EP2459866B1 - Kraftstoffeinspritzventil für brennkraftmaschinen - Google Patents

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EP2459866B1
EP2459866B1 EP10720789.6A EP10720789A EP2459866B1 EP 2459866 B1 EP2459866 B1 EP 2459866B1 EP 10720789 A EP10720789 A EP 10720789A EP 2459866 B1 EP2459866 B1 EP 2459866B1
Authority
EP
European Patent Office
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collar
valve
pressure chamber
valve needle
fuel injection
Prior art date
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Active
Application number
EP10720789.6A
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English (en)
French (fr)
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EP2459866A1 (de
Inventor
Matthias Burger
Hans-Christoph Magel
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/16Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/16Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/20Closing valves mechanically, e.g. arrangements of springs or weights or permanent magnets; Damping of valve lift
    • F02M61/205Means specially adapted for varying the spring tension or assisting the spring force to close the injection-valve, e.g. with damping of valve lift
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/28Details of throttles in fuel-injection apparatus

Definitions

  • the invention relates to a fuel injection valve for internal combustion engines, as it is preferably used for the injection of fuel directly into a combustion chamber of a high-speed, self-igniting internal combustion engine, GB 2 277 779 ).
  • Fuel injection valves which are used for injecting fuel under high pressure directly into a combustion chamber of an internal combustion engine, are operated at ever higher pressure. Partial injection pressures of more than 2000 bar are already achieved today.
  • the fuel pressure is generated by a high-pressure pump, which conveys the compressed fuel into a high-pressure accumulator, the so-called rail. From this rail usually several injectors are fed, which have a movable valve needle, controlled by the injection openings are opened and controlled by an electric control valve, so that fuel is injected at the desired time and in the desired dosage in the combustion chamber. Due to the high fuel pressure that surrounds the valve needle, acting on the valve needle large hydraulic forces, which are increasingly difficult to control.
  • valve needle closes quickly.
  • this is achieved in that a low-pressure stage is provided, so that the hydraulic pressure in a control chamber which acts on the valve needle and exerted by means of the closing force on the valve needle is greater than the forces acting in the opening direction on the valve needle. This excess of hydraulic closing force allows the valve needle to close quickly and thus achieve a clean injection.
  • the valve needle With increasing pressure, however, the problem arises that it leads to increased leakage to the low-pressure space, which must be compensated by additional pump power and ultimately leads to a fuel consumption of the vehicle.
  • the valve needle if you simply leave the low-pressure stage, then the valve needle, if it closes the control valve at the end of the injection by the high fuel pressure builds up again in the control room, largely pressure-balanced.
  • the closing force could be applied in this case only in other ways, for example by a spring.
  • the spring since the injector must open even at low pressures, the spring must not be too strong, so that only a small force is exerted on the valve needle, which makes a fast closing impossible by the spring force.
  • a fuel injection valve which has a throttle collar.
  • the throttle collar is disposed near the valve seat, from which the injection openings go out, so that between the collar and the wall of the pressure chamber in which the valve needle is arranged, a throttle gap is formed.
  • the injection valve is open, that is, when the valve needle has lifted from the valve seat, this results in a pressure drop, so that the pressure downstream of this throttle gap is lower than upstream.
  • the hydraulic force on the valve sealing surface of the valve needle decreases, so that now, when the control valve closes and the fuel pressure is rebuilt in the control chamber, the closing force is sufficient to build a closing force on the valve needle, which leads to a rapid closing.
  • the object of the present invention is thus to provide a fuel injection valve in which the throttle gap is formed by a collar on the valve needle, which is easy to manufacture and is insensitive to tolerance deviations.
  • the fuel injection valve according to the invention solves the problem set by the valve needle has a collar, which has an inlet-side surface and an outlet-side surface, wherein the inlet-side surface is rounded or conical.
  • This has several advantages: Firstly, such a rounded or conical inlet-side surface is cheaper to manufacture than a sharp-edged, so at right angles to the valve needle protruding surface. On the other hand, such a designed surface is stable against flow separation, so that no cavitation phenomena arise that influence the flow resistance at the gap choke uncontrolled.
  • a cylindrical section adjoins the inlet-side surface, between which and the wall of the pressure chamber the smallest flow cross-section is formed, which is formed either only over part of the waist circumference or over the entire circumference of the waistband.
  • the cylindrical portion can be easily grinded by material removal on the outside to an exact diameter or form corresponding passages through polished so that the size of the desired gap choke is easily adjustable.
  • the outlet-side surface of the collar is formed by a conical surface or a rounded, which adjoins directly to the cylindrical portion.
  • a ratio of the gap of the gap throttle to the hydraulic diameter of> 2 and ⁇ 20 is optimal, since so a high temperature independence is achieved and the gap choke is still in an order of magnitude, which is associated with manufacturing technology reasonable effort.
  • FIG. 1 a fuel injection valve according to the invention is shown in longitudinal section, wherein only the part of the injection valve is shown, which faces the combustion chamber in the installed position in an internal combustion engine.
  • the fuel injection valve 1 has a valve body 2, in which a pressure chamber 5 is formed in the form of a bore.
  • the pressure chamber 5 is delimited on the combustion chamber side by a substantially conical valve seat 9, from which several injection openings 7 originate.
  • a longitudinally displaceable valve needle 3 is arranged, which is rotationally symmetrical with respect to the longitudinal axis of the pressure chamber 5.
  • the valve needle 3 is guided in a guide section 103 in the pressure chamber 5, wherein the fuel flow past the guide section 103 is ensured by a plurality of bevels 14, which are formed on the outside of the guide section 103.
  • the valve needle 3 has at its valve seat facing the end of a valve sealing surface 11, with which the valve needle 3 cooperates for opening and closing the injection openings 7 with the valve seat 9.
  • a collar 17 is formed on the valve needle 3, which has an edge 18 on its outer side. Between the edge 18 and the wall of the pressure chamber 5, a gap throttle 15 is formed, which represents the smallest flow cross section with respect to the fuel flow through the pressure chamber 5 to the injection openings 7.
  • the gap throttle 15 is designed here as an annular gap throttle having an inner diameter D i and an outer diameter D a .
  • the intended for injection fuel is compressed by a high-pressure pump, not shown in the drawing and fed to a high-pressure accumulator, also not shown in the drawing, with which the injection valve is connected. From the high-pressure accumulator, the compressed fuel is passed into the pressure chamber 5, where it flows through the pressure chamber 5 and, accordingly, through the gap throttle 15 and the bevels 14 in the direction of the valve seat 9. In the closed state of the injection valve, that is, when the valve needle 3 is seated on the valve seat 9, the valve needle 3 closes the injection openings 7.
  • valve needle 3 If the valve needle 3 is moved away from the valve seat 9, which with the help of a also not shown in the drawing - but well-known from the prior art - control valve is performed, the injection ports 7 are connected to the pressure chamber 5, and fuel is injected through the injection ports 7 into a combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the collar 17 Through the gap throttle 15, there is a throttling of the fuel flow when the valve needle 3 has lifted from the valve seat 9, so that a pressure difference between the areas before and after the collar 17 in the pressure chamber 5 occurs. This pressure difference is about 50 to 100 bar at an injection pressure of 1600 to 2000 bar.
  • the shape of the collar 17 with the edge 18 causes the throttling at the gap throttle 15 is largely independent of the Reynolds number. The following conditions must be fulfilled for this.
  • the effect of a gap choke is determined by two variables: First, by the hydraulically effective diameter D Hyd and the other by the length of the gap choke L.
  • the length L of the edge 18 is defined by the length of the gap throttle 15, in which the flow-through cross-section is smaller than 1.2 times the minimum flow cross-section.
  • the ratio L to D Hyd must be ⁇ 20.
  • Such a gap choke is also referred to as hydraulically short.
  • FIG. 2 shows an enlarged view of the collar 17 and the valve needle 3 of a first embodiment, said area in Fig. 1 marked with II.
  • the collar 17 can be divided into three sections: an inlet side surface 20, a cylindrical section 22 and an outlet side surface 24.
  • the inlet side surface 20 is rounded and formed in the region in which it merges into the cylindrical portion 22 with a radius R rounded.
  • the radius R is advantageously about 0.2 to 0.3 mm.
  • the rounding of the inlet-side surface 20 of the collar 17 can be made lighter and thus more cost-effective and beyond there is the advantage that the flow at entry into the gap throttle 15 is stable against flow separation, so that it regardless of the flow velocity to no instabilities in Area of the gap choke 15 comes.
  • the cylindrical portion 22 is substantially the length L of the throttle gap again, but - as mentioned above - the length L of the gap choke is defined as the length in which the flow-through cross-section is smaller than 1.2 times the minimum flow cross-section , This is in FIG. 2 indicated that the length L is slightly larger than the thickness of the cylindrical portion 22nd
  • the outlet-side surface 24 is formed by a first conical surface 124, which adjoins directly to the cylindrical portion 22, and by a second conical surface 224, which forms the end of the collar 17. Due to the shape of the first conical surface 124, an edge 26 is formed at the transition from the cylindrical surface 22, which ensures that the flow of the fuel through the gap throttle 15 always at the same point, namely at the edge 26, detaches. As a result, the throttle effect of the gap choke 15 is robust against influences such as surface condition and fuel properties. In this case, an angle difference between the first conical surface 124 and the cylindrical surface 22 of 20 ° to 30 ° is advantageous.
  • FIG. 3 a further embodiment of the Federal 17 is shown.
  • the inlet-side surface 20 ' is formed here as a conical surface, which forms an angle ⁇ with the longitudinal axis of the valve needle 3. This angle ⁇ is preferably in the range of 60 ° to 80 °.
  • the outlet-side surface 24 ' is also designed here as a simple conical surface.
  • the cone of the inlet-side surface 20 ' causes similar advantages as the rounded inlet-side surface 20 in Fig. 2 In particular, such a surface is easier to produce than an exactly perpendicular to the valve needle aligned inlet side surface.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the gap choke 15 and the collar 17 according to the invention in a cross section.
  • the gap throttle 15 is formed here only over portions of the circumference, which are formed by lateral polished sections 28, so that the collar 17 has a substantially triangular shape in cross section.
  • the gap between the collar 28 and the wall of the pressure chamber 5 is so small that practically a seal is achieved.
  • the polished sections 28 are shown exaggerated here for the sake of clarity, wherein the length K of these bevels 25 of course depends on the length L of the collar 17 in order to obtain the desired hydraulic diameter. It can take 28 instead of three, as in Fig. 4 shown, a larger or smaller number of bevels 28 may be provided, for example, 1, 2, 4, 5 or 6.
  • the chosen dimensions achieve a sufficient compromise between achievable manufacturing tolerances and the effect of a gap choke, which is formed by a sharp edge.
  • An absolute independence of the Reynolds number could only be achieved if the edge 18 of the collar 17 would be ideally sharp-edged, which, however, manufacturing technology is not represented.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, wie es vorzugsweise für die Einspritzung von Kraftstoff direkt in einen Brennraum einer schnelllaufenden, selbstzündenden Brennkraftmaschine verwendet wird, ( GB 2 277 779 ).
  • Stand der Technik
  • Kraftstoffeinspritzventile, die zur Einspritzung von Kraftstoff unter hohem Druck direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine dienen, werden mit immer höherem Druck betrieben. Teilweise werden schon heute Einspritzdrücke von über 2000 bar erreicht. Der Kraftstoffdruck wird hierbei durch eine Hochdruckpumpe erzeugt, die den verdichteten Kraftstoff in einen Hochdruckspeicher fördert, das sogenannte Rail. Aus diesem Rail werden meist mehrere Injektoren gespeist, die eine bewegliche Ventilnadel aufweisen, mittels der Einspritzöffnungen gesteuert durch ein elektrisches Steuerventil geöffnet und zugesteuert werden, so dass Kraftstoff zum gewünschten Zeitpunkt und in der gewünschten Dosierung in den Brennraum ausgespritzt wird. Durch den hohen Kraftstoffdruck, der die Ventilnadel umgibt, wirken auf die Ventilnadel große hydraulische Kräfte, die zunehmend schwerer zu beherrschen sind.
  • Für eine exakte Einspritzung und gute Zerstäubung des Kraftstoffs ist es insbesondere wichtig, dass die Ventilnadel schnell schließt. Bei den bisher bekannten Einspritzventilen wird dies dadurch erreicht, dass eine Niederdruckstufe vorgesehen ist, so dass der hydraulische Druck in einem Steuerraum, der die Ventilnadel beaufschlagt und mittels dem die Schließkraft auf die Ventilnadel ausgeübt wird, größer ist als die Kräfte, die in Öffnungsrichtung auf die Ventilnadel wirken. Durch diesen Überschuss an hydraulischer Schließkraft lässt sich die Ventilnadel schnell schließen und damit eine saubere Einspritzung erreichen.
  • Mit zunehmendem Druck tritt jedoch das Problem auf, dass es zu vermehrter Leckage hin zum Niederdruckraum kommt, was durch zusätzliche Pumpleistung kompensiert werden muss und letztendlich zu einem Kraftstoffmehrverbrauch des Fahrzeugs führt. Lässt man die Niederdruckstufe jedoch einfach weg, so ist die Ventilnadel dann, wenn sie zum Ende der Einspritzung das Steuerventil schließt, indem sich der hohe Kraftstoffdruck im Steuerraum wieder aufbaut, weitgehend druckausgeglichen. Die Schließkraft könnte in diesem Fall nur auf andere Weise, beispielsweise durch eine Feder aufgebracht werden. Da das Einspritzventil jedoch auch bei geringen Drücken öffnen muss, darf die Feder nicht zu stark sein, so dass nur eine geringe Kraft auf die Ventilnadel ausgeübt wird, was ein schnelles Schließen allein durch die Federkraft unmöglich macht.
  • Zur Lösung dieses Problems ist aus der DE 10 2007 032 741 A1 ein Kraftstoffeinspritzventil bekannt, das einen Drosselbund aufweist. Der Drosselbund ist nahe dem Ventilsitz angeordnet, von dem die Einspritzöffnungen ausgehen, so dass zwischen dem Bund und der Wand des Druckraums, in dem die Ventilnadel angeordnet ist, ein Drosselspalt gebildet wird. Bei geöffnetem Einspritzventil, also dann, wenn die Ventilnadel vom Ventilsitz abgehoben hat, ergibt sich dadurch ein Druckverlust, so dass der Druck stromabwärts dieses Drosselspalts niedriger ist als stromaufwärts. Dadurch vermindert sich die hydraulische Kraft auf die Ventildichtfläche der Ventilnadel, so dass nunmehr die Schließkraft dann, wenn das Steuerventil schließt und der Kraftstoffdruck im Steuerraum erneut aufgebaut ist, ausreicht, eine schließende Kraft auf die Ventilnadel aufzubauen, die zu einem raschen Schließen führt. Die in der DE 10 2007 032 741 vorgeschlagene Drossel, die durch einen Bund an der Ventilnadel gebildet wird, weist jedoch den Nachteil auf, dass die dort beschriebene scharfkantige Drossel nur mit hohem Aufwand zu fertigen ist. Abweichungen von der mittigen Lage oder Änderungen der Größe, der Form oder der Ein- oder Auslaufkanten des Drosselspalts bewirken eine merkliche Änderung der hydraulischen Eigenschaften und damit des Drucks stromauf- und stromabwärts der Spaltdrossel.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Kraftstoffeinspritzventil zur Verfügung zu stellen, bei dem der Drosselspalt durch einen Bund an der Ventilnadel gebildet wird, der einfach zu fertigen ist und unempfindlich gegenüber Toleranzabweichungen ist.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil löst die gestellte Aufgabe, indem die Ventilnadel einen Bund aufweist, der eine einlaufseitige Fläche und eine auslaufseitige Fläche aufweist, wobei die einlaufseitige Fläche verrundet oder konisch ausgebildet ist. Dies hat verschiedene Vorteile: Zum einen ist eine solche verrundete oder konische einlaufseitige Fläche kostengünstiger zu fertigen als eine scharfkantige, also im rechten Winkel zur Ventilnadel abstehende Fläche. Zum anderen ist eine solchermaßen gestaltete Fläche stabil gegen Strömungsablösungen, so dass keine Kavitationserscheinungen entstehen, die den Durchflusswiderstand an der Spaltdrossel unkontrolliert beeinflussen.
  • Besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, die einlaufseitige Fläche im Querschnitt betrachtet mit einem Radius von 0,2 bis 0,3 mm zu verrunden. Dies ergibt insbesondere bei Verwendung des Bundes und des Einspritzventils bei der Einspritzung von Kraftstoff ideale Verhältnisse am Bund hinsichtlich der Strömungsablösung und der Fertigungskosten. Bei einer konisch ausgebildeten Einlauffläche hat sich ein Winkel zur Längsachse der Ventilnadel von 50° bis 80° als besonders vorteilhaft erwiesen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung schließt sich an die einlaufseitige Fläche ein zylindrischer Abschnitt an, zwischen dem und der Wand des Druckraums der kleinste Durchflussquerschnitt ausgebildet ist, der entweder nur über einen Teil des Bundumfangs gebildet wird oder über den gesamten Umfang des Bundes. Der zylindrische Abschnitt lässt sich leicht durch Materialabtragung an der Außenseite auf einen exakten Durchmesser schleifen bzw. durch Anschliffe entsprechende Durchlässe bilden, so dass die Größe der gewünschten Spaltdrossel ohne Weiteres einstellbar ist.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die auslaufseitige Fläche des Bundes durch eine Konusfläche oder eine gerundete gebildet, die sich unmittelbar an den zylindrischen Abschnitt anschließt. Durch die zwischen dem zylindrischen Abschnitt und der auslaufseitigen Fläche gebildeten Kante ist sichergestellt, dass eine strömungsbedingte Abrisskante gebildet wird, so dass sich die Strömung immer an diesem Punkt definiert ablöst. Die Drosselwirkung der Spaltdrossel wird somit robust gegenüber Einflüssen, wie z. B. Oberflächenbeschaffenheit oder Kraftstoffeigenschaften. Besonders vorteilhaft ist hierbei ein Differenzwinkel zwischen den beiden Konusflächen der auslaufseitigen Fläche von 20° bis 30° vorzusehen.
  • Für eine optimale Drosselung, die unabhängig von der Reynoldszahl ist, ist ein Verhältnis der Länge der Spaltdrossel zum hydraulischen Durchmesser von > 2 und < 20 optimal, da so eine weitgehende Temperaturunabhängigkeit erreicht wird und die Spaltdrossel noch in einer Größenordnung ist, die sich fertigungstechnisch mit vertretbarem Aufwand darstellen lässt.
  • Weiter Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung und der Zeichnungen entnehmbar.
  • Zeichnung
  • In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil dargestellt. Es zeigt
  • Figur 1
    einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil, wobei nur der brennraumseitige Teil des Einspritzventils dargestellt ist, das ansonsten hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt ist,
    Figur 2
    einen vergrößerten Ausschnitt von Figur 1 im Bereich des Bundes eines ersten Ausführungsbeispiels,
    Figur 3
    denselben Ausschnitt wie Fig. 2 eines zweiten Ausführungsbeispiels und
    Figur 4
    einen Querschnitt durch die Ventilnadel im Bereich des Bundes einer alternativ ausgestalteten Spaltdrossel.
    Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt dargestellt, wobei nur der Teil des Einspritzventils dargestellt ist, der in Einbaulage in einer Brennkraftmaschine dem Brennraum zugewandt ist. Das Kraftstoffeinspritzventil 1 weist einen Ventilkörper 2 auf, in dem ein Druckraum 5 in Form einer Bohrung ausgebildet ist. Der Druckraum 5 wird brennraumseitig von einem im Wesentlichen konischen Ventilsitz 9 begrenzt, von dem mehrere Einspritzöffnungen 7 ausgehen. Im Druckraum 5 ist eine längsverschiebbare Ventilnadel 3 angeordnet, die bezüglich der Längsachse des Druckraums 5 rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Die Ventilnadel 3 ist in einem Führungsabschnitt 103 im Druckraum 5 geführt, wobei der Kraftstofffluss am Führungsabschnitt 103 vorbei durch mehrere Anschliffe 14 sichergestellt ist, die an der Außenseite des Führungsabschnitts 103 ausgebildet sind. Die Ventilnadel 3 weist an ihrem ventilsitzzugewandten Ende eine Ventildichtfläche 11 auf, mit der die Ventilnadel 3 zum Öffnen und Schließen der Einspritzöffnungen 7 mit dem Ventilsitz 9 zusammenwirkt.
  • Ventilsitzabgewandt zum Führungsabschnitt 103 ist an der Ventilnadel 3 ein Bund 17 ausgebildet, der an seiner Außenseite eine Kante 18 aufweist. Zwischen der Kante 18 und der Wand des Druckraums 5 ist eine Spaltdrossel 15 ausgebildet, die bezüglich des Kraftstoffstroms durch den Druckraum 5 zu den Einspritzöffnungen 7 den kleinsten Strömungsquerschnitt darstellt. Die Spaltdrossel 15 ist hier als Ringspaltdrossel ausgebildet, die einen Innendurchmesser Di und einen Außendurchmesser Da aufweist.
  • Der zur Einspritzung bestimmte Kraftstoff wird durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte Hochdruckpumpe verdichtet und einem ebenfalls in der Zeichnung nicht dargestellten Hochdruckspeicher zugeführt, mit dem das Einspritzventil verbunden ist. Vom Hochdruckspeicher wird der verdichtete Kraftstoff in den Druckraum 5 geleitet, wo er durch den Druckraum 5 und dementsprechend auch durch die Spaltdrossel 15 und die Anschliffe 14 in Richtung des Ventilsitzes 9 strömt. Im geschlossenen Zustand des Einspritzventils, d. h. wenn die Ventilnadel 3 auf dem Ventilsitz 9 aufsitzt, verschließt die Ventilnadel 3 die Einspritzöffnungen 7. Wird die Ventilnadel 3 vom Ventilsitz 9 wegbewegt, was mit Hilfe eines in der Zeichnung ebenfalls nicht dargestellten - aus dem Stand der Technik jedoch hinlänglich bekannten - Steuerventils durchgeführt wird, werden die Einspritzöffnungen 7 mit dem Druckraum 5 verbunden, und Kraftstoff wird durch die Einspritzöffnungen 7 in einen Brennraum der Brennkraftmaschine ausgespritzt.
  • Zur Erzeugung einer größeren Schließkraft auf die Ventilnadel 3 muss auf die Ventildichtfläche 11 ein geringerer Kraftstoffdruck wirken als auf die gegenüberliegende Stirnseite der Ventilnadel 3, die vom Druck im Steuerraum beaufschlagt ist. Hierzu dient der Bund 17: Durch die Spaltdrossel 15 kommt es zu einer Drosselung des Kraftstoffstroms, wenn die Ventilnadel 3 vom Ventilsitz 9 abgehoben hat, so dass eine Druckdifferenz zwischen den Bereichen vor und nach dem Bund 17 im Druckraum 5 auftritt. Diese Druckdifferenz beträgt etwa 50 bis 100 bar bei einem Einspritzdruck von 1600 bis 2000 bar. Die Form des Bundes 17 mit der Kante 18 bewirkt, dass die Drosselung an der Spaltdrossel 15 weitgehend unabhängig von der Reynoldszahl ist. Hierzu müssen folgende Bedingungen erfüllt sein.
  • Die Wirkung einer Spaltdrossel wird durch zwei Größen bestimmt: Zum einen durch den hydraulisch wirksamen Durchmesser DHyd und zum anderen durch die Länge der Spaltdrossel L. Der hydraulisch wirksame Durchmesser DHyd berechnet sich aus dem Quotienten von durchströmtem Querschnitt und durchströmter Berandungslänge, so dass allgemein gilt: D Hyd = 4 durchströmter Querschnitt durchströmte Berandungslänge
    Figure imgb0001
  • Ist die Spaltdrossel 15 durch einen Ringspalt gebildet, wie in Figur 1 dargestellt, so wird der durchströmte Querschnitt und die Berandungslänge durch die Durchmesser Da und Di gegeben, also durch den Außendurchmesser des Bundes 17 und durch den Durchmesser des Druckraums 5, wie in Fig. 1 dargestellt. Setzt man die entsprechenden Formeln in die obige Gleichung ein, so ergibt sich D Hyd = D a - D i .
    Figure imgb0002
  • Die Länge L der Kante 18 ist definiert durch die Länge der Spaltdrossel 15, bei der der durchströmte Querschnitt kleiner ist als das 1,2-fache des minimal durchströmten Querschnitts. Damit die Unabhängigkeit von der Reynoldszahl in dem Maße ist, wie für die Funktion des Einspritzventils notwendig, muss das Verhältnis L zu DHyd < 20 sein. Die Unabhängigkeit von der Reynoldszahl und damit von der Temperatur des Kraftstoffs ist zwar dann nicht vollständig erfüllt, jedoch für die Zwecke des Einspritzventils hinreichend.
  • Um die Fertigungstoleranzen einhalten zu können ist es ausreichend, wenn das Verhältnis L zu DHyd > 2 eingehalten wird. Vom physikalischen Standpunkt her ist zwar ein Verhältnis L zu DHyd < 2 und damit scharfkantig vorteilhaft und führt zu einer absoluten Temperaturunabhängigkeit, jedoch ist eine solche Kante praktisch nicht zu fertigen, und bereits minimale Abweichungen von den Maßen führt zu einem stark veränderten Drosselverhalten der Spaltdrossel. Aus diesen Gründen ist es ausreichend, wenn das Verhältnis L zu DHyd > 2 eingehalten wird. Es gilt dann also: 2 < L / D Hyd < 20
    Figure imgb0003
  • Eine solche Spaltdrossel wird auch als hydraulisch kurz bezeichnet.
  • Figur 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Bundes 17 und der Ventilnadel 3 eines ersten Ausführungsbeispiels, wobei dieser Bereich in Fig. 1 mit II gekennzeichnet ist. Der Bund 17 kann in drei Abschnitte unterteilt werden: Eine einlaufseitige Fläche 20, einen zylindrischen Abschnitt 22 und eine auslaufseitige Fläche 24. Die einlaufseitige Fläche 20 ist gerundet ausgebildet und in dem Bereich, in dem sie in den zylindrischen Abschnitt 22 übergeht, mit einem Radius R gerundet. Der Radius R ist vorteilhafterweise etwa 0,2 bis 0,3 mm. Durch die Rundung der einlaufseitigen Fläche 20 kann der Bund 17 leichter und damit kostengünstiger gefertigt werden und darüber hinaus ergibt sich der Vorteil, dass die Strömung beim Einlauf in die Spaltdrossel 15 stabil gegen Strömungsablösungen ist, so dass es unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit zu keinen Instabilitäten im Bereich der Spaltdrossel 15 kommt.
  • Der zylindrische Abschnitt 22 gibt im Wesentlichen die Länge L des Drosselspalts wieder, jedoch ist - wie schon oben erwähnt - die Länge L der Spaltdrossel definiert als die Länge, in der der durchströmte Querschnitt kleiner ist als das 1,2-fache des minimal durchströmten Querschnitts. Dies ist in Figur 2 dadurch angedeutet, dass die Länge L etwas größer ist als die Dicke des zylindrischen Abschnitts 22.
  • Die auslaufseitige Fläche 24 wird durch eine erste Konusfläche 124, die sich direkt an den zylindrischen Abschnitt 22 anschließt, und durch eine zweite Konusfläche 224 gebildet, die den Abschluss des Bundes 17 bildet. Durch die Ausformung der ersten Konusfläche 124 ist am Übergang von der zylindrischen Fläche 22 eine Kante 26 ausgebildet, durch die erreicht wird, dass sich die Strömung des Kraftstoffs durch die Spaltdrossel 15 immer an der gleichen Stelle, nämlich an der Kante 26, ablöst. Dadurch wird die Drosselwirkung der Spaltdrossel 15 robust gegenüber Einflüssen wie Oberflächenbeschaffenheit und Kraftstoffeigenschaften. Vorteilhaft ist hierbei eine Winkeldifferenz zwischen der ersten Konusfläche 124 und der zylindrischen Fläche 22 von 20° bis 30°.
  • In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Bundes 17 dargestellt. Die einlaufseitige Fläche 20' ist hier als Konusfläche ausgebildet, die mit der Längsachse der Ventilnadel 3 einen Winkel α einschließt. Dieser Winkel α liegt bevorzugt im Bereich von 60° bis 80°. Die auslaufseitige Fläche 24' ist hier ebenfalls als einfache Konusfläche ausgeführt. Der Konus der einlaufseitigen Fläche 20' bewirkt ähnliche Vorteile wie die verrundete einlaufseitige Fläche 20 in Fig. 2, insbesondere ist eine solche Fläche leichter herstellbar als eine exakt senkrecht zur Ventilnadel ausgerichtete einlaufseitige Fläche.
  • Figur 4 zeigt eine weitere Ausbildung der erfindungsgemäßen Spaltdrossel 15 und des Bundes 17 in einem Querschnitt. Im Gegensatz zu den vorherigen Ausführungsbeispielen ist hier die Spaltdrossel 15 nur über Teilbereiche des Umfangs ausgebildet, die durch seitliche Anschliffe 28 gebildet werden, so dass der Bund 17 im Querschnitt eine im Wesentlichen dreieckförmige Gestalt aufweist. Dort wo keine Anschliffe 28 vorhanden sind, ist der Spalt zwischen dem Bund 28 und der Wand des Druckraums 5 so klein, dass praktisch eine Dichtung erreicht wird. Die Anschliffe 28 sind hier der Deutlichkeit halber übertrieben groß dargestellt, wobei sich die Länge K dieser Anschliffe 25 natürlich nach der Länge L des Bundes 17 richtet, um den gewünschten hydraulischen Durchmesser zu erhalten. Es kann statt dreier Anschliffe 28, wie in Fig. 4 dargestellt, auch eine größere oder kleinere Zahl von Anschliffen 28 vorgesehen sein, beispielsweise 1, 2, 4, 5 oder 6.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 muss der hydraulische Durchmesser DHyd anders berechnet werden als bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 2 und 3. Ist S die Bogenlänge des Anschliffs 28, K die Kantenlänge des Anschliffs 28 und A die Fläche, die durch einen der Anschliffe 28 zwischen dem Anschliff 25 und der Wand des Druckraums 5 gebildet wird, so ergibt sich DHyd zu D Hyd = 4 A S + K
    Figure imgb0004
  • Statt der Anschliffe 28 ist es auch möglich, andere Ausnehmungen am Bund 17 vorzusehen, die die Spaltdrossel 15 bilden, beispielsweise Nuten.
  • Die hier vorgeschlagene Spaltdrossel 15, die durch den Bund 17 und die Wand des Druckraums 5 gebildet wird, ergibt also eine Drosselung, die weitgehend unabhängig von der Reynoldszahl ist und damit auch weitgehend unabhängig von der Temperatur. Durch die gewählten Maße wird ein ausreichender Kompromiss zwischen erreichbaren Fertigungstoleranzen und der Wirkung einer Spaltdrossel, die durch eine scharfe Kante gebildet wird, erreicht. Eine absolute Unabhängigkeit von der Reynoldszahl ließe sich nur erreichen, wenn die Kante 18 des Bundes 17 ideal scharfkantig wäre, was jedoch fertigungstechnisch nicht darstellbar ist.

Claims (5)

  1. Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem Ventilkörper (1), in dem ein Druckraum (5) ausgebildet ist, in dem eine Ventilnadel (3) längsverschiebbar angeordnet ist, die mit einer an der Ventilnadel (3) ausgebildeten Ventildichtfläche (11) mit einem Ventilsitz (9) zusammenwirkt, der den Druckraum (5) begrenzt, wobei durch das Zusammenwirken der Ventilnadel (3) mit dem Ventilsitz (9) ein Kraftstoffstrom zu wenigstens einer Einspritzöffnung (7) ermöglicht oder unterbrochen wird, wobei der Kraftstoffstrom zwischen der Ventilnadel (3) und der Wand des Druckraums (5) hindurch zu den Einspritzöffnungen (7) fließt und an der Ventilnadel (3) ein Bund (17) ausgebildet ist, so dass zwischen der Wand des Druckraums (5) und dem Bund (17) eine Spaltdrossel (15) gebildet ist, wobei der Bund (17) eine einlaufseitige Fläche (20) und eine auslaufseitige Fläche (24) aufweist, wobei die einlaufseitige Fläche (20) verrundet oder konisch ausgebildet ist und die Spaltdrossel (15) nur über Teilbereiche des Umfangs ausgebildet ist, die durch seitliche Anschliffe (28) gebildet werden, wobei dort, wo keine Anschliffe (28) vorhanden sind, der Spalt zwischen dem Bund (17) und der Wand des Druckraums (5) so klein ist, dass praktisch eine Dichtung erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Länge (L) der Spaltdrossel (15) zum hydraulischen Durchmesser DHyd größer als 2 und kleiner als 20 ist.
  2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einlaufseitige Fläche (20) im Querschnitt betrachtet mit einem Radius (R) von 0,2 bis 0,3 mm verrundet ist.
  3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich an die einlaufseitige Fläche (20) des Bundes (17) ein zylindrischer Abschnitt (22) anschließt, zwischen dem und der Wand des Druckraums (5) der kleinste Durchflussquerschnitt ausgebildet ist.
  4. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die auslaufseitige Fläche (24) des Bundes (17) durch eine Konusfläche (124; 24') gebildet wird, wobei sich die Konusfläche (124; 24') unmittelbar an den zylindrischen Abschnitt (22) anschließt.
  5. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz der Öffnungswinkel von Konusfläche (124; 24') und zylindrischem Abschnitt (22) 20° bis 30° beträgt.
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