EP2347115B1

EP2347115B1 - Injektor zur einspritzung von mit hochdruck beaufschlagtem kraftstoff in den brennraum einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: EP2347115B1
Application number: EP09781113.7A
Authority: EP
Inventors: Martin Schoeppl; Gerhard Weiss; Michael Pressler; Gerald Thaller; Michael Rainer Schmid
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-09-23
Filing date: 2009-07-27
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2029-07-27
Also published as: WO2010034544A1; CN102165176B; EP2347115A1; DE102008042293A1; CN102165176A

Description

Stand der Technik

Bei Injektoren zur Einspritzung von mit Hochdruck beaufschlagtem Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, wie sie aus dem Bereich der Speichereinspritzsysteme bekannt sind, erfolgt die Steuerung des Einspritzvorgangs in Abhängigkeit der Stellung eines Steuerventils, welches einem Steuerraum eines Ventilsteuerkolbens zugeordnet ist. Der Steuerraum ist hierbei über eine Zulaufbohrung strömungsmäßig mit einer Hochdruckleitung verbunden, über die dem Injektor der mit Hochdruck beaufschlagte Kraftstoff zugeführt wird. Zur Druckentlastung ist der Steuerraum des Ventilsteuerkolbens über eine Ablaufbohrung mit einem Druckausgleichsraum verbunden, wobei die Ablaufbohrung von dem druckausgleichenden Steuerventil verschlossen wird. Bei einer Öffnung des Steuerventils strömt der mit Hochdruck beaufschlagte Kraftstoff über die Ablaufbohrung aus dem Steuerraum in den Druckausgleichsraum des Injektors, wodurch der Ventilsteuerkolben freigegeben wird. Durch die Freigabe des Ventilsteuerkolbens öffnet sich ein Düsennadelventil, über welches der Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Das dynamische Öffnungs- und Schließverhalten des Düsennadelventils, welches von der Veränderung des Steuervolumen im Steuerraum des Ventilsteuerkolbens abhängig ist, kann hierbei über die Auslegung einer in der Zulaufbohrung vorgesehenen Zulaufdrossel und einer in der Ablaufbohrung vorgesehenen Ablaufdrossel bestimmt werden.
Beim Öffnen des Steuerventils strömt der mit Hochdruck beaufschlagte Kraftstoff von dem Steuerraum mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit durch die Ablaufbohrung hindurch in Richtung des Druckausgleichsraumes des Injektors, wobei sich durch eine Verkleinerung des Querschnitts im Bereich der Ablaufbohrung und der Ablaufdrossel lokale Änderungen des Kraftstoffdrucks ergeben. Da bei Speichereinspritzsystemen der Kraftstoff mit einem Druck von über 100 MPa bzw. 1000 bar beaufschlagt wird, kann es aufgrund der hochdynamischen Fluidbewegung zu einem lokalen Druckabfall kommen, der zur örtlichen Bildung von Dampfblasen führt. In den sich an die Querschnittsverringerung anschließenden Überden Überdruckphasen implodieren diese Dampfblasen, was auch als Kavitation bezeichnet wird. Bei einer Implosion der Dampfblasen im Bereich des Steuerventils führt die dabei entstehende hohe örtliche Energiedichte mit der Zeit zu einer Aushöhlung an der Oberfläche der begrenzenden Wandung und damit zu einem unerwünschten Materialabtrag sowie einem Verschleiß am Ventilsitz des Steuerventils. Durch das Auftreten von Kavitationserosion wird somit die Oberfläche am Ventilsitz und im Sitzbereich des Ventilkörpers beschädigt, was eine Undichtigkeit des Steuerventils und somit eine Injektorfehlfunktion zur Folge haben kann.
Aus DE 198 59 592 C1 ist ein Kraftstoffeinspritzventil für eine Hochdruckeinspritzung aus einem zentralen Hochdruckspeicher bekannt, das in Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt wird. Der Hochdruckspeicher steht über eine Zulaufdrosselbohrung mit einem Steuerraum in Wirkverbindung und steuert ein Öffnen und Schließen einer Einspritzdüse. Dabei kommuniziert der Steuerraum über eine Ablaufdrosselbohrung mit einem Schaltventil. Die Zulaufdrosselbohrung ist ferner gegenüber dem Steuerraum exzentrisch ausgerichtet.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt die daher Aufgabe zugrunde, einen Injektor zur Einspritzung von mit Hochdruck beaufschlagtem Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine bereitzustellen, bei dem eine durch Kavitationserosion verursachte Beschädigung des Ventilsitzes eines druckausgleichenden Steuerventils, welches die Ablaufbohrung eines Steuerraums verschließt, vermieden wird.
Gemäß der Erfindung umfasst der Injektor zur Einspritzung von mit Hochdruck beaufschlagtem Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine einen wenigstens näherungsweise rotationssymmetrischen Steuerraum, dem ein Ventilsteuerkolben zugeordnet ist. Der Steuerraum ist dabei über eine Zulaufbohrung hydraulisch mit der Hochdruckseite eines Einspritzsystems verbunden. Die Zulaufbohrung umfasst eine Zulaufdrossel, über die der Durchfluss von mit Hochdruck beaufschlagten Kraftstoff in den Steuerraum begrenzt wird. Der Steuerraum ist weiterhin über eine Ablaufbohrung mit einer Niederdruckseite des Injektors verbunden, wobei die Ablaufbohrung durch ein Steuerventil verschließbar ist. Zum Einspritzen von mit Hochdruck beaufschlagtem Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine kann das Steuerventil geöffnet werden, wobei der mit Hochdruck beaufschlagte Kraftstoff aus dem Steuerraum über die Ablaufbohrung und eine in der Ablaufbohrung vorgesehene Ablaufdrossel strömt und als Folge dessen der Ventilsteuerkolben zum Öffnen einer Einspritzdüse freigegeben wird.
Gemäß der Erfindung wird der mit Hochdruck beaufschlagte Kraftstoff exzentrisch über die Zulaufbohrung in den Steuerraum eingeleitet, so dass der einströmende Kraftstoff eine Drallströmung innerhalb des Steuerraums erzeugt, welche eine rotatorische und eine translatorische Komponente. Die innerhalb des Steuerraums rotierende Strömung weist dabei eine Rotationsachse auf, die koaxial zur Achse der Ablaufbohrung verläuft.
Die rotierende Kraftstoffströmung, die durch die außermittige Zufuhr des mit Hochdruck beaufschlagten Kraftstoffes in den Steuerraum erzeugt wird, setzt sich in Form eines Dralles bis in die Ablaufbohrung fort. Aufgrund des Dralles und der sich daraus ausbildenden Strömung entsteht ein Wirbelfaden, der sich entlang der Rotationsachse der rotierenden Strömung erstreckt und in dessen Wirbelkern sich ein Totwassergebiet bildet. Das Totwassergebiet steht dabei nicht mehr zum Transport des Kraftstoffes zur Verfügung, so dass der Kraftstoff nur noch an den Wänden des Steuerraums und der Ablaufbohrung entlang strömen kann. Die Dampfblasen, die sich bei einem geöffneten Steuerventil aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit des Kraftstoffes und der Veränderung des Kraftstoffdrucks im Bereich der Ablaufbohrung ergeben, werden in das Zentrum der rotierenden Strömung, d. h. in den Wirbelkern gedrängt, wo auch die Implosion der Dampfblasen erfolgt. Auf diese Weise wird verhindert, dass die Dampfblasen in der Nähe der die Ablaufbohrung begrenzenden Wand oder im Bereich des Ventilsitzes des Steuerventils implodieren, so dass Materialabtrag und somit eine Beschädigung durch Kavitation vermieden wird. Durch die Nutzung des der Erfindung zugrunde liegenden Prinzips ergibt sich die Möglichkeit, Injektoren mit einer hohen Lebensdauer bereitzustellen, die für eine Vielfacheinspritzung und höchste Belastung geeignet sind.
Für ein exzentrisches bzw. tangentiales Einströmen von mit Hochdruck beaufschlagten Kraftstoff aus der Zulaufbohrung in den Steuerraum erstreckt sich die Zulaufdrossel der Zulaufbohrung in einer Richtung, die exzentrisch zum Querschnitt des Steuerraums verläuft. Die Achse der Zulaufdrossel und vorzugsweise auch die Achse der gesamten Zulaufbohrung schneiden somit nicht den Querschnittsmittelpunkt des Steuerraums. Das Erzeugen der rotierenden Strömung bzw. des Dralls des mit Hochdruck beaufschlagten Kraftstoffes im Steuerraum ist somit durch eine einfache konstruktive Maßnahme, nämlich ein außermittiges Anordnen der Zulaufdrossel in Bezug zum Querschnitt des Steuerraums, realisierbar.
Im Gegensatz zu anderen aus dem Stand der Technik bekannten zentrischen Anordnung der Zulaufdrossel, bei welcher der Kraftstoff in einer zum Querschnitt des Steuerraums radialen Richtung in den Steuerraum eingeleitet wird, ergibt sich der Vorteil, dass durch das tangentiale Einströmen von Kraftstoff über die exzentrische Zulaufdrossel der Wirbel innerhalb des Steuerraums generiert werden kann, der sich bis zur Ablaufbohrung hin fortsetzt.
Zusätzlich oder alternativ zu einer exzentrischen Anordnung der Zulaufdrossel kann es gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, dass in dem Steuer-raum wenigstens ein Abschnitt mit einer Prallfläche vorgesehen ist, die den mit Hochdruck beaufschlagten Kraftstoff, welcher über die Zulaufbohrung in den Steuerraum einströmt, umlenkt. Durch die erfindungsgemäße Umlenkung des einströmenden Kraftstoffes über die Prallfläche wird die Kraftstoffströmung innerhalb des Steuerraums in eine erfindungsgemäße Rotation versetzt, wodurch sich die zuvor beschriebenen Vorteile ergeben. Die wenigstens eine Prallfläche kann dabei beispielsweise einem Abschnitt der Wandung zugeordnet sein, die den Steuerraum begrenzt.
Neben einer exzentrischen Anordnung der Zulaufdrossel oder der Anordnung von Prallflächen innerhalb des Steuerraums zur Umlenkung des in den Steuerraum einströmenden Kraftstoffes sind selbstverständlich auch andere konstruktive Maßnahmen denkbar, mit denen eine rotierende Kraftstoffströmung innerhalb des Steuerraums erzeugt werden kann.
Zur gezielten Steuerung der Implosion der Dampfblasen kann es gemäß der Erfindung vorgesehen sein, dass die Ablaufbohrung einen Diffusor umfasst, der die Strömungsgeschwindigkeit des Kraftstoffes verringert und den Kraftstoffdruck erhöht. Der Diffusor ist dabei auf der dem Steuerventil zugewandten Seite der Ablaufdrossel in der Ablaufbohrung und somit in Strömungsrichtung des Kraftstoffes nach der Ablaufdrossel angeordnet. Wie experimentelle Untersuchungen bei einem geöffneten Steuerventil ergeben haben, setzt sich die rotierende Strömung bis zur Ablaufbohrung als Wirbel fort, wobei der Wirbel sich im Bereich der Ablaufdrossel voll ausbildet und mit hoher Geschwindigkeit dreht. Beim Übergang in den Diffusor weitet sich hierbei das Luftausgasungsgebiet des Wirbels kegelförmig auf, wodurch die im Wirbelkern vorhandenen Dampfblasen gezielt zur Implosion gebracht werden. Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Diffusors nach der Ablaufdrossel ergibt sich somit der Vorteil, dass die Kavitation in dem Bereich der Ablaufbohrung erfolgt, in welchem sie keine Erosion verursacht.
Für eine stabile Ausbildung des Wirbels im Bereich des Diffusors hat es sich gemäß der Erfindung als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn der Diffusor einen optimierten Öffnungswinkel in einem Bereich von weniger als 15° aufweist oder zylindrisch ausgeführt ist.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Ablaufbohrung einen steuerraumseitigen Bohrungsabschnitt aufweist, der koaxial zur Ablauf drossel angeordnet ist und einen größeren Innendurchmesser als die Ablaufdrossel aufweist. Der Querschnittsübergang vom Bohrungsabschnitt zur Ablaufdrossel kann hierbei stufenförmig, kegelförmig oder in einer gerundeten Form erfolgen. Der steuerraumseitige Bohrungsabschnitt, der vorzugsweise eine zylindrische Form aufweist, stabilisiert den Wirbelkern, der aus der im Steuerraum rotierenden Strömung resultiert. Der Wirbelkern setzt sich dabei als Wirbelfaden bis in die Ablaufdrossel fort, welche an den Bohrungsabschnitt anschließt.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Bohrungsabschnitts kann es vorgesehen sein, dass der Übergang vom Bohrungsabschnitt zur Ablaufdrossel eine konische Form aufweist, wodurch Strömungsverwirbelungen im Übergangsbereich zwischen dem Bohrungsabschnitt und der Ablaufdrossel vermieden werden.
Um beim Übergang vom Steuerraum in die Ablaufbohrung ein Abriss der rotierenden Strömung des Kraftstoffes zu verhindern, kann es gemäß der Erfindung vorgesehen sein, dass die Ablaufbohrung an ihrem dem Steuerraum zugewandten Ende eine Einlaufverrundung aufweist. Für ein gezieltes Aufweiten des Luftaufgasungsgebietes stromabwärts der Ablaufdrossel kann es alternativ hierzu vorgesehen sein, dass die Ablaufbohrung an ihrem dem Steuerraum zugewandten Ende eine Einlaufkante aufweist, die den Übergang zwischen dem Steuerraum und der Ablaufbohrung bildet.
Zur Verbesserung des Druckniveaus im Sitzbereich des Steuerventils kann es gemäß der Erfindung weiterhin vorgesehen sein, dass zwischen der Ablaufdrossel und dem Ventilsitz des Steuerventils ein weiterer kegelförmiger Übergangsbereich vorgesehen ist. Der weitere kegelförmige Übergangsbereich, der an dem dem Steuerventil zugewandten Ende der Ablaufbohrung vorgesehen ist und dabei den Übergang von der Ablaufbohrung zum Ventilsitz des Steuerventils bildet, ist hierbei als eine Fase ausgebildet.
Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Injektors weist das Steuerventil einen kugelförmigen Ventilkörper auf, welcher als Absperrkörper für die Ablaufbohrung dient. Der kugelförmige Ventilkörper ist hierbei verdrehbar in einer entsprechenden Führung des Steuerventils aufgenommen und kann somit durch den Drall-Impuls der Kraftstoffströmung in Rotation versetzt werden. Durch die Rotation der Ventilkugel ergibt sich der Vorteil, dass der Verschleiß der Ventilkugel reduziert wird und sich die Lebensdauer des Steuerventils verlängert.
In gleicher Weise kann es nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, dass auch der Ventilsteuerkolben um seine Längsachse verdrehbar im Injektor aufgenommen ist. Der Ventilsteuerkolben ist hierbei durch die Drallströmung in eine Rotation versetzbar, wodurch sich in vorteilhafter Weise der Verschleiß des Ventilsteuerkolbens verringert und sich dessen Lebensdauer erhöht.

Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnungen anhand von bevorzugten Ausführungsformen beschrieben.
In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1: einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Injektor, in dessen Gehäuse ein Ventilstück mit einen Ventilsteuerkolben eingefügt ist;
Figur 2a: eine schematische Querschnittsansicht durch den Steuerraum eines Ventilstücks mit einer um einen Winkel exzentrisch verdrehten Zulaufbohrung, welche eine Zulaufdrossel umfasst;
Figur 2b: eine schematische Querschnittsansicht durch den Steuerraum eines Ventilstücks mit einer zentrisch angeordneten Ansenkung und einer gemäß der Erfmdung exzentrisch versetzten Zulaufdrossel;
Figur 3: eine schematische Darstellung der Kraftstoffströmung in einem Steuerraum eines Ventilstücks nach Figur 2a; sowie
Figur 4: eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch ein Ventilstück im Bereich der Ablaufbohrung mit einer die Ablaufbohrung verschließenden Ventilkugel eines Steuerventils.

Figur 1 zeigt eine Teilansicht eines axialen Schnittes durch einen Injektor 1 mit einem Ventilstück 4, welches in ein Gehäuse 2 des Injektors 1 eingefügt ist. Das Ventilstück 4 ist dabei in einer mehrfach abgestuften Axialausnehmung 6 des Gehäuses 2 angeordnet, in der auch ein Ventilsteuerkolben 8 zentriert sowie axial und rotatorisch beweglich aufgenommen ist. An das untere Ende des in Figur 1 dargestellten Injektorgehäuses 2 schließt sich ein in Figur 1 nicht dargestellter Düsenkörper an, in dem eine koaxial zum Ventilsteuerkolben 8 angeordnete Düsennadel vorgesehen ist, die eine Einspritzdüse zum Einspritzen von mit Hochdruck beaufschlagtem Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine phasenweise öffnet.
In dem im Injektorgehäuse 2 vorgesehenen Ventilstück 4 ist eine Axialbohrung 10 vorgesehen, die sich in axialer Richtung des Ventilstücks 4 durch dieses hindurch erstreckt und dabei in Abschnitte mit unterschiedlich großen Innendurchmessern unterteilt ist. In einem unteren Abschnitt der Axialbohrung 10 des Ventilstücks 4 ist dabei der Ventilsteuerkolben 8 mit seinem oberen Ende in axialer Richtung beweglich aufgenommen, wodurch sich oberhalb des Ventilsteuerkolbens 8 ein vergleichsweise kleinvolumiger Steuerraum 12 im Ventilstück 4 ergibt. Ausgehend vom Steuerraum 12 erstreckt sich die in dem Ventilstück 4 vorgesehene Axialbohrung 10 bis zu einem Ventilsitz 16 eines in Figur 1 nicht weiter dargestellten Steuerventils. Der Abschnitt der Axialbohrung 10 zwischen dem Steuerraum 12 und dem Ventilsitz 16 ist hierbei als eine Ablaufbohrung 14 ausgeführt und ist durch ein in Figur 1 nicht weiter dargestelltes Steuerventil gegenüber dem oberhalb des Ventilstücks 4 angeordneten Hohlraum der Axialausnehmung 6 des Injektorgehäuses 2, welcher als Druckausgleichsraum dient, verschließbar. Auf der Höhe des Steuerraums 12 ist in der Wand 18 des Ventilstücks 4 eine Zulaufbohrung 20 vorgesehen, welche den Steuerraum 12 über einen Ringraum 22 mit einem Hochdruckanschluss 24 verbindet. Über den Hochdruckanschluss 24 wird dem Steuerraum 12 somit über den Ringraum 22 und die Zulaufbohrung 20 mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff zugeführt, wobei zur Beschränkung des Volumenstroms eine Zulaufdrossel 26 in der Zulaufbohrung 20 vorgesehen ist.
In der Figur 2a und der Figur 2b sind zwei Querschnittsansichten eines Steuerraums 12 eines Ventilstücks 4 gezeigt, das eine Zulaufbohrung 20 mit einer Zulaufdrossel 26 umfasst. Die Zulaufbohrung 20 verbindet hierbei den innerhalb des Ventilstücks 4 angeordneten Steuerraum 12 hydraulisch mit dem in Figur 1 dargestellten Ringraum 22 des Injektors 1. Wie aus der Figur 2a und der Figur 2b hervorgeht, umfasst die Zulaufbohrung 20 neben der Zulaufdrossel 26, die in den Steuerraum 12 übergeht, darüber hinaus noch eine Ansenkung mit einem zylindrischen Abschnitt 28 und einem kegelförmiger Abschnitt 30. Gegenüber einer aus dem Stand der Technik bekannten zentrisch angeordneten Zulaufdrossel sind die in der Figur 2a und Figur 2b gezeigten Zulaufdrosseln 26 exzentrisch angeordnet.
Beim in Figur 2a gezeigten Querschnitt einer exzentrisch angeordneten Zulaufdrossel 20 ist die Achse der Zulaufbohrung 20 und der Zulaufdrossel 26 um einen Winkel x gegenüber einer radialen Ausrichtung der Zulaufbohrung verdreht. Der zylindrische Abschnitt 28 der Zulaufbohrung 20 ist hierbei koaxial zur Zulaufdrossel 26 angeordnet. Durch den kegelförmigen Abschnitt 30 der Zulaufbohrung 20, der ebenfalls koaxial zur Zulaufdrossel 26 angeordnet sein kann, ergeben sich beim Einströmen von mit Hochdruck beaufschlagtem Kraftstoff vom Ringraum 22 in die Zulaufbohrung 20 hydrodynamisch vorteilhafte Strömungsverhältnisse. Der Querschnitt eines erfindungsgemäßen Injektors mit einer exzentrisch angeordneten Zulaufbohrung 20 ist in Figur 2b dargestellt. Der kegelförmige Abschnitt 30 und der zylindrische Abschnitt 28 der Zulaufbohrung 20 sind dabei zentrisch angeordnet, wohingegen die Zulaufdrossel 26 gegenüber einer radialen Ausrichtung um einen Versatz e exzentrisch versetzt ist.
Durch die exzentrische Anordnung der Zulaufdrossel 26 in der Wand 18 des Ventilstücks 4 strömt der mit Hochdruck beaufschlagte Kraftstoff aus dem in Figur 1 dargestellten Ringraum 22 tangential in den Steuerraum 12 ein, wodurch sich eine Drallströmung mit einer translatorischen und rotatorischen Komponente ausbildet. Die durch die Pfeile 34 in Figur 3 angedeutete Drallströmung rotiert dabei in Richtung des Pfeils 32 innerhalb des Steuerraums 12, wobei im Bereich der Achse 36 des Ventilstücks 4 ein Wirbelkern und ein Wirbelfaden entsteht, die in Figur 3 in schematischer Weise mit dem Bezugszeichen 38 angedeutet sind. Der Wirbelfaden stellt hierbei die in axialer Richtung der Axialbohrung 10 des Ventilstücks 4 verlaufende Mittellinie des Wirbelkerns 38 dar, der sich längs der Strömungsrichtung ausbreitet.
Durch die in Richtung des Pfeils 32 rotierende Strömung des Kraftstoffes entsteht eine Fliehkraft, welche den Kraftstoff aufgrund seiner hohen Masse aus der Rotationsachse bzw. der Achse 36 des Ventilstücks 4 nach außen treibt. Die im Verhältnis zur Masse des Kraftstoffs leichteren Dampfblasen, Hohlräume bzw. Kavitationsblasen werden hierdurch von der Wand 18 weg zur Mitte der rotierenden Strömung, d. h. in Richtung der Rotationsachse gedrängt. Im Wirbelkern 38 entsteht ein sogenanntes Totwassergebiet, welches nicht mehr zum Transport des Kraftstoffes innerhalb des Steuerraums 12 zur Verfügung steht. Der Kraftstoff kann daher nur noch an der dem Steuerraum 12 zugewandten Innenfläche der Wand 18 des Ventilstücks 4 entlang strömen, wobei sich die rotierende Strömung in axialer Richtung der Axialbohrung 10 des Ventilstücks 4 bis in die in Figur 1 gezeigte Ablaufbohrung 14 fortsetzt.
Nach der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform der Ablaufbohrung 14 erstreckt sich diese in mehreren Querschnittsabschnitten bis zu dem kegelförmig ausgebildeten Ventilsitz 16 des Steuerventils. Ausgehend vom Steuerraum 12 folgt nach einem zylindrischen Bohrungsabschnitt 40 eine Ablaufdrossel 42, an der sich ein Diffusor 44 anschließt. Zwischen dem Diffusor 44 und dem Ventilsitz 16 kann ein kegelförmiger Übergangsbereich 46 angeordnet sein, der einen kleineren Konusdurchmesser aufweist als der daran anschließende Ventilsitz 16. Weiterhin weisen auch die verschiedenen Abschnitte 40, 42, 44 unterschied-Nach der Ausführungsform der Ablaufbohrung 14 nach Figur 1 sind der Übergang vom Steuerraum 12 zum zylindrischen Bohrungsabschnitt 40, der Übergang vom zylindrischen Bohrungsabschnitt 40 zur Ablaufdrossel 42 sowie der Übergang von der Ablaufdrossel 42 zum Diffusor 44 stufenförmig ausgeführt.
Eine Alternative Ausführungsform der Ablaufbohrung 14 ist der Figur 4 zu entnehmen, in der ein axialer Längsschnitt durch das Ventilstück 4 im Bereich der Ablaufbohrung 14 dargestellt ist. Im Gegensatz zu der in Figur 1 dargestellten Ablaufbohrung 14 erfolgen der Übergang vom Steuerraum 12 zum zylindrischen Bohrungsabschnitt 40 und der Übergang vom zylindrischen Bohrungsabschnitt 40 zur Ablaufdrossel 42 nicht in einer Stufenform. Zwischen dem Steuerraum 12 und dem zylindrischen Bohrungsabschnitt 40 ist ein kegelförmiger Abschnitt 48 der Ablaufbohrung 14 angeordnet, der sich vom Steuerraum 12 aus gesehen in Richtung des zylindrischen Bohrungsabschnitts 40 verjüngt. An dem dem Steuerraum 12 zugewandten Ende des kegelförmigen Abschnitts 48 kann dabei eine umlaufende Fase 50 vorgesehen sein, die im Übergang vom Steuerraum 12 zur Ablaufbohrung 14 einen größeren Konusdurchmesser aufweist als der kegelförmige Abschnitt 48. Durch die Anordnung der umlaufenden Fase 50 und des kegelförmigen Abschnitte 48 vor dem zylindrischen Bohrungsabschnitt 40 wird ein Abriss der Strömung im Bereich der Querschnittsveränderung zwischen dem Steuerraum 12 und dem zylindrischen Bohrungsabschnitt 40 verhindert, wodurch der Wirbelkern 38 der rotierenden Strömung stabilisiert wird.
Nach einer nicht in Figur 4 dargestellten Ausführungsform kann es alternativ oder zusätzlich zu einer an den Steuerraum 12 angrenzenden umlaufenden Fase 50 vorgesehen sein, dass die Ablaufbohrung 14 an ihrem dem Steuerraum 12 zugewandten Ende eine Auslassöffnung aufweist, deren Kante verrundet ist.
Zur weiteren Stabilisierung des innerhalb der Ablaufbohrung 14 sich bildenden Wirbelkerns 38 der Drallströmung weist der zylindrische Bohrungsabschnitt 40 im Übergangsbereich 52 zur Ablaufdrossel 42 eine konische Form auf.
Im Gegensatz zu den Übergängen vom Steuerraum 12 zum zylindrischen Bohrungsabschnitt 40 und vom zylindrischen Bohrungsabschnitt 40 zur Ablaufdrossel 42 ist der Übergang von der Ablaufdrossel 42 zum Diffusor 44 stufenförmig ausgebildet. Der Diffusor 44 kann hierbei einen optimierten Öffnungswinkel von vorzugsweise weniger als 15° aufweisen, wodurch das Geschwindigkeitsniveau der Drallströmung reduziert und das Druckniveau erhöht wird. Die im Wirbelkern 38 der Drallströmung gebildeten Dampfblasen werden aufgrund der Erhöhung des Druckniveaus im Bereich des Diffusors 44 gezielt zur Implosion gebracht, ohne dass eine Schädigung durch Kavitationserosion an der die Ablaufbohrung 14 umgrenzenden Wand erfolgt. Darüber hinaus bewirkt der erfindungsgemäße Effekt, dass keine Schädigung des kegelförmigen Ventilsitzes 16 auftritt.
In Strömungsrichtung nach dem Diffusor 44 schließt ein kegelförmiger Übergangsbereich 46 an, der in einen kegelförmigen Ventilsitz 16 übergeht. Der kegelförmige Übergangsbereich 46 weist dabei einen kleineren Konusdurchmesser als der kegelförmige Ventilsitz 16 auf.
Der kegelförmige Übergangsbereich 46 aus Figur 1 und 4 stellt einen Strömungsübergangsabschnitt dar, der als schadensrelevanter Bereich für eine Kavitation vor dem Ventilsitz 16 dienen kann. Wie aus der Darstellung in Figur 4 zu entnehmen ist, wird die Ablaufbohrung 14 durch einen kugelförmigen Ventilkörper 54 verschlossen, der durch eine in Figur 1 und 4 nicht dargestellte Kugelführung verdrehbar geführt und über einen ebenfalls nicht dargestellten Aktor betätigt wird. Durch den Drall-Impuls der Drallströmung kann der kugelförmige Ventilkörper 54 hierbei in Rotation versetzt werden.
Neben den zuvor beschriebenen Ausführungen der Übergänge zwischen den Abschnitten mit unterschiedlichen Innendurchmesser der Zulaufbohrung 20 und der Ablaufbohrung 14 ist es nach weiteren nicht in den Figuren dargestellten alternativen Ausführungsformen vorgesehen, dass die Zulaufbohrung 20 und die Ablaufbohrung 14 eine Kombination von unterschiedlich geformten Übergängen aufweisen. Die Übergänge zwischen den Abschnitten unterschiedlicher Innendurchmesser weisen hierbei vorzugsweise eine Konus- bzw. Kegelform, eine Stufenform oder eine gerundete Form auf.

Claims

Injektor für Brennkraftmaschinen umfassend einen Steuerraum (12) eines Ventilsteuerkolbens (8), dem eine eine Zulaufdrossel (26) aufweisende Zulaufbohrung (20) zur Zufuhr von mit Hochdruck beaufschlagtem Kraftstoff und eine eine Ablaufdrossel (42) aufweisende Ablaufbohrung (14) zugeordnet ist, welche durch ein Steuerventil verschließbar ist, wobei die Zulaufdrossel (26) sich in einer zum Steuerraum (12) exzentrischen Richtung erstreckt, indem der durch die Zulaufbohrung (20) strömende mit Hochdruck beaufschlagte Kraftstoff exzentrische in den Steuerraum (12) eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Zulaufbohrung (20) neben der Zulaufdrossel (26), die in den Steuerraum (12) übergeht, einen zylindrischen Abschnitt (28) und einen kegelförmigen Abschnitt (30) umfasst, und dass der kegelförmige Abschnitt (30) und der zylindrische Abschnitt (28) der Zulaufbohrung (20) zentrisch angeordnet sind, hingegen die Zulaufdrossel (26) gegenüber einer radialen Ausrichtung um einen Versatz e exzentrisch versetzt ist.
Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass in dem Steuerraum (12) wenigstens ein eine Prallfläche umfassender Abschnitt vorgesehen ist, der den in den Steuerraum (12) einströmenden Kraftstoff umlenkt.
Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Ablaufbohrung (14) einen Diffusor (44) umfasst, der auf der dem Steuerventil zugewandten Seite der Ablaufdrossel (42) angeordnet ist
Injektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
dass der Diffusor (44) einen Öffnungswinkel in einem optimierten Bereich von weniger als 15° aufweist.
Injektor nach Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
dass die Ablaufbohrung (14) einen steuerraumseitigen Bohrungsabschnitt (40) aufweist, der einen größeren Innendurchmesser als die Ablaufdrossel (42) aufweist, wobei der Querschnittsübergang vom Bohrungsabschnitt (40) zur Ablaufdrossel (42) stufenförmig, kegelförmig oder gerundet ist.
Injektor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
dass die Ablaufbohrung (14) an ihrem dem Steuerraum (12) zugewandten Ende eine Einlaufverrundung aufweist.
Injektor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
dass die Ablaufbohrung (14) an ihrem dem Steuerraum (12) zugewandten Ende einen kegelförmigen Abschnitt (48) aufweist, der sich in Richtung des Steuerraums (12) erweitert.
Injektor nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen der Ablaufdrossel (42) und dem Ventilsitz (16) des Steuerventils ein kegelförmiger Übergangsbereich (46) vorgesehen ist