EP4077908B1 - Einspritzdüse zur einspritzung von kraftstoff unter hohem druck - Google Patents

Einspritzdüse zur einspritzung von kraftstoff unter hohem druck Download PDF

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EP4077908B1
EP4077908B1 EP20820920.5A EP20820920A EP4077908B1 EP 4077908 B1 EP4077908 B1 EP 4077908B1 EP 20820920 A EP20820920 A EP 20820920A EP 4077908 B1 EP4077908 B1 EP 4077908B1
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EP
European Patent Office
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blind hole
injection
needle
nozzle
section
Prior art date
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Fabian Wolf
Christiane SCHIEDT
Ferdinand Nicolai
Gerhard Suenderhauf
Michael Leukart
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • F02M61/1873—Valve seats or member ends having circumferential grooves or ridges, e.g. toroidal
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    • F02M61/18—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for
    • F02M61/1893—Details of valve member ends not covered by groups F02M61/1866 - F02M61/188

Definitions

  • the invention relates to an injection nozzle for injecting fuel under high pressure, as used, for example, to introduce fuel under high pressure into a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • Injection nozzles for introducing fuel under high pressure have been known for some time.
  • Such injection nozzles preferably form part of a fuel injector, which can introduce highly compressed fuel into the combustion chamber of an internal combustion engine under electrical control.
  • the fuel is finely atomized when injected into the combustion chamber, so that an ignitable fuel-air mixture is created there. In self-igniting internal combustion engines, this is ignited by compression of the fuel-air mixture in the combustion chamber and burns with high efficiency due to the good atomization of the fuel.
  • the injection nozzle in which the spray holes are located through which the fuel ultimately exits, controls the opening and closing of these injection openings via a piston-shaped, longitudinally movable nozzle needle, which is arranged in the nozzle body of the injection nozzle.
  • the movement of the nozzle needle is usually hydraulic, which means that the closing force is generated by the hydraulic pressure in a control chamber.
  • the pressure in the control chamber is controlled, for example, via a electromagnetic valve so that the injection can ultimately be precisely controlled via the electromagnet.
  • the nozzle needle has a conical sealing surface at its end facing the injection openings. With this sealing surface, the nozzle needle works together with a body seat formed in the injection nozzle to open and close a flow cross-section.
  • the conical body seat is followed by a blind hole, which is designed as a blind bore and from which the actual injection openings extend.
  • the blind hole mainly serves to supply all injection openings with the same amount of fuel and thus ensure even combustion.
  • the nozzle needle If the nozzle needle is in its closed position, i.e. in contact with the body seat, it closes the blind hole and thus also the injection openings against the pressure chamber, which is filled with compressed fuel and surrounds the nozzle needle.
  • the gap between the sealing surface and the body seat represents the narrowest cross-section, which limits the flow of fuel into the blind hole.
  • the fuel that flows through this gap enters the blind hole, where the pressure drops and the flow slows down due to the significantly larger flow cross-section. This promotes the formation of vortex structures in the fuel flow and a change from a laminar to a turbulent flow.
  • the pressure drop when the fuel enters the blind hole promotes the formation of cavitation bubbles, which can then implode and cause damage to the sealing surface of the nozzle needle and the body seat.
  • a large total injection hole cross-section i.e. the sum of the cross-sections of all injection openings, means that the gap between the sealing surface and the body seat forms the smallest flow cross-section over a relatively large needle stroke, which accordingly extends the period in which cavitation can occur.
  • a large blind hole area i.e. a blind hole with a large flow cross-section within the blind hole that leads to the injection openings, has an equally unfavorable effect, as this increases the pressure drop when the fuel flows into the blind hole and promotes the formation of cavitation.
  • a large-volume blind hole also promotes the formation of vortices, which extends the residence time of the cavitation bubbles within the blind hole and increases the probability that they implode there and cause damage.
  • the nozzle needle has a conical sealing surface that interacts with a body seat that is also conical to open and close a flow cross-section.
  • a nozzle needle tip is formed on the nozzle needle, which partially protrudes into the blind hole of the injection nozzle.
  • the transition from the conical sealing surface to the needle tip is rounded, so that the flow cross-section expands relatively quickly starting from the gap between the sealing surface and the body seat, and thus the pressure drop described above already takes place before the fuel enters the blind hole.
  • An injection nozzle of this type is known in which the sealing surface has a significantly different cone angle than the body seat, so that the sealing surface rests on the body seat essentially on a circumferential sealing edge. Between a second part of the sealing surface and the edge that is formed at the transition from the body seat to the blind hole, a further, narrow cross-section is formed, so that the flow here flows unevenly from an area with high flow velocity to an area with low flow velocity and then again to an area with high flow velocity.
  • a nozzle body for a nozzle assembly of a fuel injector in which the nozzle has a conical blind hole from which the injection openings originate, and a nozzle needle which projects into the blind hole with a conical section.
  • the injection nozzle according to the invention has the advantage, in contrast, that cavitation formation in the injection nozzle, in particular below the sealing seat and in the blind hole, is prevented or reduced to a level that excludes harmful cavitation erosion. This improves the service life of the fuel injection valve and the precision of the injection even over a longer service life.
  • the injection nozzle has a nozzle body in which a pressure chamber that can be filled with fuel under high pressure and a conical body seat are formed.
  • the conical body seat merges into a blind hole, forming a transition edge, from which several injection holes extend, the sum of the flow cross sections of all injection holes forming a total injection hole cross section.
  • a nozzle needle is arranged in the pressure chamber so as to be longitudinally displaceable, which cooperates with a conical sealing surface with the body seat to open and close a flow cross section, the nozzle needle having a needle tip at its end facing the body seat, which protrudes into the blind hole when the sealing surface rests on the body seat.
  • a spray cross-sectional area is formed between the sealing surface and the transition edge when the nozzle needle is lifted from the body seat, through which fuel can flow from the pressure chamber into the blind hole.
  • the needle tip is conical and has an opening angle that is smaller than the opening angle of the conical sealing surface, and a conical section is formed in the blind hole, which has an opening angle and which the transition edge connects, the needle tip being arranged at the level of the conical section of the blind hole in a partial stroke of the nozzle needle.
  • a transition cone is formed on the nozzle needle between the needle tip and the sealing surface, the opening angle of which is different from the opening angle of the sealing surface and the opening angle of the needle tip.
  • the inventive shaping of the injection nozzle creates a flow cross-section between the nozzle needle or the nozzle needle tip and the blind hole that is largely constant and that, in particular in the partial stroke area of the nozzle needle, i.e. at the beginning of the opening stroke movement, creates a flow cross-section that calms the flow and thus leads to a laminar flow of the fuel into the spray hole.
  • This is achieved by the design of the nozzle needle tip on the one hand and the blind hole on the other, between which the flow cross-section is fixed.
  • the flow can be optimized in order to adapt the nozzle needle to different designs of the spray hole or the body seat.
  • the partial stroke of the nozzle needle is in particular the area of the nozzle needle stroke in which the ratio of the seat cross-sectional area to the total spray hole cross-section is no more than 1.3. Only when the total spray hole cross-section is greater than 1.3 times the seat cross-sectional area is there a risk of cavitation forming in the blind hole, since the spray holes then form the smallest flow cross-section and consequently there is no drop in pressure when the fuel flows from the pressure chamber into the blind hole.
  • the inventive design of the sealing surface thus effectively prevents the tendency for cavitation in the partial stroke area of the nozzle needle.
  • the flow cross-section between the needle tip and the wall of the blind hole up to the top edge of the spray hole is then at most twice the seat cross-sectional area. where the upper edge of the spray hole is the imaginary line running around the blind hole, which is marked by the inlet edge of the spray holes in the wall of the blind hole facing the body seat.
  • a shoulder is formed at the transition from the sealing surface of the nozzle needle to the needle tip, which, in conjunction with the transition edge at the transition from the body seat to the blind hole, leads to a favorable design of the flow cross-section in this area.
  • the opening angle of the conical needle tip and the opening angle of the conical blind hole are the same size. This results in a uniform flow cross-section between these components and thus an even flow.
  • the diameter of the top edge of the spray hole can be larger than the diameter of the transition edge. This means that the flow cross-section between the nozzle needle and the wall of the blind hole between the transition edge and the top edge of the spray hole is constant, so that the flow is evened out.
  • a fuel injector 1 is shown in longitudinal section, as is known from the prior art, wherein only the area of the injection nozzle of the fuel injector is shown, which is sufficient for the following explanation of the invention.
  • the injection nozzle has a nozzle body 2, which is clamped against a holding body 5 in a liquid-tight manner by means of a clamping nut 7 with the interposition of a throttle plate 3.
  • a pressure chamber 9 is formed in the nozzle body 2, which can be filled with fuel under high pressure via a high-pressure bore 12 formed in the holding body 5 and the throttle plate 3.
  • a piston-shaped nozzle needle 14 is arranged in the pressure chamber 9 so that it can be moved longitudinally.
  • the nozzle needle 14 is guided in a guide section 15 within the pressure chamber 9, wherein the fuel flow in this guide section 15 is ensured by several ground sections 16 on the nozzle needle 14, which are designed to be large enough that there is no throttling of the fuel flow in this area.
  • a body seat 25 is formed in the pressure chamber 9, which is conically shaped and interacts with a conical sealing surface 27 formed on the nozzle needle 14.
  • the conical body seat 25 is followed by a blind hole 32, from which several spray holes 30 extend, through which the fuel exits.
  • the nozzle needle 14 is guided in a sleeve 18.
  • the sleeve 18 is pressed against the throttle plate 3 by a closing spring 19 surrounding the nozzle needle 14 and is thus held stationary in this position.
  • the nozzle needle 14, the sleeve 18 and the throttle plate 3 delimit a control chamber 22 which is connected to the high-pressure bore 12 via an inlet throttle 23.
  • the control chamber 22 can be connected to a low-pressure chamber in the holding body 5 (not shown in detail in the drawing) via an outlet throttle 21.
  • a control valve 20 is formed in the holding body 5 which opens and closes this connection, driven by an electromagnetic or piezoelectric actuator.
  • the control valve 20 opens the connection between the control chamber 22 and the low-pressure chamber by releasing the outlet throttle 21. Due to the pressure drop in the control room 22 the hydraulic closing force acting in the direction of the body seat 25 is reduced and the nozzle needle 14 lifts off the body seat 25, freeing a flow cross-section between the sealing surface 27 and the body seat 25, through which fuel can flow from the pressure chamber 9 into the blind hole 32 and from there to the injection openings 30.
  • the fuel exits through the injection holes 30, is finely atomized and forms an ignitable mixture together with the air in the combustion chamber.
  • the control valve 20 is closed again and the fuel flowing in from the high-pressure bore 12 via the inlet throttle 23 pushes the nozzle needle 14 back into its closed position, i.e. into contact with the body seat 25.
  • the Figure 2 an enlarged view of the section marked II of the Figure 1 . Since the nozzle body 2 and also the nozzle needle 14 are rotationally symmetrical with respect to a longitudinal axis 10, only one side of the injection nozzle is shown here for the sake of clarity.
  • the conical body seat 25 has an opening angle ⁇ , which is defined here as the angle between the longitudinal axis 10 and the body seat 25.
  • the body seat 25 merges into a blind hole 32 to form a transition edge 35, wherein the blind hole 32 has a conical section 132 and is delimited at the end on the combustion chamber side by a dome 34.
  • the opening angle of the conical blind hole 32 is designated here by ⁇ and is significantly smaller than the opening angle ⁇ of the body seat 25.
  • the sealing surface 27 on the nozzle needle 14 is also conical and interacts with the body seat 25.
  • the opening angle of the sealing surface 27 is designated ⁇ and in this embodiment is slightly larger than the opening angle ⁇ of the body seat 25.
  • the spray holes 30 are distributed over the circumference of the blind hole 32, for example five or six spray holes 30, wherein the spray holes 30 form an upper inlet edge 31, i.e. the area of the round inlet edge of the spray holes 30 that is closest to the body seat 25.
  • the flow of fuel from the pressure chamber 9 into the blind hole 32 and further into the spray holes 30 occurs through different flow cross sections, as in Figure 3
  • the flow cross-section between the sealing surface 27 and the transition edge 35 forms a seat cross-sectional area As.
  • This seat cross-sectional area A S forms the smallest flow cross-section when the nozzle needle is in a partial stroke, i.e. when it has only moved a little away from the body seat 25 at the beginning of the opening stroke movement.
  • the fuel flows through the seat cross-sectional area As into the blind hole 32 and in doing so passes the area A SO , which is formed by the spray hole upper edge 33.
  • the spray hole upper edge 33 is defined as the imaginary line on which the inlet edges 31 lie. This forms the flow cross-section before the fuel flows into the spray holes 30.
  • All spray holes 30 together form a total spray hole cross-section A SL , so that the flow within the blind hole 32 is determined in particular by the ratio of these flow cross-sections to one another.
  • other geometrical variables also influence the flow of the fuel, in particular the so-called L dimension, which is in Figure 3 is marked with L and which marks the distance of the transition edge 35 to the center of the spray holes 30. If the nozzle needle 14 has only traveled through a small part of its maximum opening stroke, the seat cross-sectional area As forms the smallest cross-section, while the area of the spray upper edge Aso is relatively large in comparison.
  • FIG 4 shows in the same representation as Figure 3 an embodiment of an injection nozzle, which is not covered by the wording of the claims.
  • a needle tip 28 is formed on the nozzle needle 14 adjacent to the conical sealing surface 27, which projects into the blind hole 32.
  • the needle tip 28 is also conical and has an opening angle ⁇ that is smaller than the opening angle ⁇ of the sealing surface 27.
  • the opening angle ⁇ corresponds approximately to the opening angle ⁇ of the blind hole wall, so that a largely constant flow cross-section is formed between the needle tip 28 and the wall of the blind hole 32.
  • This flow cross-section extends up to the level of the spray hole upper edge 33, so that an equalization of the flow in this area between the seat cross-sectional area As and the spray holes 30 is achieved.
  • the diameter D B1 of the settling edge 17, which is formed between the sealing surface 27 and the needle tip 28, is smaller than the diameter Ds of the transition edge 35 (see Figure 2 ), which marks the transition between the body seat 25 and the blind hole 32.
  • FIG. 5 a further embodiment of the injection nozzle according to the invention is shown.
  • a transition cone 24 is formed here on the nozzle needle 14 between the sealing surface 27 and the needle tip 28.
  • the opening angle ⁇ of the transition cone 24 is larger than the opening angle ⁇ of the sealing surface 27 and smaller than the opening angle ⁇ of the needle tip 28, so that an edge is also formed at the transition of the sealing surface 27 to the transition cone 24.
  • the diameter D A of this transition edge 37 between the sealing surface 27 and the transition cone 24 is larger than the diameter of the transition edge 35 in order to form the corresponding flow path to the injection holes 30.
  • FIG 6 shows a further variant of the blind hole of an injection nozzle according to the invention, which does not fall under the wording of the claims.
  • the injection hole 32 here has a cylindrical section 232 adjacent to the conical section 132, which is delimited by the transition edge 35 and an intermediate edge 36, to which a rounded tip 34 is connected.
  • the interaction with the correspondingly shaped nozzle needle 14 is shown in Figure 7 shown.
  • the conical needle tip 28 is opposite the conical section 132 of the blind hole 32 over a large part of the needle stroke and thus forms the flow cross-section, which leads to a calming of the flow.
  • a nozzle needle 14 can be used here which has a transition cone 24 between the sealing surface 27 and the needle tip 28.
  • a further embodiment of the injection nozzle according to the invention is shown, which does not fall under the wording of the claims.
  • a shoulder 26 is formed, by which the offset edge 17 is formed.
  • the corresponding angles and distances must be coordinated so that during the partial stroke of the nozzle needle, in which the seat cross-sectional area A S is only slightly larger than the total injection hole cross-section A SL , so that no slowing of the flow occurs when entering the blind hole 32, but only when entering the injection holes 30. It is particularly advantageous if the diameter D S of the transition edge 35 is larger than the diameter of the intermediate edge 36 and is at most 1.6 times this diameter D S2 . It is also advantageous if the cone angle ⁇ of the needle tip 28 is in the range of +/- 20° of the opening angle ⁇ of the conical section 132 of the blind hole 32.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Einspritzdüse zur Einspritzung von Kraftstoff unter hohem Druck, wie sie beispielsweise Verwendung findet, um Kraftstoff unter hohem Druck in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einzubringen.
    • Stand der Technik
  • Aus dem Stand der Technik sind Einspritzdüsen zur Einbringung von Kraftstoff unter hohem Druck seit längerer Zeit bekannt. Solche Einspritzdüsen bilden vorzugsweise einen Teil eines Kraftstoffinjektors, der elektrisch gesteuert hoch verdichtete Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einbringen kann. Der Kraftstoff wird bei der Eindüsung in den Brennraum fein zerstäubt, so dass dort ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch entsteht. Dieses wird bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen durch Verdichtung des Kraftstoff-Luft-Gemischs im Brennraum gezündet und verbrennt aufgrund der guten Zerstäubung des Kraftstoffs mit hoher Effizienz.
  • Die Einspritzdüse, in der sich die Spritzlöcher befinden, durch die der Kraftstoff letztlich austritt, steuert das Öffnen und Schließen dieser Einspritzöffnungen über eine kolbenförmige, längsverschiebbare Düsennadel, die im Düsenkörper der Einspritzdüse angeordnet ist. Die Bewegung der Düsennadel erfolgt dabei zumeist hydraulisch, das heißt, dass die Schließkraft durch den hydraulischen Druck in einem Steuerraum erzeugt wird. Durch Regulierung des Drucks in diesem Steuerraum und angetrieben durch den hydraulischen Druck des Kraftstoffs, der die Düsennadel umgibt, kann so eine Längsbewegung der Düsennadel gesteuert werden. Der Druck im Steuerraum wird dabei beispielsweise über ein elektromagnetisches Ventil gesteuert, so dass die Einspritzung letztlich über den Elektromagneten präzise gesteuert werden kann.
  • Die Düsennadel weist an ihrem den Einspritzöffnungen zugewandten Ende eine konische Dichtfläche auf. Mit dieser Dichtfläche wirkt die Düsennadel zum Öffnen und Schließen eines Strömungsquerschnitts mit einem Körpersitz zusammen, der in der Einspritzdüse ausgebildet ist. An den konischen Körpersitz schließt sich bei dem hier betrachteten Typ von Einspritzdüsen ein Sackloch an, das als Blindbohrung ausgebildet ist und von der die eigentlichen Einspritzöffnungen ausgehen. Das Sackloch dient hauptsächlich dazu, alle Einspritzöffnungen mit der gleichen Menge an Kraftstoff zu versorgen und so eine gleichmäßige Verbrennung sicher zu stellen.
  • Ist die Düsennadel in ihrer Schließstellung, d. h. in Anlage am Körpersitz, so verschließt sie das Sackloch und damit auch die Einspritzöffnungen gegen den Druckraum, der mit verdichtetem Kraftstoff befüllt ist und die Düsennadel umgibt. Zu Beginn des Öffnungshubs der Düsennadel stellt der Spalt zwischen der Dichtfläche und dem Körpersitz den engsten Querschnitt dar, der den Kraftstofffluss in das Sackloch limitiert. Der Kraftstoff, der durch diesen Spalt fließt, gelangt in das Sackloch, wo es aufgrund des deutlich größeren Strömungsquerschnitts zu einem Druckabfall und zu einem Abbremsen der Strömung kommt. Dies begünstigt die Entstehung von Wirbelstrukturen in der Kraftstoffströmung und einen Umschlag von einer laminaren zu einer turbulenten Strömung. Darüber hinaus begünstigt der Druckabfall beim Eintritt des Kraftstoffs in das Sackloch die Entstehung von Kavitationsbläschen, die im weiteren Verlauf implodieren und zu Schäden an der Dichtfläche der Düsennadel und am Körpersitz führen können.
  • Bei der Kraftstoffeinspritzung müssen verschiedene Anforderungen berücksichtigt werden. Zum einen wird ein immer höherer Einspritzdruck angestrebt, da ein hoher Einspritzdruck eine gute Zerstäubung des Kraftstoffs bewirkt und damit einen guten Verbrennungsverlauf. Gleichzeitig soll auch ein hoher Kraftstoffdurchfluss ermöglicht werden, um hohe Leistungen zu erzeugen (Downsizing), um also möglichst viel Leistung mit einem gegebenen Hubraum zu erhalten. Dies führt jedoch zu Düsengeometrien, die die Entstehung von Kavitationen und damit die daraus folgende Kavitationserosion begünstigen.
  • Ein großer Gesamtspritzlochquerschnitt, d.h. die Summe der Querschnitte sämtlicher Einspritzöffnungen, bewirkt, dass der Spalt zwischen der Dichtfläche und dem Körpersitz über einen relativ großen Nadelhub hinweg den kleinsten Strömungsquerschnitt bildet, was entsprechend den Zeitraum, in dem Kavitation auftreten kann, verlängert. Ebenso ungünstig wirkt sich eine große Sacklochfläche aus, d. h. ein Sackloch mit einem großer Strömungsquerschnitt innerhalb des Sacklochs, der zu den Einspritzöffnungen führt, da dadurch der Druckabfall bei der Einströmung des Kraftstoffs in das Sackloch verstärkt und die Entstehung von Kavitation begünstigt wird. Ein großvolumiges Sackloch unterstützt auch die Wirbelbildung, was die Verweildauer der Kavitationsbläschen innerhalb des Sacklochs verlängert und die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass diese dort implodieren und Schäden führen.
  • Aus der EP 1 891 324 B1 ist eine Einspritzdüse für die Einbringung von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine bekannt, die nach dem oben geschilderten Prinzip arbeitet. Die Düsennadel weist eine konische Dichtfläche auf, die mit einem ebenfalls konischen Körpersitz zum Öffnen und Schließen eines Strömungsquerschnitts zusammenwirkt. An der Düsennadel ist eine Düsennadelspitze ausgebildet, die teilweise in das Sackloch der Einspritzdüse hineinragt. Der Übergang der konischen Dichtfläche zu der Nadelspitze ist gerundet ausgebildet, so dass sich der Strömungsquerschnitt ausgehend von dem Spalt zwischen der Dichtfläche und dem Körpersitz relativ rasch erweitert und damit der oben beschriebene Druckabfall bereits vor dem Eintritt des Kraftstoffs in das Sackloch stattfindet.
  • Auch aus der DE 10 2005 037 955 A1 ist eine Einspritzdüse dieses Typs bekannt, bei dem die Dichtfläche einen deutlich anderen Konuswinkel aufweist als der Körpersitz, so dass die Auflage der Dichtfläche auf dem Körpersitz im Wesentlichen an einer umlaufenden Dichtkante geschieht. Zwischen einem zweiten Teil der Dichtfläche und der Kante, die am Übergang des Körpersitzes zum Sackloch ausgebildet ist, wird ein weiterer, enger Querschnitt gebildet, so dass die Strömung hier ungleichmäßig von einem Bereich mit hoher Strömungsgeschwindigkeit in einem Bereich mit niedriger und danach erneut in einem Bereich mit hoher Strömungsgeschwindigkeit fließt.
  • Weiter ist aus DE 10 2008 039 920 A1 ein Düsenkörper für eine Düsenbaugruppe eines Kraftstoffinjektors bekannt, bei dem die Düse ein konisches Sackloch aufweist, von dem die Einspritzöffnungen ausgehen, und eine Düsennadel, die mit einem konischen Abschnitt in das Sackloch hineinragt.
    • Offenbarung der Erfindung Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Einspritzdüse weist demgegenüber dem Vorteil auf, dass Kavitationsbildung in der Einspritzdüse, insbesondere unterhalb des Dichtsitzes und im Sackloch, verhindert bzw. auf ein Maß reduziert wird, das schädliche Kavitationserosion ausschließt. Dadurch werden die Lebensdauer des Kraftstoffeinspritzventils und die Präzision der Einspritzung auch über eine längere Lebensdauer verbessert. Dazu weist die Einspritzdüse einen Düsenkörper auf, in dem ein mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbarer Druckraum und ein konischer Körpersitz ausgebildet ist. Der konische Körpersitz geht unter Bildung einer Übergangskante in ein Sackloch über, von dem mehrere Einspritzlöcher ausgehen, wobei die Summe der Strömungsquerschnitte aller Spritzlöcher einen Gesamtspritzlochquerschnitt bildet. Im Druckraum ist eine Düsennadel längsverschiebbar angeordnet, die mit einer konischen Dichtfläche mit dem Körpersitz zum Öffnen und Schließen eines Strömungsquerschnitts zusammenwirkt, wobei die Düsennadel an ihrem dem Körpersitz zugewandten Ende eine Nadelspitze aufweist, die bei Anlage der Dichtfläche auf dem Körpersitz in das Sackloch hineinragt. Dabei wird zwischen der Dichtfläche und der Übergangskante bei vom Körpersitz abgehobener Düsennadel eine Spritzquerschnittsfläche gebildet, durch die Kraftstoff aus dem Druckraum in das Sackloch strömen kann. Die Nadelspitze ist konisch geformt und weist einen Öffnungswinkel auf, der kleiner als der Öffnungswinkel der konischen Dichtfläche ist, und im Sackloch ist ein konischer Abschnitt ausgebildet, der einen Öffnungswinkel aufweist und der sich an die Übergangskante anschließt, wobei die Nadelspitze in einem Teilhub der Düsennadel auf Höhe des konischen Abschnitts des Sacklochs angeordnet ist. Zwischen der Nadelspitze und der Dichtfläche ist ein Übergangskonus an der Düsennadel ausgebildet, dessen Öffnungswinkel von dem Öffnungswinkel der Dichtfläche und vom Öffnungswinkel der Nadelspitze verschieden ist.
  • Durch die erfindungsgemäße Formung der Einspritzdüse, insbesondere der Düsennadel im Bereich der Dichtfläche, wird zwischen der Düsennadel bzw. der Düsennadelspitze und dem Sackloch ein Strömungsquerschnitt gebildet, der weitgehend konstant ist und der insbesondere im Teilhubbereich der Düsennadel, also zu Beginn der Öffnungshubbewegung, einen Strömungsquerschnitt bildet, der zu einer Beruhigung der Strömung führt und damit zu einem laminaren Einströmen des Kraftstoffs in das Spritzloch. Dies wird durch die Ausgestaltung der Düsennadelspitze einerseits und das Sackloch andererseits erreicht, zwischen denen der Strömungsquerschnitt festgelegt ist. Da es beim Einströmen des Kraftstoffs in das Spritzloch zu keinem oder nur zu einem geringen Druckabfall kommt, wird an dieser Stelle die Bildung von Kavitation unterdrückt, die anderenfalls zu den bekannten Kavitationsschäden im Bereich der Spritzlöcher oder des Sacklochs führen könnten. Im Zusammenwirken mit der Übergangskante am Beginn des Sacklochs kann eine Optimierung der Strömung erreicht werden, um die Düsennadel an verschiedene Ausgestaltungen des Spritzlochs oder des Körpersitzes anzupassen.
  • Der Teilhub der Düsennadel ist insbesondere der Bereich des Düsennadelhubs, bei dem das Verhältnis aus Sitzquerschnittsfläche und Gesamtspritzlochquerschnitt nicht mehr als 1,3 beträgt. Erst wenn der Gesamtspritzlochquerschnitt größer als das 1 ,3-fache der Sitzquerschnittsfläche ist, besteht die Gefahr der Kavitationsbildung im Sackloch, da dann die Spritzlöcher den kleinsten Strömungsquerschnitt bilden und es folglich nicht zu einem Druckabfall bei der Einströmung des Kraftstoffs aus dem Druckraum in das Sackloch kommt. Durch die erfindergemäße Ausformung der Dichtfläche wird die Kavitationsneigung im Teilhubbereich der Düsennadel somit effektiv verhindert. In vorteilhafter Weist beträgt dann der Strömungsquerschnitt zwischen der Nadelspitze und der Wand des Sacklochs bis zur Spritzlochoberkante höchstens das 2-fache der Sitzquerschnittsfläche, wobei die Spritzlochoberkante die im Sackloch umlaufend gedachte Linie ist, die durch die dem Körpersitz zugewandte Einlaufkante der Spritzlöcher in der Wand des Sacklochs markiert wird.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist am Übergang der Dichtfläche der Düsennadel zur Nadelspitze ein Absatz ausgebildet, was im Zusammenwirken mit der Übergangskante am Übergang des Körpersitzes zum Sackloch zu einer günstigen Ausgestaltung des Strömungsquerschnitts in diesem Bereich führt.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist der Öffnungswinkel der konischen Nadelspitze und der Öffnungswinkel des konischen Sacklochs gleich groß. Dadurch ergibt sich ein gleichmäßiger Strömungsquerschnitt zwischen diesen Bauteilen und damit eine Vergleichmäßigung der Strömung. Dabei kann weiterhin in vorteilhafter Ausgestaltung der Durchmesser der Spritzlochoberkante größer als der Durchmesser der Übergangskante sein. Dadurch kann erreicht werden, dass der Strömungsquerschnitt zwischen der Düsennadel und der Wand des Sacklochs zwischen der Übergangskante und der Spritzlochoberkante konstant ist, so dass die Vergleichmäßigung der Strömung erreicht wird.
    • Zeichnungen
  • In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Einspritzdüse gezeigt. Es zeigt
    • Figur 1
    eine Einspritzdüse, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist in einem Längsschnitt,
    Figur 2
    eine Vergrößerung des aus dem Stand der Technik bekannten Sacklochs mit der Düsennadel und einer Definition der geometrischen Größen,
    Figur 3,
    eine ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannte Düse, wobei hier weitere Strömungsquerschnitte definiert werden,
    Figur 4
    alternativ zu einer Einspritzdüse wie in Figur. 2, die jedoch nicht unter den Wortlaut der Ansprüche fällt,
    Figur 5 und 7
    weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung Figur 4,6 und 8 als Alternativ zu einer Einspritzdüse, aber nicht durch den Wortlaut der Ansprüche abgedeckt.
    Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • In Figur 1 ist ein Kraftstoffinjektor 1 im Längsschnitt dargestellt, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, wobei nur der Bereich der Einspritzdüse des Kraftstoffinjektors dargestellt ist, was für die nachfolgende Erläuterung der Erfindung ausreichend ist. Die Einspritzdüse weist einen Düsenkörper 2 auf, der unter Zwischenlage einer Drosselscheibe 3 mittels einer Spannmutter 7 gegen einen Haltekörper 5 flüssigkeitsdicht verspannt ist. Im Düsenkörper 2 ist ein Druckraum 9 ausgebildet, der über eine Hochdruckbohrung 12, die im Haltekörper 5 und der Drosselscheibe 3 ausgebildet ist, mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist. Im Druckraum 9 ist eine kolbenförmige Düsennadel 14 längsverschiebbar angeordnet. Die Düsennadel 14 wird dabei in einem Führungsabschnitt 15 innerhalb des Druckraums 9 geführt, wobei der Kraftstofffluss in diesem Führungsabschnitt 15 durch mehrere Anschliffe 16 an der Düsennadel 14 sichergestellt ist, die so groß ausgebildet sind, dass es zu keiner Drosselung der Kraftstoffströmung in diesem Bereich kommt. Am brennraumseitigen Ende des Düsenkörpers 2 ist im Druckraums 9 ein Körpersitz 25 ausgebildet, der konisch geformt ist und der mit einer an der Düsennadel 14 ausgebildeten konischen Dichtfläche 27 zusammenwirkt. An den konischen Körpersitz 25 schließt sich ein Sackloch 32 an, von dem mehrere Spritzlöcher 30 ausgehen, durch die der Kraftstoff austritt.
  • Am brennraumabgewandten Ende ist die Düsennadel 14 in einer Hülse 18 geführt. Die Hülse 18 wird durch eine die Düsennadel 14 umgebende Schließfeder 19 gegen die Drosselscheibe 3 gedrückt und so in dieser Stellung ortsfest gehalten. Die Düsennadel 14, die Hülse 18 und die Drosselscheibe 3 begrenzen einen Steuerraum 22, der über eine Zulaufdrossel 23 mit der Hochdruckbohrung 12 verbunden ist. Um den Druck im Steuerraum 22 zu steuern, kann der Steuerraum 22 über eine Ablaufdrossel 21 mit einem in der Zeichnung nicht näher dargestellten Niederdruckraum im Haltekörper 5 verbunden werden. Dazu ist im Haltekörper 5 ein Steuerventil 20 ausgebildet, das diese Verbindung öffnet und schließt, angetrieben durch einen elektromagnetischen oder piezoelektrischen Aktuator. Soll eine Einspritzung von Kraftstoff geschehen, so öffnet das Steuerventil 20 die Verbindung des Steuerraums 22 zum Niederdruckraum, indem die Ablaufdrossel 21 freigegeben wird. Durch den Druckabfall im Steuerraum 22 vermindert sich die in Richtung des Körpersitzes 25 wirkende hydraulische Schließkraft, und die Düsennadel 14 hebt vom Körpersitz 25 ab und gibt einen Strömungsquerschnitt zwischen der Dichtfläche 27 und dem Körpersitz 25 frei, durch den Kraftstoff aus den Druckraum 9 in das Sackloch 32 und von dort zu den Einspritzöffnungen 30 strömen kann. Der Kraftstoff tritt durch die Spritzlöcher 30 aus, wird dabei fein zerstäubt und bildet zusammen mit der Luft im Brennraum ein zündfähiges Gemisch. Zur Beendigung der Kraftstoffeinspritzung wird das Steuerventil 20 wieder geschlossen, und der über die Zulaufdrossel 23 nachströmende Kraftstoff aus der Hochdruckbohrung 12 drückt die Düsennadel 14 zurück in ihre Schließstellung, d.h. in Anlage an den Körpersitz 25.
  • Zur weiteren Erläuterung zeigt die Figur 2 eine vergrößerte Darstellung des mit II bezeichneten Ausschnitts der Figur 1 . Da der Düsenkörper 2 und auch die Düsennadel 14 bezüglich einer Längsachse 10 rotationssymmetrisch ausgebildet sind, ist hier der Übersichtlichkeit halber nur eine Seite der Einspritzdüse dargestellt. Der konische Körpersitz 25 weist einen Öffnungswinkel γ auf, der hier definiert ist als der Winkel zwischen der Längsachse 10 und dem Körpersitz 25. Der Körpersitz 25 geht in ein Sackloch 32 unter Bildung einer Übergangskante 35 über, wobei das Sackloch 32 einen konischen Abschnitt 132 aufweist und am brennraumseitigen Ende durch eine Kuppe 34 begrenzt ist. Der Öffnungswinkel des konischen Sacklochs 32 ist hier mit σ bezeichnet und ist deutlich kleiner als der Öffnungswinkel γ des Körpersitzes 25. Die Dichtfläche 27 an der Düsennadel 14 ist ebenfalls konisch ausgebildet und wirkt mit dem Körpersitz 25 zusammen. Der Öffnungswinkel der Dichtfläche 27 ist mit α bezeichnet und ist in diesem Ausführungsbeispiel etwas größer als der Öffnungswinkel γ des Körpersitzes 25. Die Spritzlöcher 30 sind über den Umfang des Sacklochs 32 verteilt ausgebildet, beispielsweise fünf oder sechs Spritzlöcher 30, wobei die Spritzlöcher 30 eine obere Einlaufkante 31 ausbilden, also den Bereich der runden Einlaufkante der Spritzlöcher 30, der dem Körpersitz 25 am nächsten ist.
  • Die Strömung des Kraftstoffs aus dem Druckraum 9 in das Sackloch 32 und weiter in die Spritzlöcher 30 erfolgt durch verschiedene Strömungsquerschnitte, wie in Figur 3 dargestellt. Der Strömungsquerschnitt zwischen der Dichtfläche 27 und der Übergangskante 35 bildet eine Sitzquerschnittsfläche As. Diese Sitzquerschnittsfläche AS bildet den kleinesten Strömungsquerschnitt, wenn sich die Düsennadel in einem Teilhub befindet, d. h., wenn sie sich zu Beginn der Öffnungshubbewegung nur wenig von dem Körpersitz 25 entfernt hat. Der Kraftstoff strömt durch die Sitzquerschnittsfläche As in das Sackloch 32 und passiert dabei die Fläche ASO, die durch die Spritzlochoberkante 33 gebildet wird. Die Spritzlochoberkante 33 ist dabei definiert als die gedachte Linie, auf der die Einlaufkanten 31 liegen. Diese bildet den Strömungsquerschnitt, bevor der Kraftstoff in die Spritzlöcher 30 einfließt. Alle Spritzlöcher 30 zusammen bilden einen Gesamtspritzlochquerschnitt ASL, so dass die Strömung innerhalb des Sacklochs 32 insbesondere durch das Verhältnis dieser Strömungsquerschnitte zueinander bestimmt wird. Darüber hinaus haben auch andere geometrische Größen Einfluss auf die Strömung des Kraftstoffs, insbesondere das sogenannte L-Maß, das in Figur 3 mit L gekennzeichnet ist und das den Abstand der Übergangskante 35 zur Mitte der Spritzlöcher 30 markiert. Hat die Düsennadel 14 erst einen kleinen Teil ihres maximalen Öffnungshubs durchfahren, so bildet die Sitzquerschnittsfläche As den kleinsten Querschnitt, während die Fläche der Spritzoberkante Aso demgegenüber relativ groß ist. Erst wenn die Düsennadel 14 einen bestimmten Hub überschritten hat, bildet der Gesamtspritzlochquerschnitt ASL den kleinsten Strömungsquerschnitt, so dass die Kraftstoffströmung erst beim Eintritt in das Spritzloch abgebremst wird, was zu keiner Kavitation im Sackloch 32 führt.
  • Figur 4 zeigt in der gleichen Darstellung wie Figur 3 ein Ausführungsbeispiel für eine Einspritzdüse, die jedoch nicht durch den Wortlaut der Ansprüche abgedeckt ist. An der Düsennadel 14 ist anschließend an die konische Dichtfläche 27 eine Nadelspitze 28 ausgebildet, die in das Sackloch 32 hineinragt. Die Nadelspitze 28 ist ebenfalls konisch ausgebildet und weist einen Öffnungswinkel β auf, der kleiner als der Öffnungswinkel α der Dichtfläche 27 ist. Der Öffnungswinkel β entspricht in diesem Ausführungsbeispiel ungefähr dem Öffnungswinkel σ der Sacklochwand, so dass ein weitgehend konstanter Strömungsquerschnitt zwischen der Nadelspitze 28 und der Wand des Sacklochs 32 gebildet wird. Dieser Strömungsquerschnitt erstreckt sich bis auf Höhe der Spritzlochoberkante 33, so dass eine Vergleichmäßigung der Strömung in diesem Bereich zwischen der Sitzquerschnittsfläche As und den Spritzlöchern 30 erreicht wird. Damit kommt es nicht zu einem Druckabfall beim Eintritt des Kraftstoffs in das Sackloch 32 und damit zu keiner Kavitationsbildung, zumindest aber zu einer deutlichen Reduzierung der Kavitationsneigung, was Kavitationsschäden im Bereich des Sacklochs 32 und der Spritzlöcher 30 verhindert. Zur Bildung dieses Strömungsquerschnitts ist der Durchmesser DB1 der Absetzkante 17, die zwischen der Dichtfläche 27 und der Nadelspitze 28 ausgebildet ist, kleiner als der Durchmesser Ds der Übergangskante 35 (siehe Figur 2 ), die den Übergang zwischen dem Körpersitz 25 und dem Sackloch 32 markiert.
  • In Figur 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einspritzdüse dargestellt. Zwischen der Dichtfläche 27 und der Nadelspitze 28 ist hier an der Düsennadel 14 ein Übergangskonus 24 ausgebildet. Der Öffnungswinkel τ des Übergangskonus 24 ist größer als der Öffnungswinkel α der Dichtfläche 27 und kleiner als der Öffnungswinkel β der Nadelspitze 28, so dass am Übergang der Dichtfläche 27 zum Übergangskonus 24 ebenfalls eine Kante ausgebildet ist. Der Durchmesser DA dieser Übergangskante 37 zwischen der Dichtfläche 27 und dem Übergangskonus 24 ist größer als der Durchmesser der Übergangskante 35, um den entsprechenden Strömungsweg hin zu den Spritzlöchern 30 zu formen.
  • In Figur 6 zeigt eine weitere Variante des Sacklochs einer erfindungsgemäßen Einspritzdüse, die nicht unter den Wortlaut der Ansprüche fällt. Das Spritzloch 32 weist hier anschließend an den konischen Abschnitt 132, der durch die Übergangskante 35 und eine Zwischenkante 36 begrenzt wird, einen zylindrischer Abschnitt 232 auf, an den sich eine abgerundete Kuppe 34 anschließt. Das Zusammenspiel mit der entsprechend geformten Düsennadel 14 ist in Figur 7 dargestellt. Die konische Nadelspitze 28 ist hier über einen großen Teil des Nadelhubs dem konischen Abschnitt 132 des Sacklochs 32 gegenüber und bildet so den Strömungsquerschnitt, der zu einer Beruhigung der Strömung führt. Insbesondere kann hier eine Düsennadel 14 verwendet werden, die einen Übergangskonus 24 zwischen der Dichtfläche 27 und der Nadelspitze 28 aufweist. In Figur 8 ist ein weiteres Ausführungsbespiel der erfindungsgemäßen Einspritzdüse dargestellt, die nicht unter den Wortlaut der Ansprüche fällt. Am Übergang der Dichtfläche 27 zur Nadelspitze 28 ist hier ein Absatz 26 ausgebildet, durch den die Absetzkante 17 gebildet wird.
  • Bei der erfindungsgemäßen Einspritzdüse müssen die entsprechenden Winkel und Abstände so abgestimmt sein, dass während des Teilhubs der Düsennadel, bei dem die Sitzquerschnittsfläche AS nur wenig größer ist als der Gesamtspritzlochquerschnitts ASL, so dass keine Strömungsverlangsamung beim Eintritt in das Sackloch 32 geschieht, sondern erst beim Eintritt in die Spritzlöcher 30. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn der Durchmesser DS der Übergangskante 35 größer ist als der Durchmesser der Zwischenkante 36 und höchstens das 1,6-fache dieses Durchmessers DS2 beträgt. Weiter ist es vorteilhaft, wenn der Konuswinkel β der Nadelspitze 28 im Bereich von +/- 20° des Öffnungswinkels σ des konischen Abschnitts 132 des Sacklochs 32 liegt.

Claims (8)

  1. Einspritzdüse zur Einspritzung von Kraftstoff unter hohem Druck, mit einem Düsenkörper (2), in dem ein mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbarer Druckraum (9) ausgebildet ist und in dem ein konischer Körpersitz (25) ausgebildet ist, der unter Bildung einer Übergangskante (35) in ein Sackloch (32) mündet, von dem mehrere Spritzlöcher (30) ausgehen und die Summe der Strömungsquerschnitte aller Spritzlöcher einen Gesamtspritzlochquerschnitt (ASL) bildet, und mit einer im Druckraum (9) längsverschiebbar angeordneten Düsennadel (14), die mit einer konischen Dichtfläche (27) mit dem Körpersitz (25) zum Öffnen und Schließen eines Strömungsquerschnitts zusammenwirkt, wobei die Düsennadel (14) an ihrem dem Körpersitz (25) zugewandten Ende eine Nadelspitze (28) aufweist, die bei Anlage der Dichtfläche (27) auf dem Körpersitz (25) in das Sackloch (32) hinein ragt, wobei zwischen der Dichtfläche (27) und der Übergangskante (35) bei vom Körpersitz (25) abgehobener Düsennadel (14) eine Sitzquerschnittsfläche (As) gebildet wird, durch die Kraftstoff aus dem Druckraum (9) in das Sackloch (32) strömen kann, wobei die Nadelspitze (28) konisch geformt ist und einen Öffnungswinkel (β) aufweist, der kleiner als der Öffnungswinkel (α) der konischen Dichtfläche (27) ist, und das Sackloch (32) einen konischen Abschnitt (132) mit einem Öffnungswinkel (σ) aufweist, der sich an die Übergangskante (35) anschließt, wobei die Nadelspitze (28) in einem Teilhub der Düsennadel (14) auf Höhe des konischen Abschnitts (132) des Sacklochs (32) angeordnet ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zwischen der Nadelspitze (28) und der Dichtfläche (27) ein Übergangskonus (24) an der Düsennadel (14) ausgebildet ist, dessen Öffnungswinkel (τ) von dem Öffnungswinkel (α) der Dichtfläche (27) und dem Öffnungswinkel (β) der Nadelspitze (28) verschieden ist.
  2. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilhub der Düsennadel (14) der Nadelhubbereich ist, bei dem das Verhältnis aus Sitzquerschnittsfläche (As) und Gesamtspritzlochquerschnitt (ASL) nicht mehr als 1,3 beträgt (AS/ASL ≤ 1,3).
  3. Einspritzdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt zwischen der Nadelspitze (28) und der Wand des Sacklochs (32) bis zur Spritzlochoberkante (33) höchstens das 2-fache der Sitzquerschnittsfläche (AS) ist, wobei die Spritzlochoberkante (33) die im Sackloch (32) umlaufende, gedachte Linie ist, die durch die dem Körpersitz (25) zugewandte Einlaufkante der Spritzlöcher (30) in der Wand des Sacklochs (32) markiert wird.
  4. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Übergang der Dichtfläche (27) zur Nadelspitze (28) ein Absatz (26) ausgebildet ist.
  5. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel (β) der konischen Nadelspitze (28) und der Öffnungswinkel (σ) des konischen Sacklochs (32) gleich groß sind.
  6. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (ASO) der Spritzlochoberkante (33) größer als der Durchmesser (DS) der Übergangskante (35) ist.
  7. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt zwischen der Düsennadel (14) und der Wand des Sacklochs (32) zwischen der Übergangskante (35) und der Spritzlochoberkante (33) konstant ist.
  8. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den konischen Abschnitt (132) ein zylindrischer Abschnitt oder eine Kuppe (34) im Sackloch (32) anschließt.
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