EP1163442B1 - Kraftstoff-einspritzdüse - Google Patents

Kraftstoff-einspritzdüse Download PDF

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EP1163442B1
EP1163442B1 EP01903592A EP01903592A EP1163442B1 EP 1163442 B1 EP1163442 B1 EP 1163442B1 EP 01903592 A EP01903592 A EP 01903592A EP 01903592 A EP01903592 A EP 01903592A EP 1163442 B1 EP1163442 B1 EP 1163442B1
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EP
European Patent Office
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nozzle
injection nozzle
sealing seat
injection
circumferential groove
Prior art date
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EP01903592A
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Katsuoki Itoh
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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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
    • F02M61/18—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for

Definitions

  • the invention relates to a fuel injector with a nozzle body, with is provided at least one injection hole and a conical bearing surface, and a nozzle needle slidable in the nozzle body and an inlet surface has downstream and downstream of the inlet surface a radial Paragraph, so that at the transition to the inlet surface a sealing seat is formed, which can interact with the contact surface
  • Such a fuel injection nozzle is known from DE 195 47 423 A1.
  • a depth of the order of 0 01 to 0.06 mm is executed, serves a sharp-edged Querschmttsübergang To produce in the region of the sealing seat, so that when the nozzle needle is open resulting flow area is defined as precisely as possible.
  • make up the areas downstream of the paragraph downstream of the nozzle needle at a small opening stroke, as he made for a Voreinspntzung is, a comparatively long flow channel, which acts as a throttle and at the inevitable manufacturing tolerances have a big impact on the Have flow.
  • Spattgeometne one Temperature-dependent laminar flow from what the flow behavior in addition impaired.
  • a fuel injector according to the preamble of Claim 1 is known from US-A-5 890 660.
  • the object of the invention is then an injection nozzle of the aforementioned Art to further develop that even with the smallest opening strokes a reliable dosage of the amount of fuel to be injected is possible, as is necessary for a pilot injection.
  • a fuel injection nozzle of the type mentioned, which features having the characterizing part of claim 1, has the advantage that due to the circumferential groove such a large flow area downstream is formed of the sealing seat, that the self-adjusting flow in the open State of the nozzle needle, as it corresponds to a pilot injection, exclusively is determined by the cross section in the region of the sealing seat.
  • the radial Sales is very sharp-edged, have manufacturing tolerances This site has negligible effects on itself in the open state the nozzle needle resulting flow area.
  • FIG. 1 shows the front section of an injection nozzle, that is to say the section the combustion chamber of an internal combustion engine to be supplied is facing.
  • the injection nozzle has a nozzle body 10 which is provided in the region of its front end with several injection holes 12. On the inside of the nozzle body 10 with a conical contact surface 14th provided, which has a cone angle ⁇ of about 60 °.
  • a nozzle needle 16 is arranged between the a closed position in which no fuel from a (not shown) Fuel supply to the spray holes 12 can flow, and an open Adjustable position in which the injection of fuel is possible.
  • an open Adjustable position in which the injection of fuel is possible.
  • the opening stroke can be controlled so that the injected Fuel quantity is adapted to the particular requirements.
  • a small O réelleshub possible, so that only a small amount of fuel is injected to achieve a pre-injection, as well as the actual Opening stroke, which causes a larger amount of fuel injected so that a main combustion takes place.
  • the nozzle needle 16 has an inlet surface 18, which in the embodiment shown is designed as a conical surface.
  • the outer contour of the inlet surface When viewed in section from FIG. 1, it closes at an angle ⁇ of approximately 22.5 ° with FIG Center axis M of the injector. Notwithstanding the embodiment shown For the angle ⁇ could also deviating values between 0 ° and 45 ° to get voted.
  • a radial shoulder 20 At the inlet surface 18 closes downstream, ie to the spray holes 12th towards, a radial shoulder 20, so that a sharp-edged sealing seat 22 is formed.
  • the paragraph 20 is designed so that a tangent to its contour (considered in the section of Figure 1) in the region of the transition to the inlet surface 18, ie in the region of the sealing seat 22 in the embodiment shown vertically to the central axis M of Etnspntzduse.
  • the sealing seat 22 should be less sharp-edged, so with a included angle between the tangent to the radial shoulder in the area the sealing seat and the inlet surface 18 of less than 112, 5 ° or when the inclination angle ⁇ of the inlet surface 18 is smaller than the 22.5 ° shown,
  • the tangent to the radial shoulder adjacent to the seal seat 22 may also be include a smaller angle than 90 ° with the central axis M, so obliquely down to the center axis M out to the desired sharp-edged
  • the angle should be between the tangent to the Paragraph is enclosed adjacent to the sealing seat 22 and the central axis M, not less than 45 °.
  • the radial shoulder 20 is designed on its stromabwartigen side so that a tangent to its contour (viewed again in the section of Figure 1) in parallel to the center axis M is.
  • a circumferential groove closes 24 which forms a flow-through gap to the injection holes 12 at the contour indicated by A in Figure 1, the circumferential groove 24 extends exactly to the inlet in the spray holes.
  • the circumferential groove 24 extends to the center of the injection holes 12, and in the Figure 1 designated C contour, the circumferential groove 24 extends completely over the spray holes.
  • the extent of the circumferential groove 24 in the axial direction that is, for example, accordingly one of the contours A, B or C represents a compromise between the flow area in the region of the circumferential groove, which should be as large as possible and with regard to the HC values of the supplied internal combustion engine harmful volume, which is formed by the circumferential groove and possible should be small.
  • the sealing seat 22 is lifted off the abutment surface 14. Since adjoining the sealing seat 22 of the radial shoulder 20 and the circumferential groove 24, the narrowest flow area is formed by the sealing seat 22; the downstream of the sealing seat 22 subsequent flow area are all larger. Due to the sharp-edged geometry used for the seal seat 22, the unavoidable manufacturing tolerances have a comparatively gennge effect on the resulting flow area.
  • the resulting flow area A is a function of the needle stroke s shown.
  • the reference numeral 22 is the course of the flow area referred to, resulting from the sealing seat 22.
  • With the reference number 14 is the flow area designated, due to the downstream of the sealing seat 22 lying areas of the nozzle needle and the Contact surface results.
  • the reference numeral 12 is finally the flow area referred to, which is determined by the spray holes 12.
  • the nozzle needle performs only a small opening stroke V, as used for a Voreinspntzung, the resulting flow area is determined exclusively by the sealing seat 22. Only when a larger opening stroke is performed, first results in a flow area, which is no longer determined by the sealing seat 22, but by the contact surface 14 and the inlet to the spray holes. This is followed by an even larger opening stroke of the nozzle needle, a region in which the flow area is constant and is determined solely by the cross section of Spntzlocher 12. This range continues until the maximum opening stroke s max of the nozzle needle, which is on the order of 0.2 to 0.3 mm.
  • the geometry of the nozzle needle according to the invention has no influence on the two last-mentioned areas since it has an effect only on opening strokes as used for pre-injection.

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Einspritzdüse mit einem Düsenkörper, der mit mindestens einem Spritzloch sowie einer kegeligen Anlagefläche versehen ist, und einer Düsennadel, die in dem Düsenkörper verschiebbar ist und eine Einlauffläche aufweist sowie stromabwärts anschließend an die Einlauffläche einen radialen Absatz, so daß am Übergang zur Einlaufflache ein Dichtsitz gebildet ist, der mit der Anlagefläche zusammenwirken kann
Eine solche Kraftstoff-Einspritzdüse ist aus der DE 195 47 423 A1 bekannt. Der radiale Absatz, der mit einer Tiefe in der Größenordnung von 0 01 bis 0,06 mm ausgeführt ist, dient dazu, einen möglichst scharfkantigen Querschmttsübergang im Bereich des Dichtsitzes zu erzeugen, so daß der sich bei geöffneter Düsennadel ergebende Durchflußquerschnitt moglichst präzise definiert ist. Jedoch bilden die sich stromabwärts an den Absatz anschließenden Bereiche der Düsennadel bei einem geringen Öffnungshub, wie er für eine Voreinspntzung vorgenommen wird, einen vergleichsweise langen Durchflußkanal, der als Drossel wirkt und bei dem die unvermeidlichen Herstellungstoleranzen große Auswirkungen auf die Strömung haben. Außerdem bildet sich bei der verwendeten Spattgeometne eine temperaturabhängige Laminarstromung aus was das Durchflußverhalten zusätzlich beeinträchtigt.
Eine Kraftstoff-Einspritzdüse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der US-A-5 890 660 bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht dann, eine Einspritzduse der eingangs genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß auch bei kleinsten Offnungshüben eine zuverlässige Dosierung der Menge des einzuspritzenden Kraftstoffs möglich ist, wie dies für eine Voreinspritzung erforderlich ist.
Vorteile der Erfindung
Eine Kraftstoff-Einspritzduse der eingangs genannten Art, welche die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 aufweist, hat den Vorteil, daß aufgrund der Umfangsnut ein derart großer Durchflußquerschnitt stromabwärts des Dichtsitzes gebildet ist, daß die sich einstellende Strömung im geoffneten Zustand der Düsennadel, wie er einer Voreinspritzung entspricht, ausschließlich vom Querschnitt im Bereich des Dichtsitzes bestimmt wird. Da außerdem der radiale Absatz sehr scharfkantig ausgebildet ist, haben Herstellungstoleranzen an dieser Stelle vernachlässigbare Auswirkungen auf den sich im geöffneten Zustand der Düsennadel ergebenden Durchflußquerschnitt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschneben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist In diesen zeigen
  • Figur 1 einen Querschnitt durch das vordere Ende einer Einspritzdüse; und
  • Figur 2 ein Diagramm des Öffnungsquerschnittes zwischen Düsennadel und Dusenkörper in Abhängigkeit vom Hub der Dusennadel
In Figur 1 ist der vordere Abschnitt einer Einspritzdüse gezeigt, also der Abschnitt, der einem Verbrennungsraum einer zu versorgenden Verbrennungskraftmaschine zugewandt ist. Die Einspritzduse weist einen Dusenkörper 10 auf, der im Bereich seines vorderen Endes mit mehreren Spritzlochern 12 versehen ist. Auf der Innenseite ist der Düsenkorper 10 mit einer kegeligen Anlagefläche 14 versehen, die einen Kegelwinkel α von etwa 60° aufweist.
Im Inneren des Dusenkorpers 10 ist eine Düsennadel 16 angeordnet, die zwischen einer geschlossenen Stellung, in der kein Kraftstoff von einer (nicht dargestellten) Kraftstoffzufuhr zu den Spritzlöchern 12 fließen kann, und einer geöffneten Stellung verstellbar ist, in der das Einspritzen von Kraftstoff möglich ist. Der von der Düsennadel 16 zwischen der geschlossenen Stellung und der geöffneten Stellung ausgeführte Öffnungshub kann dabei so gesteuert werden, daß die eingespritzte Kraftstoffmenge an die jeweiligen Anforderungen angepaßt wird. Insbesondere ist ein kleiner Offnungshub moglich, so daß nur eine geringe Kraftstoffmenge eingespritzt wird, um eine Voreinspritzung zu erzielen, sowie der eigentliche Öffnungshub, der dazu führt, daß eine größere Kraftstoffmenge eingespritzt wird, so daß eine Hauptverbrennung stattfindet.
Die Düsennadel 16 weist eine Einlauffläche 18 auf, die bei der gezeigten Ausführungsform als Kegelflache ausgebildet ist. Die Außenkontur der Einlauffläche schließt im Schnitt von Figur 1 betrachtet einen Winkel β von etwa 22,5° mit der Mittelachse M der Einspritzdüse ein. Abweichend von der gezeigten Ausführungsform könnten für den Winkel β auch abweichende Werte zwischen 0° und 45° gewählt werden.
An die Einlauffläche 18 schließt sich stromabwärts, also zu den Spritzlochern 12 hin, ein radialer Absatz 20 an, so daß ein scharfkantiger Dichtsitz 22 gebildet ist. Der Absatz 20 ist dabei so ausgeführt, daß eine Tangente an seine Kontur (betrachtet im Schnitt von Figur 1) im Bereich des Ubergangs zur Einlauffläche 18, also im Bereich des Dichtsitzes 22. bei der gezeigten Ausführungsform senkrecht zur Mittelachse M der Etnspntzduse ist.
Wenn der Dichtsitz 22 weniger scharfkantig ausgebildet sein soll, also mit einem eingeschlossenen Winkel zwischen der Tangente an den radialen Absatz im Bereich des Dichtsitzes und der Einlauffläche 18 von weniger als 112, 5° oder wenn der Neigungswinkel β der Einlauffläche 18 kleiner als die gezeigten 22,5° ist, kann die Tangente an den radialen Absatz angrenzend an den Dichtsitz 22 auch einen kleineren Winkel als 90° mit der Mittelachse M einschließen, also schräg nach unten zur Mittelachse M hin verlaufen Um den gewünschten scharfkantigen Dichtsitz zu gewährleisten, sollte der Winkel, der zwischen der Tangente an den Absatz angrenzend an den Dichtsitz 22 und der Mittelachse M eingeschlossen ist, nicht kleiner sein als 45°.
Der radiale Absatz 20 ist auf seiner stromabwartigen Seite so ausgeführt, daß eine Tangente an seine Kontur (betrachtet wieder im Schnitt von Figur 1) parallel zur Mittelachse M ist. Anders ausgedrückt weist der radiale Absatz an seinem stromabwärtigen Ende eine Zylinderfläche auf, deren Mittelachse mit der Mittelachse M der Düsennadel zusammenfällt.
An das stromabwärtige Ende des radialen Absatzes 20 schließt sich eine Umfangsnut 24 an, die einen Durchflußspalt hin zu den Spritzlochern 12 bildet Bei der in Figur 1 mit A bezeichneten Kontur erstreckt sich die Umfangsnut 24 genau bis zum Einlauf in die Spritzlöcher. Bei der in Figur 1 mit B bezeichneten Kontur erstreckt sich die Umfangsnut 24 bis zur Mitte der Spritzlöcher 12, und bei der in Figur 1 mit C bezeichneten Kontur erstreckt sich die Umfangsnut 24 vollständig über die Spritzlöcher.
Die Erstreckung der Umfangsnut 24 in axialer Richtung, also beispielsweise entsprechend einer der Konturen A, B oder C, stellt einen Kompromiß dar zwischen dem Durchflußquerschnitt im Bereich der Umfangsnut, der möglichst groß sein soll, und dem im Hinblick auf die HC-Werte der versorgten Verbrennungskraftmaschine schädlichen Volumen, das von der Umfangsnut gebildet ist und möglichst klein sein soll.
Wenn die Düsennadel 12 einen kleinen Öffnungshub in der Größenordnung von 0,02 bis 0,03 mm durchführt, um eine Voreinspritzung zu erzielen, bei der etwa 1 mm3 Kraftstoff eingespritzt wird, wird der Dichtsitz 22 von der Anlagefläche 14 abgehoben. Da sich an den Dichtsitz 22 der radiale Absatz 20 und die Umfangsnut 24 anschließen, wird der engste Durchflußquerschnitt vom Dichtsitz 22 gebildet; die sich stromabwärts an den Dichtsitz 22 anschließenden Durchflußquerschnitt sind alle größer. Aufgrund der verwendeten scharfkantigen Geometrie für den Dichtsitz 22 haben die unvermeidbaren Herstellungstoleranzen eine vergleichsweise gennge Auswirkung auf den sich ergebenden Durchflußquerschnitt.
In Figur 2 ist der sich ergebende Durchflußquerschnitt A in Abhängigkeit vom Nadelhub s gezeigt. Mit dem Bezugszeichen 22 ist der Verlauf des Durchflußquerschnittes bezeichnet, der sich aufgrund des Dichtsitzes 22 ergibt. Mit dem Bezugszeichen 14 ist der Durchflußquerschnitt bezeichnet, der sich aufgrund der stromabwärts des Dichtsitzes 22 liegenden Bereichen der Dusennadel und der Anlagefläche ergibt. Mit dem Bezugszeichen 12 ist schließlich der Durchflußquerschnitt bezeichnet, der von den Spritzlöchern 12 bestimmt wird.
Wenn die Düsennadel nur einen geringen Offnungshub V durchführt, wie er für eine Voreinspntzung verwendet wird, wird der sich ergebende Durchflußquerschnitt ausschließlich vom Dichtsitz 22 bestimmt. Erst wenn ein größerer Offnungshub durchgeführt wird, ergibt sich zunachst ein Durchflußquerschnitt, der nicht mehr vom Dichtsitz 22, sondern von der Anlageflache 14 und dem Einlauf zu den Spritzlöchern bestimmt wird. Daran anschließend ergibt sich bei noch größerem Öffnungshub der Düsennadel ein Bereich, bei dem der Durchflußquerschnitt konstant ist und ausschließlich vom Querschnitt der Spntzlocher 12 bestimmt wird. Dieser Bereich setzt sich fort bis zum maximalen Öffnungshub smax der Düsennadel, der in der Größenordnung von 0,2 bis 0,3 mm liegt Für die beiden letztgenannten Bereiche ist die erfindungsgemäße Geometne der Düsennadel jedoch ohne Einfluß, da sie sich nur bei Öffnungshüben auswirkt, wie sie für die Voreinspritzung verwendet werden.

Claims (4)

  1. Kraftstoff-Einspritzduse mit einem Düsenkörper (10), der mit mindestens einem Spritzloch (12) sowie einer kegeligen Anlagefläche (14) versehen ist, und einer Dusennadel (16), die in dem Düsenkorper verschiebbar ist und eine Einlauffläche (18) aufweist sowie stromabwärts anschließend an die Einlaufflache einen radialen Absatz (20), so daß am Übergang zur Einlauffläche ein Dichtsitz gebildet ist, der mit der Anlagefläche zusammenwirken kann, wobei
    ein Winkel, der von einer Tangente an den radialen Absatz im Bereich des Dichtsitzes und der Mittelachse der Einspritzdüse eingeschlossen ist, mehr als 45° beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß stromabwärts anschließend an den radialen Absatz eine Umfangsnut (24) gebildet ist, die sich axial bis mindestens zu dem Spritzloch (12) erstreckt, so daß bei einem Öffnungshub der Düsennadel zum Zwecke der Voreinspritzung der engste Querschnitt zwischen der Düsennadel und dem Düsenkorper im Bereich des Dichtsitzes gebildet ist
  2. Einspritzdüse nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß sich die Umfangsnut (24) bis zur Mitte des Spntzloches (12) erstreckt.
  3. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Umfangsnut (24) über das gesamte Spntzloch (12) erstreckt.
  4. Einspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen der Tangente an den radialen Absatz (20) und der Mittelachse M der Einspritzdüse eingeschlossene Winkel etwa 90° beträgt.
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