken. Durch eine Verkürzung der Spritzlochlänge, eine Absenkung des Verrundungsgrades sowie eine Erhöhung der Rauheit im Spritzloch, welche die Kavitation begünstigt, konnte die Verkokungsneigung heutiger Seriendüsen verbessert werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde einen verbesserten Düsenkörper sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen anzugeben, mit welchem sich der genannte Konflikt zwischen einer verbesserten Verkokungsresistenz und einem hohen Durchflussbeiwert noch besser lösen lässt.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Düsenkörper gemäß dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch sowie durch ein Verfahren zur Herstellung eines Düsenkörpers gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein erfindungsgemäßer Düsenkörper für ein Einspritzventil umfasst eine Düsenkörperausnehmung und mindestens ein sich von der Düsenkörperausnehmung zu einer Außenoberfläche des Düsenkörpers erstreckendes Einspritzloch. Das Einspritzloch weist eine Austrittsöffnung an der Außenoberfläche des Düsenkörpers auf sowie mindestens zwei voneinander getrennte Eintrittsöffnungen an seinem zur Düsenkörperausnehmung weisenden, inneren Ende.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Einspritzlochs mit zwei separaten Eintrittsöffnungen folgt der Kraftstoff beim Durchströmen des Einspritzlochs zunächst zwei getrennten Einspritzkanälen. Diese werden vor Austritt des Kraftstoffs in den Brennraum zu einem gemeinsamen Strom vereinigt. Die Strömung des Kraftstoffs durch das Einspritzloch verläuft daher in zwei Bereichen. In einem ersten Bereich verlaufen die Ströme als separate, von den separaten Eintrittsöffnungen kommende Teilströme in getrennten Einspritzkanälen. Im zweiten Bereich werden die beiden Teilströme vereinigt und treten dann als ein Strom durch die Austrittsöffnung in den Brennraum.
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Dies ermöglicht, dass der erste Bereich hinsichtlich der Verkokungsneigung und der zweite Bereich auf die Erreichung eines hohen Durchflussbeiwerts optimiert sein kann.
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Im ersten Bereich, in den beiden zunächst getrennt verlaufenden Einspritzkanälen, kann zunächst eine Strömung mit einem relativ niedrigen Durchflussbeiwert und hoher Kavitation in Kauf genommen werden. Dadurch wird die Verkokungsneigung im ersten Bereich gering gehalten. Im zweiten Bereich werden die beiden Ströme vor Austritt der Strömung durch die Austrittsöffnung des Einspritzlochs vereinigt. Durch die Vereinigung der beiden Teilströme kann ein Druckabfall nahe an der Austrittsöffnung minimiert werden und der Gesamtdurchsatz durch das Einspritzloch erhöht werden. Somit kann am Durchfluss an der Austrittsöffnung ein hoher Durchflussbeiwert erreicht werden. Da die Strömung mit dem hohen Durchflussbeiwert nur auf den letzten Bereich des Einspritzlochs kurz vor und an der Austrittsöffnung beschränkt ist, spielt die Verkokungsneigung hierbei eine geringere Rolle.
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Die Verringerung der Verkokungsneigung im ersten Bereich kann beispielsweise durch eine geringe Verrundung an den Eintrittsöffnungen, eine hohe Rauigkeit in den beiden separaten Einspritzkanälen oder eine geringe Konizität der Einspritzkanäle erreicht werden. Im zweiten Bereich wird durch die Vereinigung der beiden Teilströme ein im ersten Bereich aufgetretener Druckverlust des Kraftstoffs wieder ausgeglichen, so dass beim Austritt durch die Austrittsöffnung ein hoher Durchflussbeiwert erreichbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung verlaufen zwischen den separaten Eintrittsöffnungen und der Austrittsöffnung des mindestens einen Einspritzlochs jeweils separate Einspritzkanäle, welche erst im Bereich der Austrittsöffnung ineinander münden. Im Mündungsbereich der beiden Einspritzkanäle ist dabei der Querschnitt des Einspritzlochs an der Austrittsöffnung minimal. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass die engste Stelle des Einspritzlochs in dem Bereich, in dem die beiden Strömungen vereinigt sind, an der Austrittsöffnung liegt. Dadurch ist ein hoher Durchflussbeiwert erreichbar, was sich günstig auf die Emissionen des Verbrennungsprozesses auswirkt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst das mindestens eine Einspritzloch mindestens drei separate Einspritzöffnungen. Auf diese Weise können die Teilströme aus drei getrennten Eintrittsöffnungen und Einspritzkanälen vereinigt werden und durch eine gemeinsame Austrittsöffnung in den Brennraum eingespritzt werden. Dies erlaubt eine weitere Erhöhung des Druckaufbaus im Vereinigungsbereich kurz vor der Austrittsöffnung. Die Optimierung der Strömung im ersten Bereich mit den drei oder mehr getrennten Einspritzkanälen kann daher noch stärker auf die Reduzierung der Verkokungsneigung ausgerichtet sein. Durch die Vereinigung von drei oder mehr Teilströmen vor der Austrittsöffnung kann ein noch höherer Durchflussbeiwert erreicht werden. Eine Beschränkung der Anzahl der Eintrittsöffnungen und separaten Einspritzkanäle je Einspritzloch wird durch den Vorhandenen Platz im Düsenkörper sowie die Anforderungen an die Festigkeit des Düsenkörpers und durch das Düsenkörpermaterial bestimmt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform verlaufen die Einspritzkanäle zwischen den separaten Eintrittsöffnungen und der Austrittsöffnung im Wesentlichen geradlinig. Die separaten Einspritzkanäle schneiden sich vorzugsweise unter einem spitzen Winkel. Beispielsweise beträgt der Winkel zwischen den einzelnen Einspritzkanälen kleiner als 20°, vorzugsweise kleiner als 15° und insbesondere vorteilhaft ist ein Winkel von kleiner als 10°. Durch die Vereinigung der beiden Teilströme unter einem spitzen Winkel kann ein Druckverlust durch eine Umlenkung der Teilströme weitgehend vermieden werden. Aufgrund des damit erreichbaren hohen Drucks im Mündungsbereich vor der Austrittsöffnung kann somit ein hoher Durchflussbeiwert erzielt werden.
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Die im Wesentlichen geradlinig verlaufenden, separaten Einspritzkanäle zwischen den Eintrittsöffnungen und der Austrittsöffnung können beispielsweise zylindrisch oder konisch ausgestaltet sein. Vorteilhaft ist eine zylindrische oder nur leicht konische Ausgestaltung, da dadurch das Kavitieren des Kraftstoffs begünstigt und damit die Verkokungsneigung reduziert wird.
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In einer ersten Ausführungsvariante verlaufen die Einspritzkanäle zwischen zwei Eintrittsöffnungen und einer Austrittsöffnung desselben Spritzlochs jeweils unter demselben Höhenwinkel gegenüber einer Längsachse des Düsenkörpers. Die Eintrittsöffnungen sind dann jeweils vorzugsweise auf derselben Höhe bezogen auf die Längsache des Düsenkörpers angeordnet.
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In einer anderen alternativen Variante verlaufen die Einspritzkanäle zwischen zwei Eintrittsöffnungen und der Austrittsöffnung eines Spritzlochs jeweils unter verschiedenen Höhenwinkeln gegenüber der Längsachse des Düsenkörpers. In diesem Fall haben die Eintrittsöffnungen zu diesen getrennten Kanälen unterschiedliche Höhenpositionen bezogen auf die Längsachse des Düsenkörpers.
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Bei einer Variante mit drei oder mehr Eintrittsöffnungen pro Einspritzloch können auch beide genannten Varianten kombiniert sein. Das heißt es können einerseits zwei Einspritzkanäle unter demselben Höhenwinkel gegenüber der Längsachse verlaufen und andererseits können zusätzlich ein oder mehrere Einspritzkanäle unter einem anderen Höhenwinkel gegenüber der Längsachse des Düsenkörpers verlaufen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Düsenkörper eine Mehrzahl von Einspritzlöchern auf. Die mehreren Einspritzlöcher sind vorzugsweise radial gleich verteilt um die Düsenkörperachse angeordnet. Vorzugsweise liegen die Einspritzöffnungen des einen oder der mehreren Einspritzlöcher im Bereich eines Sacklochs der Düsenkörperausnehmung.
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Ein Injektor für eine Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Düsenkörper ist ein unabhängiger Gegenstand der Erfindung.
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Ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Düsenkörpers ist ebenso ein unabhängiger Gegenstand der Erfindung. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte: Bereitstellen eines Grundkörpers für einen Düsenkörper für einen Injektor mit einer Düsenkörperausnehmung. Anschließend wird in dem Düsenkörper mindestens ein Einspritzkanal zwischen einer Austrittsöffnung und einer Eintrittsöffnung unter einem ersten Winkel gegenüber der Düsenkörperachse geformt. Dieser erste Kanal wird vorzugsweise durch elektrolytisches Erodieren mittels einer Elektrode gebildet. Nachdem der erste Kanal zwischen der Austrittsöffnung und einer ersten Eintrittsöffnung gebildet ist, wird die Elektrode zurückgezogen und anschließend gegenüber dem ersten Winkel um einen spitzen Winkel verkippt. Anschließend wird die Elektrode an der ersten Austrittsöffnung angesetzt und ausgehend von der selben Austrittsöffnung ein zweiter Kanal zwischen der Austrittsöffnung und einer zweiten Eintrittsöffnung unter dem spitzen Winkel gegenüber dem ersten Kanal gebildet.
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Anschließend kann die Elektrode wieder zurückgezogen werden und wahlweise zur Bildung eines weiteren Einspritzkanals und einer weiteren Eintrittsöffnung unter einem zusätzlichen Winkel in entsprechender Weise fortgefahren werden.
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Zu beachten ist, dass die getrennten Einspritzkanäle in ihrer gedachten Verlängerung nicht die Längsachse des Düsenkörpers schneiden müssen. Als Winkel zwischen den Einspritzkanälen und der Längsachse des Düsenkörpers soll daher im Rahmen dieser Anmeldung auch eine Projektion eines windschiefen Winkels auf die Längsachse des Düsenkörpers verstanden werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen schematisch:
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1: eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Düsenkörpers in Teilschnittansicht entlang der Längsachse des Düsenkörpers;
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2: eine Detailvergrößerung der Ansicht aus 1; und
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3: eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Düsenkörpers in Teilschnittansicht senkrecht zur Längsachse des Düsenkörpers.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Düsenkörper 1 in Teilschnittdarstellung, geschnitten durch die Längsachse 8 des Düsenkörpers. Der Grundkörper des Düsenkörpers 1 ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch um die Längsachse 8 des Düsenkörpers angeordnet. Im Inneren befindet sich eine Düsenkörperausnehmung 2 mit einer konischen Dichtfläche, welche zur Düsenspitze hin in ein Sackloch 9 mündet. An der Wandung des Sacklochs 9 gehen von der Düsenkörperausnehmung 2 zwei Einspritzkanäle 7.1 und 7.2 eines Einspritzlochs 4 aus. Diese erstrecken sich zur Außenoberfläche 3 des Düsenkörpers. Die beiden Einspritzkanäle 7.1 und 7.2 verlaufen geradlinig und sind unter den Höhenwinkeln α.1 und α.2 gegenüber der Längsachse 8 des Düsenkörpers geneigt.
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2 zeigt den Bereich des Einspritzlochs 4 aus 1 in vergrößerter Detaildarstellung. Die beiden Einspritzkanäle 7.1 und 7.2 weisen jeweils eine Eintrittsöffnung 6.1 und 6.2 auf. Die beiden Kanäle 7.1 und 7.2 verlaufen geradlinig und sind im Wesentlichen zylindrisch ausgestaltet. Die beiden Einspritzkanäle 7.1 und 7.2 münden in einem spitzen Winkel ineinander. Im Mündungsbereich 10 sind die Teilströme der beiden Einspritzkanäle 7.1 und 7.2. vereinigt. Der Querschnitt der vereinigten Einspritzkanäle im Mündungsbereich 10 nimmt in Richtung zur Austrittsöffnung 5 stetig ab, so dass die engste Stelle mit minimalem Querschnitt an der Austrittsöffnung 5 gebildet ist. Im ersten, voneinander getrennten Bereich 11 der beiden Einspritzkanäle 7.1 und 7.2 kann somit die Kraftstoffströmung kavitieren und mit einem relativ niedrigen Durchflussbeiwert erfolgen. Die Verkokungsneigung kann so in diesem Bereich 11 gering gehalten werden. Durch die Vereinigung der beiden Teilströme im Mündungsbereich 10 nahe am Spritzlochaustritt 5 wird der Gesamtdurchsatz des Einspritzlochs 4 durch die Summe der beiden Teilströme gebildet. Dadurch kann kurz vor der Austrittsöffnung 5 ein hoher Kraftstoffdruck im Einspritzloch herrschen, wodurch ein hoher Durchflussbeiwert erreicht werden kann.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung einer zweiten Variante eines erfindungsgemäßen Düsenkörpers im Schnitt senkrecht zur Längsachse des Düsenkörpers im Bereich des Sacklochs 9. Rund um die Achse 8 des Düsenkörpers sind sieben Einspritzlöcher 4 radial gleichverteilt um die Achse 8 angeordnet. Die Einspritzlöcher 4 weisen jeweils eine Austrittsöffnung 5 auf sowie jeweils zwei separate Eintrittsöffnungen 6.1 und 6.2. Von den separaten Eintrittsöffnungen 6.1. und 6.2 verlaufen geradlinige Einspritzkanäle 7.1 und 7.2 zur gemeinsamen Austrittsöffnung 5. Die geradlinig verlaufenden Kanäle 7.1 und 7.2 treffen im Mündungsbereich 10 kurz vor der Austrittsöffnung unter einem spitzen Winkel von 8° aufeinander, so dass ein Druckabfall im Einspritzloch gering gehalten werden kann und ein hoher Durchflussbeiwert erreicht werden kann.
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Mit der erfindungsgemäßen Idee, mehrere Einspritzkanäle in ein gemeinsames Einspritzloch mit einer gemeinsamen Austrittsöffnung einmünden zu lassen, kann sowohl der Durchflussbeiwert als auch die Verkokungsresistenz gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen verbessert werden. Mit der Erfindung kann somit der aus dem Stand der Technik bekannte Zielkonflikt zwischen einer hohen Verkokungsresistenz und einem hohen Durchflussbeiwert entschärft werden.
