Düsenbaugruppe für ein Einspritzventil und Einspritzventil

Die Erfindung betrifft eine Düsenbaugruppe für Einspritzventil und ein Einspritzventil.

Immer strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich der zulässigen Schadstoffemission von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind, machen es erforderlich, diverse Maßnahmen vorzunehmen, durch welche die Schadstoffemissionen gesenkt werden. Ein Ansatzpunkt hierbei ist, die von der Brennkraftmaschine erzeugten Schadstoffemissionen zu senken. Die Bildung von Ruß ist stark abhängig von der Aufbereitung des Luft/Kraftstoff-Gemisches in dem jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine .

Derzeit sind Einspritzventile mit mehreren Einspritzlöchern am meisten am Markt verbreitet bei Benzin-Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung. Allerdings haben einige dieser Ein- spritzventile die Eigenschaft, dass sie eine zu große Durch ^¬ dringung des Einspritzstrahls aufweisen und einen zu geringen Öffnungswinkel des Strahlkegels. Dies führt teilweise zu Kraftstoffbenetzung am Kolben oder der Zylinderwand und führt daher zur Ablösung von Öl und zu hohen HC- und Partikelemissionen. Diese Gründe erschweren den Einsatz derartiger Einspritzventile in Brennkraftmaschinen mit zur Erzeugung einer Schichtladung in dem Zylinder. Darüber hinaus ist eine zu starke Durchdringung des Strahls und ein geringer Öffnungswinkel des Strahlkegels auch nachteilig für die Gemischaufbereitung bei homogen betriebenen Brennkraftmaschinen . Eine mögliche Maßnahme, um bessere Zerstäubung zu erreichen, ist den Kraftstoffdruck zu erhöhen, mit dem das Einspritzventil beaufschlagt ist. Nichtsdestotrotz bedeutet dies jedoch höhere Anforderungen an die Konstruktion des Einspritzventils. Es bedeutet auch, dass für das gesamte KraftstoffSystem der Druck erhöht werden muss und so die Herstellungskosten für das gesamte KraftstoffSystem erhöht sind.

Aus "On the role of the liquid flow characteristics on low-Weber-number atomization processes", Christoph Dumouchel, Jean Cousin and Kaelig Triballier, Experiments in Fluids, 2005, Vol. 38, No . 5, pages 637 to 647, ist es bekannt, dass die beste Zerstäubungswirksamkeit einerseits durch eine hochturbulente Strömung erreicht werden kann, aber, dass die Turbulenz nicht ausschließlich die Zerstäubungswirksamkeit beeinflusst.

Vielmehr trägt eine nicht-axiale Strömungskomponente am Dü ^¬ senausgang einer Einspritzdüse zu einem sehr hohen Grad zu einer günstigen Zerstäubung bei.

Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, eine Düsenbaugruppe und ein Einspritzventil zu schaffen, die einen zuverlässigen und präzisen Betrieb ermöglichen.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Gemäß einem ersten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Düsenbaugruppe für ein Einspritzventil mit einem Düsen ^¬ körper mit einer Zentralachse, in dem eine Düsenkörperausnehmung und mindestens eine Einspritzöffnung angeordnet sind. Die Düsenkörperausnehmung ist mit einem Hochdruckkreis eines Fluids koppelbar. Ferner ist eine Düsennadel mit einer Nadelkuppe in der Düsenkörperausnehmung axial beweglich angeordnet. An einer Wand der Düsenkörperausnehmung ist ein Dichtsitz und auf der Nadelkuppe ein Sitzbereich ausgebildet. Der Sitzbereich wirkt mit dem Dichtsitz derart zusammen, dass die Düsennadel in der Schließposition den Fluidfluss durch die mindestens eine Einspritzöffnung verhindert und außerhalb der Schließposition den Fluidfluss durch die mindestens eine Einspritzöffnung freigibt. Stromabwärts des Sitzbereichs weist die Nadelgruppe in ihrer Kontur eine Strömungsablösungsgeometrie auf. Stromabwärts bezieht sich in diesem Fall auf eine Hauptströmungsrichtung des Fluids, das außerhalb der Schließposition an der Nadelkuppe vorbeiströmt. Außerhalb der Schließposition, insbesondere zumindest in einer vorgegebenen Offenposition, ist die Strömungsablösungsgeometrie stromaufwärts der zumindest einen Einspritzöffnung angeordnet.

Auf diese Weise wird die Erkenntnis genutzt, dass der Hauptgrund für eine starke Durchdringung und eine schlechte Zerstäubung unter einem vorgegebenen Einspritzdruck ist, dass das Einspritzventil nicht stark genüge Wirbel im Bereich der Ein ^¬ spritzöffnungen in der Strömung des Fluids hervorruft . Aus diesem Grund hat das strömende Fluid ohne das Vorsehen der Strö ^¬ mungsablösungsgeometrie eine zu hohe kinetische Energie in axialer Richtung der jeweiligen Einspritzöffnung und zwar insbesondere beim Ausströmen aus den Einspritzöffnungen. Zusätzlich ist in diesem Fall eine unzureichende nicht axiale Bewegung des Fluids und eine unzureichende Turbulenzintensität am Ausgang der Einspritzöffnung in dem Fluid vorhanden.

Es wird im Hinblick auf die Düsenbaugruppe gemäß einer Aus ^¬ gestaltung der Erfindung die Erkenntnis genutzt, dass

nicht-axiale kinetische Energie in der Strömung in dem strömenden Fluid für die Zerstäubung genauso wichtig ist wie Turbu ^¬ lenz-kinetische Energie.

Durch das Vorsehen der Strömungsablösungsgeometrie erfolgt eine sehr starke Verwirbelung und eine sehr hohe Intensität an Wirbeln, insbesondere am strömungsseitigen Eingang der jeweiligen Einspritzöffnung. Ferner führt bei dem Austreten der Strömung die nicht-axiale kinetische Energie zu einer ver ^¬ besserten Zerstäubung.

In diesem Zusammenhang kann es auch von Vorteil sein, wenn das Verhältnis zwischen Länge zu Durchmesser der Einspritzöffnung gering ist. Die jeweilige Einspritzöffnung kann auch als Einspritzloch bezeichnet werden.

Durch das Vorsehen der Strömungsablösungsgeometrie wird eine gezielte Strömungsablösung und ein Erzeugen von Wirbeln in der gewünschten Region an der Oberfläche der Nadelkuppe besonders günstig beeinflusst. Auf diese Weise kann somit ein stabiles Erzeugen der Wirbel in geometrischer Korrelation zu der

Strömungsablösungsgeometrie gewährleistet werden. Ferner können so auch besonders starke Wirbel erzeugt werden und zwar ins ^¬ besondere jeweils zwei stark gegensinnig rotierende Wirbel.

Ferner hat es sich gezeigt, dass durch Wirbel induzierte Ka ^¬ vitation verstärkt auftritt und insgesamt die Strömung am Ausgang des jeweiligen Einspritzlochs eine erhöhte nicht-axiale ki ^¬ netische Energie aufweist und eine deutlich verbesserte Zer ^¬ stäubung des Kraftstoffs erfolgt.

Durch das Vorsehen der Strömungsablösungsgeometrie wird ferner ein starker Geschwindigkeitsgradient erzeugt, der zu der Er ^¬ zeugung starker Wirbel führt entlang der Flusspfade ausgehend von der durch die Strömungsablösungsgeometrie hervorgerufenen Strömungsablösungszone an der Oberfläche der Nadelkuppe hin zu dem jeweiligen strömungsseitigen Eingang des jeweiligen Ein- spritzlochs .

Ein Sackvolumen, das grundsätzlich stromabwärts der Einspritzlöcher in der Düsenkörperausnehmung vorgesehen ist, ist bevorzugt so klein wie möglich ausgebildet im Hinblick auf die Reduzierung von Emissionen. Es hat sich ferner gezeigt, dass die Wirbel, die hervorgerufen durch die Strömungsablösungsgeometrie in der Strömung erzeugt werden, direkt an den strömungsseitigen Eingang der jeweiligen Einspritzlöcher transportiert werden und die nicht-axiale kinetische Energie der Strömung und auch die Turbulenz-kinetische Energie in der Strömung erhöht sind im Vergleich ohne das Vorsehen der Strömungsablösungsgeometrie und somit eine deutlich verbesserte Zerstäubung des Kraftstoffs gewährleistet ist und ferner auch die Durchdringung des

KraftstoffStrahls verringert ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Strömungsgeometrie eine quasi unstetige Änderung in der Kontur der Nadelkuppe. Auf diese Weise erfolgt eine besonders gute

Strömungsablösung und ein Erzeugung von Wirbeln in der gewünschten Region auf der Oberfläche der Nadelkuppe. Durch die quasi unstetige Änderung in der Kontur der Nadelkuppe wird insbesondere eine starke Änderung der Strömungsrichtung begünstigt, was dann zu dem Erzeugen der Wirbel führt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Strömungsablösungsgeometrie eine nutförmige radial, zumindest teilweise umlaufende Ausnehmung der Nadelgruppe. Auf diese Weise kann insbesondere die Strömungsablösungsgeometrie besonders einfach hergestellt werden und gleichzeitig ein günstiges Strömungsablösungsverhalten erzeugt werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Strömungsablösungsgeometrie einen ringförmig erhabenen, radial zumindest teilweise umlaufenden Bereich der Nadelkuppe. Auch auf diese Weise kann eine besonders günstige Ablösung der Strömung und ein besonders starkes Verwirbeln der Strömung hervorgerufen werden .

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Strömungsablösungsgeometrie ausgebildet durch einen Übergang von einem sphärischen Abschnitt hin zu einem konischen Abschnitt der Nadelkuppe. Dies kann beispielsweise besonders einfach herstellbar sein und auch einen guten Beitrag leisten zu einem definierten Ablösen der Strömung und einem Erzeugen starker Wirbel .

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die umfasst die Strömungsablösungsgeometrie einen Bereich erhöhter Rauhigkeit auf. Auf diese Weise kann besonders günstiger Beitrag zum Erzeugen starker Wirbel geleistet werden.

Gemäß einem zweiten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Einspritzventil mit einer Düsenbaugruppe gemäß dem ersten Aspekt und einem Aktuator, der zum Einwirken auf die Düsenbaugruppe ausgebildet ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Einspritzventil im Längsschnitt umfassend eine

Düsenbaugruppe, Figur 2 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts II gemäß einer ersten Ausgestaltung,

Figur 3 eine weitere vergrößerte Darstellung des Ausschnitts

II gemäß einer zweiten Ausgestaltung,

Figur 4 eine weitere vergrößerte Darstellung des Ausschnitts

II gemäß einer dritten Ausgestaltung,

Figuren 5A bis 5C zeitliche Verläufe von kinetischer Energie des strömenden Fluids am Ausgang der jeweiligen Einspritzöffnung bei einem Einspritzventil ohne Strö ^¬ mungsabiösungsgeometrie,

Figuren 6A bis 6C entsprechende Verläufe der Energie bei dem

Einspritzventil mit Strömungsablösungsgeometrie und

Figur 7 einen schematischen Verlauf der Strömung.

Elemente gleicher Konstruktion und/oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Figur 1 zeigt ein Einspritzventil mit einer Düsenbaugruppe 10 und einen Aktuator 11. Der Aktuator 11 wirkt funktional mit der Düsenbaugruppe 10 zusammen.

Die Düsenbaugruppe 10 hat einen Düsenkörper 12, der Aktuator 11 weist einen In ektorkörper 13 auf. Der Düsenkörper 12 ist mittels einer Düsenspannmutter 30 mit dem Injektorkörper 13 fest gekoppelt. Der Düsenkörper 12 und der Injektorkörper 13 bilden ein gemeinsames Gehäuse des Einspritzventils. Der Düsenkörper 12 hat eine Düsenkörperausnehmung 14 mit einer Zentralachse Z und einer Wand 16. In der Düsenkörperausnehmung 14 ist eine Düsennadel 18 angeordnet, die zusammen mit dem Düsenkörper 12 die Düsenbaugruppe 10 bildet. Die Düsennadel 18 hat an einem Ende eine Nadelkuppe 20. Die Düsennadel 18 ist in einem Bereich der Düsenkörperausnehmung 14 geführt und mittels einer Düsenfeder 22 vorgespannt.

In dem Düsenkörper 12 sind vorzugsweise nahe der Nadelkuppe 20 Einspritzöffnungen 24 angeordnet. In einem die Einspritzöff ^¬ nungen 24 umgebenden Bereich kann der Düsenkörper 12 aus einem gesinterten Metall bestehen. In dem Düsenkörper 12 sind vorzugsweise mehrere Einspritzöffnungen 24 ausgebildet, die einen Einspritzlochkreis formen können.

Der In ektorkörper 13 hat eine Ausnehmung, in der ein Stellantrieb 40 angeordnet ist. Der Stellantrieb 40 ist als Hub ^¬ stellantrieb ausgebildet. Der Stellantrieb 40 wirkt auf die Düsennadel 18 ein, so dass diese eine Bewegung in Richtung der Zentralachse Z ausführen kann.

Die Düsenfeder 22 übt auf die Düsennadel 18 eine in Schließ ^¬ richtung wirkende Kraft aus, so dass sie einen Fluidfluss durch die in dem Düsenkörper 12 angeordneten mehreren Einspritzöffnungen 24 verhindert, wenn keine weiteren Kräfte auf die Düsennadel 18 einwirken. Bei Betätigung des Stellantriebs 38 wird die Düsennadel 18 in axialer Richtung von ihrer Schließposition in ihre Offenposition bewegt, in der sie den Fluidfluss durch die Einspritzöffnungen 24 freigibt.

Figur 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts II der Figur 1 im Bereich der Nadelkuppe 20 und des Düsenkörpers 12. An der Wand 16 der Düsenkörperausnehmung 14 hat der Düsenkörper 12 einen Dichtsitz 50. Die Düsennadel 18 hat im Bereich der Nadelkuppe 20 einen Sitzbereich 52, der mit dem Dichtsitz 50 des Düsenkörpers 12 so zusammenwirkt, dass die Düsennadel 18 in einer Schließposition einen Fluidfluss durch die mindestens eine Einspritzöffnung 24 verhindert und in einer Offenposition einen Fluidfluss durch die mindestens eine Einspritzöffnung 24 freigibt. Das Fluid kann aus dem Zwischenraum zwischen der Nadelkuppe 20 und dem Düsenkörper 12 zu den Einspritzöffnungen 24 gelangen.

Stromabwärts des Sitzbereichs 52 ist auf der Nadelkuppe 20 eine Strömungsablösungsgeometrie ausgebildet. Gemäß der Ausge ^¬ staltung der Figur 2 umfasst die Strömungsablösungsgeometrie eine radial zumindest teilweise umlaufende Ausnehmung 54, die vorzugsweise nutförmig ausgebildet ist.

Gemäß der Ausgestaltung der Figur 3 umfasst die Strömungsab ^¬ lösungsgeometrie einen Übergang 56 von einem sphärischen Abschnitt 58 der Nadelkuppe hin zu einem konischen Abschnitt 60 der Nadelkuppe 20.

Gemäß der Ausgestaltung gemäß Figur 4 umfasst die Strömungs ^¬ ablösungsgeometrie als quasi unstetige Änderung in der Kontur der Nadelkuppe 20 einen quasi Abflachungsbereich im Bereich der Nadelkuppe anschließend an einem sphärisch ausgestalteten Abschnitt dieser.

Die Strömungsablösungsgeometrie kann auch alternativ oder zusätzlich einen ringförmig erhabenen, radial zumindest teilweise umlaufenden Bereich der Nadelkuppe 20 umfassen. Die Figuren 5A bis C zeigen Verläufe kinetischer Energien in der Strömung im Bereich des Austritts der Strömung aus der jeweiligen Einspritzöffnung 24 für ein Einspritzventil auf, das keine Strömungsablösungsgeometrie an der Nadelkuppe aufweist, während die Figuren 6A bis 6C entsprechende Verläufe für das Ein ^¬ spritzventil mit der Strömungsablösungsgeometrie an der Na ^¬ delgruppe aufzeigen.

Die Figuren 5A bis 5C und 6A bis 6C zeigen jeweils gemittelte Verläufe der jeweiligen Energien auf, wobei AveY für die je ^¬ weilige Energie steht. In den Figuren 5A und 6A sind die je ^¬ weiligen Verläufe der nicht-axialen kinetische Energie dargestellt, wobei sich axial in diesem Zusammenhang insbesondere auf die jeweilige Mittelachse der jeweiligen Einspritzöffnung 24 bezieht .

In den Figuren 5B und 6B sind die jeweiligen zeitlichen Verläufe der jeweiligen axialen Energie des strömenden Fluids dargestellt und in den Figuren 5C und 6C die jeweiligen Verläufe der Turbulenz-kinetischen Energie.

Aus den Figuren ist klar ersichtlich, dass durch das entsprechende Vorsehen der Strömungsablösungsgeometrie die nichtaxiale kinetische Energie signifikant erhöht wird und andererseits die axiale Energie verringert wird. Darüber hinaus sind auch die zeitlichen Schwankungen verändert.

In Figur 7 ist ein Verlauf der Strömung bei der Ausführungsform gemäß der Figur 2 dargestellt.