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Die Erfindung betrifft einen Düsenkörper für einen Kraftstoffinjektor einer Brennkraftmaschine mit einer um eine Längsachse des Düsenkörpers angeordneten Ausnehmung für eine Düsennadel, umfassend einen Düsennadelsitz und ein Sackloch.
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Derartige Düsenkörper kommen zum Einsatz in Kraftstoffinjektoren für Brennkraftmaschinen.
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Ein Kraftstoffinjektor umfasst üblicherweise einen einteilig oder mehrteilig ausgestalteten Düsenkörper. In dem Düsenkörper befindet sich eine Ausnehmung, in welcher eine Düsennadel entlang einer Längsachse des Düsenkörpers beweglich gelagert ist. Die Düsennadel umfasst üblicherweise einen Düsennadelschaft und eine Düsennadelspitze. An einem Ende der Ausnehmung im Düsenkörper befindet sich eine Sacklochbohrung, von der ein oder mehrere Kraftstoffeinspritzlöcher ausgehen. Im eingebauten Zustand ragt dieses Ende des Düsenkörpers in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Bei geöffnetem Injektorventil kann dann Kraftstoff durch die Einspritzlöcher in den Brennraum eingespritzt werden.
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Im Bereich des Düsennadelschafts ist die Ausnehmung mit einer unter Druck stehendem Kraftstoffkammer verbunden, die ihrerseits mit einer unter Druck stehenden Kraftstoffzuleitung verbunden ist. Axial bezogen auf die Längsachse des Düsenkörpers zwischen der Kraftstoffkammer und dem Sackloch ist ein Düsennadelsitz angeordnet. Bei geschlossenem Injektorventil liegt die Düsennadelspitze mit einer Dichtkante oder Dichtfläche an einer Dichtfläche des Düsennadelsitzes an und bildet mit dieser einen Dichtsitz. In diesem Fall kann kein Kraftstoff von der Kraftstoffkammer in das Sackloch und zu den Einspritzlöchern strömen. Zum Öffnen des Kraftstoffinjektors wird die Düsennadel von einem Aktuator direkt oder indirekt angesteuert vom Düsennadelsitz abgehoben. In Folge kann unter Druck stehender Kraftstoff aus der Krafstoffkammer zwischen der Düsennadel und dem Düsennadelsitz zum Sackloch strömen. Dadurch steigt der Druck im Sackloch und Kraftstoff kann unter Druck durch die Einspritzlöcher in den Brennraum eingespritzt werden.
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Bei derartigen Sacklochdüsen und insbesondere bei Mikro-Sacklochdüsen beeinflusst der Übergangsbereich zwischen Düsennadelsitz und Sackloch während des Öffnens den Druckaufbau im Sackloch. Der Strömungsquerschnitt zwischen Düsennadelsitz und Düsennadel bildet eine Drosselstelle für den zufließenden Kraftstoff. Durch den Druck im Sackloch wiederum wird die Einspritzrate für die aus dem Sackloch ausgehenden Einspritzlöcher beeinflusst. Somit wird über das Öffnungsverhalten der Düse die Einspritzrate und der Einspritzverlauf beeinflusst. Darüber hinaus wird durch den Übergangsbereich zwischen Düsennadelsitz und Sackloch das Verhältnis von Krafstoffdurchfluss ohne Düsennadel zu Kraftstoffdurchfluss mit Düsennadel, der sogenannten Nadelfaktor, mitbestimmt, da sich die Düsennadel in der Regel mit einer größeren Präzision herstellen lässt als der Übergangsbereich. Aus fertigungstechnischen Gründen wird jedoch eine geringe Streuung des Nadelfaktors angestrebt.
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Bei bekannten Düsenkörpern wird der Strömungsbereich zwischen Düsennadelsitz und Sackloch vornehmlich über den Sitzwinkel und den Sacklochwinkel definiert. Unter dem Sitzwinkel ist dabei der Neigungswinkel der Umfangswand des Düsennadelsitzes gegenüber der Längsachse des Düsenkörpers zu verstehen. Der Sacklochwinkel bezeichnet die Neigung der Sacklochumfangswand gegen die Längsachse des Düsenkörpers.
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Immer strenger werdende gesetzliche Vorschriften beispielsweise hinsichtlich zulässiger Emissionswerte erfordern eine weitere Verringerung von Bauteilstreuungen und immer präzisere Einspritzraten. Insbesondere werden an unterschiedliche Brennverfahren angepasste präzise Einspritzraten bei Vor-, Haupt- und Nacheinspritzung immer wichtiger.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen verbesserten Düsenkörper anzugeben, mit dem sich Streuungen in der Einspritzrate weiter verringern lassen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Düsenkörper und ein Herstellungsverfahren für einen Düsenkörper gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein erfindungsgemäßer Düsenkörper für einen Kraftstoffinjektor einer Brennkraftmaschine umfasst eine um eine Längsachse des Düsenkörpers angeordnete Ausnehmung für eine Düsennadel. Die Ausnehmung umfasst einen Düsennadelsitz, an dem die Düsennadel zur Bildung eines Dichtsitzes zur Anlage gebracht werden kann und ein Sackloch. Erfindungsgemäß ist zwischen dem Düsennadelsitz und dem Sackloch ein Zwischenbereich angeordnet. Die Umfangswand des Sackloches weist zumindest in einem an den Zwischenbereich angrenzenden Teilbereich gegenüber der Längsachse des Düsenkörpers eine erste Steigung auf. Die Umfangswand des Düsennadelsitzes weist zumindest in einem an den Zwischenbereich grenzenden Teilbereich eine zweite Steigung gegenüber der Längsachse des Düsenkörpers auf. In dem Zwischenbereich weist die Umfangswand erfindungsgemäß zumindest in einem Punkt eine dritte Steigung gegenüber der Längsachse auf, deren Betrag zwischen dem Betrag der ersten Steigung und dem Betrag der zweiten Steigung liegt.
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Für die Definition der Steigung kann hier die Umfangswand der Ausnehmung als Funktion des Radius r(x) der Ausnehmung von einer axialen Position x dargestellt werden. Als x-Achse (Abszisse) dient die Längsachse des Düsenkörpers, deren Nullpunkt am brennraumseitigen Ende des Düsenkörpers liegt. Der Düsenkörper erstreckt sich in positiver x-Richtung. Die Steigung ist dann mathematisch definiert als Ableitung der Radiusfunktion dr(x)/dx. Eine kleine Steigung der Umfangswand entspricht somit einem kleinen Öffnungswinkel und eine große Steigung entspricht einem großen Öffnungswinkel.
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Der Düsenkörper kann einteilig oder mehrteilig ausgeführt sein und weist eine Längsachse auf, um welche die Ausnehmung vorzugsweise rotationssymmetrisch angeordnet ist. Am brennraumseitigen Ende des Düsenkörpers endet die Ausnehmung in einem Sackloch, von welchem ein oder mehrere Einspritzlöcher ausgehen. Das Sackloch ist am brennraumseitigen Ende des Düsenkörpers geschlossen und grenzt an seinem gegenüberliegenden Ende an den Zwischenbereich. Das Sackloch kann beispielsweise zylindrisch oder konisch ausgebildet sein, so dass die Steigung der Umfangswand in einem an den Zwischenbereich grenzenden Teilbereich beispielsweise gleich 0 ist (zylindrisches Sackloch) oder einen festen Wert größer 0 aufweist (konisches Sackloch). Die Steigung der Umfangswand gegenüber der Längsachse des Düsenkörpers entspricht einem Öffnungswinkel des Sacklochs.
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Auf der anderen Seite des Zwischenbereichs ist der Düsennadelsitz des Düsenkörpers angeordnet. Dieser weist vorzugsweise eine konische Dichtfläche auf, welche an den Zwischenbereich grenzt. In diesem Bereich weist die Umfangswand des Düsennadelsitzes eine zweite Steigung gegenüber der Längsachse des Düsenkörpers auf, die im Fall einer konischen Fläche einen festen Wert aufweist, die also konstant ist. Diese Steigung entspricht dem Öffnungswinkel der konischen Dichtfläche.
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Im Zwischenbereich weist die Umfangswand mindestens in einem Punkt eine Steigung gegenüber der Längsachse auf, deren Betrag zwischen der Steigung der Sacklochwand im an den Zwischenbereich grenzenden Teilbereich und zwischen der Steigung der Düsennadelsitzwand im an den Zwischenbereich grenzenden Teilbereich liegt. Ein Punkt an der Umfangswand des Zwischenbereichs bezieht sich hier auf eine bestimmte axiale Position entlang der Längsachse des Düsenkörpers. Üblicherweise ist die Ausnehmung rotationssymmetrisch um die Längsachse angeordnet. Daher entspricht diesem Punkt streng genommen eine um die Längsachse rotationssymmetrische Kreislinie.
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Der Zwischenbereich sorgt für einen vergrößerten Strömungsquerschnitt im Übergangsbereich zwischen Düsennadelsitz und Sackloch. Ohne Zwischenbereich würden Düsennadelsitz und Sackloch eine gemeinsame Kante bilden, die für den vorbeiströmenden Kraftstoff als Drossel wirkt. Durch den Zwischenbereich ist diese Kante weniger stark ausgeprägt. Beim Öffnen des Injektorventils, wenn die Düsennadel von dem Düsennadelsitz abhebt, wird somit eine Drosselfunktion an dieser Kante abgemildert, so dass ein schnellerer Druckaufbau im Sacklochbereich möglich ist. Durch gezielt ausgewählte Abmessungen des Zwischenbereichs kann der Strömungsquerschnitt gezielt eingestellt werden.
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Der erfindungsgemäß vorgesehene Zwischenbereich zwischen Düsennadelsitz und Sackloch bietet drüber hinaus den Vorteil, dass er sich besonders präzise herstellen lässt. Somit können fertigungsbedingte Bauteilstreuungen, welche den Strömungsquerschnitt und den Nadelfaktor beeinflussen, erfindungsgemäß reduziert werden. Der Zwischenbereich kann bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Düsenkörpers in einem der letzten Arbeitsschritte, d. h. erst nach dem Formen des Sacklochs und des Düsennadelsitzes, hergestellt werden. Durch die Schaffung des größeren Strömungsquerschnittes im Zwischenbereich zwischen Düsennadelsitz und Sackloch wird somit der Nadelfaktor erstens geringer und lässt sich zudem noch präziser einstellen, so dass eine geringere Streuung erreicht werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Düsenkörpers sieht daher die Bereitstellung eines Düsenkörpers mit einem Düsennadelsitz und einem Sackloch vor, in welchen der Zwischenbereich in einem weiteren Verfahrensschritt geformt wird. Zur Formung des Zwischenbereichs können beispielsweise spanabtragende Verfahren, wie z. B. Schleifen, Bohren und Drehen, oder Umformprozesse, wie z. B. Tiefziehen oder Prägen angewendet werden.
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Durch den somit steuerbaren Druckaufbau im Sackloch beim Öffnen der Düse kann die Einspritzrate und gleichzeitig der Strahlzerfall im Brennraum positiv verändert werden. Durch eine gezielt gewählte Form des Zwischenbereichs kann die Einspritzrate präzise und gezielt gesteuert werden.
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Vorzugsweise sind die erste und/oder die zweite Steigung der Umfangswand im Sackloch bzw. im Düsennadelsitz in einem an den Zwischenbereich grenzenden Teilbereich konstant. D. h. sowohl Sackloch als auch Düsennadelsitz grenzen mit einem zylindrischen oder konischen Teilbereich an den Zwischenbereich an.
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Düsenkörpers ist die erste Steigung der Umfangswand des Sacklochs gegenüber der Längsachse im an den Zwischenbereich grenzenden Teilbereich kleiner als die zweite Steigung der Umfangswand des Düsennadelsitzes gegenüber der Längsachse im an den Zwischenbereich grenzenden Teilbereich. Der Betrag der dritten Steigung in mindestens einem Punkt im Zwischenbereich liegt erfindungsgemäß dazwischen. Vorzugsweise liegt der Betrag der dritten Steigung in jedem Punkt des Zwischenbereichs dazwischen. Es gilt somit die Bedingung erste Steigung < dritte Steigung < zweite Steigung. Im Fall eines zylindrischen Sacklochs ist der Betrag der ersten Steigung gleich 0.
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In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Düsenkörpers ist die dritte Steigung der Umfangswand im gesamten Zwischenbereich konstant. In diesem Fall ist der Zwischenbereich ebenfalls konisch ausgeformt. Der konstanten Steigung im gesamten Zwischenbereich entspricht ein Öffnungswinkel des Zwischenbereichs. Der Öffnungswinkel des Zwischenbereichs liegt dann zwischen dem Öffnungswinkel des Sacklochs und dem Öffnungswinkel des Düsennadelsitzes. Ein konischer Zwischenbereich wird auch als Abschrägung oder als Fase bezeichnet. Diese Ausführungsform hat den besonderen Vorteil, dass sie einfach herzustellen ist.
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Die Umfangswand des Zwischenbereiches kann jedoch auch konvex gekrümmt sein, so dass eine gedachte Kante zwischen dem Düsennadelsitz und dem Sacklochbereich abgerundet bzw. verrundet ist.
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In einer bevorzugten Weiterbildung nimmt die Steigung der Umfangswand gegenüber der Längsachse des Düsenkörpers im Zwischenbereich jeden Betrag zwischen der ersten Steigung im Sacklochbereich und der zweiten Steigung im Bereich des Düsennadelsitzes genau in einem Punkt bzw. auf genau einer Kreislinie im Zwischenbereich an. D. h. die Steigung weist im Zwischenbereich an jeder axialen Position einen anderen Betrag auf. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn der Zwischenbereich als Verrundung mit einem festen Verrundungsradius ausgestaltet ist. Im gesamten Zwischenbereich liegt die Steigung jedoch in diesem Fall zwischen der Steigung der Umfangswand des Sackloches und der Steigung im angrenzenden Bereich des Düsennadelsitzes. Prinzipiell kann die Verrundung jedoch auch einer beliebigen anderen Form folgen.
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Diese Ausführungsvariante hat den Vorteil, dass eine harte Kante zwischen Düsennadelsitz und Sackloch gänzlich vermieden werden kann. Auf diese Weise kann die Drosselfunktion für die Kraftstoffströmung im Übergangsbereich zwischen Düsennadelsitz und Sackloch noch stärker verringert werden. Somit kann ein noch schnellerer Druckaufbau beim Öffnen der Düsennadel im Sackloch erreicht werden.
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Durch die Abrundung des Zwischenbereichs oder die Ausbildung des Zwischenbereichs als konische Fase kann auch eine Abnutzung des Düsenkörpers im Betrieb verringert werden, so dass auch dadurch bedingte Streuungen im Einspritzverhalten weiter reduziert werden können.
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Die zur Einstellung des Strömungsquerschnittes gezielt auswählbaren Abmessungen des Zwischenbereichs umfassen beispielsweise die axiale Länge des Zwischenbereichs, Steigungsverlauf der Umfangswand im Zwischenbereich, Öffnungswinkel eines konischen Zwischenbereichs, oder Rundungsradius eines konvex gekrümmten Zwischenbereichs.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiele beispielhaft erläutert werden. Es zeigen schematisch:
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1: einen Teilschnitt durch eine Längsachse eines erfindungsgemäßen Düsenkörpers;
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2: einen Schnitt durch einen Düsenkörper gemäß einer ersten Ausführungsform; und
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3: einen Schnitt durch einen Düsenkörper gemäß der zweiten Ausführungsform.
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Der in 1 dargestellte Düsenkörper 1 ist rotationssymmetrisch um die Längsachse L ausgebildet. Der Düsenkörper 1 umfasst eine Ausnehmung 3 mit einem Düsennadelsitz 5 und einem Sackloch 6. In der Ausnehmung 3 ist eine Düsennadel 4 entlang der Längsachse L beweglich gelagert. Von dem Sackloch 6 gehen ein oder mehrere Einspritzlöcher 8 in Richtung des Brennraums (nicht dargestellt). Zwischen dem Düsennadelsitz 5 und dem Sackloch 6 weist die Ausnehmung einen Zwischenbereich 7 auf. Die Umfangswand der Ausnehmung ist als Funktion r(x) gegenüber der Längsachse L als x-Achse dargestellt. Das Sackloch 6 ist im an den Zwischenbereich grenzenden Teilbereich im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet, wobei die Umfangswand parallel zur Längsachse L ist und somit eine Steigung von dr(x)/dx = 0 gegenüber der Längsachse aufweist. Im Düsennadelsitz 5 ist die Umfangswand der Ausnehmung 3 konisch ausgestaltet und weist eine konstante Steigung gegenüber der Längsachse L auf. Im Zwischenbereich 7 ist die Umfangswand konisch ausgebildet (durchgezogene Linie) oder konvex gekrümmt (gestrichelte Linie) ausgebildet. Im Fall der konischen Ausgestaltung bildet der Zwischenbereich eine Fase. Die Steigung der Umfangswand gegenüber der Längsachse L ist hier im gesamten Zwischenbereich 7 konstant und liegt zwischen der Steigung der Umfangswand im Sacklochbereich 6 und der Steigung der Umfangswand im Düsennadelsitz 5. Im Fall des verrundet ausgeführten Zwischenbereichs (gestrichelte Linie) ist die Steigung der Umfangswand gegenüber der Längsachse L in jedem Punkt, dass heißt in jeder axialen Position entlang der Längsachse L, unterschiedlich. In jedem Punkt P in dem Zwischenbereich 7 liegt die Steigung jedoch zwischen der Steigung der Umfangswand im Sacklochbereich 6 und der Steigung im Bereich des Düsennadelsitzes 5.
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2 zeigt einen Düsennadelkörper gemäß einer ersten Ausführungsvariante mit einem als Fase konisch ausgebildeten Zwischenbereich 7. In diesem Ausführungsbeispiel ist auch das Sackloch konisch ausgebildet, wobei dessen Umfangswand gegenüber der Längsachse des Düsenkörpers eine von 0 verschiedene Steigung aufweist. Die Steigungen der Umfangswand im Bereich des Sackloches, im Zwischenbereich und im Bereich des Düsennadelsitzes sind als Winkel a1, a3 und a2 dargestellt, wobei der Winkel a2 des Düsennadelsitzes 5 gegenüber der Längsachse L größer ist als der Winkel a3 im Zwischenbereich 7, welcher wiederum größer ist als der Winkel a1 im Sacklochbereich 6.
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3 zeigt ein Düsenkörper gemäß einer zweiten Ausführungsvariante. Dabei ist der Zwischenbereich 7 konvex gekrümmt mit einem Krümmungsradius R ausgestaltet. Die Steigung der Umfangswand gegenüber der Längsachse L ist in jedem Punkt P des Zwischenbereichs 7 verschieden und liegt zwischen der Steigung des angrenzenden Teilbereichs des Sacklochs 6 und des angrenzenden Teilbereichs des Düsennadelsitzes 5.
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Alle vorstehend offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination miteinander für den erfindungsgemäßen Düsenkörper oder das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Düsenkörpers von Bedeutung sein.
