DE19841192A1 - Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Abstract

Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, mit einem entgegen einer Schließkraft axial verschiebbar in einer Sacklochbohrung (3) eines Ventilkörpers (5) geführten Ventilglied (1), das an seinem brennraumseitigen Ende eine konische Ventildichtfläche (7) aufweist, mit der es mit einer konischen Ventilsitzfläche (9) am nach innen kragenden geschlossenen Ende der Sacklochbohrung (3) zusammenwirkt und mit einem sich an die konische Ventilsitzfläche (9) stromabwärts anschließenden Sacklochbereich, von dem Einspritzöffnungen (17) in den Brennraum der Brennkraftmaschine abführen. Dabei ist der die Einspritzöffnungen (17) aufnehmende Sacklochwandbereich (13) konisch ausgebildet, wobei die Einspritzöffnungen (17) einen bestimmten Mindestabstand zum oberen und unteren Ende dieses konischen Sacklochwandbereiches (13) aufweisen.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aus. Bei einem derartigen aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 42 02 752 bekannten Kraftstoffeinspritzventil ist ein Ventilglied entgegen einer Schließkraft axial verschiebbar in einer Sackbohrung eines Ventilkörpers geführt. Das Ventilglied weist dabei an seinem unteren, brennraumseitigen Ende eine konische Ventildichtfläche auf, mit der es mit einer konischen Ventilsitzfläche am nach innen kragenden geschlossenen Ende der Sackbohrung zusammenwirkt. Dabei wird zwischen der Ventilsitzfläche und der Ventildichtfläche ein Öffnungsquerschnitt gebildet, an dem ein Kraftstoffdurchfluß von einem Kraftstoffhochdruckraum in das geschlossene Ende der Sackbohrung steuerbar ist. An die konische Ventilsitzfläche des bekannten Kraftstoffeinspritzventils schließt sich stromabwärts ein weiterer Sacklochwandbereich an, von dem mehrere Einspritzöffnungen in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine abführen.

Dabei weist das bekannte Kraftstoffeinspritzventil den Nachteil auf, daß der sich an die Ventilsitzfläche anschließende Wandbereich des Sackloches zylindrisch und weiter radiusförmig ausgebildet ist, so daß bereits geringe fertigungsbedingte Abweichungen der axialen Anordnung der Einspritzöffnungen andere Einlaufwinkel an den Einspritzöffnungen zur Folge haben, die das Einströmverhalten, die Strömung innerhalb der Einspritzöffnung und somit die Einspritzstrahlcharakteristik an den Austrittsöffnungen verändern. Da der Strahlcharakteristik jedoch hinsichtlich einer optimalen Strahlaufbereitung und Kraftstoffverbrennung im Brennraum der Brennkraftmaschine eine sehr hohe Bedeutung zukommt, genügen die bekannten Kraftstoffeinspritzventile nicht mehr den hohen Anforderungen an moderne Kraftstoffeinspritzventile hinsichtlich einer emissionsoptimierten Strahlaufbereitung und Verbrennung innerhalb der Brennkraftmaschine.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß die Einspritzöffnungen hinsichtlich ihrer Lageanordnung eine hohe Fertigungstoleranz aufweisen, so daß insbesondere Lageabweichungen in Achsrichtung des Einspritzventils zunächst keinerlei Einfluß auf die Strömungsverhältnisse an den Einspritzöffnungen haben. Dabei wird diese relative Unabhängigkeit von der axialen Lagetoleranz der Einspritzöffnungen erfindungsgemäß durch die konische Ausbildung des die Einspritzöffnungen aufnehmenden Sacklochwandbereiches der Sackbohrung des Kraftstoffeinspritzventils erreicht. Die Einspritzöffnungen weisen dabei an ihren Eintrittsöffnungen einen vorbestimmten Mindestabstand zum oberen und unteren Ende des konischen Sacklochwandbereiches auf wobei der Abstand zwischen dem oberen Ende der Eintrittskante der Einspritzöffnung zu einer stromaufwärts liegenden oberen Begrenzungskante des konischen Sacklochwandbereiches wenigstens das Maß des halben Durchmessers der Einspritzöffnung aufweist. Der Abstand zwischen dem unteren Ende der Eintrittskante der Einspritzöffnung zu einer stromabwärts liegenden unteren Begrenzungskante des konischen Sacklochwandbereiches beträgt dabei in vorteilhafter Weise wenigstens ein Viertel des Durchmessers der Einspritzöffnung. Somit ist gewährleistet, daß auch bei geringem Versetzen der einzelnen Spritzlöcher in Achsrichtung des Kraftstoffeinspritzventils zueinander die Einlaufwinkel an allen Einspritzöffnungen immer konstant den gleichen Wert aufweisen, so daß sich die Einspritzstrahlen gleichmäßig ausbilden können. Dabei ist es vorteilhaft, daß die Ventilsitzfläche und der dieser stromabwärts nachgeordnete konische Sacklochwandbereich verschiedene Konuswinkel aufweisen. Der konische Sacklochwandbereich und die Ventilsitzfläche können dabei unmittelbar aneinandergrenzen, es ist alternativ, wie im Ausführungsbeispiel gezeigt, jedoch auch möglich, zwischen diesen beiden Flächen einen zylindrischen Wandstegbereich vorzusehen. Der Übergang von dieser Wandstegfläche in den die Einspritzöffnungen aufnehmenden konischen Sacklochwandbereich ist dabei in vorteilhafter Weise strömungsgünstig mit einem Radius abgerundet. Dabei ist es möglich, sämtliche Einspritzöffnungen in einer gemeinsamen Spritzlochreihe in einer einzigen Konusfläche anzuordnen, es ist jedoch auch möglich, die konische Sacklochwandfläche mit mehreren aufeinanderfolgenden Konusflächen auszubilden, wobei dann in jeder Konusfläche eine Spritzlochreihe angeordnet sein kann. Dabei sollten erneut bestimmte Mindestabstände der Eintrittsöffnungen der Einspritzöffnungen zu den Enden der konischen Flächen vorgesehen werden.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventil ist die Anordnung der als Einspritzbohrung ausgebildeten Einspritzöffnung in einem spitzen Winkel β zur Wandfläche der konischen Sacklochwand stromaufwärts der Einspritzöffnung. Dieser Neigungswinkel β zwischen der Längsachse der Einspritzbohrung und der stromaufwärts der Einspritzbohrung liegenden konischen Sacklochwandfläche soll dabei stets <90° ausgebildet sein. Dieser Winkelbereich ermöglicht dabei einen scharfen Umlenk- Einlaufwinkel der Kraftstoffströmung an der Oberseite der Eintrittsöffnung der Einspritzbohrung, die dabei verwirbelt wird und so Kavitation erzeugt, so daß sich ein Einspritzstrahl innerhalb der Einspritzbohrung bildet, dessen Strömungsprofil so ausgebildet ist, daß er am Austritt der Einspritzbohrung möglichst rasch zerstäubt, was eine gute Strahlaufbereitung im Brennraum der Brennkraftmaschine und eine anschließende optimale Kraftstoffverbrennung bewirkt.

Davon ausgehend, daß die Summe zwischen dem, zwischen der Längsachse des Kraftstoffeinspritzventils und der Längsachse der Einspritzbohrung gebildeten Kegelwinkel ψ und dem oben genannten Einlaufwinkel β sowie dem zwischen der Längsachse des Einspritzventils und der konischen Sacklochwand eingeschlossenen Winkel α 180° beträgt, ist es nunmehr bei der Auslegung des Kraftstoffeinspritzventils möglich, bei vorgegebenem Einlaufwinkel β und projizierter Einlauffläche an der Eintrittsöffnung der Einspritzbohrung sowie bei durch die gewünschte Strahllage vorgegebenem Kegelwinkel ψ den Konuswinkel α der konischen Sacklochwandfläche an den Einspritzöffnungen so zu berechnen, daß ein optimales Geschwindigkeitsprofil des Einspritzstrahles beziehungsweise eine optimale Strahlcharakteristik des Einspritzstrahles am Austritt der Einspritzöffnung erzielbar ist.

Somit wird gegenüber den bekannten Kraftstoffeinspritzventilen bei vorgegebenen Kegelwinkeln ψ ein Einlaufwinkel β<90° über die konstruktive Auslegung des Konuswinkels α der konischen Sacklochwandfläche eingestellt. Auf diese Weise lassen sich sehr stabile Einströmbedingungen für sämtliche Einspritzöffnungen einstellen, die auch die hohen Anforderungen von modernen neuen Kraftstoffeinspritzsystem wie zum Beispiel Pumpe-Leitungs- Düsen, Pumpe-Düse-Einheiten und Common Rail Systemen erfüllen. Zudem erhält man auch gegenüber einem Verrunden der Spritzlocheinlaufkanten hohe Fertigungstoleranzen, so daß sich hier stabile Kraftstoffeinspritzstrahlgeometrien an sämtlichen Einspritzöffnungen erreichen lassen.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils für Brennkraftmaschinen ist in der Zeichnung dargestellt und in der folgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt die Fig. 1 einen Längsschnitt durch das einspritzseitige Ende eines ansonsten bekannten Kraftstoffeinspritzventils mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des geschlossenen Endes der Sackbohrung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Das in der Fig. 1 nur mit seinem erfindungswesentlichen brennraumseitigen Teil dargestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils für Brennkraftmaschinen weist ein kolbenförmiges Ventilglied 1 auf, das axial verschiebbar in einer Sacklochbohrung 3 eines Ventilkörpers 5 geführt ist. Das Ventilglied 1 weist dabei an seinem unteren brennraumnahen Ende eine konische Ventildichtfläche 7 auf, mit der es mit einer konischen Ventilsitzfläche 9 am nach innen kragenden geschlossenen Ende der Sackbohrung 3 zusammenwirkt. An diese konische Ventilsitzfläche 9 schließt sich stromabwärts in Richtung geschlossenes Ende der Sacklochbohrung 3 ein zylindrischer Wandsteg 11 an, an den sich der Ventilsitzfläche 9 abgewandt, stromabwärts ein weiterer konisch ausgebildeter Sacklochwandbereich 13 anschließt, der unmittelbar an den Bohrungsgrund 15 der Sacklochbohrung 3 mündet. Dabei sind die Querschnittsübergänge zwischen der konischen Sacklochwandfläche 13 zum zylindrischen Wandsteg 11 und zum Bohrungsgrund 15 über einen Radius R abgerundet. Desweiteren führen von der konischen Sacklochwandfläche 13 Einspritzöffnungen 17 ab, die am Umfang des Ventilkörpers 5 in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine münden. Die Eintrittsöffnungen 19 der Einspritzöffnungen 17 werden dabei bei geschlossenem Kraftstoffeinspritzventil, das heißt bei an der Ventilsitzfläche 9 anliegender Ventildichtfläche 7 des Ventilgliedes 1 in einer nicht dargestellten geschlossenen Lage, bei dem eine ebenfalls nicht dargestellte Schließfeder das Ventilglied 1 in Anlage am Ventilsitz 9 hält, nicht von der Ventildichtfläche 7 des Ventilgliedes 1 abdichtend überdeckt, so daß das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil als sogenannte Sacklochdüse ausgebildet ist. Dabei weisen die Eintrittsöffnungen 19 einen vorbestimmten Mindestabstand zum stromaufwärts gerichteten oberen Ende des konischen Sacklochwandbereiches 13 und zu dessen unterem stromabwärts gerichteten Ende auf. Der Abstand zwischen der oben liegenden, stromaufwärts gerichteten Begrenzungskante der Eintrittsöffnung 19 zu einer oberen, stromaufwärts liegenden Begrenzungskante 21 des konischen Sacklochwandbereiches 13 soll dabei wenigstens das Maß des halben Durchmessers der Einspritzöffnung 17 aufweisen. Der Abstand zwischen der unteren, stromabwärts gerichteten Kante der Eintrittsöffnung 19 der Einspritzöffnung 17 zu einer unteren stromabwärts liegenden Begrenzungskante 23 des konischen Sacklochwandbereiches 13 soll dabei wenigstens ein Viertel des Durchmessers der Einspritzöffnung 17 betragen. Zudem sollen die Konuswinkel der Ventilsitzfläche 9 und der konischen Sacklochwandfläche 13 verschiedene Konuswinkel aufweisen.

Um eine möglichst scharfe Strahlumlenkung am Eintritt in die Eintrittsöffnung 19 der Einspritzöffnung 17 zu erreichen, soll ein Einlaufwinkel β an der Oberseite der Eintrittsöffnung 19 der Einspritzöffnung 17 zwischen deren Bohrungsachse und der Konischen Sacklochwandfläche 13 kleiner als 90° ausgebildet sein. Auf diese Weise werden beim Überströmen des Kraftstoffes aus der Sacklochbohrung 3 in die Einspritzöffnung 17 an der Oberseite der Eintrittsöffnung 19 Rückströmwirbel und weiter Kavitation erzeugt, die eine möglichst hohe Strahlverwirbelung und somit am Austritt der Einspritzöffnung 17 eine möglichst düsennahe Zerstäubung des Einspritzstrahles ermöglichen. Aus dem bekannten Zusammenhang heraus, daß die Summe aus dem Kegelwinkel ψ, der zwischen der Längsachse des Kraftstoffeinspritzventils und der Achse der Einspritzöffnung 17 gebildet ist und einem Konuswinkel α, der zwischen der Längsachse des Kraftstoffeinspritzventils und der konischen Sacklochwand 13 eingeschlossen ist sowie dem Einlaufwinkel β 180° beträgt, läßt sich folgende neue Konstruktionsregel ableiten. Dabei gibt man nunmehr einen strömungsgünstig optimierten Einlaufwinkel β vor und bestimmt dann in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Kegelwinkel ψ den notwendigen Winkel für den Konuswinkel α. Der Wert des Kegelwinkels ψ ist dabei ebenfalls durch die gewünschte Strahllage des eingespritzten Kraftstoffes im Brennraum der Brennkraftmaschine vorgegeben. Auf diese Weise läßt sich über eine genau definierte Sacklochgeometrie eine optimale Strahlausbildung und Charakteristik im Brennraum der Brennkraftmaschine erreichen.

Es ist somit mit dem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventil möglich, über eine genau definierte Sacklochgeometrie eine hohe Toleranzunempfindlichkeit der Anordnung der einzelnen Einspritzöffnungen im Ventilkörper 5 zu erreichen, wobei auch bei geringen Lageabweichungen noch ein gleichmäßiges Strahlbild an den Austrittsöffnungen sämtlicher Einspritzöffnungen gewährleistet ist.

Claims (6)

1. Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem entgegen einer Schließkraft axial verschiebbar in einer Sacklochbohrung (3) eines Ventilkörpers (5) geführten Ventilglied, das an seinem brennraumseitigen Ende eine konische Ventildichtfläche (7) aufweist, mit der es mit einer konischen Ventilsitzfläche (9) am nach innen kragenden geschlossenen Ende der Sacklochbohrung (3) zusammenwirkt und mit einem sich an die konische Ventilsitzfläche (9) stromabwärts anschließenden Sacklochbereich, von dem Einspritzöffnungen (17) in den Brennraum der Brennkraftmaschine abführen, dadurch gekennzeichnet, daß der die Einspritzöffnungen (17) aufnehmende Sacklochwandbereich (13) konisch ausgebildet ist, wobei die Einspritzöffnungen (17) einen bestimmten Mindestabstand zu einem oberen und zu einem unteren Ende (21, 23) dieses konischen Sacklochwandbereiches (13) aufweisen.

2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem oberen Ende einer Eintrittsöffnung (19) der Einspritzöffnung (17) zu einer oberen, stromaufwärts liegenden Begrenzungskante (21) des konischen Sacklochwandbereiches (13) wenigstens das Maß des halben Durchmessers der Einspritzöffnung (17) aufweist.

3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen einem unteren Ende einer Eintrittsöffnung (19) der Einspritzöffnung (17) zu einer unteren, stromabwärts liegenden Begrenzungskante (23) des konischen Sacklochwandbereiches (13) wenigstens ein Viertel des Durchmessers der Einspritzöffnung (17) beträgt.

4. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die konische Ventilsitzfläche (9) und der dieser stromabwärts gerichtet nachgeordnete konische Sacklochwandbereich (13) verschiedene Konuswinkel aufweisen.

5. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der konischen Ventilsitzfläche (9) und dem die Einspritzöffnungen (17) aufnehmenden konischen Sacklochwandbereich (13) ein zylindrischer Wandsteg (11) vorgesehen ist, wobei die Übergangsfläche zwischen dem zylindrischen Wandsteg (11) zum konischen Sacklochwandbereich (13) mit einem Radius (R) abgerundet ist.

6. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzöffnungen (17) als Einspritzbohrungen ausgebildet sind, deren Längsachse zur Wandfläche des konischen Sacklochwandbereiches (13) stromaufwärts der Einspritzöffnung (17) einen Einlaufwinkel β<90° aufweist.