WO2011012355A1 - Kraftstoffeinspritzventil für brennkraftmaschinen - Google Patents

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WO2011012355A1
WO2011012355A1 PCT/EP2010/057634 EP2010057634W WO2011012355A1 WO 2011012355 A1 WO2011012355 A1 WO 2011012355A1 EP 2010057634 W EP2010057634 W EP 2010057634W WO 2011012355 A1 WO2011012355 A1 WO 2011012355A1
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WO
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collar
valve
pressure chamber
fuel injection
valve needle
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/057634
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English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Burger
Hans-Christoph Magel
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Filing date
Publication date
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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
    • 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
    • F02M61/20—Closing valves mechanically, e.g. arrangements of springs or weights or permanent magnets; Damping of valve lift
    • F02M61/205—Means specially adapted for varying the spring tension or assisting the spring force to close the injection-valve, e.g. with damping of valve lift
    • 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
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/28—Details of throttles in fuel-injection apparatus

Definitions

  • the invention relates to a fuel injection valve for internal combustion engines, as it is preferably used for the injection of fuel directly into a combustion chamber of a high-speed, self-igniting internal combustion engine.
  • Fuel injection valves which are used for injecting fuel under high pressure directly into a combustion chamber of an internal combustion engine, are operated at ever higher pressure. Partial injection pressures of more than 2000 bar are already achieved today.
  • the fuel pressure is generated by a high-pressure pump, which conveys the compressed fuel into a high-pressure accumulator, the so-called rail. From this rail usually several injectors are fed, which have a movable valve needle, controlled by the injection openings are opened and controlled by an electric control valve, so that fuel is injected at the desired time and in the desired dosage in the combustion chamber. Due to the high fuel pressure that surrounds the valve needle, acting on the valve needle large hydraulic forces, which are increasingly difficult to control.
  • valve needle closes quickly.
  • this is achieved by providing a low-pressure stage, so that the hydraulic pressure in a control chamber, which acts on the valve needle and exerts the closing force on the valve needle is greater than the forces acting in the opening direction on the valve needle.
  • This excess of hydraulic closing force allows the valve needle to close quickly and thus achieve a clean injection.
  • increasing pressure however, the problem arises that it leads to increased leakage to the low-pressure space, which must be compensated by additional pump power and ultimately leads to a fuel consumption of the vehicle.
  • valve needle if you simply leave the low-pressure stage, then the valve needle, if it closes the control valve at the end of the injection by the high fuel pressure builds up again in the control room, largely pressure-balanced.
  • the closing force could be applied in this case only in other ways, for example by a spring.
  • the spring since the injector must open even at low pressures, the spring must not be too strong, so that only a small force is exerted on the valve needle, which makes a fast closing impossible by the spring force.
  • a fuel injection valve is known from DE 10 2007 032 741 Al, which has a throttle collar.
  • the throttle collar is disposed near the valve seat, from which the injection openings go out, so that between the collar and the wall of the pressure chamber in which the valve needle is arranged, a throttle gap is formed.
  • the object of the present invention is thus to provide a fuel injection valve in which the throttle gap is formed by a collar on the valve needle, which is easy to manufacture and is insensitive to tolerance deviations.
  • the fuel injection valve according to the invention achieves the stated object by the valve needle has a collar, which has an inlet-side surface and a discharge-side surface, wherein the inlet-side surface is rounded or conical.
  • adjoining the inlet-side surface is a cylindrical section, between which and the wall of the pressure chamber, the smallest flow cross-section is formed, which is formed either only over part of the waist circumference or over the entire circumference of the
  • the cylindrical portion can be easily grinded by material removal on the outside to an exact diameter or form corresponding passages through polished so that the size of the desired gap choke is easily adjustable.
  • the outlet-side surface of the collar is formed by a conical surface or a rounded, which adjoins directly to the cylindrical portion. The edge formed between the cylindrical section and the outlet-side surface ensures that a flow-related tear-off edge is formed, so that the
  • a ratio of the gap of the gap throttle to the hydraulic diameter of> 2 and ⁇ 20 is optimal, since so a high temperature independence is achieved and the gap choke is still in an order of magnitude, which is associated with manufacturing technology reasonable effort.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a fuel injection valve according to the invention, wherein only the combustion chamber side part of the injection valve is shown, which otherwise is well known from the prior art,
  • FIG. 2 shows an enlarged section of FIG. 1 in the region of the collar of a first exemplary embodiment
  • Figure 3 shows the same detail as FIG. 2 of a second embodiment
  • the fuel injection valve 1 shows a fuel injection valve according to the invention is shown in longitudinal section, wherein only the part of the injection valve is shown, which faces the combustion chamber in Einbaula- ge in an internal combustion engine.
  • the fuel injection valve 1 has a valve body 2, in which a pressure chamber 5 is formed in the form of a bore.
  • the pressure chamber 5 is delimited on the combustion chamber side by a substantially conical valve seat 9, from which several injection openings 7 originate.
  • a longitudinally displaceable valve needle 3 is arranged, which is rotationally symmetrical with respect to the longitudinal axis of the pressure chamber 5.
  • valve needle 3 is guided in a guide section 103 in the pressure chamber 5, wherein the fuel flow past the guide section 103 is ensured by a plurality of bevels 14, which are formed on the outside of the guide section 103.
  • the valve needle 3 has at its valve seat facing the end of a valve sealing surface 11, with the valve needle 3 for
  • Opening and closing of the injection openings 7 cooperates with the valve seat 9.
  • a collar 17 is formed on the valve needle 3, which has an edge 18 on its outer side. Between the edge 18 and the wall of the pressure chamber 5, a gap throttle 15 is formed, which represents the smallest flow cross section with respect to the fuel flow through the pressure chamber 5 to the injection openings 7.
  • the gap throttle 15 is designed here as an annular gap throttle having an inner diameter Dj and an outer diameter D a .
  • the intended for injection fuel is compressed by a high-pressure pump, not shown in the drawing and fed to a high-pressure accumulator, also not shown in the drawing, with which the injection valve is connected. From the high-pressure accumulator, the compressed fuel in the
  • Pressure chamber 5 passed, where it flows through the pressure chamber 5 and, accordingly, through the gap throttle 15 and the bevels 14 in the direction of the valve seat 9.
  • the valve needle 3 closes the Einspritzöff- openings 7. If the valve needle 3 is moved away from the valve seat 9, which by means of a also not shown in the drawing - but well-known from the prior art - control valve is performed, the injection ports 7 are connected to the pressure chamber 5, and fuel is injected through the injection ports 7 into a combustion chamber of the internal combustion engine.
  • a lower fuel pressure must act on the valve sealing surface 11 than on the opposite end face of the valve needle 3, which is acted upon by the pressure in the control chamber.
  • the collar 17 serves as a result of the gap throttle 15 when the valve needle 3 has lifted off the valve seat 9 so that a pressure difference occurs between the areas before and after the collar 17 in the pressure chamber 5. This pressure difference is about 50 to 100 bar at an injection pressure of 1600 to 2000 bar.
  • the shape of the collar 17 with the edge 18 causes the throttling at the gap throttle 15 to be largely independent of the Reynolds number. The following conditions must be fulfilled for this.
  • the effect of a gap choke is determined by two variables: On the one hand by the hydraulically effective diameter D ⁇ yd and on the other by the length of the gap choke L
  • the hydraulically effective diameter DHyd is calculated from the quotient of flow-through cross-section and flow-through boundary length, so that in general:
  • the gap throttle 15 is formed by an annular gap, as shown in Figure 1, the flow-through cross section and the boundary length is given by the diameter D a and Dj, ie by the outer diameter of the collar 17 and by the diameter of the pressure chamber 5, as shown in FIG 1. Substituting the corresponding formulas in the above equation, it follows
  • the length L of the edge 18 is defined by the length of the gap throttle 15, in which the flow-through cross-section is smaller than 1.2 times the minimum flow cross-section.
  • ⁇ 20 the independence of the Reynolds number and thus of the temperature of the fuel is then not completely fulfilled, but sufficient for the purposes of the injection valve. In order to meet the manufacturing tolerances, it is sufficient if the
  • Ratio L to D Hyd > 2 is maintained. From a physical point of view, a ratio L to D Hyc
  • Such a gap choke is also referred to as hydraulically short.
  • Figure 2 shows an enlarged view of the collar 17 and the valve needle 3 of a first embodiment, wherein this area is marked in Fig. 1 with Il.
  • the collar 17 can be divided into three sections: an inlet-side surface 20, a cylindrical portion 22 and an outlet-side surface 24.
  • the inlet-side surface 20 is rounded and in the area in which it merges into the cylindrical portion 22 with a radius R rounded.
  • the radius R is advantageously about 0.2 to 0.3 mm.
  • the cylindrical portion 22 is substantially the length L of the throttle gap again, but - as mentioned above - the length L of the gap choke is defined as the length in which the flow-through cross-section is smaller than 1.2 times the minimum flow cross-section , This is indicated in Figure 2, characterized in that the length L is slightly larger than the thickness of the cylindrical
  • the outlet-side surface 24 is formed by a first conical surface 124, which adjoins directly to the cylindrical portion 22, and by a second conical surface 224, which forms the end of the collar 17. Due to the shape of the first conical surface 124, an edge 26 is formed at the transition from the cylindrical surface 22, which ensures that the flow of the fuel through the gap throttle 15 always at the same point, namely at the edge 26, detaches. As a result, the throttle effect of the gap choke 15 is robust against influences such as surface condition and fuel properties. In this case, an angle difference between the first conical surface 124 and the cylindrical surface 22 of 20 ° to 30 ° is advantageous.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of the collar 17.
  • the inlet-side surface 20 ' is formed here as a conical surface, which forms an angle ⁇ with the longitudinal axis of the valve needle 3. This angle ⁇ is preferably in the range of 60 ° to 80 °.
  • the outlet-side surface 24 ' is also designed here as a simple conical surface.
  • the cone of the inlet-side surface 20 ' causes similar advantages as the rounded inlet-side surface 20 in Fig. 2, in particular, such a surface is easier to produce than an exactly perpendicular to the valve needle-facing inlet-side surface.
  • Figure 4 shows a further embodiment of the gap choke 15 and the collar 17 according to the invention in a cross section.
  • the gap throttle 15 is formed only over partial regions of the circumference, which are formed by lateral polished sections 28, so that the collar 17 has a substantially triangular shape in cross-section.
  • the gap between the collar 28 and the wall of the pressure chamber 5 is so small that practically a seal is achieved.
  • the polished sections 28 are exaggeratedly large.
  • the length K of these bevels 25 of course to the length L of the collar 17 is directed to obtain the desired hydraulic diameter. It may be provided instead of three bevels 28, as shown in Fig. 4, a larger or smaller number of bevels 28, for example 1, 2, 4, 5 or 6.
  • the bevels 28 it is also possible to provide other recesses on the collar 17, which form the gap throttle 15, for example grooves.
  • the chosen dimensions achieve a sufficient compromise between achievable manufacturing tolerances and the effect of a gap choke, which is formed by a sharp edge.
  • An absolute independence of the Reynolds number could only be achieved if the edge 18 of the collar 17 would be ideally sharp-edged, which, however, manufacturing technology is not represented.

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Abstract

Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem Ventilkörper (1), in dem ein Druckraum (5) ausgebildet ist, in dem eine Ventilnadel (3) längsverschiebbar angeordnet ist, die mit einer an der Ventilnadel (3) ausgebildeten Ventildichtfläche (11) mit einem Ventilsitz (9) zusammenwirkt, der den Druckraum (5) begrenzt. Durch das Zusammenwirken der Ventilnadel (3) mit dem Ventilsitz (9) wird ein Kraftstoffstrom zu wenigstens einer Einspritzöffnung (7) ermöglicht oder unterbrochen, wobei der Kraftstoffstrom zwischen der Ventilnadel (3) und der Wand des Druckraums (5) hindurch zu den Einspritzöffnungen (7) fließt. An der Ventilnadel (3) ist ein Bund (17) ausgebildet, so dass zwischen der Wand des Druckraums (5) und dem Bund (17) eine Spaltdrossel (15) gebildet ist, wobei der Bund (17) eine einlaufseitige Fläche (20) und eine auslaufseitige Fläche (24) aufweist, wobei die einlaufseitige Fläche (20) verrundet oder konisch ausgebildet ist.

Description

Beschreibung
Titel
Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen
Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, wie es vorzugsweise für die Einspritzung von Kraftstoff direkt in einen Brennraum einer schnelllaufenden, selbstzündenden Brennkraftmaschine verwendet wird.
Stand der Technik
Kraftstoffeinspritzventile, die zur Einspritzung von Kraftstoff unter hohem Druck direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine dienen, werden mit immer höherem Druck betrieben. Teilweise werden schon heute Einspritzdrücke von über 2000 bar erreicht. Der Kraftstoffdruck wird hierbei durch eine Hochdruckpumpe erzeugt, die den verdichteten Kraftstoff in einen Hochdruckspeicher fördert, das sogenannte Rail. Aus diesem Rail werden meist mehrere Injektoren gespeist, die eine bewegliche Ventilnadel aufweisen, mittels der Einspritzöffnungen gesteuert durch ein elektrisches Steuerventil geöffnet und zugesteuert werden, so dass Kraftstoff zum gewünschten Zeitpunkt und in der gewünschten Dosierung in den Brennraum ausgespritzt wird. Durch den hohen Kraftstoffdruck, der die Ventilnadel umgibt, wirken auf die Ventilnadel große hydraulische Kräfte, die zunehmend schwerer zu beherrschen sind.
Für eine exakte Einspritzung und gute Zerstäubung des Kraftstoffs ist es insbesondere wichtig, dass die Ventilnadel schnell schließt. Bei den bisher bekannten Einspritzventilen wird dies dadurch erreicht, dass eine Niederdruckstufe vorgesehen ist, so dass der hydraulische Druck in einem Steuerraum, der die Ventil- nadel beaufschlagt und mittels dem die Schließkraft auf die Ventilnadel ausgeübt wird, größer ist als die Kräfte, die in Öffnungsrichtung auf die Ventilnadel wirken. Durch diesen Überschuss an hydraulischer Schließkraft lässt sich die Ventilnadel schnell schließen und damit eine saubere Einspritzung erreichen. Mit zunehmendem Druck tritt jedoch das Problem auf, dass es zu vermehrter Leckage hin zum Niederdruckraum kommt, was durch zusätzliche Pumpleistung kompensiert werden muss und letztendlich zu einem Kraftstoffmehrverbrauch des Fahrzeugs führt. Lässt man die Niederdruckstufe jedoch einfach weg, so ist die Ventilnadel dann, wenn sie zum Ende der Einspritzung das Steuerventil schließt, indem sich der hohe Kraftstoff druck im Steuerraum wieder aufbaut, weitgehend druckausgeglichen. Die Schließkraft könnte in diesem Fall nur auf andere Weise, beispielsweise durch eine Feder aufgebracht werden. Da das Einspritzventil jedoch auch bei geringen Drücken öffnen muss, darf die Feder nicht zu stark sein, so dass nur eine geringe Kraft auf die Ventilnadel ausgeübt wird, was ein schnelles Schließen allein durch die Federkraft unmöglich macht.
Zur Lösung dieses Problems ist aus der DE 10 2007 032 741 Al ein Kraftstoffeinspritzventil bekannt, das einen Drosselbund aufweist. Der Drosselbund ist nahe dem Ventilsitz angeordnet, von dem die Einspritzöffnungen ausgehen, so dass zwischen dem Bund und der Wand des Druckraums, in dem die Ventilnadel angeordnet ist, ein Drosselspalt gebildet wird. Bei geöffnetem Einspritzventil, also dann, wenn die Ventilnadel vom Ventilsitz abgehoben hat, ergibt sich dadurch ein Druckverlust, so dass der Druck stromabwärts dieses Drosselspalts niedriger ist als stromaufwärts. Dadurch vermindert sich die hydraulische Kraft auf die Ventil- dichtfläche der Ventilnadel, so dass nunmehr die Schließkraft dann, wenn das
Steuerventil schließt und der Kraftstoffdruck im Steuerraum erneut aufgebaut ist, ausreicht, eine schließende Kraft auf die Ventilnadel aufzubauen, die zu einem raschen Schließen führt. Die in der DE 10 2007 032 741 vorgeschlagene Drossel, die durch einen Bund an der Ventilnadel gebildet wird, weist jedoch den Nachteil auf, dass die dort beschriebene scharfkantige Drossel nur mit hohem
Aufwand zu fertigen ist. Abweichungen von der mittigen Lage oder Änderungen der Größe, der Form oder der Ein- oder Auslaufkanten des Drosselspalts bewirken eine merkliche Änderung der hydraulischen Eigenschaften und damit des Drucks stromauf- und stromabwärts der Spaltdrossel. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Kraftstoffeinspritzventil zur Verfügung zu stellen, bei dem der Drosselspalt durch einen Bund an der Ventilnadel gebildet wird, der einfach zu fertigen ist und unempfindlich gegenüber Toleranzabweichungen ist.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil löst die gestellte Aufgabe, indem die Ventilnadel einen Bund aufweist, der eine einlaufseitige Fläche und eine aus- laufseitige Fläche aufweist, wobei die einlaufseitige Fläche verrundet oder konisch ausgebildet ist. Dies hat verschiedene Vorteile: Zum einen ist eine solche verrundete oder konische einlaufseitige Fläche kostengünstiger zu fertigen als eine scharfkantige, also im rechten Winkel zur Ventilnadel abstehende Fläche. Zum anderen ist eine solchermaßen gestaltete Fläche stabil gegen Strömungsablösungen, so dass keine Kavitationserscheinungen entstehen, die den Durchflusswiderstand an der Spaltdrossel unkontrolliert beeinflussen.
Besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, die einlaufseitige Fläche im Querschnitt betrachtet mit einem Radius von 0,2 bis 0,3 mm zu verrunden. Dies ergibt insbesondere bei Verwendung des Bundes und des Einspritzventils bei der Einspritzung von Kraftstoff ideale Verhältnisse am Bund hinsichtlich der Strömungsablösung und der Fertigungskosten. Bei einer konisch ausgebildeten Einlauffläche hat sich ein Winkel zur Längsachse der Ventilnadel von 50° bis 80° als beson- ders vorteilhaft erwiesen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung schließt sich an die einlaufseitige Fläche ein zylindrischer Abschnitt an, zwischen dem und der Wand des Druckraums der kleinste Durchflussquerschnitt ausgebildet ist, der entweder nur über einen Teil des Bundumfangs gebildet wird oder über den gesamten Umfang des
Bundes. Der zylindrische Abschnitt lässt sich leicht durch Materialabtragung an der Außenseite auf einen exakten Durchmesser schleifen bzw. durch Anschliffe entsprechende Durchlässe bilden, so dass die Größe der gewünschten Spaltdrossel ohne Weiteres einstellbar ist. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die auslaufseitige Fläche des Bundes durch eine Konusfläche oder eine gerundete gebildet, die sich unmittelbar an den zylindrischen Abschnitt anschließt. Durch die zwischen dem zylindrischen Abschnitt und der auslaufseitigen Fläche gebildeten Kante ist sicherge- stellt, dass eine strömungsbedingte Abrisskante gebildet wird, so dass sich die
Strömung immer an diesem Punkt definiert ablöst. Die Drosselwirkung der Spaltdrossel wird somit robust gegenüber Einflüssen, wie z. B. Oberflächenbeschaffenheit oder Kraftstoff eigenschaften. Besonders vorteilhaft ist hierbei ein Differenzwinkel zwischen den beiden Konusflächen der auslaufseitigen Fläche von 20° bis 30° vorzusehen.
Für eine optimale Drosselung, die unabhängig von der Reynoldszahl ist, ist ein Verhältnis der Länge der Spaltdrossel zum hydraulischen Durchmesser von > 2 und < 20 optimal, da so eine weitgehende Temperaturunabhängigkeit erreicht wird und die Spaltdrossel noch in einer Größenordnung ist, die sich fertigungstechnisch mit vertretbarem Aufwand darstellen lässt.
Weiter Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung und der Zeichnungen entnehmbar.
Zeichnung
In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil dargestellt. Es zeigt
Figur 1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil, wobei nur der brennraumseitige Teil des Einspritzventils dargestellt ist, das ansonsten hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt ist,
Figur 2 einen vergrößerten Ausschnitt von Figur 1 im Bereich des Bundes eines ersten Ausführungsbeispiels,
Figur 3 denselben Ausschnitt wie Fig. 2 eines zweiten Ausführungsbeispiels und
Figur 4 einen Querschnitt durch die Ventilnadel im Bereich des Bundes einer alternativ ausgestalteten Spaltdrossel. Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt dargestellt, wobei nur der Teil des Einspritzventils dargestellt ist, der in Einbaula- ge in einer Brennkraftmaschine dem Brennraum zugewandt ist. Das Kraftstoffeinspritzventil 1 weist einen Ventilkörper 2 auf, in dem ein Druckraum 5 in Form einer Bohrung ausgebildet ist. Der Druckraum 5 wird brennraumseitig von einem im Wesentlichen konischen Ventilsitz 9 begrenzt, von dem mehrere Einspritzöffnungen 7 ausgehen. Im Druckraum 5 ist eine längsverschiebbare Ventilnadel 3 angeordnet, die bezüglich der Längsachse des Druckraums 5 rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Die Ventilnadel 3 ist in einem Führungsabschnitt 103 im Druckraum 5 geführt, wobei der Kraftstofffluss am Führungsabschnitt 103 vorbei durch mehrere Anschliffe 14 sichergestellt ist, die an der Außenseite des Führungsabschnitts 103 ausgebildet sind. Die Ventilnadel 3 weist an ihrem ventilsitz- zugewandten Ende eine Ventildichtfläche 11 auf, mit der die Ventilnadel 3 zum
Öffnen und Schließen der Einspritzöffnungen 7 mit dem Ventilsitz 9 zusammenwirkt.
Ventilsitzabgewandt zum Führungsabschnitt 103 ist an der Ventilnadel 3 ein Bund 17 ausgebildet, der an seiner Außenseite eine Kante 18 aufweist. Zwischen der Kante 18 und der Wand des Druckraums 5 ist eine Spaltdrossel 15 ausgebildet, die bezüglich des Kraftstoffstroms durch den Druckraum 5 zu den Einspritzöffnungen 7 den kleinsten Strömungsquerschnitt darstellt. Die Spaltdrossel 15 ist hier als Ringspaltdrossel ausgebildet, die einen Innendurchmesser Dj und einen Außendurchmesser Da aufweist.
Der zur Einspritzung bestimmte Kraftstoff wird durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte Hochdruckpumpe verdichtet und einem ebenfalls in der Zeichnung nicht dargestellten Hochdruckspeicher zugeführt, mit dem das Einspritzventil verbunden ist. Vom Hochdruckspeicher wird der verdichtete Kraftstoff in den
Druckraum 5 geleitet, wo er durch den Druckraum 5 und dementsprechend auch durch die Spaltdrossel 15 und die Anschliffe 14 in Richtung des Ventilsitzes 9 strömt. Im geschlossenen Zustand des Einspritzventils, d. h. wenn die Ventilnadel 3 auf dem Ventilsitz 9 aufsitzt, verschließt die Ventilnadel 3 die Einspritzöff- nungen 7. Wird die Ventilnadel 3 vom Ventilsitz 9 wegbewegt, was mit Hilfe eines in der Zeichnung ebenfalls nicht dargestellten - aus dem Stand der Technik jedoch hinlänglich bekannten - Steuerventils durchgeführt wird, werden die Einspritzöffnungen 7 mit dem Druckraum 5 verbunden, und Kraftstoff wird durch die Einspritzöffnungen 7 in einen Brennraum der Brennkraftmaschine ausgespritzt.
Zur Erzeugung einer größeren Schließkraft auf die Ventilnadel 3 muss auf die Ventildichtfläche 11 ein geringerer Kraftstoff druck wirken als auf die gegenüberliegende Stirnseite der Ventilnadel 3, die vom Druck im Steuerraum beaufschlagt ist. Hierzu dient der Bund 17: Durch die Spaltdrossel 15 kommt es zu einer Dros- seiung des Kraftstoffstroms, wenn die Ventilnadel 3 vom Ventilsitz 9 abgehoben hat, so dass eine Druckdifferenz zwischen den Bereichen vor und nach dem Bund 17 im Druckraum 5 auftritt. Diese Druckdifferenz beträgt etwa 50 bis 100 bar bei einem Einspritzdruck von 1600 bis 2000 bar. Die Form des Bundes 17 mit der Kante 18 bewirkt, dass die Drosselung an der Spaltdrossel 15 weitge- hend unabhängig von der Reynoldszahl ist. Hierzu müssen folgende Bedingungen erfüllt sein.
Die Wirkung einer Spaltdrossel wird durch zwei Größen bestimmt: Zum einen durch den hydraulisch wirksamen Durchmesser Dπyd und zum anderen durch die Länge der Spaltdrossel L Der hydraulisch wirksame Durchmesser DHyd berechnet sich aus dem Quotienten von durchströmtem Querschnitt und durchströmter Berandungslänge, so dass allgemein gilt:
durchströmter Querschnitt
D Hyd = 4
durchströmte Berandungslänge
Ist die Spaltdrossel 15 durch einen Ringspalt gebildet, wie in Figur 1 dargestellt, so wird der durchströmte Querschnitt und die Berandungslänge durch die Durchmesser Da und Dj gegeben, also durch den Außendurchmesser des Bundes 17 und durch den Durchmesser des Druckraums 5, wie in Fig. 1 dargestellt. Setzt man die entsprechenden Formeln in die obige Gleichung ein, so ergibt sich
DHyd = Da- Di. Die Länge L der Kante 18 ist definiert durch die Länge der Spaltdrossel 15, bei der der durchströmte Querschnitt kleiner ist als das 1,2-fache des minimal durchströmten Querschnitts. Damit die Unabhängigkeit von der Reynoldszahl in dem Maße ist, wie für die Funktion des Einspritzventils notwendig, muss das Verhältnis L zu DHyc| < 20 sein. Die Unabhängigkeit von der Reynoldszahl und damit von der Temperatur des Kraftstoffs ist zwar dann nicht vollständig erfüllt, jedoch für die Zwecke des Einspritzventils hinreichend. Um die Fertigungstoleranzen einhalten zu können ist es ausreichend, wenn das
Verhältnis L zu DHyd > 2 eingehalten wird. Vom physikalischen Standpunkt her ist zwar ein Verhältnis L zu DHyc| < 2 und damit scharfkantig vorteilhaft und führt zu einer absoluten Temperaturunabhängigkeit, jedoch ist eine solche Kante praktisch nicht zu fertigen, und bereits minimale Abweichungen von den Maßen führt zu einem stark veränderten Drosselverhalten der Spaltdrossel. Aus diesen Gründen ist es ausreichend, wenn das Verhältnis L zu DHyc| > 2 eingehalten wird. Es gilt dann also:
2 < L/ DHyd < 2°
Eine solche Spaltdrossel wird auch als hydraulisch kurz bezeichnet.
Figur 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Bundes 17 und der Ventilnadel 3 eines ersten Ausführungsbeispiels, wobei dieser Bereich in Fig. 1 mit Il gekenn- zeichnet ist. Der Bund 17 kann in drei Abschnitte unterteilt werden: Eine einlauf- seitige Fläche 20, einen zylindrischen Abschnitt 22 und eine auslaufseitige Fläche 24. Die einlaufseitige Fläche 20 ist gerundet ausgebildet und in dem Bereich, in dem sie in den zylindrischen Abschnitt 22 übergeht, mit einem Radius R gerundet. Der Radius R ist vorteilhafterweise etwa 0,2 bis 0,3 mm. Durch die Run- düng der einlaufseitigen Fläche 20 kann der Bund 17 leichter und damit kostengünstiger gefertigt werden und darüber hinaus ergibt sich der Vorteil, dass die Strömung beim Einlauf in die Spaltdrossel 15 stabil gegen Strömungsablösungen ist, so dass es unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit zu keinen Instabilitäten im Bereich der Spaltdrossel 15 kommt. Der zylindrische Abschnitt 22 gibt im Wesentlichen die Länge L des Drosselspalts wieder, jedoch ist - wie schon oben erwähnt - die Länge L der Spaltdrossel definiert als die Länge, in der der durchströmte Querschnitt kleiner ist als das 1,2-fache des minimal durchströmten Querschnitts. Dies ist in Figur 2 dadurch angedeutet, dass die Länge L etwas größer ist als die Dicke des zylindrischen
Abschnitts 22.
Die auslaufseitige Fläche 24 wird durch eine erste Konusfläche 124, die sich direkt an den zylindrischen Abschnitt 22 anschließt, und durch eine zweite Konus- fläche 224 gebildet, die den Abschluss des Bundes 17 bildet. Durch die Ausformung der ersten Konusfläche 124 ist am Übergang von der zylindrischen Fläche 22 eine Kante 26 ausgebildet, durch die erreicht wird, dass sich die Strömung des Kraftstoffs durch die Spaltdrossel 15 immer an der gleichen Stelle, nämlich an der Kante 26, ablöst. Dadurch wird die Drosselwirkung der Spaltdrossel 15 robust gegenüber Einflüssen wie Oberflächenbeschaffenheit und Kraftstoffeigenschaften. Vorteilhaft ist hierbei eine Winkeldifferenz zwischen der ersten Konusfläche 124 und der zylindrischen Fläche 22 von 20° bis 30°.
In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Bundes 17 dargestellt. Die einlaufseitige Fläche 20' ist hier als Konusfläche ausgebildet, die mit der Längsachse der Ventilnadel 3 einen Winkel α einschließt. Dieser Winkel α liegt bevorzugt im Bereich von 60° bis 80°. Die auslaufseitige Fläche 24' ist hier ebenfalls als einfache Konusfläche ausgeführt. Der Konus der einlaufseitigen Fläche 20' bewirkt ähnliche Vorteile wie die verrundete einlaufseitige Fläche 20 in Fig. 2, insbesondere ist eine solche Fläche leichter herstellbar als eine exakt senkrecht zur Ventilnadel ausgerichtete einlaufseitige Fläche.
Figur 4 zeigt eine weitere Ausbildung der erfindungsgemäßen Spaltdrossel 15 und des Bundes 17 in einem Querschnitt. Im Gegensatz zu den vorherigen Aus- führungsbeispielen ist hier die Spaltdrossel 15 nur über Teilbereiche des Um- fangs ausgebildet, die durch seitliche Anschliffe 28 gebildet werden, so dass der Bund 17 im Querschnitt eine im Wesentlichen dreieckförmige Gestalt aufweist. Dort wo keine Anschliffe 28 vorhanden sind, ist der Spalt zwischen dem Bund 28 und der Wand des Druckraums 5 so klein, dass praktisch eine Dichtung erreicht wird. Die Anschliffe 28 sind hier der Deutlichkeit halber übertrieben groß darge- stellt, wobei sich die Länge K dieser Anschliffe 25 natürlich nach der Länge L des Bundes 17 richtet, um den gewünschten hydraulischen Durchmesser zu erhalten. Es kann statt dreier Anschliffe 28, wie in Fig. 4 dargestellt, auch eine größere oder kleinere Zahl von Anschliffen 28 vorgesehen sein, beispielsweise 1, 2, 4, 5 oder 6.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 muss der hydraulische Durchmesser DHyc| anders berechnet werden als bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 2 und 3. Ist S die Bogenlänge des Anschliffs 28, K die Kantenlänge des Anschliffs 28 und A die Fläche, die durch einen der Anschliffe 28 zwischen dem Anschliff
25 und der Wand des Druckraums 5 gebildet wird, so ergibt sich DHyd zu
4 - A
D -Η, yd
S + K
Statt der Anschliffe 28 ist es auch möglich, andere Ausnehmungen am Bund 17 vorzusehen, die die Spaltdrossel 15 bilden, beispielsweise Nuten. Die hier vorgeschlagene Spaltdrossel 15, die durch den Bund 17 und die Wand des Druckraums 5 gebildet wird, ergibt also eine Drosselung, die weitgehend unabhängig von der Reynoldszahl ist und damit auch weitgehend unabhängig von der Temperatur. Durch die gewählten Maße wird ein ausreichender Kompromiss zwischen erreichbaren Fertigungstoleranzen und der Wirkung einer Spaltdrossel, die durch eine scharfe Kante gebildet wird, erreicht. Eine absolute Unabhängigkeit von der Reynoldszahl ließe sich nur erreichen, wenn die Kante 18 des Bundes 17 ideal scharfkantig wäre, was jedoch fertigungstechnisch nicht darstellbar ist.

Claims

Ansprüche
1. Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem Ventilkörper (1), in dem ein Druckraum (5) ausgebildet ist, in dem eine Ventilnadel (3) längsverschiebbar angeordnet ist, die mit einer an der Ventilnadel (3) ausgebildeten Ventildichtfläche (11) mit einem Ventilsitz (9) zusammenwirkt, der den Druckraum (5) begrenzt, wobei durch das Zusammenwirken der Ventilnadel
(3) mit dem Ventilsitz (9) ein Kraftstoffstrom zu wenigstens einer Einspritzöffnung (7) ermöglicht oder unterbrochen wird, wobei der Kraftstoffstrom zwischen der Ventilnadel (3) und der Wand des Druckraums (5) hindurch zu den Einspritzöffnungen (7) fließt und an der Ventilnadel (3) ein Bund (17) ausge- bildet ist, so dass zwischen der Wand des Druckraums (5) und dem Bund
(17) eine Spaltdrossel (15) gebildet ist, wobei der Bund (17) eine einlaufseiti- ge Fläche (20) und eine auslaufseitige Fläche (24) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die einlaufseitige Fläche (20) verrundet oder konisch ausgebildet ist. 2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einlaufseitige Fläche (20) im Querschnitt betrachtet mit einem Radius (R) von 0,
2 bis 0,3 mm verrundet ist.
3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bund (17) einen kreisrunden Querschnitt aufweist, so dass zwi- sehen dem Bund (17) und der Wand des Druckraums (5) eine ringspaltförmi- ge Spaltdrossel (15) gebildet ist.
4. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bund (17) über seinen Umfang eine variable Ausdehnung aufweist, so dass die Spaltdrossel (15) nur über einen Teil des Umfangs des Bundes (17) aus- gebildet ist.
5. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich an die einlaufseitige Fläche (20) des Bundes (17) ein zylindrischer Abschnitt (22) anschließt, zwischen dem und der Wand des Druckraums (5) der kleinste Durchflussquerschnitt ausgebildet ist.
6. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die auslaufseitige Fläche (24) des Bundes (17) durch eine Konusfläche (124; 24') gebildet wird, wobei sich die Konusfläche (124; 24') unmittelbar an den zylindrischen Abschnitt (22) anschließt.
7. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz der Öffnungswinkel von Konusfläche (124; 24') und zylindrischem
Abschnitt (22) 20° bis 30° beträgt.
8. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Länge (L) der Spaltdrossel (15) zum hydraulischen Durchmesser DHyd größer als 2 und kleiner als 20 ist.
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