EP2765303B1 - Ventil zum Einspritzen von Kraftstoff - Google Patents

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EP2765303B1
EP2765303B1 EP14151539.5A EP14151539A EP2765303B1 EP 2765303 B1 EP2765303 B1 EP 2765303B1 EP 14151539 A EP14151539 A EP 14151539A EP 2765303 B1 EP2765303 B1 EP 2765303B1
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region
length
spray hole
inlet
outlet
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Martin Buehner
Kai Gartung
Bernd Siewert
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02M61/18—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for
    • F02M61/1806—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for characterised by the arrangement of discharge orifices, e.g. orientation or size
    • F02M61/1833—Discharge orifices having changing cross sections, e.g. being divergent
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    • F02M61/18—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for
    • F02M61/1806—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for characterised by the arrangement of discharge orifices, e.g. orientation or size
    • F02M61/1846—Dimensional characteristics of discharge orifices
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    • F02M51/061—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using electromagnetic operating means
    • F02M51/0625—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using electromagnetic operating means characterised by arrangement of mobile armatures
    • F02M51/0664—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using electromagnetic operating means characterised by arrangement of mobile armatures having a cylindrically or partly cylindrically shaped armature, e.g. entering the winding; having a plate-shaped or undulated armature entering the winding
    • F02M51/0671—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using electromagnetic operating means characterised by arrangement of mobile armatures having a cylindrically or partly cylindrically shaped armature, e.g. entering the winding; having a plate-shaped or undulated armature entering the winding the armature having an elongated valve body attached thereto

Definitions

  • Valves for injecting fuel are known from the prior art in various configurations.
  • Multi-port nozzles are often used in high-pressure injection valves, in which the fuel is injected through injection holes in a combustion chamber.
  • a diameter of the pilot hole is larger than a diameter of the injection holes.
  • a fuel injection valve is known in which a two-stage gradation is provided. It has now been found that where liquid fuel wets the combustion chamber walls of the engine, undesirable pollutant emissions, in particular soot particles and unburned hydrocarbon emissions, arise.
  • the injected fuel jet In order to avoid this formation of pollutants, the injected fuel jet must have the lowest possible jet penetration depth. A known way to achieve this is to reduce the spray hole length as far as possible (spray hole length ⁇ 0.3 mm). For reasons of structural mechanical strength, however, this possibility is limited. From the JP2010248919 is another injection valve with a stepped spray hole known.
  • the valve according to the invention for injecting fuel with the features of claim 1 has the advantage that even without reducing the spray hole length atomization in the finest drops and a reduced jet penetration depth can be achieved. As a result, improved emissions are achieved.
  • the injection hole according to the invention comprises a total of three areas, namely an inlet area, an outlet area and an intermediate area, which is arranged between the inlet area and the outlet area.
  • the three areas are each cylindrical and a length of the intermediate area in the axial direction of the injection hole is in each case shorter than a length of the inlet area and a length of the outlet area in the axial direction of the injection hole.
  • a length of the intermediate portion in the axial direction of the injection hole is in a range of 1/3 to 1/2 of a length of the discharge portion in the axial direction.
  • a length L2 of the intermediate region is in a range of 40 ⁇ m to 80 ⁇ m, preferably 50 ⁇ m to 70 ⁇ m. More preferably, a diameter D1 of the inlet region in a range of 100 microns to 250 microns, preferably 120 microns to 230 microns. Furthermore, a diameter D3 of the exit region is preferably in a range from 400 ⁇ m to 600 ⁇ m, preferably 420 microns to 580 microns and is more preferably about 470 microns. More preferably, a diameter D2 of the intermediate region in a range of 250 microns to 450 microns, preferably 280 microns to 420 microns.
  • the valve comprises a number of 5 to 10 spray holes.
  • the spray holes are particularly preferably all constructed identically.
  • the valve comprises a spray perforated disk, in which the injection holes are arranged.
  • a length L1 of the entry region is greater than a length L3 of the exit region. More preferably, a length L1 of the inlet region is greater than one half of a total length L of the injection hole. Preferably, the total length L of the injection hole is greater than 0.3 mm.
  • the inlet region, the intermediate region and the outlet region are arranged concentrically to the center axis of the injection hole.
  • the valve according to the invention is preferably used for high-pressure direct injection.
  • valve 1 according to a preferred embodiment of the invention described in detail.
  • the fuel injection valve 1 comprises a plurality of spray holes 2 arranged at an injection-side end of the valve 1.
  • the valve 1 further comprises a valve housing 10, a magnet armature 11 which is connected to a valve needle 17 and 12 has passage openings, and a magnetic coil 13.
  • the valve 1 further comprises a closing spring 14 and an electrical connection 15.
  • a valve seat 6 is at a Valve body 16 is provided.
  • FIG. 1 shows the closed state of the valve. 1
  • FIG. 2 An injection hole 2 according to the invention is shown in detail in FIG. 2 shown.
  • all the injection ports of the valve are constructed the same, but it is also possible that the injection holes 2 are constructed differently.
  • the injection hole 2 comprises exactly one inlet region 21, an intermediate region 22 and an outlet region 23.
  • the intermediate region 22 is arranged in the flow direction A between the inlet region 21 and the outlet region 23.
  • the armature which in FIG. 2 is not shown, it closes the injection hole 2 at an inlet side 3 and gives the inlet side 3 free.
  • the fuel to be injected enters the spray hole at the inlet side 3 and flows through the spray hole 2 in the flow direction A.
  • the fuel then exits again at an outlet side 4 of the spray hole 2. This results in a fanning out of the fuel to be injected into a fuel spray.
  • the inlet region 21 has a first diameter D1 which is smaller than a second diameter D2 of the intermediate region 22 and a third diameter D3 of the outlet region 23.
  • the entrance portion 21 has a length L1 in the axial direction X-X of the injection hole 2, which is larger than a length L2 of the intermediate portion 22 and a length L3 of the exit portion 23.
  • the length L2 of the intermediate portion is the shortest. L designates the total length of the injection hole in the axial direction X-X.
  • the inlet region 21, the intermediate region 22 and the outlet region 23 are each provided cylindrically and concentric with the central axis X-X of the spray hole 2.
  • the construction of the spray hole 2 with exactly three areas thus results in a first paragraph 24 and a second paragraph 25.
  • defined dimensions of the stepped spray hole 2 thus a spray can be generated, due to the geometric dimensions of the intermediate portion 22 due to aerodynamic interactions between the fuel injection jet and the air creates a stable, local low pressure area. This results in a fanning of the exiting fuel jet and improved atomization in the finest droplets.
  • the design of the intermediate region 22 according to the invention also results in the reduction of the jet penetration depth described in the prior art.
  • the two-stage graduated injection hole 2 according to the invention is preferably produced by machining or else by, for example, metal injection molding (MIM) or by laser drilling or by erosion. In this way, in particular a high accuracy of the dimensions of the diameter and the lengths of the three regions in the axial direction X-X of the injection hole can be ensured.
  • MIM metal injection molding

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Description

    Stand der Technik
  • Ventile zum Einspritzen von Kraftstoff sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Bei Hochdruckeinspritzventilen werden häufig Mehrlochdüsen verwendet, bei denen der Kraftstoff durch Spritzlöcher in einen Brennraum eingespritzt wird. Hierbei ist es bekannt, die Spritzlöcher an einem austrittsseitigen Ende mit einer sogenannten Vorstufenbohrung zu versehen, welche bündig zu einer Bauteiloberfläche abschließt. Hierbei ist ein Durchmesser der Vorstufenbohrung größer als ein Durchmesser der Spritzlöcher. Ferner ist aus der DE 199 37 961 A1 ein Kraftstoffeinspritzventil bekannt, bei dem eine zweistufige Abstufung vorgesehen ist. Es hat sich nun herausgestellt, dass dort, wo flüssiger Kraftstoff die Brennraumwände des Motors benetzt, unerwünschte Schadstoffemissionen, insbesondere Rußpartikel und unverbrannte Kohlenwasserstoffemissionen, entstehen. Um diese Schadstoffbildung zu vermeiden, muss der eingespritzte Kraftstoffstrahl eine möglichst geringe Strahleindringtiefe haben. Ein bekannter Weg, um dies zu erreichen, besteht darin, die Spritzlochlänge möglichst weit zu reduzieren (Spritzlochlänge < 0,3 mm). Aus Gründen der strukturmechanischen Festigkeit sind dieser Möglichkeit jedoch Grenzen gesetzt. Aus der JP2010248919 ist ein weiteres Einspritzventil mit einem gestuften Spritzloch bekannt.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Ventil zum Einspritzen von Kraftstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass auch ohne Reduzierung der Spritzlochlänge eine Zerstäubung in feinste Tropfen und eine reduzierte Strahleindringtiefe erreicht werden können. Hierdurch werden verbesserte Abgaswerte erreicht. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass ein Spritzloch einen sich von einer Eintrittsseite zu einer Austrittsseite vergrößernden Querschnitt aufweist. Der Querschnitt vergrößert sich dabei stufenweise in Strömungsrichtung mit genau einem ersten und einem zweiten Absatz. Hierbei umfasst das erfindungsgemäße Spritzloch insgesamt drei Bereiche, nämlich einen Eintrittsbereich, einen Austrittsbereich und einen Zwischenbereich, welcher zwischen dem Eintrittsbereich und dem Austrittsbereich angeordnet ist. Die drei Bereiche sind dabei jeweils zylindrisch ausgebildet und eine Länge des Zwischenbereichs in Axialrichtung des Spritzlochs ist dabei jeweils kürzer als eine Länge des Eintrittsbereichs und eine Länge des Austrittsbereichs in Axialrichtung des Spritzlochs. Durch diese erfindungsgemäße Dimensionierung des Zwischenbereichs erfolgt eine aerodynamische Wechselwirkung zwischen dem Einspritzstrahl und der Luft im und am Bereich des Spritzlochs. Hierdurch entsteht ein stabiles, lokales Unterdruckgebiet, wodurch der eingespritzte Kraftstoffstrahl sehr gut aufgefächert wird und eine Zerstäubung in feinste Tröpfchen unterstützt wird.
  • Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Erfindungsgemäß ist eine Länge des Zwischenbereichs in Axialrichtung des Spritzlochs in einem Bereich von 1/3 bis einer Hälfte einer Länge des Austrittsbereichs in Axialrichtung. Bei Einhaltung dieser Dimension des Zwischenbereichs wurde überraschenderweise eine besonders gute Zerstäubung und eine reduzierte Strahleindringtiefe erhalten.
  • Weiter bevorzugt erfüllt ein Durchmesser des Zwischenbereichs die folgende Ungleichung: D 1 2 + tan 20 ° × 600 µ m − L 1 − L 3 + 20 µ m ≤ D 2 ≤ D 1 2 + tan 20 ° × 600 µ m − L 1 − L 3 + 75 µ m
    Figure imgb0001
    • wobei D1 ein Durchmesser des Eintrittsbereichs des Spritzlochs ist,
    • D2 ein Durchmesser des Zwischenbereichs des Spritzlochs ist, L1 eine Länge des Eintrittsbereichs in Axialrichtung ist und
    • L3 eine Länge des Austrittsbereichs in Axialrichtung ist.
  • Weiter bevorzugt ist eine Länge L2 des Zwischenbereichs in einem Bereich von 40 µm bis 80 µm, vorzugsweise 50 µm bis 70 um. Weiter bevorzugt ist ein Durchmesser D1 des Eintrittsbereichs in einem Bereich von 100 µm bis 250 µm, vorzugsweise 120 µm bis 230 µm. Ferner weiter bevorzugt ist ein Durchmesser D3 des Austrittsbereichs in einem Bereich von 400 µm bis 600 µm, vorzugsweise 420 µm bis 580 µm und beträgt besonders bevorzugt ungefähr 470 µm. Weiter bevorzugt ist ein Durchmesser D2 des Zwischenbereichs in einem Bereich von 250 µm bis 450 µm, vorzugsweise 280 µm bis 420 µm.
  • Weiter bevorzugt umfasst das Ventil eine Anzahl von 5 bis 10 Spritzlöchern. Die Spritzlöcher sind besonders bevorzugt alle identisch aufgebaut.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Ventil eine Spritzlochscheibe, in welcher die Spritzlöcher angeordnet sind.
  • Vorzugsweise ist eine Länge L1 des Eintrittsbereichs größer als eine Länge L3 des Austrittsbereichs. Weiter bevorzugt ist eine Länge L1 des Eintrittsbereichs größer als eine Hälfte einer Gesamtlänge L des Spritzlochs. Bevorzugt ist die Gesamtlänge L des Spritzlochs größer als 0,3 mm.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind der Eintrittsbereich, der Zwischenbereich und der Austrittsbereich konzentrisch zur Mittelachse des Spritzlochs angeordnet.
  • Das erfindungsgemäße Ventil wird vorzugsweise zur Hochdruckdirekteinspritzung verwendet.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
    • Figur 1
    eine schematische Schnittansicht eines Ventils gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
    Figur 2
    eine schematische, vergrößerte Darstellung eines Spritzlochs des erfindungsgemäßen Ventils.
    Ausführungsformen der Erfindung
  • Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 ein Ventil 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
  • Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, umfasst das Ventil 1 zum Einspritzen von Kraftstoff eine Vielzahl von Spritzlöchern 2, welche an einem einspritzseitigen Ende des Ventils 1 angeordnet sind. Das Ventil 1 umfasst ferner ein Ventilgehäuse 10, einen Magnetanker 11, welcher mit einer Ventilnadel 17 verbunden ist und Durchlassöffnungen 12 aufweist, und eine Magnetspule 13. Das Ventil 1 umfasst ferner eine Schließfeder 14 und einen elektrischen Anschluss 15. Ein Ventilsitz 6 ist an einem Ventilkörper 16 vorgesehen.
  • Der Magnetanker 11 ist in Axialrichtung Y-Y des Ventils 1 bewegbar und gibt die Spritzlöcher 2 frei bzw. verschließt diese. Figur 1 zeigt dabei den geschlossenen Zustand des Ventils 1.
  • Ein erfindungsgemäßes Spritzloch 2 ist im Detail in Figur 2 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel sind alle Spritzlöcher des Ventils gleich aufgebaut, es ist jedoch auch möglich, dass die Spritzlöcher 2 unterschiedlich aufgebaut sind.
  • Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, umfasst das Spritzloch 2 genau einen Eintrittsbereich 21, einen Zwischenbereich 22 und einen Austrittsbereich 23. Der Zwischenbereich 22 ist dabei in Durchströmungsrichtung A zwischen dem Eintrittsbereich 21 und dem Austrittsbereich 23 angeordnet.
  • Der Magnetanker, welcher in Figur 2 nicht dargestellt ist, verschließt dabei das Spritzloch 2 an einer Eintrittsseite 3 bzw. gibt die Eintrittsseite 3 frei. Bei freigegebenem Spritzloch 2 tritt der einzuspritzende Kraftstoff an der Eintrittsseite 3 in das Spritzloch ein und durchströmt das Spritzloch 2 in der Durchströmungsrichtung A. Der Kraftstoff tritt dann an einer Austrittsseite 4 des Spritzlochs 2 wieder aus. Dabei erfolgt eine Auffächerung des einzuspritzenden Kraftstoffs in ein Kraftstoffspray.
  • Erfindungsgemäß sind nun nur die drei Bereiche, nämlich der Eintrittsbereich 21, der Zwischenbereich 22 und der Austrittsbereich 23, vorgesehen. Hierbei weist der Eintrittsbereich 21 einen ersten Durchmesser D1 auf, welcher kleiner ist als ein zweiter Durchmesser D2 des Zwischenbereichs 22 und ein dritter Durchmesser D3 des Austrittsbereichs 23.
  • Ferner weist der Eintrittsbereich 21 eine Länge L1 in Axialrichtung X-X des Spritzlochs 2 auf, welche größer ist als eine Länge L2 des Zwischenbereichs 22 und eine Länge L3 des Austrittsbereichs 23. Dabei ist die Länge L2 des Zwischenbereichs am kürzesten. L bezeichnet dabei die Gesamtlänge des Spritzlochs in Axialrichtung X-X.
  • Der Eintrittsbereich 21, der Zwischenbereich 22 und der Austrittsbereich 23 sind jeweils zylindrisch vorgesehen und konzentrisch zur Mittelachse X-X des Spritzlochs 2.
  • Durch den Aufbau des Spritzlochs 2 mit genau drei Bereichen ergibt sich somit ein erster Absatz 24 und ein zweiter Absatz 25. Durch die erfindungsgemäß definierten Abmessungen des abgestuften Spritzlochs 2 kann somit ein Spray erzeugt werden, das aufgrund der geometrischen Abmessungen des Zwischenbereichs 22 das infolge von aerodynamischen Wechselwirkungen zwischen den Kraftstoff-Einspritzstrahl und der Luft ein stabiles, lokales Unterdruckgebiet entsteht. Hierdurch erfolgt eine Auffächerung des austretenden Kraftstoffstrahls und eine verbesserte Zerstäubung in feinste Tröpfchen. Ferner ist es möglich, durch die kurze Ausbildung des Zwischenbereichs 22 in axialer Richtung eine Gesamtlänge des Spritzlochs 2 gegenüber den bisherigen Spritzlöchern ohne Nachteile bei der Gemischaufbereitung zu vergrößern. Ferner tritt durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Zwischenbereichs 22 auch die im Stand der Technik beschriebene Reduzierung der Strahleindringtiefe auf.
  • Das erfindungsgemäße, zweistufig abgestufte Spritzloch 2 wird vorzugsweise durch zerspanende Bearbeitung oder auch durch beispielsweise Metal Injection Molding (MIM) oder durch Laserbohren oder durch Erodieren hergestellt. Hierdurch kann insbesondere eine hohe Genauigkeit der Abmessungen der Durchmesser und der Längen der drei Bereiche in Axialrichtung X-X des Spritzlochs sichergestellt werden.

Claims (9)

  1. Ventil zum Einspritzen von Kraftstoff, umfassend
    - wenigstens ein Spritzloch (2), welches einen Querschnitt aufweist, der sich in Durchströmungsrichtung (A) von einer Eintrittsseite (3) zu einer Austrittsseite (4) vergrößert,
    - wobei die Vergrößerung des Spritzlochs (2) absatzweise in Durchströmungsrichtung mittels eines ersten Absatzes (24) und eines zweiten Absatzes (25) erfolgt,
    - wobei das Spritzloch (2) insgesamt drei Bereiche umfasst: einen Eintrittsbereich (21), einen Austrittsbereich (23) und einen Zwischenbereich (22), wobei der Zwischenbereich (22) in Durchströmungsrichtung (A) zwischen dem Eintrittsbereich (21) und dem Austrittsbereich (23) angeordnet ist,
    - wobei der Eintrittsbereich (21), der Austrittsbereich (23) und der Zwischenbereich (22) jeweils zylindrisch ausgebildet sind, und
    - wobei eine Länge (L2) des Zwischenbereichs (22) in Axialrichtung (X-X) des Spritzlochs (2) kürzer ist als eine Länge (L1) des Eintrittsbereichs (21) in Axialrichtung (X-X) und kürzer ist als eine Länge (L3) der Austrittsbereichs (23) in Axialrichtung (X-X),
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine Länge (L2) des Zwischenbereichs (22) in Axialrichtung (X-X) des Spritzlochs (2) ein Drittel bis eine Hälfte einer Länge (L3) des Austrittsbereichs (23) aufweist.
  2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser (D2) des Zwischenbereiches (22) die folgende Ungleichung erfüllt: D 1 2 + tan 20 ° × 600 µ m − L 1 − L 3 + 20 µ m ≤ D 2 ≤ D 1 2 + tan 20 ° × 600 µ m − L 1 − L 3 + 75 µ m
    Figure imgb0002
     wobei D1 ein Durchmesser des Eintrittsbereiches (21) ist,
    - L1 eine Länge des Eintrittsbereichs (21) ist und
    - L3 eine Länge des Austrittsbereichs (23) ist.
  3. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge (L2) des Zwischenbereichs (22) in einem Bereich von 40µm bis 80µm ist.
  4. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser (D1) des Eintrittsbereichs (21) in einem Bereich von 100 µm bis 250 µm liegt und/oder ein Durchmesser (D3) des Austrittsbereichs (23) in einem Bereich von 400 µm bis 600 µm liegt und/oder
    ein Durchmesser (D2) des Zwischenbereichs (22) in einem Bereich von 250 µm bis 450 µm liegt.
  5. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Anzahl von 5 bis 10 Spritzlöchern (2).
  6. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzloch (2) in einer Spritzlochscheibe vorgesehen ist.
  7. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (L1) des Eintrittsbereichs (21) größer ist als die Länge (L3) des Austrittsbereichs (23).
  8. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (L1) des Eintrittsbereichs (21) größer ist als die Hälfte einer Gesamtlänge (L) des Spritzlochs (2) in Axialrichtung (X-X) und/oder dass die Gesamtlänge (L) des Spritzlochs (2) größer als 0,3 mm ist.
  9. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittsbereich (21), der Zwischenbereich (22) und der Austrittsbereich (23) konzentrisch zur Mittelachse (X-X) des Spritzlochs (2) sind.
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