EP2280160A2 - Fuel injection valve with increased small quantity capacity - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem Ventilkörper, in dem eine Bohrung ausgearbeitet ist, die an einem Ende von einem Ventilsitz begrenzt ist, von dem zumindest ein Einspritzkanal abgeht, und mit einer Ventilnadel, die in der Bohrung längsverschiebbar angeordnet ist und die an ihren dem Ventilsitz zugewandten Ende eine Ventilsitzfläche aufweist, mit der sie zum Öffnen und Schließen des wenigstens einen Einspritzkanals mit dem Ventilsitz zusammenwirkt und mit einem zwischen der Ventilnadel und der Wand der Bohrung ausgebildeten Druckraum, der mit Kraftstoff unter Druck befüllbar ist, wobei zwischen dem Ventilkörper und der Ventilnadel eine Drossel angeordnet ist.The invention relates to a fuel injection valve for internal combustion engines with a valve body in which a bore is worked out, which is delimited at one end by a valve seat from which at least one injection channel goes off, and with a valve needle, which is arranged longitudinally displaceably in the bore and at its valve seat facing the end has a valve seat surface with which it cooperates to open and close the at least one injection channel with the valve seat and formed between the valve needle and the wall of the bore pressure chamber which can be filled with fuel under pressure, wherein between the valve body and the valve needle is arranged a throttle.
Ein derartiges Kraftstoffeinspritzventil ist aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Kraftstoffeinspritzventil bereitzustellen, welches bei großen Einspritzraten (Haupteinspritzung) robust arbeitet, aber auch insbesondere kleine Einspritzraten (Voreinspritzung) zuverlässig gewährleisten kann.The invention is based on the object to provide a fuel injection valve, which works robustly at high injection rates (main injection), but can also reliably ensure especially small injection rates (pilot injection).
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Kraftstoffeinspritzventil benachbart zu dem Ventilsitz einen Sitzabsatz aufweist und das die Drossel zwischen dem Ventilsitz und dem Sitzabsatz angeordnet ist. Dieser Ausgestaltung liegt zunächst einmal die Erkenntnis zu Grunde, dass sich prinzipbedingt am Injektor ein Dilemma aus Robustheit gegenüber Mengenschwankungen und Kleinmengenfähigkeit ergibt. Bei der Abstimmung bestehen, neben weiteren Forderungen, die Prämisse, dass der Injektor so robust auf Toleranzlagen und Drift reagiert, dass die Einspritzmengen und Raten über die Laufzeit möglichst unverändert bleiben. Im Gegensatz dazu besteht aber die Forderung, dass bei der Voreinspritzung auch bei hohen Raildrücken kleine Mengen realisiert werden können. Diese Anforderungen konkurrieren miteinander. Durch die Anordnung der Drossel zwischen dem Sitzabsatz und dem Ventilsitz wird erreicht, dass bei kleinen Hüben und großen Fluidgeschwindigkeiten ein Druckeinbruch unterhalb der wirksamen Drosselfläche eingestellt wird. Durch ihre geometrische Lage führt dies zu einer Absenkung der Nadelkraft. Dadurch wird die Einspritzrate gegenüber einer Ausgestaltung ohne die Drossel reduziert und im Ergebnis die Voreinspritzrate beziehungsweise die Voreinspritzmenge reduziert. Geringere Voreinspritzmengen bieten verbrennungstechnische Vorteile.This object is achieved in that the fuel injection valve adjacent to the valve seat has a seat heel and the throttle is disposed between the valve seat and the seat heel. This refinement is based, first of all, on the knowledge that, as a matter of principle, a dilemma of robustness with respect to volume fluctuations and small quantity capability results at the injector. In the vote, among other requirements, there is the premise that the injector reacts so robustly to tolerance positions and drift that the injection quantities and rates remain as constant as possible over the runtime. In contrast, however, there is the requirement that in the pre-injection even at high rail pressures small quantities can be realized. These requirements compete with each other. The arrangement of the throttle between the seat and the seat valve seat is achieved that at small strokes and high fluid velocities a pressure drop below the effective throttle area is set. Due to its geometric position, this leads to a reduction in the needle force. As a result, the injection rate is reduced compared to an embodiment without the throttle and, as a result, the pilot injection rate or the pilot injection quantity is reduced. Lower pilot injection quantities offer combustion advantages.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist die Drossel in den Sitzabsatz integriert. Dabei ist bei allen Ausgestaltungen das Vorhandensein des Sitzabsatzes für die Einstellung der erfindungsgemäß gewünschten Drosselwirkung wesentlich.In an advantageous embodiment of the invention, the throttle is integrated into the seat heel. In all embodiments, the presence of the seat heel is essential for the adjustment of the throttle effect desired according to the invention.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Sitzabsatz als Stufensitzabsatz ausgebildet und die Drossel als quer zu der Bewegungsrichtung der Ventilnadel ausgerichtete Verengung zwischen der Ventilnadel und dem Ventilkörper ausgebildet. Durch diese Ausgestaltung lässt sich die Drossel sehr präzise einstellen. So ist bei auf dem Ventilsitz aufliegender Ventilnadel ein genau definierter Nullhub einstellbar, der die freie Querschnittsfläche der Drossel bestimmt. Wesentlich ist, dass die Drossel bei auf dem Ventilsitz aufliegender Ventilnadel immer (bezüglich der Drosselfunktion) vollständig geöffnet ist. Es handelt sich somit nicht um einen zusätzlichen Sitz zur Vermeidung der damit verbundenen Verschleiß- und Driftproblematik. Bei einem kleinen Öffnungshub der Ventilnadel und hohen Fluidgeschwindigkeiten stellt sich hinter der Drossel ein geringerer dynamischer Druck (Druckeinbruch) ein, der zu einer Absenkung der charakteristischen Nadelkraft führt. Diese verminderte Nadelkraft tritt aber - wie gewünscht - nur bei kleinem Nadelhub und hohen Fluidgeschwindigkeiten auf (damit erfolgt eine Wirkung nur bei kleinen Mengen), während bei einem großen Nadelhub die Drossel zumindest angenähert unwirksam ist und dementsprechend die Einspritzrate bei der Haupteinspritzung nicht beeinflusst wird. Die Leerlaufmenge wird bei kleinen Drücken und niedrigen Fluidgeschwindigkeiten weniger beeinflusst.In an advantageous embodiment of the invention, the seat heel is designed as a stepped seat heel and the throttle designed as a transversely to the direction of movement of the valve needle aligned constriction between the valve needle and the valve body. With this configuration, the throttle can be adjusted very precisely. Thus, a precisely defined zero stroke is adjustable when resting on the valve seat valve needle, which determines the free cross-sectional area of the throttle. It is essential that the throttle is always fully open (with respect to the throttle function) when the valve needle is resting on the valve seat. It is therefore not an additional seat to avoid the associated wear and drift problem. With a small opening stroke of the valve needle and high fluid velocities, a lower dynamic pressure (pressure drop) occurs behind the throttle, which leads to a lowering of the characteristic needle force. However, this reduced needle force occurs - as desired - only at small Nadelhub and high fluid velocities (thus an effect only for small amounts), while at a large needle stroke, the throttle is at least approximately ineffective and, accordingly, the injection rate is not affected in the main injection. The idle amount is less affected at low pressures and low fluid velocities.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Sitzabsatz als Schrägsitzabsatz ausgebildet und die Drossel ist als zumindest angenähert parallel zu dem Ventilsitz ausgerichtete Verengung in den Sitzabsatz eingearbeitet. Dabei ist es möglich, den Schrägsitzabsatz durch entsprechende Ausgestaltung des Ventilkörpers oder der Ventilnadel zu realisieren. Dadurch kann der Herstellungsaufwand reduziert werden.In a further embodiment of the invention, the seat heel is designed as a Schrägsitzabsatz and the throttle is incorporated as at least approximately parallel to the valve seat aligned constriction in the seat heel. It is possible to realize the Schrägsitzabsatz by appropriate design of the valve body or the valve needle. As a result, the production cost can be reduced.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Drossel direkt in den Ventilsitz integriert. Durch diese Ausgestaltung wird die Anzahl der zu bearbeitenden Flächen reduziert.In a further development of the invention, the throttle is integrated directly into the valve seat. By this configuration, the number of surfaces to be processed is reduced.
Dabei weist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Ventilnadel benachbart zu einem Sitzbereich der Ventilssitzfläche zumindest auf der dem lochseitigen Ende des Ventilkörper zugewandten Seite einen verkleinerten Nadelwinkel auf. Grundsätzlich wird durch diese Ausgestaltung die erfindungsgemäße Drosselwirkung erreicht. Zusätzlich wird vorteilhaft der Sitzwinkel und der Spitzenwinkel der Ventilnadel und des Ventilkörpers verkleinert. Dadurch wird bei einem geringen Nadelhub die freie Fläche zwischen der Ventilnadel und der Ventilsitzfläche nur geringfügig verändert, so dass sich zusammen mit dem verkleinerten Nadelwinkel der gewünschte Druckabfall und somit der Vorteil einer geringen Einspritzrate bei einer Voreinspritzung ergibt. Bei dieser Ausgestaltung beträgt der Sitzwinkel und der Spitzenwinkel der Ventilnadel und des Ventilkörpers weniger als 59°, vorzugsweise zwischen 29° und 49°. Dadurch wird gleichzeitig die Wandstärke des Ventilkörpers erhöht, was in Bezug auf die Festigkeit bei hohen Raildrücken im Bereich von beispielsweise 3000 bar von Vorteil ist.In this case, in a further embodiment of the invention, the valve needle adjacent to a seating area of the valve seat surface at least on the hole-side end of the valve body side facing a reduced needle angle. Basically, the throttle effect according to the invention is achieved by this configuration. In addition, advantageously, the seat angle and the apex angle of the valve needle and the valve body is reduced. As a result, the free area between the valve needle and the valve seat surface is only slightly changed during a small needle stroke, so that together with the reduced needle angle results in the desired pressure drop and thus the advantage of a low injection rate in a pilot injection. In this embodiment, the seat angle and the apex angle of the valve needle and the valve body is less than 59 °, preferably between 29 ° and 49 °. As a result, the wall thickness of the valve body is simultaneously increased, which is in terms of the strength at high Raildrücken in the range of for example 3000 bar advantage.
In weiterer Ausgestaltung ist der Sitzbereich eine Kegelabschnittsfläche oder aber alternativ eine Ringfläche. Eine Kegelabschnittsfläche ist in Hinblick auf die Dauerhaltbarkeit vorteilhaft, während bei einer Ringfläche die Drosselwirkung genauer einstellbar ist.In a further embodiment, the seating area is a conical section surface or alternatively an annular surface. A tapered portion surface is advantageous in terms of durability, while in an annular surface, the throttle effect is more precisely adjustable.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele näher beschrieben sind.Advantageous embodiments of the invention are described in the drawings, are described in more detail in the embodiments illustrated in FIGS.
Es zeigen:
Figur 1- den einspritzseitigen Endbereich eines Kraftstoffeinspritzventils in einer ersten Ausführungsform,
Figur 2- eine vergrößerte Ausschnittsdarstellung aus
,Figur 1 - Figur 3a, 3b
- in einer Gegenüberstellung einen kleinen und einen großen Öff- nungshub der Ventilnadel des Kraftstoffeinspritzventils,
Figur 4- Diagramme zur Nadelkraft und Einspritzrate des Kraftstoffein- spritzventils bei hohen Drücken und hohen Fluidgeschwindigkei- ten,
- Figur 5a, 5b
- Ausführungsbeispiele mit in einen Schrägsitzabsatz integrierter Drossel und
- Figur 6a, 6b
- Ausführungsbeispiele mit in den Ventilsitz integrierter Drossel
- FIG. 1
- the injection-side end portion of a fuel injection valve in a first embodiment,
- FIG. 2
- an enlarged detail view
FIG. 1 . - Figure 3a, 3b
- in a comparison, a small and a large opening stroke of the valve needle of the fuel injection valve,
- FIG. 4
- Diagrams of needle force and injection rate of the fuel injection valve at high pressures and high fluid velocities,
- Figure 5a, 5b
- Embodiments with integrated in a Schrägsitzabsatz throttle and
- Figure 6a, 6b
- Embodiments with integrated in the valve seat throttle
In der Bohrung 2 ist eine Ventilnadel 6 längsverschiebbar angeordnet. Die Ventilnadel 6 ist in einem nicht dargestellten Bereich des Kraftstoffeinspritzventils mit einem Führungsabschnitt in dem Ventilkörper 1 gelagert. An diesem Führungsabschnitt schließt eine ebenfalls nicht dargestellte Druckschulter an, von der die Ventilnadel 6 unter Bildung eines Druckraums 7 beabstandet zu der Bohrung 2 in dem Ventilkörper 1 angeordnet ist. Dem Druckraum 7 wird über eine geeignete Zuführung Kraftstoff unter Druck zugeführt. Endseitig und im geschlossenen Zustand des Kraftstoffeinspritzventils zusammenwirkend mit dem Ventilsitz 3 weist die Ventilnadel 6 eine Ventilsitzfläche 8 auf, die die Kraftstoffzufuhr von dem Druckraum 7 in das Sackloch 4 unterbindet.In the
Das Kraftstoffeinspritzventil weist zwischen dem Druckraum 7 und dem Ventilsitz 3 bzw. der Ventilsitzfläche 8 einen Sitzabsatz 9 auf. In dem Ausführungsbeispiel nach
- AHub = (Nullhub + Nadelhub) * Π * d
- ADrossel = (Nadeldurchmesser2 - Zylinderabsatz2) * Π/4
- FDrossel = pDrossel * ADrossel
- A stroke = (zero stroke + needle stroke ) * Π * d
- A throttle = (needle diameter 2 - cylinder heel 2 ) * Π / 4
- F throttle = p throttle * A throttle
In der Zeichnung sind ADrossel mit AD; AHub mit AH und PDrossel mit pD bezeichnet.In the drawing, A is a reactor with A D ; A stroke with A H and P throttle with p D designated.
In
In dem oberen Diagramm der
Die
Die
In
Claims (9)
dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffeinspritzventil benachbart zu dem Ventilsitz (3) einen Sitzabsatz (9) aufweist und das die Drossel (10) zwischen dem Ventilsitz (3) und dem Sitzabsatz (9) angeordnet ist.Fuel injection valve for internal combustion engines, having a valve body (1) in which a bore (2) is formed, which is delimited at one end by a valve seat (3), from which at least one injection channel (5) leaves, and with a valve needle (6). , which is arranged longitudinally displaceable in the bore (2) and at its the valve seat (3) end facing a valve seat surface (8), with which it cooperates to open and close the at least one injection channel (5) with the valve seat (3) and with a between the valve needle (6) and the wall of the bore (2) formed pressure chamber (7) which can be filled with fuel under pressure, wherein between the valve body (1) and the valve needle (6) arranged a throttle (10) is
characterized in that the fuel injection valve adjacent to the valve seat (3) has a seat shoulder (9) and that the throttle (10) between the valve seat (3) and the seat shoulder (9) is arranged.
dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel (10) in den Sitzabsatz (9) integriert ist.Fuel injection valve according to claim 1,
characterized in that the throttle (10) in the seat heel (9) is integrated.
dadurch gekennzeichnet, dass der Sitzabsatz (9) als Stufensitzabsatz (9a) ausgebildet und die Drossel (10) als quer zu der Bewegungsrichtung der Ventilnadel (6) ausgerichtete Verengung (11a, 11b) zwischen der Ventilnadel (6) und dem Ventilkörper (1) ausgebildet ist.Fuel injection valve according to claim 2,
characterized in that the seat shoulder (9) as a stepped seat paragraph (9a) and the throttle (10) as transversely to the direction of movement of the valve needle (6) aligned constriction (11a, 11b) between the valve needle (6) and the valve body (1) is trained.
dadurch gekennzeichnet, dass der Sitzabsatz (9) als Schrägsitzabsatz (9b) ausgebildet und die Drossel (10) als zumindest angenähert parallel zu dem Ventilsitz (3) ausgerichtete Verengung (11a, 11b) ausgebildet ist.Fuel injection valve according to claim 2,
characterized in that the seat heel (9) as Schrägsitzabsatz (9b) formed and the throttle (10) as at least approximately parallel to the valve seat (3) aligned constriction (11a, 11b) is formed.
dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel (10) in den Ventilsitz (3) integriert ist.Fuel injection valve according to claim 1,
characterized in that the throttle (10) in the valve seat (3) is integrated.
dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (6) benachbart zu einem Sitzbereich der Ventilsitzfläche (8) zumindest auf der dem lochseitigen Ende des Ventilkörpers (1) zugewandten Seite einen verkleinerten Nadelwinkel aufweist.Fuel injection valve according to claim 5,
characterized in that the valve needle (6) adjacent to a seating area of the valve seat surface (8) has a reduced needle angle at least on the side facing the hole-side end of the valve body (1).
dadurch gekennzeichnet, dass der Sitzwinkel (13) und der Spitzenwinkel (14) der Ventilnadel (6) und des Ventilkörpers (1) kleiner als 59° ist, vorzugsweise zwischen 29° und 49° beträgt.Fuel injection valve according to Claim 5 or 6, characterized
characterized in that the seat angle (13) and the apex angle (14) of the valve needle (6) and the valve body (1) is less than 59 °, preferably between 29 ° and 49 °.
dadurch gekennzeichnet, dass der Sitzbereich eine Kegelabschnittsfläche ist.Fuel injection valve according to one of claims 5 to 7,
characterized in that the seating area is a conical section area.
dadurch gekennzeichnet, dass der Sitzbereich eine Ringfläche (12) ist.Fuel injection valve according to one of claims 5 to 7,
characterized in that the seating area is an annular surface (12).
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