DE102019210631A1

DE102019210631A1 - Kraftstoffinjektor für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE102019210631A1
Application number: DE102019210631.5A
Authority: DE
Inventors: Andreas Köninger; Fabian Wolf; Knut Kristian Baadshaug; Gerhard Suenderhauf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-07-18
Filing date: 2019-07-18
Publication date: 2021-01-21
Also published as: EP3999736A1; CN114502834B; WO2021008763A1; US20230130775A1; CN114502834A; EP3999736B1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor (10) für Brennkraftmaschinen, mit einem Düsenkörper (12), in dem ein Sackloch (14) ausgebildet ist, von dem wenigstens eine Einspritzöffnung (22) ausgeht, und mit einer im Düsenkörper (12) längsbeweglich angeordneten Düsennadel (26; 26a bis 26g), an der auf dem Sackloch (14) zugewandten Seite eine Dichtfläche (28) ausgebildet ist, mit der die Düsennadel (26; 26a bis 26g) zur Steuerung eines Kraftstoffflusses zu der wenigstens einen Einspritzöffnung (22) mit einer Sitzfläche (17) des Düsenkörpers (12) zusammenwirkt, und mit einer Nadelspitze (34), die eine radial um eine Längsachse (15) umlaufende erste Kante (41) mit einem ersten Durchmesser (D1) aufweist, an den sich in Richtung des Sacklochgrunds (20) eine zweite, radial um die Längsachse (15) umlaufende Kante (42) mit einem zweiten Durchmesser (D2) anschließt.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor für Brennkraftmaschinen, wie er insbesondere als Bestandteil eines sogenannten Common-Rail-Einspritzsystems für selbstzündende Brennkraftmaschinen für Anwendungen mit relativ hohen maximalen Durchfluss- bzw. Einspritzmengen eingesetzt wird.
Stand der Technik
Ein Kraftstoffinjektor für Brennkraftmaschinen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus der DE 10 2016 116 690 A1 bekannt. Der bekannte Kraftstoffinjektor zeichnet sich durch eine Düsennadel mit einer Nadelspitze aus, die in Richtung eines Sacklochgrunds eines Düsenkörpers unterhalb eines kegelförmig ausgebildeten Abschnitts einen zylindrischen Abschnitt mit zwei radial um eine Längsachse der Düsennadel umlaufende Kanten aufweist, wobei in einer geschlossenen Stellung der Düsennadel die dem Sacklochgrund zugewandte zweite Kante unterhalb einer unteren Einlaufkante einer Einspritzöffnung, in einer teilweise geöffneten Stellung der Düsennadel die dem Sacklochgrund abgewandte erste Kante unterhalb einer oberen Einlaufkante der Einspritzöffnung, und in einer vollständig geöffneten Stellung der Düsennadel die zweite Kante oberhalb der unteren Einlaufkante der Einspritzöffnung angeordnet ist. Eine derartige Ausbildung der Nadelspitze der Düsennadel soll insbesondere eine stabile Strömung zwischen der Düsennadel, dem Sackloch und der Einspritzöffnung ermöglichen bzw. instabile Strömungszustände vermeiden. Derartige instabile Strömungszustände können sich in einer Kavitationsneigung im Teilhubbereich der Düsennadel äußern und somit insbesondere auch die Mengengenauigkeit über die Lebensdauer des Kraftstoffinjektors negativ beeinträchtigen.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor für Brennkraftmaschinen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat neben den gewünschten Eigenschaften wie der Erzielung einer stabilen Strömung bei gleichzeitig niedrigem Schadvolumen vor allem den Vorteil, dass dessen Kavitationsneigung in einem Teilhubbereich der Düsennadel, bei dem die Querschnittsfläche im Bereich des Sitzes zwischen der Düsennadel und dem Düsenkörper geringer ist als der Querschnitt der Einspritzöffnungen unterhalb des Düsensitzes, deutlich reduziert wird. Zusätzlich wird eine hohe Strömungseffizienz im Vollhubbereich der Düsennadel erzielt.
Erfindungsgemäß werden die oben genannten Vorteile bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor dadurch gelöst, dass der Durchmesser der Düsennadel im Bereich der ersten Kante größer ist als der Durchmesser der Düsennadel im Bereich der zweiten Kante, und dass ein Abstand zwischen den beiden Kanten in Richtung der Längsachse betrachtet dem 0,4-fachen bis 1,6-fachen eines Durchmessers der Einspritzöffnung in einem Einlaufbereich zum Sackloch in nicht verrundetem Zustand des Einlaufbereichs entspricht.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors für Brennkraftmaschinen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Der oben beschriebene allgemeine Erfindungsgedanke kann in konstruktiver Weise unterschiedlich umgesetzt werden, um jeweils spezifisch vorteilhafte Vorteile zu erzielen. So ist es in einer ersten konstruktiven Umsetzung vorgesehen, dass die Düsennadel zwischen den beiden Kanten der Nadelspitze wenigstens einen kegelförmig ausgebildeten Abschnitt aufweist.
Alternativ hierzu ist es jedoch auch möglich, dass die Düsennadel zwischen den beiden Kanten zylindrisch ausgebildet ist.
In wiederum konstruktiv alternativer Ausgestaltung zu den beiden zuletzt gemachten Vorschlägen ist es vorgesehen, dass die Düsennadel zwischen den beiden Kanten konvex oder konkav ausgebildet ist.
Unabhängig von der Form der Düsennadel im axialen Endbereich bzw. im Bereich der Nadelspitze sieht es eine weitere konstruktiv bevorzugte Ausgestaltung vor, dass die Düsennadel zwischen der ersten Kante und der Dichtfläche am Düsensitz einen zylindrisch ausgebildeten Abschnitt aufweist.
In Weiterbildung des zuletzt gemachten Vorschlags ist es vorgesehen, dass sich an den zylindrisch ausgebildeten Abschnitt in Richtung zur Dichtfläche am Düsenkörper ein kegelförmig ausgebildeter Abschnitt anschließt, dessen Winkel zur Längsachse der Düsennadel größer ist als der Winkel zwischen der Dichtfläche und der Längsachse.
In Weiterbildung des zuletzt gemachten Vorschlags ist es von besonderem Vorteil, wenn der Unterschied der beiden Winkel an der Düsennadel weniger als 8,5° beträgt. Dadurch wird insbesondere eine starke Umlenkung des Kraftstoffflusses mit entsprechend negativen Wirkungen vermieden.
Alternativ zu einem zylindrisch ausgebildeten Abschnitt zwischen der ersten Kante und der Dichtfläche im Bereich des Düsenkörpers kann es auch vorgesehen sein, dass die Düsennadel dort einen konkav ausgebildeten Abschnitt aufweist.
Auch hinsichtlich der Ausbildung der Düsennadel unterhalb der zweiten Kante bzw. in Richtung des Grunds des Sacklochs gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. So kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass die zweite Kante eine ebene Stirnfläche der Nadelspitze begrenzt. Alternativ hierzu kann es vorgesehen sein, dass die Nadelspitze auf der der ersten Kante abgewandten Seite der zweiten Kante kegelförmig ausgebildet ist.
Unabhängig von der soweit beschriebenen konkreten Form der Düsennadel ist es hinsichtlich der Strömungsführung auch wichtig, den Düsenkörper in einer vorteilhaften Art und Weise konstruktiv zu gestalten. Hierzu ist es insbesondere vorgesehen, dass das Sackloch im Düsenkörper einen zylindrischen Abschnitt aufweist, der in einen gerundet ausgebildeten Sacklochgrund übergeht, und dass der Übergang zwischen dem zylindrischen Abschnitt und dem gerundeten Sacklochgrund zwischen der oberen und unteren Einlaufkante der Einspritzöffnung angeordnet ist, wobei die Längsachse der Einspritzöffnung vorzugsweise den Übergang schneidet.
Eine weitere Optimierung des Kraftstoffflusses in Richtung der Einspritzöffnung sieht vor, dass die Einspritzöffnung im Einlaufbereich zum Sackloch gerundet ausgebildet ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen des Kraftstoffinjektors sowie anhand der Zeichnungen.
Figurenliste

1 zeigt einen axialen Endabschnitt eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors bei einer ersten Ausführungsform einer Düsennadel,
2 ein Detail der 1 im Bereich einer Einspritzöffnung am Düsenkörper,
3 bis 5 den Kraftstoffinjektor gemäß 1 bei unterschiedlichen Stellungen seiner Düsennadel jeweils in einem Teillängsschnitt,
6 bis 9 in jeweils vereinfachten Teillängsschnitten unterschiedlich geformte Düsennadelendbereiche und
10 bis 12 weitere Variationen der Geometrie der Düsennadel in Teillängsschnitten.

Ausführungsformen der Erfindung
Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
In den 1 bis 5 ist bereichsweise ein Kraftstoffinjektor 10 zum Einspritzen von Kraftstoff in den nicht gezeigten Brennraum einer selbstzündenden Brennkraftmaschine dargestellt. Der dargestellte axial untere Endbereich des Kraftstoffinjektors 10 ist dabei dem Brennraum der Brennkraftmaschine zugewandt. Insbesondere ist der Kraftstoffinjektor 10 Bestandteil eines sogenannten Common-Rail-Einspritzsystems für selbstzündende Brennkraftmaschinen, wobei der Systemdruck vorzugsweise mehr als 2000 bar beträgt. Weiterhin findet der dargestellte Kraftstoffinjektor 10 vorzugsweise Verwendung bei Anwendungen, die relativ hohe maximale Durchflussmengen erfordern.
Der Kraftstoffinjektor 10 weist einen Düsenkörper 12 auf, in dem ein Sackloch 14 ausgebildet ist. Das Sackloch 14 weist im Längsschnitt eine kegelförmig um eine Längsachse 15 des Düsenkörpers 12 ausgebildeten Abschnitt 16 auf, der eine Sitzfläche 17 ausbildet. Der Abschnitt 16 geht in einen zylindrischen Abschnitt 18 über, an den sich ein gerundet ausgebildeter Sacklochgrund 20 anschließt. Im Übergangsbereich zwischen dem zylindrischen Abschnitt 18 und dem Sacklochgrund 20 mündet wenigstens eine als Durchgangsbohrung im Düsenkörper 12 ausgebildete Einspritzöffnung 22, über die Kraftstoff aus dem Düsenkörper 12 in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann.
Die Einspritzöffnung 22 ist gegenüber der Längsachse 15 in einem schrägen Winkel α angeordnet, wobei eine Längsachse 23 der Einspritzöffnung 22 vorzugsweise den Übergang zwischen dem zylindrischen Abschnitt 18 und dem Sacklochgrund 20 schneidet (2).
Entsprechend der Darstellung der 2 kann es vorgesehen sein, dass der Einlaufbereich 24 der Einspritzöffnung 22 mit einer Rundung 25 ausgestattet ist.
Der Durchmesser der Einspritzöffnung 22 in dem Bereich außerhalb der Rundung 25 ist mit d bezeichnet.
Der soweit beschriebene Düsenkörper 12 wirkt zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine über die wenigstens eine Einspritzöffnung 22 mit einer entlang der Längsachse 15 hubbeweglich angeordneten Düsennadel 26 zusammen. Die Düsennadel 26 wird beispielsweise mittels eines nicht dargestellten Magnetaktuators auf an sich bekannte Art und Weise bewegt, derart, dass in einer in der 3 dargestellten abgesenkten Position der Düsennadel 26 diese mit dem Düsenkörper 12 bzw. dessen Sitzfläche 17 im Bereich einer kegelförmig ausgebildeten Dichtfläche 28 der Düsennadel 26 einen Dichtsitz 30 ausbildet, um die wenigstens eine Einspritzöffnung 22 zumindest mittelbar zu verschließen. In der in den 4 und 5 dargestellten, teilweise bzw. vollständig angehobenen Düsennadel 26 ist demgegenüber ein Zulaufspalt 32 in Richtung der wenigstens einen Einspritzöffnung 22 freigegeben, sodass der Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann.
Die Dichtfläche 28 der Düsennadel 26 geht auf der dem Sacklochgrund 20 zugewandten Seite geht in einen zylindrischen Abschnitt 35 als Teil einer Nadelspitze 34 über, an den sich wiederum ein kegelförmig ausgebildeter Abschnitt 36 anschließt. Die dem Sacklochgrund 20 zugewandte Stirnfläche 38 der Düsennadel 26 ist als ebene, d.h. senkrecht zur Längsachse 15 verlaufende Stirnfläche 38 ausgebildet.
Der Übergang zwischen dem zylindrischen Abschnitt 35 in den kegelförmigen Abschnitt 36 der Düsennadel 26 bildet eine radial um die Längsachse 15 umlaufende erste Kante 41 mit einem ersten Durchmesser D₁ aus. Die Stirnfläche 38 bildet am Übergang zum kegelförmigen Abschnitt 36 einen zweite, radial um die Längsachse 15 umlaufende Kante 42 mit einem zweiten Durchmesser D₂ aus. Dabei ist der zweite Durchmesser D₂ kleiner als der erste Durchmesser D₁. Weiterhin ist zwischen den beiden Kanten 41, 42 in Richtung der Längsachse 15 betrachtet ein axialer Abstand a ausgebildet. Der Abstand a beträgt das 0,4-fache bis 1,6-fache des Durchmessers d der Einspritzöffnung 22 außerhalb des Einlaufbereichs 24, d.h. im zylindrischen Bereich der Einspritzöffnung 22.
In der 3 ist die Schließposition der Düsennadel 26 in dem Düsenkörper 12 dargestellt. Dabei befindet sich die zweite Kante 42 axial in Richtung der Längsachse 15 betrachtet unterhalb einer unteren Einlaufkante 44 der Einspritzöffnung 22.
In der 4 ist eine teilweise geöffnete Düsennadel 26 dargestellt. Dabei befindet sich die erste Kante 41 in axialer Richtung der Längsachse 15 betrachtet unterhalb einer oberen Einlaufkante 45 der Einspritzöffnung 22. Dies bewirkt, dass eine Primärströmung 46, die unmittelbar von dem Zulaufspalt 32 in den Bereich der Einspritzöffnung 22 gelangt, strömungstechnisch besonders günstig geführt wird. Die in der 4 dargestellte Öffnungsstellung der Düsennadel 26 zeichnet sich dadurch aus, dass der (ringförmige) Querschnitt A_Sitz im Bereich des Zulaufspalts 32 kleiner ist als die Summe der Querschnitte A_SL der Einspritzöffnungen 22.
In der 5 ist der (vollständig) geöffnete Zustand der Düsennadel 26 dargestellt. Dabei befindet sich die zweite Kante 42 vorzugsweise unterhalb der oberen Einlaufkante 45 der Einspritzöffnung 22, maximal ca. 30µm darüber. Eine derartige Anordnung bewirkt, dass eine Sekundärströmung 48, die vom Sacklochgrund 20 in den Bereich der Einspritzöffnungen 22 gelangt, im Bereich der Einspritzöffnungen 22 relativ geringe Strömungsablösungen erzeugt. Weiterhin ist der (vollständig) geöffnete Zustand der Düsennadel 26 dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt A_Sitz des Zulaufspalts 32 größer ist als die Summe der Querschnitte A_SL der Einspritzöffnungen 22.
In der 6 ist eine gegenüber den 1 bis 5 abgewandelte Düsennadel 26a dargestellt. Diese zeichnet sich dadurch aus, dass anstelle des kegelförmigen Abschnitts 36 ein zylindrischer Abschnitt 49 zwischen dem zylindrischen Abschnitt 35 und der Stirnfläche 38 vorgesehen ist. Die erste Kante 41 befindet sich im Übergang von dem Abschnitt 35 zu der die Abschnitte 35 und 49 verbindenden Ringfläche 50.
Die in der 7 dargestellte Düsennadel 26b weist demgegenüber beim Übergang von dem zylindrischen Abschnitt 35 zu der (ebenen) Stirnfläche 38 einen konvex bzw. gerundet ausgebildeten Abschnitt 51 auf.
Die in der 8 dargestellte Düsennadel 26c weist anstelle des konvex ausgebildeten Abschnitts 51 einen konkav ausgebildeten Abschnitt 52 auf.
In der 9 ist bei der Düsennadel 26d der Fall dargestellt, bei der der Übergang zwischen dem zylindrischen Abschnitt 35 in die (ebene) Stirnfläche 38 durch zwei, unterschiedliche Winkel zur Längsachse 15 aufweisende, konisch ausgebildete Abschnitte 53, 54 ausgebildet ist.
In der 10 ist eine Düsennadel 26e dargestellt, bei der sich an die Dichtfläche 28 in Richtung zum zylindrischen Abschnitt 35 ein kegelförmiger Abschnitt 55 anschließt. Der kegelförmig ausgebildete Abschnitt 55 weist einen Winkel β auf, der um maximal 8,5° größer ist als ein Winkel γ zwischen der Dichtfläche 28 und einer Parallelen zur Längsachse 15.
In der 11 ist eine Düsennadel 26f dargestellt, bei der der Übergang zwischen der Dichtfläche 28 zur ersten Kante 41 durch einen konkav ausgebildeten Abschnitt 56 erfolgt.
Zuletzt ist in der 12 der Fall dargestellt, bei der die Düsennadel 26g grundsätzlich wie die Düsennadel 26f geformt ist, jedoch die Stirnfläche 38e geneigt bzw. kegelförmig ausgebildet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016116690 A1 [0002]

Claims

Kraftstoffinjektor (10) für Brennkraftmaschinen, mit einem Düsenkörper (12), in dem ein Sackloch (14) ausgebildet ist, von dem wenigstens eine Einspritzöffnung (22) ausgeht, und mit einer im Düsenkörper (12) längsbeweglich angeordneten Düsennadel (26; 26a bis 26g), an der auf dem Sackloch (14) zugewandten Seite eine Dichtfläche (28) ausgebildet ist, mit der die Düsennadel (26; 26a bis 26g) zur Steuerung eines Kraftstoffflusses zu der wenigstens einen Einspritzöffnung (22) mit einer Sitzfläche (17) des Düsenkörpers (12) zusammenwirkt, und mit einer sich an die Dichtfläche (28) in Richtung zum Sackloch (14) anschließenden Nadelspitze (34), die eine radial um eine Längsachse (15) umlaufende erste Kante (41) mit einem ersten Durchmesser (D₁) aufweist, an den sich in Richtung des Sacklochgrunds (20) eine zweite, radial um die Längsachse (15) umlaufende Kante (42) mit einem zweiten Durchmesser (D₂) anschließt, wobei in einer einen Dichtsitz (30) ausbildenden, abgesenkten Stellung der Düsennadel (26; 26a bis 26g) die zweite Kante (42) in Richtung der Längsachse (15) betrachtet unterhalb einer unteren Einlaufkante (44) der Einspritzöffnung (22) angeordnet ist, in einer teilweise geöffneten Stellung der Düsennadel (26; 26a bis 26g) die erste Kante (41) in Richtung der Längsachse (15) betrachtet unterhalb einer oberen Einlaufkante (45) der Einspritzöffnung (22) angeordnet ist und in einer vollständig geöffneten Stellung der Düsennadel (26; 26a bis 26g) in Richtung der Längsachse (15) betrachtet die zweite Kante (42) oberhalb der unteren Einlaufkante (44) der Einspritzöffnung (22) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (D₁) der Düsennadel (26; 26a bis 26g) im Bereich der ersten Kante (41) größer ist als der Durchmesser (D₂) der Düsennadel (26; 26a bis 26g) im Bereich der zweiten Kante (42), und dass ein Abstand (a) zwischen den beiden Kanten (41, 42) in Richtung der Längsachse (15) betrachtet dem 0,4-fachen bis 1,6-fachen eines Durchmessers (d) der Einspritzöffnung (22) in einem Einlaufbereich (24) zum Sackloch (14) in nicht verrundetem Zustand des Einlaufbereichs (24) entspricht.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (26; 26e bis 26g) zwischen den beiden Kanten (41, 42) wenigstens einen kegelförmig ausgebildeten Abschnitt (36; 53, 54) aufweist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (26a) zwischen den beiden Kanten (41, 42) einen zylindrischen Abschnitt (49) aufweist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (26b; 26c) zwischen den beiden Kanten (41, 42) einen konvex oder konkav ausgebildeten Abschnitt (51; 52) aufweist.
Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (26; 26a bis 26e) zwischen der ersten Kante (41) und der Dichtfläche (28) einen zylindrisch ausgebildeten Abschnitt (35) aufweist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den zylindrisch ausgebildeten Abschnitt (35) in Richtung zur Dichtfläche (28) ein kegelförmig ausgebildeter Abschnitt (55) anschließt, dessen Winkel (β) zur Längsachse (15) größer ist als der Winkel (γ) zwischen der Dichtfläche (28) und der Längsachse (15).
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied der beiden Winkel (β, γ) weniger als 8,5° beträgt.
Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (26f; 26g) zwischen der ersten Kante (41) und der Dichtfläche (28) einen konkav ausgebildeten Abschnitt (56) aufweist.
Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kante (42) eine ebene Stirnfläche (38) der Nadelspitze (34) begrenzt.
Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nadelspitze (34) auf der der ersten Kante (41) abgewandten Seite der zweiten Kante (42) mit einer kegelförmig ausgebildeten Stirnfläche (38a) versehen ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Sackloch (14) einen zylindrischen Abschnitt (18) aufweist, der in den gerundet ausgebildeten Sacklochgrund (20) übergeht, und dass der Übergang zwischen dem zylindrischen Abschnitt (18) und dem gerundeten Sacklochgrund (20) zwischen der unteren und oberen Einlaufkante (44, 45) der Einspritzöffnung (22) angeordnet ist, wobei eine Längsachse (23) der Einspritzöffnung (22) vorzugsweise den Übergang zwischen dem zylindrischen Abschnitt (18) und dem Sacklochgrund (20) schneidet.
Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzöffnung (22) im Einlaufbereich (24) zum Sackloch (14) mit einer Rundung (25) ausgebildet ist.