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Die
Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Aus
der
DE 195 07 171
C1 ist eine Kraftstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen bekannt,
bei der eine kolbenförmige
Düsennadel
in einer Schaftbohrung eines Düsenkörpers axial
verschiebbar geführt
wird. Die Schaftbohrung ist dabei im wesentlichen zylindrisch ausgebildet
und weist an ihrem brennraumseitigen Ende einen konisch zulaufenden Kuppenbereich
auf, der von einem Sackloch abgeschlossen wird. Die Düsennadel
trägt an
ihrem unteren Ende einen Dichtkonus, den eine Düsenfeder im Ruhezustand auf
den konisch zulaufenden Bereich der Schaftbohrung drückt. Vom
Sackloch oder dem konisch zulaufenden Bereich der Schaftbohrung
im Düsenkörper führt stromabwärts des
Dichtsitzes, je nach Einspritzdüsen-Bauart,
wenigstens ein Spritzlochkanal durch den Düsenkörper in einen angrenzenden
Brennraum der Brennkraftmaschine.
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Da
der Durchmesser der Schaftbohrung größer ist als der Durchmesser
der Düsennadel,
ist im vorderen brennraumseitigen Bereich der Einspritzdüse ein Druckraum
ausgebildet, der über
einen Druckkanal im Düsenkörper mit
einer Kraftstoffversorgung, z.B. einer Einspritzpumpe oder einem
als Common Rail bekannten Hochdruckspeicher, verbunden ist. Dieser
Druckraum wird auf seiner Brennraum abgewandten Seite durch eine
an der Düsennadel
ausgebildete Druckschulter abgeschlossen, die von dem über den
Druckkanal in den Druckraum strömenden Kraftstoff
beaufschlagt wird. Übersteigt
der auf die Druckschulter ausgeübte
Kraftstoffdruck die Haltekraft auf die Düsennadel, die durch die Düsenfeder und/oder
durch einen bei Common-Rail-Systemen eingesetzten
Steuerkolben bestimmt wird, so hebt die Düsennadel vom Dichtsitz in der
Schaftbohrung des Düsenkörpers ab
und Kraftstoff wird über
den Spritzlochkanal in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.
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Bei
dem in der
DE 195
07 171 C1 dargestellten Düsenkörper ist der Spritzlochkanal
als geradlinig durchgehende Bohrung ausgeführt, wobei der Einspritzkanal
entsprechend dem gewünschten
Spritzlochkegelwinkel schräg
zur Schaftbohrung im Düsenkörper steht.
Diese Schrägorientierung
des Spritzlochkanals führt
dazu, daß der
von der Einspritzpumpe in die Schaftbohrung mit einem Druck von
bis zu 1600 bar eingeleitete Kraftstoff zum Einspritzen in den Brennraum über den
Spritzlochkanal scharf umgelenkt werden muß, was zu einer Verminderung
der Kraftstoffgeschwindigkeit und damit zu einer ungewünschten
Drosselung des in den Brennraum eingespritzten Kraftstoffstrahls
führt.
Weiterhin treten beim Umlenken des Kraftstoffs auch Verwirbelungen
auf, die zu Einspritzverlusten sowie einer Veränderung der Einspritzstrahlcharakteristik
und damit einer Beeinträchtigung
des Verbrennungsverlaufs führen.
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Um
eine verbesserte Einspritzstrahlcharakteristik zu erreichen, wird
in der
DE 195 07 171
C1 vorgeschlagen, den Spritzlochkanal im Einlaufbereich
beim Übergang
in den Dichtsitz des Düsenkörpers kantenlos
abzurunden. Durch diese abgerundete Ausformung des Einlaufbereichs
wird der Umlenkwinkel des Kraftstoffstrahls beim Übergang
von der Schaftbohrung in den Spritzlochkanal verkleinert und weiterhin
die Gefahr von Verwirbelungen am Einlaufbereich vermindert, so daß sich ein
verbesserter Verbrennungsverlauf einstellt. Trotz diesem Abrunden des
Einlaufbereichs unterliegt der Kraftstoffstrom beim Übergang
von der Schaftbohrung in den Spritzlochkanal jedoch weiterhin einem
starken Umlenkvorgang, der den Durchflußbeiwert des Kraftstoffstroms
deutlich verkleinert und so zu Umström- und Geschwindigkeitsverlusten
des eingespritzten Kraftstoffs führt.
Der begrenzte Durchflußbeiwert
des Kraftstoffstroms durch den Spritzlochkanal schränkt weiterhin
auch die Durchflußmenge
des Kraftstoffs durch den Spritzlochkanal und damit das Einspritzvolumen
in den Brennraum ein.
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Der
Spritzlochkanal wird in den Düsenkörper herkömmlicherweise
mittels einer Bohroperation, z.B. Laserbohren oder mechanischem
Bohren, eingebracht, wobei das Abrunden des Einlaufbereichs des
Spritzlochkanals optional durch ein Nachbearbeiten, z.B. mittels
hydroerosivem Schleifen, erfolgt.
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Aus
der
US 5 029 759 ist
weiterhin eine Kraftstoffeinspritzdüse mit den Merkmalen des Oberbegriffs
des Anspruchs 1 bekannt, bei der mittels eines Funkenerodierverfahrens
ein spiralförmig
gekrümmter
Spritzlochkanal in einem Düsenkörper ausgebildet
wird. Bei dieser Spritzlochkanalausbildung muss ein Teil der Kraftstoffströmung aus
dem Düsenkörper in
einen Spritzlochkanal umgelenkt werden, um den Kraftstoff in die
Brennkraftmaschine einspritzen zu können. Dies gilt insbesondere
für den
nahe an der konischen Düsenkuppenwandung
fließenden Kraftstoff.
Es besteht hier die Gefahr, dass die Kraftstoffumlenkung zu ungewünschten
Verwirbelungen des eingespritzten Kraftstoffs und damit zu einer Drosselung
der Kraftstoffströmungsgeschwindigkeit führt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kraftstoffeinspritzdüse mit einer
optimierten Spritzlochkanalgeometrie und damit einer verbesserten
Kraftstoffaufbereitung des Einspritzstrahls bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Einspritzdüse gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte
Ausführungsformen
sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Das
erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil
zeichnet sich durch eine spiralförmige
Spritzlochkanalform in einem Düsenkörper aus,
wobei die Spiralform des Spritzlochkanals so gewählt ist, daß ein Einlaß des Spritzlochkanals im wesentlichen
entsprechend der Strömungsrichtung
des Kraftstoffs im Kuppenbereich des Düsenkörpers ausgerichtet ist, wodurch
ein sanftes Umlenken des Kraftstoffstroms aus dem Düsenkörper in
den Spritzlochkanal erreicht wird.
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Durch
die spiralförmige
Geometrie des Spritzlochkanals läßt sich
der Durchflußbeiwert
der Kraftstoffströmung
im Spritzlochkanal und damit die Geschwindigkeit des aus dem Spritzlochkanal
in einen Brennraum eingespritzten Kraftstoffs wesentlich erhöhen. Weiterhin
steigt mit dem verbesserten Durchflußbeiwert die Durchflußmenge des
Kraftstoffs durch den Spritzlochkanal und damit die Einspritzmenge
in den Brennraum an. Durch die spiralförmige Spritzlochkanalform wird
außerdem
der Umlenkwinkel, der sich durch die Ausrichtung einer Schaftbohrung
und eines Sitzkonus in dem Düsenkörper und einem
gewünschten
Einspritzwinkel in den Brennraum ergibt, auf ein Minimum reduziert,
so daß Verwirbelungen
weitgehend vermieden werden und der Einspritzstrahl ein optimiertes
Strömungsprofil
erhält. Durch
die verbesserte Kraftstoffaufbereitung im Brennraum mittels spiralförmiger Spritzlochkanalform
wird die Qualität
des Verbrennungsverlaufes wesentlich gesteigert, was zu einer Verringerung
der Emissionswerte, der Verbrennungsgeräusche, und des Kraftstoffverbrauchs
führt.
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Die
Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnung
näher erläutert. Es
zeigen
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1A einen
Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzdüse mit spiralförmiger Spritzlochkanalform,
und
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1B eine
vergrößerte Darstellung
der spiralförmigen
Spritzlochkanalgeometrie aus 1A.
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1A zeigt
den erfindungswesentlichen Teil einer Kraftstoffeinspritzdüse für eine Brennkraftmaschine,
die einen Düsenkörper 1 mit
einer Schaftbohrung 2 aufweist, in der eine Düsennadel 3 angeordnet
ist. Der Düsenkörper 1 weist
an seinem in einem Brennraum der Brennkraftmaschine angeordneten
Endbereich einen konisch zulaufenden Kuppenbereich 11 auf,
der an seiner Spitze abgerundet ist. Die im wesentlichen zylindrische
Schaftbohrung 2 ist im konischen Kuppenbereich 11 des
Düsenkörpers 1 ebenfalls
konisch zulaufend ausgebildet und endet in einem Sackloch 21.
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Die
in der Schaftbohrung 2 laufende Düsennadel 3 weist einen
Schaftbereich 31 auf, der an seinem unteren Ende einen
aus zwei Abschnitten 32, 33 bestehenden Dichtkonus
trägt.
Der vorzugsweise mit einer abgeflachten Spitze versehene untere
Abschnitt 33 des Dichtkonus weist im wesentlichen den gleichen Öffnungswinkel
wie der konisch zulaufende Bereich der Schaftbohrung 2 auf,
wohingegen der den Schaft 31 und den unteren Abschnitt 33 verbindende
konische Zwischenabschnitt 32 einen kleineren Öffnungswinkel
besitzt. Wenn die Düsennadel 3 im
Ruhezustand von einer Düsenfeder
und/oder einem hydraulisch oder pneumatisch betätigten Steuerkolben (nicht
gezeigt) auf den konischen Bereich der Schaftbohrung 2 gedrückt wird,
ergibt sich aufgrund der unterschiedlichen Öffnungswinkel der beiden Abschnitte 32, 33 eine
Linienberührung
mit dem konisch zulaufenden Bereich der Schaftbohrung 2 mit
hoher Preß-
und damit guter Dichtwirkung.
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Da
der Durchmesser des zylindrischen Bereichs der Schaftbohrung 2 größer ist
als der Durchmesser des Schaftes 31 der Düsennadel 3,
bildet sich ein Druckraum zwischen dem Düsenkörper 1 und der Düsennadel 3,
der über
einen Druckkanal (nicht gezeigt) im Düsenkörper mit einer Kraftstoffversorgung
verbunden ist. Der zwischen dem Düsenkörper 1 und der Düsennadel 3 ausgebildete
Druckraum wird an seiner Brennraum abgewandten Seite von einer am
Düsennadelschaft 31 ausgebildeten Druckschulter
(nicht gezeigt) begrenzt, an der der durch die Kraftstoffversorgung
erzeugte Kraftstoffdruck angreift. Wenn der Druck auf die Druckschulter größer wird
als die Haltekraft auf die Düsennadel 3, hebt
die Düsennadel 3,
wie in 1A dargestellt ist, vom Dichtsitz
in der Schaftbohrung 2 ab und Kraftstoff kann in den Brennraum
eingespritzt werden.
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Zum
Kraftstoffeinspritzen ist in der Düsenkörperkuppe 11 im konisch
zulaufenden Bereich stromabwärts
von der Linienberüh rung
mit dem Dichtkonus der Düsennadel 3 ein
spiralförmiger Spritzlochkanal 4 im
Düsenkörper 1 ausgebildet. Über diesen
spiralförmigen
Spritzlochkanal 4 wird bei geöffneter Düsennadel 3 der von
der Einspritzpumpe in den Druckraum zwischen der Düsennadel 3 und dem
Düsenkörper 1 eingespeiste
Kraftstoff dann in den Brennraum der Brennkraftmaschine abgegeben. Im
allgemeinen sind mehrere Spritzlochkanäle um die Düsenkörperkuppe verteilt, um je nach
Brennraumform eine Kraftstoffeinspritzung mit einem definierten
Spritzlochkegelwinkel zu erzielen. Bei einem zentralen, senkrechten
Einbau der Einspritzdüse sind
die Spritzlochkanäle
vorzugsweise symmetrisch mit dem gleichen Höhenwinkel um die Kuppe des
Düsenkörpers verteilt.
Bei einer schräg
stehenden Einspritzdüse
dagegen sind die Spritzlochkanäle
zum Erzielen des gewünschten
Spritzlochkegelwinkels unter verschiedenen Höhenwinkeln, jedoch vorzugsweise
mit gleichen Seitenwinkeln in die Kuppe des Düsenkörpers eingebracht.
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In 1B ist
die spiralförmige
Auslegung des Spritzlochkanals 4 genauer dargestellt. Die
Spiralform des Spritzlochkanals 4 ist dabei so gewählt, daß ein Einlaß 41 des
Spritzlochkanals 4 im wesentlichen entsprechend der Strömungsrichtung
des Kraftstoffs im Bereich der Düsenkuppe 11 ausgerichtet
ist, so daß ein
sanftes Umlenken des Kraftstoffstroms durch den Düsenkörper in
den Spritzlochkanal 4 erzielt wird. Weiterhin ist der Einlaß 41 des Spritzlochkanals 4 beim Übergang
in die Düsenkuppe 11 vorzugsweise
abgerundet, um einen trichterförmigen
Kraftstoffzufluß zu
ermöglichen.
Durch die sanfte Umlenkung des Kraftstoffstroms aus dem Düsenkörper in
den Spritzlochkanal 4, die zusätzlich durch die trichterförmige Ausgestaltung
des Einlasses 41 verstärkt
wird, ergibt sich eine wesentliche Erhöhung des Durchflußbeiwertes
der Kraftstoffströmung,
die gemäß der aus
der Bernoulli-Gleichung abgeleiteten Formel ν = μ·{(2·Δp)/g}–0,5 mit
- ν
- = Kraftstoffgeschwindigkeit
- μ
- = Durchflußbeiwert
- Δp
- = Druckdifferenz zwischen
Einlaß und
Auslaß des
Spritzlochkanals
- g
- = Kraftstoffdichte
zu einer Erhöhung
der Strömungsgeschwindigkeit des
in den Brennraum eingespritzten Kraftstoffs führt. Die erhöhte Einspritzgeschwindigkeit
des Kraftstoffs sorgt für
eine gleichmäßigere Einspritzung
mit einer verbesserten Kraftstoffaufbereitung in den Brennraum.
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Durch
die spiralförmige
Führung
des Kraftstoffstroms im Spritzlochkanal 4 werden Verwirbelungen
in der Kraftstoffströmung
weiterhin wesentlich reduziert, so daß sich eine stabile Kraftstoffströmung mit
hohem Durchflußbeiwert
und damit großer
Strömungsgeschwindigkeit
ergibt. Der in 1B gezeigte Spritzlochkanal 4 weist über seine
Länge eine
vollständige
Spiraldrehung auf. Jedoch bereits mit einer 1/8 Spiraldrehung lassen
sich die Vorteile einer verbesserten Kraftstoffaufbereitung im Spritzlochkanal 4 erzielen.
Weiterhin ist es aus Strömungsgründen vorteilhaft,
den Durchmesser der Spiralform auf das zwei- bis zehnfache des Spritzlochkanaldurchmessers,
der 0,05 mm bis 0,4 mm, vorzugsweise jedoch 0,15 mm beträgt, festzulegen.
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Um
einen optimierten Kraftstoffeinspritzstrahl aus dem Spritzlochkanal 4 zu
erzielen, ist der Auslaß 42 des
Spritzlochkanals so angeordnet, daß der Einspritzstrahl aus dem
Spritzlochkanal 4 im wesentlichen tangential mit dem gewünschten
Spritzlochkegelwinkel in den Brennraum der Brennkraftmaschine abgegeben
wird.
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Durch
die spiralförmige
Auslegung des Spritzlochkanals 4 und die geeignete Ausrichtung von
Einlaß 41 und
Auslaß 42 läßt sich
bei einer Standardeinspritzdüse,
wie sie in 1A ge zeigt ist, bei der der
Konuswinkel in der Düsenkuppe 11 ungefähr 60° beträgt und der
Kraftstoff in dem Brennraum mit einem Spritzlochkegelwinkel von
vorzugsweise 150° eingespritzt
werden soll, eine optimierte Kraftstoffströmung ohne Verwirbelungen mit
einem verbesserten Durchflußbeiwert
und damit erhöhter
Strömungsgeschwindigkeit
erzielen. Durch die sich ergebende gleichmäßige Einspritzung mit verbesserter
Kraftstoffaufbereitung in dem Brennraum lassen sich sowohl die Emissionswerte
als auch die Verbrennungsgeräusche
reduzieren. Weiterhin stellt sich eine Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine
verbunden mit einem verringerten Kraftstoffverbrauch ein.
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Das
in 1A und 1B gezeigte
Konzept einer spiralförmigen
Geometrie des Spritzlochkanals kann nicht nur bei der dargestellten
Spritzlochdüsenform,
bei der der Dichtkonus der Düsennadel
den Einlaufbereich des Spritzlochkanals in Ruhestellung abdeckt,
eingesetzt werden, sondern auch bei den weiteren bekannten Düsenformen,
bei denen der Spritzlochkanal im Sackloch angeordnet ist. Weiterhin
kann dieses Sackloch je nach Bauart zylindrisch, zylindrisch mit
konischer Kuppe oder insgesamt konisch ausgestaltet sein.
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Um
einen spiralförmigen
Spritzlochkanal in einem Düsenkörper auszuführen, wird
vorzugsweise ein Funkenerodierverfahren eingesetzt. Beim Funkenerodierverfahren
handelt es sich um ein thermisches Abtrageverfahren, bei dem eine
Abfolge elektrischer Entladungen eingesetzt wird, um Material von
metallischen Werkstücken
abzuspanen. Um die elektrischen Entladungen zu erzeugen, wird zwischen
einer Elektrode und dem Werkstück,
die durch eine elektrisch isolierende Flüssigkeit getrennt sind, eine
hohe Spannung angelegt, die für
einen elektrischen Durchschlag durch die Flüssigkeit sorgt. Der Durchschlag
stellt einen Entladekanal in der Flüssigkeit her, durch den elektrischer
Strom fließt
und in dem hohe Temperaturen und Drücke herrschen. Der elektrische
Stromfluß bewirkt,
daß am
Werkstück
und an der Elektrode eine Schmelze entstehen. Wenn die angelegte
Spannung auf Null gesetzt wird, fällt der Entladekanal in der
Flüssigkeit
wieder zusammen und die Schmelze am Werkstück und der Elektrode verdampft
explosionsartig und das flüssiges
Metall aus der Elektroden- und Werkstückoberfläche wird weggerissen.
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Die
Abtrageleistung sowie die Kraterform im Werkstück hängt bei der Funkenerosion von
der Entladedauer, die üblicherweise
im μ-Sekundenbereich liegt
und vom elektrischen Strom, der durch den Entladekanal fließt und durch
die Aufladespannung bedingt ist, ab. Weitere Einflußgrößen sind
die Wahl der Flüssigkeit
zwischen der Elektrode und dem Werkstück, das Material aus dem Elektrode
bzw. Werkstück
bestehen, sowie die Elektrodenform und die Art ihrer Führung. Als
Elektrodenwerkstoff zur Herstellung von Kanalbohrungen mit einem
Durchmesser von 0,05 bis 0,4 mm bei einer Werkstoffdicke von ca. 1
mm, wie sie sich bei der Ausbildung eines Spritzlochkanals in einem
Düsenkörper ergeben,
haben sich insbesondere Wolfram, Silber, Hartmetall und Graphit
als vorteilhaft erwiesen. Als Flüssigkeit
wird üblicherweise
Wasser eingesetzt.
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Um
einen spiralförmigen
Spritzlochkanal auszuführen,
wie er in 1A und 1B gezeigt ist,
wird eine spiralförmig
geformte Erodierelektrode eingesetzt. Eine solche spiralförmige Erodierelektrode
wird vorzugsweise über
ein Schneckengetriebe in den Düsenkörper vorgeschoben,
so daß sich
die Erodierelektrode leicht kontinuierlich nachführen läßt. Der Durchmesser der Erodierelektrode
wird dabei unwesentlich kleiner als der gewünschte Durchmesser des Spritzlochkanals
gewählt,
wobei, um die bevorzugte Spiralgeometrie für den Spritzlochkanal zu erzielen,
der Spiraldurchmesser der Erodierelektrode das zwei- bis zehnfache
des Elektrodendurchmessers ist.
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Zur
Ausbildung des Spritzlochkanals wird die spiralförmige Erodierelektrode bis
auf einen Mindestabstand an den Düsenkörper herangeführt und
das metallische Material des Düsenkörpers mittels
elektrischer Entladung bei einer Wiederholra te von 20 bis 100 kHz
abgetragen. Die spiralförmige
Erodierelektrode wird dabei durch das Schneckengetriebe laufend
vorgeschoben, wobei das Schneckengetriebe und die Erodierelektrode
vorzugsweise so ausgelegt sind, daß die spiralförmige Erodierelektrode
bei 0,2 bis 2 Umdrehungen um einen Millimeter vorwärts bewegt
wird, so daß sich
die bevorzugten Spritzlochkanalgeometrien ergeben. Um nach Ausbildung
der spiralförmigen
Spritzlochkanalbohrung den Einlaß abzurunden, kann dann mittels
hydroerosivem Schleifens noch ein weiterer Metallabtrag vorgenommen
werden.