EP0619426A1 - Kraftstoff-Einspritzdüse für Brennkraftmaschinen - Google Patents

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EP0619426A1
EP0619426A1 EP94102949A EP94102949A EP0619426A1 EP 0619426 A1 EP0619426 A1 EP 0619426A1 EP 94102949 A EP94102949 A EP 94102949A EP 94102949 A EP94102949 A EP 94102949A EP 0619426 A1 EP0619426 A1 EP 0619426A1
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EP
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spray hole
closing head
fuel injection
injection nozzle
inlet channel
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Uwe Dipl.-Ing. Gordon (Th)
Guenter Dipl.-Ing. Lewentz (Fh)
Detlev Dr. Potz
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Robert Bosch GmbH
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/04—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00 having valves, e.g. having a plurality of valves in series
    • F02M61/042—The valves being provided with fuel passages
    • F02M61/045—The valves being provided with fuel discharge orifices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/04—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00 having valves, e.g. having a plurality of valves in series
    • F02M61/08—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00 having valves, e.g. having a plurality of valves in series the valves opening in direction of fuel flow

Definitions

  • the invention is based on a fuel injection nozzle for internal combustion engines according to the preamble of claim 1.
  • a fuel injection nozzle for internal combustion engines according to the preamble of claim 1.
  • the relatively short injection holes designed as blind bores run in a flat cone angle in the closing head and open in The circumference of a cylindrical section of the closing head encompassed by the nozzle body.
  • the inlet channels open into the spray holes at a right angle, starting from a conical section upstream of the cylindrical section and extending at a steep angle in the closing head.
  • the fuel injection nozzle according to the invention with the characterizing features of claim 1 has the advantage that the homogenization of the flow which is already forced in the wide inflow channel which is oriented coaxially with the spray hole creates almost identical inflow conditions during the transition into the spray hole, so that a uniform velocity distribution occurs in the jet outlet cross section. and thus leads to a uniform spray pattern.
  • the conversion of the pressure energy into kinetic energy takes place directly at the relatively short spray hole, so that high-energy spray jets are formed which atomize into fine droplets in the combustion chamber. Further advantages result from the configurations of the fuel injection nozzle according to the subclaims.
  • FIG. 1 shows a fuel injection nozzle in longitudinal section
  • FIG. 2 shows a section A of the end of the fuel injection end of the fuel injection nozzle according to FIG. 1 in section on an enlarged scale
  • FIG. 3 shows section B of the spray hole area of the injection nozzle according to FIG. 2 in section on an even larger scale .
  • the fuel injection nozzle has a nozzle body 10 which is clamped to a nozzle holder 12 by means of a union nut 11.
  • a valve needle 15 is slidably mounted in the nozzle body 10 and carries a closing head 16 at the end on the combustion chamber side.
  • a ring 19 with a frustoconical valve cone 17 is fixedly fitted, which cooperates with a hollow cone-shaped valve seat 18 on the nozzle body 10.
  • the section of the closing head 16 which projects into the nozzle body 10 and is set radially opposite the valve cone is designed as a piston slide 20 which is guided in a guide section 23 of the cylinder body 22 in the nozzle body 10 which is close to the valve seat 18 and forms a pressure chamber 21.
  • At least one spray hole 25 is arranged, the mouth 26 of which lies in the jacket of the piston slide 20 and is only a little or no distance from the valve plug 17, so that its outlet cross section is continuously released from the inner edge of the valve seat 18 during the opening stroke of the closing head 16 .
  • the longitudinal axis of the spray hole 25 extends at a very obtuse angle a with respect to the axis of displacement of the valve needle 15 and the nozzle body 10. This angle a is adapted to the shape of the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the length 1 of the spray hole 25 is in the range of 2-4 times its width d.
  • the spray hole 25 can have a cross-section deviating therefrom, for example an oval, triangular or polygonal, depending on which cross-section is to be released during the respective opening stroke.
  • the spray hole 25 is supplied with fuel from the pressure chamber 21 through an inlet channel 27 in the lock box 16.
  • This inlet channel 27 preferably runs exactly coaxially, or alternatively only with a slight deviation from the extension axis of the spray hole 25.
  • the transition between the inlet channel 27 and the spray cross section 25 is designed such that the pressure energy is converted into kinetic energy with little loss, for example as a funnel 29.
  • its cross section is by a minimum factor larger than the actual spray cross-section.
  • the cross section of the preferably circular inlet channel 27 can also deviate from the circular cross section and have a different cross-sectional shape adapted to the spray hole 25.
  • the preferably straight inlet channel 27 can also be curved. In such an alternative, however, it is essential that its end section merging with the spray hole passes tangentially into the spray hole with only a slight curvature.
  • the closing head 16 of the exemplary embodiment of the fuel injector described above is only shown with a single spray hole 25 and a single inlet channel 27.
  • fuel injection nozzles with several spray holes are generally required, which are evenly or irregularly distributed over a circle of the closing head and which can also have the same or different spray angles.
  • the individual inlet channels can cross each other in the closing head 16.
  • the valve needle 15 is slidably mounted in a guide bore 35 in the nozzle body 10, to which a collection chamber 36 and an annular gap 37 connecting it to the pressure chamber 21 connect downstream.
  • a closing spring 40 which is arranged in a spring chamber 39 in the nozzle holder 12.
  • the closing spring 40 is supported on the nozzle body 10 via a spacer bush 41 and a slotted stop disk 42 and presses against a support ring 44 fastened at the end of the valve needle 15 via a compensating disk 43.
  • the shaft of the valve needle 15 is offset at the level of the stop disk 42, forming a stop collar 45 which, in the closed position of the valve needle 15, is at a distance h g from the stop disk 42.
  • An inlet channel 47 in the nozzle holder 12 and in the nozzle body 10 leads from the connecting piece 46 to the collecting chamber 36 in the nozzle body 10. Furthermore, a leakage oil channel 48 connects the spring chamber 39 to a connection 49.
  • the described fuel injection nozzle works as follows: In the injection pauses, the closing spring 40 presses the valve needle 15 with the valve cone 17 on the closing head 16 against the valve seat 18 on the nozzle body 10, the opening of the spray holes 30 from the wall of the nozzle body 10 surrounding the guide section 33 are covered and the sealing cone 17 lies tight against the valve seat 18.
  • a pressure builds up in the latter, which acts on the piston slide 20 of the closing head 16.
  • the valve cone 17 lifts off the valve seat 18 on the nozzle body 10, so that the mouth 26 of the spray hole 25 or the spray holes, depending on the fuel supply pressure, is continuously released from the inner edge of the valve seat 18 on the nozzle body 10.
  • the needle stroke and spray cross section each result from the balance of the force of the closing spring 40 and the hydraulic force on the piston slide 20. Due to the released spray cross section at the mouth of the spray holes 25, fuel flows in the form of bundled spray jets between the valve cone 17 and the valve seat 18 into the combustion chamber the internal combustion engine.
  • the pressure built up in the pressure chamber 28 and in the inlet channel 27 is converted into flow energy at the transition from the inlet channel 27 into the spray hole 25, so that a flow at high speed is generated in the spray hole 25.
  • the relatively wide inlet channel 27 is arranged coaxially with the spray hole 25 and thus the same conditions prevail in the entire area of the transition, in this area the flow already homogenized in the inlet channel 27 is also homogeneous in the spray hole 25, so that the spray jet emerging from the spray hole 25 has the same velocity vectors v over its cross section and thereby has a uniform jet pattern.
  • the closing spring supported by the combustion chamber gas pressure 40, pulls back the valve needle 15, the spray holes 25 being closed first and then the valve cone 17 of the closing head 16 on the valve seat 18 of the nozzle body 10 sealing again.

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Abstract

Eine Kraftstoff-Einspritzdüse für Brennkraftmaschinen hat einen Düsenkörper (10) mit einem brennraumseitig angeordneten Ventilsitz (18) und eine nach außen öffnende Ventilnadel (15) mit einem Schließkopf (16), der einen mit dem Ventilsitz (18) zusammenwirkenden Schließkegel (17) aufweist. Im Schließkopf (16) ist wenigstens ein nach außen gerichtetes Spritzloch (25) angeordnet, das aus einer Druckkammer (21) über einen Zulaufkanal (27) mit Kraftstoff versorgt wird. Der Zulaufkanal ist axial mit dem Spritzloch ausgerichtet und geht trichterförmig in dieses über. Seine Weite D entspricht etwa der Länge 1 des Spritzlochs. Spritzloch und Zulaufkanal erstrecken sich in einem dem Brennraum angepaßten stumpfen Winkel a zur Längsachse des Schließkopfs. Der Einlauf des Zulaufkanals befindet sich in einer dem brennraumseitigen Ende abgewandten Stirnseite des Schließkopfs. <IMAGE>

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einer Kraftstoff-Einspritzdüse für Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Anspruchs 1. Bei einer solchen beispielsweise durch die DE-OS 33 00 953 bekannten Einspritzdüse verlaufen die relativ kurzen, als Sackbohrungen ausgebildeten Spritzlöcher in einem flachen Kegelwinkel im Schließkopf und münden im Umfang eines zylindrischen Abschnitts des vom Düsenkörper umfaßten Schließkopfs. In die Spritzlöcher münden die Zulaufkanäle in einem rechten Winkel, die von einem dem zylindrischen Abschnitt vorgeordneten konischen Abschnitt ausgehen und sich in einem steilen Winkel im Schließkopf erstrecken. Da außerdem der Querschnitt eines Zulaufkanals nur wenig größer als der des Spritzlochs ist, entsteht am Übergang des Zulaufkanals in das Spritzloch eine starke Umlenkung der Strömung, wodurch im Spritzloch aufgrund der unterschiedlichen Einström- und Umlenkungsbedingungen eine inhomogene Geschwindigkeitsverteilung in der Strömung im Spritzloch und auch noch in dessen Mündung entsteht. Auch wird der Strömung im Spritzloch eine Axialkomponente des Zulaufkanals überlagert, die in der kurzen Länge des Spritzlochs unkompensiert bleibt, so daß der aus dem Spritzloch austretende Kraftstoffstrahl in der Richtung der Axialkomponente in der Ausrichtung des Spritzlochs abgebogen wird.
    • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzdüse mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß die in dem zum Spritzloch gleichachsig ausgerichteten weiten Zulaufkanal bereits erzwungene Homogenisierung der Strömung beim Übergang in das Spritzloch nahezu identische Einströmbedingungen schafft, so daß eine gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung im Strahlaustrittsquerschnitt auftritt, und somit zu einem gleichmäßigen Strahlbild führt. Hinzu kommt, daß die Umsetzung der Druckenergie in kinetische Energie unmittelbar an dem relativ kurzen Spritzloch stattfindet, so daß hochenergetische Spritzstrahlen gebildet werden, die im Brennraum in feine Tröpfchen zerstäuben. Weitere Vorteile ergeben sich aus den Ausgestaltungen der Kraftstoff-Einspritzdüse nach den Unteransprüchen.
    • Zeichnung
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Figur 1 eine Kraftstoff-Einspritzdüse im Längsschnitt, Figur 2 einen Ausschnitt A des brennraumseitigen Einspritzendes der Kraftstoff- Einspritzdüse nach Figur 1 im Schnitt in vergrößertem Maßstab und Figur 3 einen Ausschnitt B des Spritzlochbereichs der Einspritzdüse nach Figur 2 im Schnitt in noch größerem Maßstab.
    • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • Die Kraftstoff-Einspritzdüse hat einen Düsenkörper 10, der mittels einer Überwurfmutter 11 an einem Düsenhalter 12 festgespannt ist. Im Düsenkörper 10 ist eine Ventilnadel 15 verschiebbar gelagert, die am brennraumseitigen Ende einen Schließkopf 16 trägt. Auf dem brennraumseitigen Ende des Schließkopfs 16 ist ein Ring 19 mit einem kegelstumpfförmigen Ventilkegel 17 fest aufgesetzt, der mit einem hohlkegelförmigen Ventilsitz 18 am Düsenkörper 10 zusammenwirkt. Der in den Düsenkörper 10 ragende, gegenüber dem Ventilkegel radial abgesetzte Abschnitt des Schließkopfs 16 ist als Kolbenschieber 20 ausgebildet, der in einem dem Ventilsitz 18 nahen Führungsabschnitt 23 einer Zylinderbohrung 22 im Düsenkörper 10 geführt ist, die einen Druckraum 21 bildet.
  • Im Kolbenschieber 20 ist wenigstens ein Spritzloch 25 angeordnet, dessen Mündung 26 im Mantel des Kolbenschiebers 20 liegt und nur einen geringen oder gar keinen Abstand zum Ventilkegel 17 hat, so daß sein Austrittsquerschnitt beim Öffnungshub des Schließkopfs 16 fortlaufend von der Innenkante des Ventilsitzes 18 freigegeben wird. (Figur 2 und 3). Die Längsachse des Spritzlochs 25 verläuft in einem sehr stumpfen Winkel a in Bezug zur Verschiebeachse der Ventilnadel 15 und des Düsenkörpers 10. Dieser Winkel a ist der Gestalt des Brennraums der Brennkraftmaschine angepaßt. Die Länge 1 des Spritzlochs 25 liegt im Bereich des 2-4-fachen dessen Weite d. Anstelle eines vorzugsweise kreisförmigen Querschnitts kann das Spritzloch 25 einen davon abweichenden Querschnitt aufweisen, beispielsweise einen ovalen, drei- oder mehreckigen, je nach dem, welcher Querschnitt beim jeweiligen Öffnungshub freigegeben werden soll.
  • Das Spritzloch 25 wird mit Kraftstoff aus dem Druckraum 21 durch einen Zulaufkanal 27 im Schließkof 16 versorgt. Dieser Zulaufkanal 27 verläuft vorzugsweise genau gleichachsig, oder alternativ nur mit geringer Abweichung zur Erstreckungsachse des Spritzlochs 25. Sein Einlauf 28 befindet sich in der dem Druckraum 21 zugewandten Stirnseite des Schließkopfs 16 bzw. des Kolbenschiebers 20 neben dem mittig anschließenden Schaft 14 der Ventilnadel 15. Der Übergang zwischen Zulaufkanal 27 und Spritzquerschnitt 25 ist so ausgebildet, daß die Druckenergie verlustarm in kinetische Energie umgesetzt wird, beispielsweies als Trichter 29. Damit sichergestellt ist, daß die Druckumsetzung tatsächlich unmittelbar am Spritzquerschnitt stattfindet und nicht schon im Zulaufkanal 27, ist dessen Querschnitt um einen Mindestfaktor größer als der eigentliche Spritzquerschnitt. Der Querschnitt des vorzugsweise kreisrunden Zulaufkanals 27 kann auch vom Kreisquerschnitt abweichen und eine dem Spritzloch 25 angepaßte andere Querschnittsform aufweisen. Auch kann der vorzugsweise geradlinige Zulaufkanal 27 gebogen ausgebildet sein. Bei einer solchen Alternative ist jedoch wesentlich, daß sein an das Spritzloch übergehender Endabschnitt mit nur leichter Krümmung tangential in das Spritzloch übergeht.
  • Der Übersicht halber ist der Schließkopf 16 des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels der Kraftstoff-Einspritzdüse nur mit einem einzigen Spritzloch 25 und einem einzigen Zulaufkanal 27 dargestellt. Für die Praxis sind jedoch in aller Regel Kraftstoff-Einspritzdüsen mit mehreren Spritzlöchern erforderlich, welche auf einem Kreis des Schließkopfs gleichmäßig oder unregelmäßig verteilt sind und auch gleiche oder verschiedene Spritzwinkel haben können. In einem solchen Fall können sich die einzelnen Zulaufkanäle einander im Schließkopf 16 kreuzen.
  • Die Ventilnadel 15 ist in einer Führungsbohrung 35 im Düsenkörper 10 verschiebbar gelagert, an die sich stromabwärts eine Sammelkammer 36 und ein diese mit dem Druckraum 21 verbindender Ringspalt 37 anschließen. In Ruhestellung ist die Ventilnadel 15 mit dem Ventilkegel 17 ihres Schließkopfes 16 gegen den Ventilsitz 18 am Düsenkörper 10 von einer Schließfeder 40 gezogen, die in einer Federkammer 39 im Düsenhalter 12 angeordnet ist. Die Schließfeder 40 stützt sich über eine Distanzbuchse 41 und eine geschlitzte Anschlagscheibe 42 am Düsenkörper 10 ab und drückt über eine Ausgleichsscheibe 43 gegen einen am Ende der Ventilnadel 15 befestigten Stützring 44. Zum Begrenzen des Gesamthubes hg der Ventilnadel 15 ist der Schaft der Ventilnadel 15 in Höhe der Anschlagscheibe 42 einen Anschlagbund 45 bildend abgesetzt, der in Schließstellung der Ventilnadel 15 von der Anschlagscheibe 42 den Abstand hg hat. Zu der Sammelkammer 36 im Düsenkörper 10 führt ein von einem Anschlußstutzen 46 ausgehender Zulaufkanal 47 im Düsenhalter 12 und im Düsenkörper 10. Ferner verbindet ein Leckölkanal 48 die Federkammer 39 mit einem Anschluß 49.
  • Die beschriebene Kraftstoff-Einspritzdüse arbeitet wie folgt: In den Einspritzpausen drückt die Schließfeder 40 die Ventilnadel 15 mit dem Ventilkegel 17 am Schließkopf 16 gegen den Ventilsitz 18 am Düsenkörper 10, wobei die Mündung der Spritzlöcher 30 von der im Führungsabschnitt 33 umgebenden Wand des Düsenkörpers 10 überdeckt sind und der Dichtkegel 17 am Ventilsitz 18 dicht anliegt. Beim Zuführen von Kraftstoff unter Druck durch den Zulaufkanal 47 in die Sammelkammer 36 und von dort durch den Ringspalt 37 in den Druckraum 21 baut sich in diesem ein Druck auf, der auf den Kolbenschieber 20 des Schließkopfes 16 wirkt. Bei Erreichen eines bestimmten Öffnungsdruckes, bei dem die Vorspannung der Schließfeder 40, zu der noch die durch den Brennraumgasdruck entstehende Kraft auf die Ventilnadel hinzu addiert werden muß, überwunden wird, wird die Ventilnadel 15 in Strömungsrichtung verschoben. Dabei hebt der Ventilkegel 17 vom Ventilsitz 18 am Düsenkörper 10 ab, so daß die Mündung 26 des Spritzlochs 25, bzw. der Spritzlöcher, in Abhängigkeit des Kraftstoffzulaufdrucks fortlaufend von der Innenkante des Ventilsitzes 18 am Düsenkörper 10 freigegeben wird. Nadelhub und Spritzquerschnitt ergeben sich jeweils aus dem Gleichgewicht der Kraft der Schließfeder 40 und der hydraulischen Kraft am Kolbenschieber 20. Durch den freigegebenen Spritzquerschnitt an der Mündung der Spritzlöcher 25 strömt Kraftstoff in Form von gebündelten Spritzstrahlen zwischen dem Ventilkegel 17 und dem Ventilsitz 18 in den Brennraum der Brennkraftmaschine.
  • Bei ganz oder teilweise freigegebener Mündung 26 des Spritzlochs 25 wird der in der Druckkammer 28 und im Zulaufkanal 27 aufgebaute Druck am Übergang vom Zulaufkanal 27 in das Spritzloch 25 in Strömungsenergie umgewandelt, so daß im Spritzloch 25 eine Strömung mit hoher Geschwindigkeit erzeugt wird. Dadurch daß der relativ weite Zulaufkanal 27 gleichachsig zum Spritzloch 25 angeordnet ist und somit im ganzen Bereich des Übergangs gleiche Bedingungen herrschen, ist in diesem Bereich die bereits im Zulaufkanal 27 homogenisierte Strömung auch im Spritzloch 25 homogen, so daß der aus dem Spritzloch 25 austretende Spritzstrahl über seinen Querschnitt hinweg gleiche Geschwindigkeitsvektoren v und dadurch ein gleichmäßiges Strahlbild aufweist. Bei Anordung mehrerer Spritzlöcher 25 und Zulaufkanäle 27 im Schließkopf 16 mit einer sich dadurch ergebenden Kreuzung stellt sich trotz Verwirbelung im Kreuzungspunkt in den den Spritzlöchern nahen Abschnitten der Zulaufkanäle eine homogene Strömung am Übergang der Zulaufkanäle in die Spritzlöcher ein, da in den Zulaufkanälen ein sehr hoher Druck herrscht und die Strömung gering ist.
  • Beim Abbau des Druckes des geförderten Kraftstoffes zieht die Schließfeder unterstützt durch den Brennraumgasdruck 40 die Ventilnadel 15 wieder zurück, wobei zunächst die Spritzlöcher 25 zugesteuert werden und dann der Ventilkegel 17 des Schließkopfes 16 am Ventilsitz 18 des Düsenkörpers 10 wieder dicht abschließt.

Claims (5)

  1. Kraftstoff-Einspritzdüse für Brennkraftmaschinen mit einem Ventilkörper, in dem ein Kraftstoff-Zulaufkanal und am brennraumseitigen Ende ein Ventilsitz gebildet ist, und mit einer im Düsenkörper verschiebbaren, im Schließsinne federbelasteten Ventilnadel, welche an ihrem brennraumseitigen Ende einen mit dem Ventilsitz am Düsenkörper zusammenwirkenden, nach außen öffnenden und im Düsenkörper geführten Schließkopf hat, in dem wenigstens ein nadelhubabhängig aufsteuerbares Spritzloch und ein dieses mit dem Kraftstoffzulauf verbindender Zulaufkanal angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Zulaufkanal (27) im Schließkopf (16) einen wesentlich größeren Querschnitt als das Spritzloch (25) aufweist und mit seiner Längserstreckung im wesentlichen mit der des Spritzlochs gleichachsig ausgerichtet ist.
  2. Kraftstoff-Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eingangsseitige Öffnung (28) des zur Längsachse der Ventilnadel (15) geneigten Zulaufkanals (27) in der dem Brennraum abgewandten Stirnseite des Schließkopfes (16) liegt.
  3. Kraftstoff-Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang (29) vom Zulaufkanal (27) zum Spritzloch (25) kontinuierlich ausgebildet ist.
  4. Kraftstoff-Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Schließkopf mehrere einander kreuzende Zulaufkanäle (27) angeordnet sind.
  5. Kraftstoff-Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Schließkopf (16) mehrere einander nicht kreuzende Zulaufkanäle (27) angeordnet sind.
EP94102949A 1993-03-29 1994-02-28 Kraftstoff-Einspritzdüse für Brennkraftmaschinen Expired - Lifetime EP0619426B1 (de)

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