-
Die
Erfindung betrifft ein Einspritzventil, insbesondere eine Düsenbaugruppe
für das
Einspritzventil. Die Düsenbaugruppe
umfasst einen Düsenkörper und
eine Düsennadel.
Der Düsenkörper hat eine
Ausnehmung und bildet im Bereich einer Düsenkuppe einen kegelförmigen Sitzbereich.
Die Düsennadel
ist in der Ausnehmung des Düsenkörpers angeordnet.
Die Düsennadel
umfasst einen Sitzkegel und einen Spitzenkegel. Der Sitzkegel und
der Spitzenkegel bilden eine gemeinsame Kante und wirken in einer
Schließposition
der Düsennadel
zum Unterbinden eines Fluidflusses hin zu einem Einspritzloch des
Düsenkörpers mit
dem Sitzbereich des Düsenkörpers zusammen.
-
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 Schadstoffemissionen zu
senken. Die Bildung von Schadstoffen ist stark abhängig von
der Aufbereitung des Luft/Kraftstoff-Gemisches in dem jeweiligen
Zylinder der Brennkraftmaschine. Ein sehr präzises Zumessen des Kraftstoffes
kann daher dazu beitragen, die Schadstoffemissionen zu senken. Ebenso
kann eine verbesserte Gemischaufbereitung erreicht werden, wenn
der Kraftstoff unter sehr hohem Druck zugemessen wird. Im Falle
von Dieselbrennkraftmaschinen betragen die Kraftstoffdrücke bis
zu 2000 Bar. Bei derart hohen Kraftstoffdrücken ist ein Kraftstoffeinspritzsystem
der Brennkraftmaschine, beispielsweise ein Einspritzventil der Brennkraftmaschine,
sehr stark beansprucht. Daher müssen
regelmäßig Vorkehrungen
getroffen werden, um den Verschleiß des Kraftstoffeinspritzsystems,
insbesondere des Einspritzventils möglichst gering zu halten.
-
Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Einspritzventil und eine Düsenbaugruppe
für das
Einspritzventil zu schaffen, das bzw. die ein präzises Zumessen von Fluid über eine
lange Lebensdauer des Einspritzventils, insbesondere der Düsenbaugruppe ermöglicht.
-
Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale des unabhängigen
Anspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen
angegeben.
-
Die
Erfindung zeichnet sich aus durch ein Einspritzventil, insbesondere
durch eine Düsenbaugruppe
für das
Einspritzventil. Die Düsenbaugruppe umfasst
einen Düsenkörper und
eine Düsennadel. Der
Düsenkörper hat
eine Ausnehmung. Im Bereich einer Düsenkuppe bildet der Düsenkörper einen
kegelförmigen
Sitzbereich. Die Düsennadel
ist in der Ausnehmung des Düsenkörpers angeordnet.
Die Düsennadel
umfasst einen Sitzkegel und einen Spitzenkegel. Der Sitzkegel und
der Spitzenkegel bilden eine gemeinsame Kante. In einer Schließposition
der Düsennadel
wirken der Spitzenkegel und der Sitzkegel mit dem Sitzbereich des
Düsenkörpers zusammen zum
Unterbinden eines Fluidflusses hin zu einem Einspritzloch des Düsenkörpers. Der
Sitzkegel und der Spitzenkegel sind so ausgebildet, dass ein erster Winkel
zwischen dem Sitzkegel und dem Sitzbereich kleiner ist als ein zweiter
Winkel zwischen dem Spitzenkegel und dem Sitzbereich. Die Düsennadel
umfasst eine Ringnut. Die Ringnut erstreckt sich um den Umfang der
Düsennadel
und ist in dem Sitzkegel ausgebildet. Die Ringnut hat einen vorgegebenen Abstand
zu der Kante. Die Düsennadel
weist zumindest einen Druckentlastungsbereich auf, durch den die
Ringnut in der Schließposition
der Düsennadel mit
der Ausnehmung des Düsenkörpers stromaufwärts des
Sitzbereichs kommuniziert.
-
Der
kleinere Winkel des Sitzkegels bewirkt, dass mit zunehmenden Verschleiß der Düsennadel und
des Düsenkörpers eine
Dichtkante, an der die Düsennadel
und der Sitzbereich des Düsenkörpers dichtend
zusammenwirken, in axialer Richtung von der Düsenkuppe wegwandert. Dies wirkt
sich direkt auf ein hydraulisches Verhalten der Düsenbaugruppe aus,
da dadurch ein hydraulischer Sitzdurchmesser vergrößert wird.
Ferner wird dadurch eine Drosselwirkung des Sitzkegels verringert.
Die verringerte Drosselwirkung wirkt sich auch auf das hydraulische
Verhalten der Düsenbaugruppe
aus. Die Auswirkung des zunehmenden Sitzdurchmessers auf das hydraulische
Verhalten der Düsenbaugruppe
wirkt der Auswirkung auf das hydraulische Verhalten der Düsenbaugruppe
aufgrund der abnehmenden Drosselwirkung entgegen. Somit kompensieren
sich die Auswirkungen der wandernden Dichtkante und die Düsenbaugruppe
bleibt über
eine lange Lebensdauer der Düsenbaugruppe
hydraulisch stabil. Die Ringnut und der Druckentlastungsbereich
tragen dazu bei, das Wandern der Dichtkante durch die Ringnut zu
begrenzen. Dies trägt
zu einem präzisen
Zumessen eines Fluids durch das Einspritzventil über eine lange Lebensdauer
des Einspritzventils bei.
-
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Düsenbaugruppe umfasst der Druckentlastungsbereich zumindest
eine sich zumindest teilweise axial erstreckende Druckentlastungsnut.
Dies trägt
einfach dazu bei, dass auch bei anliegendem Sitzkegel das Fluid bis
zur Dichtkante vordringen kann.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Düsenbaugruppe ist der erste
Winkel so klein, dass unter Betriebsdruck in der Schließposition
der Düsennadel
der Düsenkörper durch
die Düsennadel derart
verformt wird, dass der Sitzkegel von der Kante bis zu der Ringnut
mit dem Düsenkörper gekoppelt ist.
Dadurch wird der Verschleiß von
der Kante auf den Sitzkegel bis zu der Ringnut verteilt und der
Verschleiß pro
Flächeneinheit
wird verringert. Somit verschleißen die Düsennadel und der Düsenkörper an der
Kante lediglich geringfügig.
Dies trägt
zu dem präzisen
Betrieb der Düsenbaugruppe über die
lange Lebensdauer der Düsenbaugruppe
bei. In der Schließposition
unter Betriebsdruck bedeutet in diesem Zusammenhang dass bei einem
bestimmungsgemäßen Betrieb
des Einspritzven tils ein Fluid in dem Einspritzventil mit dem Betriebsdruck
beaufschlagt ist und dass die Düsennadel
nur noch entgegen ihrer Schließrichtung
bewegt werden kann.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Düsenbaugruppe ist der erste
Winkel so klein, dass unter Betriebsdruck in der Schließposition
der Düsennadel
der Düsenkörper durch
die Düsennadel derart
verformt wird, dass der Sitzkegel von der Kante bis über die
Ringnut hinaus mit dem Düsenkörper gekoppelt
ist. Dadurch wird der Verschleiß von
der Kante auf den Sitzkegel bis über
die Ringnut hinaus verteilt und der Verschleiß pro Flächeneinheit wird noch weiter
verringert. Somit verschleißen
die Düsennadel
und der Düsenkörper an
der Kante noch geringfügiger.
Dies trägt
zu dem präzisen
Betrieb der Düsenbaugruppe über eine
besonders lange Lebensdauer der Düsenbaugruppe bei.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Düsenbaugruppe ist der erste
Winkel kleiner oder gleich einem Winkelgrad. Dies kann dazu beitragen, dass
der Sitzkegel in der Schließposition
der Düsennadel
unter Betriebsdruck an dem Sitzbereich des Düsenkörpers anliegt.
-
Die
Erfindung ist im Folgenden anhand von schematischen Zeichnungen
näher erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1 ein
Einspritzventil mit einer Düsenbaugruppe,
-
2 eine
Detailansicht der Düsenbaugruppe
gemäß 1.
-
Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen gekennzeichnet.
-
Ein
Einspritzventil (1) hat einen Körper mit
einer Ausnehmung. Der Körper
umfasst bevorzugt eine Ventilplatte 12, einen Nadelführungskörper 14 mit
einer Ausnehmung, einen Düsenkörper 16 mit einer
Ausnehmung 17 und ein Injektorgehäuse 1 mit einer Ausnehmung,
in die ein Aktor eingesetzt ist, vorzugsweise ein Festkörperaktuator 4,
beispielsweise ein Piezo-Aktuator.
Vorzugsweise eignet sich das Einspritzventil zum Zumessen von Kraftstoff
in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine.
-
Der
Festkörperaktuator 4 umfasst
vorzugsweise einen Stapel von Piezoelementen. Der Stapel der Piezoelement
umfasst beispielsweise 200 Piezoelemente, die aufeinander geschichtet
sind. Der Stapel der Piezoelemente ist bevorzugt von einer Rohrfeder
umgeben, die den Stapel der Piezoelemente zwischen einen Übertrager 6 und
einem Abschlusselement einspannt.
-
Der
Festkörperaktuator 4 ist
mit dem Übertrager 6 gekoppelt.
Der Übertrager 6 ist
in einem Leckageraum 8 angeordnet. Ein Schaltventil 10,
das bevorzugt als Servoventil ausgebildet ist, ist so angeordnet,
dass es abhängig
von seiner Schaltstellung ein Leckagefluid absteuert, das in dieser
Ausführungsform
bevorzugt der Kraftstoff ist. Das Schaltventil 10 ist über den Übertrager 6 mit
dem Festkörperaktuator 4 gekoppelt
und wird von ihm angetrieben, das heißt die Schaltstellung des Schaltventils 10 wird
mittels des Festkörperaktuators 4 eingestellt.
-
Das
Schaltventil 10 ist in der Ventilplatte 12 angeordnet.
Es umfasst ein Ventilglied, dessen Position mittels des Festkörperaktuators 4 einstellbar
ist und das in einer Schaltstellung in Anlage ist mit der Ventilplatte 12 und
so das Absteuern von Fluid in den Leckageraum 8 verhindert.
In einer weiteren Schaltstellung ist das Ventilglied beabstandet
zu einer Wandung der Ventilplatte 12 und ermöglicht so
das Absteuern des Fluids in den Leckageraum 8.
-
Die
Ventilplatte 12, der Nadelführungskörper 14, eine Düsennadel 24 und
der Düsenkörper 16 bilden
eine Düsenbaugruppe,
die mittels einer Düsenspannmutter 18 an
dem Injektorgehäuse 1 befestigt ist.
Der Düsenkörper 16 und
der Nadelführungskörper 14 können einstückig ausgebildet
sein. Die Ventilplatte 12 kann einstückig mit dem Nadelführungskörper 14 ausgebildet
sein. Die Ventilplatte 12, der Nadelführungskörper 14 und der Düsenkörper 16 können einstückig ausgebildet
sein. Die Ventilplatte 12 und/oder das Injektorgehäuse 1 können mehrstöckig, beispielsweise
aus mehreren Platten gebildet sein.
-
Die
Ausnehmung des Nadelführungskörpers 14 setzt
sich in die Ausnehmung 17 des Düsenkörpers 16 fort. Die
Düsennadel 24 ist
in der Ausnehmung des Nadelführungskörpers 14 und
der Ausnehmung 17 des Düsenkörpers 16 axial
beweglich angeordnet. Die Düsennadel 24 ist
in dem Nadelführungskörper 14 geführt. Eine
Düsenfeder 26 spannt
die Düsennadel 24 in
eine Schließposition
vor, in der sie einen Fluidfluss durch ein Einspritzloch 28 unterbindet. Das
Einspritzloch 28 ist im Bereich einer Düsenkuppe 27 des Düsenkörpers 16 ausgebildet
und durchdringt die Düsenkuppe 27.
-
An
einem axialen Ende der Düsennadel 24, das
hingewandt ist zu der Ventilplatte 12, ist ein Steuerraum 30 ausgebildet,
der über
eine Zulaufdrossel mit einer Hochdruckzuführung in dem Körper hydraulisch
gekoppelt ist. Die Hochdruckzuführung
umfasst eine Hochdruckbohrung 32 und teilweise die Ausnehmung 17 in
dem Düsenkörper 16.
Die Hochdruckbohrung 32 erstreckt sich in axialer Richtung
durch das Injektorgehäuse 1,
durch die Ventilplatte 12 und den Nadelführungskörper 14 und
mündet
in die Ausnehmung 17 des Düsenkörpers 16.
-
Befindet
sich das Schaltventil 10 in seiner Schließposition,
so ist der Steuerraum 30 hydraulisch entkoppelt von dem
Leckageraum 8. Dies hat zur Folge, dass sich nach einem
Schließen
des Schaltventils 10 der Druck in dem Steuerraum 30 im
wesentlichen dem Druck in der Hochdruckzuführung angleicht.
-
Über den
Steuerraum 30 wird aufgrund des Fluiddrucks in dem Steuerraum 30 auf
eine Stirnfläche
der Düsennadel 24 eine
Kraft in Schließrichtung der
Düsennadel 24 ausgeübt. Die
Düsennadel 24 weist
ferner axial beabstandet zu ihrer Stirnfläche einen Absatz auf, der mit
Fluid, das durch die Ausnehmung 17 des Düsenkörpers 16 strömt, derart
beaufschlagt wird, dass eine öffnend
wirkende Kraft auf die Düsennadel 24 wirkt,
also entgegen der Schließrichtung.
Hebt die Düsennadel 24 von
dem Düsenkörper 16 ab,
so wirkt der Fluiddruck entgegen der Schließrichtung auch an einem von
der Stirnfläche
der Düsennadel 24 abgewandten
axialen Endbereich der Düsennadel 24.
In ihrer Schließposition
unterbindet die Düsennadel 24 einen
Fluidfluss durch das Einspritzloch 28. Bewegt sich die
Düsennadel 24 ausgehend
von ihrer Schließposition
hinein in den Steuerraum 30, so gibt sie den Fluidfluss
durch das Einspritzloch 28 frei.
-
Ob
die Düsennadel 24 sich
in ihrer Offenposition oder in ihrer Schließposition befindet, hängt davon
ab, ob die in Schließrichtung
wirkende Kraft größer oder
kleiner ist als die entgegen der Schließrichtung wirkende Kraft, die
durch die Düsenfeder 26 und den
auf die Stirnfläche
der Düsennadel 24 einwirkenden
Druck hervorgerufen wird.
-
Befindet
sich das Schaltventil 10 in seiner Offenposition, so strömt Fluid
von dem Steuerraum 30 durch das Schaltventil 10 hinein
in den Leckageraum 8. Bei geeigneter Dimensionierung der
Zulaufdrossel sinkt dann der Druck in dem Steuerraum 30,
was schließlich
zu einer Bewegung der Düsennadel 24 heraus
aus ihrer Schließposition
führt.
Der Druck des Fluids in dem Leckageraum 8 ist deutlich
geringer als der Druck des Fluids in der Hochdruckzuführung.
-
Die
Hochdruckzuführung
ist beispielsweise mit einem Kraftstoffhochdruckspeicher hydraulisch gekoppelt
und wird so mit Kraftstoff unter einem Druck von beispielsweise
bis zu 2000 bar versorgt.
-
Die
Düsennadel 24 weist
einen Sitzkegel 40 und einen Spitzenkegel 42 auf
(2). An einem Übergang
von dem Spitzenkegel 42 auf den Sitzkegel 40 ist
eine Kante 43 gebildet. Im Bereich des Sitzkegels 40 ist
eine Ringnut 44 ausgebildet. Die Ringnut 44 erstreckt
sich um den Umfang der Düsennadel 24.
Vorzugsweise hat die Ringnut 44 einen vorgegebenen Abstand
A zu der Kante 43. Wird die Düsennadel 24 ohne Druck
in ihre Schließposition
bewegt, so liegt die Kante 43 an einem Sitzbereich 50 des
Düsenkörpers 16 an.
Der Sitzbereich 50 ist vorzugsweise kegelförmig und
vorzugsweise durch die Wandung des Düsenkörpers 16 gebildet.
-
In
der Schließposition
der Düsennadel 24 ohne
Druck auf die Düsennadel 24 bildet
die Kante 43 in Verbindung mit dem Sitzbereich 50 eine
Dichtkante. An der Dichtkante steht in der Schließposition der
Düsennadel 24 ein
Fluid in dem Einspritzventil, insbesondere in der Düsenbaugruppe
an. Unter Betriebsdruck wird die Düsennadel 24 derart
gegen den Sitzbereich 50 gedrückt, dass sich der Düsenkörper 16 im
Sitzbereich 50 und die Düsennadel 24 im Bereich
der Kante 43 verformen. Dadurch wird aus der Dichtkante
eine kegelstumpfförmige
Dichtfläche. Durch
häufiges öffnen und
Schließen
der Düsennadel 24 verschleißt die Düsennadel 24 im
Bereich der Kante 43 und der Düsenkörper 16 verschleißt im Sitzbereich 50.
-
Der
Sitzkegel 40 schließt
einen ersten Winkel ALPHA mit dem Sitzbereich 50 ein. Der
Spitzenkegel 42 schließt
einen zweiten Winkel BETA mit dem Sitzbereich 50 ein. Der
erste Winkel ALPHA ist kleiner als der zweite Winkel BETA. Dadurch
dass der erste Winkel ALPHA kleiner ist als der zweite Winkel BETA,
wandert durch den Verschleiß der
Düsennadel 24 die
Dichtkante in axialer Richtung weg von der Düsenkuppe 27. Dadurch
nimmt ein hydraulischer Sitzdurchmesser der Düsenbaugruppe zu. Dies kann
zu einem zeitlich verändernden öffnungsverhalten
der Düsennadel 24 führen. Jedoch
ist zwischen dem Sitzkegel 40 und dem Sitzbereich 50 ein Spalt
gebildet, der eine Drosselwirkung entfaltet. Mit der wandernden
Dichtkante wird der Spalt verkürzt und
somit die Drosselwirkung verringert. Der anwachsende Sitzdurchmesser
hat eine der verringerten Drosselwirkung gegenläufige Auswirkung auf das hydraulische,
insbesondere das zeitliche Verhalten, insbesondere das Öffnungsverhalten
der Düsennadel 24.
Somit kompensieren sich die Auswirkungen aufgrund der verringerten
Drosselwirkung und aufgrund des zunehmenden Sitzdurchmessers. Dies trägt sehr
wirkungsvoll dazu bei, dass das hydraulische Verhalten und insbesondere
das zeitliche Öffnungsverhalten
der Düsennadel 24 und
damit das Einspritzverhalten der Düsenbaugruppe und des Einspritzventils über eine
lange Betriebsdauer des Einspritzventils hydraulisch stabil sind.
-
Die
Ringnut 44 begrenzt das Wandern der Dichtkante. Daher muss
der Abstand A so gewählt werden,
dass das Wandern im Bereich zwischen der Kante 43 und der
Ringnut 44 der Dichtkante tolerierbar ist. Die Ringnut 44 bewirkt,
dass in der Schließposition
der Düsennadel 24 auch
unter Betriebsdruck Fluid bis zur Dichtkante vordringen kann. Für den Fall,
dass die Düsennadel 24 derart
in den Sitzbereich 50 gedrückt wird, dass die gesamte
Ringnut 44 durch den Sitzbereich 50 verschlossen
ist, ist eine Druckentlastungsfläche 46 vorgesehen.
Die Druckentlastungsfläche 46 kann
einfach durch eine Druckentlastungsnut ausgebildet sein oder die
Druckentlastungsnut umfassen. Vorzugsweise weist die Düsennadel 24 mehrere
Druckentlastungsflächen,
insbesondere Druckentlastungsnuten auf.
-
Vorzugsweise
ist der Winkel ALPHA so klein gewählt, dass in der Schließposition
der Düsennadel 24 unter
Betriebsdruck der gesamte Sitzbereich 40 an dem Sitzbereich 50 anliegt
oder in den Sitzbereich 50 gedrückt wird. Dies bewirkt, dass
der gesamte Sitzkegel 40 und der entsprechende Teilbereich
des Sitzbereichs 50 dem Verschleiß unterliegen. Dadurch wird
jedoch der Verschleiß pro
Flächeneinheit
verringert. Dies trägt
dazu bei, dass vor allem an der Kante 43 und in dem Bereich
zwischen der Kante 43 und der Ringnut 44 der Verschleiß ver ringert
wird. Dies trägt
besonders wirkungsvoll zu dem hydraulisch stabilen Verhalten der
Düsenbaugruppe über die
Lebensdauer der Düsenbaugruppe
bei. Beispielsweise kann der Winkel ALPHA kleiner als zwei Winkelgrade sein.
Der Winkel BETA hat dann vorzugsweise zwei bis drei Winkelgrade.
-
Alternativ
kann der erste Winkel ALPHA auch so gewählt werden, dass lediglich
der Sitzkegel 40 von der Kante 43 bis hin zu der
Ringnut 44 in der Schließposition der Düsennadel 24 unter
Betriebsdruck an dem Sitzbereich 50 anliegt. Ferner kann
der erste Winkel ALPHA so gewählt
werden, dass in der Schließposition
der Düsennadel 24 unter
Betriebsdruck der Sitzkegel 40 von der Kante 43 bis über die Ringnut 44 hinaus
an dem Sitzbereich 50 anliegt.