-
Die
Erfindung betrifft eine Düsenbaugruppe für ein Einspritzventil.
-
Immer
strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich der zulässigen Schadstoffemission
von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind,
machen es erforderlich, diverse Maßnahmen vorzunehmen, durch
welche die Schadstoffemissionen gesenkt werden. Ein Ansatzpunkt
hierbei ist, die von der Brennkraftmaschine erzeugten Schadstoffemissionen
zu senken. Die Bildung von Ruß ist
stark abhängig
von der Aufbereitung des Luft/Kraftstoff-Gemisches in dem jeweiligen
Zylinder der Brennkraftmaschine.
-
Eine
entsprechend verbesserte Gemischaufbereitung kann erreicht werden,
wenn der Kraftstoff unter sehr hohem Druck zugemessen wird. Im Falle von
Diesel-Brennkraftmaschinen betragen die Kraftstoffdrücke bis
zu über
2000 Bar. Derart hohe Drücke stellen
sowohl hohe Anforderungen an das Material der Düsenbaugruppe als auch an deren
Konstruktion. Gleichzeitig müssen
größere Kräfte von
der Düsenbaugruppe
aufgenommen werden.
-
Die
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Düsenbaugruppe und ein Einspritzventil
zu schaffen, die einen zuverlässigen
und präzisen
Betrieb ermöglichen.
-
Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Ansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
-
Gemäß eines
ersten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Düsenbaugruppe
für ein Einspritzventil,
mit einem Düsenkörper, der
eine Düsenkörperausnehmung
mit einer Wand aufweist. Die Düsenkörperausnehmung
ist mit einem Hochdruckkreis des Fluids hydraulisch koppelbar. Die
Düsenbaugruppe
hat einen an der Wand der Düsenkörperausnehmung
ausgebildeten Dichtsitz und mindestens eine in der Düsenkörperausnehmung
axial beweglich angeordneten Düsennadel
mit einer Zentralachse. Die Düsennadel
weist einen Sitzbereich mit einer Dichtfläche auf. Die Dichtfläche wirkt
so mit dem Dichtsitz zusammen, dass die Düsennadel in einer Schließposition
einen Fluidfluss durch die mindestens eine Einspritzdüse verhindert
und in einer Offenposition einen Fluidfluss durch die mindestens eine
Einspritzdüse
frei gibt. Die Düsennadel
weist einen Stützbereich
auf, der radial außerhalb
und axial beabstandet von dem Sitzbereich angeordnet ist und der
ausgebildet ist zum Abstützen
der Düsennadel
an der Wand der Düsenkörperausnehmung
in der Schließposition
der Düsennadel.
Die Düsennadel weist
mindestens eine Düsennadelausnehmung
auf, die derart angeordnet und ausgebildet ist, dass beim Anliegen
des Stützbereichs
an der Wand der Düsenkörperausnehmung
ein bezogen auf den Stützbereich
axial von dem Sitzbereich abgewandter Bereich der Düsenkörperausnehmung
mit einem bezogen auf den Stützbereich
axial dem Sitzbereich zugewandten Bereich der Düsenkörperausnehmung hydraulisch
gekoppelt ist.
-
Die
mindestens eine Düsennadelausnehmung
ermöglicht,
dass der Fluidfluss zwischen Bereichen der Düsenkörperausnehmung, die bezogen
auf den Stützbereich
axial von dem Sitzbereich abgewandt sind, und Bereichen der Düsenkörperausnehmung,
die bezogen auf den Stützbereich
axial dem Sitzbereich zugewandt sind, ermöglicht ist, auch wenn der Stützbereich
an der Wand der Düsenkörperausnehmung
anliegt.
-
Diese
Anordnung hat den Vorteil, dass die Kraft der Düsennadel auf den Sitzbereich
und den Stützbereich
verteilt werden kann. Die Flächenpressung
auf den Dichtsitz kann so klein gehalten werden. Damit kann ein
Verschleiß des
Düsenkörpers oder
der Düsennadel
vermieden oder klein gehalten werden. Eine Veränderung des Öffnungszeitpunkts der
Düsennadel
und damit der Einspritzmenge über die
Lebensdauer des Einspritzventils kann so vermieden werden. Eine
Einleitung der Kraft der Düsennadel
auf den Düsenkörper kann
in einem größeren radialen
Abstand von der Zentralachse der Düsennadel erfolgen, so dass
der Düsenkörper, insbesondere im
Bereich der Düsenkuppe
nahe der Zentralachse eine kleinere Belastung erfahren kann.
-
In
einer vorteilhaften Ausführungsform
ist die Düsennadelausnehmung
als Nut in dem Stützbereich
ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass die Düsennadelausnehmung einfach
in die Düsennadel
eingebracht werden kann, beispielsweise durch Fräsen.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Düsennadelausnehmung
als Durchgangskanal in dem Stützbereich
ausgebildet. Damit kann die Düsennadelausnehmung
einfach in die Düsennadel
eingebracht werden, beispielsweise durch Bohren.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Düsenkörper mehrere
Düsennadelausnehmungen
auf, die, bezogen auf die Zentralachse der Düsennadel, rotationssymmetrisch über den
Stützbereich
verteilt angeordnet sind. Eine rotationssymmetrische Verteilung
der Düsennadelausnehmungen über den
Umfang des Düsenkörpers kann
zu einem besonders gleichmäßigen Fluiddurchfluss
durch die Düsennadelausnehmungen über den Umfang
der Düsennadel
führen.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind der Sitzbereich
und der Stützbereich
derart ausgebildet, dass in der Offenposition der Düsennadel
ein minimaler Abstand zwischen dem Stützbereich und der Wand der
Düsenkörperausnehmung kleiner
ist als ein minimaler Abstand zwischen dem Sitzbereich und der Wand
der Düsenkörperausnehmung.
Damit kann die Einleitung der Kraft von der Düsennadel auf den Düsenkörper während des
gesamten Zeitraums eines Kontakts zwischen der Düsennadel und dem Dichtsitz
erfolgen.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind der Sitzbereich
und der Stützbereich
derart ausgebildet, dass in der Offenposition der Düsennadel
ein minimaler Abstand zwischen dem Stützbereich und der Wand der
Düsenkörperausnehmung größer ist
als ein minimaler Abstand zwischen dem Sitzbereich und der Wand
der Düsenkörperausnehmung.
Es ist so möglich,
eine Überbestimmung
eines Kontakts zwischen der Düsennadel
und der Wand der Düsenkörperausnehmung
zu vermeiden.
-
Gemäß eines
zweiten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Einspritzventil
mit einer Düsenbaugruppe
gemäß des ersten
Aspekts und einer Injektorbaugruppe. Die Injektorbaugruppe ist zum
Einwirken auf die Düsenbaugruppe
ausgebildet ist.
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1 ein
Einspritzventil im Längsschnitt,
-
2 eine
vergrößerte Darstellung
eines Ausschnitts II der 1 im Bereich des Ventilsitzes mit
einem Düsenkörper und
einer Düsennadel,
-
3 eine
weitere vergrößerte Darstellung eines
Ausschnitts III der 2 im Bereich des Ventilsitzes,
-
4 ein
weiterer Ausschnitt des Düsenkörpers und
der Düsennadel
im Bereich des Ventilsitzes,
-
5 eine
weiterer Ausschnitt des Düsenkörpers und
der Düsennadel
im Bereich des Ventilsitzes,
-
6 eine
weiterer Ausschnitt des Düsenkörpers und
der Düsennadel
im Bereich des Ventilsitzes, und
-
7 eine
weiterer Ausschnitt des Düsenkörpers und
der Düsennadel
im Bereich des Ventilsitzes.
-
Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
-
1 zeigt
ein Einspritzventil mit einer Düsenbaugruppe 10 und
einer Injektorbaugruppe 11. Die Injektorbaugruppe 11 wirkt
funktional mit der Düsenbaugruppe 10 zusammen.
-
Die
Düsenbaugruppe 10 hat
einen Düsenkörper 12,
die Injektorbaugruppe 11 weist einem Injektorkörper 13 auf.
Der Düsenkörper 12 ist
mittels einer Düsenspannmutter 34 mit
dem Injektorkörper 13 fest
gekoppelt. Der Düsenkörper 12 und
der Injektorkörper 13 bilden
so ein gemeinsames Gehäuse
des Einspritzventils.
-
Der
Injektorkörper 13 hat
eine Ausnehmung 36, in der ein Stellantrieb 38 angeordnet
ist. Der Stellantrieb 38 ist als Hubstellantrieb ausgebildet
und ist vorzugsweise ein Piezoaktuator, der einen Stapel piezoelektrischer
Elemente umfasst. Der Piezoaktuator ändert seine axiale Ausdehnung
abhängig
von einem angelegten Spannungssignal. Der Stellantrieb kann jedoch
auch als ein anderer dem Fachmann für diesen Zweck bekannter und
als geeignet bekannter Stellantrieb ausgebildet sein.
-
Der
Stellantrieb 38 wirkt über
einen Übertrager 40 auf
einen Hubumsetzer ein. Der Hubumsetzer umfasst einen topfförmigen Körper 42,
der in einer Düsenkörperausnehmung 14 des
Düsenkörpers 12 angeordnet
und bevorzugt in dieser geführt
ist. Der topfförmige
Körper 42 ragt
in diesem Ausführungsbeispiel
in die Ausnehmung 36 des Injektorkörpers 13 hinein. Die
Düsenkörperausnehmung 14 hat
eine Wand 16. In der Düsenkörperausnehmung 14 ist
eine Düsennadel 18 mit
einer Zentralachse Z angeordnet, die zusammen mit dem Düsenkörper 12 die
Düsenbaugruppe 10 bildet.
-
Die
Düsennadel 18 ist über eine Übertragerkammer 20 mit
dem topfförmigen
Körper 42 hydraulisch
gekoppelt. Die Übertragerkammer 20 wird
durch eine an dem Topfrand des topfförmigen Körpers 42 ausgebildete
stirnförmige
Fläche,
durch einen Absatz an der Düsenkörperausnehmung 14 und
durch einen Absatz der Düsennadel 18 begrenzt.
-
Die
Düsennadel 18 ist
in einem Bereich der Düsenkörperausnehmung 14 geführt. Sie
ist ferner mittels einer Düsenfeder 22 so
vorgespannt, dass sie einen Fluidfluss durch eine in einer Düsenkuppe 23 des
Düsenkörpers 12 angeordnete
Einspritzdüse 24 verhindert,
wenn keine weiteren Kräfte
auf die Düsennadel 16 einwirken.
Die Düsenfeder 22 ist
in einer Hochdruckkammer 28 angeordnet, die durch den Topfboden
des topfförmigen
Körpers 42,
einen Teilbereich seiner zylinderförmigen Topfwand und eine Stirnfläche 30 der
Düsennadel 18 begrenzt
wird.
-
Die
Hochdruckkammer 28 ist mit einem (nicht dargestellten)
Hochdruckkreis des Fluids koppelbar. Sie ist in einem eingebauten
Zustand des Einspritzventils mit dem Hochdruckkreis gekoppelt.
-
Die
Düsenfeder 22 stützt sich
einerseits auf den Topfboden des topfförmigen Körpers 42 ab und liegt
andererseits auf der Stirnfläche 30 der
Düsennadel 18 auf.
Sie ist entsprechend vorgespannt und übt so auf die Düsennadel 18 eine
in Schließrichtung
wirkende Kraft aus.
-
Ein
erster Spalt 26 ist zwischen der Düsennadel 18 und dem äußeren topfförmigen Körper 42 ausgebildet.
Ferner ist ein zweiter Spalt 32 zwischen dem topfförmigen Körper 42 und
dem Düsenkörper 12 ausgebildet. Über den
zweiten Spalt 32 kann die Übertragerkammer 20 hydraulisch
mit einem Hochdruckkreis gekoppelt werden. Die Spaltmaße der Spalte 26, 32 sind
so gewählt,
dass schnelle kurzzeitige Bewegungen des Stellantriebs 38 im
Wesentlichen frei von Hubverlust umsetzbar sind. Andererseits sind
die Spaltmaße
der Spalte 26, 32 ausreichend groß gewählt, damit
ein Fluidfluss zwischen dem Hochdruckkreis und der Übertragerkammer 20 einerseits
und zwischen der Übertragerkammer 20 und
der Hochdruckkammer 28 andererseits möglich ist.
-
Bei
Betätigung
des Stellantriebs 38 wird mit fortgesetzter axialer Ausdehnung
des Stellantriebs 38 zuerst die Düsennadel 18 von ihrer
Schließposition
in ihre Offenposition bewegt, in der sie den Fluidfluss durch die
Einspritzdüse 24 freigibt.
-
In
die Düsennadel 18 ist
eine Längsbohrung 44 eingebracht,
von der die Düsennadel 18 von
ihrer dem Topfboden des topfförmigen
Körpers 12 zugewandten
Seite zumindest entlang eines Teils ihrer axialen Erstreckung durchdrungen
ist. Die Längsbohrung 44 mündet in
eine Radialbohrung 48, die radial nach außen gerichtet
ist. Das Fluid, insbesondere der Kraftstoff, kann so von der Hochdruckkammer 28 durch
die Längsbohrung 44 und
die Radialbohrung 48 gelangen. Von der Radialbohrung 48 strömt das Fluid
weiter durch einen Zwischenraum zwischen der Düsennadel 18 und dem
Düsenkörper 12 zu
der ersten Einspritzdüse 24.
-
In
den 2 bis 7 sind die Düsenkuppe 23 oder Ausschnitte
der Düsenkuppe 23 jeweils
vergrößert dargestellt.
-
2 zeigt
eine vergrößerte Darstellung
eines Ausschnitts II der 1 im Bereich der Düsenkuppe 23 der
Düsenbaugruppe 10.
-
An
der Wand 16 der Düsenkörperausnehmung 14 hat
der Düsenkörper 12 einen
Dichtsitz 50. Die Düsennadel 18 hat
einen Sitzbereich 52 mit einer Dichtfläche 54, der kegelmantelförmig ausgebildet ist.
Die Dichtfläche 54 der
Düsennadel 18 wirkt
mit dem Dichtsitz 50 des Düsenkörpers 12 so zusammen,
dass die Düsennadel 18 in
einer Schließposition
eines Fluidfluss durch die mindestens eine Einspritzdüse 24 verhindert
und in einer Offenposition einen Fluidfluss durch die mindestens
eine Einspritzdüse 24 freigibt.
In dem Düsenkörper 12 können auch
mehrere Einspritzdüsen 24 ausgebildet
sein, die einen Einspritzlochkreis formen können.
-
In
einer Schließposition
der Düsennadel 18 ist
mindestens eine Kontaktlinie 56 zwischen dem Dichtsitz 50 und
der Dicht fläche 54 der
Düsennadel 18 ausgebildet,
die einen Durchfluss durch die Einspritzdüse 24 verhindert.
-
Radial
außerhalb
und axial beabstandet von dem Sitzbereich 52 der Düsennadel 18 hat
die Düsennadel 18 einen
Stützbereich 60.
Dieser kann die Düsennadel 18 an
der Wand 16 der Düsenkörperausnehmung 14 in
einer Schließposition
der Düsennadel 18 abstützen.
-
Die
Düsennadel 18 hat
mindestens eine Düsennadelausnehmung 62.
Beim Anliegen des Stützbereichs 60 an
der Wand 16 der Düsenkörperausnehmung 14 kann
durch die Düsennadelausnehmung 62 erreicht
werden, dass zwischen Bereichen der Düsenkörperausnehmung 14,
die bezogen auf den Stützbereich 60 axial
von dem Sitzbereich 52 abgewandt sind und Bereichen der
Düsenkörperausnehmung 14,
die bezogen auf den Stützbereich 60 axial
dem Sitzbereich 52 zugewandt sind, ein Fluidfluss ermöglicht ist.
-
Befindet
sich die Düsennadel 18 in
einer Schließposition,
kann mittels des Stützbereichs 60 erreicht
werden, dass die Kraft der Düsennadel 18 auf
den Sitzbereich 52 und den Stützbereich 60 verteilt
werden. Die Flächenpressung
auf den Dichtsitz 50 kann so klein bleiben. Damit kann
sowohl ein Verschleiß des
Düsenkörpers 12 als
auch der Düsennadel 18 vermieden
werden. Es ist so einfach möglich, zu
vermeiden, dass sich der Öffnungszeitpunkt
der Düsennadel 18 und
damit die Einspritzmenge über die
Lebensdauer des Einspritzventils verändern. Da die Kraft der Düsennadel 18 über den
Stützbereich 60 in
einem größeren radialen
Abstand von der Zentralachse Z in den Düsenkörper 12 eingeleitet
werden kann, wird der Düsenkörper 12 im
Bereich der Düsenkuppe 23 nur
gering belastet.
-
Die
Düsennadelausnehmung 62 ist
in der hier vorliegenden Ausführungsform
als Nut in der Düsennadel 18 ausgebildet.
Die Düsennadelausnehmung 62 wird
in diesem Fall bevorzugt durch ein Span abhebendes Verfahren, beispielsweise
durch Fräsen,
hergestellt.
-
4 zeigt
eine vergrößerte Abbildung
eines Ausschnitts der Düsennadel 18 und
des Düsenkörpers 12.
Die Düsennadel 18 ist
hier in einer Position gezeigt, in der ein Kontakt über die
Kontaktlinie 56 zwischen dem Dichtsitz 50 und
der Dichtfläche 54 gebildet
ist. Zwischen dem Stützabschnitt 60 und
der Wand 16 der Düsenkörperausnehmung 14 besteht ein
Abstand D1. Anders ausgedrückt
bedeutet dies, dass in der Offenposition der Düsennadel 18 der minimale
Abstand D1 zwischen dem Stützabschnitt 60 und
der Wand 16 der Düsenkörperausnehmung
größer ist
als ein minimaler Abstand D2 zwischen dem Sitzbereich 52 und
der Wand 16 der Düsenkörperausnehmung 14.
Beim Auftreffen der Düsennadel 18 auf
den Düsenkörper 12 während des
Schließvorgangs
des Einspritzventils kann so eine Überbestimmung des Kontakts
zwischen der Düsennadel 18 und der
Wand 16 der Düsenkörperausnehmung 14 vermieden
werden. Während
des weiteren Verlaufs des Schließvorgangs kann der Düsenkörper 12 im
Bereich des Dichtsitzes der Düsennadel 18 elastisch nachgeben
und der Stützbereich 60 kann
sich an die Wand 16 der Düsenkörperausnehmung 14 anlegen. Der
Stützbereich 60 ermöglicht somit
eine Stützfunktion
für die
Düsennadel 18.
Die Differenz zwischen dem minimalen Abstand D1 zwischen dem Stützbereich 60 und
der Wand 16 der Düsenkörperausnehmung 14 und
dem minimalen Abstand D2 zwischen dem Sitzbereich 52 und
der Wand 16 der Düsenkörperausnehmung 14 beträgt vorzugsweise
2 bis 10 μm.
-
Die 5 und 6 zeigen
weitere Ausführungsformen
des Einspritzventils mit einer vergrößerten Abbildung der Düsennadel 18 und
des Düsenkörpers 12 im
Bereich der Düsenkuppe 23.
Die Düsennadelausnehmung 62 ist
hier als Durchgangskanal in dem Stützbereich 60 ausgebildet.
Eine derartige Düsennadelausnehmung 62 kann
in einfacher Weise, zum Beispiel durch Bohren, in die Düsennadel 18 eingebracht
werden.
-
In
den in den 5 und 6 gezeigten Ausführungsformen
liegt der Stützbereich 60 bei
einem Auftreffen der Düsennadel 18 auf
den Düsenkörper 12 jeweils
gerade an der Wand 16 der Düsenkörperausnehmung 14 an,
während
zwischen dem Sitzbereich 52 und der Wand 16 der
Düsenkörperausnehmung 14 ein
Abstand D2 besteht. Dies bedeutet, dass in der Offenposition der
Düsennadel 18 der
minimale Abstand D2 zwischen dem Sitzbereich 52 und der
Wand 16 der Düsenkörperausnehmung 14 größer ist
als der minimale Abstand D1 zwischen dem Stützabschnitt und der Wand 16 der
Düsenkörperausnehmung 14.
Bei einem weiteren Schließen der
Düsennadel 18 gelangt
auch der Sitzbereich 52 der Düsennadel 18 in Kontakt
mit der Wand 16 der Düsenkörperausnehmung 14.
Bei einer derartigen Ausführungsform
ist gewährleistet,
dass die Einleitung der Kraft von der Düsennadel 18 auf den
Düsenkörper 12 während des
gesamten Zeitraums eines Kontakts zwischen der Dichtfläche 54 der
Düsennadel 18 und
dem Dichtsitz 50 möglich
ist. Die Differenz zwischen dem minimalen Abstand D1 zwischen dem Stützbereich 60 und
der Wand 16 der Düsenkörperausnehmung 14 und
dem minimalen Abstand D2 zwischen dem Sitzbereich 52 und
der Wand 16 der Düsenkörperausnehmung 14 beträgt vorzugsweise
2 bis 10 μm.
-
7 zeigt
einen vergrößerten Ausschnitt einer
weiteren Ausführungsform
der Düsennadel 18 und
des Düsenkörpers 12.
Die Düsennadelausnehmungen 62 sind
hier als Nute mit rechteckigem Querschnitt in dem Stützbereich 60 ausgebildet.
Derartige Nute mit rechteckigem Querschnitt lassen sich besonders
einfach fertigen. Insbesondere weist der Düsenkörper 12 mehrere Düsennadelausnehmungen 62 auf,
die rotationssymmetrisch in Bezug auf die Zentralachse Z der Düsennadel 18 über den
Stützbereich 60 verteilt
angeordnet sind. Eine derartige rotationssymmetrische Verteilung
der Düsennadelausnehmung 62 über den
Umfang der Düsennadel 18 ermöglicht einen
besonders gleichmäßigen Durchfluss des
Fluids durch die Düsennadelausnehmungen 62 über den
gesamten Umfang der Düsennadel 18.
-
Bevorzugt
werden die Düsennadelausnehmungen 62 mittels
Laserschneiden hergestellt.
-
Durch
das Aufteilen der auf den Düsenkörper 12 wirkenden
Kraft der Düsennadel 18 auf
den Dichtsitz 50 und den Stützbereichs 60 kann
die Flächenpressung
auf den Dichtsitz 50 reduziert werden. Drückt der
Stützbereich 60,
bedingt durch die wirksame Kraft der Düsennadel 18 auf die
Wand 16 der Düsenkörperausnehmung 14,
so kommt es in Folge einer elastischen Verformung in dem Düsenkörper 12 zu
einem Einfedern der Düsennadel 18 im
Bereich des Dichtsitzes 50 des Düsenkörpers 12. Damit wird eine
gute Dichtheit zwischen dem Sitzbereich 52 und dem Dichtsitz 50 des
Düsenkörpers 12 erreicht.
-
Die
Düsennadelausnehmungen 62 ermöglichen,
dass der Fluidfluss in der Düsenkörperausnehmung 14 nicht
beeinflusst wird. Ist eine kurze Sitzlänge und ein kleiner Sitzdurchmesser
erforderlich, kann neben der angesprochenen Verringerung der Flächenpressung
eine Verlagerung der Haupteinleitungsrichtung der Kraft der Düsennadel 18 auf
den Düsenkörper 12 aus
dem Bereich der Düsenkuppe 23 axial
nach außen
erreicht werden. Damit kann ein geringer Verschleiß des Dichtsitzes 50 und
damit eine kleine Mengendrift des Fluids beim Einspritzvorgang erreicht
werden. Insgesamt kann durch die Ausbildung des Stützbereichs 60 auf
der Düsennadel 18 eine
hohe hydraulische Robustheit des Einspritzventils erreicht werden.