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Die Erfindung betrifft eine Düsenbaugruppe fur ein Einspritzventil und ein Einspritzventil.
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Immer strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich der zulassigen Schadstoffemission von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind, machen es erforderlich, diverse Maßnahmen vorzunehmen, durch welche die Schadstoffemissionen gesenkt werden. Ein Ansatzpunkt hierbei ist, die von der Brennkraftmaschine erzeugten Schadstoffemissionen zu senken. Die Bildung von Ruß ist stark abhangig von der Aufbereitung des Luft/Kraftstoff-Gemisches in dem jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine.
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Derzeit sind Einspritzventile mit mehreren Einspritzlochern am meisten am Markt verbreitet bei Benzin-Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung. Allerdings haben einige dieser Einspritzventile die Eigenschaft, dass sie eine zu große Durchdringung des Einspritzstrahls aufweisen und einen zu geringen Öffnungswinkel des Strahlkegels. Dies führt teilweise zu Kraftstoffbenetzung am Kolben oder der Zylinderwand und führt daher zur Ablösung von Ol und zu hohen HC- und Partikelemissionen. Diese Gründe erschweren den Einsatz derartiger Einspritzventile in Brennkraftmaschinen mit zur Erzeugung einer Schichtladung in dem Zylinder. Darüber hinaus ist eine zu starke Durchdringung des Strahls und ein geringer Öffnungswinkel des Strahlkegels auch nachteilig fur die Gemischaufbereitung bei homogen betriebenen Brennkraftmaschinen.
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Eine mögliche Maßnahme, um bessere Zerstäubung zu erreichen, ist den Kraftstoffdruck zu erhohen, mit dem das Einspritzventil beaufschlagt ist. Nichtsdestotrotz bedeutet dies jedoch hohere Anforderungen an die Konstruktion des Einspritzventils. Es bedeutet auch, dass fur das gesamte Kraftstoffsystem der Druck erhöht werden muss und so die Herstellungskosten fur das gesamte Kraftstoffsystem erhöht sind.
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Aus
"On the role of the liquid flow characteristics an low-Weber-number atomization processes", Christoph Dumouchel, Jean Cousin and Kaelig Triballier, Experiments in Fluids, 2005, Vol. 38, No. 5, pages 637 to 647, ist es bekannt, dass die beste Zerstaubungswirksamkeit einerseits durch eine hochturbulente Strömung erreicht werden kann, aber, dass die Turbulenz nicht ausschließlich die Zerstaubungswirksamkeit beeinflusst. Vielmehr tragt eine nicht-axiale Stromungskomponente am Dusenausgang einer Einspritzduse zu einem sehr hohen Grad zu einer gunstigen Zerstaubung bei.
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Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, eine Dusenbaugruppe und ein Einspritzventil zu schaffen, die einen zuverlassigen und präzisen Betrieb ermoglichen.
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Die Aufgabe wird gelost durch die Merkmale der unabhangigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteranspruchen gekennzeichnet.
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Gemäß einem ersten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Dusenbaugruppe fur ein Einspritzventil mit einem Dusenkorper mit einer Zentralachse, in dem eine Düsenkörperausnehmung und mindestens eine Einspritzöffnung angeordnet sind. Die Düsenkorperausnehmung ist mit einem Hochdruckkreis eines Fluids hydraulisch koppelbar. Ferner ist eine Düsennadel vorgesehen, die in der Dusenkorperausnehmung axial beweglich angeordnet ist und eine Nadelkuppe hat.
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An einer Wand der Dusenkorperausnehmung ist ein Dichtsitz ausgebildet und auf der Nadelkuppe ist ein Sitzbereich ausgebildet. Der Sitzbereich wirkt mit dem Dichtsitz derart zusammen, dass die Düsennadel in der Schließposition den Fluidfluss durch die mindestens eine Einspritzoffnung verhindert und außerhalb der Schließposition den Fluidfluss durch die mindestens eine Einspritzöffnung freigibt. Ein vorgegebener Bereich der Wand stromaufwärts bis zumindest zu der jeweiligen Einspritzöffnung ist flacher ausgebildet und zwar derart, dass ein spitzer Winkel zwischen der Wand und der jeweiligen Einspritzöffnung verkleinert ist. Der vorgegebene Bereich ist flacher als ein sich stromaufwarts an den vorgegebenen Bereich anschließenden Bereich der Wand. Durch das Vorsehen dieses flachen Bereichs wird somit beim Einströmen des Fluids in die Einspritzoffnung eine sehr starke Richtungsanderung der Stromung bewirkt, was das Erzeugen von Wirbeln des in die Einspritzoffnung einstromenden Fluids sehr stark begunstigt.
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Durch eine derartig sehr stark verwirbelte Stromung innerhalb der Einspritzoffnung und insbesondere beim Ausströmen aus der jeweiligen Einspritzöffnung hat das strömende Fluid eine geringere kinetische Energie in axialer Richtung der jeweiligen Einspritzöffnung und eine deutlich stärkere nichtaxiale kinetische Energie.
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In diesem Zusammenhang wird die Erkenntnis genutzt, dass nichtaxiale kinetische Energie in dem strömenden Fluid für die Zerstäubung des Fluids einen wichtigen Beitrag leistet.
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Ferner hat sich gezeigt, dass durch verstärkte Wirbel induzierte Kavitation auf diese Weise verstarkt auftritt und insgesamt die Strömung am Ausgang des der jeweiligen Einspritzoffnung dann eine erhöhte Energie für Zerstäubung aufweist und somit eine deutlich verbesserte Zerstäubung des Fluids erfolgt und die Eindringtiefe des Fluids in den Brennraum verringert ist.
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In diesem Zusammenhang kann es auch von Vorteil sein, wenn das Verhaltnis zwischen Lange zu Durchmesser der Einspritzöffnung gering ist. Damit ist die nicht axiale kinetische Energie nicht durch Anordnung der Stromung entlang der Einspritzoffnung zu viel reduziert. Die jeweilige Einspritzoffnung kann auch als Einspritzloch bezeichnet werden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Dusenbaugruppe für Einspritzventil mit einem Dusenkörper mit einer Zentralachse. In dem Düsenkorper ist eine Düsenkorperausnehmung und mindestens eine Einspritzöffnung angeordnet. Die Düsenkorperausnehmung ist mit einem Hochdruckkreis eines Fluids hydraulisch koppelbar. Eine Dusennadel ist axial beweglich in der Düsenkorperausnehmung angeordnet und hat eine Nadelkuppe.
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An einer Wand der Düsenkorperausnehmung ist ein Dichtsitz ausgebildet. Auf der Nadelkuppe ist ein Sitzbereich ausgebildet. Der Sitzbereich wirkt mit dem Dichtsitz derart zusammen, dass die Düsennadel in der Schließposition den Fluidfluss durch die mindestens eine Einspritzöffnung verhindert und außerhalb der Schließposition den Fluidfluss durch die mindestens eine Einspritzoffnung freigibt. Die jeweilige Einspritzoffnung weist einen Querschnitt auf mit einer Langsachse und einer Querachse, wobei die Langsachse länger ist als die Querachse. Bevorzugt ist das Verhältnis der Langsachse zu der Querachse in einem Bereich von in etwa 1,1 bis 3 und besonders bevorzugt in einem Bereich von in etwa 1,5 bis 1,7.
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Durch das Vorsehen eines derartigen Querschnitts fur die jeweilige Einspritzöffnung wird das Entstehen von Doppelwirbeln innerhalb der jeweiligen Einspritzoffnung sehr stark begünstigt und dies fuhrt dann zu einer besseren Zerstaubung des Fluids beim Austritt aus der jeweiligen Einspritzoffnung.
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Durch eine derartig sehr stark verwirbelte Strömung innerhalb der Einspritzoffnung und insbesondere beim Ausströmen aus der jeweiligen Einspritzoffnung hat das stromende Fluid eine geringere kinetische Energie in axialer Richtung der jeweiligen Einspritzöffnung und eine deutlich stärkere nichtaxiale kinetische Energie.
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In diesem Zusammenhang wird die Erkenntnis genutzt, dass nichtaxiale kinetische Energie in dem strömenden Fluid fur die Zerstaubung des Fluids einen wichtigen Beitrag leistet.
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Ferner hat sich gezeigt, dass durch verstärkte Wirbel induzierte Kavitation auf diese Weise verstarkt auftritt und insgesamt die Strömung am Ausgang des der jeweiligen Einspritzöffnung dann eine erhohte Energie fur die Zerstaubung aufweist und somit eine deutlich verbesserte Zerstaubung des Fluids erfolgt und die Eindringtiefe des Fluids in den Brennraum verringert ist.
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Durch das Vorsehen eines relativ großen Wertes des Verhaltnisses zwischen der Lange der Langsachse und der Querachse des Querschnitts der Einspritzoffnung wird eine Beibehaltung der jeweiligen Verwirbelungen, insbesondere von Doppelwirbeln, des in der Einspritzoffnung stromenden Fluids bis zu dessen Austritt aus der Einspritzöffnung begünstigt.
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Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn der erste und zweite Aspekt kombiniert sind. Auf diese Weise kann eine besonders gute Zerstäubung des Fluids beim Austritt aus der jeweiligen Einspritzöffnung erreicht werden und auch die Eindringtiefe des Einspritzstrahls geeignet gering gehalten werden.
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Gemaß einer vorteilhaften Ausgestaltung des zweiten Aspekts ist der Querschnitt der jeweiligen Einspritzoffnung ellipsoidformig ausgebildet. Auf diese Weise kann eine gunstige Beeinflussung im Hinblick auf ein Erzeugen von starken Doppelwirbeln begunstigt werden.
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Gemaß einer weiteren Ausgestaltung des zweiten Aspekts ist der Querschnitt der jeweiligen Einspritzoffnung langlochförmig ausgebildet. Auch auf diese Weise kann ein wirksamer Beitrag dazu geleistet werden, eine stark verwirbelte Stromung in der jeweiligen Einspritzoffnung zu erzeugen.
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Gemaß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Querschnitt der jeweiligen Einspritzöffnung knochenformig ausgebildet. Auch auf diese Weise wird ein Bilden einer verwirbelten Stromung, insbesondere mit Doppelwirbeln, stark begunstigt, was zu einer guten Zerstaubung des an der Einspritzoffnung austretenden Fluids beiträgt.
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Gemaß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Querschnitt der jeweiligen Einspritzoffnung in Form zweier sich überschneidender Kreise ausgebildet. Es hat sich in diesem Zusammenhang gezeigt, dass diese Form eine besonders starke Bildung von Wirbeln und zwar innerhalb des gesamten Bereichs der Einspritzoffnung sehr gut begunstigt.
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Es ist jeweils vorteilhaft, wenn die Länge in axialer Richtung der jeweiligen Einspritzoffnung im Vergleich zu ihrem Querschnitt einen moglichst geringen Wert aufweist. Auf diese Weise wird es besonders begünstigt, dass die Wirbelintensitat oder das höhere Niveau der nicht-axialen Energie bis zum Austritt des Fluids aus der Einspritzöffnung nicht oder nur zu einem geringen Maß verringert wird und somit ein Beitrag geleistet wird zu einer guten Zerstäubung des austretenden Fluids.
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Gemaß einem dritten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Einspritzventil mit einer Düsenbaugruppe gemäß dem ersten Aspekt und gemaß einem vierten Aspekt durch ein Einspritzventil mit der Düsenbaugruppe nach dem zweiten Aspekt. Auch das Einspritzventil kann vorteilhaft eine Düsenbaugruppe sowohl gemäß dem ersten als auch dem zweiten Aspekt aufweisen.
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Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Einspritzventil im Längsschnitt umfassend eine Dusenbaugruppe,
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2 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts 2 des Einspritzventils,
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3 eine vergroßerte Darstellung eines Ausschnitts aus der 2,
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4A eine vergroßerte Darstellung eines weiteren Ausschnitts aus der 2,
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4B eine vergrößerte Darstellung Ausschnitts aus der Figur 2 in einer Ebene vertikal zu einer Mittelachse der Dusenbaugruppe,
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5 eine erste Ausführungsform eines Querschnitts einer Einspritzoffnung,
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6 eine zweite Ausführungsform eines Querschnitts der Einspritzoffnung,
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7 eine dritte Ausführungsform des Querschnitts der Einspritzoffnung,
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8 eine vierte Ausfuhrungsform des Querschnitts der Einspritzöffnung,
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9 die erste Ausfuhrungsform des Querschnitts der Einspritzöffnung mit Darstellung des Mechanismus der Doppelwirbel-Entstehung und
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10 die zweite Ausführungsform des Querschnitts der Einspritzöffnung mit Darstellung des Mechanismus der Doppelwirbel-Entstehung.
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Elemente gleicher Konstruktion und/oder Funktion sind figurenubergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 zeigt ein Einspritzventil mit einer Düsenbaugruppe 10 und einen Aktuator 11. Der Aktuator 11 wirkt funktional mit der Düsenbaugruppe 10 zusammen.
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Die Dusenbaugruppe 10 hat einen Düsenkorper 12, der Aktuator 11 weist einen Injektorkorper 13 auf. Der Düsenkörper 12 ist mittels einer Dusenspannmutter 30 mit dem Injektorkörper 13 fest gekoppelt. Der Düsenkorper 12 und der Injektorkörper 13 bilden ein gemeinsames Gehause des Einspritzventils.
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Der Dusenkörper 12 hat eine Düsenkörperausnehmung 14 mit einer Zentralachse Z und einer Wand 16. In der Düsenkörperausnehmung 14 ist eine Dusennadel 18 angeordnet, die zusammen mit dem Dusenkörper 12 die Düsenbaugruppe 10 bildet. Die Düsennadel 18 hat an einem Ende eine Nadelkuppe 20. Die Dusennadel 18 ist in einem Bereich der Düsenkorperausnehmung 14 gefuhrt und mittels einer Dusenfeder 22 vorgespannt.
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In dem Dusenkörper 12 sind vorzugsweise nahe der Nadelkuppe 20 Einspritzoffnungen 24 angeordnet. In einem die Einspritzoffnungen 24 umgebenden Bereich kann der Dusenkorper 12 aus einem gesinterten Metall bestehen. In dem Düsenkörper 12 sind vorzugsweise mehrere Einspritzöffnungen 24 ausgebildet, die einen Einspritzlochkreis formen können.
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Der Injektorkörper 13 hat eine Ausnehmung, in der ein Stellantrieb 40 angeordnet ist. Der Stellantrieb 40 ist als Hubstellantrieb ausgebildet. Der Stellantrieb 40 wirkt auf die Dusennadel 18 ein, so dass diese eine Bewegung in Richtung der Zentralachse Z ausführen kann.
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Die Düsenfeder 22 übt auf die Dusennadel 18 eine in Schließrichtung wirkende Kraft aus, so dass sie einen Fluidfluss durch die in dem Dusenkorper 12 angeordneten mehreren Einspritzöffnungen 24 verhindert, wenn keine weiteren Krafte auf die Düsennadel 18 einwirken. Bei Betätigung des Stellantriebs 38 wird die Dusennadel 18 in axialer Richtung von ihrer Schließposition in ihre Offenposition bewegt, in der sie den Fluidfluss durch die Einspritzöffnungen 24 freigibt.
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2 zeigt eine vergroßerte Darstellung eines Ausschnitts II der 1 im Bereich der Nadelkuppe 20 und des Düsenkörpers 12.
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An der Wand 16 der Düsenkörperausnehmung 14 hat der Dusenkorper 12 einen Dichtsitz 50. Die Dusennadel 18 hat im Bereich der Nadelkuppe 20 einen Sitzbereich 52, der mit dem Dichtsitz 50 des Dusenkörpers 12 so zusammenwirkt, dass die Dusennadel 18 in einer Schließposition einen Fluidfluss durch die mindestens eine Einspritzöffnung 24 verhindert und in einer Offenposition einen Fluidfluss durch die mindestens eine Einspritzöffnung 24 freigibt. Das Fluid kann aus dem Zwischenraum zwischen der Nadelkuppe 20 und dem Dusenkorper 12 zu den Einspritzoffnungen 24 gelangen.
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Ein vorgegebener Bereich 54 der Wand 16 stromaufwarts bis zumindest zu der jeweiligen Einspritzöffnung 24 ist flacher ausgebildet, derart, dass ein spitzer Winkel zwischen der Wand 16 und der jeweiligen Einspritzoffnung 24 verkleinert ist. Der vorgegebene Bereich 54 ist flacher als ein sich stromaufwarts an den vorgegebenen Bereich 54 anschließender Bereich 56 der Wand. Falls die Wandung grundsatzlich spharisch ausgebildet ist, kann sie bevorzugt in dem Bereich 54 einen größeren Radius aufweisen.
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Eine erste Ausfuhrungsformdes Querschnitts der Einspritzoffnung 24 mit einer Langsachse L und einer Querachse Q, wobei die Längsachse L langer ist als die Querachse Q, ist in der 5 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist der Querschnitt der Einspritzoffnung 24 ellipsoidförmig ausgebildet. Bei einer zweiten Ausführungsformdes Querschnitts der Einspritzoffnung 24 (6) ist der Querschnitt in Form zweier sich uberschneidender Kreise ausgebildet. Bei der dritten Ausfuhrungsform (7) ist der Querschnitt langlochformig ausgebildet. Bei der vierten Ausführungsform (8) ist der Querschnitt knochenformig ausgebildet. Ferner sind die Entstehungsmechanismen der Doppelwirbel für die ersten und zweiten Ausführungsformen (s. 9 und 10) dargestellt, bei denen mit den Pfeilen der Verlauf der Strömungsrichtung gekennzeichnet ist. Das Entstehen der Doppelwirbel ist so ersichtlich.
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In 4A ist eine vergroßerte Darstellung eines weiteren Ausschnitts aus der 2 gezeigt und in 4B ist eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts aus der 2 in einer Ebene vertikal zu einer Mittelachse der Düsenbaugruppe gezeigt. Hieraus ist die bevorzugte Ausrichtung der Einspritzöffnungen 24 hinsichtlich ihrer Längsachse L und Querachse Q ersichtlich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ”On the role of the liquid flow characteristics an low-Weber-number atomization processes”, Christoph Dumouchel, Jean Cousin and Kaelig Triballier, Experiments in Fluids, 2005, Vol. 38, No. 5, pages 637 to 647 [0005]