EP1408231B1 - Einspritzvorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff - Google Patents

Einspritzvorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff Download PDF

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EP1408231B1
EP1408231B1 EP03103635A EP03103635A EP1408231B1 EP 1408231 B1 EP1408231 B1 EP 1408231B1 EP 03103635 A EP03103635 A EP 03103635A EP 03103635 A EP03103635 A EP 03103635A EP 1408231 B1 EP1408231 B1 EP 1408231B1
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injection
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nozzle
needle
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Grit Dr. Krüger
Eberhard Kull
Ferdinand Löbbering
Jürgen Schindlatz
Clemens Senghaas
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Siemens AG
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    • 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
    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/18—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for
    • F02M61/1873—Valve seats or member ends having circumferential grooves or ridges, e.g. toroidal

Definitions

  • the present invention relates to an injection device for injecting fuel, in particular in a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • Injection devices for injecting fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine are known from the prior art in various configurations, in particular in connection with storage injection systems, such as common rail systems for injection of diesel fuel into a combustion chamber of an engine.
  • Such injection devices comprise a nozzle needle guided in a nozzle body, wherein a sealing seat between the nozzle needle and the nozzle body is realized at a tip of the nozzle needle.
  • Below the sealing seat in the discharge direction usually more injection holes are arranged, which branch off from a blind hole on the nozzle body and through which the fuel is injected into the combustion chamber.
  • so-called micro-blind hole nozzles are known in which the space below the sealing seat, from which depart from the spray holes, is as small as possible.
  • an injection nozzle in which the nozzle needle has an annular groove in the region of the transition between the blind hole and the nozzle needle.
  • the annular groove is in the region of the injection or the injection holes.
  • This injection device for injecting fuel comprises a nozzle needle, which is arranged in a nozzle body, and a microsack hole formed in the nozzle body, in which at least one injection hole is formed.
  • the tip of the nozzle needle protrudes into the micro-blind hole in such a way that the tip is arranged in the axial direction of the nozzle needle at the level of the injection holes.
  • At the top of the nozzle needle at the height of the injection holes are recesses formed in the tip to ensure a minimum distance between the tip and the spray holes.
  • the injection device according to the invention for injecting fuel into a combustion chamber is designed such that a tip of a nozzle needle extends so deep into a micro-blind hole that the tip is arranged in the longitudinal direction of the nozzle needle at the height of the injection holes.
  • the tip of the nozzle needle is formed at the height of the injection holes in such a way that it is shaped in this area deviating from a conical basic shape such that a sufficient distance between the spray holes and the nozzle needle is present.
  • the minimum distance between the Spray holes and the nozzle needle tip both with a closed nozzle needle as well as a small needle lift available.
  • the distance is formed such that a surface which lies in a plane perpendicular to the nozzle needle between the outer circumference of the tip of the nozzle needle and each inwardly directed to the blind hole edge point of the injection hole is equal to about 0.200 mm 2 .
  • the tip is formed in the region near the injection hole in such a way that between the tip and the injection hole, an annular, area-like region with a cross-sectional area of 0.200 mm 2 is provided with non-actuated nozzle needle.
  • the annular surface lies in a plane which is perpendicular to the direction of movement of the nozzle needle and extends through the uppermost edge point of the or the injection holes.
  • a particularly good spray pattern is obtained when all spray holes of the injection device are arranged in a plane perpendicular to the direction of movement of the nozzle needle.
  • the tip of the nozzle needle in the region which is opposite to the spray holes provided with a recess, which are formed for example as a circumferential groove in the conical tip of the nozzle needle.
  • the recess may be formed, for example, by a, in particular stepped, paragraph in the tip of the nozzle needle in the region opposite the spray holes.
  • the tip of the nozzle needle is designed such that in the area opposite the spray holes a second conical Area is formed.
  • the angle of this second conical region to the central axis of the nozzle needle is greater than an angle of the tip of the nozzle needle, for example at a sealing seat of the needle.
  • Such a second conical region can be produced in a particularly simple manner, for example by grinding the nozzle needle. It should also be noted that, of course, a plurality of conical regions can successively form the tip of the nozzle needle, wherein the angle with respect to the central axis of the needle becomes larger, the closer it is at the end of the tip.
  • the present invention is particularly useful in storage injection systems, such as e.g. Common rail systems, used. According to the invention can thus be obtained despite the small blind hole volume, which usually leads to poor exhaust emissions, by the inventive design of the needle tip a good uniform distribution of Einstrahlmengen and a good jet pattern, resulting in low HC emissions. Thus, an improved mixture formation can be achieved in the combustion chamber, whereby a significant reduction of the exhaust emissions and also the consumption is obtained.
  • the injection device comprises in a known manner arranged in a nozzle body 1 nozzle needle 2.
  • the nozzle needle 2 is seated on a sealing seat 4 on the nozzle body 1 and gives the sealing seat, for example by driving by means of a piezoelectric actuator in a known manner by movement along the longitudinal axis XX of the nozzle needle 2 free or closes this to start an injection or to end.
  • the nozzle needle 2 has a substantially conically formed tip 3.
  • the tip 3 is formed by a first conical region 5, a second conical region 6 and a third conical region 7.
  • the conical regions 5, 6, 7 are formed such that they each have a different angle to the longitudinal axis X-X.
  • the first conical portion 5 has the most acute angle with respect to the axis X-X
  • the third conical portion 7 located at the end of the tip 3 has the most obtuse angle with respect to the axis X-X (see Fig. 1).
  • a plurality of spray holes 8, more precisely, as shown in Figure 2 six injection holes 8 are formed in a known manner in a known manner.
  • the injection holes 8 lie on a plane perpendicular through the longitudinal axis X-X of the nozzle needle. 2
  • the second conical region 6 lies opposite a top edge point 9 and the spray hole 8 when the nozzle needle 2 is closed and with a smaller needle stroke up to approximately 80 .mu.m. More precisely, the uppermost edge point 9 lies in a plane E which is perpendicular to the longitudinal axis XX of the nozzle needle 2 and the uppermost edge point 9 the injection hole 8 runs. This results between the uppermost edge point 9 and the tip 3 of the nozzle needle an annular surface A.
  • the annular surface A is shown in detail in the sectional view along the plane E shown in FIG.
  • the annular surface A has a size of equal to about 0.200 mm 2 .
  • the tip 3 of the nozzle needle is formed in the region opposite to the injection hole 8 by an approximately parabolic tapered portion 11 in the second embodiment.
  • This tapering region 11 of the tip 3 is designed such that between the uppermost edge point 9 of the injection hole 8 and the tapered portion 11, an area A with a cross section of about 0.200 mm 2 results.
  • the tapered region can also be produced, for example, by means of grinding.
  • the second embodiment corresponds to the first embodiment, so that reference can be made to the description given there.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einspritzvorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff, insbesondere in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine.
  • Einspritzvorrichtungen zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt, insbesondere in Verbindung mit Speichereinspritzsystemen, wie beispielsweise Common-Rail-Systemen zur Einspritzung von Dieselkraftstoff in einen Brennraum eines Motors. Derartige Einspritzvorrichtungen umfassen eine in einem Düsenkörper geführte Düsennadel, wobei an einer Spitze der Düsennadel ein Dichtsitz zwischen der Düsennadel und dem Düsenkörper realisiert ist. Unterhalb des Dichtsitzes in Austrittsrichtung sind dabei üblicherweise mehrere Spritzlöcher angeordnet, welche von einem Sackloch am Düsenkörper abzweigen und durch welche der Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird. Hierbei sind auch sogenannte Mikro-Sacklochdüsen bekannt, bei denen der Raum unterhalb des Dichtsitzes, von welchem aus die Spritzlöcher abgehen, möglichst klein ist.
  • Aus der DE 199 81 370 A1 ist eine Einspritzdüse bekannt, bei der die Düsennadel eine Ringnut im Bereich des Übergangs zwischen Sackloch und Düsennadel aufweist. Bei Sitzlocheinspritzdüsen befindet sich die Ringnut im Bereich des oder der Spritzlöcher. Diese Einspritzvorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff umfasst eine Düsennadel, welche in einem Düsenkörper angeordnet ist, und ein in dem Düsenkörper gebildetes Mikrosackloch, in welchem mindestens ein Spritzloch ausgebildet ist. Die Spitze der Düsennadel steht derart in das Mikrosackloch vor, dass die Spitze in axial Richtung der Düsennadel auf Höhe der Spritzlöcher angeordnet ist. An der Spitze der Düsennadel auf Höhe der Spritzlöcher sind Ausnehmungen in der Spitze gebildet, um einen Mindestabstand zwischen der Spitze und den Spritzlöchern sicherzustellen.
  • Bei einem kleinen Nadelhub, beispielsweise für eine Voreinspritzung oder eine Nacheinspritzung, kann es jedoch bei einer Mikro-Sacklochdüse aufgrund des geringen Strömungsquerschnitts zwischen Nadel und Düsenkörper zu einer schlechten Gleichverteilung des Kraftstoffs und/oder zu einem schlechten Strahlbild kommen. Dies führt zu verschlechterten Verbrennungsvorgängen im Brennraum und somit zu schlechten Abgasemissionen des Motors. Von daher sind bei den bekannten Mikro-Sacklochdüsen die Gestaltungen des Sacklochs derart, dass ein Querschnitt vor dem Spritzloch groß genug gehalten werden muss, woraus jedoch auch ein größerer Querschnitt des Mikro-Sacklochs resultiert. Somit sind durch diese Gegebenheiten Verbesserungen der Abgasemissionen durch das relativ große Volumen des Mikro-Sacklochs enge Grenzen gesetzt.
  • Es ist von daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einspritzvorrichtung mit einer Mikro-Sacklochdüse bereitzustellen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit ein verbessertes Emissionsverhalten der Abgase aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Einspritzvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum ist derart ausgebildet, dass eine Spitze einer Düsennadel so tief in ein Mikro-Sackloch reicht, dass die Spitze in Längsrichtung der Düsennadel auch auf Höhe der Spritzlöcher angeordnet ist. Dabei ist die Spitze der Düsennadel auf Höhe der Spritzlöcher derart ausgebildet, dass sie in diesem Bereich abweichend von einer konischen Grundform derart geformt ist, dass ein ausreichender Abstand zwischen den Spritzlöchern und der Düsennadel vorhanden ist. Durch diesen Mindestabstand kann sichergestellt werden, dass die Nadel immer einen ausreichenden Abstand von dem Einlass des Spritzlochs aufweist, sodass es zu einem guten Strahlbild und einer guten Gleichverteilung des Kraftstoffs vor Eintritt in die Spritzlöcher kommt. Dadurch werden signifikant verbesserte Abgasemissionen erhalten. Mit anderen Worten wird dieser Mindestabstand zwischen der Spitze und den Spritzlöchern dadurch erreicht, dass an der Spitze der Düsennadel auf Höhe der Spritzlöcher Ausnehmungen in der Spitze gebildet sind. Die Ausnehmungen können dabei in beliebiger geometrischer Gestalt ausgebildet sein.
  • Um auch bei kleinen Nadelhüben eine Verbesserung der Abgasemissionen zu erreichen, ist der Mindestabstand zwischen den Spritzlöchern und der Düsennadelspitze sowohl bei geschlossener Düsennadel als auch bei einem kleinen Nadelhub vorhanden.
  • Der Abstand ist derart ausgebildet, dass eine Fläche, welche in einer Ebene senkrecht zur Düsennadel liegt, zwischen dem äußeren Umfang der Spitze der Düsennadel und jedem nach innen zum Sackloch gerichteten Randpunkt des Spritzlochs gleich ca 0,200 mm2 ist. Mit anderen Worten ist die Spitze im Bereich nahe dem Spritzloch derart ausgebildet, dass zwischen der Spitze und dem Spritzloch ein ringförmiger, flächenartiger Bereich mit einer Querschnittsfläche von in 0,200 mm2 bei nichtbetätigter Düsennadel vorhanden ist.
  • Besonders bevorzugt liegt dabei die Ringfläche in einer Ebene, welche senkrecht zur Bewegungsrichtung der Düsennadel ist und durch den obersten Randpunkt des bzw. der Spritzlöcher verläuft.
  • Ein besonders gutes Strahlbild wird erhalten, wenn alle Spritzlöcher der Einspritzvorrichtung in einer Ebene senkrecht zur Bewegungsrichtung der Düsennadel angeordnet sind.
  • Vorzugsweise ist die Spitze der Düsennadel in dem Bereich, welche den Spritzlöchern entgegengesetzt liegt, mit einer Aussparung versehen, welche beispielsweise als umlaufende Nut in der kegelförmigen Spitze der Düsennadel ausgebildet sind. Alternativ hierzu kann die Aussparung beispielsweise durch einen, insbesondere stufenförmigen, Absatz in der Spitze der Düsennadel im Bereich gegenüber den Spritzlöchern ausgebildet sein.
  • Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Spitze der Düsennadel derart ausgebildet, dass im Bereich gegenüber den Spritzlöchern ein zweiter kegelförmiger Bereich ausgebildet ist. Dabei ist der Winkel dieses zweiten kegelförmigen Bereichs zur Mittelachse der Düsennadel größer als ein Winkel der Spitze der Düsennadel, beispielsweise an einem Dichtsitz der Nadel. Ein derartiger zweiter kegelförmiger Bereich kann besonders einfach beispielsweise mittels Schleifen der Düsennadel hergestellt werden. Es sei weiterhin angemerkt, dass selbstverständlich auch mehrere kegelförmige Bereiche nacheinander die Spitze der Düsennadel bilden können, wobei der Winkel bezüglich der Mittelachse der Nadel immer größer wird, je näher er am Ende der Spitze liegt.
  • Die vorliegende Erfindung wird insbesondere bei Speichereinspritzsystemen, wie z.B. Common-Rail-Systemen, verwendet. Erfindungsgemäß kann somit trotz einem kleinen Sacklochvolumen, welches üblicherweise zu schlechten Abgasemissionen führt, durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Nadelspitze eine gute Gleichverteilung der Einstrahlmengen und ein gutes Strahlbild erhalten werden, was zu geringen HC-Emissionen führt. Somit kann eine verbesserte Gemischausbildung im Brennraum erreicht werden, wodurch eine signifikante Absenkung der Abgasemissionen und auch des Verbrauchs erhalten wird.
  • Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung ist:
    • Figur 1
    eine schematische Schnittansicht in einer Einspritzvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
    Figur 2
    eine schematische Schnittansicht entlang der Linie II-II von Fig. 1,
    Figur 3
    eine schematische Schnittansicht einer Einspritzvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Wie in Figur 1 gezeigt, umfasst die Einspritzvorrichtung in bekannter Weise eine in einem Düsenkörper 1 angeordnete Düsennadel 2. Die Düsennadel 2 sitzt an einem Dichtsitz 4 am Düsenkörper 1 auf und gibt den Dichtsitz, beispielsweise durch Ansteuerung mittels eines Piezoaktors, in bekannter Weise durch Bewegung entlang der Längsachse X-X der Düsennadel 2 frei bzw. verschließt diesen, um eine Einspritzung zu beginnen bzw. zu beenden. Die Düsennadel 2 weist eine im Wesentlichen konisch gebildete Spitze 3 auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Spitze 3 durch einen ersten kegelförmigen Bereich 5, einen zweiten kegelförmigen Bereich 6 und einen dritten kegelförmigen Bereich 7 gebildet. Dabei sind die kegelförmigen Bereiche 5, 6, 7 derart gebildet, dass sie jeweils einen unterschiedlichen Winkel zur Längsachse X-X aufweisen. Genauer weist der erste kegelförmige Bereich 5 den spitzesten Winkel gegenüber der Achse X-X auf und der am Ende der Spitze 3 angeordnete dritte kegelförmige Bereich 7 weist den stumpfesten Winkel gegenüber der Achse X-X auf (vgl. Figur 1).
  • Im Düsenkörper 1 sind in bekannter Weise eine Vielzahl von Spritzlöchern 8, genauer, wie in Figur 2 gezeigt, sechs Spritzlöcher 8 in symmetrischer Weise ausgebildet. Die Spritzlöcher 8 liegen dabei auf einer Ebene senkrecht durch die Längsachse X-X der Düsennadel 2.
  • Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, liegt dabei der zweite kegelförmige Bereich 6 bei geschlossener Düsennadel 2 und bei einem kleineren Nadelhub bis ca. 80 µm einem obersten Randpunkt 9 und des Spritzloches 8 gegenüber. Genauer liegt der oberste Randpunkt 9 in einer Ebene E, welche senkrecht zur Längsachse X-X der Düsennadel 2 und dem obersten Randpunkt 9 des Spritzlochs 8 verläuft. Dadurch ergibt sich zwischen dem obersten Randpunkt 9 und der Spitze 3 der Düsennadel eine ringförmige Fläche A.
  • Die ringförmige Fläche A ist im Detail in der in Figur 2 gezeigten Schnittansicht entlang der Ebene E dargestellt. Die ringförmige Fläche A weist dabei eine Größe von gleich ca. 0,200 mm2 auf. Dadurch ist auch bei geschlossener Düsennadel ein gewisser Mindestabstand der Spitze 3, genauer des kegelförmigen Bereichs 6 der Spitze 3 vom Düsenkörper 1, sichergestellt. Dadurch kann vor den Spritzlöchern ein ausreichender Raum aufrecht erhalten werden. Somit kann auch bei einer wie in Figur 1 gezeigten Mikro-Sacklochdüse trotz des kleinen Sacklochvolumens eine gute Gleichverteilung der Einzelstrahlmengen und ein gutes Strahlbild bei der Einspritzung erreicht werden, wodurch die Abgasemissionen und der Kraftstoffverbrauch verringert werden.
  • Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Figur 3 eine Einspritzvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Dabei sind gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet.
  • Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist beim zweiten Ausführungsbeispiel die Spitze 3 der Düsennadel im Bereich gegenüber dem Spritzloch 8 durch einen sich ungefähr parabelförmigen verjüngenden Bereich 11 gebildet. Dieser sich verjüngende Bereich 11 der Spitze 3 ist dabei derart ausgebildet, dass sich zwischen dem obersten Randpunkt 9 des Spritzlochs 8 und dem sich verjüngenden Bereich 11 eine Fläche A mit einem Querschnitt von ca. 0,200 mm2 ergibt.
  • Somit ist auch bei geschlossener Düsennadel ein ausreichender Abstand zwischen der Spitze der Düsennadel und den Spritzlöchern 8 gegeben, sodass eine verbesserte Einspritzung und damit auch insbesondere ein verbessertes Abgasverhalten des Mo tors erreicht werden kann. Der sich verjüngende Bereich kann ebenfalls beispielsweise mittels Schleifen hergestellt werden.
  • Ansonsten entspricht das zweite Ausführungsbeispiel dem ersten Ausführungsbeispiel, sodass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
  • Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.

Claims (7)

  1. Einspritzvorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff, umfassend eine Düsennadel (2), welche in einem Düsenkörper (1) angeordnet ist, und ein in dem Düsenkörper (1) gebildetes Mikro-Sackloch (10), in welchem mindestens ein Spritzloch (8) ausgebildet ist, wobei eine Spitze (3) der Düsennadel (2) derart in das Mikro-Sackloch (10) vorsteht, dass die Spitze (3) in Axialrichtung (X-X) der Düsennadel auf Höhe der Spritzlöcher (8) angeordnet ist, wobei an der Spitze (3) der Düsennadel (2) auf Höhe der Spritzlöcher (8) Ausnehmungen in der Spitze gebildet sind, um einen Mindestabstand zwischen der Spitze (3) und den Spritzlöchern (8) sicherzustellen,dadurch gekennzeichnet, dass der Mindestabstand durch eine in einer senkrecht zur Axialrichtung (X-X) angeordneten Ebene (E) liegenden Fläche (A) gebildet ist, wobei die Fläche (A) zwischen dem äußeren Umfang der Spitze (3) und allen inneren Randpunkten der Spritzlöcher (8) bei geschlossener Düsennadel gleich ca. 0,200 mm2 ist.
  2. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ebene (E) durch den obersten Randpunkt (9) des Spritzlochs (8) verläuft.
  3. Einspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Spritzlöcher in einer Ebene, welche senkrecht zur Axialrichtung (X-X) ist, angeordnet sind.
  4. Einspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze (3) der Düsennadel auf Höhe der Ebene (E) einen ausgesparten Bereich (6; 11) aufweist.
  5. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der ausgesparte Bereich als umlaufende Nut ausgebildet ist.
  6. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der ausgesparte Bereich als Absatz ausgebildet ist.
  7. Einspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze (3) der Düsennadel auf Höhe der Spritzlöcher einen kegelförmigen Bereich (6) aufweist, wobei ein Winkel dieses kegelförmigen Bereichs (6) zur Achse (X-X) der Düsennadel größer ist als ein Winkel der Spitze (3) der Düsennadel an einem Dichtsitz (4) der Nadel am Düsenkörper (1).
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