DE19931890A1 - Düsenkörper für eine Kraftstoffeinspritzdüse mit optimierter Spritzlochkanalgeometrie - Google Patents

Abstract

Bei einem Düsenkörper wird der Verrundungsgrad der Kanten des Einlaufbereichs eines Spritzlochkanals im Düsenkörper auf die Verteilung des Kraftstoffstroms um den Einlaufbereich herum abgestimmt, wobei die Kanten um so stärker verrundet werden, je höher der Kraftstoffstrom an dem jeweiligen Kantenabschnitt ist. Der Einlaufbereich des Spritzlochkanals weist dabei vorzugsweise die Form einer Ellipse auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verrunden von Kanten an einem Spritzlochkanal in einem Düsenkörper gemäß dem Ober­ begriff des Anspruchs 1 und einen Düsenkörper für eine Kraft­ stoffeinspritzdüse gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4. Ein solches Verfahren und ein solcher Düsenkörper sind aus der DE 195 07 171 C1 bekannt.

Eine Kraftstoffeinspritzdüse besteht im wesentlichen aus zwei Teilen, einem Düsenkörper und einer Düsennadel, wobei die Dü­ sennadel axial beweglich im Düsenkörper eingesetzt ist.

Der Düsenkörper ist im allgemeinen zylindrisch mit einer In­ nenbohrung ausgebildet und weist an seinem brennraumseitigen Ende einen konisch zulaufenden Kuppenbereich auf, der von ei­ nem Sackloch abgeschlossen wird. Die Düsennadel trägt an ih­ rem unteren Ende einen Dichtkonus, der im Ruhezustand auf ei­ ne konische Dichtfläche im Kuppenbereich des Düsenkörpers ge­ drückt wird. Vom Sackloch oder dem konisch zulaufenden Kup­ penbereich des Düsenkörpers führt, stromabwärts vom Dicht­ sitz, je nach Einspritzdüsenbauart, wenigstens ein Spritz­ lochkanal durch den Düsenkörper in den Brennraum des Motors. Wenn die bewegliche Düsennadel mit ihrem Dichtkonus vom Dichtsitz im Düsenkörper abhebt, wird der Spritzlochkanal freigegeben und Kraftstoff in diesem Brennraum eingespritzt.

Bei dem in der DE 195 07 171 C1 dargestellten Düsenkörper ist der Spritzlochkanal als geradlinig durchgehende Bohrung aus­ geführt, die entsprechend dem gewünschten Spritzlochkegelwin­ kel schräg zur Innenbohrung im Düsenkörper eingebracht ist. Diese Schrägorientierung des Spritzlochkanals führt dazu, daß der in die Innenbohrung mit einem sehr hohen Druck eingelei­ tete Kraftstoff 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 und darüber hinaus zu einer festigkeitsmin­ dernden Kerbwirkung führt.

Um eine verbesserte Kraftstoffeinspritzstrahlcharakteristik zu erreichen, wird in der DE 195 07 171 C1 vorgeschlagen, den Spritzlochkanal im Einlaufbereich beim Übergang in den Dicht­ sitz des Düsenkörpers kantenlos abzurunden, wobei ein oberer, der Kraftstoffströmungsrichtung zugewandter Einlaufbereich einen größeren Verrundungsradius als ein unterer, der Strö­ mungsrichtung abgewandter Einlaufbereich besitzt. Trotz die­ sem Abrunden des Einlaufbereichs unterliegt der Kraft­ stoffstrom beim Übergang von der Innenbohrung des Düsenkör­ pers in den Spritzlochkanal weiterhin einer starken Umlen­ kung, die den Durchflußbeiwert des Kraftstoffstroms deutlich verkleinert und so zu Umström- und Geschwindigkeitsverlusten des eingespritzten Kraftstoffs führt. Der begrenzte Durch­ flußbeiwert des Kraftstoffstroms im Spritzlochkanal schränkt darüber hinaus auch die Durchflußmenge und damit das Ein­ spritzvolumen in den Brennraum des Motors ein.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer optimierten Spritzlochkanalgeometrie in ei­ nem Düsenkörper für eine Kraftstoffeinspritzdüse und einen Düsenkörper für eine Kraftstoffeinspritzdüse mit einer sol­ chen optimierten Spritzlochkanalgeometrie bereitzustellen, die für eine verbesserte Einspritzstrahlcharakteristik sor­ gen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und einen Düsenkörper gemäß Anspruch 4 gelöst. Bevorzugte Ausfüh­ rungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Gemäß der Erfindung werden die Kanten an einem Spritzlochka­ nal in einem Düsenkörper so verrundet, daß der Verrundungs­ grad der Kanten des Einlaufbereichs auf die Verteilung des Kraftstoffstroms um den Einlaufbereich herum abgestimmt ist, wobei die Kantenabschnitte um so stärker verrundet werden, je höher der Kraftstoffstrom an diesen Kraftstoffabschnitten ist.

Durch diese Optimierung des Einlaufbereichs des Spritzlochka­ nals wird der Umlenkwinkel, der sich durch die Ausrichtung einer Innenbohrung und eines Sitzkonus im Düsenkörper und ei­ nem gewünschten Einspritzwinkel in einem Brennraum eines Mo­ tors ergibt, auf ein Minimum reduziert, wodurch sich der Durchflußbeiwert der Kraftstoffströmung und damit die Ge­ schwindigkeit des aus dem Spritzlochkanal in den Brennraum eingespritzten Kraftstoffs erhöhen läßt. Durch den verminder­ ten Umlenkwinkel werden weiterhin auch Verwirbelungen im Kraftstoff so weit wie möglich reduziert, so daß der Ein­ spritzstrahl ein optimiertes Strömungsprofil erhält.

Gemäß der Erfindung hat der Einlaufbereich des Spritzlochka­ nals im Düsenkörper im wesentlichen die Form einer Ellipse, wobei die große Achse der Ellipse mit der Richtung der Kraft­ stoffströmung durch die Innenbohrung des Düsenkörpers über­ einstimmt und die Kanten des Einlaufbereichs im Scheitelbe­ reich der großen Achse der Ellipse stärker verrundet sind als im Scheitelbereich der kleinen Achse der Ellipse. Diese Aus­ gestaltung des Einlaufbereichs des Spritzlochs im Düsenkörper sorgt für eine optimierte Kraftstoffumlenkung, wodurch unge­ wünschte Verwirbelungen des eingespritzten Kraftstoffs sowie eine Drosselung der Strömungsgeschwindigkeit verhindert wer­ den.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 den Kuppenbereich eines erfindungsgemäßen Düsenkör­ pers;

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt des Kuppenbereichs mit dem Spritzlochkanal; und

Fig. 3 eine Aufsicht auf den Einlaufbereich des Spritzloch­ kanals.

Fig. 1 zeigt den erfindungswesentlichen Teil eines Düsenkör­ pers für eine Kraftstoffeinspritzdüse. Der Düsenkörper weist einen Düsenschaft 1 auf, der von einem konisch zulaufenden Kuppenbereich 11 abgeschlossen wird, der an seiner Spitze ab­ gerundet ist und sich in einem Brennraum eines Motors er­ streckt. Im Düsenschaft 1 ist eine im wesentlichen zylindri­ sche Innenbohrung 2 ausgebildet, die im konisch zulaufenden Kuppenbereich 11 des Düsenschafts 1 über eine Absetzkante 21 in einen ebenfalls konisch zulaufenden Sitzkonus 22 übergeht. Dieser Sitzkonus 22 endet an der Spitze des Kuppenbereichs 11 des Düsenschafts 1 in einem Sackloch 23.

In der Innenbohrung 2 des Düsenschafts 1 kann in der herkömm­ lichen Weise axial beweglich eine Düsennadel (nicht gezeigt) angeordnet werden, die an ihrer Spitze einen Dichtkonus trägt. Dieser Dichtkonus der Düsennadel sitzt dann bei ge­ schlossener Einspritzdüse auf dem Sitzkonus 22 im Kuppenbe­ reich 11 des Düsenschafts 1 auf, so daß kein Kraftstoff aus der Innenbohrung 11 in den Bereich des Düsenschafts 1 des Sitzkonus 22 gelangt. Bei geöffneter Kraftstoffeinspritzdüse hebt die Düsennadel mit ihrem Dichtkonus vom Sitzkonus 22 ab und Kraftstoff kann aus der Innenbohrung 2 in den Kuppenbe­ reich 11 des Düsenschafts 1 strömen.

Zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum des Motors ist im Kuppenbereich 11 des Düsenschafts 1, stromabwärts von der vorgesehenen Linienberührung zwischen dem Dichtkonus der Düsennadel und dem Sitzkonus 22 im Düsenschaft 1, ein Spritz­ lochkanal 3 im Kuppenbereich 11 ausgebildet. Über diesen Spritzlochkanal 3 wird bei geöffneter Einspritzdüse der in die Innenbohrung 2 des Düsenschafts 1 eingespeiste Kraftstoff unter Druck in den Brennraum des Motors abgegeben.

Im allgemeinen sind, wie in Fig. 1 gezeigt, mehrere Spritz­ lochkanäle 3 um den Kuppenbereich 11 des Düsenschafts 1 herum verteilt, um je nach Brennraumform eine Kraftstoffeinsprit­ zung mit definierten Spritzlochkegelwinkel zu erzielen. Bei einem zentralen, senkrechten Einbau des Düsenschafts 1 sind die Spritzlochkanäle 3 vorzugsweise symmetrisch mit dem glei­ chen Höhenwinkel um den Kuppenbereich 11 des Düsenschafts 1 herum verteilt. Bei einem schrägstehenden Düsenschaft 1 dage­ gen sind die Spritzlochkanäle 3 zum Erzielen des gewünschten Spritzlochkegelwinkels unter verschiedenen Höhenwinkeln, je­ doch vorzugsweise mit den gleichen Seitenwinkel in den Kup­ penbereich 11 des Düsenschafts 1 eingebracht. Fig. 1 zeigt einen Düsenkörper für eine Standard-Kraftstoffeinspritzdüse, bei der der Spritzlochkegelwinkel, unter dem der Kraftstoff tangential aus dem Spritzlochkanal 3 in den Brennraum einge­ spritzt wird, ca. 150° beträgt. Da der Winkel des Sitzkonus 22 im Kuppenbereich 11 des Düsenschafts 1 ungefähr 60° ist, muß der Kraftstoffstrom bei einer Einspritzung um ca. 105° umgelenkt werden.

Simulationsrechnungen bzw. Modelluntersuchungen an Kraftstof­ feinspritzdüsen haben weiter ergeben, daß der Kraftstoff un­ terschiedlich in den Spritzlochkanal 3 einströmt. Es wurde festgestellt, daß sich abhängig von der Form des Düsenkör­ pers, der Anordnung des Spritzlochkanals und dem Einspritz­ druck eine Verteilung des Kraftstoffstroms in dem Spritzloch­ kanal einstellt, bei der 30-40% des Kraftstoffs von oben aus der Richtung der Innenbohrung 2 des Düsenschafts 1 in den Spritzlochkanal 3 eintritt, 10-20% von unten aus der Richtung des Sacklochs 23 und jeweils ca. 25% von der Seite.

Um ein sanftes Umlenken des Kraftstoffstroms aus der Innen­ bohrung 2 im Düsenschaft 1 in den Spritzlochkanal 3 zu erzie­ len wird, wie die Detailansicht in Fig. 2 zeigt, der Spritz­ lochkanal 3 im Einlaufbereich 31 kantenlos abgerundet, wobei der Verrundungsgrad der Kanten des Einlaufbereichs 31 auf die Verteilung des Kraftstoffstroms um den Einlaufbereich herum abgestimmt wird. Die Kantenabschnitte des Einlaufbereichs 31 des Spritzlochkanals 3 werden dabei um so stärker verrundet, je höher der Kraftstoffstrom an dem jeweiligen Kantenab­ schnitt ist.

Unter Berücksichtigung der aus den Simulationsrechnungen bzw. Modelluntersuchungen festgestellten Verteilung des Kraft­ stoffstroms um den Spritzlochkanal 3 herum ergibt sich für eine optimierte Kraftstoffeinströmung in den Spritzlochkanal 3 bei einem Düsenkörper für eine Standard- Kraftstoffeinspritzdüse ein im wesentlichen ellipsenförmiger Einlaufbereich 31, wobei die große Achse a der Ellipse mit der Richtung der Kraftstoffströmung durch die Innenbohrung 2 des Düsenschafts 1 übereinstimmt und die Kanten des Einlauf­ bereichs 31 im Scheitelbereich 32, 33 der großen Achse a der Ellipse aufgrund des höheren Massenstroms stärker verrundet sind als im Scheitelbereich 34 der kleinen Achse b der Ellip­ se. Aufgrund des größeren Massenstroms von Kraftstoff aus Richtung der Innenbohrung 2 im Vergleich zu dem Kraft­ stoffstrom von unten aus der Richtung des Sacklochs 23 ist der Einlaufbereich 31, wie Fig. 3 zeigt, vorzugsweise als entartete Ellipse ausgebildet, wobei die Kante im Scheitelbe­ reich 32 der großen Achse a der Ellipse, der der Innenbohrung 2 des Düsenschafts 1 zugewandt ist, stärker verrundet ist als die Kante im Scheitelbereich 33 der großen Achse a der Ellip­ se, der zum Sackloch 23 im Kuppenbereich 11 des Düsenschafts 1 hin ausgerichtet ist. Die Einlaufkanten werden mit einem Rundungsradius, vorzugsweise in einem Bereich von 10 µm bis 70 µm verrundet, wobei der Verrundungsgrad prozentual wie folgt definiert werden kann:
Verrundung Einlaufbereich 32 = [D × (30 bis 40)]/S × 100;
Verrundung Einlaufbereich 33 = [D × (10 bis 20)]/S × 100;
Verrundung Einlaufbereich 34 = [D × 25]/S × 100; D = cm³/30 sec bei 100 bar Druck gemessen.

D entspricht dabei dem hydraulischen Durchfluß durch den Dü­ senkörper nach der Verrundung und S der Anzahl der Spritzlö­ cher.

Das Verhältnis der Rundungsradien zueinander entspricht vor­ zugsweise dem Verhältnis der Durchflüsse D in den Bereichen der Rundungsradien zueinander.

Rundungsradius R1 im Einlaufbereich 32 zu Rundungsradius R2 im Einlaufbereich 33 zu Rundungsradius R3 im Einlaufbereich 34 stehen im Verhältnis zueinander wie die Durchflüsse D in den entsprechenden Einlaufbereichen 32, 33, 34.

Durch die erfindungsgemäße Verrundung des Einlaufbereichs 31 des Spritzlochkanals 3 in Abhängigkeit von der Verteilung des Kraftstoffstroms um diesen Einlaufbereich herum wird der Um­ lenkwinkel des Kraftstoffstrahls beim Übergang in den Spritz­ lochkanal 3 verkleinert und weiterhin die Gefahr von Verwir­ belungen im Einlaufbereich vermindert, so daß sich ein ver­ besserter Verbrennungsverlauf einstellt. Das erfindungsgemäße Konzept kann dabei nicht nur bei der in Fig. 1 dargestellten Spritzlochdüsenform, sondern auch bei den weiteren bekannten Düsenformen, bei denen der Spritzlochkanal z. B. auch im Sackloch angeordnet sein kann, ausgeführt werden.

Der Spritzlochkanal 3 im Kuppenbereich 11 des Düsenschafts 1 wird im allgemeinen mittels einer Bohrung in den Kuppenbe­ reich 11 eingebracht. Um den Einlaufbereich 31 des Spritz­ lochkanals 1 dann abzurunden, wird eine Nachbearbeitung mit­ tels hydroerosiven Schleifens durchgeführt. Hierbei strömt ein abrasive Teilchen enthaltenes Medium durch die Innenboh­ rung 2 im Düsenschaft 1 und den Spritzlochkanal 3, um Materi­ al von den Kanten des Einlaufbereichs 31 des Spritzlochkanals 3 abzutragen und so diese Einlaufkanten abzurunden. Das hy­ droerosive Schleifen wird gemäß der Erfindung dabei so ge­ steuert, daß ein Einlaufbereich entsteht, bei dem der Verrun­ dungsgrad der Kanten auf die durch Simulationsrechungen bzw. Testuntersuchungen ermittelte Verteilung des Kraftstoffstroms um den Einlaufbereich des Spritzlochkanals 3 herum abgestimmt ist.

Claims (7)

1. Verfahren zum Verrunden von Kanten an einem Spritzloch­ kanal (3) in einem Düsenkörper für eine Kraftstoffeinspritz­ düse, der im wesentlichen einen Düsenschaft (1) mit einer In­ nenbohrung (2) und einem konisch zulaufenden Kuppenbereich (11) aufweist, wobei das Spritzloch (3) seitlich in den Kup­ penbereich (11) eingebracht wird, wobei ein Einlaufbereich (31) des Spritzlochkanals (3) trichterförmig mit unterschied­ lich abgerundeten Kanten ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Verrundungsgrad der Kanten des Einlaufbereichs (31) des Spritzlochkanals (3) auf die Verteilung des Kraft­ stoffstroms um den Einlaufbereich (31) herum abgestimmt wird, wobei ein Kantenabschnitt des Einlaufbereichs um so stärker verrundet wird, je höher der Kraftstoffstrom an diesem Kan­ tenabschnitt ist.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung des Kraftstoffstroms um den Einlaufbereich (31) eines gewünschten Spritzlochkanals (3) herum mittels ei­ ner Simulationsrechnung bestimmt wird und wobei auf der Grundlage dieser Simulationsrechnung eine entsprechende Ver­ rundung des Einlaufbereichs ausgeführt wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Verrunden der Kanten am Einlaufbereich (31) des Spritzlochkanals (3) mittels hydroerosiven Schleifens durchgeführt wird.

4. Düsenkörper für eine Kraftstoffeinspritzdüse mit einem Düsenschaft (1), der eine Innenbohrung (2) einen Kuppenbe­ reich (11) aufweist, wobei wenigstens ein Spritzlochkanal (3) in den Kuppenbereich (11) eingebracht ist, bei dem der Ein­ laufbereich (31) des Spritzlochkanals (3) unterschiedlich ab­ gerundete Kanten aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaufbereich (31) des Spritzlochkanals (3) im we­ sentlichen die Form einer Ellipse aufweist, wobei die große Achse (a) der Ellipse mit der Richtung der Kraftstoffströmung durch die Innenbohrung (2) des Düsenschafts (1) übereinstimmt und die Kante des Einlaufbereichs (3) im Scheitelbereich (32, 33) der großen Achse (a) der Ellipse stärker als im Scheitel­ bereich (34) der kleinen Achse (b) der Ellipse verrundet ist.

5. Düsenkörper gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaufbereich (31) die Form einer entarteten Ellipse aufweist, wobei die Kante im Scheitelbereich (32) der großen Achse (a) der Ellipse, die der Innenbohrung (2) des Düsen­ schaftes (1) zugewandt ist, stärker als die Kante im Schei­ telbereich der großen Achse (a), die der Innenbohrung (2) des Düsenschafts (1) abgewandt ist, verrundet ist.

6. Düsenkörper gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kanten des Einlaufbereichs (31) in einem Bereich von 10 µm bis 70 µm verrundet werden.

7. Düsenkörper gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verrundungsgrad prozentual wie folgt definiert ist:
Verrundung Einlaufbereich 32 = [D × (30 bis 40)]/S × 100;
Verrundung Einlaufbereich 33 = [D × (10 bis 20)]/S × 100;
Verrundung Einlaufbereich 34 = [D × 25]/S × 100;
wobei D dem hydraulischen Durchfluß durch den Düsenkörper nach der Verrundung und S der Anzahl der Spritzlöcher ent­ spricht.