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Die Erfindung betrifft eine Düsenbaugruppe für einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Düsenbaugruppen bekannt, welche zur Optimierung der Kraftstoffströmung im Bereich wenigstens einer Einspritzöffnung eine bestimmte Nadel- und/oder Sacklochgeometrie aufweisen. In der Offenlegungsschrift
DE 38 10 467 A1 wird beispielsweise eine Kraftstoffeinspritzdüse mit einer in einem Düsenkörper geführten Düsennadel vorgeschlagen, welche zum Freigeben und Verschließen wenigstens eines Spritzlochs eine mit einem Sitzkegel zusammenwirkende kegelförmige Sitzfläche umfasst, an welche sich ein in die Stirnkuppe des Düsenkörpers eintauchender Bereich mit einer umlaufenden Einschnürung anschließt. Bei vollständig geöffneter Düsennadel liegt das untere Ende der Einschnürung in Höhe der sacklochseitigen Mündung eines als Querbohrung ausgebildeten Spritzlochs. Durch die besondere Ausbildung des einspritzseitigen Endes der Düsennadel soll eine Strömungsführung bzw. eine Strömungsumlenkung des Kraftstoffs in Richtung des Spritzlochs bewirkt werden, wodurch es zu einer gezielten Wirbelbildung im Sackloch kommen soll. Ebenso soll durch die gezielte Wirbelbildung die Kavitationsgefahr verringert werden. Zugleich bleibt ein minimales Sacklochvolumen gewährleistet.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2007 062 701 A1 geht eine alternative Kraftstoffeinspritzdüse hervor, welche einen Düsenkörper mit einer zentralen Öffnung umfasst, die einen sich zum Brennraum hin verjüngenden Kegelstumpfabschnitt aufweist, der in ein zentrales Sackloch übergeht, von dem Spritzlöcher ausgehen. Ferner umfasst die Einspritzdüse eine Düsennadel mit einem konkaven Mantelflächenabschnitt und einer Ringkante, die in einer Schließstellung der Düsennadel dichtend an dem Kegelstumpfabschnitt des Düsenkörpers zur Anlage kommt. Um die Strömung zu den Spritzlöchern zu optimieren, erstreckt sich der konkave Mantelflächenabschnitt von der Ringkante bis zu den Spritzlöchern im Düsenkörper hin. Die vorgeschlagene Nadelgeometrie soll eine stabile Strömung im Sackloch erzeugen. Ferner soll durch gezielte Wirbelbildung das Auftreten von Kavitation im Bereich der Sacklochwand verhindert werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Düsenbaugruppe für einen Kraftstoffinjektor mit einer optimierten Düsennadel- und Sacklochgeometrie anzugeben. Die neue Geometrie soll insbesondere Kraft-Hub-Schwankungen des Injektors und die Kavitationsneigung im Bereich des Sackloches weiter reduzieren.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Düsenbaugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorgeschlagene Düsenbaugruppe umfasst eine Düsennadel, die in einer Hochdruckbohrung eines Düsenkörpers zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung hubbeweglich geführt ist und zur Ausbildung einer mit einem Ventilsitz zusammenwirkenden Dichtkontur eine kegelstumpfförmige Spitze aufweist. Die Hochdruckbohrung umfasst zur Ausbildung des Ventilsitzes einen in ein Sackloch übergehenden kegelstumpfförmigen Abschnitt. Erfindungsgemäß besitzt das Sackloch einen zylinderförmigen Abschnitt, der über eine Rundung in einen flachen Sacklochgrund übergeht. Ferner besitzt die Spitze der Düsennadel eine zumindest teilweise zurückspringende Stirnfläche.
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Das Sackloch einer erfindungsgemäßen Düsenbaugruppe ist demnach im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und besitzt einen flachen Sacklochgrund, dem eine zumindest teilweise zurückspringende Stirnfläche der Düsennadelspitze gegenüberliegt. Beim Öffnungshub der Düsennadel bewirkt diese Geometrie ein stabiles Strömungsfeld ohne Strömungsumschlag. Zudem weist der Kraft-Hub-Verlauf im Vergleich zu herkömmlichen Geometrien nur geringe Schwankungen auf. Die Geometrie beeinflusst die Kraftstoffströmung ferner in der Weise, dass die Kavitationsgefahr verringert wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung springt die Stirnfläche der Düsennadel vollständig hinter eine die kegelstumpfförmige Spitze begrenzende ringförmige Kante zurück. Es schließt sich demnach an die kegelstumpfförmige Spitze der Düsennadel kein in das Sackloch eintauchender Bereich an. Ein sich geringfügig vergrößerndes Sacklochvolumen wird zugunsten einer optimierten Kraftstoffführung in Kauf genommen.
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Weiterhin bevorzugt weist die Stirnfläche der Düsennadel wenigstens einen zumindest teilweise konkav und/oder konisch verlaufenden Rücksprung auf. Der Öffnungswinkel α des Rücksprungs beträgt dabei vorzugsweise zwischen 210° und 230°, weiterhin vorzugsweise 220°. In Kombination mit der vorgeschlagenen Sacklochgeometrie können mit einer solchen 220°-Nadelspitze Kraft-Hub-Kennlinien mit sehr geringen Schwankungen erzielt werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist die Stirnfläche der Düsennadel einen omega(ω)-förmigen Rücksprung auf. Das heißt, dass entsprechend der Form eines klein geschriebenen omega(ω), die Stirnfläche der Düsennadelspitze im Längsschnitt zwei konkave Rücksprünge besitzt. Diese Ausgestaltung der Düsennadelspitze hat sich im Rahmen von Versuchen als besonders vorteilhaft im Hinblick auf einen stabilen Strömungsverlauf in Kombination mit der vorgeschlagenen Sacklochgeometrie erwiesen.
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Im Hinblick auf die Sacklochgeometrie wird ferner vorgeschlagen, dass der Durchmesser D des zylinderförmigen Abschnitts des Sacklochs größer als dessen axiale Erstreckung a ist. Das Sackloch ist demnach bevorzugt relativ kurz ausgebildet.
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Weiterhin bevorzugt geht der zylinderförmige Abschnitt über eine Rundung mit einem Radius R < 0,5 × Durchmesser D in den flachen Sacklochgrund über. Mit einer entsprechenden Geometrie konnten im Rahmen von Versuchen besonders günstige Werte erzielt werden.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1 einen Teillängsschnitt durch eine erste Ausführungsform,
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2 ein Diagramm zur Gegenüberstellung der Nadelkraft-Kennlinie der Düsenbaugruppe der 1 mit der jeweiligen Kennlinie aus dem Stand der Technik bekannter Düsenbaugruppen,
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3 einen Teillängsschnitt durch eine zweite Ausführungsform,
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4 ein Diagramm zur Gegenüberstellung der Nadelkraft-Kennlinien der Düsenbaugruppe der 3 mit der Kennlinie einer aus dem Stand der Technik bekannten Düsenbaugruppe,
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5 ein Diagramm zur Gegenüberstellung der Durchfluss-Kennlinie der Düsenbaugruppe der 3 mit den Kennlinien einer aus dem Stand der Technik bekannten Düsenbaugruppe und
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6 einen Teillängsschnitt zur Veranschaulichung der Düsennadelgeometrie einer Düsenbaugruppe gemäß 3.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die in der 1 dargestellte erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Düsenbaugruppe umfasst eine Düsennadel 1, welche in einer Hochdruckbohrung 2 eines Düsenkörpers 3 hubbeweglich geführt ist. Die Düsennadel 1 weist eine kegelstumpfförmig auslaufende Spitze 7 auf, welche als Dichtkontur 6 mit einem korrespondierend hierzu ausgebildeten und als Ventilsitz 5 dienenden Abschnitt der Hochdruckbohrung 2 zusammenwirkt. Die kegelstumpfförmige Spitze 7 der Düsennadel 1 wird von einer ringförmigen Kante 13 begrenzt, hinter welche die Stirnfläche 12 vollständig zurückspringt. Der Rücksprung 14 der Stirnfläche 12 weist die Form eines flachen Kegels auf. Der Öffnungswinkel α beträgt vorliegend 220°.
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Die Hochdruckbohrung 2 läuft in einem Sackloch 8 aus, das einen an den Ventilsitz 5 angrenzenden zylinderförmigen Abschnitt 9 besitzt, welcher über eine Rundung 10 in einen flachen Sacklochgrund 11 übergeht. Das Sackloch 8 ist somit im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet. Im Bereich des Sacklochs 8 weist der Düsenkörper 3 zudem wenigstens eine Querbohrung zur Ausbildung einer Einspritzöffnung 4 auf. Die Lage der Einspritzöffnung 4 befindet sich in etwa auf Höhe der Schnittlinie des zylinderförmigen Abschnitts 9 mit der Rundung 10. Der Durchmesser D des zylinderförmigen Abschnitts 9 des Sacklochs 8 beträgt 1,2 mm. Die axiale Erstreckung beträgt dagegen nur 0,5 mm–0,6 mm, so dass ein sehr kurzes Sackloch 8 entsteht. Der zylinderförmige Abschnitt 9 geht über eine Rundung 10 mit einem Radius R = 0,32 mm in den flachen Sacklochgrund 11 über.
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Die Vorteile dieser Sackloch-/Düsennadelgeometrie lassen sich besonders deutlich aus dem Diagramm der 2 ablesen. Dieses zeigt verschiedene Nadelkraft-Kennlinien, wobei die Kennlinie (1) einer herkömmlichen Düsenbaugruppe mit lang gezogenem Sackloch und sich kegelförmig nach außen erstreckender Düsennadelspitze (siehe Darstellung oben), die Kennlinie (2) einer Düsenbaugruppe mit kurzem zylinderförmigen Sackloch und einer abgeflachten Düsennadelspitze und die Kennlinie (3) einer erfindungsgemäßen Düsenbaugruppe entsprechend dem Ausführungsbeispiel 1 gehört. Die Kennlinie (3) weist deutlich weniger Schwankungen als die Kennlinien (1) und (2) auf, wobei die Kennlinie (2) bereits eine der Sacklochgeometrie geschuldete Verbesserung gegenüber der Kennlinie (1) darstellt. Eine weitere Optimierung kann durch die besondere mit dem flachen Sackloch 8 zusammenwirkende Form der Düsennadel 1 erzielt werden.
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Eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Düsenbaugruppe ist der 3 zu entnehmen. Die Sacklochgeometrie entspricht weitgehend der der Ausführung gemäß der 1. Unterschiede bestehen lediglich hinsichtlich der axialen Erstreckung a des Sacklochs 8, welche vorliegend 0,6 mm beträgt, demnach geringfügig größer gewählt ist. Unterschiede bestehen des Weiteren im Hinblick auf die Ausbildung der zurückspringenden Stirnfläche 12 der Düsennadelspitze 7. Denn anstelle eines Rücksprungs 14 in Form eines flachen Kegels, weist der Rücksprung 14 im Längsschnitt die Form eines kleinen omega(ω) auf. Versuche mit dieser Düsennadelgeometrie in Kombination mit der vorgeschlagenen Sacklochgeometrie haben zu einer weiteren Verringerung der Kennlinien-Schwankungen geführt, wie dies den 4 und 5 entnommen werden kann.
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Die erfindungsgemäße Düsenbaugruppe welcher in den 4 und 5 jeweils die Kennlinie (2) zugeordnet ist wurde in Versuchen einer herkömmlichen Düsenbaugruppe mit einem langgezogenen Sackloch und einer kegelförmig sich nach außen erstreckenden Düsennadelspitze gegenübergestellt. Dieser ist jeweils die Kennlinie (1) zugeordnet. Das Diagramm der 4 gibt die Kraft-Hub-Schwankungen und das Diagramm der 5 die Durchfluss-Hub-Schwankungen wieder. Auch hier fallen wiederum die deutlich geringeren Schwankungen bei der erfindungsgemäßen Düsenbaugruppe auf.
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6 zeigt erneut die Ausführungsform der 3 jedoch in einer anderen Darstellung. Die Omega-förmig ausgebildete Spitze 7 der Düsennadel 1 weist hier zwei konkave Rücksprünge 14 auf, die einem Kreisbogen mit einem Radius R = 0,35 mm folgen. Die Tiefe t der Rücksprünge 14 beträgt jeweils 0,13 mm. Die dargestellte Geometrie ist für eine Düsenbaugruppe ausgelegt, welche einen Sacklochdurchmesser D = 1,2 mm besitzt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine Düsenbaugruppe mit einem solchen Sacklochdurchmesser beschränkt. Der Durchmesser D kann auch vergrößert oder verkleinert werden. Die übrigen Abmessungen sind dann entsprechend anzupassen, um die vorteilhafte erfindungsgemäße Geometrie zu erhalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3810467 A1 [0002]
- DE 102007062701 A1 [0003]
