DE10315967A1

DE10315967A1 - Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE10315967A1
Application number: DE2003115967
Authority: DE
Inventors: Juergen Schubert; Beate Grota
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-04-08
Filing date: 2003-04-08
Publication date: 2004-10-21
Also published as: WO2004092576A1; DE502004007360D1; EP1623108B1; CN1771390A; JP2006522887A; EP1623108A1

Abstract

Kraftstoffeinspritzventil mit einem Ventilkörper (1), in dem ein Druckraum (19) ausgebildet ist, in dessen Wandung die Eintrittsöffnung (30) wenigstens eines Einspritzkanals (11) angeordnet ist. Der Einspritzkanal (11) verläuft im Ventilkörper (1) und bildet an der Außenseite des Ventilkörpers (1) eine Austrittsöffnung (32). Hierbei umfasst der Einspritzkanal (11), in Strömungsrichtung gesehen, einen ersten konischen Abschnitt (35) und einen daran anschließenden zweiten konischen Abschnitt (37), wobei sich beide konische Abschnitte (35; 37) in Strömungsrichtung verengen und unterschiedliche Öffnungswinkel (alpha¶1¶; alpha¶2¶) aufweisen (Figur 2).

Description

Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen aus, wie es beispielsweise aus der EP 352 926 A1 bekannt ist. Ein solches Kraftstoffeinspritzventil weist einen Ventilkörper auf, in dem ein Druckraum ausgebildet ist. Der Druckraum weist eine Wandung auf, von der wenigstens ein Einspritzkanal abgeht. Hierbei ist die Eintrittsöffnung des Einspritzkanals in der Wand des Druckraums angeordnet, während sich die Austrittsöffnung an der Außenseite des Ventilkörpers befindet.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Geometrien der Einspritzkanäle bekannt. So ist in der EP 352 926 A1 ein Einspritzkanal gezeigt, der gleichförmig konisch ausgebildet ist. Der Kraftstoff wird durch den konisch zulaufenden Einspritzkanal beschleunigt und mit hoher Austrittsgeschwindigkeit und daraus resultierender guter Zerstäubung in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Ein gleichförmig konisch ausgebildeter Einspritzkanal weist hierbei jedoch den Nachteil auf, dass es beim Eintritt des Kraftstoffs in den Einspritzkanal zu einer relativ starken Umlenkung des Kraftstoffstroms kommt und damit zu erheblichen Energieverlusten, was sich in einem erniedrigten effektiven Einspritzdruck bemerkbar macht. Dies mindert die Zer stäubung und führt zu einer nicht optimalen Verbrennung des Kraftstoffs.

Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass es bei einer einfach herzustellenden Geometrie des Einspritzkanals zu geringeren Umlenkverlusten beim Eintritt des Kraftstoffs in den Einspritzkanal kommt und damit zu einer guten Zerstäubung und Richtungsstabilität des Einspritzstrahls. Hierzu weist der Einspritzkanal in Strömungsrichtung gesehen einen ersten konischen Abschnitt und einen daran anschließenden zweiten konischen Abschnitt auf. Beide konischen Abschnitte verjüngen sich in Strömungsrichtung, so dass sich der Querschnitt des Einspritzkanals von der Eintrittsöffnung zur Austrittsöffnung verringert.

Die Unterteilung des Einspritzkanals in zwei separate konische Abschnitte mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln bietet darüber hinaus den Vorteil, dass jeder konische Abschnitt eine separate Funktion übernehmen kann, an die er gesondert angepasst ist. So ergibt eine starke Konizität eine hohe Beschleunigung des Kraftstoffs im Einspritzkanal, während eine geringe Konizität hauptsächlich zu einer guten Richtungsstabilität beiträgt, so dass der Einspritzstrahl exakt den vorgesehenen Raumbereich des Brennraums erreicht. Spielen die Umlenkverluste beim Eintritt des Kraftstoffs in den Einspritzkanal nur eine untergeordnete Rolle, so kann frei gewählt werden, welcher der beiden konischen Abschnitte die größere Konizität aufweisen soll.

Durch die Unteransprüche sind vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes der Erfindung möglich.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung ist der Öffnungswinkel des ersten konische Abschnitts des Einspritzkanals größer als der Öffnungswinkel des zweiten konischen Abschnitts. Dadurch wird erreicht, dass der Kraftstoff beim Eintritt in den Einspritzkanal eine geringere Richtungsänderung vollführen muss und so an dieser Stelle die Energieverluste vermindert werden. Durch den zweiten konischen Abschnitt, der einen geringeren Öffnungswinkel aufweist, ergibt sich eine gute Richtungsstabilität des Einspritzstrahls bei gleichzeitig guter Zerstäubung. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn die Übergangskante zwischen dem ersten konische Abschnitt und dem zweiten konischen Abschnitt gerundet ausgebildet ist. Hierdurch werden weniger Turbulenzen im Einspritzkanal erzeugt, was die Gefahr der Kavitation verringert.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Länge des ersten konischen Abschnitts größer als die Länge des zweiten konische Abschnitts. Durch einen relativ langen ersten konischen Abschnitt wird der Kraftstoff im Einspritzkanal effektiv beschleunigt, während für die Funktion der Richtungsstabilität des Einspritzstrahls ein kürzerer zweiter konischer Abschnitt genügt. Als besonders vorteilhaft hat es sich dabei erwiesen, wenn die Länge des ersten konischen Abschnitts 3- bis 10-mal größer ist als die Länge des zweiten konischen Abschnitts.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der erste konische Abschnitt einen kleineren Öffnungswinkel auf als der zweite konische Abschnitt. Sind aufgrund der speziellen Verhältnisse in diesem Einspritzventil die Umlenkverluste beim Eintritt des Kraftstoffs in den Einspritzkanal ohne größere Bedeutung, so kann bei dieser Gestaltung der konischen Abschnitte des Einspritzkanals eine Optimierung in Bezug auf die Richtungsstabilität vorgenommen werden.

In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt. Es zeigt
1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil,
2 eine Vergrößerung von 1 im Bereich eines Einspritzkanals,
3 eine weitere Darstellung eines Einspritzkanals mit den entsprechenden geometrischen Größen,
4 und 5 weitere Ausführungsbeispiele für Einspritzkanäle von erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventilen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt dargestellt. In einem Ventilkörper 1 ist durch eine Sackbohrung 3 ein Druckraum 19 ausgebildet, der in einem mittleren Abschnitt radial erweitert ist, wobei der verbleibende Ventilkörper 1 um den Druckraum 19 eine Wandung bildet. In die radiale Erweiterung des Druckraum 19 mündet ein im Ventilkörper 1 verlaufender Zulaufkanal 25, über den der Druckraum 19 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt werden kann. Am brennraumseitigen Ende der Sackbohrung 3 ist ein konischer Ventilsitz 9 ausgebildet, von dem wenigstens ein, in der Regel aber mehrere Einspritzkanäle 11 abgehen, die in Einbaulage des Kraftstoffeinspritzventils in den Brennraum der Brennkraftmaschine münden. In der Sackbohrung 3 ist eine kolbenförmige Ventilnadel 5 längsverschiebbar angeordnet. Die Ventilnadel 5 wird in einem brennraumabgewandten, geführten Abschnitt 15 in einem Führungsabschnitt 23 der Sackbohrung 3 dichtend geführt und verjüngt sich dem Ventilsitz 9 zu unter Bildung einer Druckschulter 13, die in der radialen Erweiterung des Druckraums 19 angeordnet ist. Am brennraumseitigen Ende der Ventilnadel 5 ist eine im wesentlichen konische Ventildichtfläche 7 ausgebildet, mit der die Ventilnadel 5 mit dem Ventilsitz 9 zusammenwirkt.
Die Ventilnadel 5 wird an ihrem brennraumabgewandten Ende von einer Schließkraft beaufschlagt, die beispielsweise durch ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Federelement erzeugt wird, durch welches die Ventilnadel 5 gegen den Ventilsitz 9 gepresst wird. Der Schließkraft ist eine hydraulische, auf die Druckschulter 13 wirkende Kraft entgegengerichtet. Je nachdem, welche der Kräfte überwiegt, bewegt sich die Ventilnadel 5 entweder vom Ventilsitz 9 weg und gibt die Einspritzkanäle 11 frei, oder die Ventilnadel 5 wird von der Schließkraft gegen den Ventilsitz 9 gepresst, so dass die Einspritzkanäle 11 verschlossen werden. Im geöffneten Zustand der Ventilnadel 5 fließt Kraftstoff aus dem Druckraum 19 zu den Einspritzkanälen 11 und wird von dort in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt. Diese Einspritzung geschieht unter hohem Druck, damit eine gute Zerstäubung des Kraftstoffs und damit eine schadstoffarme Verbrennung erreicht wird.
2 zeigt eine Vergrößerung von 1 im Bereich des Ventilsitzes 9. Der Einspritzkanal 11 weist eine Eintrittsöffnung 30 auf, die im Ventilsitz 9 angeordnet ist. Die Austrittsöffnung 32 des Einspritzkanals 11 befindet sich auf der Außenseite des Ventilkörpers 1, so dass der Einspritzkanal 11 die Wandung des Druckraums 19 durchdringt. Der Einspritzkanal 11 weist einen ersten konischen Abschnitt 35 und einem zweiten konischen Abschnitt 37 auf, die aneinander grenzen. Am Übergang vom ersten konischen Abschnitt 35 zum zweiten konischen Abschnitt 37 ist einer Übergangskante 38 ausgebildet, die in axialer Richtung des Einspritzkanals 11 gesehen beispielsweise in der Mitte zwischen der Eintritts öffnung 30 und der Austrittsöffnung 32 angeordnet ist. In 2 ist das Kraftstoffeinspritzventil im geöffneten Zustand dargestellt, das heißt, dass die Ventilnadel 5 vom Ventilsitz 9 abgehoben hat. Hierdurch fließt Kraftstoff unter hohem Druck aus dem Druckraum 19 zwischen der Ventildichtfläche 7 und dem Ventilsitz 9 hindurch zu den Einspritzkanälen 11. Der Kraftstoff fließt durch die Eintrittsöffnung 30 in den Einspritzkanal 11 ein und muss hierbei eine Richtungsänderung vollführen, bei der Energieverluste entstehen, die den effektiven Einspritzdruck senken. Durch die konisch zusammenlaufende Form des ersten konischen Abschnitts 35 wird der Kraftstoffstrom beschleunigt, da sich der Querschnitt in Strömungsrichtung gesehen kontinuierlich verringert. Nach Durchqueren der Übergangskante 38 gelangt der Kraftstoff in den zweiten konischen Abschnitt 37, der einen geringeren Öffnungswinkel aufweist, so dass der Kraftstoff hier zwar weiter beschleunigt wird, jedoch weniger stark als im ersten konischen Abschnitt 35, was für eine gute Einrichtungsstabilität des eingespritzten Kraftstoffstrahls sorgt.
3 zeigt noch einmal den Einspritzkanal 11 in einer vergrößerten Darstellung. Der erste konische Abschnitt 35 weist einen Öffnungswinkel α₁ auf, der größer ist als der Öffnungswinkels α₂ des zweiten konische Abschnitt 37. Die Länge des ersten konischen Abschnitts 35 ist mit a bezeichnet, wobei die Länge a vorzugsweise größer ist als die Länge b des zweiten konischen Abschnitts 37. Je nach Anforderung an die Form des Einspritzstrahls kann das Verhältnis der Längen a, b zueinander beliebig variiert werden. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der erste konische Abschnitt 35 eine Länge a aufweist, die 3- bis 10-mal größer ist als die Länge b des zweiten konische Abschnitts 37. Die an der Eintrittsöffnung 30 gebildete Einlaufkante 40 ist vorzugsweise gerundet ausgebildet, um Strömungsablösungen in diesem Bereich zu verhindern und die Umlenkverluste zu vermindern. Die an der Austrittsöffnung 32 gebildete Austrittskante 42 kann hingegen gerundet oder scharfkantig ausgebildet sein, was je nach Einspritzdruck und Durchmesser der Austrittsöffnung 32 eine bessere Zerstäubung des Kraftstoffsstrahls bewirkt.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Einspritzkanals 11. Der Aufbau des Einspritzkanals 11 entspricht dem von 3, jedoch ist die Übergangskante 38, die am Übergang vom ersten konischen Abschnitts 35 zum zweiten konischen Abschnitt 37 ausgebildet ist, gerundet. Eine solche Rundung der Übergangskante 38 ist besonders dann vorteilhaft, wenn eine große Menge Kraftstoff mit hoher Geschwindigkeit durch den Einspritzkanal 11 fließen soll. Bei einem scharfkantigen Übergang zwischen dem ersten konischen Abschnitt 35 und dem zweiten konischen Abschnitt 37 kann es andernfalls an dieser Stelle zu Strömungsablösungen des Kraftstoffs von der Wand des Einspritzkanals 11 kommen, was sich in einem erhöhten Durchflusswiderstand und damit in einem geringeren effektiven Einspritzdruck bemerkbar macht.
In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Einspritzkanals 11 dargestellt. Das Verhältnis der Öffnungswinkel α₁, α₂ des ersten konischen Abschnitts 35 und des zweiten konischen Abschnitts 37 sind hier gegenüber den vorherigen Ausführungsbeispielen invertiert, das heißt, dass der Öffnungswinkels α₁ des ersten konischen Abschnitts 35 kleiner ist als der Öffnungswinkels α₂ des zweiten konischen Abschnitts 37. Auch so erhält man einen Einspritzkanal 11, der eine gute Zerstäubung des Kraftstoffs bei gleichzeitig guter Richtungsstabilität des Einspritzstrahls gewährleistet, jedoch ist hier die Hauptfunktion die einer guten Zerstäubung. Der erste konische Abschnitt 35 ist mit einer geringen Konizität, also mit einem relativ kleinen Öffnungswinkel α₁ ausgebildet, so dass der Querschnitt nur langsam in Richtung der Austrittsöffnung 32 abnimmt. Dadurch wird der Druckverlust begrenzt und eine Richtungsstabilität bewirkt. Der zweite konische Abschnitt 37 ist relativ stark konisch, also mit großem Öffnungswinkel α₂ ausgebildet, um eine ausreichende Beschleunigung des Kraftstoffs vor dem Austritt aus dem Einspritzkanal 11 zu gewährleisten.
Die Gesamtlänge des Einspritzkanals 11 beträgt, je nach Typ des Kraftstoffeinspritzventils, zwischen 0,5 und 2 mm. Der Durchmesser der Austrittsöffnung 32 beträgt 60 μm bis 150 μm, während der Durchmesser des Eintrittsöffnung 30 wenigstens 20 μm größer ist, vorzugsweise 20 μm bis 60 μm.

Claims

Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem Ventilkörper (1), in dem ein Druckraum (19) ausgebildet ist, in dessen Wandung die Eintrittsöffnung (30) wenigstens eines Einspritzkanals (11) angeordnet ist, wobei der Einspritzkanal (11) im Ventilkörper (1) verläuft und an der Außenseite des Ventilkörpers (1) eine Austrittsöffnung (32) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspritzkanal (11) in Strömungsrichtung gesehen einen ersten konischen Abschnitt (35) und einen daran anschließenden zweiten konischen Abschnitt (37) umfasst, wobei sich beide konische Abschnitte (35; 37) in Strömungsrichtung verengen und unterschiedliche Öffnungswinkel (α₁; α₂) aufweisen.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum (19) als eine im Ventilkörper (1) verlaufende Sackbohrung (3) ausgebildet ist, wobei am Grund der Sackbohrung (3) ein Ventilsitz (9) ausgebildet ist, in dem die Eintrittsöffnung (30) des Einspritzkanals (11) angeordnet ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Sackbohrung (3) eine Ventilnadel (5) längsverschiebbar angeordnet ist, die an ihrem brennraumseitigen Ende eine Ventildichtfläche (7) aufweist, mit der die Ventilnadel (5) mit dem Ventilsitz (9) zusammenwirkt und dabei die Eintrittsöffnung (30) des Einspritzkanals (11) öffnet und schließt.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (9) eine Konusfläche bildet.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel (α₁) des ersten konischen Abschnitts (35) größer ist als der Öffnungswinkel (α₂) des zweiten konischen Abschnitts (37).
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel (α₁) des ersten konischen Abschnitts (35) kleiner ist als der Öffnungswinkel (α₂) des zweiten konischen Abschnitts (37).
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die am Übergang vom ersten konischen Abschnitt (35) zum zweiten konischen Abschnitt (37) gebildete Übergangskante (38) gerundet ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die am Übergang von der Wandung zur Eintrittsöffnung (30) des Einspritzkanals (11) gebildete Einlaufkante (40) gerundet ausgebildet ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (a) des ersten konischen Abschnitts (35) größer ist als die Länge (b) des zweiten konischen Abschnitts (37).
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (a) des ersten konischen Abschnitts (35) 3- bis 10-mal größer ist als die Länge (b) des zweiten konischen Abschnitts (37).