DE102008055069A1

DE102008055069A1 - Fuel injection valve for internal combustion engines, has valve body, in which pressure chamber is formed, and valve needle is arranged in longitudinally sliding manner in pressure chamber

Info

Publication number: DE102008055069A1
Application number: DE102008055069A
Authority: DE
Inventors: Andreas Kerst
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-12-22
Filing date: 2008-12-22
Publication date: 2010-07-01

Abstract

The fuel injection valve has a valve body (1), in which a pressure chamber (3) is formed. A valve needle (4) is arranged in longitudinally sliding manner in pressure chamber. The valve needle cooperates with an end area of a valve seat (7) forming the valve body for opening and closing a flow cross section. An injection opening (10) has certain diameter at the smallest point, which increases in the flow direction.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, wie es beispielsweise zur Einspritzung von Kraftstoff direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine verwendet wird, vorzugsweise bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen.The The invention relates to a fuel injection valve for internal combustion engines, as for example, for the injection of fuel directly into a combustion chamber of an internal combustion engine is used, preferably in self-igniting internal combustion engines.

Stand der TechnikState of the art

Bei modernen, schnelllaufenden Brennkraftmaschinen, die nach dem Selbstzünderprinzip arbeiten, wird der Kraftstoff über Einspritzventile unter hohem Druck direkt in die jeweiligen Brennräume eingebracht. Für eine gute Verbrennung ist es hierbei essentiell, dass der Kraftstoff möglichst fein zerstäubt wird, um eine optimale Mischung zwischen dem Kraftstoff und dem Sauerstoff im Verbrennungsraum zu erhalten. Die Tröpfchengröße des eingespritzten Kraftstoffs hängt dabei insbesondere vom verwendeten Einspritzdruck ab und ist umso feiner, je höher der Einspritzdruck ist. Darüber hinaus hängt die Zerstäubung unter anderem vom Durchmesser der Einspritzöffnungen ab und von deren Form, wobei die Zerstäubung umso besser und feiner ist, je kleiner der Durchmesser der Einspritzöffnung ist.at modern, high-speed internal combustion engines that use the auto-ignition principle work, the fuel is injected through injectors high pressure introduced directly into the respective combustion chambers. For a good combustion, it is essential that the fuel is atomized as finely as possible, for an optimal mix between the fuel and the oxygen to get in the combustion chamber. The droplet size the injected fuel depends in particular From the injection pressure used and is the finer, the higher the Injection pressure is. In addition, the atomization depends among other things from the diameter of the injection openings and of their shape, wherein the atomization all the better and finer, the smaller the diameter of the injection opening is.

Hierbei darf jedoch eine gewisse Grenze nicht unterschritten werden, da andernfalls der Strömungswiderstand in der Einspritzöffnung deutlich ansteigt, was den Einspritzdruck mindert und die Zerstäubung wiederum negativ beeinflusst. Ein hoher Einspritzdruck ist auch deshalb notwendig, insbesondere bei Motoren mit einer hohen Leistungsdichte, weil der Kraftstoff innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne von beispielsweise 1–2 ms in den Brennraum eingebracht sein muss, damit der Kraftstoff zum gewünschten Zeitpunkt zündet und die Kraftentfaltung optimal auf den Kolben einwirken kann.in this connection However, a certain limit may not be exceeded, since otherwise the flow resistance in the injection port increases significantly, which reduces the injection pressure and the atomization again negatively affected. A high injection pressure is also therefore necessary, especially in engines with a high power density, because the fuel within a very short period of time, for example 1-2 ms must be introduced into the combustion chamber, so that the Fuel ignites at the desired time and the power development can act optimally on the piston.

Zur Verbesserung der Zerstäubungseigenschaften wurde in der Vergangenheit häufig der Weg verfolgt, die Einspritzöffnungen konisch auszubilden, so dass sie sich in Auslaufrichtung, also in Richtung des Brennraums, verengen. Ein Beispiel dafür ist in der DE 103 15 967 A1 offenbart. Es sind jedoch auch Einspritzöffnungen bekannt, deren Querschnitt sich in Fließrichtung des Kraftstoffs erhöht, um den Kraftstoffstrahl möglichst nahe am Einspritzventil aufzubrechen und die Eindringtiefe in den Brennraum zu begrenzen. Eine solche Einspritzdüse ist aus der Offenlegungsschrift DE 198 54 828 A1 bekannt.In order to improve the atomization properties, the way has often been pursued in the past to conically form the injection openings so that they constrict in the outlet direction, ie in the direction of the combustion chamber. An example of this is in the DE 103 15 967 A1 disclosed. However, injection openings are also known whose cross-section increases in the flow direction of the fuel in order to break up the fuel jet as close as possible to the injection valve and to limit the penetration depth into the combustion chamber. Such an injection nozzle is known from the published patent application DE 198 54 828 A1 known.

In den letzten Jahren ist bei den Brennkraftmaschinen eine Tendenz zu immer höheren Einspritzdrücken und zu kleineren Einspritzöffnungsdurchmessern zu beobachten, um den oben genannten Forderungen Rechnung zu tragen. Sehr kleine Einspritzöffnungen haben jedoch den Nachteil, dass sie stark zur Verkokung neigen, sich also Ablagerungen an der Innenseite der Einspritzöffnung bilden, die den Durchflussquerschnitt verengen und so zu einem starken Druckabfall innerhalb der Einspritzöffnung führen. Je kleiner der Durchmesser der Einspritzöffnung ist, desto stärker machen sich auch bereits geringe Beläge von wenigen μm Dicke an der Innenwand der Einspritzöffnung negativ bemerkbar. Die starke Verkokungsneigung ist auf folgenden Effekt zurückzuführen:
Die immer geringer werdenden Einspritzöffnungsdurchmesser führen zu einer geringeren Strömungseinschnürung und damit zu abnehmender Kavitationsneigung in der Einspritzöffnung. Bei Kavitation entstehende Dampfdruckblasen sorgen beim Kollabieren für entsprechende Druckwellen und damit dafür, dass die Verkokung an den Wänden der Einspritzöffnung in einem erträglichen Maß bleibt. Entfällt die Kavitationsneigung jedoch, so nimmt auch entsprechend die Verkokung der Einspritzöffnung zu, was zu den oben genannten Problemen führt. Abhilfe würde hier nur bringen, die Einspritzöffnung mit einem entsprechend größeren Durchmesser zu versehen, was jedoch im Hinblick auf die feine Zerstäubung unvorteilhaft ist.In recent years, the internal combustion engines tend to observe ever higher injection pressures and smaller injection port diameters in order to meet the above requirements. However, very small injection openings have the disadvantage that they are highly prone to coking, so form deposits on the inside of the injection opening, which narrow the flow area and thus lead to a large pressure drop within the injection opening. The smaller the diameter of the injection opening, the stronger even make itself already small deposits of a few microns thickness on the inner wall of the injection opening negatively noticeable. The strong coking tendency is due to the following effect:
The ever-decreasing injection opening diameters lead to a lower flow constriction and thus to a decreasing cavitation tendency in the injection opening. When cavitation resulting vapor pressure bubbles provide collapse for appropriate pressure waves and thus that the coking remains on the walls of the injection port to a tolerable level. However, if the tendency to cavitation disappears, the coking of the injection opening also increases accordingly, which leads to the above-mentioned problems. Remedy would only bring here to provide the injection port with a correspondingly larger diameter, but this is unfavorable in view of the fine atomization.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Das erfindungsgemäße Einspritzventil weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die Spritzlöcher einerseits eine gute Zerstäubung aufweisen und andererseits die Verkokungsneigung soweit unterdrückt wird, dass diese im Gebrauch des Einspritzventils keine Beeinträchtigung der Funktion mehr darstellt. Hierzu sind die Einspritzöffnungen mit einem Durchmesser zwischen 70 und 105 μm ausgeführt und weisen einen Querschnitt auf, der sich in Strömungsrichtung, also in Richtung auf den Brennraum zu, erweitert.The In contrast, injector according to the invention has the advantage that the injection holes on the one hand a have good atomization and on the other hand, the coking tendency as far as is suppressed that these in the use of the injector no Impairment of the function represents more. These are the injection openings with a diameter between 70 and 105 microns executed and have a cross section on, moving in the direction of flow, that is towards the combustion chamber to, extended.

Durch die Kombination dieser beiden Merkmale ergibt sich eine optimale Strömungsführung: Der geringe Durchmesser der Einspritzöffnung führt zu einer guten Zerstäubung, da der Kraftstoff unter hohem Druck durch eine sehr kleine Öffnung gepresst wird, was zu einer entsprechend feinen Zerstäubung führt. Andererseits wird durch die Konizität der Einspritzöffnung erreicht, dass die Kavitationsneigung zunimmt, so dass durch die implodierenden Kavitationsblasen eine Ablagerung von Verbrennungsrückständen auf der Innenseite der Einspritzöffnungen unterdrückt wird. Dadurch behält die Einspritzöffnung über die gesamte Lebensdauer ihren Durchmesser und ihre Form, so dass der Strömungswiderstand konstant bleibt und damit auch die Einspritzeigenschaften.By The combination of these two features results in an optimal Flow guidance: The small diameter of the Injection opening leads to a good atomization, because the fuel is under high pressure through a very small opening is pressed, resulting in a correspondingly fine atomization leads. On the other hand, the conicity of the Injection opening achieved that the cavitation tendency increases, so that by the imploding cavitation bubbles a Deposition of combustion residues on the Inside of the injection openings suppressed becomes. This keeps the injection opening over the entire life of their diameter and shape, so that the flow resistance remains constant and therefore too the injection characteristics.

In vorteilhafter Weise kann die Form der Einspritzöffnung als gerader Kreiskegel ausgebildet sein, wobei sowohl die Eintrittsöffnung, als auch die Austrittsöffnung kreisrund ausgebildet sind. Solche geraden Kreiskegel lassen sich ohne weiteres beispielsweise mit einem elektroerosiven Verfahren herstellen. Bei dieser Form der Einspritzöffnungen ist die Stelle des kleinsten Durchmessers die Eintrittsöffnung, wobei diese engste Stelle aufgrund von Rundungen an der Eintrittsöffnung auch geringfügig vom geometrischen Anfang der Einspritzöffnung entfernt sein kann. Die Differenz zwischen dem Durchmesser der Eintrittsöffnung und dem Durchmesser der Austrittsöffnung beträgt zwischen 1 und 40 μm, vorzugsweise 5–15 μm, wobei die Länge der Einspritzöffnung üblicherweise 400 bis 1200 μm (= 0,4 bis 1,2 mm), vorzugsweise 500 bis 800 μm (= 0,5 bis 0,8 mm) beträgt.Advantageously, the shape of the injection opening may be formed as a straight circular cone, wherein both the inlet opening, and the Outlet opening are circular. Such straight circular cone can be readily produced, for example, with an electrical discharge process. In this form of injection openings, the location of the smallest diameter is the inlet opening, and this narrowest point may also be slightly removed from the geometric beginning of the injection opening due to curves at the inlet opening. The difference between the diameter of the inlet opening and the diameter of the outlet opening is between 1 and 40 microns, preferably 5-15 microns, wherein the length of the injection port is usually 400 to 1200 microns (= 0.4 to 1.2 mm), preferably 500 to 800 μm (= 0.5 to 0.8 mm).

Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment

1 zeigt den wesentlichen Teil eines Einspritzventils für Brennkraftmaschinen, wobei dieser Einspritzventiltyp aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt ist, so dass hier auf eine detaillierte Darstellung der bekannten Komponenten verzichtet wurde. Das Einspritzventil, das hier nur an seinem brennraumseitigen Endbereich gezeigt ist, weist einen Ventilkörper 1 auf, in dem ein Druckraum 3 ausgebildet ist, hier in Form einer Bohrung. Der Druckraum 3 wird an seinem brennraumseitigen Ende von einem Ventilsitz 7 begrenzt, der in diesem Ausführungsbeispiel konisch ausgebildet ist und in einem Sackloch 8 endet, das im Wesentlichen als Werkzeugauslauf dient. Im Druckraum 3 ist eine Ventilnadel 4 ausgebildet, die kolbenförmig ausgeführt ist und an ihrem ventilsitzseitgen Ende eine Dichtfläche 5 aufweist. Die Dichtfläche 5 ist in zwei konische Teilflächen unterteilt, wobei am Übergang der einen konischen Teilfläche zur anderen konischen Teilfläche eine Dichtkante 9 ausgebildet ist, mit der die Ventilnadel 4 in ihre Schließstellung auf dem Ventilsitz 7 aufliegt. 1 shows the essential part of an injection valve for internal combustion engines, this injection valve type from the prior art is well known, so that has been omitted here a detailed description of the known components. The injection valve, which is shown here only at its combustion-chamber-side end region, has a valve body 1 on, in which a pressure room 3 is formed, here in the form of a bore. The pressure room 3 is at its combustion chamber end of a valve seat 7 limited, which is conical in this embodiment and in a blind hole 8th ends, which essentially serves as a tool outlet. In the pressure room 3 is a valve needle 4 formed, which is designed piston-shaped and at its valve seat side end a sealing surface 5 having. The sealing surface 5 is divided into two conical faces, wherein at the transition of a conical part surface to the other conical face a sealing edge 9 is formed, with the valve needle 4 in its closed position on the valve seat 7 rests.

Vom Ventilsitz 7 gehen mehrere Einspritzöffnungen 10 aus, die in Einbaulage des Einspritzventils direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine münden. Durch das Zusammenwirken der Ventilnadel 4 mit dem Ventilsitz 7 werden die Einspritzöffnungen 10 abwechselnd mit dem Druckraum 3, in dem Kraftstoff unter hohem Druck vorgehalten wird, verbunden oder vom diesem hydraulisch getrennt. Dies geschieht durch eine Längsbewegung der Ventilnadel 4, so dass dadurch die Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum bzw. das Ausspritzen von Kraftstoff aus dem Einspritzventil gesteuert wird.From the valve seat 7 go several injection ports 10 from, which open in installation position of the injector directly into a combustion chamber of an internal combustion engine. Through the interaction of the valve needle 4 with the valve seat 7 become the injection openings 10 alternating with the pressure chamber 3 , in which fuel is kept under high pressure, connected or separated from this hydraulically. This is done by a longitudinal movement of the valve needle 4 , thereby controlling the injection of fuel into a combustion chamber or the ejection of fuel from the injection valve.

2 zeigt eine vergrößerte Darstellung einer Einspritzöffnung 10 nach 1. Die Einspritzöffnung 10 ist hier als gerader Kreiskegel ausgeführt und weist eine Eintrittsöffnung 12 und eine Austrittsöffnung 14 auf, wobei sowohl die Eintrittsöffnung 12 als auch die Austrittsöffnung 14 kreisrund ausgebildet sind. Die Eintrittsöffnung 12 entspricht hier dem kleinsten Querschnitt der Einspritzöffnung 10 und weist einen Durchmesser D₁ zwischen 70 und 105 μm auf, vorzugsweise 80 bis 105 μm. Die Austrittsöffnung 14 weist einen Durchmesser D₂ auf, der größer ist als der Durchmesser D₁ und etwa 1 bis 40 μm, vorzugsweise 5 bis 15 μm, größer ist als der Durchmesser der Eintrittsöffnung 12. Die Länge L der Einspritzöff nung 10 beträgt hierbei meist 400 bis 1200 μm, was 0,4 bis 1,2 mm entspricht. Je nach Größe des Einspritzventils und des Ventilkörpers 1 sind auch größere Längen der Einspritzöffnung 10 möglich. 2 shows an enlarged view of an injection port 10 to 1 , The injection opening 10 is designed here as a straight circular cone and has an inlet opening 12 and an exit opening 14 on, with both the inlet opening 12 as well as the outlet opening 14 are formed circular. The entrance opening 12 corresponds here to the smallest cross section of the injection opening 10 and has a diameter D ₁ between 70 and 105 microns, preferably 80 to 105 microns. The outlet opening 14 has a diameter D ₂ , which is greater than the diameter D ₁ and about 1 to 40 microns, preferably 5 to 15 microns, greater than the diameter of the inlet opening 12 , The length L of Einspritzöff opening 10 This is usually 400 to 1200 microns, which corresponds to 0.4 to 1.2 mm. Depending on the size of the injector and the valve body 1 are also longer injection port lengths 10 possible.

Der Durchmesser D₁ zwischen 70 und 105 μm hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, um einerseits eine Einspritzöffnung zur Verfügung zu stellen, die einen genügend kleinen Durchmesser aufweist, um eine effektive Zerstäubung – insbesondere von Diesel-Kraftstoff – zu gewährleisten und die andererseits jedoch nicht so klein ist, dass der Durchflusswiderstand übermäßig groß ist. Durch die Konizität bzw. die Durchmesserweiterung der Einspritzöffnung 10 in Strömungsrichtung wird das Entstehen von Kavitation innerhalb der Einspritzöffnung 10 begünstigt, was zu Turbulenzen innerhalb der Einspritzöffnung 10 führt und damit zu einem Abtrag von Verbrennungsrückständen an der Innenwand der Einspritzöffnung 10, der sogenannten Verkokung. Damit bleibt die Innenwand der Einspritzöffnung 10 weitgehend frei von Ablagerungen über die gesamte Lebensdauer des Einspritzventils, so dass die hydraulischen Eigenschaften des Einspritzventils entsprechend konstant bleiben.The diameter D ₁ between 70 and 105 microns has proved to be particularly advantageous to provide on the one hand an injection port, which has a sufficiently small diameter to ensure effective atomization - especially of diesel fuel - and the other hand, not so small is that the flow resistance is excessively large. Due to the taper or the diameter extension of the injection opening 10 In the direction of flow, the formation of cavitation within the injection opening 10 favors, causing turbulence within the injection port 10 leads and thus to a removal of combustion residues on the inner wall of the injection opening 10 , the so-called coking. This leaves the inner wall of the injection opening 10 largely free of deposits over the entire life of the injector, so that the hydraulic properties of the injector remain constant accordingly.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- DE 10315967 A1 [0004]
- DE 19854828 A1 [0004]

Claims

Fuel injection valve for internal combustion engines with a valve body ( 1 ), in which a pressure chamber ( 3 ) is formed, in which a valve needle ( 4 ) is longitudinally displaceable, which with a in the end region of the valve body ( 1 ) formed valve seat ( 7 ) cooperates to open and close a flow cross section, and with an injection port ( 10 ), which in the valve body ( 1 ) is formed and by the opening and closing of the flow cross section with the pressure chamber ( 3 ), characterized in that the injection opening ( 10 ) has a diameter which is at the smallest point between 70 microns and 105 microns and increases in the flow direction.

Fuel injection valve according to claim 1, characterized in that the injection opening ( 10 ) an entrance opening ( 12 ) and one on the outside of the valve body ( 1 ) arranged outlet opening ( 14 ), wherein both the inlet opening ( 12 ) as well as the outlet opening ( 14 ) are formed circular.

Fuel injection valve according to claim 2, characterized in that the injection opening ( 10 ) has the shape of a circular cone which widens in the flow direction.

Fuel injection valve according to claim 2, characterized in that the location with the smallest diameter of the inlet opening ( 12 ).

Fuel injection valve according to claim 2 or 3, characterized in that the difference between the diameter (D ₂ ) of the outlet opening ( 14 ) and the diameter (D ₁ ) of the inlet opening ( 12 ) Is 1 to 40 μm, preferably 5 to 15 μm.

Fuel injection valve according to claim 1, characterized in that the injection opening ( 10 ) has a diameter which is at the smallest point between 80 microns and 105 microns.