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Die
Erfindung betrifft eine Düsenbaugruppe und
ein Einspritzventil mit einem Injektorgehäuse, in dem eine Düsenbaugruppe
angeordnet ist. Die Düsenbaugruppe
hat einen Düsenkörper, in
dem mindestens ein Einspritzloch ausgebildet ist, und eine Düsennadel,
die in ihrer Schließposition
einen Fluidfluss durch das Einspritzloch verhindert und in sonstigen
Positionen den Fluidfluss durch das Einspritzloch freigibt.
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Immer
strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich der zulässigen Schadstoffemissionen
von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind,
machen es erforderlich, diverse Maßnahmen vorzunehmen, durch
die die Schadstoffemissionen gesenkt werden. Ein Ansatzpunkt hierbei ist,
die von der Brennkraftmaschine erzeugten Schadstoff-Emissionen zu
senken. Wesentlich hierfür
ist, dass die der Brennkraftmaschine zugeordneten Kraftstoffeinspritzventile
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.
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Aus
der
DE 103 31 832
A1 ist eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung bekannt, welche
einen homogenen Ladungsdüsenauslasssatz
und einen konventionellen Düsenauslasssatz
aufweist, und zwar jeweils gesteuert durch erste und zweite Nadelventilglieder. Eines
der Nadelventilglieder bewegt sich in eine offene Position, während das
andere Nadelventilglied stationär
für ein
homogenes Ladungseinspritzereignis bleibt. Das erstgenannte Nadelventilglied
bleibt stationär,
während
das andere Nadelventilglied sich in eine offene Position bei einem
konventionellen Einspritzereignis bewegt. Eines der Nadelventilglieder ist
mindestens teilweise in dem anderen Nadelventilglied positioniert.
Auf diese Weise kann die Einspritzvorrichtung homogene Ladungseinspritzergebnisse ausführen, ferner
konventionelle Einspritzereignisse oder sogar eine gemischte Betriebsart
von beiden Arten von Einspritzereignissen in einem einzigen Motorzyklus
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Die
DE 39 14 636 A1 zeigt
eine Vorrichtung zum kombinierten Ausblasen von Kraftstoff und Luft für Kraftstoffeinspritzanlagen
von Brennkraftmaschinen. Sie weist ein Gehäuse mit einem Kraftstoff- und Luftanschluss
und eine mit diesen verbundene Ausblasöffnung auf sowie zwei im Gehäuse angeordnete,
von einem Elektromagneten betätigte
Ventile. Um durch synchron getaktetes Zumessen von Kraftstoff und
Luft das Mischverhältnis
allein durch die Öffnungsdauer
der Ventile bestimmen zu können,
sind beide Ventile konzentrisch zueinander unmittelbar an der Ausblasöffnung angeordnet.
Das Ventilglied des Luftventils und der Ventilsitz des Kraftstoffventils
werden gemeinsam von einem mit dem Elektromagneten betätigten Hohlschaft
getragen. Zum Ventilöffnen hebt
das Ventilglied des Luftventils nach innen und das Ventilglied des
Kraftstoffventils nach außen
ab und ist im Hub des Ventilglieds des Kraftstoffventils ein Hubanschlag
derart angeordnet, dass der maximale Hubweg des Hohlschaftes größer ist
als der des Ventilglieds des Kraftstoffventils.
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Aus
der
DE 103 15 820
A1 ist 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.
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Der
Düsenkörper hat
eine erste Reihe von Einspritzöffnungen
und axial beabstandet dazu eine zweite Reihe von Einspritz öffnungen.
In einer Ausnehmung des Düsenkörpers ist
eine Ventilhohlnadel längs
verschiebbar angeordnet. Die Ventilhohlnadel weist eine Längsbohrung
auf, die konzentrisch zur Längsachse
der Ventilhohlnadel ausgebildet ist und sich über deren gesamte Länge erstreckt.
In der Längsbohrung
ist eine Ventilnadel längs
verschiebbar angeordnet. Die Ventilhohlnadel weist einen ersten
Dichtbereich und einen zweiten Dichtbereich auf, in denen jeweils
Dichtkanten ausgebildet sind. Die Ventilhohlnadel ist so angeordnet,
dass sie in ihrer Schließposition
einen Fluidfluss durch die äußeren Einspritzöffnungen
verhindert und in sonstigen Positionen den Fluidfluss durch die äußeren Einspritzöffnungen
frei gibt. Die Ventilnadel verhindert in ihrer Schließposition
einen Fluidfluss durch die inneren Einspritzöffnungen und gibt in sonstigen
Positionen den Fluidfluss durch die inneren Einspritzöffnungen frei.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Düsenbaugruppe und ein Einspritzventil
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 gemäß eines ersten
Aspekts durch eine Düsenbaugruppe
mit einem Düsenkörper, der
eine Düsennadelausnehmung umfasst,
der mindestens eine Einspritzlochreihe mit mindestens einem Einspritzloch
umfasst und der einen ersten Sitzbereich und einen zweiten Sitzbereich umfasst,
die in einer Wandung der äußeren Düsennadelausnehmung
ausgebildet sind. Der erste Sitzbereich schließt mit einer Mittelachse der
Düsennadelausnehmung
einen ersten Winkel ein.
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Der
erste Sitzbereich ist radial außerhalb
von dem zweiten Sitzbereich ausgebildet. Ein erster Sitzwinkel ist
der zweifache erste Winkel. Der zweite Sitzbereich schließt mit der
Mittelachse einen zweiten Winkel ein. Ein zweiter Sitzwinkel ist
der zweifache zweite Winkel, und der erste Sitzwinkel ist kleiner als
180° und
der zweite Sitzwinkel ist größer als
180°. Die
ersten und zweiten Winkel sind jeweils die Winkel zwischen der Mittelachse
und einer jeweiligen Schnittlinie des ersten bzw. zweiten Sitzbereichs,
wobei die ersten und zweiten Winkel jeweils ausgehend von der Mittelachse
im Uhrzeigersinn hin zu der jeweiligen Schnittlinie gegeben sind.
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Eine
Düsennadel
ist axial beweglich in der äußeren Düsennadelausnehmung
angeordnet und hat eine erste Dichtgeometrie, die in einer Schließposition
der Düsennadel
radial außerhalb
der Einspritzlochreihe mit dem ersten Sitzbereich dichtend koppelt.
Sie hat eine zweite Dichtgeometrie, die in der Schließposition
der Düsennadel
radial innerhalb der Einspritzlochreihe mit dem zweiten Sitzbereich
dichtend koppelt. Die Düsennadel
unterbindet einen Fluidfluss durch die Einspritzlochreihe in der
Schließposition
und gibt diesen ansonsten frei. Durch die ersten und zweiten Sitzwinkel
ist einfach gewährleistet, dass Änderungen
an effektiven Dichtdurchmessern im Bereich der Dichtgeometrie, die
verursacht sind durch elastische Verformungen und Verschleiß an der
Dichtgeometrie, stark reduziert sind. Darüber hinaus führt ein
Verschleiß der
Dichtgeometrie lediglich zu einem in Richtung hin zu dem Einspritzlochkreis verlagerten
Dichtkreisdurchmesser und somit ist einfach auch über eine
lange Betriebsdauer ein zuverlässiges
Unterbinden des Fluidflusses in der Schließposition sichergestellt und
auch ein gleich bleibendes Ansteuerverhalten in Bezug auf die Düsennadel
gewährleistet.
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Gemäß eines
zweiten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Düsenbaugruppe
mit einem Düsenkörper, umfassend
eine Düsennadelausnehmung,
mindestens eine Einspritzlochreihe mit mindestens einem Einspritzloch
und eine erste und zweite Dichtgeometrie, die in einer Wandung der äußeren Düsennadelausnehmung
ausgebildet sind. Die Düsenbaugruppe
hat eine Düsennadel,
die axial beweglich in der äußeren Düsennadelausnehmung angeordnet
ist. Die Düsennadelausnehmung
hat einen ersten Sitzbereich und einen zweiten Sitzbereich. Der
erste Sitzbereich schließt
mit einer Mittelachse der Düsennadelausnehmung
einen ersten Winkel ein. Der erste Sitzbereich ist radial außerhalb von
dem zweiten Sitzbereich ausgebildet. Ein erster Sitzwinkel ist der
zweifache erste Winkel. Der zweite Sitzbereich schließt mit der
Mittelachse einen zweiten Winkel ein. Ein zweiter Sitzwinkel ist
der zweifache zweite Winkel. Der erste Sitzwinkel ist kleiner als 180° und der
zweite Sitzwinkel ist größer als
180°.
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Die
erste Dichtgeometrie ist so ausgebildet, dass sie in der Schließposition
der Düsennadel
radial außerhalb
der Einspritzlochreihe mit dem ersten Sitzbereich dichtend koppelt.
Die zweite Dichtgeometrie ist so ausgebildet, dass sie in der Schließposition
der Düsennadel
radial innerhalb der Einspritzlochreihe mit dem zweiten Sitzbereich
dichtend koppelt und die Düsennadel
in der Schließposition
einen Fluidfluss durch die Einspritzlochreihe unterbindet und ihn
ansonsten freigibt. Der zweite Aspekt korrespondiert zu dem ersten
Aspekt hinsichtlich seiner Wirkung und seiner Vorteile.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt der erste Sitzwinkel zwischen
40° und
160°. Dadurch
kann eine besonders hohe Unabhängigkeit
der Düsenbaugruppe
bezüglich ihres
Fluidzumessverhaltens von Verschleiß oder elastischen Verformungen
der Düsennadel
oder des Düsenkörpers gewährleistet
werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt der zweite
Sitzwinkel zwischen 220° und
340°. Dadurch
kann eine besonders hohe Unabhängigkeit
der Düsenbaugruppe
bezüglich
ihres Fluidzumessverhaltens von Verschleiß oder elastischen Verformungen
der Düsennadel
oder des Düsenkörpers gewährleistet
werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der erste
und zweite Sitzwinkel so ausgebildet, dass eine Summe des ersten und
zweiten Sitzwinkels kleiner als 360° ist. Dies hat den Vorteil,
dass sich in der Schließposition
der Düsennadel
eine besonders günstige
Kraftverteilung im Hinblick auf eine dauerhafte, auch nach längerem Betrieb
noch äußerst präzise dichtende
Schließposition
ergibt.
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Gemäß eines
weiteren Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Einspritzventil
mit einem Injektorgehäuse
(1), mit einem Aktuator zum Beeinflussen einer Position
einer Düsennadel
(5) und der Düsenbaugruppe.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Einspritzventil mit einer Düsenbaugruppe,
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2 einen
Teil der Düsenbaugruppe
gemäß 1 in
einer ersten Ausführungsform
außerhalb
einer Schließposition,
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3 eine
Vergrößerung eines
Teils des in der 2 dargestellten Ausschnitts
der Düsenbaugruppe,
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4 die
erste Ausführungsform
der Düsenbaugruppe
in einer Schließposition
und
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5 eine
Vergrößerung eines
Teilbereichs einer zweiten Ausführungsform
der Düsenbaugruppe.
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Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Ein
Einspritzventil (1) umfasst ein Injektorgehäuse 1,
das eine Düsenbaugruppe
mit einem Injektorkörper 3 koppelt.
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Ein
Düsenkörper 2 hat
eine äußere Düsennadelausnehmung 6,
in der eine äußere Düsennadel 5 axial
beweglich angeordnet ist. Die äußere Düsennadel 5 hat
eine innere Düsennadelausnehmung 7,
in der eine innere Düsennadel 4 angeordnet
ist. Ein Hubaktuator, der als Piezoaktuator 13 ausgebildet
ist, ist in dem Injektorkörper 3 angeordnet
und über
einen Übertrager 14 mit
einem Schaltventil 15 gekoppelt.
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Das
Schaltventil koppelt einen Leckageraum 16 mit einem Steuerraum 17 abhängig von
seiner Schaltstellung. Das Schaltventil kann im Zusammenwirken mit
dem Steuerraum so ausgebildet sein, dass die innere und äußere Düsennadel 4, 5 quasi
unabhängig
voneinander betätigbar
sind.
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In
einer Schließposition
der äußeren Düsennadel 5 unterbindet
diese einen Fluidfluss durch eine erste Einspritzlochreihe, von
der in dem Schnitt der 1 ein erstes Einspritzloch 22 dargestellt
ist. Bewegt sich die äußere Düsennadel 5 axial
aus ihrer Schließposition
heraus, so gibt sie einen Fluidfluss durch die erste Einspritzlochreihe
frei. Die erste Einspritzlochreihe kommuniziert dann direkt mit
einer Hochdruckbohrung 19, die mit einer Kraftstoffversorgung
koppelbar ist. Die Hochdruckbohrung 19 ist während des
Betriebs des Einspritzventils bevorzugt mit einem Hochdruckkraftstoffspeicher
eines Common-Rail-Systems hydraulisch gekoppelt. Sie kann jedoch
auch beispielsweise mit einem System gekoppelt werden, das nur zeitnah
zu einem gewünschten
Einspritzvorgang den hohen Druck erzeugt, wie dies beispielsweise
bei einer Pumpe-Düse-Vorrichtung
der Fall ist.
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Die
Position der äußeren Düsennadel 5 hängt ab von
einer Bilanz aus Kräften,
die einerseits hervorgerufen sind durch eine Feder 18,
die eine Kraft in Richtung der Schließposition auf die äußere Düsennadel 5 ausübt und andererseits
der Summe hydraulischer, durch den Fluiddruck hervorgerufener Kräfte, die
auf die äußere Düsennadel 5 einwirken.
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Über eine
Kontaktfläche
der äußeren Düsennadel 5,
die dem Steuerraum 17 zugewandt ist, wird abhängig von
dem Druck in dem Steuerraum 17 eine schließende Kraft
auf eine in Richtung der Schließposition
wirkende Kraft auf die äußere Düsennadel 5 ausgeübt. Dem
entgegen wirken Kräfte,
die durch den Fluiddruck entgegen der Schließrichtung über einen Hochdruckabsatz und
auch dem ersten Einspritzloch 22 zugewandten Endbereich
der äußeren Düsennadel 5 hervorgerufen
werden.
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In
einer Schließposition
der inneren Düsennadel 4 unterbindet
diese einen Fluidfluss durch eine zweite Einspritzlochreihe, von
der in dem Schnitt der 1 ein zweites Einspritzloch 23 dargestellt
ist. Ansonsten gibt die innere Düsennadel 4 den
Fluidfluss durch die zweite Einspritzlochreihe frei. Au ßerhalb der
Schließposition
ist auch die zweite Einspritzlochreihe mit der Hochdruckbohrung 19 hydraulisch
gekoppelt.
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Die
Position der inneren Düsennadel 4 hängt ab von
einer auf sie in Richtung der Schließposition einwirkenden Federkraft,
hervorgerufen von einer der inneren Düsennadel zugeordneten Feder
und der Summe der durch den Fluiddruck hervorgerufenen hydraulischen
Kräfte,
die auf die innere Düsennadel 4 einwirken.
Die innere Düsennadel 4 hat
eine Kontaktfläche,
die an den Steuerraum 17 angrenzt und über die abhängig von dem Fluiddruck in
dem Steuerraum 17 eine in Richtung der Schließposition
wirkende Kraft auf die innere Düsennadel 4 eingekoppelt
wird. Darüber
hinaus ist die innere Düsennadel 4 auch
mit einem Hochdruckabsatz versehen, der mit dem Fluiddruck des Fluids
in der Hochdruckbohrung 19 beaufschlagt ist und über den
eine entgegen der Schließposition
wirkende Kraft eingekoppelt wird. Darüber hinaus wird abhängig von
der Position der inneren Düsennadel 4 auch über deren
der Kontaktfläche
abgewandten axialen Endbereich eine durch den dort herrschenden
Fluiddruck hervorgerufene Kraft eingeprägt.
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In
einer Wandung 38 der äußeren Düsennadelausnehmung 6 sind
ein erster Sitzbereich 24 und ein zweiter Sitzbereich 25 ausgebildet.
Der erste Sitzbereich 24 ist bezogen auf eine Mittelachse 27 der Düsennadelausnehmung 6 in
der äußeren Düsennadelausnehmung 6 radial
außerhalb
von dem zweiten Sitzbereich 25 ausgebildet. Der erste Sitzbereich 24 schließt mit der
Mittelachse 27 einen ersten Winkel ein. Der erste Winkel
ALPHA1 erstreckt sich von der Mittelachse 27 im Uhrzeigersinn
hin zu einer Schnittgeraden des ersten Sitzbereichs 24 in
dem Schnitt gemäß der 2.
Im Falle der Ausbildung des Sitzbereichs 24 als Konus ist
die Schnittgerade eine Konusgerade.
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Der
zweite Sitzbereich 25 schließt mit der Mittelachse 27 einen
zweiten Winkel ALPHA2 ein. Der zweite Winkel ALPHA2 erstreckt sich
ausgehend von der Mittelachse 27 im Uhrzeigersinn hin zu
einer Schnittgeraden des zweiten Sitzbereichs 25. Im Falle einer
konusförmigen
Ausbildung des zweiten Sitzbereichs 25 ist die Schnittgerade
auch eine Konusgerade.
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Der
zweifache erste Winkel ALPHA1 ist im Folgenden als erster Sitzwinkel
bezeichnet. Der zweifache zweite Winkel ALPHA2 ist im Folgenden als
zweiter Sitzwinkel bezeichnet. Der erste Sitzwinkel beträgt bei der
Ausführungsform
gemäß 2 60°. Der zweite
Sitzwinkel beträgt
bei der Ausführungsform
gemäß der 2 250°. Die ersten
und zweiten Sitzwinkel können
jedoch auch andere Werte haben. Der erste Sitzwinkel ist kleiner
als 180° und der
zweite Sitzwinkel ist größer als
180°. Bevorzugt betragen
der erste Sitzwinkel zwischen 40° und
160° und/oder
der zweite Sitzwinkel zwischen 220° und 340°.
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An
der äußeren Düsennadel 5 ist
eine erste Dichtgeometrie 20 ausgebildet, die in der Schließposition
der äußeren Düsennadel 5 radial
außerhalb
der ersten Einspritzlochreihe mit dem ersten Sitzbereich 24 dichtend
koppelt. Ferner hat die äußere Düsennadel 5 eine
zweite Dichtgeometrie 21, die in der Schließposition
der äußeren Düsennadel 5 radial
innerhalb der ersten Einspritzlochreihe mit dem zweiten Sitzbereich 25 dichtend
koppelt. Auf diese Weise ist gewährleistet,
dass in der Schließposition
der äußeren Düsennadel 5 der
Fluidfluss durch die erste Einspritzlochreihe unterbunden ist. Bevorzugt
sind die ersten und zweiten Dichtgeometrien 20, 21 als Dicht kanten
ausgebildet. Sie können
jedoch auch beispielsweise als Dichtflächen ausgebildet sein oder auf
eine andere, dem Fachmann bekannte, Art und Weise ausgebildet sein.
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Durch
die Ausgestaltung der ersten und zweiten Sitzwinkel ist einfach
gewährleistet,
dass Änderungen
an einem effektiven Dichtdurchmesser, verursacht durch elastische
Verformungen und Verschleiß an
der ersten oder zweiten Dichtgeometrie 20, 21 sehr
stark reduziert sind.
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Befindet
sich die äußere Düsennadel 5 in
ihrer Schließposition,
so ruft die in Richtung der Schließposition resultierende Kraft,
hervorgerufen durch die Summe der hydraulischen Kräfte und
der durch die Feder 18 auf die äußere Düsennadel hervorgerufene Kraft, über die
Kopplung mit den ersten und zweiten Sitzbereichen 24, 25 an
den ersten und zweiten Dichtgeometrien 20, 21 radial
entgegengesetzt zueinander wirkende Kräfte hervor, die zu einem zuverlässig dichtenden
Sitz der äußeren Düsennadel 5 in
der Schließposition
beitragen.
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Bevorzugt
sind der erste und zweite Sitzwinkel so ausgebildet, dass eine Summe
des ersten und zweiten Sitzwinkels kleiner als 360° ist.
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In
der 2 ist die Düsennadel 5 außerhalb ihrer
Schließposition
dargestellt. Das Gleiche gilt für die 3.
In der 4 ist hingegen die äußere Düsennadel 5 in ihrer
Schließposition
dargestellt.
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Alternativ
können
der erste Sitzbereich und der zweite Sitzbereich auch an der äußeren Düsennadel 5 ausgebildet
sein, wie dies anhand der 5 dargestellt
ist, wobei dann dem ersten und zweiten Sitzbereich die Bezugszeichen 30, 32 zuge ordnet sind.
In diesem Fall sind dann erste und zweite Dichtgeometrien 34, 36 in
der Wandung 38 der äußeren Düsennadelausnehmung
angeordnet.
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Die
Düsenbaugruppe
umfasst den Düsenkörper 2,
und die innere und äußere Düsennadel 4,5.