DE19931761A1 - Sackloch-Einspritzdüse für Brennkraftmaschinen mit abgerundetem Übergang zwischen Sackloch und Düsennadelsitz - Google Patents

Abstract

Es wird eine Einspritzdüse (1) mit Sackloch (2) vorgeschlagen, bei der der Übergang (8) zwischen Sackloch (2) und Düsennadelsitz (4) abgerundet ist. Dadurch verringert sich die Toleranz des Strömungswiderstands der Einspritzdüse (1) bei Teilhub der Düsennadel (5) und ermöglicht so eine genauere Bemessung der eingespritzten Kraftstoffmenge.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Einspritzdüse für Brennkraftmaschinen mit einem, mindestens ein Spritzloch aufweisenden Sackloch und mit einem an das Sackloch anschließenden Düsennadelsitz.

Sackloch-Einspritzdüsen der gattungsgemäßen Art weisen vor allem im Teilhubbereich der Düsennadel eine große Streuung des Strömungswiderstands und damit auch der eingespritzten Kraftstoffmenge auf. In Folge dessen ist das Emissions- und Verbrauchsverhalten vieler der mit diesen Sackloch- Einspritzdüsen ausgerüsteten Brennkraftmaschinen nicht optimal.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sackloch- Einspritzdüse bereitzustellen, bei der die Streuung der Einspritzmenge im Teilhubbereich der Düsennadel bei verschiedenen Exemplaren einer Sackloch-Einspritzdüse gleicher Bauart verringert wird und somit das Verbrauchs- und Emissionsverhalten der mit der erfindungsgemäßen Sackloch-Einspritzdüse ausgerüsteten Brennkraftmaschinen verbessert wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Einspritzdüse für Brennkraftmaschinen mit einem mindestens ein Spritzloch aufweisenden Sackloch und mit einem an das Sackloch anschließenden Düsennadelsitz, bei der der Übergang zwischen Düsennadelsitz und Sackloch abgerundet ist.

Dadurch, dass der Übergang zwischen Düsennadelsitz und Sackloch erfindungsgemäß abgerundet ist und somit eine definierte Geometrie aufweist, ist auch die im Teilhubbereich der Düsennadel maßgebliche Drosselwirkung des Übergangs zwischen Düsennadelsitz und Sackloch definiert und streut somit zwischen verschiedenen Exemplaren einer Einspritzdüse gleicher Bauart nur noch in sehr geringem Umfang. Dadurch kann durch Messen des Betriebsverhaltens einer erfindungsgemäßen Sackloch- Einspritzdüse das Betriebsverhalten aller anderen bauartgleichen Sackloch-Einspritzdüsen mit wesentlich größerer Genauigkeit vorhergesagt werden und die Steuerung des Einspritzvorgangs entsprechend optimiert werden.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist der Übergang zwischen Düsennadelsitz und Sackloch mit einem Radius zwischen 0,01 mm und 0,1 mm, vorzugsweise zwischen 0,04 mm und 0,06 mm, abgerundet, so dass einerseits die Abrundung die Streuung des Teillastverhaltens der Einspritzdüsen bereits deutlich verringert und andererseits die Abrundung mit geringen Kosten herstellbar ist.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Sackloch konisch, so dass das Teillastverhalten von konischen Sackloch-Einspritzdüsen verbessert wird.

In Ergänzung der Erfindung ist vorgesehen, das Sackloch zylindrisch auszuführen, so dass auch das Teillastverhalten von zylindrischen Sackloch-Einspritzdüsen verbessert wird.

Eine Variante einer erfindungsgemäßen Einspritzdüse sieht vor, dass der Düsennadelsitz kegelstumpfförmig ist, wodurch sich eine gute Dichtwirkung und eine gute Zentrierung der Düsennadel im Düsennadelsitz ergibt.

Bei einer anderen Ausführung der Erfindung beträgt der Kegelwinkel des Düsennadelsitzes 60°, so dass eine gute Dichtwirkung zwischen Düsennadel und Düsennadelsitz erzielt wird.

In Ergänzung der Erfindung ist der Kegelwinkel der Düsennadel bis zu einem Grad, vorzugsweise 15-30 Winkelminuten, größer als der Kegelwinkel des Düsennadelsitzes, so dass die Dichtfläche verkleinert und in den Bereich des größten Durchmessers der Düsennadel verlegt wird.

Eine andere Ausführungsform sieht vor, dass das Sackloch ein Minisackloch oder ein Mikrosackloch ist, so dass die erfindungsgemäßen Vorteile auch bei diesen Einspritzdüsen nutzbar sind.

Bei einer anderen Ausführungsform ist der Übergang zwischen Spritzloch und Sackloch abgerundet, so dass die Drosselwirkung des Spritzlochs verringert wird und innerhalb eines engeren Toleranzbereichs streut.

Die eingangs genannte Aufgabe wird auch gelöst durch eine Einspritzdüse für Brennkraftmaschinen mit einem, mindestens ein Spritzloch aufweisenden Sackloch, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang zwischen Spritzloch und Sackloch abgerundet ist. Durch diese Maßnahme wird die Streuung des Betriebsverhaltens der Einspritzdüsen verringert.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.

Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstands der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Sackloch- Einspritzdüse und

Fig. 2 eine Kennlinie des hydraulischen Durchmessers der Einspritzdüse über dem Hub der Düsennadel.

In Fig. 1 ist eine Einspritzdüse 1 mit einem konischen Sackloch 2 dargestellt. Das Sackloch 2 kann auch zylindrisch sein oder es kann sich um eine Mini- oder Mikro-Sackloch 2 handeln. Bei letztgenannten ist das Volumen des Sacklochs 2 gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Bauart verringert. Dadurch verdunstet bei abgestellter Brennkraftmaschine weniger Kraftstoff in den Brennraum.

Über ein Spritzloch 3 gelangt der nicht dargestellte Kraftstoff aus dem Sackloch 2 in den ebenfalls nicht dargestellten Brennraum. An das konische Sackloch 2 schließt sich ein kegelstumpfförmiger Düsennadelsitz 4 an. Der Düsennadelsitz 4 kann einen Kegelwinkel von 60° haben. Das Sackloch 2 muß nicht konisch sein, sondern kann auch zylindrisch sein.

An dem Düsennadelsitz 4 liegt eine Düsennadel 5 auf. In Fig. 1 ist deutlich zu erkennen, dass der Kegelwinkel der Düsennadel 5 größer als der Kegelwinkel des Düsennadelsitzes 4 ist. Dadurch liegt die Kontaktzone 6 zwischen Düsennadel 5 und Düsennadelsitz 4 im Bereich des größten Durchmessers der Düsennadel 5 und die Flächenpressung zwischen Düsennadel 5 und Düsennadelsitz 4 wird erhöht. Die Differenz der Kegelwinkel von Düsennadel 5 und Düsennadelsitz 4 ist in Fig. 1 übertrieben dargestellt. In der Regel ist die o. g. Differenz kleiner als 1 Grad und bewegt sich im Bereich von wenigen Winkelminuten.

Auf der linken Seite von Fig. 1 ist ein Übergang zwischen Sackloch 2 und Düsennadelsitz 4 nach dem Stand der Technik als Kante 7 dargestellt. Diese Kante 7 entsteht beim Schleifen des Düsennadelsitzes 4. Je nach Art der Bearbeitung kann die Kante 7 ein scharfer Grat oder eine glatte Kante sein. Der Strömungswiderstand der Kante 7 wird wesentlich von der Beschaffenheit derselben beeinflusst.

Auf der rechten Seite von Fig. 1 ist ein erfindungsgemäß abgerundeter Übergang 8 zwischen Sackloch 2 und Düsennadelsitz 4 dargestellt. Die Abrundung des Übergangs 8 kann im Querschnitt beispielsweise kreisförmig sein, wobei der Radius im Bereich von 0,01 mm bis 0,1 mm, vorzugsweise 0,04 mm bis 0,06 mm beträgt. Das erfindungsgemäße Abrunden führt jedenfalls dazu, dass die Geometrie des Übergangs 8 zwischen Düsennadelsitz 4 und Sackloch 2 bei Einspritzdüsen 1 gleicher Bauart nurmehr innerhalb eines sehr engen Toleranzbereichs streut; d. h. die Geometrie des Übergangs 8 ist definiert und damit ist auch der Strömungswiderstand des Übergangs 8 eindeutig definiert, wenn die Düsennadel 5 in Richtung eines Düsennadelhubs 9 vom Düsennadelsitz 4 abgehoben wird. Demzufolge nimmt die Streuung des Strömungswiderstands verschiedener Exemplare von erfindungsgemäßen Einspritzdüsen im Bereich des Übergangs 8 zwischen Düsennadelsitz 4 und Sackloch 2 stark ab.

Die Folgen der Streuung des Strömungswiderstands von Einspritzdüsen 1 im Bereich des Übergangs 7 oder 8 werden anhand des in Fig. 2 dargestellten Diagramms veranschaulicht.

In Fig. 2 ist der hydraulische Durchmesser 10 einer Sackloch-Einspritzdüse 1 über dem Düsennadelhub 9 qualitativ aufgetragen. Der hydraulische Durchmesser 10 ist eine Größe mittels derer beliebige durchströmte Querschnitte hinsichtlich ihres Strömungswiderstands vergleichbar gemacht werden. Als Bezugsgröße dient der Strömungswiderstand eines Rohrs mit kreisförmigem Querschnitt. Ein Querschnitt mit großem hydraulischen Durchmesser hat einen geringen Strömungswiderstand und umgekehrt.

In Fig. 2 wurde der Düsennadelhub 9 in zwei Bereiche eingeteilt. Ein erster Bereich erstreckt sich von Null bis "a", der zweite, nachfolgend als Teilhubbereich bezeichnete Bereich erstreckt sich von "a" bis "b". Bei "c" ist der volle Düsennadelhub erreicht.

Wenn eine geschlossene Einspritzdüse 1, bei der die Düsennadel 5 auf dem Düsennadelsitz 4 aufliegt, geöffnet wird, ergibt sich bei sehr kleinem Düsennadelhub 9 im Bereich der Kontaktzone 6 ein sehr schmaler Spalt, durch den der unter Druck stehende Kraftstoff in das Sackloch 2 strömen kann. Dieser sehr schmale Spalt bestimmt den Strömungswiderstand der Einspritzdüse 1 maßgeblich und legt damit auch den hydraulischen Durchmesser 10 fest. Da der Strömungswiderstand dieses sehr schmalen Spalts groß ist, ist der hydraulische Durchmesser 10 der Einspritzdüse 1 bei sehr kleinem Düsennadelhub 9 sehr klein.

Im Teilhubbereich zwischen "a" und "b" wird der Strömungswiderstand der Einspritzdüse 1 maßgeblich von der Kante 7 oder dem Übergang 8 zwischen Düsennadelsitz 4 und Sackloch 2 bestimmt. Damit ist die Kante 7 oder der Übergang 8 im Teilhubbereich auch für den hydraulischen Durchmesser der Einspritzdüse 1 von großer Bedeutung. Das bedeutet, dass Änderungen in der Geometrie der Kante 7 oder des Übergangs 8 zwischen Düsennadelsitz 4 und Sackloch 2 Änderungen des hydraulischen Durchmessers 10 zur Folge haben. Im Bereich des vollen Düsennadelhubs "c" ist das Spritzloch 3 der Einspritzdüse 1 maßgeblich für den hydraulischen Durchmesser der Einspritzdüse 1.

Gemäß dem vorstehend Gesagten führen Streuungen in der Geometrie der Kante 7 oder des Übergangs 8 zu einer Änderung der Kennlinie 11 der Einspritzdüse 1 vor allem im Teilhubbereich zwischen "a" und "b".

Nicht dargestellt wurde in Fig. 1 die Möglichkeit, auch den Übergang zwischen Sackloch 2 und Spritzloch 3 abzurunden. Dadurch wird der Strömungswiderstand der Einspritzdüse verringert und es wird verhindert, dass beispielsweise beim Bohren des Spritzlochs 3, welches in der Regel von außen nach innen erfolgt, ein Grat stehenbleibt. Ein solcher Grat kann dazu führen, dass der Strömungswiderstand einer Einspritzdüse 1 vor allem bei vollem Düsennadelhub ansteigt. Die daraus resultierenden Nachteile entsprechen den bereits genannten und im folgenden weiter beschriebenen Nachteilen von Einspritzdüsen 1 bei denen der Strömungswiderstand der Kante 7 oder des Übergangs 8 stark streut.

In Fig. 2 wurden andeutungsweise die Auswirkungen verschiedener Geometrien des Übergangs 7 oder 8 auf den hydraulischen Durchmesser im Teilhubbereich durch die Kennlinien 11, 12 und 13 dargestellt. Die gestrichelt dargestellte Kennlinie 12 repräsentiert eine Geometrie einer Kante 7 oder eines Übergangs 8, welche im Vergleich zu der Kennlinie 11 einen größeren hydraulischen Durchmesser hat und demzufolge geringere Drosselverluste aufweist. Die gestrichelt dargestellte Kennlinie 13 zeigt die Auswirkungen einer Geometrie eines Übergangs 7 oder 8, welche relativ zu der Kennlinie 11 in Fig. 2 eine stärkere Drosselwirkung hat.

Bei in Serie gefertigten Brennkraftmaschinen wird das Kennfeld der Brennkraftmaschine und des zugehörigen Einspritzsystems anhand eines oder mehrerer ausgewählter Testexemplare durch Messungen ermittelt. Die solcherart ermittelten Kennfelder werden allen bauartgleichen Einspritzsystemen zugrundegelegt.

Im Folgenden wird angenommen, dass die Kennlinie 11 eine gemessene Kennlinie ist, und dass diese Kennlinie 11 in dem Steuergerät des Einspritzsystems abgespeichert ist. Weiter wird unterstellt, dass zwei der Serienfertigung entnommene Einspritzdüsen die Kennlinien 12 und 13 haben. Wenn nun die Einspritzdüsen 1 mit den Kennlinien 12 und 13 mit einer Steuergerät zusammenwirken, in dem die Kennlinie 11 abgespeichert ist, dann stimmt die tatsächliche Einspritzmenge im Teilhubbereich nicht mit der bei den Testexemplaren gemessenen optimalen Einspritzmenge gemäß der Kennlinie 11 überein, so dass die Leistung und/oder das Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine verschlechtert wird.

Im Umkehrschluss kann man sagen, dass durch das Abrunden des Übergangs 8 zwischen Düsennadelsitz 4 und Sackloch 2 die Streuung der Kennlinien 11, 12 und 13 verringert wird. Damit wird die Übereinstimmung zwischen der im Steuergerät abgespeicherten Kennlinie 11 und der Kennlinien 11 und 12 von zwei der Serienfertigung entnommenen Einspritzdüsen deutlich verbessert. Die Übereinstimmung kann beispielsweise um den Faktor 2 bis 3 verbessert werden. In Folge dessen entspricht die tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge genau der von dem Steuergerät vorgegebenen Einspritzmenge und das Verbrauchs- und Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine ist optimal.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims (10)

1. Einspritzdüse (1) für Brennkraftmaschinen mit einem, mindestens ein Spritzloch (3) aufweisenden Sackloch (2) und mit einem an das Sackloch (2) anschließenden Düsennadelsitz (4), dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang (8) zwischen Düsennadelsitz (4) und Sackloch (2) abgerundet ist.

2. Einspritzdüse (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang (8) zwischen Düsennadelsitz (4) und Sackloch (2) mit einem Radius zwischen 0,01 mm und 0,1 mm, vorzugsweise zwischen 0,04 mm und 0,06 mm abgerundet ist.

3. Einspritzdüse (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sackloch (2) konisch ist.

4. Einspritzdüse (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sackloch (2) zylindrisch ist.

5. Einspritzdüse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsennadelsitz (4) kegelstumpfförmig ist.

6. Einspritzdüse (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelwinkel des Düsennadelsitzes (4) 60° beträgt.

7. Einspritzdüse (1) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelwinkel der Düsennadel (5) bis zu einem Grad, vorzugsweise 15 bis 30 Winkelminuten, größer als der Kegelwinkel des Düsennadelsitzes (4) ist.

8. Einspritzdüse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sackloch (2) ein Mini-Sackloch oder ein Mikro-Sackloch ist.

9. Einspritzdüse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang zwischen Spritzloch (3) und Sackloch (2) abgerundet ist.

10. Einspritzdüse (1) für Brennkraftmaschinen mit einem, mindestens ein Spritzloch (3) aufweisenden Sackloch (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang zwischen Spritzloch (3) und Sackloch (2) abgerundet ist.