EP2480783A1 - Kraftstoff-einspritzventil für eine brennkraftmaschine - Google Patents

Kraftstoff-einspritzventil für eine brennkraftmaschine

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EP2480783A1
EP2480783A1 EP10754337A EP10754337A EP2480783A1 EP 2480783 A1 EP2480783 A1 EP 2480783A1 EP 10754337 A EP10754337 A EP 10754337A EP 10754337 A EP10754337 A EP 10754337A EP 2480783 A1 EP2480783 A1 EP 2480783A1
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EP
European Patent Office
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nozzle
needle
hole
valve seat
blind hole
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EP10754337A
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English (en)
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Wolfgang Gerber
Thomas Hofmann
Uwe Leuteritz
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Aumovio Germany GmbH
Original Assignee
Continental Automotive Technologies GmbH
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Publication date
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    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/06—Fuel-injection apparatus having means for preventing coking, e.g. of fuel injector discharge orifices or valve needles

Definitions

  • Fuel injection valve for an internal combustion engine The invention relates to a fuel injection valve for ei ⁇ ne internal combustion engine.
  • a fuel injection valve for ei ⁇ ne internal combustion engine.
  • Such a fuel injection valve is used for temporally and quantitatively targeted, direct injection of fuel, gasoline or diesel, in the combustion chamber of a cylinder of an internal combustion engine during operation.
  • Such injectors are manufactured in large volumes for Verbrennungsmo ⁇ motors particularly for the automotive industry and used.
  • Spray holes as well as an actuator with actuator arrangement and transmission mechanism or control hydraulic with control valve for actuating the nozzle needle.
  • actuator here come electromagnetic actuators or piezo actuators in question.
  • the nozzle needle At rest, the nozzle needle is through presses the closing spring into the valve seat and seals the fuel-filled, high-pressure nozzle ring space with respect to the spray holes.
  • For injecting fuel into the combustion chamber of the internal combustion engine is raised by driving the actuator and with ⁇ means of the transmission mechanism or hydraulic control the nozzle needle from the valve seat and so the Spritzlö ⁇ cher released.
  • the high-pressure fuel is injected through the spray holes directly into the associated combustion chamber.
  • Such a fuel injection valve is known for example from DE 33 03 470 AI.
  • DE 33 03 470 AI discloses an injection nozzle for internal combustion engines with a pressure chamber in a valve body and a nozzle needle.
  • the nozzle needle has a sealing cone on which rests in a conical seat of the valve body and the injection ports seals against the pressure chamber.
  • the conical seat of the valve body merges into a blind hole-shaped recess called a well, from which the injection holes originate.
  • the accuracy of the injection quantities depends very much on the available pressure and its constancy in the nozzle ring space as well as the precision of the control as well as tolerances of the mechanics and in particular of the injection holes. It is a known effect that amplifies deposits formed with increasing Leis ⁇ tung dense and increasing exhaust gas recirculation rate by coking in the injection holes which negatively affects the required accuracy of the injection and thus performance and emission behavior.
  • the present invention is therefore an object of the invention to provide a fuel injection valve, which ensures a permanently improved and consistent performance and emissions ⁇ behavior of the internal combustion engine.
  • Internal combustion engine consists of an injector body having ei ⁇ nen nozzle shaft and a receiving bore for a nozzle needle, wherein the receiving bore is formed as a blind hole.
  • the receiving bore forms a needle guide in the upper region and a nozzle annulus in the region of the nozzle stem and forms a cone-shaped valve seat at its base and a blind-hole-shaped recess in the region of the conical tip of the valve seat, also referred to below as nozzle blind hole. From this recess at least one spray hole goes out, the Nozzle annulus below the valve seat with the predominantlybe ⁇ rich, ie the respective combustion chamber of the internal combustion engine, connects.
  • the longitudinally movable in therawboh- tion arranged nozzle needle has an at least partially cone-shaped needle tip, and is located in the ge ⁇ closed state of the fuel injection valve with the needle tip in the valve seat so that the nozzle blind hole and thus the at least one injection hole with respect to the Nozzle ring space seals.
  • the needle tip of the nozzle needle is characterized in that it comprises a nozzle blind hole in contour and extent Toggle matched, even pintle mentioned hereinafter, shaping, which protrudes into the nozzle blind hole and so a Zvi ⁇ 's valve seat and the spray hole formed noxious volume is reduced.
  • the advantages of the subject invention are on the one hand ⁇ in that the reduced emissions and the HC emissions can be reduced.
  • the flow cross-section in front of the at least one spray hole is reduced so that it increasingly leads to a cavitating force ⁇ flow in the spray holes, which counteracts the deposits in the spray holes. In this way, a consistently high level of performance of the internal combustion engine is achieved.
  • the nozzle blind hole is at least partially conical and has a smaller cone angle than the valve seat itself.
  • This allows a simplified Ferti ⁇ supply and dimensional adjustment of the inner contour of the Düsensack- hole and the outer contour of the needle pin of the needle tip of the nozzle needle.
  • this configuration allows that between the inner contour of the nozzle blind hole and the outer contour of the needle pin through the annular gap formed ⁇ flow cross-section increases with increasing needle stroke of Dü ⁇ sennadel and thus provides an additional way of influencing the fuel metering by varying the flow rate.
  • a further advantageous embodiment of the invention Jacobs ⁇ tandes is characterized in that the Queritessflä ⁇ surface of the intermediate nozzle blind hole of the valve seat and Nadelzap- the needle tip ring gap formed fen by at least sensacklochwand or a partial recess in the needle journal wall in the due-both places locally expanded is. This causes an additional turbulence of the fuel flow ⁇ in the annular gap between the needle pin and the nozzle blind hole and enhances the self-cleaning effect of
  • the partial recesses in the nozzle sack hole wall and the pin journal wall are designed in a special design as an annular groove over the circumference. This is an advantage, especially in terms of ease of manufacture.
  • the partial recesses in the nozzle sack hole wall and the pin wall can be used as punctual, crater-shaped walls. ge, dellenförmige or spherical section depressions be executed. Other possibilities of shaping the depressions, which are possibly directly related to the respective production process, are also included here.
  • the cross-sectional area of the between the in ⁇ inner contour of the nozzle blind hole of the valve seat and the exterior formed contour of the needle pin of the needle tip Ringspal ⁇ tes, in the open state of the fuel injection valve is smaller than the outlet cross sectional area of the at least one spray hole or where appropriate the sum of ⁇ from occurs cross-sectional areas of all the injection holes extending from the due-sensackloch the valve seat.
  • FIG. 1 is a sectional view of the nozzle shaft portion of a fuel injection valve according to the invention
  • FIG. 2 is an enlarged view of the ⁇ be recorded in Figure 1 with X region of the valve seat and the needle tip of the nozzle needle ⁇ in section
  • 3 shows a further sectional view of the region designated by X in FIG. 1 with a conical configuration of the needle journal,
  • FIG. 4 shows a further sectional illustration of the region designated by X in FIG. 1 with a conical configuration of the needle journal and additional annular grooves on the needle journal circumference and on the circumference of the nozzle blind hole and
  • Fig. 5 is a further sectional view of the designated in Figure 1 with X area with a conical configuration of the needle pin and additional punctual Vertie ⁇ tions on the Nadelzapfenhold and the nozzle bag Iochrely.
  • FIG. 1 shows the nozzle shaft region of a fuel injection valve. Shown are the injector body 1 and the nozzle needle 6. The other components of a fuel injection valve, such as the actuator with actuator assembly and transmission mechanism or control hydraulic control valve for actuating the nozzle needle are not shown here, as they unerheb ⁇ Lich for the invention are.
  • the injector body 1 has a blind hole-shaped receiving bore 3 for the nozzle needle 6. At the lower end, ie at the bottom of the blind-hole-shaped receiving bore 3 of the injector body 1, a conical valve seat 4 is formed.
  • the nozzle needle 6 has a multi-stepped diameter. In the upper region, the outer diameter of the nozzle needle corresponds approximately to the inner diameter of the receiving bore 3 of the injector body 1 such that a sliding guidance of the nozzle needle 6 in the receiving bore 3 is ensured. 0
  • the nozzle needle In the lower Be ⁇ rich 6, the nozzle needle to a relation to the inner diameter of the receiving bore 3 reduced outer diameter, so that a nozzle annulus 3a is formed in the region of the nozzle shaft 2 between the nozzle needle 6 and the injector body. 1
  • the nozzle annulus 3a has in its upper region an annular grooved extension and is connected via a fuel inlet bore ⁇ 3b with an unillustrated high-pressure fuel reservoir of the fuel injection system. About the fuel inlet bore 3b of the nozzle annulus 3a is filled with fuel and acted upon by the operating pressure of the high-pressure fuel storage.
  • the nozzle needle 6, At its lower end, the nozzle needle 6, a further Ab ⁇ gradation and a conical needle tip 7 on.
  • This marked in Figure 1 with X area of the needle tip 7 and the valve seat 4 is shown enlarged in Figure 2 as a section. It can be seen that here the cone angle of the needle tip 7 is slightly larger than the cone angle of the valve seat 4. This results in a linear contact between needle tip 7 and valve seat 4 and thus an increased surface pressure and tight sealing of the nozzle annulus 3a in this area.
  • the conical valve seat 4 in the nozzle shaft 2 of the injector ⁇ body 1 is widened in its tip with a blind hole-shaped recess, which is also referred to here as the nozzle blind hole 8.
  • a blind hole-shaped recess which is also referred to here as the nozzle blind hole 8.
  • This nozzle blind hole 8 around the nozzle Schaff 2 is formed dome-shaped. This formation is referred to hereinafter as nozzle tip 2a.
  • the injection holes 5 In the region of the nozzle tip 2a are through the wall of the nozzle tip 2a extending bores, the injection holes 5, the connection between the nozzle blind hole 8 and the outer space of _
  • Nozzle shaft 2 so in the installed state produce a combustion chamber of the internal combustion engine. If the valve is opened, that is to say the nozzle needle 6 is lifted off the valve seat 4, the high pressure applied in the nozzle annulus causes fuel to be injected through the injection holes 5 into a combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the nozzle needle 6 has at its needle point 7 a spigot-shaped formation, which is referred to hereinafter as a needle pin 9.
  • the needle pin 9 is formed in its outer contour and its extent so that it protrudes in closed ⁇ nem state of the fuel injection valve in the nozzle bag hole ⁇ 8 on the inside of the nozzle tip 2a. In this way, the harmful volume between the needle tip 7 and nozzle blind hole 8 is significantly reduced.
  • the dimensional coordination between the needle pin 9 and nozzle blind hole 8 is chosen so that a sufficiently large annular gap between the needle pin 9 and nozzle blind hole 8 is ensured for the required fuel flow during fuel injection, ie in the open state of the fuel injection valve.
  • the cross-sectional area of the annular gap is so dimensioned that it, in the opened state of the motor ⁇ material injection valve is smaller than the sum of the off ⁇ takes cross-sectional areas of all the injection holes 5 extending from the nozzle blind hole 8 of the valve seat. 4 This causes, that forms a kavitierende fuel flow, which is adapted to prevent deposits in the annular gap and the injection ⁇ holes or even remove already existing deposits.
  • FIG. 2 shows a pairing of needle spigot 9 and nozzle sack hole 8 with a substantially cylindrical contour and crown-shaped end. This causes the cross-sectional area of the annular gap does not change and small Publ ⁇ voltage strokes of the nozzle needle 6 is always the same Strö ⁇ flow conditions in the nozzle 8 and the blind hole injection openings 5 are present. Only at much larger nozzle needle strokes, as soon as the needle pin 9 is almost completely withdrawn from the nozzle blind hole 8, the flow area cross-sectional area increases in front of the spray holes 5 and the flow rate and so ⁇ increase with the injection quantity.
  • FIG. 3 shows an alternative embodiment of needle pin 9 and nozzle blind hole 8.
  • FIG. 3 shows first, coming from the valve seat 4, in the direction of the needle pin end, a frustoconical or conical contour of the nozzle blind hole 8 and the needle pin 9.
  • the truncated cone is then adjoined by a cone in which the needle pin or the nozzle blind hole ends , Needle pin 9 and nozzle blind hole 8 are again dimensionally coordinated so that between them, even in the illustrated closed state of the fuel injection valve remains an annular gap.
  • the annular gap increases with increasing needle stroke when opening the valve.
  • FIG. 4 like FIG. 3, shows a needle pin 9 and a nozzle blind hole 8 with a truncated cone contour.
  • two pin-pin grooves 11 and 12 were added to the truncated cone contour of the needle pin on the circumference.
  • needle pin-ring groove 12 is located on the truncated cone of the needle pin 9 approximately at a height that it is located at ge ⁇ enfinem fuel injection valve directly opposite the inlet opening of the two drawn spray holes.
  • the second, upper needle pin-ring groove 11 be ⁇ is found at a small distance above the first needle pin-ring groove 12. Due to the annular grooves of the fuel ⁇ stream is additionally swirled in the annular gap between the needle pin 9 and nozzle blind hole 8, whereby the inclination of the fuel ⁇ To cavit current and thus the cleaning effect in the annular gap and the spray holes 5 is increased.
  • a needle pin 9 is shown with two annular grooves 11, 12, but it is also possible embodiments with only one annular groove or with more than two annular grooves.
  • a nozzle blind hole annular groove 15 is arranged on the circumference of the nozzle blind hole wall, which extends between the spray holes 5 and the valve seat 4 over the circumference of the nozzle blind hole 8.
  • FIG. 5 like FIG. 3, shows a needle pin 9 and a nozzle blind hole 8 with a truncated cone contour.
  • several huiuel ⁇ le recesses 14, 15 were disposed on both the truncated cone contour of the needle pin as well as on the inner wall of the nozzle blind hole on the circumference.
  • the Nadelzapfen-Vertief ⁇ ments 14 are exemplified here as a spherical segment-shaped recesses, the nozzle blind hole recesses 15 are shown as crater-shaped depressions.
  • These two Embodiments of the recesses are shown here 5 representatively for further possible forms of the recesses, which may possibly result from different manufacturing processes.

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Abstract

Das Kraftstoff-Einspritzventil dient zum zeitlich und mengenmäßig gezielten, direkten einspritzen von Kraftstoff, Benzin oder Diesel, in den Brennraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine im Betrieb. Das Kraftstoff-Einspritzventil weist einen Injektorkörper (1) mit einer Aufnahmebohrung (3) für eine Düsennadel (6) auf, wobei die Aufnahmebohrung (3) als Sackloch ausgebildet ist. Die Aufnahmebohrung bildet einen Düsenringraum (3a) im Düsenschaft (2) und formt an ihrem Grund einen kegelförmigen Ventilsitz (4) sowie im Bereich der Kegelspitze des Ventilsitzes ein Düsensackloch (8), von dem zumindest ein Spritzloch (5) ausgeht. Die in Längsrichtung beweglich in der Aufnahmebohrung (3) angeordnete Düsennadel (6) weist eine zumindest teilweise kegelförmig ausgebildete Nadelspitze (7) auf und dichtet das Düsensackloch (8) und somit das mindestens eine Spritzloch (5) gegenüber dem Düsenringraum (3a) ab. Die Nadelspitze (7) der Düsennadel (6) ist dadurch gekennzeichnet, dass sie einen dem Düsensackloch (8) im Ventilsitz (4) in Kontur und Ausdehnung angepassten Nadelzapfen (9) aufweist, der in das Düsensackloch (8) hineinragt und so ein zwischen Ventilsitz (4) und Spritzloch (5) ausgebildetes Schadvolumen (10) reduziert.

Description

Beschreibung
Kraftstoff-Einspritzventil für eine Brennkraftmaschine. Die Erfindung betrifft ein Kraftstoff-Einspritzventil für ei¬ ne Brennkraftmaschine. Ein solches Kraftstoff-Einspritzventil dient zum zeitlich und mengenmäßig gezielten, direkten einspritzen von Kraftstoff, Benzin oder Diesel, in den Brennraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine im Betrieb. Solche Einspritzventile werden in großem Umfang für Verbrennungsmo¬ toren insbesondere für die Automobilindustrie hergestellt und eingesetzt .
Insbesondere in diesem technischen Anwendungsgebiet sehen sich die Entwickler und Hersteller ständig steigenden Anforderungen in Bezug auf den Wirkungsgrad und den Schadstoffaus¬ stoß der Verbrennungsmotoren im Betrieb konfrontiert. Dies resultiert auch in ständig steigenden Anforderungen an Präzision, Qualität und Funktionsweise der einzelnen Komponenten der Einspritztechnik und hier insbesondere der Kraftstoff- Einspritzventile, über die gesamte Lebensdauer z. b. eines Fahrzeugs .
Aktuell zur Verfügung stehende Kraftstoff-Einspritzventile sind hochkomplexe elektromechanische Vorrichtungen, die höch¬ ste Anforderungen an Material und Produktionstechnik stellen. Im wesentlichen besteht eine solches Kraftstoffeinspritzven¬ til aus dem Injektorkörper der einen Düsenschaft aufweist mit Düsenringraum, Düsennadel, Schließfeder, Ventilsitz und
Spritzlöchern, sowie einer Betätigungsvorrichtung mit Aktua- tor-Anordnung und Übertragungsmechanik oder Steuerhydraulik mit Steuerventil zur Betätigung der Düsennadel. Als Aktuator kommen hier elektromagnetische Stellantriebe oder auch Piezo- Aktuatoren in Frage. Im Ruhezustand wird die Düsennadel durch die Schließfeder in den Ventilsitz gedrückt und dichtet den mit Kraftstoff gefüllten, unter Hochdruck stehenden Düsen- ringraum gegenüber den Spritzlöchern ab. Zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine wird durch Ansteuerung des Aktuators und mit¬ tels der Übertragungsmechanik oder der Steuerhydraulik die Düsennadel aus dem Ventilsitz abgehoben und so die Spritzlö¬ cher freigegeben. Der unter Hochdruck stehende Kraftstoff wird durch die Spritzlöcher direkt in den zugehörigen Brennraum eingespritzt. Eine solches Kraftstoff-Einspritzventil ist beispielsweise aus der DE 33 03 470 AI bekannt.
Die DE 33 03 470 AI offenbart eine Einspritzdüse für Verbren- nungsmotore mit einer Druckkammer in einem Ventilkörper und einer Düsennadel. Die Düsennadel weist einen Dichtkegel auf der in einem Kegelsitz des Ventilkörpers anliegt und die Spritzlöcher gegenüber der Druckkammer abdichtet. Der Kegelsitz des Ventilkörpers geht in eine als Brunnen bezeichnete sacklochförmige Ausnehmung über, von der die Spritzlöcher ausgehen .
Leistungs- und Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine hän¬ gen sehr stark von der Genauigkeit der einzelnen Einspritzun- gen und von den geometrischen Gegebenheiten im Düsenschaft ab .
Die Genauigkeit der Einspritzmengen hängt sehr stark von dem zur Verfügung stehenden Druck und dessen Konstanz im Düsen- ringraum sowie der Präzision der Ansteuerung als auch von Toleranzen der Mechanik und hier insbesondere der Spritzlöcher ab. Es ist ein bekannter Effekt, dass bei steigender Leis¬ tungsdichte und zunehmender Abgasrückführungsrate verstärkt Ablagerungen durch Verkokungen in den Spritzlöchern gebildet werden, die die geforderte Genauigkeit der Einspritzung und somit Leistungs- und Emissionsverhalten negativ beeinflusst.
Weiterhin ist bekannt, dass das konstruktiv bedingte Todvolu- men, im Folgenden auch Schadvolumen genannt, das sich zwischen dem Ventilsitz und dem Spritzlochausgang durch die konstruktiven Gegebenheiten ausbildet und das mit Kraftstoff gefüllt ist, negativen Einfluss hat, insbesondere auf die Kohlenwasserstoff-Emissionen (HC-Emissionen) der Brennkraft- maschine. Mit Zunahme des Schadvolumens steigen die HC- Emissionen infolge Ausdampfens des Kraftstoffes aus den
Spritzlöchern in den Brennraum nach dem Einspritzvorgang.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Kraftstoff-Einspritzventil anzugeben, das ein dauerhaft verbessertes und gleichbleibendes Leistungs- und Emissions¬ verhalten der Brennkraftmaschine gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch ein Kraftstoff-Einspritzventil mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der ab¬ hängigen Ansprüche. Das erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzventil für eine
Brennkraftmaschine besteht aus einem Injektorkörper, der ei¬ nen Düsenschaft und eine Aufnahmebohrung für eine Düsennadel aufweist, wobei die Aufnahmebohrung als Sackloch ausgebildet ist. Die Aufnahmebohrung bildet im oberen Bereich eine Nadel- führung und im Bereich des Düsenschafts einen Düsenringraum und formt an ihrem Grund einen kegelförmigen Ventilsitz sowie im Bereich der Kegelspitze des Ventilsitzes eine sacklochför- mige Ausnehmung, im Folgenden auch Düsensackloch genannt. Von dieser Ausnehmung geht zumindest ein Spritzloch aus, das den Düsenringraum unterhalb des Ventilsitzes mit dem Außenbe¬ reich, also dem jeweiligen Brennraum der Brennkraftmaschine, verbindet. Die in Längsrichtung beweglich in der Aufnahmeboh- rung angeordnete Düsennadel weist eine zumindest teilweise kegelförmig ausgebildete Nadelspitze auf und liegt im ge¬ schlossenen Zustand des Kraftstoff-Einspritzventils mit der Nadelspitze im Ventilsitz so an, dass sie das Düsensackloch und somit das mindestens eine Spritzloch gegenüber dem Düsenringraum abdichtet.
Die Nadelspitze der Düsennadel ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine dem Düsensackloch in Kontur und Ausdehnung an- gepasste, im Folgenden auch Nadelzapfen genannte, Ausformung aufweist, die in das Düsensackloch hineinragt und so ein zwi¬ schen Ventilsitz und Spritzloch ausgebildetes Schadvolumen reduziert.
Die Vorteile des Erfindungsgegenstandes liegen zum Einen dar¬ in, dass durch das verringerte Schadvolumen auch die HC- Emissionen reduziert werden können. Zum Anderen wird der Strömungsquerschnitt vor dem zumindest einen Spritzloch so verringert, dass es vermehrt zu einer kavitierenden Kraft¬ stoffStrömung in den Spritzlöchern kommt, was den Ablagerungen in den Spritzlöchern entgegen wirkt. Auf diese Weise wird ein gleichbleibend hohes Leistungsniveau der Brennkraftma- schine erzielt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes ist das Düsensackloch zumindest teilweise kegelförmig ausgebildet und weist einen kleineren Kegelwinkel auf als der Ventilsitz selbst. Dies ermöglicht eine vereinfachte Ferti¬ gung und maßliche Abstimmung der Innenkontur des Düsensack- lochs und der Außenkontur des Nadelzapfens der Nadelspitze der Düsennadel. Des Weiteren ermöglicht diese Ausgestaltung dass sich der zwischen der Innenkontur des Düsensacklochs und der Außenkontur des Nadelzapfens durch den Ringspalt ausge¬ bildete Strömungsquerschnitt mit zunehmendem Nadelhub der Dü¬ sennadel vergrößert und so eine zusätzliche Möglichkeit der Beeinflussung der Kraftstoffdosierung durch Variation der Durchflussmenge bietet.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Erfindungsgegens¬ tandes ist dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsflä¬ che des zwischen Düsensackloch des Ventilsitzes und Nadelzap- fen der Nadelspitze gebildeten Ringspaltes durch zumindest eine partielle Vertiefung in der Nadelzapfenwand, in der Dü- sensacklochwand oder beides, stellenweise örtlich erweitert ist. Dies bewirkt eine zusätzliche Verwirbelung der Kraft¬ stoffStrömung im Ringspalt zwischen Nadelzapfen und Düsen- sackloch und verstärkt den selbstreinigenden Effekt der
KraftstoffStrömung im Ringspalt und den Spritzlöchern.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die oben genannten partiellen Vertiefungen in Höhe des mindestens ei- nen Spritzloches oder, von der Düsenkuppe aus gesehen, darü¬ ber angeordnet ist. In Bezug auf den Nadelzapfen gilt dies bei geschlossenem Ventil gesehen. Dadurch befindet sich die örtliche Erweiterung des Ringspaltes zwischen Düsensackloch und Nadelzapfen in Strömungsrichtung des Kraftstoffes zwi- sehen dem Ventilsitz und den Spritzlöchern, was die Kavitation der KraftstoffStrömung vor und in den Spritzlöchern und somit die selbstreinigende Wirkung verstärkt.
Die partiellen Ausnehmungen in Düsensacklochwand und Nadel- zapfenwand sind in einer speziellen Ausführung als Ringnut über den Umfang ausgeführt. Dies ist, besonders in Bezug auf 20 einfache Herstellung gesehen, von Vorteil.
Alternativ dazu können die partiellen Vertiefungen in Düsensacklochwand und Nadelzapfenwand als punktuelle, kraterförmi- ge, dellenförmige oder kugelabschnittförmige Vertiefungen ausgeführt sein. Auch andere Möglichkeiten der Formgebung der Vertiefungen, die ggf. in direktem Zusammenhang mit dem jeweiligen Herstellungsverfahren stehen, seien hier mit einge- schlössen.
Des Weiteren sind selbstverständlich auch Kombinationen der vorgenannten Vertiefungen in Düsensacklochwand und Nadelzap¬ fenwand in unterschiedlicher Formgebung und Anordnung aus- führbar.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes ist die Querschnittsfläche des zwischen der In¬ nenkontur des Düsensacklochs des Ventilsitzes und der Außen- kontur des Nadelzapfens der Nadelspitze gebildeten Ringspal¬ tes, im geöffneten Zustand des Kraftstoff-Einspritzventils , kleiner als die Austrittsquerschnittsfläche des mindestens einen Spritzloches oder gegebenenfalls der Summe der Aus¬ trittsquerschnittsflächen aller Spritzlöcher die von dem Dü- sensackloch des Ventilsitzes ausgehen. Diese konstruktive
Maßnahme vergrößert den Effekt der kavitierenden Kraftstoff¬ strömung und verbessert so das nselbstreinigende" Verhalten in den Spritzlöchern. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Darstellungen in der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittdarstellung des Düsenschaftbereichs eines erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzventils ,
Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des in Figur 1 mit X be¬ zeichneten Bereichs des Ventilsitzes und der Nadel¬ spitze der Düsennadel in Schnittdarstellung, Fig. 3 eine weitere Schnittdarstellung des in Figur 1 mit X bezeichneten Bereiches mit kegelförmiger Ausgestaltung des Nadelzapfens,
Fig. 4 eine weitere Schnittdarstellung des in Figur 1 mit X bezeichneten Bereiches mit kegelförmiger Ausgestaltung des Nadelzapfens und zusätzlichen Ringnuten am Nadel- zapfenumfang und auf dem Umfang des Düsensacklochs und
Fig. 5 eine weitere Schnittdarstellung des in Figur 1 mit X bezeichneten Bereiches mit kegelförmiger Ausgestaltung des Nadelzapfens und zusätzlichen punktuellen Vertie¬ fungen auf dem Nadelzapfenumfang und dem Düsensack- Iochumfang .
Funktions- und Benennungsgleiche Teile sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt den Düsenschaftbereich eines Kraftstoff-Einspritzventils . Dargestellt sind der Injektorkörper 1 und die Düsennadel 6. Die weiteren Bestandteile eines Kraftstoff- Einspritzventils, wie zum Beispiel die Betätigungsvorrichtung mit Aktuator-Anordnung und Übertragungsmechanik oder Steuerhydraulik mit Steuerventil zur Betätigung der Düsennadel sind hier nicht dargestellt, da diese für die Erfindung unerheb¬ lich sind. Der Injektorkörper 1 weist eine sacklochförmige Aufnahmebohrung 3 für die Düsennadel 6 auf. Am unteren Ende, also am Grund der sacklochförmigen Aufnahmebohrung 3 des Injektorkörpers 1 ist ein kegelförmiger Ventilsitz 4 ausgebildet Die Düsennadel 6 weist einen mehrfach abgestuften Durchmesser auf. Im oberen Bereich entspricht der Außendurchmesser der Düsennadel in etwa dem Innendurchmesser der Aufnahmebohrung 3 des Injektorkörpers 1 derart, dass eine gleitende Führung der Düsennadel 6 in der Aufnahmebohrung 3 gewährleistet ist, 0
o gleichzeitig jedoch ein möglichst dichter Sitz der Düsennadel 6 in der Aufnahmebohrung 3 sichergestellt ist. Im unteren Be¬ reich weist die Düsennadel 6 einen gegenüber dem Innendurchmesser der Aufnahmebohrung 3 reduzierten Außendurchmesser auf, so dass zwischen Düsennadel 6 und Injektorkörper 1 ein Düsenringraum 3a im Bereich des Düsenschafts 2 ausgebildet ist. Der Düsenringraum 3a weist in seinem oberen Bereich eine ringnutförmige Erweiterung auf und ist über eine Kraftstoff¬ zulaufbohrung 3b mit einem nicht dargestellten Hochdruck- KraftstoffSpeicher der Einspritzanlage verbunden. Über die Kraftstoffzulaufbohrung 3b wird der Düsenringraum 3a mit Kraftstoff befüllt und mit dem Betriebsdruck des Hochdruck- KraftstoffSpeichers beaufschlagt . An ihrem unteren Ende weist die Düsennadel 6 eine weitere Ab¬ stufung und eine kegelförmige Nadelspitze 7 auf. Dieser in Figur 1 mit X gekennzeichnete Bereich der Nadelspitze 7 und des Ventilsitzes 4 ist in Figur 2 als Ausschnitt vergrößert dargestellt. Es ist zu erkennen, dass hier der Kegelwinkel der Nadelspitze 7 geringfügig größer ist als der Kegelwinkel des Ventilsitzes 4. Dadurch kommt es zu einer nur linienför- migen Berührung zwischen Nadelspitze 7 und Ventilsitz 4 und somit zu einer erhöhten Flächenpressung und zum dichten Abschließen des Düsenringraumes 3a in diesem Bereich.
Der kegelförmige Ventilsitz 4 im Düsenschaft 2 des Injektor¬ körpers 1 ist in seiner Spitze mit einer sacklochförmigen Ausnehmung erweitert, die hier auch als Düsensackloch 8 bezeichnet wird. Um dieses Düsensackloch 8 herum ist der Düsen- schaff 2 kuppenförmig ausgeformt. Diese Ausformung wird im Weiteren hier auch als Düsenkuppe 2a bezeichnet. Im Bereich der Düsenkuppe 2a befinden sich durch die Wand der Düsenkuppe 2a verlaufende Bohrungen, die Spritzlöcher 5, die eine Verbindung zwischen dem Düsensackloch 8 und dem Außenraum des _
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Düsenschafts 2, also im eingebauten Zustand einem Brennraum der Brennkraftmaschine herstellen. Wird das Ventil geöffnet, also die Düsennadel 6 vom Ventilsitz 4 abgehoben, so bewirkt der in dem Düsenringraum anliegende Hochdruck, dass Kraft- Stoff durch die Spritzlöcher 5 in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
Zwischen der Nadelspitze 7 und dem Ventilsitz 4 sowie dem Düsensackloch 8 bis zur Austrittsöffnung der Spritzlöcher 5 entsteht ein Raum, der im geschlossenen Zustand des Kraft¬ stoff-Einspritzventils durch den Dichtsitz der Düsennadel 6 gegenüber dem Düsenringraum 3a abgeschlossen. Beim Schließen des Ventils nach einem Einspritzvorgang bleibt dieser Raum mit Kraftstoff gefüllt. Das so eingeschlossene Kraftstoffvo- lumen wird hier im Weiteren als Schadvolumen 10 bezeichnet.
Die Düsennadel 6 weist an ihrer Nadelspitze 7 eine zapfenför- mige Ausformung auf, die hier im Weiteren als Nadelzapfen 9 bezeichnet wird. Der Nadelzapfen 9 ist in seiner Außenkontur und seiner Ausdehnung so ausgebildet, dass er in geschlosse¬ nem Zustand des Kraftstoff-Einspritzventils in das Düsensack¬ loch 8 auf der Innenseite der Düsenkuppe 2a hineinragt. Auf diese Weise wird das Schadvolumen zwischen Nadelspitze 7 und Düsensackloch 8 erheblich verringert. Die maßliche Abstimmung zwischen Nadelzapfen 9 und Düsensackloch 8 ist dabei so gewählt, dass ein für den erforderlichen Kraftstoffdurchfluss bei der Kraftstoffeinspritzung, also im geöffneten Zustand des Kraftstoff-Einspritzventils , ausreichend großer Ringspalt zwischen Nadelzapfen 9 und Düsensackloch 8 gewährleistet ist. Andererseits ist die Querschnittsfläche des Ringspaltes so dimensioniert, dass diese, im geöffneten Zustand des Kraft¬ stoff-Einspritzventils , kleiner ist als die Summe der Aus¬ trittsquerschnittsflächen aller Spritzlöcher 5 die von dem Düsensackloch 8 des Ventilsitzes 4 ausgehen. Dies bewirkt, dass sich eine kavitierende KraftstoffStrömung ausbildet, die dazu geeignet ist, Ablagerungen im Ringspalt und den Spritz¬ löchern zu vermeiden oder gar bereits vorhandene Ablagerungen abzutragen .
Figur 2 zeigt eine Paarung von Nadelzapfen 9 und Düsensack- loch 8 mit im Wesentlichen zylindrischer Kontur und ballig ausgeformtem Abschluss. Dies bewirkt, dass bei kleinen Öff¬ nungshüben der Düsennadel 6 sich die Querschnittsfläche des Ringspaltes nicht verändert und so immer die gleichen Strö¬ mungsverhältnisse in Düsensackloch 8 und Spritzlöchern 5 vorliegen. Erst bei wesentlich größeren Düsennadelhüben, sobald der Nadelzapfen 9 nahezu ganz aus dem Düsensackloch 8 zurückgezogen ist, vergrößert sich die Durchfluss-Querschnitts- fläche vor den Spritzlöchern 5 und die Durchflussrate und so¬ mit die Einspritzmenge erhöhen sich.
In Figur 3 ist eine alternative Ausgestaltung von Nadelzapfen 9 und Düsensackloch 8 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform liegt eine im Wesentlichen kegelförmige, kegelstumpfförmige oder konisch verlaufende Kontur vor. Figur 3 zeigt zunächst, von dem Ventilsitz 4 her kommend, in Richtung Nadelzapfenende, eine kegelstumpfförmige oder konische Kontur des Düsen- sacklochs 8 und des Nadelzapfens 9. An den Kegelstumpf schließt sich dann ein Kegel an, in dem der Nadelzapfen bzw. das Düsensackloch enden. Nadelzapfen 9 und Düsensackloch 8 sind wiederum maßlich so aufeinander abgestimmt, dass zwischen ihnen, auch im dargestellten geschlossenen Zustand des Kraftstoff-Einspritzventils ein Ringspalt bestehen bleibt. Bei dieser Ausführung vergrößert sich jedoch der Ringspalt bei zunehmendem Nadelhub beim Öffnen des Ventils. Durch einen entsprechend eingestellten oder gesteuerten Hub der Düsennadel kann hier, je nach Bedarf, die Durchflussrate erhöht und dabei die Kavitationsbildung in der Strömung verringert wer- den, oder erhöht werden, bei gleichzeitiger Verringerung der Durchflussrate. Die Möglichkeiten der Beeinflussung des Ein- spritzvorganges werden dadurch erweitert. Figur 4 zeigt wie Figur 3 einen Nadelzapfen 9 und ein Düsen- sackloch 8 mit Kegelstumpfkontur . Hier wurden jedoch der Kegelstumpfkontur des Nadelzapfens auf dem Umfang noch zwei Nadelzapfen-Ringnuten 11 und 12 zugefügt. Die in der Figur untere Nadelzapfen-Ringnut 12 befindet sich auf dem Kegelstumpf des Nadelzapfens 9 ungefähr in einer Höhe, dass sie bei ge¬ schlossenem Kraftstoff-Einspritzventil direkt gegenüber der Eintrittsöffnung der beiden eingezeichneten Spritzlöcher 5 angeordnet ist. Die zweite, obere Nadelzapfen-Ringnut 11 be¬ findet sich mit geringem Abstand oberhalb der ersten Nadel- zapfen-Ringnut 12. Durch die Ringnuten wird der Kraftstoff¬ strom im Ringspalt zwischen Nadelzapfen 9 und Düsensackloch 8 zusätzlich verwirbelt, wodurch die Neigung des Kraftstoff¬ stromes zu kavitieren und somit die reinigende Wirkung im Ringspalt und den Spritzlöchern 5 erhöht wird. In Figur 4 ist ein Nadelzapfen 9 mit zwei Ringnuten 11, 12 gezeigt, es sind jedoch auch Ausführungen mit nur einer Ringnut oder mit mehr als zwei Ringnuten möglich. Weiterhin ist auf dem Umfang der Düsensacklochwand eine Düsensackloch-Ringnut 15 angeordnet, die zwischen den Spritzlöchern 5 und dem Ventilsitz 4 über den Umfang des Düsensacklochs 8 verläuft.
Figur 5 zeigt wie Figur 3 einen Nadelzapfen 9 und ein Düsensackloch 8 mit Kegelstumpfkontur . Hier wurden jedoch sowohl auf der Kegelstumpfkontur des Nadelzapfens als auch auf der Innenwand des Düsensacklochs auf dem Umfang mehrere punktuel¬ le Vertiefungen 14, 15 angeordnet. Die Nadelzapfen-Vertief¬ ungen 14 sind hier beispielhaft als kugelabschnittsförmige Vertiefungen ausgeführt, die Düsensackloch-Vertiefungen 15 sind als kraterförmige Vertiefungen dargestellt. Diese beiden Ausführungen der Vertiefungen sind hier 5 stellvertretend für weitere mögliche Formen der Vertiefungen aufgezeigt, die sich ggf. durch unterschiedliche Herstellungsverfahren ergeben können .
Alle in den Figuren gezeigten Ausführungen verringern das Schadvolumen 10 gegenüber einer Ventil-Ausführung ohne Nadelzapfen erheblich und tragen so zur Verringerung der Emission von unverbrannten Kohlenwasserstoffen, HC-Emissionen, im Betrieb der Brennkraftmaschine bei.

Claims

Patentansprüche
Kraftstoff-Einspritzventil für eine Brennkraftmaschine, mit einem Injektorkörper (1), der einen Düsenschaft (2) und eine Aufnahmebohrung (3) für eine Düsennadel (6) aufweist, wobei die Aufnahmebohrung (3) als Sackloch ausgebildet ist, das einen Düsenringraum (3a) im Düsenschaft (2) formt und das an seinem Grund einen kegel¬ förmigen Ventilsitz (4) sowie im Bereich der Kegelspitze des Ventil-sitzes ein Düsensackloch (8) aufweist, mit mindestens einem Spritzloch (5) , von diesem Düsensackloch (8) ausgeht und den Düsenringraum (3a) unterhalb des Ventilsitzes (4) mit dem Außenbereich verbindet, und mit einer Düsennadel (6), die eine zumindest teilweise kegelförmig ausgebildete Nadelspitze (7) aufweist, wo¬ bei die Düsennadel (6) in Längsrichtung beweglich in der Aufnahmebohrung (3) angeordnet ist und im geschlos¬ senen Zustand des Kraftstoff-Einspritzventils mit der Nadelspitze (7) im Ventilsitz (4) so anliegt, dass sie das Düsensackloch (8) und somit das mindestens eine Spritzloch (5) gegenüber dem Düsenringraum (3a) abdichtet,
dadurch gekennzeichnet, dass die Nadelspitze (7) einen dem Düsensackloch (8) in Kontur und Ausdehnung angepass- ten Nadelzapfen (9) aufweist, der in das Düsensackloch (8) des Ventilsitzes (4) hineinragt und so ein zwischen Ventilsitz (4) und Spritzloch (5) ausgebildetes Schadvo¬ lumen (10) reduziert.
Kraftstoff-Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass das Düsensackloch (8), das der Ven- tilsitz (4) aufweist, zumindest teilweise kegelförmig ausgebildet ist und einen kleineren Kegelwinkel aufweist als der Ventilsitz (4.
Kraftstoff-Einspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, da¬ durch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des zwischen Düsensackloch ( 8 ) des Ventilsitzes und Nadelzap¬ fen (9) der Nadelspitze (7) gebildeten Ringspaltes durch zumindest eine partielle Vertiefung auf dem Nadelzapfen- umfang und/oder in dem Düsensacklochumfang stellenweise erweitert ist.
Kraftstoff-Einspritzventil nach Anspruch 3, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die zumindest eine partielle Vertie¬ fung (11) bei geschlossenem Zustand des Kraftstoff- Einspritzventils in Höhe des mindestens einen Spritzlo¬ ches (5) oder, von der Düsenkuppe (2a) aus gesehen, dar¬ über angeordnet ist.
Kraftstoff-Einspritzventil nach Anspruch 3 oder 4, da¬ durch gekennzeichnet, dass die zumindest eine partielle Vertiefung als Ringnut (11) über den Umfang ausgebildet ist .
Kraftstoff-Einspritzventil nach Anspruch 3 oder 4, da¬ durch gekennzeichnet, dass die zumindest eine partielle Vertiefung als punktuelle Vertiefung ausgebildet ist.
Kraftstoff-Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsflä¬ che des zwischen Düsensackloch ( 8 ) und Nadelzapfen (9) gebildeten Ringspaltes, im geöffneten Zustand des Kraft¬ stoff-Einspritzventils kleiner ist als die Austritt¬ squerschnittsfläche des mindestens einen Spritzloches (5) oder der Summe der Austrittsquerschnittsflächen aller Spritzlöcher (5) die von dem Düsensackloch (8) des Ventilsitzes (4) ausgehen.
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