DE3605082A1 - Kraftstoff-einspritzduese fuer brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Kraftstoff-Einspritzdüse nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei bekannten Ein­ spritzdüsen dieser Gattung ist die Nadelspitze über ihre ganze Länge hinweg als ein gleichmäßig sich verjüngender Konus ausgebildet. Bei dieser Ausbildung lassen sich in Teilbereichen des Betriebskennfeldes Ablösungen der Strö­ mung und die Bildung von sogenannten Totwassergebieten im Sackloch und den angrenzenden Abschnitten der Spritzbohrungen nicht ganz vermeiden, wodurch in diesen Teilbereichen des Betriebskennfeldes merkliche Unterschiede im Kraftstoffver­ brauch und hinsichtlich Schwarzrauchbildung auftreten. Bei Einspritzdüsen der eingangs genannten Gattung ist es ferner bekannt, die Nadelspitze über ihre gesamte Länge hinweg mit einer konvexen oder einer konkaven Mantelfläche zu ver­ sehen (DE-A 30 14 958). Diese im Zusammenhang mit einer anderen Aufgabe getroffenen Maßnahmen bringen jedoch für sich allein gesehen noch keine Verminderung der vor­ stehend genannten Nachteile, zumal sie das tote Sackloch­ volumen nicht verkleinern, sondern vergrößern. Bei Sack­ lochdüsen mit vom Ventilsitz ausgehenden Spritzbohrungen (DE-A 27 10 217) ist es bekannt, das Sackloch über eine Längsbohrung und eine Querbohrung in der Ventilnadel zu entlasten und die Ventilnadel zum Zweck einer verbesserten Abdichtung der Spritzbohrungen mit einer Ringnut in der Dichtfläche zu versehen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Anordnung mit den kennzeichnenden Merk­ malen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Neigung zu Ablösungen der Strömung im Bereich des Ven­ tildurchganges und im Sackloch bzw. an der Ventilnadel­ spitze, sowie eine Bildung von sogenannten Totwassergebieten verringert und dadurch die Strömung bzw. die Strahlausbildung verbessert wird.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen läßt sich die Anordnung nach dem Hauptanspruch vorteilhaft wei­ terbilden.

Mit den konstruktiven Merkmalen nach den Ansprüchen 2 bis 7 läßt sich die Form der Nadelspitze den Erfordernissen des jeweiligen Anwendungsfalles optimal anpassen. Das Ende der Nadelspitze selbst kann unterschiedlich, z.B. abgeplattet oder mehr oder weniger stark abgerundet ausgeführt sein.

Besonders vorteilhaft ist, wenn zusätzlich zu den im Haupt­ anspruch enthaltenen Merkmalen gemäß Anspruch 8 der zwischen dem Ventilsitz des Düsenkörpers und dem Sackloch gebildete Übergang gut ausgerundet bzw. angefast ist. Dadurch wird auch in diesem Bereich ein Ablösen der Strömung besonders wirkungsvoll vermieden. Zusätzlich dazu können Maßnahmen zur Verringerung des Sacklochvolumens und dadurch zur Ver­ minderung der HC-Emission vorgesehen sein. Zu diesem Zweck kann die Sacklochgeometrie gemäß Anspruch 9 annähernd der Form der Nadelspitze angepaßt sein.

Zur Verringerung des Sacklochvolumens und weiteren Verbesserung der Strömung ist ferner gemäß Anspruch 10 vorgesehen, den Bo­ den des Sacklochs mit strömungsleitenden Wandabschnitten zu versehen. Zur Bildung dieser Wandabschnitte kann der Sack­ lochboden eine kegel- oder halbkugelförmige Kontur haben, die eine Teilung der Strömung und eine Führung bzw. Umlenkung in Richtung der Spritzbohrungen bewirkt. Die Kontur des Kegels kann von einer Geraden oder einer Kurve begrenzt sein.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausbildung der Einspritzdüse gemäß den Ansprüchen 11 und/oder 12. Eine Ringnut bzw. -rille in der Dichtfläche der Ventilnadel unterstützt die Bildung einer turbulenten Grenzschicht der Strömung, die beim Um­ strömen einer Kante oder einer zurückweichenden Kontur länger anliegt als eine laminare Strömung. Die Maßnahme nach Anspruch 11 führt demzufolge bei Einspritzdüsen der vorliegenden Gattung zu einem verbesserten Strömungsver­ halten und zur Vermeidung von sogenannten Totwasserge­ bieten im Ventilspalt und im Sackloch. Die Maßnahme ge­ mäß Anspruch 12 basiert auf dem Prinzip der Absaugung von energiearmen wandnahen Grenzschichten. Im vorliegenden Fall wird auch durch diese Maßnahme ein Ablösen der Strömung von der Oberfläche der Ventilnadelspitze erschwert. Die energiearme Grenzschicht soll durch die Bohrungen in der Ventilnadel unmittelbar hinter dem Ventilkonus abgesaugt werden. Die hierfür erforderliche Saugwirkung wird ähnlich wie bei einer Strahlpumpe durch die erhöhte Strömungsge­ schwindigkeit in den Bohrungen hervorgerufen.

Die Maßnahmen nach den Ansprüchen 11 und 12 können besonders vorteilhaft und wirkungsvoll mit den Maßnahmen des Anspruchs 1 kombiniert werden.

Zeichnung

Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er­ läutert. Es zeigen Fig. 1 das erste Ausführungsbeispiel in einem vergrößerten Teil-Längsschnitt, die Fig. 1a und 1b je eine Variante des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 anhand von Konturenlinien der Nadelspitze, und die Fig. 2 und 3 das zweite und dritte Ausführungsbeispiel in einer der Fig. 1 entsprechenden Darstellung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die Einspritzdüse nach Fig. 1 hat einen Düsenkörper 10, der mit einer zentralen Bohrung 12 versehen ist, in die eine nicht dargestellte Kraftstoff-Zuleitung einmündet. Die Bohrung 12 geht brennraumseitig über einen konischen Ventilsitz 14 in ein Sackloch 16 über, aus welchem mindestens zwei Spritzbohrungen 18, 19 nach außen führen. In der Bohrung 12 ist eine Ventilnadel 20 verschiebbar gelagert, die stromauf des Ventilsitzes 14 einen Ringraum 21 begrenzt, über welchen der Kraftstoff an den Ven­ tilsitz 14 gelangt. Die Ventilnadel 20 hat einen an einer Ringkante 22 beginnenden konischen Abschnitt 23, der an einer Ringkante 24 in einen Ventilkonus 26 übergeht. Dieser hat einen etwas größeren Kegelwinkel als der Abschnitt 23 und ar­ beitet mit dem Ventilsitz 14 des Düsenkörpers 10 als dessen Schließglied zusammen.

An den Ventilkonus 26 schließt sich an einer Ring­ kante 28 eine Nadelspitze 30 an, die voll in das Sackloch 16 taucht, wenn sich die Ventilnadel 20 in Schließstellung be­ findet. Der Ringraum 22 ist nach oben von einer nicht darge­ stellten Druckschulter der Ventilnadel 20 begrenzt, an welcher der Kraftstoff eine in Öffnungsrichtung wirkende Kraft auf die Ventilnadel 20 ausübt. Auf diese wirkt ferner eine Schließ­ feder ein, die in einem Düsenhalter untergebracht ist, gegen den der Düsenkörper 10 wie üblich durch eine Düsenmutter ge­ spannt ist.

Die Ventilnadel 20 ist erfindungsgemäß im Bereich ihres Ven­ tilkonus 26 mit einer Ringnut 32 versehen, welche die am Ventilkonus 26 gebildete Dichtfläche 34 örtlich unterbricht. Das Querschnittsprofil der Ringnut 32 kann wie beim Ausführungs­ beispiel durch gerade Linien oder auch durch eine gewölbte Grundlinie begrenzt sein. Die Nadelspitze 30 hat einen an die Ringkante 28 unmittelbar anschließenden konvexen Mantelflächen­ abschnitt 36, der an einer Wendelinie 38 unmittelbar in einen konkaven Mantelflächenabschnitt 40 übergeht. Dieser läuft in ein abgerundetes Ende 42 der Nadelspitze 30 aus. Der Übergang 44 zwischen dem Ventilsitz 14 und dem Sackloch 16 ist stark abgerundet oder angefast und der Boden des Sacklochs 16 ist mit strömungsleitenden Wandabschnitten 46, 48 versehen. Diese sind an einer Erhebung 50 gebildet, welche das Volumen des Sacklochs 16 verkleinert. Mit einer strichpunktierten Linie 52 ist die übliche Form des Sacklochs angedeutet.

Der bei geöffneter Ventilnadel 20 durch den Ventilspalt 54 strömende Kraftstoff erhält durch die Ringnut 32 eine turbu­ lente Grenzschicht, welche die Neigung der Strömung, sich an der Ringkante 28 und stromab davon von der Ventilnadel 20 abzulösen, merklich verringert. Durch die beschriebene Aus­ bildung der Nadelspitze 30 und die starke Abrundung des Überganges 44 wird zusätzlich der Neigung zum Ablösen der Strömung entgegengewirkt. Die strömungsleitenden Wandab­ schnitte 46, 48 am Boden des Sacklochs sorgen außerdem für eine verlustarme Umlenkung der Strömung in die Spritzbohrungen 18, 19. Durch das Zusammenwirken aller erfindungsgemäßen Maß­ nahmen kann ein Ablösen der Strömung und die Bildung von so­ genannten Totwassergebieten in größeren Teilbereichen des Betriebskennfeldes wirkungsvoll verhindert werden.

Die Varianten nach den Fig. 1a und 1b unterscheiden sich vom vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel jeweils durch leicht abgewandelte Konturen der Nadelspitze 30 a bzw. 30 b. Bei der Nadelspitze 30 a geht ein konvex gekrümmter Mantelflächenab­ schnitt 36 a tangential in die Dichtfläche 34 des Ventil­ konus 26 über, so daß eine Ringkante zwischen beiden Flächen­ abschnitten entfällt und die Nadelspitze 30 a äußerlich nicht erkennbar an einer gedachten Querschnittsebene 56 beginnt. An den Mantelflächenabschnitt 36 a schließt sich jeweils tangential ein konischer Mantelflächenabschnitt 58, ein konkaver Mantelflächenabschnitt 40 a und dann wieder ein konischer Abschnitt 60 an, der bis zu einer relativ scharfen Spitze 62 reicht.

Die Nadelspitze 30 b unterscheidet sich von jener nach Fig. 1 dadurch, daß sich an die Ringkante 28 b zunächst ein konischer Mantelflächenabschnitt 63 anschließt, der einen etwas größeren Kegelwinkel als die Dichtfläche 34 hat. An den Abschnitt 63 schließt sich ein konvexer Ab­ schnitt 36 b und dann ein konkaver Abschnitt 40 b an, der seinerseits tangential in einen konischen Abschnitt 64 übergeht, welcher bis zu einer Spitze 66 reicht. Andere Kombi­ nationen von konischen, konvexen und konkaven Mantelabschnitten sind denkbar, wobei es jeweils erfindungswesentlich ist, daß stromab eines konvexen Abschnittes ein konkaver folgt.

Bei der Einspritzdüse nach Fig. 2, die grundsätzlich gleich wie jene nach Fig. 1 aufgebaut ist, ist eine Ventilnadel 70 im Bereich eines Ventilkonus 72 mit einer Ringnut 74 und einer beiderseitig in diese ausmündende Querbohrung 76 versehen. Von dieser zweigt eine Längsbohrung 78 ab, die am brennraumseitigen Stirnende 79 einer bei der Querschnittsebene 80 beginnenden Nadelspitze 82 ausmündet. Im Bereich der Nadelspitze 82 ist die Ventilnadel 70 mit einer zweiten Querbohrung 84 versehen, welche die Längsbohrung 78 schneidet. Die Außenkontur der Nadelspitze 82 ist durch einen an der Querschnittsebene 80 beginnenden konvexen Mantelflächenabschnitt 86 und einen sich unmittelbar anschließenden konkaven Mantelflächenabschnitt 88 bestimmt, der bis zum abgeflachten Stirnende 79 reicht.

Bei geöffneter Ventilnadel 70 strömt der Kraftstoff durch den Ventilspalt 89 und durch die Bohrungen 76, 78, wobei nach Art einer Strahlpumpe in der Querbohrung 84 ein Unterdruck er­ zeugt wird. Durch diesen Unterdruck werden energiearme Rand­ schichten der an der Nadelspitze 82 vorbeiführenden Strömung abgesaugt, wodurch ebenfalls einem Ablösen der Strömung von der Nadelspitze 82 entgegengewirkt wird.

Bei der Einspritzdüse nach Fig. 3 hat eine Ventilnadel 90 eine Nadelspitze 92, die wiederum einen konvexen Mantel­ flächenabschnitt 94 und stromab davon einen konkaven Mantel­ flächenabschnitt 96 hat. Die Nadelspitze 92 taucht bei in Schließstellung befindlicher Ventilnadel 90 in ein Sack­ loch 98, dessen Kontur annähernd der Form der Nadelspitze 92 entspricht. Dadurch ist zusätzlich das Totvolumen des Sacklochs 98 minimiert, was sich günstig auf die HC-Emission auswirkt.

Claims (12)

1. Kraftstoff-Einspritzdüse für Brennkraftmaschinen, mit einem Düsenkörper, der mit einer zentralen Bohrung versehen ist, welche brennraumseitig über einen konischen Ventilsitz in ein Sackloch übergeht, aus welchem mindestens eine Spritz­ bohrung nach außen führt, und ferner mit einer in der zen­ tralen Bohrung verschiebbar gelagerten Ventilnadel, die strom­ auf des Ventilsitzes einen der Kraftstoffzufuhr dienenden Ringraum in der Bohrung begrenzt und brennraumseitig mit einem Ventilkonus versehen ist, der mit dem Ventilsitz zusammenar­ beitet und an den sich ohne Durchmesserstufe eine Nadelspitze anschließt, die in das Sackloch taucht, wenn sich die Ventil­ nadel in Schließstellung befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Nadelspitze (30, 82, 92) in Strömungsrichtung des Kraft­ stoffs gesehen einen konvex geformten Mantelflächenabschnitt (36, 88, 94) und stromab davon einen konkav geformten Mantel­ flächenabschnitt (40, 88, 96) aufweist.

2. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Mantelflächenabschnitte (36, 40) der Nadelspitze (30) an einer Wendelinie (38) unmittelbar ineinander über­ gehen (Fig. 1, 1b).

3. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich unmittelbar an den konvex geformten Mantelflächenabschnitt (36 a) ein konischer Mantelflächenabschnitt (58) anschließt (Fig. 1a).

4. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen dem Ventilkonus (26) und der Nadel­ spitze (30) der Ventilnadel (20) eine Ringkante (28) gebildet ist (Fig. 1, 1b).

5. Einspritzdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich an die Ringkante (28 b) ein konischer Mantelflächenab­ schnitt (63) der Nadelspitze (30 b) anschließt (Fig. 1b).

6. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkonus (26) der Ventilnadel (20) stufen- und kantenlos in die Nadelspitze (30 a) übergeht (Fig. 1a).

7. Einspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß sich an den konkaven Mantelflächen­ abschnitt (40 b) der Nadelspitze (30 b) ein konischer Mantel­ flächenabschnitt (64) anschließt (Fig. 1b).

8. Einspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der zwischen dem Ventilsitz (14) und dem Sackloch (16) des Düsenkörpers (10) gebildete Über­ gang (44) abgerundet bzw. angefast ist (Fig. 1).

9. Einspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Geometrie des Sacklochs (98) an­ nähernd der Form der Nadelspitze (92) angepaßt ist (Fig. 3).

10. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden des Sacklochs (16) mit strö­ mungsleitenden Wandabschnitten (46, 48) versehen ist (Fig. 1).

11. Einspritzdüse, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilnadel (20) am Ventilkonus (26) mit mindestens einer die Dichtfläche (34) unterbrechenden Ringnut (32) bzw. Ringrille versehen ist.

12. Einspritzdüse, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilnadel (70) im Ventilkonus (72) und in der Nadelspitze (82) mit mindestens je einer Querbohrung (76, 84), sowie mit einer Längsbohrung (78) versehen ist, welche die Querbohrungen (76, 84) ver­ bindet und am brennraumseitigen Stirnende (79) der Nadel­ spitze (82) ausmündet (Fig. 2).