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Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2006 012 242 A1 geht ein Kraftstoffeinspritzventil für eine Brennkraftmaschine hervor, das einen Ventilkörper besitzt, in dem ein mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbarer Druckraum ausgebildet ist, von dem wenigstens eine Einspritzöffnung ausgeht. Im Druckraum ist eine längsverschiebbare Ventilnadel angeordnet, die mit einer Dichtfläche mit einem im Druckraum ausgebildeten konischen Ventilsitz zum Öffnen und Schließen der wenigstens einen Einspritzöffnung zusammenwirkt. Damit genügend Kraftstoff zwischen der Dichtfläche der Ventilnadel und dem Ventilsitz hindurch zu den Einspritzöffnungen fließt, um eine entsprechende Einspritzrate zu erreichen, muss die Ventilnadel einen gewissen Mindesthub durchfahren. Denn erst muss der Bereich überwunden werden, in dem der Spalt zwischen der Dichtfläche und dem Ventilsitz drosselt und der an den Einspritzöffnungen anliegende Einspritzdruck gemindert ist. Mit einem großen Mindesthub, um den vollen Einspritzdruck zu erreichen, lassen sich jedoch keine rasch aufeinander folgenden Einspritzungen realisieren. In der vorstehend genannten Offenlegungsschrift wird daher ein konisch ausgebildeter Ventilsitz mit einem Öffnungswinkel zwischen 75° und 100° vorgeschlagen. Gegenüber Kraftstoffeinspritzventilen, die einen konischen Ventilsitz mit einem üblichen Öffnungswinkel von etwa 60° besitzen, weist das vorgeschlagene Kraftstoffeinspritzventil den Vorteil auf, dass zur Überwindung des Sitzdrosselungsbereiches ein geringerer Hub der Ventilnadel erforderlich ist, so dass rasch aufeinander folgende Einspritzungen mit einem hohen Einspritzdruck möglich sind. Zudem soll der größere Öffnungswinkel des Ventilsitzes strömungsbedingte störende Kräfte auf die Ventilnadel mindern, die eine Desachsierung der Ventilnadel zur Folge haben können.
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Angesichts stetig steigender Einspritzdrücke stehen heute Festigkeitsaspekte, insbesondere im Bereich des Ventilsitzes, bei der Entwicklung moderner Kraftstoffeinspritzventile im Vordergrund. Wobei die gewählte Sitzgeometrie großen Einfluss auf die Funktion des Kraftstoffinjektors besitzt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, einen Kraftstoffinjektor bereitzustellen, der insbesondere im Bereich des Ventilsitzes eine hohe Festigkeit aufweist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Kraftstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den direkt oder indirekt auf Anspruch 1 rückbezogenen Unteransprüchen angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Das zur Lösung der Aufgabe vorgeschlagene Kraftstoffeinspritzventil weist eine Düsennadel auf, die in einer zentralen Bohrung eines Düsenkörpers zur Freigabe oder zum Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung hubbeweglich geführt ist, wobei die Düsennadel über einen an ihrem brennraumseitigen Ende ausgebildeten, umlaufenden Dichtbereich mit einem am brennraumseitigen Ende des Düsenkörpers ausgebildeten, konisch verlaufenden Dichtsitz zusammenwirkt. Erfindungsgemäß besitzt der konisch verlaufende Dichtsitz einen Öffnungswinkel α1 zwischen 30° und 50°, vorzugsweise zwischen 40° und 50°. Der Vorteil einer solchen Sitzgeometrie besteht darin, dass aufgrund des kleineren Öffnungswinkels, der weit unter den üblichen 60° liegt, deutliche Spannungsminderungen im Bereich des Dichtsitzes am brennraumseitigen Ende des Düsenkörpers erzielt werden können. Aufgrund der erzielten Spannungsminderung bzw. der geringeren Belastung kann beispielsweise der Einspritzdruck um entsprechende Werte erhöht werden. Alternativ oder ergänzend kann auch der Düsenkörper im Bereich der Einspritzöffnungen eine geringere Wandstärke besitzen, so dass die Einspritzöffnungen eine geringere Länge aufweisen, was sich wiederum günstig auf die Verkokungsempfindlichkeit auswirkt. Eine größere Festigkeit bzw. Robustheit des Dichtsitzbereiches ist zwar auch durch Vornahme anderer festigkeitssteigernder Maßnahmen erreichbar, wie beispielsweise durch eine höhere Werkstoffqualität, größere Wandstärken oder Versteifungen, diese Maßnahmen sind jedoch meist kostenintensiver und in der Regel nicht ohne Einfluss auf die Funktion des Kraftstoffinjektors.
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Da die vorgeschlagene Sitzgeometrie einen größeren Düsennadelhub zur Sitzentdrosselung bedingt, wird eine solche vorzugsweise bei ballistischen Kraftstoffeinspritzventilen bzw. Injektoren realisiert. Ballistische Injektoren weisen im Unterschied zu nichtballistischen Injektoren keinen Hubanschlag zur Begrenzung des Düsennadelhubes auf. Ballistische Injektoren ermöglichen somit einen größeren Düsennadelhub, der wiederum bewirkt, dass sich die Düsennadel längere Zeit außerhalb des Sitzdrosselungsbereiches bewegt und damit den vollständigen Einspritzdruck an den Einspritzöffnungen über einen längeren Zeitraum gewährleistet.
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Alternativ oder ergänzend finden zur Überwindung des Sitzdrosselungsbereiches weiterhin bevorzugt schnell schaltende Ventile Einsatz. Diese ermöglichen, dass der Hubbereich oberhalb der Sitzdrosselung schneller erreicht wird, so dass in kurzer Zeit der volle Einspritzdruck an den Einspritzöffnungen anliegt. Um die Schnelligkeit der Düsennadel zu erhöhen, kann beispielsweise ein großes Verhältnis von Ablauf- und Zulaufdrossel gewählt werden. Somit werden größere Nadelhübe durch eine „schnelle” Nadel kompensiert. Andererseits können durch eine gezielte Ausnutzung des Nadeldrosselbereiches und einer reduzierten Nadelkraft bei kleinen Nadelhüben kleine und kleinste Einspritzmengen genauer zugemessen werden. Denn gegenüber Kraftstoffeinspritzventilen mit einem 60°-Öffnungswinkel des Ventilsitzes besitzt ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil bei kleinen Nadelhüben eine geringere Nadelkraft. Eine solche führt ferner dazu, dass bei Einsatz eines Servoventils zur Düsenadelsteuerung der Steuerraum schneller entlastet wird, wodurch die Düsennadel wiederum eine Beschleunigung erfährt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mündet die wenigstens eine Einspritzöffnung im Bereich des Dichtsitzes in die zentrale Bohrung des Düsenkörpers. Dementsprechend weist das Kraftstoffeinspritzventil bevorzugt eine sogenannte Sitzlochdüse auf. Sitzlochdüsen besitzen gegenüber Sacklochdüsen, bei denen die Einspritzöffnungen unterhalb des Dichtsitzes in ein Sackloch münden, unter anderem den Vorteil, dass das Schadvolumen um bis zu 50% reduziert werden kann. Aufgrund des geringeren Schadvolumens werden auch die HC-Emissionen deutlich reduziert. Da auch die Anforderungen hinsichtlich der Emissionswerte stetig steigen, kann eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Reduzierung solcher gesehen werden. Insoweit erweist sich die vorgeschlagene Sitzgeometrie eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils in Verbindung mit der Ausbildung als Sitzlochdüse als besonders vorteilhaft. Aufgrund der im Sitzbereich ausgebildeten Einspritzöffnungen besitzt eine Sitzlochdüse gegenüber einer Sacklochdüse zwar regelmäßig eine geringere Festigkeit, diese wird jedoch dadurch kompensiert, dass Spannungen aufgrund des vorgeschlagenen kleineren Öffnungswinkels des Dichtsitzes deutlich gemindert werden können.
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Da bei Sitzlochdüsen gegenüber Sacklochdüsen zudem häufiger die Gefahr einer Desachsierung der Düsennadel besteht, wird weiterhin bevorzugt vorgeschlagen, dass die zentrale Bohrung einen sitznahen Führungsbereich zur Führung der Düsennadel aufweist. Als „sitznah” wird vorliegend ein Führungsbereich bezeichnet, der innerhalb eines Bereiches der zentralen Bohrung ausgebildet ist, dessen Länge maximal 40% der Gesamtlänge des Düsenkörpers ausgehend vom brennraumseitigen Ende des Düsenkörpers beträgt. Durch eine sitznahe Führung kann einer Desachsierung bzw. Schiefstellung der Düsennadel entgegen gewirkt werden. Somit ist eine gute Strahlsymmetrie und damit eine gleichmäßige Verteilung des eingespritzten Kraftstoffes im Brennraum der Brennkraftmaschine gewährleistet. Bevorzugt weist die zentrale Bohrung einen Bereich mit reduziertem Durchmesser zur Ausbildung des sitznahen Führungsbereichs auf.
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Vorzugsweise ist der sitznahe Führungsbereich unmittelbar anschließend an den Dichtsitz ausgebildet. Zum Einen kann dadurch eine optimale Führung der Düsennadel erreicht werden, zum Anderen wird die Herstellung des Führungsbereiches innerhalb der zentralen Bohrung vereinfacht. Weist die zentrale Bohrung zur Ausbildung des Führungsbereiches beispielsweise einen reduzierten Durchmesser auf, schließt lediglich an einer Seite des Führungsbereiches, das heißt an der sitzfernen Seite, ein Bereich der zentralen Bohrung mit einem größeren Durchmesser an, so dass dieser durch Freilegen einfach hergestellt werden kann.
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Bevorzugt besitzt der an der Düsennadel ausgebildete umlaufende Dichtbereich zumindest einen konusförmigen Teilbereich. Der Konuswinkel α2 dieses Teilbereiches ist vorzugsweise zumindest geringfügig größer als der Öffnungswinkel α1 des Dichtsitzes gewählt. Die Düsennadel liegt somit im Wesentlichen mit einer linienförmigen Dichtkontur am Dichtsitz an. Zur Ausbildung einer Dichtkante kann der umlaufende Dichtbereich auch aus zwei konusförmigen Teilbereichen mit unterschiedlichen Konuswinkeln zusammengesetzt sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besitzt der an der Düsennadel ausgebildete umlaufende Dichtbereich eine Druckstufe mit hydraulischen Wirkflächen, die in axialer und/oder radialer Richtung mit Kraftstoffdruck beaufschlagbar sind. Eine solche Druckstufe kann beispielsweise auch die Form einer umlaufenden Nut aufweisen. Ein hieran anliegender, in radialer Richtung wirksamer hydraulischer Druck kann ebenfalls zur Führung der Düsennadel beitragen und somit die Gefahr einer Desachsierung verhindern.
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Aufgrund der vorstehend genannten Eigenschaften eignet sich ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil insbesondere für moderne Brennverfahren mit einem hohen Anteil an vorgemischter Verbrennung im Teillastbereich, welche deutlich erhöhte HC-Emissionen erzeugen. Die üblicherweise gewählten Düsenkonstruktionen tragen zu den erhöhten Werten bei. Denn die Einspritzdüse ist üblicherweise als Sacklochdüse mit einem Sitzkegelwinkel von etwa 60° ausgebildet. Die vorliegend vorgeschlagene Düsenkonstruktion vermag dagegen die HC-Emissionen deutlich zu verringern, eine gute Spraysymmetrie zu gewährleisten und eine Festigkeit des Düsenbereiches zu erzielen, die hohe Einspritzdrücke ermöglicht. Des Weiteren kann das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil als ballistischer Injektor ohne Hubanschlag ausgebildet sein, dessen Einsatz weit verbreitet ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen:
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1 schematische Teilschnitte im Bereich des Dichtsitzes, die eine erfindungsgemäße 45°-Düse einer bekannten 60°-Düse gegenüberstellen und
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2 schematische Teilschnitte, die eine Sitzlochdüse einer Sacklochdüse gegenüberstellen.
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Der Gegenüberstellung der 1 ist auf der linken Seite eine erfindungsgemäße und auf der rechten Seite eine bekannte Düsenkonstruktion zu entnehmen. Beide Düsenkonstruktionen umfassen eine Düsennadel 1, die in einer zentralen Bohrung 2 eines Düsenkörpers 3 hubbeweglich geführt ist. Die erfindungsgemäße Düsenkonstruktion weist hierzu einen sitznahen Führungsbereich 7 mit reduziertem Durchmesser auf. Über die Hubbewegung der Düsennadel 1 wird wenigstens eine Einspritzöffnung 4 freigegeben oder verschlossen. Beide Düsen sind als Sitzlochdüsen konstruiert, das heißt, dass die wenigstens eine Einspritzöffnung 4 jeweils im Bereich eines innerhalb der zentralen Bohrung 2 ausgebildeten Dichtsitzes 6 in die zentrale Bohrung 2 münden. Der Dichtsitz 6 weist jeweils einen konischen Verlauf auf, der im Wesentlichen mit einem konisch verlaufenden Teilbereich 8 der Düsennadel 1 korrespondiert und einen Dichtbereich 5 bildet. An den konischen Teilbereich 8 der Düsennadel 1 schließt sich ein zylinderförmiger Teilbereich und hiernach wieder ein konischer Teilbereich an, so dass an der Düsennadel 1 eine Druckstufe 9 und zwischen Düsennadel 1 und Dichtsitz 6 ein Ringraum als Druckkammer ausgebildet wird, der im Betrieb des Einspritzventils mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff befüllt ist. Die Druckkammer steht in Verbindung mit einem zwischen der Düsennadel 1 und der zentralen Bohrung 2 ausgebildeten Ringspalt, der ebenfalls als Druckraum dient. Brennraumseitig (in der 1 unten) läuft die zentrale Bohrung 2 jeweils in ein Sackloch 10 aus. Unterschiede bestehen im Wesentlichen nur im Hinblick auf den gewählten Öffnungswinkel α1 des konisch verlaufenden Dichtsitzes 6, der in der linken Darstellung 45° und in der rechten Darstellung 60° beträgt, sowie dem Konuswinkel α2 des konischen Teilbereiches 8 der Düsennadel 1, der jeweils entsprechend ausgebildet ist.
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2 zeigt eine Sitzlochdüse (linke Seite) und eine Sacklochdüse (rechte Seite) in einer Gegenüberstellung. Bei der Sitzlochdüse mündet die wenigstens eine Einspritzöffnung 4 im Bereich des Dichtsitzes 6 in die zentrale Bohrung 2 des Düsenkörpers, während bei der Sacklochdüse die wenigstens eine Einspritzöffnung 4 in das Sackloch 10 mündet. Auch bei der Sitzlochdüse verbleibt beim Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine ein Schadvolumen im Sackloch 10. Wie den Darstellungen der 2 zu entnehmen ist, wird dieses jedoch deutlich, das heißt um etwa 50% reduziert. Die HC-Emissionen können bei Verwendung einer Sitzlochdüse demnach ebenfalls deutlich gesenkt werden, welches sich als ein weiterer Vorteil darstellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006012242 A1 [0002]
