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Die
Erfindung betrifft eine Düsenbaugruppe und
ein Ventil mit einem Gehäuse,
dem ein Ventilantrieb und eine Düsenbaugruppe
angeordnet sind. Die Düsenbaugruppe
hat einen Düsenkörper, in
dem ein Spritzloch ausgebildet ist, und eine Düsennadel, die in ihrer Schließposition
einen Fluidfluss durch das Spritzloch verhindert und in sonstigen
Positionen den Fluidfluss durch das Spritzloch freigibt.
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Immer
strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich der zulässigen Schadstoff-Emissionen
von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind,
machen es erforderlich, diverse Maßnahmen vorzunehmen, durch
die die Schadstoff-Emissionen gesenkt werden. Ein Ansatzpunkt hierbei
ist, die von der Brennkraftmaschine erzeugten Schadstoff-Emissionen
zu senken. Wesentlich hierfür
ist, dass die der Brennkraftmaschine zugeordneten Kraftstoff-Einspritzventile
den Kraftstoff sehr präzise
zumessen können
und eine Leckage des Kraftstoffs vermieden wird, wenn kein Kraftstoff
zugemessen werden soll. Dies ist insbesondere dann eine große Herausforderung,
wenn das Spritzloch in der Schließposition der Düsennadel
von einem Fluid abgedichtet wird durch eine erste und zweite Dichtkante,
die in der Düsennadel
ausgebildet sind, wobei die erste Dichtkante radial außen ausgebildet
ist zu einer Mündung
des Spritzlochs an einer Sitzfläche
des Düsenkörpers und
die zweite Dichtkante radial innen ausgebildet ist zu der Mündung des
Spritzlochs an der Sitzfläche
des Düsenkörpers. Die
Dichtkanten sind in diesem Fall statisch überbestimmt, was zur Folge
hat, dass aufgrund von Fertigungstoleranzen leicht Undichtigkeiten
auftreten können.
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Derartige
zwei Dichtkanten je Düsennadel werden
insbesondere häufig
eingesetzt bei Registerdüsen-Einspritzventilen.
So ist beispielsweise aus der
EP 0 976 649 A2 ein Düsenkörper und ein entsprechendes
Ventil mit einer Registerdüsenanordnung
bekannt. Das Ventil hat ein Gehäuse,
in dem ein als Piezoaktuator ausgebildeter Ventilantrieb und ein
Düsenkörper angeordnet
sind. Der Düsenkörper hat
eine erste Reihe Spritzlöcher
und axial beabstandet dazu eine zweite Reihe Spritzlöcher. In
einer Ausnehmung des Düsenkörpers ist
eine Düsennadel
geführt,
die über
einen Mitnehmermechanismus auf einen Einsatzkörper einwirkt, der eine innere
Düsennadel
bildet. Die erste Düsennadel
ist so in einer Ausnehmung des Ventilkörpers angeordnet, dass sie
in ihrer Schließposition
einen Fluidfluss durch die mindestens erste Reihe der Spritzlöcher verhindert
und in sonstigen Positionen den Fluidfluss durch die mindestens
erste Reihe der Spritzlöcher
freigibt. Die zweite Düsennadel
verhindert in ihrer Schließposition einen
Fluidfluss durch die zweite Reihe der Spritzlöcher und gibt in sonstigen
Positionen den Fluidfluss durch die zweite Reihe der Spritzlöcher frei
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Düsenbaugruppe und ein Ventil
zu schaffen, die bzw. das ein präzises
Zumessen von Fluid ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung zeichnet sich aus durch eine Düsenbaugruppe mit einem Düsenkörper, in
dem ein Spritzloch ausgebildet ist, und mit einer Düsennadel, die
in ihrer Schließposition
einem Flu idfluss durch das Spritzloch verhindert und in sonstigen
Positionen den Fluidfluss durch das Spritzloch freigibt und die eine
erste Dichtkante hat, die radial außen ausgebildet ist zu einer
Mündung
des Spritzlochs an einer Sitzfläche
des Düsenkörpers, und
die eine zweite Dichtkante hat, die radial innen ausgebildet ist
zu der Mündung
des Spritzlochs an der Sitzfläche
des Düsenkörpers. Eine
der Dichtkanten ist steifer ausgebildet als die andere und die flexibler
ausgebildete Dichtkante weist bezogen auf die Sitzfläche des
Düsenkörpers einen Überstand
auf. In Fällen,
in denen die Sitzfläche
beispielsweise als Konusmantelfläche ausgebildet
ist, ist die Richtung des Überstands
definiert durch eine Normale zu der jeweiligen Tangentialebene an
dem jeweiligen Punkt der Konusmantelfläche.
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Die
Erfindung zeichnet sich ferner aus durch ein Ventil mit einem Gehäuse, in
dem ein Ventilantrieb und die Düsenbaugruppe
angeordnet sind, wobei der Ventilantrieb auf die Düsennadel,
gegebenenfalls mittelbar, einwirkt.
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Trotz
der statischen Überbestimmtheit
durch die zwei Dichtkanten kann so einfach eine sehr gute Dichtwirkung
in der Schließposition
gewährleistet werden,
da bei einer Bewegung der Düsennadel
in Richtung zu ihrer Schließposition
zuerst die flexibler ausgebildete Dichtkante in Anlage mit der Sitzfläche kommt
und sich diese dann im weiteren Verlauf elastisch verformt, bis
die steifere Dichtkante in Anlage mit der Sitzfläche des Düsenkörpers ist. So sind höhere Fertigungstoleranzen
für die
Düsenbaugruppe möglich bei
gleichzeitigem Sicherstellen einer guten Dichtwirkung.
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Ferner
hat sich überraschend
gezeigt, dass insbesondere bei sehr hohen Betriebsdrücken des Fluids
sich dynamische Verfor mungen des Düsenkörpers ergeben hervorgerufen
durch den hohen Druck des Fluids in dem Düsenkörper und Druckschwankungen
des Drucks des Fluids. Auch bei derartigen dynamischen Verformungen
des Düsenkörpers kann
so noch eine gute Dichtwirkung gewährleistet werden.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Düsenbaugruppe hat die Düsennadel
in dem Bereich ihrer Nadelspitze eine axiale zentrische Ausnehmung und
die flexibler ausgebildete Dichtkante ist die zweite Dichtkante.
Düsennadeln
haben ohnehin häufig eine
zentrische Bohrung im Bereich ihrer Nadelspitze. In diesem Fall
ist daher ohnehin schon weniger Material in der Düsennadel
senkrecht zu der zweiten Dichtkante vorhanden, wobei senkrecht in
diesem Fall die Richtung der Normalen der Tangentialebene der Sitzfläche bezeichnet.
Aufgrund des wenigeren Materials hat somit die zweite Dichtkante
die Eigenschaft, flexibler zu sein als die erste Dichtkante ohne zusätzliche
Maßnahmen
vorzusehen, die die Flexibilität
der zweiten Dichtkante erhöhen.
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In
diesem Zusammenhang ist es ferner vorteilhaft, wenn die Düsennadel
eine Ringnut in der axialen Ausnehmung hat, die so ausgebildet ist,
dass sie die Materialdichte der Düsennadel senkrecht zu der Dichtfläche des
Düsenkörpers im
Bereich der zweiten Dichtkante verringert. Auf diese Weise kann die
zweite Dichtkante einfach geeignet flexibel ausgebildet werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Überstand
bis zu 5 μm.
In diesem Bereich ist eine besonders gute Dichtwirkung gewährleistet.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt das Verhältnis der
Steifigkeiten der Dichtkanten zwi schen 1:5 und 1:50. In diesem Bereich
der Steifigkeiten hat sich überraschend
gezeigt, dass eine besonders gute Dichtwirkung gewährleistet
werden kann.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Ventil mit einer Düsenbaugruppe,
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2 einen
Ausschnitt der Düsenbaugruppe gemäß 1 mit
einer Düsennadel
in einer ersten Position,
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3 ebenfalls
einen Ausschnitt der Düsenbaugruppe
mit der Düsennadel
in einer Schließposition,
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4 eine
Vergrößerung eines
Teilbereichs der 2 und
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5 eine
weitere Ausführungsform
der Düsenbaugruppe.
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Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Ein
Ventil (1), das bevorzugt als Einspritzventil,
insbesondere zum Zumessen von Diesel-Kraftstoff in den Brennraum
eines Zylinders einer Brennkraftmaschine ausgebildet ist, umfasst
ein Injektorgehäuse 1,
einen Düsenkörper 2 und
einen Injektorkörper 4.
Der Injektorkörper 4 nimmt
einen Aktuator auf, der bevorzugt als Piezoaktuator ausgebildet
ist. Der Piezoaktuator 6 besteht bevorzugt aus einem Stapel
an piezoelektrischen Elementen, die sich beim Zuführen von
elektrischer Energie in axialer Richtung bezogen auf das Ventil
ausdehnen.
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Der
Piezoaktuator wirkt ein auf einen Übertrager 8, der wiederum
auf ein Servoventil 10 einwirkt. Mittels des Servoventils 10 ist
ein Druck in einem Steuerraum 12 einstellbar durch entsprechendes
Absteuern von Fluid in einen Leckageraum 11, der in dem
Injektorkörper 4 ausgebildet
ist. Abhängig von
dem Druck in dem Steuerraum 12 geben dann eine äußere Düsennadel 13 und/oder
eine innere Düsennadel 14,
die in einer Ausnehmung 16 des Injektorkörpers 4 angeordnet
sind, eine erste Reihe der Spritzlöcher 28 und/oder eine
zweite Reihe der Spritzlöcher 30 frei
oder verschließen
sie. Die innere und äußere Düsennadel 14, 13 und
der ihnen zugeordnete Antriebsmechanismus sind so ausgebildet, dass
zumindest der Kraftstofffluss durch die erste Reihe der Spritzlöcher 28 gesteuert
werden kann, wenn gleichzeitig der Kraftstofffluss durch die zweite Reihe
der Spritzlöcher 30 unterbunden
ist.
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Bevorzugt
ist ferner eine Feder 18 vorgesehen, die die äußere Düsennadel 13 in
ihre Schließposition
vorspannt, in der sie beispielsweise die erste Reihe der Spritzlöcher 28 verschließt.
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Das
Ventil umfasst ferner eine Hochdruckbohrung 36, über die
Kraftstoff unter hohem Druck, beispielsweise 2000 bar zugeführt wird.
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Der
Düsenkörper 2 und
die äußere und
innere Düsennadel 13, 14 bilden
eine Düsenbaugruppe. Die
innere Düsennadel 14 ist
bevorzugt koaxial in einer axialen Ausnehmung 13a der äußeren Düsennadel 13 geführt.
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Das
Unterbinden des Kraftstoffflusses durch die erste Reihe der Spritzlöcher 28 in
der Schließposition
der äußeren Düsen nadel
erfolgt durch ein Zusammenwirken einer ersten Dichtkante 20 und
einer zweiten Dichtkante 24, die an der äußeren Düsennadel 13 ausgebildet
sind mit einer Sitzfläche 22 des Düsenkörpers 2.
Die Sitzfläche 22 ist
bevorzugt, wie in der 2 dargestellt, als Konusmantelfläche ausgebildet.
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Die
erste Dichtkante 20 (4) dichtet
radial außerhalb
einer Mündung
der ersten Reihe der Spritzlöchern 28 im
Zusammenwirken mit der Sitzfläche 22.
Die zweite Dichtkante 24 dichtet radial innerhalb bezogen
auf eine Achse A der Mündung
der ersten Reihe der Spritzlöchern 28 im
Zusammenwirken mit der Sitzfläche 22.
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In
der Detaildarstellung der 4 ist die äußere Düsennadel 13 kurz
vor Erreichen der Schließposition
dargestellt. Die zweite Dichtkante 24 hat einen Überstand
U im Vergleich zu der ersten Dichtkante 20 und zwar bezogen
auf eine Normale einer Tangentialebene auf die Sitzfläche 22,
also senkrecht zu der in dem Schnitt der Düsenbaugruppe gemäß 4 dargestellten
Linie der Sitzfläche 22.
Der Überstand
beträgt
bevorzugt bis zu 5 μm,
er kann jedoch nach den jeweiligen Gegebenheiten auch geringer eingestellt
sein. Bevorzugt beträgt
der für
die Herstellung vorgegebene Sollwert für den Überstand U zwischen 3 und 4 μm.
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Die
zweite Dichtkante 24 hat eine geringere Steifigkeit und
damit höhere
Flexibilität
als die erste Dichtkante 20. Die Flexibilität der ersten
und zweiten Dichtkante 20, 24 kann besonders einfach
durch die Dicke des Materials der äußeren Düsennadel 13 in Richtung
der Normalen zu der oben genannten Tangentialebene eingestellt werden.
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Wesentlich
für eine
gute Dichtwirkung beider Dichtkanten 20, 24 ist,
dass die flexibler ausgebildete Dichtkante den Überstand U im Vergleich zu
der steiferen Dichtkante aufweist. Dadurch wird, z.B. im Falle dass
die zweite Dichtkante 24 flexibler ist, beim Bewegen der äußeren Düsennadel 13 in
ihre Schließposition
zuerst die zweite Dichtkante 24 in Kontakt kommen mit der
Sitzfläche 22 und
sich dann im weiteren Verlauf der Bewegung der äußeren Düsennadel 13 hin zu
ihrer Schließposition
elastisch verformen, bis auch die erste Dichtkante 20 in
Anlage mit der Sitzfläche 22 ist.
Bei geeigneter Dimensionierung des Überstandes U können so
auch entsprechende Herstellungstoleranzen ermöglicht werden und gleichzeitig
eine sehr gute Dichtung der ersten Reihe der Spritzlöcher 28 gewährleistet
werden, wenn die äußere Düsennadel 13 in
ihrer Schließposition
ist.
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Besonders
einfach kann die zweite Dichtkante 24 als die flexiblere
Dichtkante ausgebildet sein, wenn die axiale Ausnehmung 13a in
der äußeren Düsennadel 13 vorgesehen
ist. Gegebenenfalls kann die Flexibilität der zweiten Dichtkante 24 auch
durch das Vorsehen einer Ringnut 38 besonders günstig eingestellt
werden. Die Ringnut kann an einem halbkreisförmigen Querschnitt oder auch
einem beliebig anderen Querschnitt haben, so z.B. einem rechteckförmigen oder
ellipsoiden querschnitt.
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Es
hat sich gezeigt, dass eine besonders günstige Dichtwirkung erreicht
werden kann, wenn das Verhältnis
der Steifigkeiten der ersten und zweiten Dichtkante 20, 24 zwischen
1:5 bis 1:50, bevorzugt 1:10, beträgt.
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In 3 ist
die Düsenbaugruppe
dargestellt, wenn die äußere Düsennadel 13 sich
in ihrer Schließposition
befindet.
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Im
Falle, dass auch auf der inneren Düsennadel 14 entsprechende
erste und zweite Dichtkanten zum Abdichten der zweiten Reihe an
Spritzlöchern 30 aufweist,
sind diese auch entsprechend mit Überstand und unterschiedlicher
Flexibilität
ausgebildet.
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5 zeigt
eine alternative Ausführungsform
einer Düsenbaugruppe,
bei der im Unterschied zu der ersten Ausführungsform keine Registerdüse vorgesehen
ist, sondern lediglich eine Düsennadel 42 vorgesehen
ist, die eine Reihe von Einspritzlöchern 28 ebenfalls
durch das Zusammenwirken der Sitzfläche 22 des Düsenkörpers 2 mit
einer entsprechenden ersten und zweiten Dichtkante der Düsennadel 42 abdichtet.
Auch diese ersten und zweiten Dichtkanten sind entsprechend zu den
ersten und zweiten Dichtkanten 20, 24 der ersten
Ausführungsform
ausgebildet.