Titel

Kraftstoffeinspritzdüse

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzdüse, wie sie vorzugsweise zur Kraftstoffeinspritzung und damit zur Verwendung in einer Brennkraftmaschine verwendet wird.

Stand der Technik

Bei modernen selbstzündenden Brennkraftmaschinen wird der Kraftstoff unter hohem Druck direkt in die Brennräume der Brennkraftmaschine eingebracht. Der hohe Druck dient dabei dazu, den Kraftstoff fein zu zerstäuben und somit ein optimales Mischungsverhältnis zwischen dem Kraftstoff und dem im Brennraum befindlichen Sauerstoff zu erreichen, was unerlässlich für eine schadstoffarme und effektive Verbrennung ist. Dazu finden Kraftstoffeinspritzventile Verwendung, wie sie aus dem Stand der Technik beispielsweise aus der DE 10 2004 050 048 AI bekannt sind. Ein solches Kraftstoffeinspritzventil weist einen Düsenkörper auf, in dem ein mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbarer Druckraum ausgebildet ist und in dem eine Düsennadel längsverschiebbar angeordnet ist, die mit einem Körpersitz zum Öffnen und Schließen einer oder mehrerer Einspritzöffnungen zusammenwirkt. Dabei ist häufig am brennraumseitigen Ende des Düsenkörpers ein sogenanntes Sackloch vorhanden, das sich an den Körpersitz anschließt und von dem die Einspritzöffnungen ausgehen. Das Sackloch dient dabei dazu, den Kraftstoff gleichmäßig auf die einzelnen Einspritzöffnungen zu verteilen und damit eine entsprechend gleichmäßige Verteilung des Kraftstoffs im Brennraum zu erreichen. Der im Druckraum anstehende Kraftstoff, der unter hohem Druck steht, fließt während der Einspritzung zwischen der Dichtfläche der Düsennadel und dem Körpersitz hindurch in das Sackloch, von wo aus der Kraftstoff in die Einspritzöffnungen strömt und durch diese hindurch schließlich in den Brennraum zerstäubt wird.

Zu Beginn der Öffnungshubbewegung der Düsennadel, also wenn diese von ih- rer Anlage am Körpersitz abhebt, strömt der Kraftstoff durch einen sehr engen

Spalt zwischen der Dichtfläche der Düsennadel und dem Körpersitz hindurch in das Sackloch, was zu einer Verwirbelung des Kraftstoffs im Sackloch führt. Dies verbessert die Zerstäubung, wenn die Verwirbelung nicht so stark ist, dass der Kraftstoff ungleichmäßig auf die Spritzlöcher verteilt wird. Im weiteren Verlauf der Hubbewegung wird der Spalt zwischen der Düsennadel und dem Körpersitz größer, so dass der Kraftstoff im Sackloch weniger verwirbelt wird und damit die Zerstäubungsneigung des Kraftstoffs beim Durchtritt durch die Einspritzöffnungen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzdüse mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die Zuströmung des Kraft- Stoffs zu den Spritzlöchern im Sacklochbereich verbessert wird, indem auch bei einem Teilhub der Düsennadel eine ausreichende Turbulenz in das Spritzloch eingebracht wird und damit der Strahlaufbruch beim Austritt des Kraftstoffs aus den Spritzlöchern im Brennraum intensiviert wird. Dazu weist die Kraftstoffeinspritzdüse einen Düsenkörper auf, in dem ein mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbarer Druckraum ausgebildet ist und in dem eine längsverschiebbare Düsennadel angeordnet ist, wobei die Düsennadel eine Dichtfläche aufweist, mit der sie mit einem im Düsenkörper ausgebildeten konischen Körpersitz zusammenwirkt und dadurch die Verbindung vom Druckraum zu einem Sackloch öffnet und schließt. Das Sackloch schließt sich dabei unmittelbar an den Körpersitz an und bildet dort einen zylindrischen Abschnitt, so dass am Übergang zwischen Körpersitz und dem Sackloch eine Einlaufkante gebildet wird. Im Düsenkörper ist darüber hinaus wenigstens eine Einspritzöffnung ausgebildet, die in das Sackloch mündet. Der zylindrische Abschnitt des Sacklochs geht an seinem der Einlaufkante abgewandten Ende in eine Durchmesserverringerung über, so dass an dieser Stelle ein Absatz gebildet wird, wobei die wenigstens eine Einspritzöffnung zwischen dem Absatz und der Einlaufkante in das Sackloch mündet, also im Bereich des zylindrischen Abschnitts.

Durch den Absatz im Sackloch wird die Kraftstoffströmung beim Einlauf in das Sackloch über diesen Absatz geführt und dadurch verwirbelt, was entsprechende Turbulenzen in der Strömung hervorruft, die beim Durchtritt des Kraftstoffs durch die Einspritzöffnung zu einer Intensivierung des Strahlaufbruchs führt, das heißt, dass der Kraftstoff beim Austritt aus dem Spritzloch sehr rasch aufbricht und einen feinen Nebel von Kraftstofftröpfchen bildet, die mit dem vorhandenen Sauerstoff im Brennraum effektiv und sauber verbrennen.

In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung schließt sich an den Absatz ein im Wesentlichen halbkugelförmiger Sacklochgrund an. Dieser begünstigt die Strömung des Kraftstoffs über den Absatz hinweg, so dass die gewünschte zusätzliche Verwirbelung durch den Absatz intensiviert wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Absatz ringscheibenförmig ausgebildet, was sich in einfacher Weise herstellen lässt. Die dadurch ausgebildete relativ scharfe Kanten führt zu einer deutlichen Verwirbelung des Kraftastoffs im Sackloch. Ebenso kann es auch vorgesehen sein, dass der Absatz konisch ausgebildet ist, was zwar scharfe Kanten am Übergang vermeidet, jedoch die mechanische Stabilität erhöht. Ebenso können die Übergänge vom zylindrischen Abschnitt des Sacklochs zur Kante und von der Kante zum Sacklochgrund gerundet ausgebildet sein, insbesondere um Kerbspannungen zu reduzieren.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Absatz über den gesamten Umfang des Sacklochs mit gleicher Tiefe ausgebildet, so dass die Strömung innerhalb des Sacklochs symmetrisiert wird und damit eine Versorgung sämtlicher Einspritzöffnungen sichergestellt ist, sofern mehrere davon über den Umfang verteilt sind. Dabei beträgt die Tiefe des Absatzes vorzugsweise 5 μηη bis 100 μηη, so dass einerseits die erwünschte zusätzliche Turbulenz innerhalb des Sacklochs erreicht wird und andererseits das Volumen des Sacklochs nicht über Gebühr erhöht wird. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind mehrere Einspritzöffnungen im Düsenkörper ausgebildet, die zwischen dem Absatz und der Übergangskante in das Sackloch münden und die vorteilhafterweise gleichmäßig über den Umfang verteilt sind. Je mehr Einspritzöffnungen vorhanden sind, desto gleichmäßiger kann der Kraftstoff im Brennraum verteilt werden und desto besser ist in der Regel die Verbrennung.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist wenigstens eine weitere Einspritzöffnung vorhanden, die in den konischen Körpersitz mündet. Dadurch können zwei verschiedene Typen von Einspritzöffnungen gleichzeitig mit Kraftstoff versorgt werden, nämlich solche, die vom Sackloch ausgehen und solche, die direkt vom Körpersitz ausgehen und die eine andere Strahlcharakteristik aufweisen, was insbesondere für die Versorgung von komplexen und großen Brennräumen vorteilhaft sein kann.

Zeichnung

In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzdüse gezeigt. Es zeigt

Figur 1 einen Längsschnitt durch eine Kraftstoffeinspritzdüse, wie sie aus dem

Stand der Technik bekannt ist,

Figur 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzdüse,

Figur 3 eine weitere Veranschaulichung der Kraftstoffeinspritzdüse nach Figur 2,

Figur 4 die gleiche Kraftstoffeinspritzdüse wie in Figur 3, wobei der Verlauf der

Kraftstoffströmung innerhalb des Sacklochs verdeutlicht ist, und Figur 5 und

Figur 6 weitere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzdüse mit modifizierten Absätzen innerhalb des Sacklochs. Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist eine Kraftstoffeinspritzdüse nach dem Stand der Technik im Längsschnitt dargestellt, wobei nur die wesentlichen Teile der Kraftstoffeinspritzdüse gezeigt sind. Die Kraftstoffeinspritzdüse weist einen Düsenkörper 1 auf, in dem ein mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbarer Druckraum 2 ausgebildet ist. Der verdichtete Kraftstoff wird dabei beispielsweise in einem sogenannten Common Rail zur Verfügung gestellt, einem Kraftstoff- Hochdruckspeicher, der beispielsweise durch eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe gespeist wird. Im Druckraum 2 ist eine kolbenförmige Düsennadel 4 längsverschiebbar angeordnet, die an ihrem brennraumseiteigen Ende eine Dichtfläche 5 aufweist, die konisch ausgebildet ist und mit der die Düsennadel 4 mit einem ebenfalls konischen Körpersitz 7 zum Öffnen und Schließen eines Strömungsquerschnitts zusammenwirkt. An den konischen Körpersitz 7 schließt sich ein Sackloch 10 an, das einen zylindrischen Abschnitt 12 und einen Sacklochgrund 13 aufweist, wobei der Sacklochgrund 13 im Wesentlichen halbkugelförmig ausgebildet ist. Vom Sackloch 10 geht eine Einspritzöffnung 14 aus, wobei auch mehrere Einspritzöffnungen vorgesehen sein können, durch die der Kraftstoff austreten und in den Brennraum einer Brennkraftmaschine gelangen kann. Bei Anlage der Düsennadel 4 mit der Dicht- fläche 5 auf dem Körpersitz 7 wird der Strömungsquerschnitt zwischen der Düsennadel 4 und dem Körpersitz 7 verschlossen, so dass der im Druckraum 2 anstehende Kraftstoff unter hohem Druck dort verbleibt; das Sackloch 10 ist damit drucklos und entsprechend tritt kein Kraftstoff über die Einspritzöffnungen 14 aus.

Soll eine Einspritzung geschehen, so wird die Düsennadel 4 durch einen geeigneten Mechanismus in Längsrichtung bewegt, so dass sie vom Körpersitz 7 abhebt und einen Strömungsquerschnitt zwischen der Dichtfläche 5 und dem Körpersitz 7 freigibt, so dass Kraftstoff unter hohem Druck aus dem Druckraum 2 in das Sackloch 10 strömt. Von dort strömt der Kraftstoff weiter durch eine oder mehrere Einspritzöffnungen 14 und gelangt so in den Brennraum. Der Kraftstoff wird beim Austritt aus den Einspritzöffnungen 14 zerstäubt, das heißt, der Strahl bricht auf und bildet viele kleine Kraftstofftröpfchen, die sich gut mit dem im Brennraum befindlichen Sauerstoff mischen und so zu einem zündfähigen Ge- misch werden. Zur Beendigung der Einspritzung wird die Düsennadel 4 zurück in ihre Schließstellung in Anlage an den Körpersitz 7 gedrückt, so dass die Zuströ- mung von Kraftstoff in das Sackloch 10 beendet wird.

In Figur 2 in ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzdüse gezeigt, die sich von der in Figur 1 gezeigten Kraftstoffeinspritzdüse durch einen Absatz 16 innerhalb des Sacklochs 10 unterscheidet. In Figur 3 ist die rechte Seite dieser Kraftstoffeinspritzdüse nochmals vergrößerst dargestellt. Das Sackloch 10 weist einen zylindrischen Abschnitt 12 auf, der sich direkt an den Körpersitz 7 anschließt. Der zylindrische Abschnitt 12 wird begrenzt durch einen Absatz 16, der durch eine Durchmesserverringerung um eine Tiefe T hervorgerufen wird, wobei der Absatz 16 in diesem Ausführungsbeispiel konisch ausgebildet ist. Die Tiefe T beträgt 5 bis 100 μηη (0,005 bis 0,1 mm), so dass das Sackloch 10 gegenüber der bekannten Ausführungsvariante, wie in Figur 1 gezeigt, nur ein geringfügig größeres Volumen aufweist. Dies ist deshalb von Vorteil, da ein großes Sacklochvolumen zu einem unbeabsichtigten Austritt von Kraftstoff über die Einspritzöffnungen 14 auch während der Einspritzpausen führen kann, der dann ohne Druck und damit mit unzureichender Zerstäubung in den Brennraum austritt und dort zu erhöhten Kohlenwasserstoff- Emissionen führen kann. Die Einspritzöffnungen 14 münden stets in den zylindrischen Abschnitt 12 des Sacklochs 10, also zwischen dem Absatz 16 und der Einlaufkante 11. Damit ist eine gleichmäßige Verteilung des Kraftstoffs auf alle Einspritzöffnungen 14 gewährleistet, da alle Einspritzöffnungen 14 die gleiche Einlaufcharakteristik aufweisen.

Die Wirkung des Absatzes 16 ist in Figur 4 verdeutlicht, wo nochmals dieselbe Kraftstoffeinspritzdüse wie in Figur 3 dargestellt ist. Der Kraftstoff strömt bei Öffnungsstellung der Düsennadel 4 zwischen der Dichtfläche 5 und dem Körpersitz 7 hindurch in das Sackloch 10. Da die Düsennadel 4 zu einem späten Zeitpunkt der Öffnungshubbewegung relativ weit vom Körpersitz 7 entfernt ist, strömt der Kraftstoff ohne große Verwirbelungen in das Sackloch 10, folgt dabei der Dichtfläche 5 und gelangt so ohne größere Verwirbelungen in den Sacklochgrund 13. Von dort strömt der Kraftstoff seitlich wieder zurück und überströmt dabei den Absatz 16. Dieses Überströmen des Absatzes 16 führt zu einer Verwirbelung des Kraftstoffs vor dem Eintritt desselben in das Spritzloch 14, was sich durch das Spritzloch 14 fortsetzt und schließlich beim Austritt des Kraftstoffs aus dem Spritzloch 14 zu einer besseren Zerstäubung führt.

In Figur 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzdüse gezeigt. Diese unterscheidet sich von der in Figur 3 bzw. Figur 4 gezeigten Kraftstoffeinspritzdüse durch einen verrundeten Übergang zwischen dem zylindrischen Abschnitt des Sacklochs 12 und dem Absatz 16 bzw. vom Absatz 16 zum Sacklochgrund 13. Durch die Verrundung lassen sich Kerbspannungen minimieren, wie sie bei einem scharfkantigen Verlauf auftreten würden, allerdings ist die Wirkung in Bezug auf die eingebrachten Turbulenzen geringer. Bei dem in Figur 6 gezeigten Ausführungsbeispiel ist hingegen der Absatz 16 als Ringscheibe ausgebildet, das heißt, er weist einen rechtwinkligen Übergang zwischen dem zylindrischen Abschnitt 12 des Sacklochs 10 und dem Absatz 16 auf. Dadurch wird einerseits die Einbringung von Turbulenzen begünstigt, andererseits treten am scharfkantigen Übergang Kerbspannungen auf, die die Festigkeit des Düsenkörper beeinträchtigen können, insbesondere bei sehr hohen Einspritzdrücken.

In Figur 2 ist zusätzlich zu den Einspritzöffnungen 14 von denen auch mehrere über den Umfang des Düsenkörpers 1 verteilt angeordnet sein können, eine weitere Einspritzöffnung 15 ausgebildet, die direkt vom Körpersitz 7 ausgeht. Solche Einspritzöffnungen 15 sind ein Kennzeichen sogenannter Sitzlochdüsen und weisen gegenüber den Einspritzöffnungen 14, die vom Sackloch 10 ausgehen, eine andere Strahlcharakteristik auf. Insbesondere bei Brennräumen, die groß sind, lässt sich so der Kraftstoff effektiv im gesamten Brennraumvolumen verteilen.