WO2000017515A1 - Kraftstoffeinspritzdüse mit optimierter spritzlochkanalgeometrie sowie verfahren zur herstellung einer solchen spritzlochkanalgeometrie - Google Patents

Kraftstoffeinspritzdüse mit optimierter spritzlochkanalgeometrie sowie verfahren zur herstellung einer solchen spritzlochkanalgeometrie Download PDF

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WO2000017515A1
WO2000017515A1 PCT/DE1999/003078 DE9903078W WO0017515A1 WO 2000017515 A1 WO2000017515 A1 WO 2000017515A1 DE 9903078 W DE9903078 W DE 9903078W WO 0017515 A1 WO0017515 A1 WO 0017515A1
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spray hole
hole channel
nozzle body
nozzle
spiral
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PCT/DE1999/003078
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Günter LEWENTZ
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/16Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/18Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for
    • F02M61/1806Injection 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
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23HWORKING OF METAL BY THE ACTION OF A HIGH CONCENTRATION OF ELECTRIC CURRENT ON A WORKPIECE USING AN ELECTRODE WHICH TAKES THE PLACE OF A TOOL; SUCH WORKING COMBINED WITH OTHER FORMS OF WORKING OF METAL
    • B23H9/00Machining specially adapted for treating particular metal objects or for obtaining special effects or results on metal objects
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23HWORKING OF METAL BY THE ACTION OF A HIGH CONCENTRATION OF ELECTRIC CURRENT ON A WORKPIECE USING AN ELECTRODE WHICH TAKES THE PLACE OF A TOOL; SUCH WORKING COMBINED WITH OTHER FORMS OF WORKING OF METAL
    • B23H9/00Machining specially adapted for treating particular metal objects or for obtaining special effects or results on metal objects
    • B23H9/14Making holes

Definitions

  • the invention relates to a fuel injection nozzle for internal combustion engines according to the preamble of claim 1 and to a spark erosion method for forming an injection hole channel bore in a nozzle body of a fuel injection nozzle.
  • a fuel injection nozzle for internal combustion engines is known from DE 195 07 171, in which a piston-shaped nozzle needle is guided axially displaceably in a shaft bore of a nozzle body.
  • the shaft bore is essentially cylindrical and has a conical tapered region at its combustion chamber end, which is closed off by a blind hole.
  • the lower end of the nozzle needle has a sealing cone, one
  • the nozzle spring presses on the tapered area of the shaft bore.
  • at least one spray hole channel leads from the blind hole or the conically tapering region of the shaft bore in the nozzle body, depending on the type of injection nozzle, through the nozzle body into an adjacent combustion chamber of the internal combustion engine.
  • a pressure chamber is formed in the front area of the injection nozzle on the combustion chamber side, which is connected to a fuel supply, for example an injection pump or a high-pressure accumulator known as a common rail, via a pressure channel in the nozzle body.
  • This pressure chamber is closed on its side facing away from the combustion chamber by a pressure shoulder formed on the nozzle needle, which is acted upon by the fuel flowing into the pressure chamber via the pressure channel.
  • the spray hole channel is designed as a straight through bore, the injection channel being inclined to the shaft bore in the nozzle body in accordance with the desired spray hole cone angle.
  • This oblique orientation of the spray hole channel means that the fuel introduced by the injection pump into the shaft bore with a pressure of up to 1600 bar must be deflected sharply for injection into the combustion chamber via the spray hole channel, which leads to a reduction in the fuel speed and thus to a undesired throttling of the fuel jet injected into the combustion chamber.
  • turbulence also occurs, which leads to injection losses and a change in the injection jet characteristics and thus an impairment of the combustion process.
  • the spray hole channel is conventionally inserted into the nozzle body by means of a drilling operation, e.g. Laser drilling or mechanical drilling, introduced, the rounding of the inlet area of the spray hole channel optionally by reworking, e.g. by means of hydroerosive grinding.
  • a drilling operation e.g. Laser drilling or mechanical drilling
  • the object of the present invention is to provide a fuel injection nozzle with an optimized spray hole channel geometry and thus an improved fuel preparation of the injection jet, and a method for producing such a spray hole channel geometry.
  • the fuel injection valve according to the invention is characterized by a spiral spray hole channel shape in a nozzle body.
  • the spiral geometry of the spray hole channel allows the flow coefficient of the fuel flow in the spray hole channel and thus the speed of the fuel injected from the spray hole channel into a combustion chamber to be significantly increased. Furthermore, the flow rate of the fuel through the spray hole channel and thus the amount of injection into the combustion chamber increases with the improved flow coefficient.
  • the spiral spray hole channel shape also reduces the deflection angle, which results from the alignment of a shaft bore and a seat cone in the nozzle body and a desired injection angle into the combustion chamber, so that turbulence is largely avoided and the injection jet is optimally gated flow profile.
  • the improved fuel processing in the combustion chamber by means of a spiral-shaped spray hole channel shape significantly increases the quality of the combustion process, which leads to a reduction in emission values, combustion noise and fuel consumption.
  • a spiral-shaped spray hole channel bore in the nozzle body In order to produce a spiral-shaped spray hole channel bore in the nozzle body, the metallic material of the nozzle body is removed by means of spark erosion, a spiral-shaped eroding electrode being pushed into the nozzle body to form the spray-hole channel.
  • a spiral-shaped bore geometry can be easily and reliably produced in a nozzle tip which is usually approx. 1 mm thick and has a bore diameter of 0.05 to 0.4 mm, as is customary in a spray hole channel.
  • FIG. 1A shows a section of a fuel injection nozzle according to the invention with a spiral spray hole channel shape
  • FIG. 1B is an enlarged view of the spiral spray hole channel geometry from FIG. 1A.
  • FIG. 1A shows the part of a fuel injection nozzle for an internal combustion engine which is essential to the invention and which has a nozzle body 1 with a shaft bore 2, in which a nozzle needle 3 is arranged.
  • the nozzle body 1 has, at its end area arranged in a combustion chamber of the internal combustion engine, a conically tapering tip area 11 which is rounded off at its tip.
  • the essentially cylindrical shaft bore 2 is in the conical tip region 11 of the nozzle body is also conical and ends in a blind hole 21.
  • the nozzle needle 3 running in the shaft bore 2 has a shaft region 31 which carries at its lower end a sealing cone consisting of two sections 32, 33.
  • the lower section 33 of the sealing cone which is preferably provided with a flattened tip, has essentially the same opening angle as the conically tapering region of the shaft bore 2, whereas the conical intermediate section 32 connecting the shaft 31 and the lower section 33 has a smaller opening angle. If the nozzle needle 3 is pressed in the idle state by a nozzle spring and / or a hydraulically or pneumatically actuated control piston (not shown) on the conical area of the shaft bore, the different opening angles of the two sections 32, 33 result in a line contact with the conical tapered area of the shaft bore with high pressing and thus good sealing effect.
  • a pressure space is formed between the nozzle body 1 and the nozzle needle 3, which is connected to a fuel supply via a pressure channel (not shown) in the nozzle body.
  • the pressure space formed between the nozzle body and the nozzle needle is delimited on its side facing away from the combustion chamber by a pressure shoulder (not shown) formed on the nozzle needle shaft 31, on which the fuel pressure generated by the fuel supply acts. If the pressure on the pressure shoulder becomes greater than the holding force on the nozzle needle, the nozzle needle lifts off from the sealing seat in the shaft bore 2, as shown in FIG. 1A, and fuel can be injected into the combustion chamber.
  • a spiral spray hole channel 4 is formed in the nozzle body 1.
  • the fuel fed by the injection pump into the pressure chamber between the nozzle needle 3 and the nozzle body 1 is then released into the combustion chamber of the internal combustion engine when the nozzle needle 3 is open.
  • several spray hole channels are distributed around the tip of the nozzle body, in order to achieve fuel injection with a defined spray hole cone angle, depending on the shape of the combustion chamber.
  • the spray hole channels are preferably distributed symmetrically at the same height angle around the tip of the nozzle body.
  • the spray hole channels are introduced into the tip of the nozzle body at different elevation angles to achieve the desired spray hole cone angle, but preferably with the same side angles.
  • the spiral design of the spray hole channel is shown in more detail in FIG. 1B.
  • the spiral shape of the spray hole channel is selected such that an inlet 41 of the spray hole channel is oriented essentially in accordance with the direction of flow of the fuel in the region of the nozzle tip 11, so that a gentle deflection of the fuel flow through the nozzle body into the spray hole channel is achieved. Furthermore, the spiral shape of the spray hole channel is selected such that an inlet 41 of the spray hole channel is oriented essentially in accordance with the direction of flow of the fuel in the region of the nozzle tip 11, so that a gentle deflection of the fuel flow through the nozzle body into the spray hole channel is achieved. Furthermore, the spiral shape of the spray hole channel is selected such that an inlet 41 of the spray hole channel is oriented essentially in accordance with the direction of flow of the fuel in the region of the nozzle tip 11, so that a gentle deflection of the fuel flow through the nozzle body into the spray hole channel is achieved. Furthermore, the spiral shape of the spray hole channel is selected such that an in
  • Inlet 41 of the spray hole channel is preferably rounded at the transition into the nozzle tip 11 in order to enable a funnel-shaped fuel flow.
  • the spray hole channel shown in FIG. 1B has a complete spiral rotation over its length.
  • the advantages of improved fuel processing in the spray hole channel can be achieved with just a 1/8 spiral turn.
  • the outlet 42 of the spray hole channel is arranged in such a way that the injection jet from the
  • Spray hole channel is emitted into the combustion chamber of the internal combustion engine essentially tangentially with the desired spray hole cone angle.
  • a standard injection nozzle as shown in FIG. shows, in which the cone angle in the nozzle tip 11 is approximately 60 ° and the fuel m is to be injected into the combustion chamber with a spray-hole cone angle of preferably 150 °, to achieve an optimized fuel flow without turbulence with an improved flow coefficient and thus an increased flow rate.
  • the resultant uniform injection with improved fuel processing in the combustion chamber allows both the emission values and the combustion noise to be reduced. Furthermore, there is an increase in performance of the internal combustion engine combined with reduced fuel consumption.
  • the concept of a spiral-shaped geometry of the spray hole channel shown in FIGS. 1A and 1B can be used not only in the spray hole nozzle shape shown, in which the sealing cone of the nozzle needle covers the inlet area of the spray hole channel in the rest position, but also in the other known nozzle shapes , in which the Spntzlochkanal is arranged in the blind hole.
  • this blind hole e can be cylindrical, cylindrical with a conical tip or conical overall.
  • a newly developed spark erosion method is preferably used in order to implement a spiral shaped perforated channel in the nozzle body 1.
  • the spark erosion process is a thermal removal process in which a sequence of electrical discharges is used to remove material from metallic workpieces.
  • a high voltage is applied between an electrode and the workpiece, which are separated by an electrically insulating liquid, which causes an electrical breakdown through the liquid.
  • the breakdown creates a discharge channel in the liquid through which electrical current flows and in which high temperatures and pressures prevail.
  • the electrical current flow causes a melt on the workpiece and on the electrode arise.
  • the applied voltage is set to zero, the discharge channel in the liquid collapses again and the melt on the workpiece and the electrode evaporates explosively and the liquid metal is torn away from the electrode and workpiece surface.
  • the removal rate and the shape of the crater in the workpiece depend on the discharge duration, which is usually in the ⁇ -second range, and on the electrical current that flows through the discharge channel and is caused by the charging voltage. Further influencing variables are the choice of the liquid between the electrode and the workpiece, the material consisting of the electrode or workpiece, and the shape of the electrode and the way in which it is guided. Tungsten, silver and hard metal in particular have emerged as the electrode material for producing channel bores with a diameter of 0.05 to 0.4 mm and a material thickness of approximately 1 mm, such as are produced when a spray hole channel is formed in a nozzle body and graphite proved to be advantageous. Water is usually used as the liquid.
  • a spiral shaped eroding electrode is used.
  • Such a spiral-shaped eroding electrode is preferably pushed into the nozzle body via a worm gear, so that the eroding electrode can easily be continuously adjusted.
  • the diameter of the eroding electrode is chosen to be insignificantly smaller than the desired diameter of the spray hole channel, the spiral diameter of the eroding electrode being two to ten times the electrode diameter in order to achieve the preferred spiral geometry for the spray hole channel.
  • the spiral-shaped eroding electrode is brought up to a minimum distance from the nozzle body and the metallic material of the nozzle body is electrically discharged during a repeat cycle. from 20 to 100 kHz.
  • the helical eroding electrode is continuously advanced through the worm gear, the worm gear and the eroding electrode preferably being designed in such a way that the helical eroding electrode is moved forward by one millimeter at 0.2 to 2 revolutions, so that the preferred spray hole channel geometries result.
  • a further metal removal can then be carried out by means of hydroerosive grinding.

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Abstract

Eine Kraftstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen mit einem Düsenkörper (1) und einer darin geführten Düsennadel (3) weist in einem konischen Kuppenbereich des Düsenkörpers (1) einen spiralförmigen Spritzlochkanal (4) auf. Ein solcher spiralförmiger Spritzlochkanal (4) läßt sich mittels eines Funkenerodierverfahrens herstellen, bei dem eine entsprechend geformte Elektrode in den Düsenkörper vorgeschoben wird.

Description

Beschreibung
Kraftstoffeinspritzdüse mit optimierter Spritzlochkanalgeome- trie sowie Verfahren zur Herstellung einer solchen Spritz- lochkanalgeometrie
Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Funkenerodierverfahren zum Ausbilden einer Spritz- lochkanalbohrung in einem Düsenkörper einer Kraftstoffeinspritzdüse.
Aus der DE 195 07 171 ist eine Kraftstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen bekannt, bei der eine kolbenförmige Dü- sennadel in einer Schaftbohrung eines Düsenkörpers axial verschiebbar geführt wird. Die Schaftbohrung ist dabei im wesentlichen zylindrisch ausgebildet und weist an ihrem brenn- raumseitigen Ende einen konisch zulaufenden Kuppenbereich auf, der von einem Sackloch abgeschlossen wird. Die Düsenna- del trägt an ihrem unteren Ende einen Dichtkonus, den eine
Düsenfeder im Ruhezustand auf den konisch zulaufenden Bereich der Schaftbohrung drückt. Vom Sackloch oder dem konisch zulaufenden Bereich der Schaftbohrung im Düsenkörper führt stromabwärts des Dichtsitzes, je nach Einspritzdüsen-Bauart, wenigstens ein Spritzlochkanal durch den Düsenkörper in einen angrenzenden Brennraum der Brennkraftmaschine.
Da der Durchmesser der Schaftbohrung größer ist als der Durchmesser der Düsennadel, ist im vorderen brennraumseitigen Bereich der Einspritzdüse ein Druckraum ausgebildet, der über einen Druckkanal im Düsenkörper -mit einer Kraftstoffversorgung, z.B. einer Einspritzpumpe oder einem als Common Rail bekannten Hochdruckspeicher, verbunden ist. Dieser Druckraum " wird auf seiner Brennraum abgewandten Seite durch eine an der Düsennadel ausgebildete Druckschulter abgeschlossen, die von dem über den Druckkanal in den Druckraum strömenden Kraftstoff beaufschlagt wird. Übersteigt der auf die Druckschulter ausgeübte Kraftstoffdruck die Haltekraft auf Düsennadel, die durch die Düsenfeder und/oder durch einem bei Common-Rail- Systemen eingesetzten Steuerkolben bestimmt wird, so hebt die Düsennadel vom Dichtsitz in der Schaftbohrung des Düsenkör- pers ab und Kraftstoff wird über den Spritzlochkanal in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt. ~
Bei dem in der DE 195 07 171 dargestellten Düsenkörper ist der Spritzlochkanal als geradlinig durchgehende Bohrung aus- geführt, wobei der Einspritzkanal entsprechend dem gewünschten Spritzlochkegelwinkel schräg zur Schaftbohrung im Düsenkörper steht. Diese Schrägorientierung des Spritzlochkanals führt dazu, daß der von der Einspritzpumpe in die Schaftbohrung mit einem Druck von bis zu 1600 bar eingeleitete Kraft- stoff zum Einspritzen in den Brennraum über den Spritzlochkanal scharf umgelenkt werden muß, was zu einer Verminderung der Kraftstoffgeschwindigkeit und damit zu einer ungewünschten Drosselung des in den Brennraum eingespritzten KraftstoffStrahls führt. Weiterhin treten beim Umlenken des Kraft- Stoffs auch Verwirbelungen auf, die zu Einspritzverlusten sowie einer Veränderung der Einspritzstrahlcharakteristik und damit einer Beeinträchtigung des Verbrennungsverlaufs führen.
Um eine verbesserte Einspritzstrahlcharakteristik zu errei- chen, wird in der DE 195 07 171 vorgeschlagen, den Spritzlochkanal im Einlaufbereich beim Übergang in den Dichtsitz des Düsenkörpers kantenlos abzurunden. Durch diese abgerundete Ausformung des Einlaufbereichs wird der Umlenkwinkel des KraftstoffStrahls beim Übergang von der Schaftbohrung in den Spritzlochkanal verkleinert und weiterhin die Gefahr von Verwirbelungen am Einlaufbereich vermindert, so daß sich ein verbesserter Verbrennungsverlauf einstellt. Trotz diesem Abrunden des Einlaufbereichs unterliegt der Kraftstoffström beim Übergang von der Schaftbohrung in den Spritzlochkanal jedoch weiterhin einem starken Umlenkvorgang, der den Durchflußbeiwert des KraftstoffStroms deutlich verkleinert und so zu Umström- und Geschwindigkeitsverlusten des eingespritzten Kraftstoffs führt. Der begrenzte Durchflußbeiwert des Kraftstoffstroms durch den Spritzlochkanal schränkt weiterhin auch die Durchflußmenge des Kraftstoffs durch den Spritzlochkanal und damit das Einspritzvolumen in den Brennraum ein.
Der Spritzlochkanal wird in den Düsenkörper herkömmlicherwei- se mittels einer Bohroperation, z.B. Laserbohren oder mechanischem Bohren, eingebracht, wobei das Abrunden des Einlauf- bereichs des Spritzlochkanals optional durch ein Nachbearbei- ten, z.B. mittels hydroerosivem Schleifen, erfolgt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kraftstoffeinspritzdüse mit einer optimierten Spritzlochkanalgeometrie und damit einer verbesserten Kraftstoffaufbereitung des Ein- spritzstrahls bereit zu stellen, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Spritzlochkanalgeometrie.
Diese Aufgabe wird durch eine Einspritzdüse gemäß Anspruch 1 sowie ein Funkenerodierverfahren gemäß Anspruch 8 gelöst. Be- vorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil zeichnet sich durch einen spiralförmigen Spritzlochkanalform in einem Dü- senkörper aus. Durch die spiralförmige Geometrie des Spritzlochkanals läßt sich der Durchflußbeiwert der KraftstoffStrömung im Spritzlochkanal und damit die Geschwindigkeit des aus dem Spritzlochkanal in einen Brennraum eingespritzten Kraftstoffs wesentlich erhöhen. Weiterhin steigt mit dem verbes- serten Durchflußbeiwert die Durchflußmenge des Kraftstoffs durch den Spritzlochkanal und damit die Einspritzmenge in den Brennraum an. Durch die spiralförmige Spritzlochkanalform wird außerdem der Umlenkwinkel, der sich durch die Ausrichtung einer Schaftbohrung und eines Sitzkonus in dem Düsenkör- per und einem gewünschten Einspritzwinkel in den Brennraum ergibt, auf ein Minimum reduziert, so daß Verwirbelungen weitgehend vermieden werden und der Einspritzstrahl ein opti- miertes Strömungsprofil erhält. Durch die verbesserte Kraftstoffaufbereitung im Brennraum mittels spiralförmiger Spritzlochkanalform wird die Qualität des Verbrennungsverlaufes wesentlich gesteigert, was zu einer Verringerung der Emissions- werten, der Verbrennungsgeräusche, und des Kraf stoffverbrauchs führt.
Um eine spiralförmige Spritzlochkanalbohrung im Düsenkörper herzustellen, wird erfindungsgemäß der metallische Werkstoff des Düsenkörpers mittels Funkenerosion abgetragen, wobei eine spiralförmige Erodierelektrode in den Düsenkörper zur Ausbildung des Spritzlochkanals vorgeschoben wird. Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren läßt sich einfach und zuverlässig eine spiralförmige Bohrungsgeometrie in einer üblicherweise ca. 1 mm starken Düsenkuppe mit einem Bohrungsdurchmesser von 0,05 bis 0,4 mm, wie sie bei einem Spritzlochkanal üblich sind, herstellen.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnung näher er- läutert. Es zeigen:
Fig. 1A einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzdüse mit spiralförmiger Spritzlochkanalform, und
Fig. 1B eine vergrößerte Darstellung der spiralförmigen Spritzlochkanalgeometrie aus Fig. 1A.
Fig. 1A zeigt den erfindungswesentlichen Teil einer Kraft- Stoffeinspritzdüse für eine Brennkraftmaschine, die einen Düsenkörper 1 mit einer Schaftbohrung 2 aufweist, in der eine Düsennadel 3 angeordnet ist. Der Düsenkörper 1 weist an sei- nem in einem Brennraum der Brennkraftmaschine angeordneten Endbereich einen konisch zulaufenden Kuppenbereich 11 auf, der an seiner Spitze abgerundet ist. Die im wesentlichen zylindrische Schaftbohrung 2 ist im konischen Kuppenbereich 11 des Düsenkörpers ebenfalls konisch zulaufend ausgebildet und endet in einem Sackloch 21.
Die in der Schaftbohrung 2 laufende Düsennadel 3 weist einen Schaftbereich 31 auf, der an seinem unteren Ende einen aus zwei Abschnitten 32, 33 bestehenden Dichtkonus trägt. Der vorzugsweise mit einer abgeflachten Spitze versehene untere Abschnitt 33 des Dichtkonus weist im wesentlichen den gleichen Öffnungswinkel wie der konisch zulaufende Bereich der Schaftbohrung 2 auf, wohingegen der den Schaft 31 und den unteren Abschnitt 33 verbindende konische Zwischenabschnitt 32 einen kleineren Öffnungswinkel besitzt. Wenn die Düsennadel 3 im Ruhezustand von einer Düsenfeder und/oder einem hydraulisch oder pneumatisch betätigten Steuerkolben (nicht ge- zeigt) auf den konischen Bereich der Schaftbohrung gedrückt wird, ergibt sich aufgrund der unterschiedlichen Öffnungswinkel der beiden Abschnitte 32, 33 eine Linienberührung mit dem konisch zulaufenden Bereich der Schaftbohrung mit hoher Preß- und damit guter Dichtwirkung.
Da der Durchmesser des zylindrischen Bereichs der Schaftbohrung 2 größer ist als der Durchmesser des Schaftes 31 der Düsennadel 3, bildet sich ein Druckraum zwischen dem Düsenkörper 1 und der Düsennadel 3, der über einen Druckkanal (nicht gezeigt) im Düsenkörper mit einer Kraftstoffversorgung verbunden ist. Der zwischen dem Düsenkörper und der Düsennadel ausgebildete Druckraum wird an seiner Brennraum abgewandten Seite von einer am Düsennadelschaft 31 ausgebildeten Druckschulter (nicht gezeigt) begrenzt, an der der durch die KraftstoffVersorgung erzeugte Kraftstoffdruck angreift. Wenn der Druck auf die Druckschulter größer wird als die Haltekraft auf die Düsennadel, hebt die Düsennadel, wie in Fig. 1A dargestellt ist, vom Dichtsitz in der Schaftbohrung 2 ab und Kraftstoff kann in den Brennraum eingespritzt werden.
Zum Kraftstoffeinspritzen ist in der Düsenkörperkuppe 11 im konisch zulaufenden Bereich stromabwärts von der Linienberüh- rung mit dem Dichtkonus der Düsennadel 3 ein spiralförmiger Spritzlochkanal 4 im Düsenkörper 1 ausgebildet. Über diesen spiralförmigen Spritzlochkanal 4 wird bei geöffneter Düsennadel 3 der von der Einspritzpumpe in den Druckraum zwischen der Düsennadel 3 und dem Düsenkörper 1 eingespeiste Kraftstoff dann in den Brennraum der Brennkraft aschine abgegeben. Im allgemeinen sind mehrere Spritzlochkanäle um die Düsenkör- perkuppe verteilt, um je nach Brennraumform eine Kraftstoffeinspritzung mit einem definierten Spritzlochkegelwinkel zu erzielen. Bei einem zentralen, senkrechten Einbau der Einspritzdüse sind die Spritzlochkanä¬ le vorzugsweise symmetrisch mit dem gleichen Höhenwinkel um die Kuppe des Düsenkörpers verteilt. Bei einer schräg stehenden Einspritzdüse dagegen sind die Spritzlochkanäle zum Er- zielen des gewünschten Spritzlochkegelwinkels unter verschiedenen Höhenwinkeln, jedoch vorzugsweise mit gleichen Seitenwinkeln in die Kuppe des Düsenkörpers eingebracht.
In Fig. 1B ist die spiralförmige Auslegung des Spritzlochka- nals genauer dargestellt. Die Spiralform des Spritzlochkanals ist dabei so gewählt, daß ein Einlaß 41 des Spritzlochkanals im wesentlichen entsprechend der Strömungsrichtung des Kraftstoffs im Bereich der Düsenkuppe 11 ausgerichtet ist, so daß ein sanftes Umlenken des Kraftstoffstro s durch den Düsenkör- per in den Spritzlochkanal erzielt wird. Weiterhin ist der
Einlaß 41 des Spritzlochkanals beim Übergang in die Düsenkuppe 11 vorzugsweise abgerundet, um einen trichterförmigen Kraftstoffzufluß zu ermöglichen. Durch die sanfte U lenkung des Kraftstoffstroms aus dem Düsenkörper in den Spritzlochka- nal, die zusätzlich durch die trichterförmige Ausgestaltung des Einlasses 41 verstärkt wird, ergibt sich eine wesentliche Erhöhung des Durchflußbeiwertes der KraftstoffStrömung, die gemäß der aus der Bernoulli-Gleichung abgeleiteten Formel
Figure imgf000008_0001
mit v = Kraftstoffgeschwindigkeit μ = Durchflußbeiwert p = Druckdifferenz zwischen Einlaß und Auslaß des Spritzlochkanals n = Kraftstoffdichte -
zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des in dem Brennraum eingespritzten Kraftstoffs führt. Die erhöhte Ein- spritzgeschwindigkeit des Kraftstoffs sorgt für eine gleichmäßigere Einspritzung mit einer verbesserten Kraftstoffaufbereitung in den Brennraum.
Durch die spiralförmige Führung des Kraftstoffstroms im Spritzlochkanal 4 werden Verwirbelungen in der KraftstoffStrömung weiterhin wesentlich reduziert, so daß sich eine stabile Kraftstoffströmung mit hohem Durchflußbeiwert und damit großer Strömungsgeschwindigkeit ergibt. Der in Fig. 1B gezeigte Spritzlochkanal weist über seine Länge eine voll- ständige Spiraldrehung auf. Jedoch bereits mit einer 1/8 Spiraldrehung lassen sich die Vorteile einer verbesserten Kraftstoffaufbereitung im Spritzlochkanal erzielen. Weiterhin ist es aus Strömungsgründen vorteilhaft, den Durchmesser der Spiralform auf das zwei- bis zehnfache des Spritzlochkanaldurch- messers, der 0,05 mm bis 0,4 mm, vorzugsweise jedoch 0,15 mm beträgt, festzulegen.
Um einen optimierten Kraftstoffeinspritzstrahl aus dem Spritzlochkanal 4 zu erzielen, ist der Auslaß 42 des Spritz- lochkanals so angeordnet, daß der Einspritzstrahl aus dem
Spritzlochkanal im wesentlichen tangential mit dem gewünschten Spritzlochkegelwinkel in den Brennraum der Brennkraftmaschine abgegeben wird.
Durch die spiralförmige Auslegung des Spritzlochkanals und die geeignete Ausrichtung von Einlaß 41 und Auslaß 42 läßt sich bei einer Standardeinspritzdüse, wie sie in Fig. 1B ge- zeigt ist, bei der der Konuswinkel in der Dusenkuppe 11 ungefähr 60° betragt und der Kraftstoff m dem Brennraum mit einem Spritzlochkegelwmkel von vorzugsweise 150° eingespritzt werden soll, eine optimierte KraftstoffStrömung ohne Verwir- belungen mit einem verbesserten Durchflußbeiwert und damit erhöhter Stromungsgeschwindigkeit erzielen. Durch die sich ergebende gleichmaßige Einspritzung mit verbesserter Kraftstoffaufbereitung in dem Brennraum lassen sich sowohl die Emissionswerte als auch die Verbrennungsgerausche reduzieren. Weiterhin stellt sich eine Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine verbunden mit einem verringerten Kraftstoffverbrauch ein.
Das in Fig. 1A und Fig. 1B gezeigte Konzept einer spiralfor- migen Geometrie des Spritzlochkanals kann nicht nur bei der dargestellten Spritzlochdusenform, bei der der Dichtkonus der Dusennadel den Einlaufbereich des Spritzlochkanals m Ruhestellung abdeckt, eingesetzt werden, sondern auch bei den weiteren bekannten Dusenformen, bei denen der Spntzlochkanal im Sackloch angeordnet ist. Weiterhin kann dieses Sackloch e nach Bauart zylindrisch, zylindrisch mit konischer Kuppe oder insgesamt konisch ausgestaltet sein.
Um einen spiralförmigen Spntzlochkanal im Dusenkorper 1 aus- zufuhren, wird vorzugsweise ein neu entwickeltes Funkenerodierverfahren eingesetzt. Beim Funkenerodierverfahren handelt es sich um ein thermisches Abtrageverfahren, bei dem eine Abfolge elektrischer Entladungen eingesetzt wird, um Material von metallischen Werkstucken abzuspanen. Um die elektrischen Entladungen zu erzeugen, wird zwischen einer Elektrode und dem Werkstuck, die durch eine elektrisch isolierende Flüssigkeit getrennt sind, eine hohe Spannung angelegt, die für einen elektrischen Durchschlag durch die Flüssigkeit sorgt. Der Durchschlag stellt einen Entladekanal m der Flüssigkeit her, durch den elektrischer Strom fließt und in dem hohe Temperaturen und Drucke herrschen. Der elektrische Stromfluß bewirkt, daß am Werkstuck und an der Elektrode eine Schmelze entstehen. Wenn die angelegte Spannung auf Null gesetzt wird, fällt der Entladekanal in der Flüssigkeit wieder zusammen und die Schmelze am Werkstück und der Elektrode verdampft explosionsartig und das flüssiges Metall aus der Elektroden- und Werkstückoberfläche wird weggerissen.
Die Abtrageleistung sowie die Kraterform im Werkstück hängt bei der Funkenerosion von der Entladedauer, die üblicherweise im μ-Sekundenbereich liegt und vom elektrischen Strom, der durch den Entladekanal fließt und durch die Aufladespannung bedingt ist, ab. Weitere Einflußgrößen sind die Wahl der Flüssigkeit zwischen der Elektrode und dem Werkstück, das Material aus dem Elektrode bzw. Werkstück bestehen, sowie die Elektrodenform und die Art ihrer Führung. Als Elektrodenwerk- stoff zur Herstellung von Kanalbohrungen mit einem Durchmesser von 0,05 bis 0,4 mm bei einer Werkstoffdicke von ca. 1 mm, wie sie sich bei der Ausbildung eines Spritzlochkanals in einem Düsenkörper ergeben, haben sich insbesondere Wolfram, Silber, Hartmetall und Graphit als vorteilhaft erwiesen. Als Flüssigkeit wird üblicherweise Wasser eingesetzt.
Um einen spiralförmigen Spritzlochkanal auszuführen, wie er in Fig. 1A und 1B gezeigt ist, wird eine spiralförmig geformte Erodierelektrode eingesetzt. Eine solche spiralförmige Erodierelektrode wird vorzugsweise über ein Schneckengetriebe in den Düsenkörper vorgeschoben, so daß sich die Erodierelektrode leicht kontinuierlich nachführen läßt. Der Durchmesser der Erodierelektrode wird dabei unwesentlich kleiner als der gewünschte Durchmesser des Spritzlochkanals gewählt, wobei, um die bevorzugte Spiralgeometrie für den Spritzlochkanal zu erzielen, der Spiraldurchmesser der Erodierelektrode das zwei- bis zehnfache des Elektrodendurchmessers ist.
Zur Ausbildung des Spritzlochkanals wird die spiralförmige Erodierelektrode bis auf einen Mindestabstand an den Düsenkörper herangeführt und das metallische Material des Düsenkörpers mittels elektrischer Entladung bei einer Wiederholra- te von 20 bis 100 kHz abgetragen. Die spiralförmige Erodierelektrode wird dabei durch das Schneckengetriebe laufend vorgeschoben, wobei das Schneckengetriebe und die Erodierelektrode vorzugsweise so ausgelegt sind, daß die spiralförmige Erodierelektrode bei 0,2 bis 2 Umdrehungen um einen Millimeter vorwärts bewegt wird, so daß sich die bevorzugten Spritz- lochkanalgeometrien ergeben. Um nach Ausbildung der spiralförmigen Spritzlochkanalbohrung den Einlaß abzurunden, kann dann mittels hydroerosivem Schleifens noch ein weiterer Me- tallabtrag vorgenommen werden.

Claims

Patentansprüche
1. Kraftstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen mit einem Düsenkörper (1), der wenigstens einen Spritzlochkanal (4) zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine aufweist, ~ dadurch gekennzeichnet, daß der Spritzlochkanal (4) wenigstens teilweise spiralförmig ausgebildet ist.
2. Kraftstoffeinspritzdüse gemäß Anspruch 1, wobei der Düsenkörper (1) mit einer im wesentlichen zylindrischen Schaftbohrung (2) ausgebildet ist, die am brennraumseitigen Ende ein konisch zulaufender Kuppenbereich (11) aufweist, der wenigstens teilweise spiralförmige Spritzlochkanal (4) seitlich in dem Kuppenbereich der Schaftbohrung eingebracht ist, und eine Düsennadel (3) axial verschiebbar in der Schaftbohrung des Düsenkörpers angeordnet ist, die eine ko- nusförmige Spitze (32, 33) aufweist, wobei die Düsennadel in Ruhestellung stromaufwärts vom Spritzlochkanal gegen einen konusförmig zulaufenden Kuppenbereich der Schaftbohrung gedrückt wird.
3. Kraftstoffeinspritzdüse gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei über die Länge des Spritzlochkanals im Düsenkörper 0,2 bis 2 Spiraldrehungen vorgesehen sind.
4. Kraftstoffeinspritzdüse gemäß einem der Ansprüche 1 bis
3, wobei der Spiraldurchmesser des Spritzlochkanals das zwei- bis zehnfache des Spritzlochkanaldurchmessers ist.
5. Kraftstoffeinspritzdüse gemäß einem der Ansprüche 1 bis
4, wobei der Auslaß (42) des Spritzlochkanals (4) so im Düsenkörper (1) ausgeformt ist, daß der Brennstoff beim Austritt im wesentlichen tangential mit einem gewünschten Spritzlochkegelwinkel in den Brennraum eingespritzt wird.
6. Kraftstoffeinspritzdüse gemäß einem der Ansprüche 2 bis
5, wobei der Einlaß (41) des Spritzlochkanals (4) so im Düsenkörper (1) ausgebildet ist, daß der Spritzlochkanal ein- gangsseitig in KraftstoffStrömungsrichtung tangential in den konusförmigen Bereich der Kuppe (11) des Düsenkörpers (1) übergeht .
7. Kraftstoffeinspritzdüse gemäß einem der Ansprüche 1 bis
6, wobei der Einlaß (41) des Spritzlochkanals (4) abgerundet ist .
8. Funkenerodierverfahren zum Ausbilden einer spiralförmigen Kanalbohrung in einem Düsenkörper einer Kraftstoffeinspritzdüse, wobei eine spiralförmige Erodierelektrode in den Düsenkörper vorgeschoben wird, um mittels Abtragen des metallischen Düsenkörperwerkstoffs die Kanalbohrung auszuführen.
9. Funkenerodierverfahren gemäß Anspruch 8, wobei die spiralförmige Erodierelektrode über ein Schneckengetriebe in den Düsenkörper vorgeschoben wird.
10. Funkenerodierverfahren gemäß Anspruch 9, wobei das Schneckengetriebe so ausgelegt ist, daß die spiralförmige Erodierelektrode bei 0,2 bis 2 Umdrehungen um einen Millimeter vorwärts bewegt wird.
11. Funkenerodierverfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis
10, wobei der Spiraldurchmesser der Erodierelektrode das zwei- bis zehnfache des Elektrodendurchmessers ist.
12. Funkenerodierverfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis
11, wobei Wolfram, Silber oder Graphit als Elektrodenmaterial verwendet werden.
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