WO2003031807A1 - Kraftstoffeinspritzventil - Google Patents

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WO2003031807A1
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valve
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Grit KRÜGER
Andrej Astachow
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a fuel injection valve for
  • the fuel injection is typically controlled by means of a valve needle which is sealingly guided and displaceably arranged in a valve body of an injection valve.
  • the valve needle has at its tip a valve needle seat which, together with a valve body of the valve body, opens or closes at least one nozzle opening to the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the at least one nozzle opening is typically arranged in the region of the valve body seat.
  • the task of the injection nozzle is the combustion chamber
  • the type of fuel preparation is significantly influenced by the injection nozzle and the course of the injection process. This in turn can significantly influence the combustion of the internal combustion engine.
  • the injection nozzle is closed, when the cone of the nozzle needle lies against the conical sealing surface of the nozzle body, the nozzle needle is centered in the nozzle body by this system.
  • the nozzle needle is lifted off the conical sealing surface, however, the nozzle needle which then projects freely into the tip of the nozzle body tends to deviate from the exactly centered position.
  • Flow enables the geometry in the needle seat to be avoided with as little flow loss as possible.
  • the insertion of the groove creates an additional so-called damage volume, i.e. a volume between the nozzle body and the nozzle needle that has a detrimental effect on the engine function with regard to exhaust gas emissions.
  • An object of the invention is to provide a fuel injection valve which enables the injection pattern of the injection holes to be as uniform as possible with a minimal damage volume.
  • a fuel injection valve for injecting fuel into the combustion chamber of an internal combustion engine which has a valve body with a tip with injection holes and a valve needle which is arranged to be axially movable in the valve body.
  • a cone on the needle tip of the valve needle selectively opens and blocks a fuel path to the injection holes.
  • the needle tip of the valve needle has a groove-shaped recess assigned to each injection hole.
  • the volume required for an economical control of the flow under the needle seat can be reduced to a minimum. This is achieved by using a circular instead of a Groove around the needle tip only narrow grooves are made in the needle tip.
  • each cutout has a width which corresponds to at least one diameter of an injection hole. In this way, the volume of damage can be reduced to a minimum, but an optimal flow deflection in the direction of the spray surface is still guaranteed.
  • the cutouts can each have an arcuate or curved contour. Such an arcuate or arched contour can be easily removed during the manufacturing process of the nozzle needle e.
  • one embodiment can provide that the cutouts each have a semicircular cross section.
  • the nozzle needle preferably has a long guide to prevent rotary movements, so that the orientation of the groove with respect to the respective inlet is ensured at any time.
  • a long guide of the nozzle needle can preferably be formed by a tongue and groove guide, so that rotation of the nozzle needle is prevented at any time during operation.
  • a further embodiment of the invention can provide that each injection hole is given a specially adapted groove, as a result of which asymmetrical flow conditions due to needle deflections can be compensated for.
  • the invention consists in solving two opposing problems. To optimize the flow, an additional volume is created in front of the leading edges of the injection nozzle, rather than an injection nozzle
  • Damaged volume in the blind hole of the nozzle is minimized.
  • a fixie The needle in relation to the nozzle body during assembly enables the advantages of both aspects to be realized.
  • FIG. 1 shows a fuel injection valve according to the invention in a schematic sectional view
  • FIG. 2 shows a top view of the fuel injection valve according to FIG. 1,
  • FIG. 3 shows an enlarged section of the needle tip of the valve according to FIG. 1 and
  • FIG. 4 shows a plan view from below of the needle tip corresponding to FIG. 3.
  • FIG. 1 shows a fuel injection valve according to the invention in a schematic sectional view.
  • the fuel injection valve 2 consists of a valve body 4 and a valve needle 6, which is tightly guided with a needle guide 10 in the valve body 4.
  • One or more injection holes 20 are provided in a blind hole 16 of the valve body 4.
  • the valve needle 6 has a needle tip 8 with a seat edge 18 and a valve needle seat 22. This valve needle seat 22 is seated on a valve body seat 24 and thus seals the injection valve 2 with the injection holes 20.
  • the fuel reaches the seat edge 18 via a fuel inlet 30 and an annular pressure chamber 26 located between the valve needle 6 and the valve body 4, and with the valve needle 6 raised along the annular space 32 between the valve needle 6 and the valve body via the blind hole 16 and the injection holes 20 into the combustion chamber the internal combustion engine.
  • a sealing gap 14 is located between a cylindrically shaped needle guide 10 in the upper region of the valve needle 6, which is enlarged in diameter compared to the needle shaft, and a guide surface 12 in the valve body 4, which has a cylindrical inner jacket surface
  • the high pressure prevailing in the pressure chamber 26 continuously decreases compared to a leakage area above the valve needle 6.
  • a rotation of the valve needle 6 is prevented at all times by means of a feather key 34 in the upper region of the needle guide 10, which is guided in a corresponding guide groove 36 m of the guide surface 12 of the valve body 4. In this way, the cutouts 38 of the needle tip remain assigned to their respective corresponding injection holes.
  • the configuration of the needle tip 8 including the valve needle seat 22 and valve body seat 24 is explained in more detail with reference to FIGS. 3 and 4.
  • FIG. 2 shows a top view of the fuel injection valve 2 according to FIG. 1.
  • the key 34 can be seen, which is fitted into a corresponding groove in the upper region of the needle guide 10.
  • the key 34 engages in the correspondingly fitting guide groove 36 in the valve body 4 em, so that axial guidance of the valve needle 6 is ensured with little play. In this way, each recess on the needle tip 8 is assigned to its associated injection hole 20.
  • FIG. 3 shows an enlarged section of the needle tip 8 of the fuel injection valve 2 according to FIG. 1.
  • the valve needle 6 has on its needle syringe 8 a first cone section 42 with a first cone angle, which merges into a second cone section 44 with a somewhat blunt cone angle than the first cone section 42 ,
  • the second cone section 44 is flattened and limited by a round end face 40.
  • the transition between the first cone section 42 and the second cone section 44 simultaneously represents a seat edge 18 which forms a valve needle seat 22.
  • this valve needle seat 22 rests on the valve body seat 24 of the valve body tip.
  • a plurality of injection holes 20 are provided at the lower tip of the valve body, six in the exemplary embodiment shown (see FIG. 4).
  • Groove-shaped recesses 38 are provided in the second cone section 44, each of which is assigned to an injection hole 20 and each has approximately the same width as an injection hole 20.
  • the groove-shaped recesses 38 each have a triangular cross section, with a lower edge of the recess 38 being approximately at the same height as a lower edge of an injection hole 20.
  • the upper edge of each recess lies closer to the first cone section 42, so that a fuel flow can run within the groove with almost no swirl and is directed in the direction of the injection hole 20.
  • a blind hole 16 is formed in the valve body tip around the end face 40 and the tip of the second cone section 44, which leaves only a very small space when the valve needle 6 is closed, so that only a small amount
  • Damaged volume is formed in the fuel injection valve 2 according to the invention.
  • FIG. 4 finally shows a plan view from below of the needle tip 8 corresponding to FIG. 3.
  • the star-shaped, symmetrically arranged injection holes 20 can be seen, each of which is assigned a recess 38 in the second cone section 44 of the needle tip 8 on the same longitudinal axis.
  • the cutouts 38 can each have an individual contour.
  • asymmetrical spray patterns of the Fuel injection valve 2 can be compensated for, for example, due to a valve needle 6 which is not guided centrally or is laterally deflected.
  • Such asymmetrical spray patterns can preferably be determined in experiments and taken into account accordingly when the recesses 38 are formed.

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil (2) zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einem Ventilkörper (4) mit einer Spitze mit Einspritzlöchern (20) und mit einer Ventilnadel (6), die im Ventilkörper (4) axial beweglich angeordnet ist, wobei ein Konus an der Nadelspitze (8) der Ventilnadel (6) einen Kraftstoffweg zu den Einspritzlöchern (20) selektiv freigibt und sperrt. Es ist vorgesehen, dass das Kraftstoffeinspritzventil jeweils eine jedem Einspritzloch (20) zugeordnete nutförmige Aussparung (38) in der Nadelspitze (8) der Ventilnadel (6) aufweist.

Description

Beschreibung
Kraftstoffemspπtzventil
Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für
Brennkraftmaschinen, insbesondere für solche mit Direkteinspritzung.
Bei herkömmlichen KraftstoffInjektoren für Emspritzanlagen von Brennkraftmaschinen erfolgt die Steuerung der Kraftstoffeinspritzung typischerweise mittels einer Ventilnadel, die in einem Ventilkorper eines Einspritzventils dichtend gefuhrt und verschiebbar angeordnet ist. Die Ventilnadel weist an ihrer Spitze einen Ventilnadelsitz auf, der zusammen mit einem Ventilkorpersit z des Ventilkorpers wenigstens eine Dusenoff- nung zum Brennraum der Brennkraftmaschine öffnet oder schließt. Die wenigstens eine Dusenoffnung ist typischerweise im Bereich des Ventilkorpersitzes angeordnet.
Der Einspritzdüse kommt die Aufgabe zu, den Brennraum der
Brennkraftmaschine gezielt und dosiert mit Kraftstoff zu versorgen. Die Art der Kraftstoffaufbereitung wird durch die Einspritzdüse und den Verlauf des Einspritzvorganges wesentlich beemflusst. Dieser wiederum kann die Verbrennung der Brennkraftmaschine wesentlich beeinflussen. Bei geschlossener Einspritzdüse, wenn der Konus der Dusennadel an der konischen Dichtflache des Dusenkorpers anliegt, ist die Dusennadel durch diese Anlage im Dusenkorper zentriert. Beim Abheben der Dusennadel von der konischen Dichtflache neigt die dann frei in die Spitze des Dusenkorpers ragende Dusennadel jedoch dazu, von der exakt zentrierten Lage abzuweichen. Dies hat zur Folge, dass die umlaufenden Einspritzlocher nicht gleichmäßig freigegeben werden, was wiederum zu einer unsymmetrischen Strahlausbildung fuhren kann, die den Verbrennungsverlauf und damit auch die Emissionswerte negativ zu beeinflussen vermag. Um ein gleichmaßiges Strahlbild der verschiedenen Einspritzlocher zu gewahrleisten, wird in der DE 198 43 616 AI vorgeschlagen, den Dusenkorper der Einspritzdüse im Bereich der Einspritzlocher mit einer zylinderformigen Aussparung im In- nenraum der Spitze vorzusehen. Mit Hilfe der Nut wird die
Strömung in die Lage versetzt, die Geometrie im Nadelsitz mit möglichst geringen Stromungsverlusten zu umgehen. Allerdings entsteht durch das Einbringen der Nut ein zusatzliches sogenanntes Schadvolumen, d.h. ein Volumen zwischen Dusenkorper und Dusennadel, das sich für die Motorfunktion bzgl. Abgas- emissionen schädlich auswirkt.
Ein Ziel der Erfindung besteht darin, ein Kraftstoffein- spπtzventil zur Verfugung zu stellen, das bei minimalem Schadvolumen ein möglichst gleichmaßiges Spritzbild der Einspritzlocher ermöglicht.
Dieses Ziel der Erfindung wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche erreicht. Merkmale vorteilhafter Weiter- bildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhangigen Ansprüchen .
Um dieses Ziel der Erfindung zu erreichen, wird ein Kraftstoffemspritzventil zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, das einen Ventilkorper mit einer Spitze mit Einspritzlochern und eine Ventilnadel aufweist, die im Ventilkorper axial beweglich angeordnet ist. Ein Konus an der Nadelspitze der Ventilnadel gibt einen Kraftstoffweg zu den Einspritzlochern selektiv frei und sperrt ihn. Erfindungsgemaß ist vorgesehen, dass die Nadelspitze der Ventilnadel jeweils eine jedem Einspritzloch zugeordnete, nutformige Aussparung aufweist.
Mit diesem erfmdungsgemaßen Kraftstoffemspritzventil kann das für eine gunstige Lenkung der Strömung unter dem Nadelsitz notwendige Volumen auf ein Minimum reduziert werden. Dies wird dadurch erreicht, dass anstatt einer kreisförmigen Nut um die Nadelspitze lediglich schmale Nuten in der Nadelspitze eingebracht sind.
Bei einer Ausgestaltung des erfmdungsgemaßen Kraftstoffem- spπtzventils weist jede Aussparung eine Breite auf, die mindestens einen Durchmesser eines Einspritzlochs entspricht. Auf diese Weise kann das Schadvolumen auf ein Minimum reduziert werden, wobei dennoch eine optimale Stromungsumlenkung in Richtung der Spritzflache gewährleistet bleibt.
Zur Vereinfachung der Fertigung können die Aussparungen jeweils eine bogenförmige oder gewölbte Kontur aufweisen. Eine solche bogenförmige bzw. gewölbte Kontur lasst sich auf einfache Weise beim Herstellungsvorgang der Dusennadel e brm- gen. So kann beispielsweise eine Ausfuhrungsform vorsehen, dass die Aussparungen jeweils einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweisen.
Vorzugsweise weist die Dusennadel eine Langsfuhrung zur Ver- hmderung von Drehbewegungen auf, so dass jederzeit die Ausrichtung der Nut gegenüber dem jeweiligen Eintritt ms Spritzloch gewährleistet ist. Eine derartige Langsfuhrung der Dusennadel kann vorzugsweise durch eine Nut-Feder-Fuhrung gebildet werden, so dass jederzeit e ne Rotation der Dusennadel wahrend des Betriebs verhindert wird.
Eine weitere Ausfuhrungsform der Erfindung kann vorsehen, dass jedes Einspritzloch eine speziell angepasste Nut bekommt, wodurch sich unsymmetrische Stromungsbedingungen m- folge von Nadelauslenkungen kompensieren lassen.
Die Erfindung besteht in der Losung von zwei einander entgegenwirkenden Probleme. Zur Stromungsoptimierung wird ein zusätzliches Volumen vor den Eintrittskanten der Emspritzlo- eher einer Einspritzdüse geschaffen, wobei gleichzeitig das
Schadvolumen im Sackloch der Düse minimiert wird. Eine Fixie- rung der Nadel gegenüber dem Dusenkorper bei der Montage ermöglicht es, die Vorteile beider Aspekte zu verwirklichen.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausfuhrungsformen mit Bezug auf die beiliegenden Figuren naher erläutert.
Figur 1 ein erfmdungsgemaßes Kraftstoffemspritzventil in schematischer Schnittansicht,
Figur 2 eine Draufsicht auf das Kraftstoffemspritzventil gemäß Figur 1,
Figur 3 einen vergrößerten Ausschnitt der Nadelspitze des Ventils gemäß Figur 1 und
Figur 4 eine Draufsicht von unten auf die Nadelspitze entsprechend Figur 3.
Figur 1 zeigt ein erfmdungsgemaßes Kraftstoffemspritzventil m schematischer Schnittansicht. Das Kraftstoffemspritzventil 2 besteht aus einem Ventilkorper 4 und einer Ventilnadel 6, die mit einer Nadelfuhrung 10 in dem Ventilkorper 4 dicht gefuhrt ist. In einem Sackloch 16 des Ventilkorpers 4 ist eine bzw. sind mehrere Einspritzlocher 20 vorgesehen. Die Ven- tilnadel 6 weist eine Nadelspitze 8 mit einer Sitzkante 18 und einem Ventilnadelsitz 22 auf. Dieser Ventilnadelsitz 22 sitzt auf einem Ventilkorpersitz 24 auf und dichtet somit das Emspritzventil 2 mit den Einspritzlochern 20 ab.
Der Kraftstoff gelangt über einen KraftstoffZulauf 30 und einen zwischen der Ventilnadel 6 und dem Ventilkorper 4 liegenden ringförmigen Druckraum 26 zur Sitzkante 18 und bei angehobener Ventilnadel 6 entlang des Ringraums 32 zwischen Ventilnadel 6 und Ventilkorperschaft weiter über das Sackloch 16 und die Einspritzlocher 20 in den Brennraum der Brennkraftma- schme . Zwischen einer zylindrisch geformten Nadelfuhrung 10 im oberen Bereich der Ventilnadel 6, die gegenüber dem Nadelschaft im Durchmesser vergrößert ist, und einer Fuhrungsflache 12 im Ventilkorper 4, die eine zylindrische Innenmantelflache auf- weist, befindet sich em Dichtspalt 14. Durch diesen Dichtspalt 14 nimmt der im Druckraum 26 herrschende Hochdruck gegenüber einem Leckagebereich oberhalb der Ventilnadel 6 kontinuierlich ab.
Mittels einer Passfeder 34 im oberen Bereich der Nadelfuhrung 10, die in einer entsprechenden Fuhrungsnut 36 m der Fuh- rungsflache 12 des Ventilkorpers 4 gefuhrt ist, wird jederzeit eine Rotation der Ventilnadel 6 verhindert. Auf diese Weise bleiben die Aussparungen 38 der Nadelspitze ihren jeweils korrespondierenden Einspritzlochern zugeordnet.
Die Ausgestaltung der Nadelspitze 8 inklusive Ventilnadelsitz 22 und Ventilkorpersitz 24 wird anhand der Figuren 3 und 4 naher erläutert.
Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf das Kraftstoffemspritzventil 2 gemäß Figur 1. Erkennbar ist hierbei insbesondere die Passfeder 34, die in eine entsprechende Nut im oberen Bereich der Nadelfuhrung 10 emgepasst ist. Die Passfeder 34 greift in die entsprechend passende Fuhrungsnut 36 im Ventilkorper 4 em, so dass eine axiale Fuhrung der Ventilnadel 6 mit geringem Spiel gewährleistet ist. Auf diese Weise bleibt ede Aussparung an der Nadelspitze 8 jeweils ihrem zugehörigen Einspritzloch 20 zugeordnet.
Figur 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Nadelspitze 8 des Kraftstoffemspritzventils 2 gemäß Figur 1. Die Ventilnadel 6 weist an ihrer Nadelspritze 8 einen ersten Kegelabschnitt 42 mit einem ersten Kegelwinkel auf, der in einen zweiten Kegelabschnitt 44 mit etwas stumpferen Kegelwmkel als der erste Kegelabschnitte 42 übergeht. Am Ende der Nadelspitze 8 ist der zweite Kegelabschnitt 44 abgeflacht und durch eine runde Stirnflache 40 begrenzt. Der Übergang zwischen ersten Kegelabschnitt 42 und zweitem Kegelabschnitt 44 stellt gleichzeitig eine Sitzkante 18 dar, die einen Ventil- nadelsitz 22 bildet. Dieser Ventilnadelsitz 22 liegt bei ge- schlossener Ventilnadel 6 am Ventilkorpersitz 24 der Ventil- korperspitze auf. An der unteren Spitze des Ventilkorpers sind mehrere Einspritzlocher 20 vorgesehen, im gezeigten Aus- fuhrungsbeispiel sechs an der Zahl (vgl. Figur 4).
Im zweiten Kegelabschnitt 44 sind nutformige Aussparungen 38 vorgesehen, die jeweils einem Einspritzloch 20 zugeordnet sind und die jeweils annahrend die gleiche Breite wie em Einspritzloch 20 aufweisen. Die nutformigen Aussparungen 38 weisen jeweils einen dreieckformigen Querschnitt auf, wobei eine untere Kante der Aussparung 38 jeweils ungefähr auf gleicher Hohe wie eine untere Kante eines Einspritzlochs 20 liegt. Die obere Kante jeder Aussparung liegt naher zum ersten Kegelabschnitt 42, so dass eine KraftstoffStrömung annähernd drallfrei innerhalb der Nut verlaufen kann und in Rich- tung des Einspritzlochs 20 gelenkt wird.
Um die Stirnflache 40 und die Spitze des zweiten Kegelabschnitts 44 ist em Sackloch 16 in der Ventilkorperspitze ausgebildet, das einen nur sehr kleinen Raum bei geschlosse- ner Ventilnadel 6 übrig lasst, so dass em nur geringes
Schadvolumen im erfmdungsgemaßen Kraftstoffemspritzventil 2 gebildet wird.
Figur 4 zeigt schließlich eine Draufsicht von unten auf die Nadelspitze 8 entsprechend Figur 3. Erkennbar sind die sternförmig symmetrisch angeordneten Einspritzlocher 20, denen jeweils auf gleicher Langsachse eine Aussparung 38 im zweiten Kegelabschnitt 44 der Nadelspitze 8 zugeordnet ist.
In einer weiteren bevorzugten Variante der Erfindung können die Aussparungen 38 jeweils eine individuelle Kontur aufweisen. Auf diese Weise können unsymmetrische Spritzbilder des Kraftstoffeinspritzventils 2 aufgrund beispielsweise einer nicht zentrisch geführten oder seitlich ausgelenkten Ventilnadel 6 ausgeglichen werden. Vorzugsweise können derartige unsymmetrische Spritzbilder in Versuchen ermittelt werden und bei der Ausbildung der Aussparungen 38 entsprechend berücksichtigt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Kraftstoffeinspritzventil (2) zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einem Ventilkörper (4) mit einer Spitze mit Einspritzlöchern (20) und mit einer Ventilnadel (6), die im Ventilkόrper (4) axial beweglich angeordnet ist, wobei ein Konus an der Nadelspitze (8) der Ventilnadel (6) einen Kraftstoffweg zu den Einspritzlöchern (20) selektiv freigibt und sperrt, gekennzeichnet durch jeweils eine jedem Einspritzloch (20) zugeordnete nut- förmige Aussparung (38) in der Nadelspitze (8) der Ventilnadel (6) .
2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Aussparung (38) eine Breite aufweist, die mindestens einem Durchmesser eines Einspritzlochs (20) ent- spricht.
3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (38) jeweils eine gestufte Kontur auf- weisen.
4. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (38) jeweils einen bogenförmigen Quer- schnitt aufweisen.
5. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (6) eine Längsführung zur Verhinderung von Drehbewegungen aufweist.
6. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Langsfuhrung durch eine Nut-Feder-Fuhrung gebildet
7. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Passfeder (34) in einer Nadelfuhrung (10) der Ventilnadel (6) m eine Fuhrungsnut (36) in einer hohlzy- lindrischen Fuhrungsflache (12) im Ventilkorper (4) eingreift .
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