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Die
Erfindung betrifft eine Einspritzdüse, insbesondere eine Kraftstoffeinspritzdüse für einen
Verbrennungsmotor, mit einem Düsenkörper und
einer in einer Ausnehmung des Düsenkörpers in
axialer Richtung beweglichen Düsennadel,
wobei die Düsennadel
einen Sitzteil aufweist, der in einem Schließzustand entlang einer ringförmigen Kontaktfläche gegen
eine in Richtung eines Düsenaustritts konisch
verjüngte
innere Umfartgsfläche
des Düsenkörpers anliegt.
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Eine
Kraftstoffeinspritzdüse
dieser Art ist aus der
DE
103 28 331 A1 bekannt. Bei dieser Einspritzdüse weist
die Düsennadel
in der Nähe
ihres austrittseitigen Endes ein Sitzelement auf, dessen konisch verjüngte Umfangsfläche im Flächenkontakt
gegen eine komplementäre
konisch verjüngte
innere Umfangsfläche
des Düsenkörpers anliegt.
Wenn der eintritts- und/oder austrittseitige Begrenzungsrand der konischen
Umfangsfläche
des Sitzelements nicht verrundet ist, kann es bei der bekannten
Kraftstoffeinspritzdüse
jedoch an diesen Stellen über
die Zeit zu einem Verschleiß der
inneren Umfangsfläche
des Düsenkörpers kommen.
Ursache dafür
sind erhöhte Flächenpressungen
im Bereich dieser Begrenzungsränder
infolge von betriebsbedingten Verformungen des Düsenkörpers und/oder der Düsennadel,
die beim intermittierenden Anpressen der Düsennadel zu starken lokalen
Beanspruchungen der inneren Umfangsfläche des Düsenkörpers führen können.
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Ähnliche
Probleme treten auch bei einem in der
DE 103 28 331 A1 beschriebenen
Stand der Technik auf, bei dem die Kontaktfläche von einem schmalen Grat
zwischen zwei unterschiedlich geneigten konischen Umfangsflächen einer
verjüngten Spitze
der Düsennadel
gebildet wird. Aufgrund der sehr schmalen Kontaktfläche kann
es zudem im Schließzustand
zu Undichtigkeiten im Ventilsitz und im Öffnungszustand infolge der
verhältnismäßig kleinen,
an den Ventilsitz angrenzenden Sitzwinkel zum Auftreten von Kavitationserscheinungen
kommen.
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Ausgehend
hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einspritzdüse der eingangs genannten
Art dahingehend zu verbessern, dass eine Zerstörung der inneren Umfangsfläche des
Düsenkörpers infolge
von Verformungen des letzteren und/oder der Düsennadel während ihres intermittierenden
Kontakts verhindert wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Kontaktfläche
Teil einer zur inneren Umfangsfläche
des Düsenkörpers hin
ballig gerundeten und in Richtung des Düsenaustritts verjüngten Umfangsfläche des
Sitzteils ist.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, einer Erhöhung der Flächenpressung im Bereich des Ventilsitzes
durch die ballig gerundete Form der Umfangsfläche des Sitzteils entgegenzuwirken,
so dass auch im Falle einer Verformung des Düsenkörpers und/oder der Düsennadel
im Bereich des Ventilsites ein großflächiger Kontakt derselben gewährleistet bleibt.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass sich die
ballig gerundete Umfangsfläche
eintritts- und austrittseitig so weit über die berechnete Kontaktfläche hinaus
erstreckt, dass die maximalen betriebsbedingter Verformungen des Düsenkörpers und/oder
der Düsennadel
in deren Schließzustand
nicht zu einer Verlagerung der Kontaktfläche über die Begrenzungen der ballig
gerundeten Umfangsfläche
hinaus führen
können.
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Die
berechnete Kontaktfläche
befindet sich vorzugsweise etwa in der Mitte der Balligen Umfangsfläche, kann
jedoch auch etwas in Richtung eines Düseneintritts versetzt sein,
um einen möglichst großen Abstand
zwischen der Kontaktfläche
und einer die ballige Umfangsfläche
austrittsseitig begrenzenden umlaufenden Kante zu schaffen, deren
Kontakt mit dem Düsenkörper in
jedem Fall verhindert werden soll.
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Um
einen Kontakt zwischen dieser Kante und der inneren Umfangsfläche des
Düsenkörpers sicher
zu verhindern, kann es auch vorteilhaft sein, wenn die ballig gerundete
Umfangsfläche
austrittsseitig von der Kontaktfläche einen in Strömungsrichtung
zunehmenden Krümmungsradius
aufweist, weil so der radiale Abstand zwischen der Kante und der inneren
Umfangsfläche
des Düsenkörpers über eine kürzere axiale
Länge vergrößert werden
kann. Außerdem
erweitert sich dadurch der Strömungsquerschnitt
hinter dem Ventilspalt schneller, wodurch einer Kavitation des Kraftstoffs
in diesem Bereich entgegenwirkt werden kann. Allerdings kann die
gerundete Umfangsfläche
der Düsen nadel
austrittseitig von der Kontaktfläche
grundsätzlich
auch einen gleichbleibenden oder in Strömungsrichtung abnehmenden Krümmungsradius
aufweisen.
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Eintrittsseitig
von der Kontaktfläche
weist die ballig gerundete Umfangsfläche zweckmäßig eher einen von der Kontaktfläche aus
entgegen der Strömungsrichtung
abnehmenden Krümmungsradius auf,
wodurch der Sitzwinkel eintrittsseitig von der Kontaktfläche verkleinert
und so im Schließzustand der
Düsennadel
eine größere Dichtheit
erzielt werden kann. Allerdings kann die gerundete Umfangsfläche der
Düsennadel
eintrittseitig von der Kontaktfläche
grundsätzlich
auch einen gleichbleibenden oder in Richtung eines Schaftteils der
Düsennadel
zunehmenden Krümmungsradius
aufweisen.
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Um
im Öffnungszustand
der Düsennadel
Kavitationserscheinungen im Bereich des düsennadelseitig von der Kontaktfläche begrenzten
Ventilspalts zu vermeiden, weist die Düsennadel austrittseitig von der
ballig gerundeten Umfangsfläche
zweckmäßig eine
Eindrehung auf. In dieser kann sich im Öffnungszustand der Düsennadel
ein Wirbel bilden, der einen Teil des durch den Ventilspalt hindurchgetretenen
Kraftstoffs zurück
in Richtung des Ventilspalts lenkt und damit in diesem Bereich für eine Kavitationserscheinungen
entgegenwirkende Druckerhöhung
sorgt. Die Eindrehung weist vorzugsweise die Form einer Hohlkehle
mit einem konkav gerundeten Querschnitt auf und grenzt entlang der
bereits erwähnten
umlaufenden Kante unmittelbar an den austrittsseitigen Begrenzungsrand
der ballig gerundeten Umfangsfläche
an.
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Austrittsseitig
von der Eindrehung ist die Düsennadel
zweckmäßig mit
einem Spitzenkegel versehen, der eine in Richtung des Düsenaustritts
konisch verjüngte
Umfangsfläche
aufweist. Der Neigungswinkel dieser konischen Umfangsfläche ist
zweckmäßig so gewählt, dass
sich der Querschnitt eines zwischen den Umfangsflächen des
Spitzenkegels und des Düsenkörpers gebildeten
Ringspalts in Richtung des Düsenaustritts
etwas erweitert.
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Die
Eindrehung oder Hohlkehle und der Spitzenkegel grenzen ebenfalls
entlang einer umlaufenden Kante aneinander, deren radialer Abstand
von der konischen inneren Umfangsfläche des Düsenkörpers kleiner sein kann als
der entsprechende radiale Abstand zwischen der austrittseitigen
Begrenzungskante der ballig gerundeten Umfangsfläche und der konischen inneren
Umfangsfläche
des Düsenkörpers, wodurch
im Öffnungszu stand
der Düsennadel die
Menge des in Richtung des Ventilspalts zurückgeführten Kraftstoffs beeinflusst
werden kann.
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Eintrittsseitig
von der ballig gerundeten Umfangsfläche weist die Düsennadel
vorzugsweise eine zylindrische Umfangsfläche auf, wobei die beiden Flächen zweckmäßig ohne
Unstetigkeit in einander übergehen.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand zweier in der Zeichnung dargestellter
Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
vergrößer Schnittansicht
eines Teils einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzdüse;
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2 eine
entsprechende Schnittansicht einer anderen ertindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzdüse.
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Die
beiden, in der Zeichnung nur teilweise dargestellten Kraftstoffeinspritzdüsen 1 eines
Injektors eines Dieselmotors umfassen in bekannter Weise einen Düsenkörper 2 und
eine in eine Bohrung 3 des Düsenkörpers 2 eingesetzte
Düsennadel 4,
die in axialer Richtung zwischen einem in den 1 und 2 dargestellten
Schließzustand
und einem nicht dargestellten Öffnungszustand
in der Bohrung 3 beweglich ist, um einen Hindurchtritt
von Kraftstoff durch die Düse 1 zu
blockieren bzw. zuzulassen.
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Die
Bohrung 3 des Düsenkörpers 2 verjüngt sich
an ihrem in der Zeichnung dargestellten unteren Ende kegelförmig in
Richtung einer oder vorzugsweise mehrerer Düsenaustrittsöffnungen
(nicht dargestellt), wobei ihre mit einer verschleißfesten
Carbidschicht 5 versehene konische innere Umfangsfläche 6 einen
Sitz für
die Düsennadel 4 bildet.
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Der
in der Zeichnung dargestellte Abschnitt der Düsennadel 4 besteht
im Wesentlichen aus einem zylindrischen Schaftteil 7 mit
einer an seinem unteren Ende ausgebildeten, im Wesentlichen kegelförmigen Spitze 8,
die einen an den Schaftteil 8 angrenzenden Sitzteil 9,
eine unterhalb des Sitzteils 9 eingeformte umlaufende Sitzkegelrille 10 und
einen unterhalb der Sitzkegelrille 10 angeordneten Spitzenkegel 11 umfasst.
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Der
Sitzteil 9 besitzt eine ballig gerundete Umfangsfläche 12,
die sich zu den Düsenöffnungen bzw.
zur Sitzkegelrille 10 und zum Spitzenkegel 11 hin
verjüngt.
Im Schließzustand
der Düsennadel 4 liegt
der Sitzteil 9 dichtend gegen die innere Umfangsfläche 6 des
Düsenkörpers 2 an,
und zwar entlang einer ringförmigen
Kontaktfläche 13 innerhalb der
ballig gerundeten Umfangsfläche 12,
wo die Düsennadel 4 in
ihrem Schließzustand
einen zwischen ihrem äußeren Umfang
und der inneren Umfangsfläche 6 des
Düsenkörpers 2 gebildeten
Ringspalt 14 dicht verschließt.
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Zum Öffnen der
Düse 1 wird
die Düsennadel 4 in
bekannter Weise entgegen der Kraft einer Schließfeder (nicht dargestellt)
vom Sitz 6 abgehoben, wodurch sich zwischen diesem und
der Kontaktfläche 13 ein
ringförmiger
Ventilspalt öffnet,
durch den der Kraftstoff zu den Düsenöffnungen und aus diesen in
den angrenzenden Zylinder des Dieselmotors strömen kann.
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Die
ballig gerundete Umfangsfläche 12 weist an
ihrem oberen, eintrittseitigen Ende einen Außendurchmesser auf, der dem
Außendurchmesser
einer zylindrischen Umfangsfläche 15 des
Schaftteils 7 entspricht und der im Schließzustand
der Düsennadel 4 etwas
kleiner als der Innendurchmesser eines radial gegenüberliegenden
Abschnitts der inneren Umfangsfläche 6 des
Düsenkörpers 2 ist,
so dass die Düsennadel 4 dort
in einem radialen Abstand vom Düsenkörper 2 gehalten
wird.
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An
ihrem unteren Ende wird die ballig gerundete Umfangsfläche 12 des
Sitzteils 9 durch eine ringförmige umlaufende Kante 16 begrenzt,
die den oberen Rand der im Querschnitt konkav gewölbten Sitzkegelrille 10 bildet.
Im Bereich dieser Kante 16 ist der Außendurchmesser der Düsennadel 4 kleiner
als der Innendurchmesser eines radial gegenüberliegenden Abschnitts der
inneren Umfangsfläche 6 des
Düsenkörpers 2,
so dass die Kante 16 in einem radialen Abstand vom Düsenkörper 2 angeordnet
ist.
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Die
axiale Länge
des Sitzteils 9 ist so gewählt, dass sich im Schließzustand
der Düsennadel 4 ihre
Kontaktfläche 13 am
Düsenkörper 2 unter
Berücksichtigung
jeglicher möglicher
betriebsbedingter Verformungen des Düsenkörpers 2 und/oder der
Düsennadel 4 stets
innerhalb der ballig gerundeten Umfangsfläche 12 befindet. Dadurch
kann erstens im Bereich der Kontaktfläche 13 für eine definierte,
nicht zu hohe Flächenpressung
zwischen der Düsennadel 4 und
dem Düsenkörper 2 gesorgt
werden. Zweitens erleichtert die Rundung Gleitbewegungen zwischen den
einander gegenüberliegenden
Umfangs flächen 12 bzw. 6 der
Düsennadel 4 und
des Düsenkörpers 2 im
Bereich des Ventilsitzes. Drittens wird verhindert, dass die umlaufende
Kante 16 zwischen dem Sitzteil 9 und der Sitzkegelrille 10 infolge
von betriebsbedingten Verformungen des Düsenkörpers 2 und/oder der
Düsennadel 4 in
Kontakt mit der inneren Umfangsfläche 6 des Düsenkörpers 2 treten
kann, was infolge von sehr hohen Flächenpressungen gegebenenfalls
zu einem "Fressen" der Düsennadel 4 führen könnte. Insgesamt
kann somit durch die ballig gerundete Umfangsfläche 12 des Sitzteils 9 verhindert
werden, dass die auf der inneren Umfangsfläche 6 des Düsenkörpers 2 ausgebildeten
Carbidschicht 5 infolge des alternierenden Kontakts mit
dem Sitzteil 9 mit der Zeit verschleißt oder zerstört wird,
was infolge einer unerwünschten
Veränderung
der Einspritzmengen einen Austausch des Injektors erforderlich machen
würde.
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Außerdem erweitert
sich im Öffnungszustand
der Düsennadel 4 der
Ventilspalt infolge der balligen Umfangsfläche 12 des Sitzteils 9 in
Strömungsrichtung
bis zur Sitzkegelrille 10 allmählich, wodurch einer Kavitation
des Kraftstoffs und dadurch bedingten Erosionsschäden entgegengewirkt
wird. Dazu trägt
auch die Sitzkegelrille 10 selbst bei, in welcher der Kraftstoff
im Öffnungszustand
der Düsennadel 4 einen
Wirbel bildet, so dass ein Teil des Kraftstoffs zum Ventilspalt
zurückgelenkt
und durch die dadurch bewirkte Druckerhöhung ebenfalls einem Auftreten
von Kavitationserscheinungen entgegengewirkt wird.
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Darüber hinaus
wird durch die ballige Rundung der Umfangsfläche 12 der eintrittsseitige
Sitzwinkel im Schließzustand
der Düsennadel 4 zur
Kontaktfläche 13 hin
zunehmend kleiner, wodurch wiederum die Dichtheit des Ventilsitzes
verbessert werden kann.
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Bei
der in 1 dargestellten Düsennadel 4 weist die
ballig gerundete Umfangsfläche 12 des Sitzteils 9 im
Querschnitt eine im Wesentlichen elliptische Gestalt auf, deren
Krümmungsradius
von der axialen Mitte des Sitzteils 9 bzw. der in diesem
Bereich gelegenen Kontaktfläche 13 aus
in Richtung der Sitzkegelrille 10 zunimmt und in Richtung
des Schaftteils 7 abnimmt, während bei der in 2 dargestellten
Düsennadel 4 die
Umfangsfläche 12 einen
Querschnitt in Form eines Kreisabschnitts mit einem über ihre
gesamte axiale Länge
gleichbleibenden Krümmungsradius
R besitzt. Beim Vergleich der beiden Ausführungsformen ist bei der Düsennadel 4 in 1 der
radiale Abstand zwischen der Kante 16 und der inneren Umfangsfläche 6 des
Düsenkörpers 2 größer, wodurch
ein Kontakt dieser Kante 16 mit der Umfangsfläche 6 mit
größerer Sicherheit
ver hindert werden kann. Zudem weitet sich der Ringspalt 14 hinter dem
Ventilsitz schneller auf, was eine Kavitation im Bereich des Ventilsitzes
sicherer verhindert, und weist eintrittsseitig einen kleineren Sitzwinkel
auf, was unter dem Aspekt der Dichtheit vorteilhaft ist. Der etwa
größere eintrittsseitige
Sitzwinkel bei der Ausführungsform
in 2 hat hingegen unter dem Aspekt der Kavitätsverhinderung
Vorteile und vereinfacht zudem einen stetigen Übergang der Umfangsfläche 15 des
Schaftteils 7 in die Umfangsfläche 12 des Sitzteils 9.
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An
die Sitzkegelrille 10 der Düsennadel 4 schließt sich
unmittelbar austrittsseitig der Spitzenkegel 11 an, der
eine zu den Düsenaustrittsöffnungen hin
verjüngte
konische Umfangsfläche 17 aufweist. Der
Neigungswinkel der konischen Umfangsfläche 17 in Bezug zur
Vertikalen ist etwas größer als
der entsprechende Neigungswinkel der konischen inneren Umfangsfläche 6 des
Düsenkörpers 2,
so dass sich der Spaltquerschnitt des Abschnitts des Ringspalts 14 zwischen
den Umfangsflächen 17 bzw. 6 des Sitzkegels 11 und
des Düsenkörpers 2 in
Richtung der Düsenaustrittsöffnungen
etwas erweitert.
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- 1
- Einspritzdüse
- 2
- Düsenkörper
- 3
- Bohrung
- 4
- Düsennadel
- 5
- Carbidschicht
- 6
- Umfangsfläche Düsenkörper
- 7
- Schaftteil
- 8
- Spitze
- 9
- Sitzteil
- 10
- Sitzkegelrille
- 11
- Spitzenkegel
- 12
- Umfangsfläche Sitzteil
- 13
- Kontaktfläche
- 14
- Ringspalt
- 15
- Umfangsfläche Schaftteil
- 16
- umlaufende
Kante
- 17
- Umfangsfläche Spitzenkegel