Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, insbesondere als Bestandteil eines Common-Rail-Einspritzsystems bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Kraftstoffeinspritzventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der EP 1 599 670 B1 der Anmelderin bekannt. Das bekannte Kraftstoffeinspritzventil weist im Bereich seiner Sacklochbohrung drei, in Richtung des Sacklochgrunds der Sacklochbohrung aneinander anschließende, jeweils eine andere Kontur aufweisende Abschnitte auf. Diese Abschnitte umfassen einen ersten Abschnitt, der zwischen dem Düsennadelsitz an einer Dichtlinie zwischen der Düsennadel und der Sacklochbohrung und dem zweiten Abschnitt ausgebildet ist, den zweiten Abschnitt, der zwischen dem ersten und dritten Abschnitt ausgebildet ist, und den dritten Abschnitt, der zwischen dem zweiten Abschnitt und wenigstens einer Einspritzöffnung ausgebildet ist. Angaben hinsichtlich der konkreten geometrischen Ausgestaltung bzw. des Verhältnisses der Länge zwischen den einzelnen Abschnitten sind der genannten Schrift jedoch nicht entnehmbar.

Aufgrund der immer strenger werdenden gesetzlichen Vorschriften hinsichtlich zulässiger Emissionswerte (Ruß, NOx, HC) in Kombination mit steigenden Anforderungen hinsichtlich maximaler Motorleistung ist es erforderlich, die hydraulischen und mechanischen Potenziale eines Kraftstoffeinspritzventils konsequent auszunutzen. Die Gestaltung der Sacklochbohrung vom

Düsennadelsitz bis zu der wenigstens einen Einspritzöffnung ist daher im Sinne einer Optimierung hinsichtlich der Bereiche Strömungsverluste, mechanischer Festigkeit und HC-schädliches Volumen zu betrachten. Offenbarung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kraftstoffeinspritzventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass dieses hinsichtlich seiner

Strömungsverluste, der mechanischen Festigkeit und des HC-schädlichen Volumens ein Optimum darstellt. Unter einem Optimum im Sinne der Erfindung wird dabei ein ausbalanciertes Verhältnis der drei genannten Kriterien

verstanden, bei denen diese allesamt in einem zufriedenstellenden Maße erfüllt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass das Verhältnis der entlang der Wand der Sacklochbohrung verlaufenden Länge zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt größer 1 ,0, vorzugsweise größer 1 ,5 ist, und dass das Verhältnis der entlang der Wand der Sacklochbohrung verlaufenden Länge zwischen dem zweiten und dem dritten Abschnitt größer 1 ,0 vorzugsweise größer 1 ,2 ist. Eine derartige konkrete Ausgestaltung der Längen der einzelnen Abschnitte der

Sacklochbohrung schafft eine optimale Balance zwischen den Anforderungen an die mechanische Festigkeit, die Minimierung der hydraulischen Verluste und die Minimierung des HC-schädlichen Totvolumens, welches zwischen der

Düsennadel und dem Düsenkörper angeschlossen wird. Insbesondere bewirkt das beanspruchte Verhältnis der Längen zwischen den einzelnen Abschnitten der Sacklochbohrung auch eine Strömungsoptimierung. Diese ist insbesondere ab dem Bereich des Düsensitzes besonders verlustarm, wenn die Länge des zweiten Abschnitts größer ist als die Länge des dritten Abschnitt, da die

Zuströmung zu der wenigstens einen Einspritzöffnung dadurch größtenteils im erweiterten Übergangsbereich (zweiter Abschnitt) liegt. Zusätzlich sollte die

Länge des Übergangsbereichs (zweiter Abschnitt) kürzer sein als die Länge des Sitzbereichs (erster Abschnitt), da der Übergangsbereich ansonsten eine verhältnismäßig hohe Drosselwirkung aufweist. Überdies führt dies auch zu einer günstigeren Situation bezüglich der durch die Strömung bedingten Reinigung von Belägen im Spritzloch (Einspritzöffnung), da durch die kürzere Umlenkstrecke der Strömung mehr Turbulenzen aus dem Sitzbereich in das Spritzloch getragen werden und dort für die Reinigung/Abtrag von Belägen wirksam sind. Weiterhin bewirkt das im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegebene Längenverhältnis der Abschnitte die Erfüllung der Kriterien hinsichtlich der optimierten Festigkeit und des HC-minimierten Schadvolumens.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils für Brennkraftmaschinen sind in den Unteransprüchen angeführt.

Eine Minimierung der hydraulischen Verluste beim Strömen des Kraftstoffs vom Düsensitz zu der wenigstens einen Einspritzöffnung wird erzielt, wenn die Umlenkungen zwischen den einzelnen Abschnitten in der Sacklochbohrung nur mit relativ kleinen Winkeländerungen bzw. kleinen Querschnittsänderungen erfolgen. Daher ist es bevorzugt vorgesehen, dass das Durchmesserverhältnis des Durchmessers des ersten Abschnitts zum Durchmesser des zweiten Abschnitts, jeweils bezogen auf den jeweils geringsten Durchmesser im jeweiligen Abschnitt, zwischen 1 ,0 und 1 ,5, vorzugsweise zwischen 1 ,25 und 1 ,35 beträgt. Alternativ bzw. zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass sich der Winkel zwischen den jeweiligen Abschnitten, bezogen auf die Längsachse der Sacklochbohrung, um jeweils weniger als 20° ändert.

Zur Optimierung bzw. Minimierung des HC-schädlichen Totvolumens zwischen der Düsennadel und der Sacklochbohrung ist es darüber hinaus bevorzugt vorgesehen, dass sich das Düsennadelende der Düsennadel bei auf dem Düsennadelsitz aufsitzender Düsennadel, bezogen auf eine Längsachse des Kraftstoffeinspritzventils, in Höhe der wenigstens einen Einspritzöffnung befindet.

Eine Minimierung der Drosselverluste durch die Einspritzöffnungen wird erzielt, wenn die Länge der Einspritzöffnung weniger als 0,8mm beträgt. Der dritte Abschnitt der Sacklochbohrung, in der die wenigstens eine

Einspritzöffnung angeordnet ist, kann grundsätzlich unterschiedliche Formen aufweisen. Insbesondere aus Gründen der einfachen Herstellbarkeit bzw. der Maximierung der Festigkeit ist es jedoch vorgesehen, dass der dritte Abschnitt der Sacklochbohrung entweder zylindrisch oder aber konisch ausgebildet ist. Sowohl aus strömungstechnischer Sicht als auch mit Blick auf das schädliche HC-Volumen optimale Gestaltung der Düsennadelspitze ergibt sich, wenn das Düsennadelende in dem Bereich zwischen dem Düsennadelsitz und der Düsennadelspitze als Kegelstumpf oder als Kegelspitze, mit einem Kegelwinkel zwischen 60° und 100°, vorzugsweise zwischen 60° und 70° ausgebildet ist.

Eine weitere Optimierung der Drosselverluste wird erzielt, wenn die Länge des ersten Abschnitts weniger als 0,8mm, vorzugsweise weniger als 0,7mm beträgt.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.

Diese zeigt in der einzigen Figur den einem Brennraum einer nicht gezeigten Brennkraftmaschine zugewandten Endbereich eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils in einem Längsschnitt.

Das in der Figur abschnittsweise dargestellte Kraftstoffeinspritzventil 10, das auch als Kraftstoffinjektor oder Einspritzdüse bezeichnet wird, dient

vorzugsweise dem Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer nicht gezeigten Brennkraftmaschine, insbesondere einer selbstzündenden

Brennkraftmaschine. Dabei ist das Kraftstoffeinspritzventil 10 vorzugsweise Bestandteil eines sogenannten Common-Rail-Einspritzsystems mit einem Systemdruck von mehr als 2000bar.

Das Kraftstoffeinspritzventil 10 weist in dem gezeigten Bereich einen

Düsenkörper 1 1 auf, in dem eine Sacklochbohrung 12 ausgebildet ist auf. Nahe des Grunds der Sacklochbohrung 12 ist wenigstens eine, vorzugsweise jedoch mehrere Einspritzöffnungen 13 ausgebildet, über die der aus einem

Hochdruckraum des Düsenkörpers 1 1 stammende Kraftstoff, in dem dieser unter Systemdruck steht, in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel verläuft die Längsachse 14 der Einspritzöffnung 13, welche beispielsweise eine Länge a von weniger als 0,8mm aufweist, unter einem schrägen Winkel α von weniger als 90° zur Längsachse 15 der Sacklochbohrung 12 bzw. des Kraftstoffeinspritzventils 10. Die Sacklochbohrung 12 weist in dem erfindungsrelevanten Bereich drei Abschnitte 21 bis 23 auf, welche sich unmittelbar aneinander anschließen. Der erste Abschnitt 21 weist eine Länge L1 auf, der zweite Abschnitt 22 eine Länge L2 und der dritte Abschnitt 23 L3. Als jeweilige Länge L1 bis L3 wird dabei die Länge des entsprechenden Abschnitts 21 bis 23 entlang der Wand der

Sacklochbohrung 12 verstanden.

Im Bereich des ersten Abschnitts 21 ist ein Düsennadelsitz 25 ausgebildet, der beim Aufsetzen einer Düsennadel 30 den Zufluss von Kraftstoff in Richtung der wenigstens einen Einspritzöffnung 13 verhindert. Der erste Abschnitt 21 beginnt auf der dem zweiten Abschnitt 22 abgewandten Seite im Bereich einer radial umlaufenden Dichtlinie 24, die den Ort charakterisiert, an dem die Düsennadel 30 zur Ausbildung eines Dichtsitzes auf dem ersten Abschnitt 21 aufsitzt. Der erste Abschnitt 21 ist vorzugsweise konisch ausgebildet. Im Übergangsbereich zwischen dem ersten Abschnitt 21 und dem zweiten Abschnitt 22 weist der erste

Abschnitt 21 einen Durchmesser D1 auf.

Der sich in Richtung der wenigstens einen Einspritzöffnung 13 an den ersten Abschnitt 21 anschließende, eine gegenüber der Kontur des ersten Abschnitts 21 abweichende Kontur aufweisende zweite Abschnitt 22 ist beispielhaft ebenfalls konisch ausgebildet und weist im Übergangsbereich zum dritten Abschnitt 23 einen Durchmesser D2 auf. Der dritte Abschnitt 23 reicht vom Übergangsbereich zwischen den beiden Abschnitten 22, 23 bis in Höhe der wenigstens einen Einspritzöffnung 13. Der dritte Abschnitt 23 ist, vorzugsweise zusammen mit dem Bereich der wenigstens einen Einspritzöffnung 13, zylindrisch oder konisch ausgebildet.

Die mit der Sacklochbohrung 12 zusammenwirkende Düsennadel 30 ist mittels eines nicht dargestellten Aktuators in Richtung der Längsachse 15 hubbeweglich angeordnet. Die Düsennadel 30 weist eine Düsennadelspitze 31 auf, die in dem

Bereich zwischen dem Düsennadelsitz 25 und ihrem Düsennadelende 32 als Kegelstumpf (alternativ Kegelspitze) mit einem Kegelwinkel ß zwischen 60° und 100°, vorzugsweise zwischen 60° und 70° ausgebildet ist. Insbesondere erkennt man anhand der Darstellung der Figur bei auf dem Düsennadelsitz 25 aufsitzender Düsennadel 30, dass das Düsennadelende 32, bezogen auf die

Längsachse 15 des Kraftstoffeinspritzventils 10, in Höhe der wenigstens einen Einspritzöffnung 13 angeordnet ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel fluchtet das Düsennadelende 32 in etwa mit dem Übergangsbereich vom dritten

Abschnitt 23 in die wenigstens eine Einspritzöffnung 13.

Eine hinsichtlich der Festigkeit des Düsenkörpers 1 1 , des schädlichen HC- Volumens zwischen der Sacklochbohrung 12 und der Düsennadel 30 sowie einer Strömungsoptimierung stattgefundene Optimierung hinsichtlich der Längen L1 bis L3 der drei Abschnitte 21 bis 23 hat beispielhaft bevorzugte geometrische Abmessungen für folgende Kombinationen der Längen L1 bis L3 ergeben: a) L1 =1 ,0mm > L2= =0,3mm > L3 ^: =0,13mm

b) L1 =0,7mm > L2= =0,3mm > L3= =0,13mm

c) L1 =0,6mm > L2= =0,3mm > L3 ^: =0,13mm

d) L1 =1 ,0mm > L2= =0,3mm > L3 ^: =0,20mm

e) L1 =1 ,0mm > L2= =0,3mm > L3 ^: =0,10mm

Diese Ausführungsbeispiele führen auf Längenverhältnisse L1/L2 von 2,0 bis 3,3 und Längenverhältnisse L2/L3 von 1 ,5 bis 3,0. Bei den oben genannten Ausführungsformen wurde ein dritter Abschnitt 23 verwendet, der zylindrisch ausgebildet ist.

Bei einer Ausführungsform, bei dem der dritte Abschnitt 23 konisch, mit einem Konuswinkel von 20° ausgebildet ist, haben nachfolgende Längenverhältnisse L1/L2/L3 zu einer Optimierung der angesprochenen Parameter geführt: a) L1 =1 ,0mm > L2= ^: 0,3mm > L3= =0,13mm

b) L1 =0,7mm > L2= =0,3mm > L3 ^: =0,13mm

c) L1 =0,5mm > L2= ^: 0,3mm > L3= =0,13mm

d) L1 =1 ,0mm > L2= ^: 0,3mm > L3= =0,25mm

e) L1 =0,7mm > L2= ^: 0,2mm > L3= =0,10mm

Die aufgeführten Längen L1 bis L3 der drei Abschnitte 21 bis 23 führen zu Längenverhältnissen L1/L2 von 1 ,5 bis 3,5 und von L2/L3 von 1 ,2 bis 2,0. Das soweit beschriebene Kraftstoffeinspritzventil 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.