EP1117928A1 - Kraftstoffeinspritzdüse - Google Patents

Kraftstoffeinspritzdüse

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EP1117928A1
EP1117928A1 EP99969475A EP99969475A EP1117928A1 EP 1117928 A1 EP1117928 A1 EP 1117928A1 EP 99969475 A EP99969475 A EP 99969475A EP 99969475 A EP99969475 A EP 99969475A EP 1117928 A1 EP1117928 A1 EP 1117928A1
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injection
nozzle
injection holes
tip
fuel
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Siemens AG
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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
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    • F02M61/1873—Valve seats or member ends having circumferential grooves or ridges, e.g. toroidal
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02M61/18—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for
    • F02M61/1806—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for characterised by the arrangement of discharge orifices, e.g. orientation or size

Definitions

  • the invention relates to a fuel injection nozzle for internal combustion engines of the type mentioned in the preamble of patent claim 1.
  • Such injection nozzles are generally used in particular in direct-injection internal combustion engines.
  • the injection nozzle In the injection system of an internal combustion engine with fuel injection, particularly in the case of direct fuel injection, the injection nozzle has the task of supplying the combustion chamber of the engine with fuel in a targeted and metered manner.
  • the type of fuel preparation by the injection nozzle and the course of the injection process have a significant influence on the combustion in the combustion chamber.
  • a fuel injector essentially consists of two parts, the nozzle body and the nozzle needle.
  • the nozzle needle is inserted into the nozzle body so as to be axially movable.
  • a number of injection holes are formed radially all round, which are closed or released by the movable nozzle needle, for which purpose a cone at the front end of the nozzle needle on a conical sealing surface in the Tip of the nozzle body is pressed or lifts from this sealing surface.
  • a free space is provided between the front part of the nozzle needle and the inner wall of the nozzle body.
  • Common rail injection systems are systems in which the fuel is conveyed by a high pressure pump into a pressure accumulator common to all cylinders of the engine, from which the injection valves on the individual cylinders are supplied.
  • the pre-injection (pilot injection) of a very small amount of fuel before the actual injection (main injection) improves the combustion process in such systems, particularly with regard to noise and exhaust gas behavior. Due to the small amount of fuel, the nozzle needle lifts very little from its seat in the nozzle body, the conical sealing surface, during the pre-injection. Centering errors therefore have a particularly strong effect.
  • the invention has for its object to design the above-mentioned injection nozzle so that the fuel is always injected with the intended uniform distribution into the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the invention is therefore characterized by a cylindrical recess in the interior of the nozzle body in the area of the injection holes.
  • This annular circumferential recess is that the transition from the interior of the nozzle body to the respective injection hole is no longer so is sharp-edged and thus the fuel is fed into the injection holes with less turbulence.
  • this special shape has the advantage that an annular channel is formed around the cone at the tip of the nozzle needle, which enables the injection holes to be supplied with fuel evenly when the nozzle needle is lifted, even if the nozzle needle is not exactly centered. This advantage is particularly important when injecting small amounts of fuel, such as during pre-injection.
  • the drawing shows the tip of a fuel injector in section.
  • the substantially conical tip 10 of the nozzle body 12 of a fuel injection nozzle which projects into the combustion chamber of an internal combustion engine, is shown enlarged in section.
  • Injection holes 14 are formed in the tip 10 radially circumferentially at a certain angle (to the axis of the nozzle body 12). Through the row of injection holes 14, the fuel is injected under pressure m into the combustion chamber of the internal combustion engine under pressure m when the injection nozzle m is open, whereby the arrangement of the injection holes 14 determines the atomization pattern of the fuel.
  • a nozzle needle 20 is arranged axially movably in the nozzle body 12 of the injection nozzle.
  • the nozzle needle 20 has a cone 22 at its tip, with which, when the injection nozzle is closed, it bears against a conical sealing surface 16 m of the tip 10 of the nozzle body 12 in the area of the injection holes 14 and in particular in the direction of flow of the fuel above it.
  • the conical sealing surface 16 forms a seat for the cone 22, so that when the inlet is closed, No fuel reaches the injection holes 14 from the interior 18 between the nozzle needle 20 and the nozzle body 12.
  • Tip 10 of the nozzle body 12 worked out in a cylindrical manner in such a way that a cylindrical recess 30 is formed in the tip 10.
  • the cylindrical recess 30 runs in the area of the injection holes 14 and in the area of the conical sealing surface 16 in an annular manner around the cone 22 of the nozzle needle 20, the conical sealing surface 16 above the injection holes 14 being maintained at least to such an extent that the seal is secured when the injection nozzle is closed is.
  • the recess 30 has essentially the shape of a circular cylinder around the axis of the nozzle body 12.
  • the cylinder jacket 32 of the recess 30 runs essentially parallel to the axis of the nozzle body 12.
  • the cover surface 34 of the circular cylinder adjoining the cylinder jacket can be a flat circular surface, so that the angle between the cylinder jacket 32 and the top surface 34 is 90 °.
  • the top surface 34 can also be formed by an obtuse-angled, flat cone, so that the angle between the cylinder jacket 32 and the top surface 34 is more than 90 °.
  • the annular circumferential, cylindrical recess 30 on the inside of the tip 10 can be formed by any suitable method, for example by drilling, grinding, milling, an erosion method such as die sinking EDM, laser cutting and the like.
  • the interior of the nozzle body 12 m of the otherwise essentially conical tip 10 m of the area surrounding the injection holes 14 is cylindrical.
  • the injection holes 14 can be arranged in the region of the corner between the cylinder jacket 32 and the top surface 34 of the circular cylinder forming the recess 30, as shown in the drawing, or they can be further above in the area of the cylinder jacket 32 at a distance from the corner between the cylinder jacket 32 and the top surface 34, from the inside of the nozzle body 12 to the outside. It is also possible for the injection holes 14 to open into the cylindrical recess 30 in the area of the top surface 34.
  • the recess 30 in any case reduces the angle that the individual injection holes 14 form with the inner wall of the tip 10 of the nozzle body 12. While the angle between the axis of the individual injection holes 14 and the conical inner wall of the tip 10 without the recess 30 is 90 ° and often even more acute, i.e. is smaller than 90 °, the angle between the individual injection holes 14 and the inner wall of the recess 30 is considerably larger than 90 ° and thus rather obtuse. The transition between the interior of the nozzle body 12 and the individual injection holes 14 is therefore less sharp-edged and there is less turbulence when the fuel is introduced into the injection holes.
  • cylindrical recess 30 around the cone 22 of the nozzle needle 20 forms an annular channel which, when the nozzle needle 20 is lifted off at the beginning of the injection and during the injection, also in the event of centering errors with respect to the nozzle needle 20, ensures a uniform supply of fuel to the injection holes 14 and thus ensures an even atomization of the fuel.

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Abstract

Die Einspritzdüse für die Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine umfasst einen Düsenkörper (12) mit einer Spitze (10) mit einer radial umlaufenden Reihe von Einspritzlöchern (14) und eine Düsennadel (20), die im Düsenkörper (12) axial beweglich angeordnet ist, wobei ein Konus (22) an der Spitze der Düsennadel (20) den Kraftstoffweg zu den Einspritzlöchern (14) selektiv freigibt und sperrt. Der Düsenkörper (12) der Einspritzdüse weist eine zylinderförmige Aussparung (30) im Innenraum der Spitze (10) im Bereich der Einspritzlöcher (14) auf.

Description

Beschreibung
Kraftstoffeinspritzdüse
Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzdüse für Verbrennungsmotoren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art. Solche Einspritzdüsen sind insbesondere bei direkteinspritzenden Verbrennungsmotoren allgemein in Gebrauch.
Im Einspritzsystem eines Verbrennungsmotors mit Kraftstoffeinspritzung, insbesondere bei der Kraftstoff-Direkteinspritzung, hat die Einspritzdüse die Aufgabe, den Brennraum des Motors gezielt und dosiert mit Kraftstoff zu versorgen. Die Art der Kraftstoffaufbereitung durch die Einspritzdüse und der Verlauf des Einspritzvorgangs beeinflussen die Verbrennung im Brennraum erheblich.
Eine Kraftstoffeinspritzdüse besteht im wesentlichen aus zwei Teilen, dem Düsenkörper und der Düsennadel. Die Düsennadel ist axial beweglich in den Düsenkörper eingesetzt. An der Spitze des Düsenkörpers, die in den Brennraum des Verbrennungsmotors ragt, ist radial umlaufend eine Anzahl von Einspritzlöchern ausgebildet, die von der beweglichen Düsennadel verschlossen bzw. freigegeben werden, wozu ein Konus am vor- deren Ende der Düsennadel an eine konische Dichtfläche in der Spitze des Düsenkörpers gedrückt wird bzw. von dieser Dichtfläche abhebt .
Damit der Kraftstoff zu den Einspritzlöchern strömen kann, ist zwischen dem vorderen Teil der Düsennadel und der Innenwand des Düsenkörpers ein Freiraum vorgesehen. Bei geschlossener Einspritzdüse, wenn der Konus der Düsennadel an der konischen Dichtfläche des Düsenkörpers anliegt, ist die Düsennadel durch diese Anlage im Düsenkörper zen- triert. Beim Abheben der Düsennadel von der konischen Dichtfläche neigt die dann frei in die Spitze des Düsenkörpers ragende Düsennadel jedoch dazu, von der exakt zentrierten Lage abzuweichen. Das hat zur Folge, daß die umlaufenden Einspritzlöcher nicht gleichmäßig freigegeben werden, was wiederum zu einer unsymmetrischen Strahlausbildung führt, die den Verbrennungsverlauf und die Emissionswerte ungünstig be- einflußt.
Dieser Nachteil tritt insbesondere bei Common-Rail-Einspritz- systemen mit Voreinspritzung in Erscheinung. Common-Rail- Einspritzsysteme sind Systeme, bei denen der Kraftstoff von einer Hochdruckpumpe in einen allen Zylindern des Motors gemeinsamen Druckspeicher befördert wird, von dem aus die Einspritzventile an den einzelnen Zylindern versorgt werden. Die Voreinspritzung (Piloteinspritzung) einer sehr kleinen Kraftstoffmenge vor der eigentlichen Einspritzung (Hauptein- spritzung) verbessert bei solchen Systemen den Verbrennungsvorgang insbesondere hinsichtlich Geräuschentwicklung und Abgasverhalten. Aufgrund der kleinen Kraftstoffmenge hebt bei der Voreinspritzung die Düsennadel nur sehr wenig von ihrem Sitz im Düsenkörper, der konischen Dichtfläche, ab. Zentrie- rungsfehler wirken sich daher besonders stark aus.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Einspritzdüse so auszugestalten, daß der Kraftstoff immer mit der vorgesehenen gleichmäßigen Verteilung in den Brennraum des Verbrennungsmotors eingespritzt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit der im Patenanspruch 1 angegebenen Einspritzdüse gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einspritzdüse sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung ist demnach durch eine zylinderförmige Aussparung im Innenraum des Düsenkörpers im Bereich der Einspritz- löcher gekennzeichnet. Vorteil dieser ringförmig umlaufenden Aussparung ist zum einen, daß der Übergang vom Innenraum des Düsenkörpers zum jeweiligen Einspritzloch nicht mehr so scharfkantig ist und somit der Kraftstoff mit geringeren Turbulenzen in die Einspritzlocher geleitet wird. Zudem hat diese besondere Form den Vorteil, daß um den Konus an der Spitze der Dusennadel ein Ringkanal entsteht, der beim Abheben der Dusennadel ein gleichmäßiges Beliefern der Einspritzlocher mit Kraftstoff ermöglicht, auch wenn die Dusennadel nicht exakt zentriert ist. Dieser Vorteil ist besonders beim Einspritzen von geringen Kraftstoffmengen wie beispielsweise bei der Voreinspritzung von Bedeutung.
Eine Ausfuhrungsform der erfindungsgemaßen Kraftstoffeinspritzdüse wird im folgenden anhand der Zeichnung naher erläutert.
Die Zeichnung zeigt die Spitze einer Kraftstoffeinspritzdüse im Schnitt.
In der Zeichnung ist die in den Brennraum eines Verbrennungsmotors ragende, im wesentlichen konusformige Spitze 10 des Dusenkorpers 12 einer Kraftstoffeinspritzdüse vergrößert im Schnitt dargestellt. In der Spitze 10 sind radial umlaufend unter einem bestimmten Winkel ( zur Achse des Dusenkorpers 12 Einspritzlocher 14 ausgebildet. Durch die Reihe von Einspritzlochern 14 wird der Kraftstoff bei geöffneter Ein- spritzduse m der allgemein bekannten Art unter Druck m den Brennraum des Verbrennungsmotors eingespritzt, wobei die Anordnung der Einspritzlocher 14 das Zerstaubungsbild des Kraftstoffs bestimmt.
Im Dusenkorper 12 der Einspritzdüse ist axial beweglich eine Dusennadel 20 angeordnet. Die Dusennadel 20 weist an ihrer Spitze einen Konus 22 auf, mit dem sie, wenn die Einspritzdüse geschlossen ist, im Bereich der Einspritzlocher 14 und insbesondere in Stromungsrichtung des Kraftstoffes oberhalb davon an einer konischen Dichtflache 16 m der Spitze 10 des Dusenkorpers 12 anliegt. Die konische Dichtflache 16 bildet einen Sitz für den Konus 22, so daß bei geschlossener Ein- spritzduse kein Kraftstoff aus dem Innenraum 18 zwischen der Dusennadel 20 und dem Dusenkorper 12 zu den Einspritzlochern 14 gelangt.
Im Bereich der Einspritzlocher 14 ist die Innenseite der
Spitze 10 des Dusenkorpers 12 zylinderformig derartig ausgearbeitet, daß eine zylinderformige Aussparung 30 in der Spitze 10 entsteht. Die zylinderformige Aussparung 30 lauft im Bereich der Einspritzlocher 14 und im Bereich der konischen Dichtflache 16 ringförmig um den Konus 22 der Dusennadel 20 herum, wobei die konische Dichtflache 16 oberhalb der Einspritzlocher 14 zumindest so weit erhalten bleibt, daß die Abdichtung bei geschlossener Einspritzd se gesichert ist. Die Aussparung 30 hat im wesentlichen die Form eines Kreiszy- linders um die Achse des Dusenkorpers 12. Der Zylindermantel 32 der Aussparung 30 verlauft im wesentlichen parallel zur Achse des Dusenkorpers 12. Die an den Zylindermantel anschließende Deckflache 34 des Kreiszylinders kann eine ebene Kreisflache sein, so daß der Winkel zwischen Zylindermantel 32 und Deckflache 34 90° betragt. Die Deckflache 34 kann jedoch auch von einem stumpfwinkeligen, flachen Konus gebildet werden, so daß der Winkel zwischen Zylindermantel 32 und Deckflache 34 mehr als 90° betragt.
Die ringförmig umlaufende, zylinderformige Aussparung 30 an der Innenseite der Spitze 10 kann durch jedes geeignete Verfahren ausgebildet werden, beispielsweise durch Bohren, Schleifen, Fräsen, ein Erosionsverfahren wie Senkerodieren, Laserschneiden und dergleichen.
Durch die Aussparung 30 wird der Innenraum des Dusenkorpers 12 m der ansonsten im wesentlichen konischen Spitze 10 m der Umgebung der Einspritzlocher 14 zylinderformig ausgebildet. Die Einspritzlocher 14 können dabei im Bereich der Ecke zwischen dem Zylindermantel 32 und der Deckflache 34 des die Aussparung 30 bildenden Kreiszylinders angeordnet sein, wie es m der Zeichnung gezeigt ist, oder s e können weiter oben im Bereich des Zylindermantels 32 in einem Abstand von der Ecke zwischen dem Zylindermantel 32 und der Deckfläche 34 von der Innenseite des Düsenkörpers 12 nach außen abgehen. Es ist auch möglich, daß die Einspritzlöcher 14 im Bereich der Deck- fläche 34 in die zylinderformige Aussparung 30 münden.
Die Aussparung 30 vermindert in jedem Fall den Winkel, den die einzelnen Einspritzlöcher 14 mit der Innenwand der Spitze 10 des Düsenkörpers 12 bilden. Während der Winkel zwischen der Achse der einzelnen Einspritzlöcher 14 und der konischen Innenwand der Spitze 10 ohne die Aussparung 30 bei 90° liegt und oft sogar spitzer, d.h. kleiner ist als 90°, ist der Winkel zwischen den einzelnen Einspritzlöchern 14 und der Innenwand der Aussparung 30 erheblich größer als 90° und damit ziemlich stumpf. Der Übergang zwischen dem Innenraum des Dü- senkörpers 12 zu den einzelnen Einspritzlöchern 14 ist dadurch weniger scharfkantig, und es treten weniger Turbulenzen beim Einleiten des Kraftstoffs in die Einspritzlöcher auf. Darüberhinaus bildet die zylinderformige Aussparung 30 um den Konus 22 der Düsennadel 20 einen Ringkanal aus, der beim Ab- heben der Düsennadel 20 zu Beginn der Einspritzung und während der Einspritzung auch bei Zentrierfehlern hinsichtlich der Düsennadel 20 eine gleichmäßige Versorgung der Einspritzlöcher 14 mit Kraftstoff und damit ein gleichmäßiges Zerstäubungsbild des Kraftstoffes gewährleistet.

Claims

Patentansprüche
1. Einspritzdüse für die Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem Düsen- körper (12) mit einer Spitze (10) mit Einspritzlöchern (14), und mit einer Düsennadel (20) , die im Düsenkörper (12) axial beweglich angeordnet ist, wobei ein Konus (22) an der Spitze der Düsennadel (20) den Kraftstoffweg zu den Einspritzlöchern (14) selektiv freigibt und sperrt; gekennzeichnet durch eine zylinderformige Aussparung (30) im Innenraum der Spitze (10) des Düsenkörpers (12) im Bereich der Einspritzlöcher (14).
2. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzlöcher (14) im Bereich des Übergangs vom Zylindermantel (32) zur Deckfläche (34) der zylinderförmigen Aussparung (30) angeordnet sind.
3. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,. daß die Einspritzlöcher (14) im Bereich des Zylindermantels
(32) der zylinderförmigen Aussparung (30) angeordnet sind.
4. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzlöcher (14) im Bereich der Deckfläche (34) der zylinderförmigen Aussparung (30) angeordnet sind.
5. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckfläche (34) der zylinderförmigen Aussparung (30) im wesentlichen eine ebene Kreisform hat und der Übergang vom Zylindermantel (32) zur Deckfläche (34) einen Winkel von im wesentlichen 90° einschließt.
6. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckfläche (34) der zylinderförmigen Aussparung (30) im wesentlichen eine flache Konusform hat und der Übergang vom Zylindermantel (32) zur Deckfläche (34) einen Winkel von mehr als 90° einschließt.
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