EP2480783B1 - Kraftstoff-einspritzventil für eine brennkraftmaschine - Google Patents

Kraftstoff-einspritzventil für eine brennkraftmaschine Download PDF

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EP2480783B1
EP2480783B1 EP10754337.3A EP10754337A EP2480783B1 EP 2480783 B1 EP2480783 B1 EP 2480783B1 EP 10754337 A EP10754337 A EP 10754337A EP 2480783 B1 EP2480783 B1 EP 2480783B1
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EP
European Patent Office
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injector
needle
hole
nozzle
valve seat
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Wolfgang Gerber
Thomas Hofmann
Uwe Leuteritz
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Continental Automotive GmbH
Original Assignee
Continental Automotive 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

  • the invention relates to a fuel injection valve for an internal combustion engine.
  • a fuel injection valve for an 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.
  • injectors are widely manufactured and used for internal combustion engines, especially for the automotive industry.
  • Such a fuel injection valve consists of the injector body having a nozzle shaft with nozzle annulus, nozzle needle, closing spring, valve seat and spray holes, and an actuator with actuator assembly and transmission mechanism or control hydraulics with control valve for actuating the nozzle needle.
  • actuator come here electromagnetic actuators or piezo actuators in question.
  • the nozzle needle is through sennadel pressed by the closing spring in the valve seat and seals the fuel-filled, high-pressure nozzle annulus opposite the spray holes from.
  • the nozzle needle For injecting fuel into the combustion chamber of the internal combustion engine, the nozzle needle is lifted out of the valve seat by actuation of the actuator and by means of the transfer mechanism or the control hydraulics, thus releasing the injection holes.
  • the high-pressure fuel is injected through the spray holes directly into the associated combustion chamber.
  • a fuel injection valve is for example from the DE 33 03 470 A1 known.
  • the GB 21 98785 A shows a nozzle arrangement of a fuel injection valve with a nozzle blind hole and a nozzle needle, the needle tip has a contoured and expanded needle pin.
  • the DE 33 03 470 A1 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.
  • an injection nozzle is known.
  • the needle tip on a nozzle blind hole in contour and expansion adapted needle pin which projects into the nozzle blind hole and thus reduces a trained between valve seat and spray hole Schadvolumen.
  • the cross-sectional area of the between the nozzle blind hole and needle pin formed annular gap is widened by an annular groove on the Nadelzapfenenberg.
  • Performance and emission behavior of the internal combustion engine depend very much on the accuracy of the individual injections and on the geometric conditions in the nozzle shaft.
  • the accuracy of the injection quantities depends very much on the available pressure and its constancy in the nozzle annulus and the precision of the control and tolerances of the mechanics and in particular of the injection holes. It is a known effect that increases with increasing power density and increasing exhaust gas recirculation rate increasingly deposits formed by coking in the spray holes which negatively affects the required accuracy of the injection and thus performance and emission behavior.
  • the design-related dead volume also referred to below as the void volume which forms between the valve seat and the spray hole exit through the structural conditions and which is filled with fuel
  • the void volume which forms between the valve seat and the spray hole exit through the structural conditions and which is filled with fuel
  • HC emissions hydrocarbon emissions
  • the present invention is therefore based on the object to provide a fuel injection valve, which ensures a permanently improved and consistent performance and emission behavior of the internal combustion engine.
  • the fuel injection valve according to the invention for an internal combustion engine consists of an injector body having a 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 at its base a conical valve seat and in the region of the conical tip of the valve seat a blind hole-shaped recess, also referred to below as nozzle blind hole. From this recess at least one spray hole goes out, the Nozzle ring space below the valve seat with the outer region, ie the respective combustion chamber of the internal combustion engine, connects.
  • the nozzle needle arranged so as to be movable in the longitudinal direction in the receiving bore has an at least partially conical needle tip and in the closed state of the fuel injection valve contacts the needle tip in the valve seat in such a way that it seals the nozzle blind hole and thus the at least one spray hole with respect to the nozzle ring space.
  • the needle tip of the nozzle needle has a shape adapted to the nozzle blind hole in contour and expansion, hereinafter also referred to as needle pin formation, which protrudes into the nozzle blind hole and thus reduces a formed between the valve seat and the injection hole Schadvolumen.
  • the advantages of the subject invention lie in the fact that the HC emissions can also be reduced by the reduced harmful volume.
  • the flow cross section in front of the at least one spray hole is reduced so that it increasingly leads to a cavitating fuel 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 production and dimensional adjustment of the inner contour of the nozzle blind hole and the outer contour of the needle pin of the needle tip of the nozzle needle. Furthermore, 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 lift of the nozzle needle and thus provides an additional way of influencing the fuel metering by varying the flow rate.
  • the cross-sectional area of the annular gap formed between the nozzle blind hole of the valve seat and the needle pin of the needle point is at least locally widened by at least one partial depression in the needle pin wall, in the nozzle pocket hole wall or both. 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 fuel flow in the annular gap and the spray holes.
  • the partial depressions in the nozzle sack hole wall and the needle journal wall are designed as punctiform, crater-shaped, dellen-shaped or spherical-segment-shaped recesses.
  • Other possibilities of shaping the depressions are also included here, provided that they fall under the claimed subject matter.
  • the above-mentioned partial depressions are arranged at the level of the at least one injection hole or, viewed from the nozzle tip, above it. With respect to the needle pin this is true when the valve is closed. As a result, there is the local extension of the annular gap between the nozzle blind hole and the needle pin in the flow direction of the fuel between the valve seat and the spray holes, which increases the cavitation of the fuel flow before and in the spray holes and thus the self-cleaning effect.
  • the cross-sectional area of the annular gap formed between the inner contour of the nozzle blind hole of the valve seat and the outer contour of the needle pin of the needle tip, in the open state of the fuel injection valve smaller than the outlet cross-sectional area of the at least one spray hole or possibly the sum of the outlet cross-sectional areas all spray holes emanating from the nozzle blind hole of the valve seat.
  • FIG. 1 shows the nozzle stem portion 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, since they are irrelevant to the invention.
  • 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.
  • 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.
  • the tightest possible seat of the nozzle needle 6 is ensured in the receiving bore 3.
  • the nozzle needle 6 has a reduced outer diameter relative to the inner diameter of the receiving bore 3, so that a nozzle annular space 3 a 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 groove-shaped extension and is connected via a fuel inlet bore 3b with a high-pressure fuel accumulator, not shown, of the injection system.
  • a 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 accumulator.
  • the nozzle needle 6 has a further gradation and a conical needle tip 7.
  • FIG. 1 X marked area of the needle tip 7 and the valve seat 4 is in FIG. 2 shown enlarged 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 only a linear contact between the needle tip 7 and valve seat 4 and thus to increased surface pressure and tight sealing of the nozzle annulus 3a in this area.
  • the cone-shaped 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.
  • dome-shaped Around this nozzle blind hole 8 around the nozzle shaft 2 is formed dome-shaped. This formation is referred to hereinafter as nozzle tip 2a.
  • 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, 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 on a peg-shaped formation, which is hereinafter referred to as needle pin 9.
  • the needle pin 9 is formed in its outer contour and its extent so that it protrudes in the closed state of the fuel injection valve in the nozzle blind 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 dimensioned such that, in the opened state of the fuel injection valve, it is smaller than the sum of the outlet cross-sectional areas of all the injection holes 5 emanating from the nozzle blind hole 8 of the valve seat 4. This causes, that forms a cavitating fuel flow, which is suitable to prevent deposits in the annular gap and the spray holes or even remove existing deposits.
  • FIG. 2 shows a pairing of the needle pin 9 and nozzle blind hole 8 with a substantially cylindrical contour and crown-shaped conclusion. This causes that at small opening strokes of the nozzle needle 6, the cross-sectional area of the annular gap does not change and thus always the same flow conditions in the nozzle blind hole 8 and spray holes 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 cross-sectional area increases in front of the spray holes 5 and the flow rate and thus the injection rate increase.
  • FIG. 3 an alternative embodiment of needle pin 9 and nozzle blind hole 8 is shown.
  • FIG. 3 shows first coming from the valve seat 4 ago, in the direction of needle end, a frusto-conical or conical contour of the nozzle blind hole 8 and the needle pin 9.
  • 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 shows how FIG. 3 a needle pin 9 and a nozzle blind hole 8 with truncated cone contour.
  • two pin-pin grooves 11 and 12 were added to the truncated cone contour of the needle pin on the circumference.
  • the lower needle-pin groove 12 in the figure is located on the truncated cone of the needle pin 9 approximately at a height such that it is arranged directly opposite the inlet opening of the two marked injection holes 5 when the fuel injection valve is closed.
  • the second, upper needle-pin groove 11 is located at a small distance above the first needle-pin groove 12.
  • annular grooves of the fuel flow in the annular gap between the needle pin 9 and nozzle hole 8 is additionally swirled, whereby the tendency of the fuel flow to cavitate and thus the cleaning effect is increased in the annular gap and the spray holes 5.
  • a needle pin 9 with two annular grooves 11, 12 is shown, however, configurations with only one annular groove or with more than two annular grooves are also possible.
  • 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 shows how FIG. 3 a needle pin 9 and a nozzle blind hole 8 with truncated cone contour.
  • a plurality of punctiform depressions 14, 15 were arranged both on the truncated cone contour of the needle pin and on the inner wall of the nozzle bag hole on the circumference.
  • the needle-pin recesses 14 are embodied here as ball-shaped recesses
  • the nozzle-blind hole recesses 15 are shown as crater-shaped recesses.
  • 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.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kraftstoff-Einspritzventil für eine 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 Verbrennungsmotoren 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 Schadstoffausstoß 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 höchste Anforderungen an Material und Produktionstechnik stellen. Im wesentlichen besteht eine solches Kraftstoffeinspritzventil aus dem Injektorkörper der einen Düsenschaft aufweist mit Düsenringraum, Düsennadel, Schließfeder, Ventilsitz und Spritzlöchern, sowie einer Betätigungsvorrichtung mit Aktuator-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 sennadel durch die Schließfeder in den Ventilsitz gedrückt und dichtet den mit Kraftstoff gefüllten, unter Hochdruck stehenden Düsenringraum gegenüber den Spritzlöchern ab.
  • Zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine wird durch Ansteuerung des Aktuators und mittels der Übertragungsmechanik oder der Steuerhydraulik die Düsennadel aus dem Ventilsitz abgehoben und so die Spritzlöcher 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 A1 bekannt.
  • Die GB 21 98785 A zeigt eine Düsenanordnung eines Kraftstoff-einspritzventils mit einem Düsensackloch und einer Düsennadel, deren Nadelspitze eine in Kontur und Ausdehnung angepassten Nadelzapfen aufweist.
  • Die DE 33 03 470 A1 offenbart eine Einspritzdüse für Verbrennungsmotore 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.
  • Aus der DE 10 2006 033 687 A1 ist eine Einspritzdüse bekannt. Bei dieser Einspritzdüse weist die Nadelspitze eine im Düsensackloch in Kontur und Ausdehnung angepassten Nadelzapfen auf, der in das Düsensackloch hineinragt und so ein zwischen Ventilsitz und Spritzloch ausgebildetes Schadvolumen reduziert. Die Querschnittsfläche des zwischen Düsensackloch und Nadelzapfen gebildeten Ringspalts ist durch eine Ringnut auf dem Nadelzapfenumfang erweitert.
  • Leistungs- und Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine hängen sehr stark von der Genauigkeit der einzelnen Einspritzungen 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 Düsenringraum 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 Leistungsdichte 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 Todvolumen, 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 Brennkraftmaschine. 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 Emissionsverhalten 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 abhängigen Ansprüche.
  • Das erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzventil für eine Brennkraftmaschine besteht aus einem Injektorkörper, der einen Düsenschaft und eine Aufnahmebohrung für eine Düsennadel aufweist, wobei die Aufnahmebohrung als Sackloch ausgebildet ist. Die Aufnahmebohrung bildet im oberen Bereich eine Nadelführung und im Bereich des Düsenschafts einen Düsenringraum und formt an ihrem Grund einen kegelförmigen Ventilsitz sowie im Bereich der Kegelspitze des Ventilsitzes eine sacklochförmige Ausnehmung, im Folgenden auch Düsensackloch genannt. Von dieser Ausnehmung geht zumindest ein Spritzloch aus, das den Düsenringraum unterhalb des Ventilsitzes mit dem Außenbereich, also dem jeweiligen Brennraum der Brennkraftmaschine, verbindet. Die in Längsrichtung beweglich in der Aufnahmebohrung angeordnete Düsennadel weist eine zumindest teilweise kegelförmig ausgebildete Nadelspitze auf und liegt im geschlossenen 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 weist eine dem Düsensackloch in Kontur und Ausdehnung angepasste, im Folgenden auch Nadelzapfen genannte, Ausformung auf, die in das Düsensackloch hineinragt und so ein zwischen Ventilsitz und Spritzloch ausgebildetes Schadvolumen reduziert.
  • Die Vorteile des Erfindungsgegenstandes liegen zum Einen darin, 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 Kraftstoffströmung in den Spritzlöchern kommt, was den Ablagerungen in den Spritzlöchern entgegen wirkt. Auf diese Weise wird ein gleichbleibend hohes Leistungsniveau der Brennkraftmaschine erzielt.
  • Das Düsensackloch ist zumindest teilweise kegelförmig ausgebildet und weist einen kleineren Kegelwinkel auf als der Ventilsitz selbst. Dies ermöglicht eine vereinfachte Fertigung und maßliche Abstimmung der Innenkontur des Düsensacklochs 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 ausgebildete Strömungsquerschnitt mit zunehmendem Nadelhub der Düsennadel vergrößert und so eine zusätzliche Möglichkeit der Beeinflussung der Kraftstoffdosierung durch Variation der Durchflussmenge bietet.
  • Erfindungsgemäß ist die Querschnittsfläche des zwischen Düsensackloch des Ventilsitzes und Nadelzapfen der Nadelspitze gebildeten Ringspaltes durch zumindest eine partielle Vertiefung in der Nadelzapfenwand, in der Düsensacklochwand oder beides, stellenweise örtlich erweitert . Dies bewirkt eine zusätzliche Verwirbelung der Kraftstoffströmung im Ringspalt zwischen Nadelzapfen und Düsensackloch und verstärkt den selbstreinigenden Effekt der Kraftstoffströmung im Ringspalt und den Spritzlöchern.
  • Die partiellen Vertiefungen in Düsensacklochwand und Nadelzapfenwand sind als punktuelle, kraterförmige, dellenförmige oder kugelabschnittförmige Vertiefungen ausgeführt. Auch andere Möglichkeiten der Formgebung der Vertiefungen, die ggf. in direktem Zusammenhang mit dem jeweiligen Herstellungsverfahren stehen, seien hier mit eingeschlossen, vorausgesetzt dass sie unter dem beanspruchten Gegenstand fallen.
  • Des Weiteren sind selbstverständlich auch Kombinationen der vorgenannten Vertiefungen in Düsensacklochwand und Nadelzapfenwand in unterschiedlicher Formgebung und Anordnung ausführbar.
  • Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die oben genannten partiellen Vertiefungen in Höhe des mindestens einen Spritzloches oder, von der Düsenkuppe aus gesehen, darüber 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 zwischen dem Ventilsitz und den Spritzlöchern, was die Kavitation der Kraftstoffströmung vor und in den Spritzlöchern und somit die selbstreinigende Wirkung verstärkt.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes ist die Querschnittsfläche des zwischen der Innenkontur des Düsensacklochs des Ventilsitzes und der Außenkontur des Nadelzapfens der Nadelspitze gebildeten Ringspaltes, im geöffneten Zustand des Kraftstoff-Einspritzventils, kleiner als die Austrittsquerschnittsfläche des mindestens einen Spritzloches oder gegebenenfalls der Summe der Austrittsquerschnittsflächen aller Spritzlöcher die von dem Düsensackloch des Ventilsitzes ausgehen. Diese konstruktive Maßnahme vergrößert den Effekt der kavitierenden Kraftstoffströmung 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 Kraftstoff-Einspritzventils,
    Fig. 2
    eine vergrößerte Darstellung des in Figur 1 mit X bezeichneten Bereichs des Ventilsitzes und der Nadelspitze 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 Nadelzapfenumfang 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 Vertiefungen auf dem Nadelzapfenumfang und dem Düsensacklochumfang. Diese Ausgestaltung fällt unter den beanspruchten Gegenstand.
  • 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 unerheblich 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, gleichzeitig jedoch ein möglichst dichter Sitz der Düsennadel 6 in der Aufnahmebohrung 3 sichergestellt ist. Im unteren Bereich 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 Kraftstoffzulaufbohrung 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 Abstufung 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 linienförmigen 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 Injektorkörpers 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 Düsenschaft 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 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 Kraftstoff 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 Kraftstoff-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 Kraftstoffvolumen wird hier im Weiteren als Schadvolumen 10 bezeichnet.
  • Die Düsennadel 6 weist an ihrer Nadelspitze 7 eine zapfenförmige 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 geschlossenem Zustand des Kraftstoff-Einspritzventils in das Düsensackloch 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 Kraftstoff-Einspritzventils, kleiner ist als die Summe der Austrittsquerschnittsflächen 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 Spritzlöchern zu vermeiden oder gar bereits vorhandene Ablagerungen abzutragen.
  • Figur 2 zeigt eine Paarung von Nadelzapfen 9 und Düsensackloch 8 mit im Wesentlichen zylindrischer Kontur und ballig ausgeformtem Abschluss. Dies bewirkt, dass bei kleinen Öffnungshüben der Düsennadel 6 sich die Querschnittsfläche des Ringspaltes nicht verändert und so immer die gleichen Strömungsverhältnisse 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-Querschnittsfläche vor den Spritzlöchern 5 und die Durchflussrate und somit die Einspritzmenge erhöhen sich.
  • In Figur 3 ist eine alternative Ausgestaltung von Nadelzapfen 9 und Düsensackloch 8 dargestellt. Bei dieser Konfiguration 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 Düsensacklochs 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 Konfiguration 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 werden, oder erhöht werden, bei gleichzeitiger Verringerung der Durchflussrate. Die Möglichkeiten der Beeinflussung des Einspritzvorganges werden dadurch erweitert.
  • Figur 4 zeigt wie Figur 3 einen Nadelzapfen 9 und ein Düsensackloch 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 geschlossenem Kraftstoff-Einspritzventil direkt gegenüber der Eintrittsöffnung der beiden eingezeichneten Spritzlöcher 5 angeordnet ist. Die zweite, obere Nadelzapfen-Ringnut 11 befindet sich mit geringem Abstand oberhalb der ersten Nadelzapfen-Ringnut 12. Durch die Ringnuten wird der Kraftstoffstrom im Ringspalt zwischen Nadelzapfen 9 und Düsensackloch 8 zusätzlich verwirbelt, wodurch die Neigung des Kraftstoffstromes 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 Konfigurationen 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 punktuelle Vertiefungen 14, 15 angeordnet. Die Nadelzapfen-Vertiefungen 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 (3)

  1. 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 kegelförmigen Ventilsitz (4) sowie im Bereich der Kegelspitze des Ventilsitzes ein Düsensackloch (8) aufweist,
    - mit mindestens einem Spritzloch (5), das 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, wobei die Düsennadel (6) in Längsrichtung beweglich in der Aufnahmebohrung (3) angeordnet ist und im geschlossenen 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,
    wobei die Nadelspitze (7) einen dem Düsensackloch (8) in Kontur und Ausdehnung angepassten Nadelzapfen (9) aufweist,
    der in das Düsensackloch (8) des Ventilsitzes (4) hineinragt und so ein zwischen Ventilsitz (4) und Spritzloch (5) ausgebildetes Schadvolumen (10) reduziert, wobei das Düsensackloch (8), das der Ventilsitz (4) aufweist, zumindest teilweise kegelförmig ausgebildet ist und einen kleineren Kegelwinkel aufweist als der Ventilsitz (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des zwischen Düsensackloch(8) des Ventilsitzes und Nadelzapfen (9) der Nadelspitze (7) gebildeten Ringspaltes durch zumindest eine partielle Vertiefung auf dem Nadelzapfenumfang und/oder in dem Düsensacklochumfang stellenweise erweitert ist, wobei die Vertiefung als punktuelle Vertiefung ausgebildet ist.
  2. Kraftstoff-Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Vertiefung (11) bei geschlossenem Zustand des Kraftstoff-Einspritzventils in Höhe des mindestens einen Spritzloches (5) oder, von der Düsenkuppe (2a) aus gesehen, darüber angeordnet ist.
  3. Kraftstoff-Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des zwischen Düsensackloch(8) und Nadelzapfen (9) gebildeten Ringspaltes, im geöffneten Zustand des Kraftstoff-Einspritzventils kleiner ist als die Austrittsquerschnittsfläche 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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