DE10303859B4

DE10303859B4 - Düsenbaugruppe zur Einspritzung und Verwirbelung von Kraftstoff

Info

Publication number: DE10303859B4
Application number: DE10303859A
Authority: DE
Inventors: Min Canton Xu
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2002-01-31
Filing date: 2003-01-30
Publication date: 2007-02-15
Anticipated expiration: 2023-01-31
Also published as: GB2386157A; DE10303859A1; US20030141385A1; GB0300467D0; GB2386157B; US6783085B2

Abstract

Kraftstoff-Einspritzdüsenbaugruppe (10) mit einem Einspritzkörper (12) mit einem Ventilsitz (16) mit einer Zuführungspassage (18), durch welche Kraftstoff im wesentlichen entlang einer Zuführungsachse (14) fließt, einer Düsenplatte (24) mit einer Oberfläche (26) und einer Unterfläche (28), die auf dem Ventilsitz (16) befestigt ist, wobei die Oberfläche (26) aufweist:
– eine erste Vertiefung (30) die derart ausgeführt ist, dass Kraftstoff von der Zuführungspassage (18) in diese fließen kann,
– eine Vielzahl Wirbelkammern (32) mit jeweils einer konischen Düsenöffnung (34), wobei sich die konischen Düsenöffnungen (34) von den Wirbelkammern (32) zur Unterfläche (28) der Düsenplatte (24) derart erstrecken, dass sie mit ihrem engeren Ende mit den Wirbelkammern (32) verbunden sind,
– eine Vielzahl an Kanälen (38), die die Wirbelkammern (32) mit der rsten Vertiefung (30) verbinden,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Düsenöffnungen (34) gleichmäßig entlang eines ovalförmigen Schemas (44) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einspritzdüsenbaugruppe für eine feine Zerstäubung von Kraftstoff, der in eine Verbrennungsmaschine eingespritzt wird. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine verbesserte Einspritzdüsenbaugruppe zur Kraftstoffverwirbelung.
Strenge Emissionsstandards bei Verbrennungsmaschinen führen zu der Nutzung von verbesserten Kraftstoffdosierungstechniken, die extrem kleine Kraftstofftropfen bereitstellen. Eine solche feine Zerstäubung verbessert nicht nur die Emissionsqualität der Abgase, sondern verbessert auch die Kaltstarteigenschaften, den Kraftstoffverbrauch und die Fahrzeugperformance.

Beispielsweise ist aus der JP 7-35001 A eine Kraftstoffeinspritzdüsenbaugruppe bekannt, die einen Einspritzkörper und ein Ventilsitz aufweist. Des Weiteren sind mehrere Wirbelkammern ersichtlich, in welche über Kanäle Kraftstoff hineinfließen kann. Die Befestigung der Düsenplatte erfolgt auf dem Ventilsitz in einstückiger Ausbildung.

Des Weiteren wird in der DE 38 08 396 A1 ein Kraftstoffeinspritzventil offenbart, das eine Verbesserung der Kraftstoffaufbereitung und damit ein gleichmäßigeres Kraftstoffluftgemisch bei gleichzeitiger Kraftstoffversorgung unterschiedlicher Einsatzventile einer Brennkraftmaschine durch ein Kraftstoffeinspritzventil ermöglicht.

Ein bekannter Weg der Erzeugung eines feinen Sprühnebels (Spray) aus Kraftstoff ist die Nutzung einer Verwirbelungsdüse, die den Kraftstoff durch die Düse injiziert und den Kraftstoff dabei innerhalb der Düse und dann, wenn er die Düse durch die Düsenöffnungen verlässt, in eine Wirbelbewegung versetzt. Derartige Verwirbelungsdüsen weisen aber zylindrische Düsenöffnungen innerhalb der Düse auf, welche die Wirbelbewegung des Kraftstoffs dann unterdrücken, wenn er die Düsenöffnungen passiert. Dadurch wird der Verwirbelungseffekt verringert.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Kraftstoff-Einspritzdüsenbaugruppe zu schaffen, die den Kraftstoff verwirbelt und dabei die oben genannten Nachteile nicht aufweist. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, eine besonders hohe Verwirbelungsrate und entsprechend feine Zerstäubung des Kraftstoffes zu erreichen.

Erfindungsgemäß wird dies durch eine Kraftstoff-Einspritzdüsenbaugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht.

Die erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzdüsenbaugruppe erzeugt eine Wirbelbewegung des Kraftstoffs bzw. innerhalb des Kraftstoffs, wenn er die Kraftstoff-Einspritzdüsenbaugruppe passiert. Insbesondere wird bereits vor Eintritt in die Düsenöffnung eine Wirbelbewegung erzeugt, die dann während des Durchtritts durch die Düsenöffnung verstärkt wird, wodurch eine ausgesprochen feine Zerstäubung des Kraftstoffs, der anschließend in den Zylinder eingespritzt wird, erreicht wird.

Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
1: ein Querschnitt einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsvariante einer Kraftstoff-Einspritzdüsenbaugruppe in geschlossenem Zustand,
2: eine vergrößerte Darstellung eines Bereichs 2 aus 1, gezeigt in geöffnetem Zustand,
3: eine perspektivische Ansicht einer Düsenplatte der Kraftstoff-Einspritzdüsenbaugruppe,
4: eine Draufsicht auf eine Düsenplatte, wobei Düsenöffnungen entsprechend des Standes der Technik kreisförmig angeordnet sind,
5: ein seitlicher Querschnitt entlang der Linie A-A in 4, wobei die Längsachsen der Düsenöffnungen parallel zur Längsachse der Kraftstoffbereitstellung der Baugruppe verlaufen,
6: ein seitlicher Querschnitt entlang der Linie A-A in 4, wobei die Längsachsen der Düsenöffnungen schräg zur Längsachse der Kraftstoffbereitstellung der Baugruppe verlaufen,
7: eine Draufsicht auf eine Wirbelkammer und einen Kanal, wobei der Fliessweg des Kraftstoffs erkennbar ist,
8: eine Draufsicht auf eine Wirbelkammer und einen alternativen Kanal, wobei ebenfalls der Fliessweg des Kraftstoffs erkennbar ist,
9: ein Querschnitt einer Wirbelkammer und einer Düsenöffnung, wobei gezeigt ist, auf welche Art der Kraftstoff aus der Düsenöffnung dispergiert, und
10: eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Düsenplatte, bei der die Düsenöffnung ovalförmig angeordnet sind.
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsvarianten der Erfindung soll den Schutzbereich der Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsvarianten beschränken, sondern soll vielmehr dazu dienen, dem Fachmann die Nutzung der Erfindung zu ermöglichen.
Die 1 und 2 zeigen eine Kraftstoff-Einspritzdüsenbaugruppe 10 in einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung. Die Kraftstoff-Einspritzdüsenbaugruppe 10 beinhaltet einen Einspritzkörper 12, der eine Zuführungsachse 14 aufweist, entlang der zugeführter Kraftstoff fließt. Ein distales Ende des Einspritzkörpers 12 definiert einen Ventilsitz 16. Der Ventilsitz 16 weist eine Zuführungspassage 18 auf, durch welche der Kraftstoff aus dem Einspritzkörper 12 heraufließt. Eine obere Fläche 20 des Ventilsitzes 16 ist derart ausgeführt, dass sie mit einem Ventil 22 derart zusammenwirken kann, dass die Zuführungspassage 18 selektiv bzw. wahlweise abgedichtet werden kann, um den Kraftstofffluss aus dem Einspritzkörper 12 zu unterbrechen.
Wie in den 3-6 erkennbar, ist eine Düsenplatte 24 auf dem Ventilsitz 16 befestigt. Die Düsenplatte 24 weist eine Oberfläche 26 und eine Unterfläche 28 auf. Die Oberfläche 26 weist eine erste Vertiefung 30 auf, die derart in die Oberfläche 26 hineingeformt ist, das Kraftstoff aus der Zuführungspassage 18 in die erste Vertiefung 30 fließen kann. Die Oberfläche 26 der Düsenplatte 24 weist weiterhin eine Mehrzahl an Wirbelkammern 32 auf, die in diese hineingeformt sind. Jede der Wirbelkammern 32 weist eine konische Düsenöffnung 34 auf, die sich ausgehend von der Wirbelkammer 32 abwärts in Richtung der Unterfläche 28 der Düsenplatte 24 erstreckt. Eine Mehrzahl von Kanälen 38 ist in die Oberfläche 26 der Düsenplatte 24 geformt, und verbindet jeweils die Wirbelkammern 32 mit der ersten Vertiefung 30. In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist die Düsenplatte 24 aus Metall geformt und auf den Ventilsitz 16 geschweißt. Vorteilhafterweise ist die Düsenplatte 24 aus rostfreiem Stahl hergestellt und über Laserschweißen mit dem Ventilsitz 16 verbunden.
Die Düsenöffnungen 34 sind vorzugsweise rund und konisch ausgeführt, und erstrecken sich derart, dass sie mit ihrem schmaleren bzw. engeren Ende mit den Wirbelkammern 32 verbunden sind (vergleiche 5, 6). Kraftstoff, der durch die Düsenöffnung 34 fließt, kann sich innerhalb der konischen Düsenöffnungen 34 ausbreiten, ohne dabei eingeschränkt zu sein.
Der Konuswinkel der konischen Düsenöffnung 34 kann verändert werden, um den Sprühwinkel des Kraftstoffs einzustellen. Bezugnehmend auf 5 weisen die konischen Düsenöffnungen 34 eine Mittelachse 40 auf, die parallel zur Zuführungsachse 14 verläuft. Die Mittelachse 40 der konischen Düsenöffnung 34 kann aber auch schräg zur Zuführungsachse 14 verlaufen, wie in 6 gezeigt, um bestimmte Anordnungs- und Zielgrößen der Kraftstoff-Einspritzdüsenbaugruppe 10 zu erreichen. In konventionellen Düsen hat die Veränderung des Sprühwinkels und das Schrägauslegen der Sprührichtung relativ zur Zuführungsachse 14 einen korrespondierenden Effekt bezogen auf die Sprühqualität. Die Kraftstoff-Einspritzdüsenbaugruppe 10 der vorliegenden Erfindung kann bezüglich des Sprühwinkels und der Schräglage relativ zur Zuführungsachse 14 durch Ausrichtung der konischen Düsenöffnungen 34 durch Veränderung des Winkels relativ zur Zuführungsachse 14 mit minimalem korrespondierenden Effekt auf die Sprühqualität verändert werden.
Der Kraftstoff fließt von der Zuführungspassage 18 in die erste Vertiefung 30 in der Düsenplatte 24 und dann jeweils in einen Kanal 38. Der Kraftstoff fließt dann durch die Kanäle 38 in die Wirbelkammern 32. Wie in 7 gezeigt, kommen die Kanäle 38 und die Wirbelkammern 32 versetzt zum Zentrum der Wirbelkammern 32 zusammen. Vorzugsweise sind die Wirbelkammern 32 derart kreisförmig ausgeführt, dass eine Wand der Kanäle 38, die am weitesten vom Zentrum der Wirbelkammern 32 entfernt ist, die äußere Ecke der Wirbelkammern 32 tangential erreicht. Wenn der Kraftstoff in die Wirbelkammer 32 eintritt, folgt der Kraftstofffluss den kreisförmigen Wänden der Wirbelkammern 32 sanft und wird in der Wirbelkammer 32 in eine Wirbelbewegung versetzt. Es wird an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Wirbelkammer 32 auch andere Formen aufweisen kann, solange sie geeignet sind, eine Wirbelbewegung in den Kraftstoff zu injizieren. Vorzugsweise sind die Kanäle 38 gerade ausgeführt, wie in 7 gezeigt, sie können aber ebenso bogenförmig bzw. kurvenförmig ausgeführt sein, wie in 8 gezeigt, oder auch andere Formen aufweisen.
Aus 9 wird deutlich, dass Kraftstoff, der sich innerhalb der Wirbelkammern 32 in einer Wirbelbewegung befindet, sehr schnell durch die konischen Düsenöffnungen 34 austreten kann. Der Kraftstoff tritt aus den Düsenöffnungen 34 in Form von konischen Flächen 41 aus, welche ineinander übergehen und sich schnell in einen hoch aufgelösten feinen Sprühnebel 41' auflösen. Vorzugsweise sind die Düsenöffnungen 34 im Zentrum der Wirbelkammern 32 angeordnet, so dass sich die Düsenöffnungen 34 im Zentrum des verwirbelten Kraftstoffs befinden.
Wie 4 zeigt, weist eine Ausführungsvariante eine Vielzahl an Düsenöffnungen 34 auf, die gleichmäßig entlang eines kreisförmigen Schemas 42 angeordnet sind. Das kreisförmige Schema 42, an dem die Düsenöffnungen 34 angeordnet sind, ist Stand der Technik und vorzugsweise konzentrisch zur erste Vertiefung 30 angeordnet, könnte aber auch versetzt zum Zentrum der ersten Vertiefung 30 angeordnet sein. Das kreisförmige Schema 42 hat einen Durchmesser, der größer ist als die erste Vertiefung 30, so dass die Düsenöffnungen 34 außerhalb der ersten Vertiefung 30 angeordnet sind.
Die 10 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung der Düsenöffnungen 34 bei dem die Düsenöffnungen 34 entlang eines ovalförmigen Schemas 44 angeordnet sind. Es wird darauf hingewiesen, dass das Schema, an dem sich die Düsenöffnungen 34 orientieren bzw. die Anordnung der Düsenöffnung 34 jede geeignete Form aufweisen kann und auf Basis der verlangten Sprühcharakteristika und der jeweiligen Verwendung auszuwählen ist.
Die Anzahl der Düsenöffnungen 34 hängt von den Designcharakteristika der Kraftstoff-Einspritzdüsenbaugruppe 10 ab. Die Düsenplatte 24 aus 3 weist sechs Düsenöffnungen 34 auf, die Düsenplatte 24 aus 4 dagegen zehn Düsenöffnungen 34, und die Düsenplatte 24 aus 10 wiederum acht Düsenöffnungen 34. Durch Veränderung der Anzahl der Düsenöffnungen 34 innerhalb der Düsenplatte 24 kann die Fließrate der Kraftstoff-Einspritzdüsenbaugruppe 10 eingestellt werden, ohne die Sprüheigenschaften oder Tropfengröße des Kraftstoffs zu verändern. In der Vergangenheit wurde zur Anpassung der Fließrate der Druck erhöht oder erniedrigt oder es wurde die Größe der Düsen verändert, je nachdem welche Veränderung zu den gewünschten Sprühcharakteristika des Kraftstoffs führte. Die vorliegende Erfindung erlaubt dagegen, die Fließrate der Kraftstoff-Einspritzdüsenbaugruppe 10 durch Auswahl einer angemessenen Anzahl an Düsenöffnungen 34 zu verändern, ohne dabei korrespondierend den Sprühnebel qualitativ zu verschlechtern. Durch die Einbeziehung zusätzlicher Düsenöffnungen 34 mit den gleichen Durchmessern wird die Gesamtmenge an Kraftstoff, der durch die Düsenöffnungen fließt, erhöht. Allerdings weist jede individuelle Düsenöffnung die gleiche Sprühcharakteristika auf, wodurch die Sprühcharakteristika des Gesamtflusses beibehalten werden.
Wie 1 zeigt, weist der Ventilsitz 16 eine zweite Vertiefung 46 auf, die in eine Bodenfläche hineingeformt ist. Die Form der zweiten Vertiefung 46 korrespondiert mit der Form der Düsenplatte 24 derart, dass die Düsenplatte 24 in die zweite Vertiefung 46 einsetzbar ist und dort verschweißt werden kann. In der bevorzugten Ausführungsform sind die Düsenplatte 24 und die zweite Vertiefung 46 kreisförmig ausgeführt und die zweite Vertiefung 46 weist eine Tiefe auf, die etwa der Stärke bzw. Dicke der Düsenplatte 24 entspricht und ist an das Gesamtdesign der Kraftstoff- Einspritzdüsenbaugruppe 10 angepasst. Der Durchmesser der Düsenplatte 24 muss groß genug sein, um Deformationen der Düsenöffnungen 34 durch das Laserschweißen zu vermeiden, wenn die Düsenplatte 24 auf den Ventilsitz 16 geschweißt wird. Der Durchmesser muss klein genug sein, um eine Biegung der Düsenplatte 24 unter Druck zu vermeiden, damit ein Abheben der Düsenplatte 24 vom Ventilsitz 16 ausgeschlossen ist. Alternativ könnte der Ventilsitz 16 flach ausgeführt sein, keine Aussparung aufweisen, wobei dann die Düsenplatte 24 direkt auf die Bodenfläche des Ventilsitzes 16 geschweißt wird. Demnach ist die Ausbildung einer zweiten Vertiefung 46 optional.
Die vorangegangene Beschreibung beinhaltet und beschreibt eine bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung. Der Fachmann wird aus dieser Diskussion und Beschreibung sowie aus den beiliegenden Zeichnungen und Ansprüchen leicht erkennen, das Anpassungen an bestimmten Gegebenheiten im Rahmen der Erfindung möglich sind, ohne den Schutzbereich der Erfindung, wie er durch die nachfolgenden Ansprüche definiert ist, zu verlassen.
Die Erfindung wurde in einer illustrativen Art beschrieben, weswegen die gewählte Terminologie nicht einschränkend zu verstehen ist, sondern vielmehr den Sinn der Erfindung vermitteln soll.

10: Kraftstoff-Einspritzdüsenbaugruppe
12: Einspritzkörper
14: Zuführungsachse
16: Ventilsitz
18: Zuführungspassage
20: obere Fläche
22: Ventil
24: Düsenplatte
26: Oberfläche
28: Unterfläche
30: erste Vertiefung
32: Wirbelkammer
34: Düsenöffnung
38: Kanal
40: Mittelachse
41: Flächen
41': Sprühnebel
42: Schema (kreisförmig)
44: Schema
46: zweite Vertiefung

Claims

Kraftstoff-Einspritzdüsenbaugruppe (10) mit einem Einspritzkörper (12) mit einem Ventilsitz (16) mit einer Zuführungspassage (18), durch welche Kraftstoff im wesentlichen entlang einer Zuführungsachse (14) fließt, einer Düsenplatte (24) mit einer Oberfläche (26) und einer Unterfläche (28), die auf dem Ventilsitz (16) befestigt ist, wobei die Oberfläche (26) aufweist: – eine erste Vertiefung (30) die derart ausgeführt ist, dass Kraftstoff von der Zuführungspassage (18) in diese fließen kann, – eine Vielzahl Wirbelkammern (32) mit jeweils einer konischen Düsenöffnung (34), wobei sich die konischen Düsenöffnungen (34) von den Wirbelkammern (32) zur Unterfläche (28) der Düsenplatte (24) derart erstrecken, dass sie mit ihrem engeren Ende mit den Wirbelkammern (32) verbunden sind, – eine Vielzahl an Kanälen (38), die die Wirbelkammern (32) mit der rsten Vertiefung (30) verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Düsenöffnungen (34) gleichmäßig entlang eines ovalförmigen Schemas (44) angeordnet ist.
Kraftstoff-Einspritzdüsenbaugruppe (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (38) versetzt zum Zentrum der Wirbelkammern (32) mit diesen zusammenkommen.
Kraftstoff-Einspritzdüsenbaugruppe (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Vertiefung (30) in der Düsenplatte (24) kreisförmig ausgeführt ist.
Kraftstoff-Einspritzdüsenbaugruppe (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenöffnungen (34) jeweils eine Mittelachse (40) aufweisen, die parallel zu der Zuführungsachse (14) angeordnet ist.
Kraftstoff-Einspritzdüsenbaugruppe (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenöffnungen (34) jeweils eine Mittelachse (40) aufweisen, die schräg zur Zuführungsachse (14) verläuft.
Kraftstoff-Einspritzdüsenbaugruppe (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (16) eine zweite Vertiefung (46) aufweist, wobei die Düsenplatte (24) derart geformt ist, dass sie in die zweite Vertiefung (46) einsetzbar ist.
Kraftstoff-Einspritzdüsenbaugruppe (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelkammern (32) kreisförmig ausgeführt sind.