WO2006007620A1

WO2006007620A1 - Einspritzdüse

Info

Publication number: WO2006007620A1
Application number: PCT/AT2005/000286
Authority: WO
Inventors: Jaroslaw Hlousek; Heinrich Werger
Original assignee: Robert Bosch Gbmh
Priority date: 2004-07-22
Filing date: 2005-07-19
Publication date: 2006-01-26
Also published as: AT414159B; ATA12562004A

Abstract

Bei einer Einspritzdüse für das Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, bei welcher das Öffnen und Schließen der Einspritzquerschnitte durch eine axial entgegen der Kraft einer Feder verschiebliche Düsennadel (1) erfolgt, welche mit Kraftstoffdruck entgegen der Kraft der Feder (3) im Öffnungssinne beaufschlagbar ist, weist die Düsennadel (1) an ihrem an den Ventilsitz (6) anschließenden in das die Einspritzöffnungen (8) aufweisende Sackloch (9) eintauchenden Ende wenigstens eine ringförmige Rille oder Nut auf.

Description

Einspritzdüse

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einspritzdüse für das Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brenn- kraftmaschine, bei welcher das Öffnen und Schließen der Ein¬ spritzquerschnitte durch eine axial entgegen der Kraft einer Feder verschiebliche Düsennadel erfolgt, welche mit Kraft¬ stoffdruck entgegen der Kraft der Feder im Öffnungssinne be¬ aufschlagbar ist.

Einspritzdüsen in Injektoren für Common Rail Systeme zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brenn¬ kraftmaschine sind üblicherweise so ausgebildet, dass das Öffnen und Schließen der Einspritzquerschnitte durch eine Düsennadel erfolgt, die mit einem Schaft längsverschieblich in einem Düsenkörper geführt ist. Die Steuerung der Bewegung der Düsennadel wird über ein Magnetventil vorgenommen. Die Düsennadel wird beidseitig mit dem Kraftstoffdruck und durch eine in Schließrichtung wirkende Druckfeder beaufschlagt. An der Düsennadelrückseite, d.h. der dem Düsennadelsitz abge¬ wandten Seite der Düsennadel ist ein Steuerraum vorgesehen, in welchem Kraftstoff unter Druck die Düsennadel in Schließ¬ richtung beaufschlagt und damit die Düsennadel auf den Nadelsitz bzw. Ventilsitz drückt.

Das Steuerventil, welches beispielsweise als Magnetventil ausgebildet sein kann, gibt eine Abflussöffnung oberhalb des Steuerraums frei, sodass der Kraftstoffdruck im Steuerraum sinkt, worauf die Düsennadel entgegen der Kraft der Feder vom auf der anderen Seite anstehenden Kraftstoffdruck von ihrem Sitz abgehoben wird und auf diese Weise dem Durchtritt von Kraftstoff in einen Düsenvorraum und damit zu den Ein¬ spritzöffnungen freigibt. Im Interesse verbesserter Emis¬ sionswerte ist die geometrische Form des Ventilsitzes, der Nadelspitze und des Sacklochs, in welchem die Einspritz¬ öffnungen vorgesehen sind, von wesentlicher Bedeutung. Das Öffnungs- und Schließverhalten der Düse bestimmt wesentlich die Russ- und NOX-Emissionen. Im Bereich des Ventilsitzes, des Sacklochs und der Einspritzöffnungen kommt es nach dem Abheben der Düsennadel kurzzeitig zu sehr hohen Strömungs¬ geschwindigkeiten, welche rasch wiederum auf null reduziert werden. Moderne Einspritzsysteme arbeiten mit hohem Ein¬ spritzdruck. An bestimmten Stellen, bei welchen ein Unter¬ druck herrscht, kann es zu Bildung von Gasblasen kommen, wobei in darauf folgenden Überdruckphasen diese Gasblasen implodieren. Wenn eine derartige Implosion in der Nähe von Wänden stattfindet, kommt es zu erosiven Abtragungen bzw. Kavitationsschäden an den Bauteilen der Einspritzdüse, welche zum Ausfall der Einspritzdüse führen können.

Bei magnetventilgesteuerten Einspritzdüsen, wie sie bei- spielsweise bei Common Rail Systemen zum Einsatz gelangen, liegt bereits zu Beginn der Nadelöffnung eine sehr hohe Druckdifferenz zwischen Düsenvorraum und Sackloch vor. Im Düsenvorraum herrscht stets der volle Pumpendruck des Common Rails. Eine derartig hohe Druckdifferenz tritt bei konven- tionellen Systemen zum Zeitpunkt des Nadelöffnens nicht not¬ wendigerweise auf, da hier der wesentlich niedrigere Öffnungsdruck maßgebend ist. Ein nahezu oder gänzlich von Kraftstoff entleertes Sackloch wird bei konventionellen Systemen mit moderat ansteigendem Druck gefüllt. Bei Common Rail Düsen treten wesentlich höhere Strahlgeschwindigkeiten im Bereich des Ventilsitzes und im nachfolgenden Bereich des Sacklochs auf, wodurch bei ungünstiger Ausbildung der Nadel¬ spitzen- bzw. der Sacklochgeometrie Kavitationserscheinungen wegen hoher Auftreffgeschwindigkeiten des KraftstoffStrahls auf die Wände von Bauelementen auftreten. Derartige Erschei¬ nungen sind als Strahlkavitation bekannt.

Die Erfindung zielt nun darauf ab, eine Einspritzdüse der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher auch bei hohen Strahlgeschwindigkeiten eine verbesserte Strömungs¬ führung erreicht wird, bei welcher abrupte Umlenkungen und abrupte Geschwindigkeitsänderungen vermieden werden und Aufprallzonen minimiert werden. Zum Einen zielt die Er¬ findung somit darauf ab, das Entstehen von Gasblasen zu ver¬ hindern und, wenn dies schon nicht vermeidbar ist, eine Im¬ plosion in der Nähe der Wand zu verhindern, sodass gegebe- nenfalls dennoch auftretende Kavitationserscheinungen an Stellen verlegt werden können, welche die Funktion und Le¬ bensdauer der Bauteile nicht oder nur unwesentlich beein¬ trächtigen. Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungs¬ gemäße Einspritzdüse im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel an ihrem an den Ventilsitz anschließen¬ den in das die Einspritzöffnungen aufweisende Sackloch ein¬ tauchenden Ende wenigstens eine ringförmige Rille oder Nut aufweist. Wesentlich für die erfindungsgemäße Ausbildung ist somit, dass im Anschluss an den Ventilsitz die Düsennadel entsprechende Ausnehmungen aufweist, welche die Oberfläche der Düsennadel in größerem Abstand von Wandbereichen bewegen und eine entsprechende Umlenkung bewirken. Strahlkavitation soll somit bevorzugt, soweit sie sich nicht überhaupt ver¬ meiden lässt, im Bereich der Düsennadel im Anschluss an den Düsennadelsitz, nicht aber im Wandbereich des Sacklochs auf¬ treten, sodass ein hier gegebenenfalls auftretender Ver¬ schleiß die sichere Funktion der Düse nicht beeinträchtigt. Diese Ausnehmung kann im Querschnitt gesehen ringförmig oder ringnutförmig sein, wobei es lediglich wesentlich ist, dass das im Wesentlichen kegelförmige Ende der Düsennadel nicht über den gesamten Bereich bis zur Düsenspitze eine einheit¬ liche Kegelfläche ausbildet. Die an den Düsennadelsitz an¬ schließenden Bereiche der Düsennadel sollen somit abweichend vom Grundkegel, wie er dem Bereich der Düsennadel im Nadel- sitz entspricht, ausgestaltet sein, um an dieser Stelle ent¬ sprechende Modifikationen der Strömung ohne abrupte Umlen¬ kungen und Geschwindigkeitsänderungen zu gewährleisten.

In besonders einfacher Weise kann die Ausbildung hierbei so getroffen sein, dass die Nut- oder Rillenflanken von kegel¬ stumpfförmigen Flächen gebildet sind, deren dem Ventilsitz benachbarte Erzeugende einen größeren Winkel einschließen als die den Ventilsitz bildenden Erzeugenden. Wenn an einen im wesentlichen spitzwinkeligen Kegel stumpfwinkelige Kegel¬ flächen anschließen, führt dies zu einem Rücksprung in der Oberfläche der Mantelfläche der Düsennadelspitze und damit de facto zur Ausbildung einer Rille oder Nut. Wenn weiters, wie es einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung ent¬ spricht, die Ausbildung so getroffen ist, dass der Grund der Rille bzw. Nut einen Durchmesser aufweist, der etwa 2/3 bis 1/3, vorzugsweise 1/2 bis 1/3, des Durchmessers des Ventil- sitzes beträgt, wird gleichzeitig sichergestellt, dass eine Umlenkung der über den Ventilsitz hereinströmenden Strahlen erst in Abstand vom Öffnungsquerschnitt des Ventilsitzes er¬ folgt, wodurch bereits eine Vergleichmäßigung der Geschwin¬ digkeit gewährleistet werden kann.

Die die Nut bzw. die Rille begrenzenden Flanken müssen nicht notwendigerweise kegelstumpfförmige Flächen sein. Vielmehr kann der gleiche Effekt naturgemäß auch mit entsprechend verrundeten Flächen erzielt werden, wobei eine bevorzugte Ausbildung darin besteht, dass die an den Ventilsitz an¬ schließende Fläche der Düsennadel als nach Art einer Hohlkehle verrundete Fläche ausgebildet ist.

Eine weitere Verbesserung der Strömungsführung und Ver- gleichmäßigung der Geschwindigkeiten lässt sich dadurch er¬ zielten, dass die Düsennadelspitze abgestumpft ausgebildet ist und in einem axialen Abstand von der Ebene des Ventilna¬ delsitzes liegt, welcher kleiner ist als der axiale Abstand des gedachten Schnittpunktes der Erzeugenden der Ventilsitz- fläche von der genannten Ebene, wobei vorzugsweise die Aus¬ bildung so getroffen ist, dass der Grund der Rille oder Nut in einem axialen Abstand von der Ventilsitzfläche liegt, welche 1/10 bis 1/3 des Durchmessers des Ventilnadelsitzes beträgt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Beispielen nach dem Stand der Technik und Aus- führungsbeispielen einer erfindungsgemäßen Modifikation der Düsennadel näher erläutert. In dieser zeigen Fig.l einen Querschnitt durch eine Einspritzdüse konventioneller Bauart, Fig.2 ein vergrößertes Detail des Düsennadelsitzes bei einer derartigen Ausbildung und Fig.3 eine abgewandelte Ausbildung des Sacklochs und des Düsennadelsitzes entsprechend dem Stand der Technik. In Fig.4 bis Fig.10 sind nun abgewandelte Ausbildungen der Düsennadelspitze entsprechend dem erfin¬ dungsgemäßen Vorschlag dargestellt.

In Fig.l ist eine Düsennadel 1 ersichtlich, welche längsver- schieblich in einem Düsenkörper 2 geführt ist. Die Düsen¬ nadel 1 wird an ihrer Vorder- und Rückseite mit Kraftstoff¬ druck sowie durch eine in Schließrichtung wirkende Druck- feder 3 beaufschlagt. Die Druckfeder 3 wird mit Vorspannung zwischen einer Auflagefläche am Umfang der Düsennadel 1 und einer Steuerhülse 4 angeordnet, welche sich an einer nicht mehr dargestellten Zwischenplatte abstützt. An der Düsen- nadelrückseite befindet sich ein Steuerraum 5, der in der Schließstellung der Düsennadel 1 mit Kraftstoffdruck beauf¬ schlagt ist und damit die Düsennadel 1 auf den Ventilsitz 6 presst.

Zum Öffnen der Düsennadel 1 wird durch ein nicht dargestell- tes Steuerventil eine Abflussöffnung oberhalb des Steuer¬ raums 5 freigegeben, sodass der Kraftstoffdruck im Steuer¬ raum 5 sinkt und die Düsennadel 1 aufgrund des auf ihre Druckschulter wirkenden Kraftstoffdrucks von ihrem Ventil¬ sitz 6 entgegen der Kraft der Feder 3 abhebt. Dem unter Druck stehenden Kraftstoff wird auf diese Weise der Weg aus einem Düsenvorraum durch den nun geöffneten Ventilsitz 6 in ein die Einspritzöffnungen 8 tragendes Sackloch 9 freigege¬ ben, wodurch der Brennstoff über die Einspritzöffnungen in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann. Das Volumen des Sacklochs 9 soll möglichst klein ge¬ halten werden, um Kohlenwasserstoffemissionen des Motors minimal zu halten. Bei der vergrößerten Darstellung nach Fig.2 ist ersichtlich, dass nach einem Abheben der Düsen¬ nadel von ihrem Düsennadelsitz 6 im Bereich der Wand der in diesem Falle zylindrischen Ausbildung des Sacklochs kurz¬ fristig Unterdruck entstehen kann, sodass die mit 10 be- zeichneten Bereiche besonders anfällig für Kavitationser¬ scheinungen sind. Bei der Ausbildung des Sacklochs nach Fig.3 wird eine andere geometrische Form gewählt, mit der aber immer noch die Gefahr besteht, dass nach dem Abheben der Düsennadel 1 von ihrem Düsennadelsitz 6 Kavitationser- scheinungen in dem mit 11 bezeichneten Bereich entstehen.

Die Fig.4 zeigt nun eine erste erfindungsgemäße Ausbildung der Düsennadel, bei welcher anschließend an einen Bereich 12, welcher mit dem Düsennadelsitz 6 zusammenwirkt, zunächst eine Verminderung der Kraftstoffgeschwindigkeit und damit eine bessere Umlenkung in Richtung der Einspritzöffnungen dadurch bewirkt wird, dass Kegelstumpfflächen 13 mit wesent¬ lich größerem Öffnungswinkel des Kegels gegenüber dem Öffnungswinkel der Kegelstumpfflächen 12 ausgebildet werden, sodass hier ein Rücksprung von der gedachten Oberfläche eines den mit dem Düsennadelsitz 6 zusammenwirkenden Bereichs 12 der Düsennadel 1 umschreibenden Kegels, wie sie durch die gestrichelte Linie 14 angedeutet ist, nach Art einer ringförmigen Nut ausgebildet wird. Der Nutgrund 15 ist hier als der Schnittlinie der beiden Kegelstumpfflächen 13 und 16 definiert, wobei die anschließende Kegelstumpffläche 16 wiederum einen wesentlich spitzeren Öffnungswinkel ein¬ schließt, sodass sie im Querschnitt eine Rille oder ring¬ förmige Nut ergibt. Insgesamt endet die Düsennadel in einer Stirnfläche 17 und ist auf diese Weise abgestumpft ausgebil¬ det. Die Flächen 13 und 16 führen zu einer wirkungsvollen Verminderung der Kraftstoffgeschwindigkeit und zu einer Ver¬ besserung der Umlenkung und damit zu einer wesentlichen Ver¬ ringerung von möglichen Kavitiatioserscheinungen im Bereich der Wände des Sacklochs 9, in welche diese Düsennadel ein¬ taucht. Dem Auftreten von Kavitationen im Bereich des Sack¬ lochs wird auf diese Weise wirkungsvoll entgegengetreten, wobei die von den Erzeugenden der Kegelstumpfflächen einge¬ schlossenen Winkel in dem an den Ventilsitz anschließenden Bereich mit Vorteil zwischen 90° und 170°, und insbesondere 120°, gewählt werden, wohingegen der von der Nadelspitze aus- gehende Kegelstumpf einen Öffnungswinkel von 20° bis 50° auf¬ weisen kann. Wie in Fig.5 dargestellt, kann nun der Übergang zwischen diesen beiden Kegelstumpfflächen und damit der Nut¬ grund verrundet nach Art einer Hohlkehle ausgebildet werden, wobei dieser verrundete Flächenbereich mit 18 bezeichnet wurde. Ebenso ist es, wie in Fig.6 dargestellt, möglich, an¬ stelle des ersten stumpfkegeligen Abschnitts 13 eine in radialer Richtung einwärts springende ebene Fläche 19 vorzu¬ sehen, an welche sich ein verrundeter Bereich 20 anschließt, welcher wiederum in die Kegelstumpfflächen 16 übergeht.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Düsennadelspitze ist in Fig.7 dargestellt. Hier wird zur Verminderung der Kraftstoffgeschwindigkeit und Verbesserung der Umlenkung in Richtung der Einspritzöffnungen in einem Abstand von etwa 1/10 bis 1/3 des Durchmessers a des Nadelsitzes vom Nadel¬ sitz an ein zylindrischer Ansatz 21 ausgebildet, dessen Durchmesser etwa 1/3 bis 2/3 des Nadelsitzdurchmessers a beträgt. Wandnahe Implosionen von Gasblasen werden auf diese Weise gleichfalls wirkungsvoll verhindert. Bei der Dar- Stellung nach Fig.8 werden im Prinzip die Kegelstumpfflächen 12, 13 und 16 analog der Ausbildung nach Fig.4 gestaltet. Abweichend von der Ausbildung nach Fig.4 ist allerdings die stirnseitige ebene Fläche wiederum von einer Kegelspitze ge¬ bildet, deren Mantelflächen mit 22 bezeichnet sind. Die Fig.9 entspricht wiederum im Wesentlichen der Ausbildung nach Fig.5, wobei hier wiederum anstelle der ebenen Stirn¬ fläche 17 die bereits in Fig.8 ersichtliche kegelförmige Ausbildung mit den Mantelflächen 22 vorgesehen ist.

Bei der Ausbildung nach Fig.10 geht die Wand der Düsennadel im Anschluss an die kegelstumpfförmige Sitzfläche unmittel¬ bar in einen bis zur Nadelspitze durchgehenden gekrümmten Bereich nach Art einer Hohlkehle über, welcher hier mit 23 bezeichnet ist. Bei dieser Ausbildung wurde wiederum eine ebene Stirnfläche 17 als Abschluss der Düsennadel im Inneren des Sacklochs gewählt.

Die dargestellten Geometrien der Düsennadel sind in keiner Weise auf magnetventilgesteuerte Einspritzdüsen beschränkt. Sie bewähren sich allgemein bei Einspritzdüsen von Common Rail Systemen, bei welchen hohe Einspritzdrücke vorgesehen sind, und insbesondere auch bei Ausbildungen mit Piezo- stellern.

Claims

Patentansprüche:

1. Einspritzdüse für das Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, bei welcher das Öffnen und Schließen der Einspritzquerschnitte durch eine axial entgegen der Kraft einer Feder verschiebliche Düsennadel erfolgt, welche mit Kraftstoffdruck entgegen der Kraft der Feder im Öffnungssinne beaufschlagbar ist, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Düsennadel (1) an ihrem an den Ventilsitz (6) anschließenden in das die Einspritzöffnungen (8) auf¬ weisende Sackloch (9) eintauchenden Ende wenigstens eine ringförmige Rille oder Nut aufweist.

2. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut- oder Rillenflanken von kegelstumpfförmigen

Flächen (13,16) gebildet sind, deren dem Ventilsitz (6) be¬ nachbarte Erzeugende einen größeren Winkel einschließen als die den Ventilsitz (4) bildenden Erzeugenden (14).

3. Einspritzdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass der Grund (15) der Rille bzw. Nut einen Durchmesser aufweist, der etwa 2/3 bis 1/3, vorzugsweise 1/2 bis 1/3, des Durchmessers des Ventilsitzes (6) beträgt.

4. Einspritzdüse nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die an den Ventilsitz (6) anschließende Fläche der Düsennadel (1) als nach Art einer Hohlkehle ver¬ rundete Fläche (18) ausgebildet ist.

5. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadelspitze abgestumpft ausge¬ bildet ist und in einem axialen Abstand von der Ebene des Ventilnadelsitzes (6) liegt, welcher kleiner ist als der axiale Abstand des gedachten Schnittpunktes der Erzeugenden der Ventilsitzfläche (12) von der genannten Ebene.

6. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Grund (15) der Rille oder Nut in einem axialen Abstand von der Ventilsitzfläche (12) liegt, welche 1/10 bis 1/3 des Durchmessers des Ventilnadelsitzes (6) beträgt.