DE102014226407A1

DE102014226407A1 - Einspritzdüse für Kraftstoffe

Info

Publication number: DE102014226407A1
Application number: DE102014226407.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Rau
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-12-18
Filing date: 2014-12-18
Publication date: 2016-06-23
Also published as: JP2018503765A; JP6453467B2; EP3234344A1; KR20170095372A; BR112017012684A2; US10508634B2; US20180274508A1; CN107110084B; KR102354051B1; EP3234344B1; CN107110084A; WO2016096217A1; BR112017012684B1

Abstract

Einspritzdüse (1) für Kraftstoffe mit einem Düsenkörper (2), in dem ein mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbarer Druckraum (4) ausgebildet ist, in dem eine kolbenförmige Düsennadel (3) längsbeweglich angeordnet ist. An einem Ende der Düsennadel (3) ist eine Dichtfläche (6) und am gegenüberliegenden Ende eine Stirnfläche (9) ausgebildet, wobei die Dichtfläche (6) mit einem Düsensitz (5) zum Öffnen und Schließen wenigstens einer Einspritzöffnung (8) zusammenwirkt. Ein mit Kraftstoff unter wechselndem Druck befüllbarer Steuerraum (10) wird von der Stirnfläche (9) der Düsennadel (3) begrenzt, so dass durch den hydraulischen Druck auf die Stirnfläche (9) eine Kraft in Richtung auf den Düsensitz (5) ausgeübt werden kann. Die Düsennadel (3) weist einen elastischen Längsabschnitt (25) auf, der eine Längssteifigkeit von weniger als 40.000 N/mm aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einspritzdüse für Kraftstoffe, wie sie beispielsweise zur Einspritzung von Kraftstoff in Brennräume von Brennkraftmaschinen Verwendung findet.
Stand der Technik
Einspritzdüsen für Kraftstoffe, insbesondere zur Einspritzung von Kraftstoff unter hohem Druck in Brennräume von Brennkraftmaschinen, sind seit langem aus dem Stand der Technik bekannt. So ist aus der DE 199 36 668 A1 ein Kraftstoffinjektor mit einer Einspritzdüse bekannt, wobei die Einspritzdüse einen Düsenkörper mit einem darin ausgebildeten Druckraum aufweist. In dem Druckraum ist längsverschiebbar eine kolbenförmige Düsennadel angeordnet, die an einem Ende eine Dichtfläche aufweist, mit der sie mit einem im Düsenkörper ausgebildeten Düsensitz zusammenwirkt zum Öffnen und Schließen wenigstens einer Einspritzöffnung. Zur Steuerung der Längsbewegung der Düsennadel ist an dem dem Düsensitz gegenüberliegenden Ende ein Steuerraum ausgebildet, der mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist und in dem über ein Steuerventil ein wechselnder Kraftstoffdruck einstellbar ist, durch den eine Schließkraft auf die Düsennadel in Richtung des Düsensitzes ausübbar ist. Der Druckraum ist mit einem Kraftstoffspeicher verbunden, in dem Kraftstoff unter hohem Druck vorgehalten wird, um den Druckraum stets mit Kraftstoff unter konstant hohem Druck zu versorgen.
Die Abdichtung der Einspritzöffnungen durch das Aufliegen der Düsennadel auf dem Düsensitz stellt den geschlossenen Zustand der Einspritzdüse da. Soll Kraftstoff in einen Brennraum eingespritzt werden, so wird die Düsennadel in Längsrichtung vom Düsensitz wegbewegt, indem der hydraulische Druck im Steuerraum abgesenkt wird. Die hydraulischen Kräfte im Druckraum bewegen daraufhin die Düsennadel vom Düsensitz weg, und die Einspritzöffnungen werden von der Düsennadel freigegeben, sodass Kraftstoff aus dem Druckraum durch die Einspritzöffnungen ausgespritzt wird. Dabei ist es für eine saubere Einspritzung wichtig, dass sich die Düsennadel sehr rasch vom Düsensitz entfernt. Tut sie dies nur langsam, so bildet sich zwischen der Dichtfläche der Düsennadel und dem Düsensitz ein Drosselspalt, durch den Kraftstoff aus dem Druckraum nur mit verringertem Druck zu den Einspritzöffnungen strömt, sodass dieser Kraftstoff nur unzureichend zerstäubt wird, wenn er aus den Einspritzöffnungen austritt. Dieser sogenannte Sitzdrosselbereich muss durch eine rasche Bewegung der Düsennadel also möglichst kurz gehalten werden, um den effektiven Einspritzdruck an den Einspritzöffnungen rasch auf das Niveau innerhalb des Druckraums zu erhöhen, um eine gute Zerstäubung des Kraftstoffs zu erreichen. Unzureichend zerstäubter Kraftstoff führt andernfalls innerhalb des Brennraums zu einer unzureichenden Verbrennung und damit zu erhöhten Kohlenwasserstoffemissionen der Brennkraftmaschine.
Zur Erhöhung der Nadelöffnungsgeschwindigkeit kann der Druck im Steuerraum möglichst rasch abgesenkt werden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Ablaufdrossel, über die der Kraftstoff aus dem Steuerraum abströmen kann, im Verhältnis zur Zuströmdrossel, über die der Steuerraum mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt wird, mit einem großem Strömungsquerschnitt ausgestaltet ist. Wenn der Steuerraum zusätzlich auch über die Ablaufdrossel befüllt wird, indem die Ablaufdrossel bei geschlossenem Steuerventil mit dem Hochdruck verbunden wird, führt jede Vergrößerung der Drosseln zu einem schnelleren Druckaufbau bzw. Druckabbau. Ein rascher Druckabfall bzw. Druckaufbau verschlechtert jedoch die Kleinstmengenfähigkeit des Einspritzventils, da die eingespritzte Kraftstoffmenge dadurch sehr empfindlich auf die Ansteuerdauer des Steuerventils reagiert. Dies bringt eine große Hub/Hub-Streuung mit sich, also eine größere stochastische Streuung der Einspritzmenge um den gewünschten Wert von Einspritzung zu Einspritzung.
Darüber hinaus ist der Geschwindigkeit des Druckabfalls innerhalb des Steuerraums eine gewisse Grenze dadurch gesetzt, dass die Düsennadel bei vielen Anwendungen im sogenannten ballistischen Betrieb betrieben wird, bei dem die Düsennadel keinen mechanischen Hubanschlag erreicht, sondern vor Erreichen eines Hubanschlags durch erneuten Druckanstieg innerhalb des Steuerraums abgebremst und in Richtung des Düsensitzes zurückbeschleunigt wird. Fällt der Druck im Steuerraum jedoch zu rasch ab, so kann dieser ballistische Betrieb nicht mehr realisiert werden, da die Düsennadel aufgrund ihrer großen Öffnungsgeschwindigkeit vorzeitig den mechanischen Hubanschlag erreicht.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Einspritzdüse mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die Kraftstoffeinspritzung durch ein rasches Öffnen und rasches Schließen der Düsennadel zu Beginn bzw. Ende der Kraftstoffeinspritzung stets mit hohem Druck und damit guter Zerstäubung des Kraftstoffs erfolgt und somit die Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine senkt. Dazu weist die Einspritzdüse einen Düsenkörper auf, in dem ein mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbarer Druckraum ausgebildet ist, in dem eine kolbenförmige Düsennadel längsbeweglich angeordnet ist. Die Düsennadel weist an einem Ende eine Dichtfläche auf und an ihrem gegenüberliegenden Ende eine Stirnfläche, wobei die Düsennadel mit der Dichtfläche mit einem Düsensitz zum Öffnen und Schließen wenigstens einer Einspritzöffnung zusammenwirkt. Weiterhin ist ein mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbarer Steuerraum vorhanden, in dem ein wechselnder Druck einstellbar ist, den die Düsennadel mit der Stirnfläche begrenzt, sodass durch den hydraulischen Druck auf die Stirnfläche der Düsennadel eine Kraft in Richtung auf den Düsensitz ausgeübt werden kann. Die Düsennadel weist einen elastischen Längsabschnitt auf, der eine Längssteifigkeit von weniger als 40.000 N/mm aufweist.
Durch die Ausbildung des elastischen Längsabschnitts kann die effektive Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel entscheidend verbessert werden. Der elastische Längsabschnitt führt aufgrund der durch den hohen Druck im Steuerraum verursachten Stauchung der Düsennadel zu einem sogenannten Schnappeffekt der Düsennadel, der die eigentliche Öffnungsgeschwindigkeit erhöht und so dazu führt, dass sich die Dichtfläche der Düsennadel zu Beginn der Öffnungsbewegung im Vergleich zu einer bekannten Düsennadel schneller vom Düsensitz entfernt. Der gleiche Effekt ergibt sich auch bei der der Schließbewegung Düsennadel, sodass sich auch bei der Annäherung der Düsennadel an den Düsensitz die Geschwindigkeit der Dichtfläche erhöht und damit der Sitzdrosselbereich schneller durchfahren wird. Zur näheren Erläuterungen dieses Effekts wird auf die Beschreibung verwiesen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Längssteifigkeit des elastischen Abschnitts weniger als 20.000 N/mm, besonders bevorzugt 12.000 bis 16.000 N/mm. In diesen Bereichen der Längssteifigkeit wird der maximale Effekt erreicht, ohne dass die Stabilität der Düsennadel und die Fertigbarkeit der Düsennadel technisch problematisch wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der längselastische Abschnitt als kreisförmiger Zylinder ausgebildet, wobei das Material der Düsennadel vorzugsweise Stahl ist. Bevorzugt weist dabei der längselastische, kreiszylindrische Abschnitt einen Durchmesser von 1,3 bis 2,0 mm auf, bevorzugt zwischen 1,4 und 1,6 mm. Bevorzugt weist dabei das Elastizitätsmodul des Stahls einen Wert von 200.000 bis 230.000 N/mm² auf, vorzugsweise 210.000 N/mm².
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der zylinderförmige elastische Längsabschnitt eine Länge von 20 bis 30 mm auf, vorzugsweise 25 bis 27 mm. Eine solche Länge lässt sich in den normalen Einspritzdüsen, wie sie vorzugsweise für Kraftstoffinjektoren verwendet werden, problemlos unterbringen, ohne dass der Bauraum der Düse gegenüber den bisher bekannten Modellen erhöht werden muss.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Dichtfläche der Düsennadel eine ringförmige Dichtlinie auf, mit der sie in geschlossenem Zustand der Einspritzdüse auf dem Düsensitz aufsitzt und den Druckraum gegen die Einspritzöffnungen abdichtet. Hierbei weist die Dichtlinie den gleichen Durchmesser auf wie der Durchmesser des längselastischen Abschnitts, sodass in diesem Bereich der Düsennadel keine resultierenden hydraulischen Kräfte in Längsrichtung auf die Düsennadel ausgeübt werden durch den Kraftstoffdruck innerhalb des Druckraums.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung befindet sich stromaufwärts und stromabwärts des elastischen Längsabschnitts jeweils ein Führungsabschnitt an der Düsennadel, mit der die Düsennadel im Druckraum in radialer Richtung geführt ist. Diese Führungsabschnitte werden beispielsweise durch Durchmessererweiterungen gebildet, wobei an den Führungsabschnitten Durchlässe ausgebildet sind, die einen drosselfreien Kraftstofffluss zu den Einspritzöffnungen innerhalb des Druckraums sicherstellen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Düsennadel mit ihrem der Dichtfläche abgewandten Ende in einer Hülse aufgenommen, die den Steuerraum radial begrenzt. Dabei ist zwischen der Hülse und der Düsennadel in vorteilhafter Weise eine Schließfeder unter Druckvorspannung angeordnet, die eine Schließkraft in Richtung auf den Düsensitz auf die Düsennadel ausübt. Die Schließfeder sorgt dafür, dass die Düsennadel auch bei ausgeschalteter Brennkraftmaschine in Anlage am Düsensitz bleibt und so ein Nachtropfen von Kraftstoff in den Brennraum auch bei fehlendem Druck im Steuerraum unterbleibt.
In vorteilhafter Weise ist ein Kraftstoffinjektor zur Einspritzung von Kraftstoff in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einer Einspritzdüse nach einem der Ansprüche ausgestattet.
Zeichnung
In der Zeichnung ist eine erfindungsgemäße Einspritzdüse dargestellt. Es zeigt
1 in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Einspritzdüse samt dem schematisch dargestellten Einspritzsystem,
2 eine schematische Darstellung der Längenänderung der Düsennadel während eines Einspritzvorgangs,
3 ein Diagramm der Längenänderung der Düsennadel während eines Einspritzvorgangs und des Nadelhubs als Funktion der Zeit,
4 die Einspritzrate im zeitlichen Verlauf während eines Einspritzzyklus im Vergleich zu einer herkömmlichen Einspritzdüse und
5 im Längsschnitt eine ebenfalls schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Einspritzdüse.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein erfindungsgemäßer Kraftstoffinjektor samt zugehörigem Einspritzsystem schematisch dargestellt. Der Kraftstoffinjektor 100 weist eine Einspritzdüse 1 auf, die einen Düsenkörper 2 umfasst, in dem ein Druckraum 4 ausgebildet ist. Der Druckraum 4 kann mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt werden. Dazu wird Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 7 über eine Kraftstoffleitung 15 einer Hochdruckpumpe 16 zugeführt, die den Kraftstoff verdichtet und den verdichteten Kraftstoff über eine Druckleitung 17 einem Hochdrucksammelraum 19 zuführt, in dem der verdichtete Kraftstoff vorgehalten wird. Vom Hochdrucksammelraum 19 geht entsprechend der Anzahl der vorhandenen Kraftstoffinjektoren 100 eine Hochdruckleitung 21 ab, über die der Druckraum 4 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt wird.
Im Druckraum 4 ist eine kolbenförmige Düsennadel 3 längsverschiebbar angeordnet, die hier höchst schematisch dargestellt ist. Die Düsennadel 3 weist einen längselastischen Abschnitt 25 auf, der hier durch eine Feder symbolisiert ist, jedoch beispielsweise aus einem verjüngten zylindrischen Abschnitt der Düsennadel 3 besteht. Die Düsennadel 3 weist eine Dichtfläche 6 auf, mit der die Düsennadel 3 mit dem Düsensitz 5, der am brennraumseitigen Ende des Düsenkörpers 2 ausgebildet ist, zusammenwirkt, sodass bei Anlage der Dichtfläche 6 auf dem Düsensitz 5 eine oder mehrere Einspritzöffnungen 8, die im Düsenkörper 2 ausgebildet sind, gegen den Druckraum 4 abgedichtet werden. Hebt die Düsennadel 3 in Längsrichtung vom Düsensitz 5 ab, so fließt Kraftstoff aus dem Druckraum 4 zwischen der Dichtfläche 6 und dem Düsensitz 5 hindurch zu den Einspritzöffnungen 8 und wird durch diese ausgespritzt.
Das der Dichtfläche 6 abgewandte Ende der Düsennadel 3 weist eine Stirnfläche 9 auf, die einen Steuerraum 10 begrenzt. Der Steuerraum 10 ist über eine Zulaufdrossel 13, die von der Hochdruckleitung 21 abzweigt, mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar. Darüber hinaus ist der Steuerraum 10 mit einer Ablaufdrossel 14 verbunden, die über ein Steuerventil 18 mit einer Niederdruckleitung 20 verbindbar ist, wobei die Niederdruckleitung 20 in den Kraftstofftank 7 zurück mündet. Befindet sich das Steuerventil 18 in seiner Öffnungsstellung, wie in 1 dargestellt, so fließt Kraftstoff aus dem Steuerraum 10 über die Niederdruckleitung 20 in den Kraftstofftank 7, wobei die Zulaufdrossel 13 und die Ablaufdrossel 14 so aufeinander abgestimmt sind, dass bei geöffnetem Steuerventil 18 mehr Kraftstoff über die Ablaufdrossel 14 abfließt als im gleichen Zeitraum über die Zulaufdrossel 13 dem Steuerraum 10 nachfließt. Dadurch kommt es zu einem Druckabfall im Steuerraum 10 und entsprechend zu einer Minderung des hydraulischen Drucks auf die Stirnfläche 9, sodass durch den Kraftstoffdruck im Druckraum 4 die Düsennadel 3 vom Düsensitz 5 wegbewegt wird und die Einspritzöffnungen 8 freigibt. Soll die Einspritzung beendet werden, so wird das Steuerventil 18 wieder geschlossen, wodurch sich der hohe Kraftstoffdruck, der anfänglich im Steuerraum 10 geherrscht hat, wieder aufbaut und die Düsennadel 3 zurück in ihre Schließstellung in Anlage an den Düsensitz 5 drückt und so die Einspritzöffnungen 8 verschließt.
Die Funktion des elastischen Abschnitts 25 ist wie folgt und soll auch anhand der 2, die den Zustand der Düsennadel 3 schematisch zu verschiedenen Zeitpunkten des Einspritzzyklus darstellt, nachfolgend erläutert werden. In 2a ist der Zustand der Düsennadel 3 zu Beginn der Einspritzung dargestellt, bei der die Düsennadel 3 in ihrer Schließstellung in Anlage am Düsensitz 5 ist. Die Düsennadel 3 liegt dabei nicht mit ihrer gesamten Dichtfläche 6 auf dem Düsensitz 5 auf, sondern an der Dichtfläche 6 ist zur Verbesserung der Dichtheit eine ringförmige Dichtlinie 27 ausgebildet, die eine im Wesentlichen linienförmige Auflage der Dichtfläche 6 auf dem Düsensitz 5 bewirkt. Da die Fläche unterhalb der Dichtlinie 27 nicht vom Kraftstoffdruck des Druckraums 4 beaufschlagt wird, gibt es keine oder nur eine unwesentliche Kraft auf die Dichtfläche 6 unterhalb der Dichtlinie 27.
Der hohe Kraftstoffdruck im Steuerraums 10, der bei modernen Einspritzsystemen mehr als 2.000 bar betragen kann, bewirkt eine hydraulische Kraft F_S1 auf die Stirnseite 9 der Düsennadel, die in 2a oben durch einen Pfeil symbolisiert ist und die die Düsennadel 3 zusammendrückt. Durch die Ausbildung des elastischen Abschnitts 25 der Düsennadel 3 erfolgt die Stauchung hauptsächlich in diesem Bereich. Da unterhalb der Dichtlinie 27 praktisch kein Kraftstoffdruck anliegt, allenfalls der Druck, der im Brennraum herrscht und zu einer Kraft F_d1 führt, ergibt sich eine elastische Stauchung der Düsennadel 3 um einen gewissen Betrag. Wird nun der Druck im Steuerraum 10 abgebaut, so entspannt sich der elastische Abschnitt 25 und führt zu einer Verlängerung der Düsennadel 3 um einen Betrag Δl, wie es in 2b dargestellt ist. Die Kraft im Steuerraum F_S2 verringert sich, während die Gegenkraft F_d2 etwa gleich bleibt, da die Düsennadel 3 noch in ihrer Schließstellung ist, d. h. noch nicht vom Düsensitz 5 abgehoben hat.
Hebt nun die Düsennadel 3 vom Düsensitz 5 ab, so wird die Dichtfläche 6 der Düsennadel 3 vom Kraftstoffdruck des Druckraums 3 unterwandert, sodass nun auch eine erhöhte hydraulische Kraft F_d3 auf die Dichtfläche 6 wirkt, wie in 2c dargestellt. Gleichzeitig erhöht sich auch die Kraft F_S3 durch den Druck im Steuerraum, da der Kraftstoff von der Düsennadel 3 innerhalb des Steuerraums 10 komprimiert wird, wodurch die Düsennadel erneut gestaucht wird, diesmal durch eine hydraulische Kraft an beiden Enden, und sich wieder verkürzt. Die elastische Verkürzung der Düsennadel 3 ist nicht ganz so groß wie in der Schließstellung zu Beginn der Öffnungshubbewegung, da die hydraulische Kraft im Steuerraum F_S3 und auch die hydraulische Kraft innerhalb des Druckraums 4 gegenüber dem geschlossenen Zustand etwas erniedrigt sind. Dies kommt vor allem daher, dass der Druck im Druckraum 4 durch das Öffnen der Düsennadel 3 und damit das Freigeben der Einspritzöffnungen 8 erniedrigt wird und gleichzeitig der statische Druck auf die Dichtfläche 6 durch die Strömung des Kraftstoffs zwischen der Dichtfläche 6 und dem Düsensitz 5 vermindert ist, was ebenfalls die hydraulische Kraft auf die Dichtfläche 6 erniedrigt.
Bei der Schließbewegung der Düsennadel 3 auf den Düsensitz 5 zu kommt die Dichtfläche 6 in die Nähe des Düsensitzes 5, was den Kraftstofffluss und damit den Kraftstoffdruck im Bereich der Dichtfläche 6 drosselt, sodass die hydraulische Kraft F_d4 deutlich abnimmt, wie in 2d dargestellt. Durch das Wegfallen der hydraulischen Kraft auf die Unterseite der Düsennadel 3, d. h. auf die Dichtfläche 6, entspannt sich die Düsennadel 3 und verlängert sich wieder, wie in 2d dargestellt. Sobald die Düsennadel 3 wieder ihre Ausgangslage erreicht, d. h. die Anlage am Düsensitz 5, baut sich der Ausgangsdruck im Steuerraum 10 wieder auf und damit wird die hydraulische Kraft F_S5, wie in 2e dargestellt, wieder maximal und verkürzt die Düsennadel 3 auf ihre Ausgangslänge, wobei die Verkürzung hauptsächlich im elastischen Abschnitt 25 geschieht.
Das dargestellte zyklische Stauchen und Entspannen der Düsennadel 3 in Längsrichtung durch den elastischen Abschnitt 25 bewirkt eine zusätzliche Beschleunigung der Dichtfläche 6 beim Abheben vom Düsensitz 5. Hierzu ist in 3 die Verlängerung der Düsennadel Δl und der Hub der Düsennadel h im zeitlichen Verlauf dargestellt. Zum Zeitpunkt t₀ wird das Steuerventil 18 geöffnet, sodass der Druck im Steuerraum 10 einbricht und sich die hydraulische Kraft auf die Stirnfläche 9 der Düsennadel 3 verringert. Dadurch verlängert sich die Düsennadel 3 um die Länge Δl₂, die zum Zeitpunkt t₁ erreicht wird. Sobald sich die Düsennadel 3 völlig entspannt hat, d. h. ihre maximale Verlängerung erreicht hat, beginnt die eigentliche Öffnungsbewegung der Düsennadel, d. h. die Dichtfläche 6 bewegt sich vom Düsensitz 5 weg und gibt die Einspritzöffnungen 8 frei. Durch die oben dargestellten hydraulischen Verhältnisse wird nun die Düsennadel 3 wieder zusammengestaucht, bis auf eine Verlängerung Δl₁, was zum Zeitpunkt t₂ erreicht ist. In diesem Zustand und bis zum Zeitpunkt t₃ befindet sich die Düsennadel 3 in ihrer ballistischen Bewegungsphase, d. h. sie ist einerseits aus dem Sitzdrosselbereich heraus und andererseits an keinem mechanischen Anschlag angelangt: Sowohl auf die Stirnfläche 9 als auch auf die Dichtfläche 6 wirken hydraulische Kräfte innerhalb des Druckraums 4 bzw. des Steuerraums 10. Kurz bevor die Düsennadel 3 ihren maximalen Hub h_max erreicht hat, schließt das Steuerventil 18, sodass der Druck im Steuerraum 10 erneut ansteigt. Dadurch wird die Bewegung der Düsennadel 3 in Öffnungsrichtung gebremst und ihre Bewegungsrichtung kehrt sich um.
Zum Zeitpunkt t₃ erreicht die Düsennadel 3 eine Position, bei der die Sitzdrosselung zwischen der Dichtfläche 6 und dem Düsensitz 5 zu einer merklichen Verminderung der hydraulischen Kraft auf die Dichtfläche 6 führt. Dadurch längt sich die Düsennadel 3 erneut, was zu einer Zunahme der relativen Längenänderung Δl wieder auf den Wert Δl₂ bis zum Zeitpunkt t₄ führt, wie in 3 dargestellt. Zum Zeitpunkt t₄ erreicht die Düsennadel 3 auch wieder ihre Anlage am Düsensitz 5, sodass die Düsennadel 3 durch den steigenden Druck im Steuerraum 10 wieder gestaucht wird und ihre Ursprungslänge zum Zeitpunkt t₅ erreicht.
Gegenüber einer bekannten Düsennadel und ihrer Öffnungshubbewegung, die ausschließlich durch den hydraulischen Druck innerhalb des Steuerraums bestimmt wird, ergibt sich letztlich folgender Effekt: Sobald die Düsennadel 3 ihre Öffnungshubbewegung beginnt, d. h. vom Düsensitz 5 abhebt, setzt die Druckunterwanderung der Dichtfläche 6 ein und staucht die Düsennadel 3, was in der 3 zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ geschieht. Diese Stauchung der Düsennadel 3 und damit ihre Verkürzung addiert sich zur Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel, sodass sich die Dichtfläche 6 schneller als der Gesamtschwerpunkt der Düsennadel 3 vom Düsensitz 5 wegbewegt. Dadurch steigt die Einspritzrate zu Beginn der Einspritzung schneller an, als dies bei einer normalen Düsennadel 3 der Fall ist. Um dies zu illustrieren, ist in 4 die Einspritzrate R über der Zeit t während einer Einspritzung schematisch dargestellt. Die strichpunktierte Linie 40 stellt den Verlauf der Einspritzrate der erfindungsgemäßen Düsennadel 3 dar: Zu Beginn der Einspritzung steigt die Rate R sehr viel rascher an als bei der bekannten Düsennadel, deren Ratenverlauf 42 als durchgezogene Linie dargestellt ist. Bei der erfindungsgemäßen Düsennadel wird also die Maximalrate schneller erreicht, sodass nur wenig Kraftstoff mit geringem Druck zu den Einspritzöffnungen gelangt und dadurch unzureichend zerstäubt wird.
Der erfindungsgemäße Effekt kann auch wie folgt erklärt und quantifiziert werden: Bricht der Druck im Steuerraum 10 ein, so bewegt sich die Stirnfläche 9 der Düsennadel 3 in den Steuerraum hinein, ohne dass sich die Dichtfläche 6 vorerst bewegt. Dieser Effekt beträgt bei einer Längssteifigkeit des elastischen Abschnitts der Düsennadel von beispielsweise 15.000 N/mm etwa 30 µm, wenn die Düsennadel aus einem gebräuchlichen Stahl mit einem Elastizitätsmodul von etwa 210.000 N/mm² besteht und der Durchmesser des elastischen Abschnittes 1,5 mm beträgt bei einer Länge von 26 mm, wobei der längselastische Abschnitt kreiszylindrisch ausgebildet ist. Sobald die Längung der Düsennadel 3 abgeschlossen ist, bewegt sich die Dichtfläche 6 vom Düsensitz 5 weg mit einer gewissen Öffnungsgeschwindigkeit. Durch die Druckunterwanderung der Dichtfläche 6 wird nun die Düsennadel 3 erneut gestaucht, sodass sich die elastische Verformung der Düsennadel 3 zur Bewegungsgeschwindigkeit der Düsennadel 3 addiert. Die Dichtfläche 6 bewegt sich also rascher vom Düsensitz 5 weg, als sie dies ohne den elastischen Abschnitt 25 tun würde.
Die Längssteifigkeit ist wie folgt definiert:
Allgemein gilt für die Dehnung ε_x in Längsrichtung der Düsennadel (hier: x-Richtung) ε_x = E^–1·[σ_x – ν·(σ_y + σ_z)]
Hierbei sind σ_x, σ_y und σ_z die Spannungen in der jeweiligen Raumrichtung, ν die Poisson-Zahl und E der Elastizitätsmodul. Für die nachfolgende Betrachtung kann der Dehnungsbeitrag durch den hydrostatischen Druck im Druckraum (Spannungen σ_y und σ_z) jedoch vernachlässigt werden, da dieser Beitrag während des gesamten Einspritzzyklus praktisch unverändert bleibt. Die obige Beziehung vereinfacht sich dann analog zu einer unidirektionaler Belastung zu σ = E·ε
Bei der folgenden Betrachtung wird von einem längselastischen Abschnitt ausgegangen, der aus einem massiven zylindrischen Abschnitt der Düsennadel besteht, mit einem Durchmesser d, einem Querschnitt A und einer Länge L. Ersetzt man die Spannungen σ der obigen Gleichung durch F/A, so ergibt sich F/A = E·ε
Die Dehnung ε ist als Quotient aus der relativen Längenänderung ΔL und der Gesamtlänge L des Abschnitts gegeben, also ε = ΔL/L. Setzt man beides ineinander ein, so ergibt sich F/A = E·ΔL/L oder F = E·A/L·ΔL
Der Proportionalitätsfaktor zwischen der Kraft F und der relativen Längenänderung ΔL wird als Längssteifigkeit c bezeichnet, die damit durch folgende Beziehung gegeben ist: c = F/ΔL = E·A/L
Setzt man den für Stahl typischen Wert von E = 210.000 N/mm² ein und einen Durchmesser d des längselastischen Abschnitts 25 von 1,5 mm und eine Länge L von 26 mm, so ergibt sich eine Längssteifigkeit von c = 210.000 N/mm²·π/4·(1,5 mm)²/26 mm ≈ 14.300 N/mm
Gute Effekte werden aber auch schon bei einer höheren Längssteifigkeit c erreicht, wobei die Längssteifigkeit c allerdings geringer als 40.000 N/mm sein sollte, damit ein Effekt bei einer Einspritzdüse zu beobachten ist.
In 5 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einspritzdüse 1 dargestellt, wobei identische Bauteile die gleichen Bezugsziffern tragen wie in 1. Die Einspritzdüse 1 weist einen Düsenkörper 2 auf, in dem ein Druckraum 4 ausgebildet ist, der mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist, wie schon in 1 dargestellt. Die Düsennadel 3 ist kolbenförmig ausgeführt und weist einen ersten Führungsabschnitt 30 und einen zweiten Führungsabschnitt 31 auf, mit der die Düsennadel 3 in radialer Richtung innerhalb des Druckraums 4 geführt ist. Zwischen dem ersten Führungsabschnitt 30 und dem zweiten Führungsabschnitt 31 ist der elastische Längsabschnitt 25 ausgebildet, der einen Durchmesser d aufweist und eine Länge L. Der Dichtfläche 6 abgewandt ist die Düsennadel 3 mit einem zylindrischen Abschnitt in einer Hülse 23 geführt, die den Steuerraum 10 in radialer Richtung begrenzt. Die Hülse 23 wird dabei durch die Kraft einer Schließfeder 24 gegen eine Drosselscheibe 22 gedrückt, wobei die Schließfeder 24 unter Druckvorspannung zwischen der Hülse 23 und einem Absatz 36 der Düsennadel 3 angeordnet ist und dabei die Düsennadel 3 umgibt. Zwischen der Schließfeder 24 und dem Absatz 36 ist eine Ausgleichsscheibe 37 angeordnet, über deren Dicke die Druckvorspannung der Schließfeder 24 einstellbar ist.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich zwischen dem Führungsabschnitt 103 der Düsennadel 3 und dem Absatz 36 ein weiterer elastischer Längsabschnitt 26 der Düsennadel 3, der einen Durchmesser d_j aufweist, der zumindest näherungsweise dem Durchmesser d des elastischen Längsabschnitts 25 entspricht. Durch den weiteren elastischer Längsabschnitt 26 kann die Gesamtsteifigkeit der Düsennadel 3 weiter erniedrigt werden, falls beispielsweise aus Platzgründen der elastische Längsabschnitt 25 nicht in der notwendigen Länge gefertigt werden kann.
Die Gesamt-Längssteifigkeit der elastischen Längsabschnitte c_ges beträgt dann c_ges = 1/(c₁ ^–1 + c₂ ^–1) wenn c₁ und c₂ die Längssteifigkeiten der beiden elastischen Abschnitte 25, 26 sind. Dabei liegt die Gesamt-Längssteifigkeit c_ges vorzugsweise unter 20.000 N/mm.
Zur Sicherung des Kraftstoffflusses innerhalb des Druckraums 4 in Richtung der Einspritzöffnungen 8 sind am ersten Führungsabschnitt 30 und am zweiten Führungsabschnitt 31 jeweils eine oder mehrere Anschliffe 33 bzw. 34 an der Außenseite der Führungsabschnitte 30, 31 angebracht, sodass ein ungedrosselter Kraftstofffluss an den Führungsabschnitten 30, 31 vorbei in Richtung der Einspritzöffnungen 8 erfolgen kann.
Neben der Ausbildung des elastischen Längsabschnitts 25 in Form eines Kreiszylinders mit verringertem Durchmesser ist es auch möglich, diesen elastischen Längsabschnitt in anderer Weise darzustellen, beispielsweise indem durch Ausnehmungen in der Düsennadel eine höhere Längselastizität erreicht wird. Die Ausbildung durch eine Durchmesserverringerung ist jedoch die einfachste Art, einen solchen längselastischen Abschnitt darzustellen, ohne dass die Fertigungskosten der Düsennadel dadurch nennenswert steigen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19936668 A1 [0002]

Claims

Einspritzdüse (1) für Kraftstoffe mit einem Düsenkörper(2), in dem ein mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbarer Druckraum (4) ausgebildet ist, in dem eine kolbenförmige Düsennadel (3) längsbeweglich angeordnet ist, an deren einen Ende eine Dichtfläche (6) und am gegenüberliegenden Ende eine Stirnfläche (9) ausgebildet ist, wobei die Dichtfläche (6) mit einem Düsensitz (5) zum Öffnen und Schließen wenigstens einer Einspritzöffnung (8) zusammenwirkt, und mit einem mit Kraftstoff unter wechselndem Druck befüllbaren Steuerraum (10), den die Düsennadel (3) mit der Stirnfläche (9) begrenzt, so dass durch den hydraulischen Druck auf die Stirnfläche (9) eine Kraft in Richtung auf den Düsensitz (5) ausgeübt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (3) einen elastischen Längsabschnitt (25) aufweist, der eine Längssteifigkeit von weniger als 40.000 N/mm aufweist.
Einspritzdüse (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elastische Längsabschnitt (25) der Düsennadel (3) eine Steifigkeit (c) von weniger als 20.000 N/mm aufweist, vorzugsweise von 12.000 bis 16.000 N/mm, besonders bevorzugt 14.000 bis 16.000 N/mm.
Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elastische Längsabschnitt (25) eine kreiszylindrische Form aufweist.
Einspritzdüse (1) nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (3) aus einem Stahl gefertigt ist und der elastische Längsabschnitt (25) einen Durchmesser (d) von 1,3 mm bis 2,0 mm aufweist, vorzugsweise 1,4 mm bis 1,6 mm.
Einspritzdüse (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl einen Elastizitätsmodul von 200.000 bis 230.000 N/mm² aufweist, vorzugsweise zumindest näherungsweise 210.000 N/mm².
Einspritzdüse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der elastische Längsabschnitt (25) eine Länge (L) von weniger als 30 mm aufweist, vorzugsweise eine Länge (L) von 15 bis 28 mm.
Einspritzdüse (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als ein elastischer Längsabschnitt (25; 26) vorgesehen ist, wobei jeder elastische Längsabschnitt (25; 26) eine Länge (L) von weniger als 30 mm aufweist.
Einspritzdüse (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtsteifigkeit der elastischen Längsabschnitte (25; 26) weniger als 20.000 N/mm beträgt.
Einspritzdüse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtfläche (6) der Düsennadel (3) eine ringförmige Dichtlinie (27) aufweist, mit der sie im geschlossenen Zustand der Einspritzdüse (1) auf dem Düsensitz (5) aufsitzt und den Druckraum (4) gegen die Einspritzöffnungen (8) abdichtet.
Einspritzdüse (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtfläche (6) der Düsennadel (3) eine ringförmige Dichtlinie (27) aufweist, mit der sie im geschlossenen Zustand der Einspritzdüse (1) auf dem Düsensitz (5) aufsitzt und den Druckraum (4) gegen die Einspritzöffnungen (8) abdichtet und der Durchmesser (d) des elastischen Längsabschnitts (25) zumindest näherungsweise gleich dem Durchmesser (d_D) der ringförmigen Dichtlinie (27) ist.
Einspritzdüse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts und stromabwärts des elastischen Längsabschnitts (25) jeweils ein Führungsabschnitt (30; 31) an der Düsennadel (3) ausgebildet ist, mit der die Düsennadel (3) im Druckraum (4) in radialer Richtung geführt ist.
Einspritzdüse (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass an den Führungsabschnitten (30; 31) Durchlässe (33; 34) ausgebildet sind, die einen drosselfreien Kraftstofffluss zu den Einspritzöffnungen (8) innerhalb des Druckraums (4) sicherstellen.
Einspritzdüse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das der Dichtfläche (6) abgewandte Ende der Düsennadel (3) in einer Hülse (23) aufgenommen ist, die den Steuerraum (10) radial begrenzt.
Einspritzdüse (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Hülse (23) und der Düsennadel (3) eine Schließfeder (24) unter Druckvorspannung angeordnet ist, das eine Kraft in Richtung auf den Düsensitz (5) auf die Düsennadel (3) ausübt.
Kraftstoffinjektor (100) zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, der eine Einspritzdüse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 umfasst.