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Die Erfindung betrifft eine Düsenbaugruppe für einen Kraftstoffinjektor, insbesondere einen Common-Rail-Injektor, zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Eine solche Düsenbaugruppe umfasst einen Düsenkörper und eine Düsennadel, die in einer Hochdruckbohrung des Düsenkörpers zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung hubbeweglich geführt ist. Zur Ausbildung eines Ventilsitzes umfasst die Hochdruckbohrung einen in ein Sackloch übergehenden kegelstumpfförmigen Abschnitt, der mit einer an der Düsennadel ausgebildeten kegelstumpfförmigen Dichtkontur dichtend zusammenwirkt.
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Ferner betrifft die Erfindung einen Kraftstoffinjektor, insbesondere einen Common-Rail-Injektor, mit einer solchen Düsenbaugruppe.
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Stand der Technik
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Ein gattungsgemäßer Kraftstoffinjektor für Brennkraftmaschinen geht aus der Offenlegungsschrift
DE 100 00 501 A1 hervor. Der Kraftstoffinjektor bzw. das Kraftstoffeinspritzventil weist einen Ventilkörper mit einer Bohrung auf, in welcher ein Ventilglied entgegen einer Schließkraft axial beweglich angeordnet ist. Das Ventilglied weist an seinem Ende eine im Wesentlichen konische Ventilgliedspitze auf, die mit einem Teil ihrer Mantelfläche, der als Ventildichtfläche dient, an einem am brennraumseitigen Ende der Bohrung ausgebildeten Ventilsitz zur Anlage kommt. Der Konuswinkel der Ventildichtfläche ist in Öffnungsstellung des Ventilgliedes etwas größer als der Konuswinkel des Ventilsitzes gewählt, so dass eine in dichtende Anlage mit dem Ventilsitz bringbare Ringkante ausgebildet wird. Die Ringkante verbessert die Abdichtung im Bereich des Ventilsitzes. Zugleich führt die hohe Flächenpressung über die Ringkante zu Verformungen an dem Ventilglied und dem Ventilsitz, wodurch sich der effektive Sitzdurchmesser des Ventilgliedes und damit der effektive Durchlassquerschnitt des Kraftstoffeinspritzventils ändern kann. Dies wirkt sich nachteilig auf den Kraftstoffeinspritzverlauf und die Einspritzgenauigkeit aus. Um diese Nachteile zu beheben, wird in der genannten Druckschrift ferner vorgeschlagen, den die Ventildichtfläche tragenden Teil der Ventilgliedspitze als nachgiebige Ringkante auszubilden. Bei einer Schließbewegung des Ventilgliedes auf den Ventilsitz zu, erfolgt zunächst eine Linienberührung der Ringkante mit dem Ventilsitz, wonach sich die Ringkante jedoch derart verformt, dass die Ventildichtfläche flächig am Ventilsitz anliegt. Eine für die Ringkante auf den Ventilsitz ausgeübte hohe Flächenpressung wird somit vermieden.
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Bei einem gattungsgemäßen Kraftstoffinfektor, wie er beispielsweise in der
DE 100 00 501 A1 beschrieben ist, besteht weiterhin das Problem, dass der unter hohem Druck stehende Kraftstoff in Schließstellung des Injektors in der Regel zu einer Verformung des Ventil- bzw. Düsenkörpers führt. Stromaufwärts der Dichtkante bewirkt der Kraftstoffdruck ein elastisches Aufbauchen des Düsenkörpers, während der Bereich stromabwärts der Dichtkante eine hierzu gegenläufige Verformung erfährt. Das Phänomen wird daher auch als „S-Schlag” bezeichnet. Eine entsprechende Verformung des Düsenkörpers hat eine veränderte hebende Nadelkraft zur Folge, wodurch wiederum das Nadelöffnungsverhalten stark beeinflusst wird. Vom Nadelöffnungsverhalten hängt jedoch die eingespritzte Menge des Kraftstoffs ab, so dass ein präziser Einspritzvorgang ggf. nicht mehr gewährleistet ist. Durch Verschleiß im Sitzbereich steigt die Empfindlichkeit weiter an, so dass die Auswirkungen des S-Schlags noch deutlicher zutage treten.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Düsenbaugruppe für einen Kraftstoffinjektor bzw. einen Kraftstoffinjektor anzugeben, dessen Einspritzverhalten weitgehend unempfindlich gegenüber derartigen Verformungen des Düsenkörpers ist.
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Düsenbaugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Aufgabe wird ferner gelöst von einem Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 7.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorgeschlagene Düsenbaugruppe umfasst einen Düsenkörper und eine Düsennadel, die in einer Hochdruckbohrung des Düsenkörpers zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung hubbeweglich geführt ist. Zur Ausbildung eines Ventilsitzes umfasst die Hochdruckbohrung einen in ein Sackloch übergehenden kegelstumpfförmigen Abschnitt, der mit einer an der Düsennadel ausgebildeten kegelstumpfförmigen Dichtkontur dichtend zusammenwirkt. Erfindungsgemäß ist der den Ventilsitz bildende kegelstumpfförmige Abschnitt durch eine Einsenkung im Düsenkörper zumindest teilweise freigestellt. Durch die Einsenkung im Düsenkörper erfolgt eine Entkopplung des schaftförmig ausgebildeten Düsenteils von der Kuppe des Düsenkörpers, so dass eine Verformung, insbesondere Aufbauchung des Düsenkörpers, keine, zumindest jedoch deutlich verringerte Auswirkungen hat. Die hierzu im Düsenkörper ausgebildete Einsenkung ersetzt eine fertigungsbedingte Sitzabsetzkante im Bereich des Übergangs der Kuppe in den Schaft. Die Tiefe und der Innendurchmesser der Einsenkung ist entsprechend den jeweiligen Anforderungen zu wählen. Bei der Festlegung der exakten Geometrie sind die zusätzlichen Spannungen zu berücksichtigen, die durch den im Bereich der Einsenkung anliegenden Kraftstoffdruck im Düsenkörper bewirkt werden. Sind die zusätzlichen Spannungen zu hoch, kann über eine Veränderung der Tiefe und/oder des Innendurchmessers bzw. der Breite der Einsenkung eine Verringerung erzielt werden.
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Bevorzugt ist die Einsenkung im Düsenkörper im Wesentlichen axial geführt, so dass die Hochdruckbohrung in axialer Richtung verlängert wird. Die maximale Tiefe t der Einsenkung liegt vorzugsweise zwischen 0,25 mm und 0,55 mm bezogen auf einen Prüfdorn mit einem Durchmesser von 2,0 mm. Der Innendurchmesser DI der Einsenkung liegt vorzugsweise zwischen 2,3 mm und 2,8 mm.
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Die Einsenkung im Düsenkörper besitzt einen Grund, der weiterhin bevorzugt gerundet ausgebildet ist. Dadurch wird die Kerbwirkung im Bereich der Einsenkung gering gehalten. Vorzugsweise entspricht der Radius der Rundung dem halben Breite b der Einsenkung.
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Weiterhin bevorzugt geht die Einsenkung über eine Rundung in den kegelstumpfförmigen Abschnitt des Düsenkörpers über. Der Radius R der Rundung liegt dabei vorzugsweise zwischen 0,04 mm und 0,15 mm. Ein gerundeter Übergang wirkt sich günstig auf den Strömungsverlauf innerhalb der Hochdruckbohrung aus.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich der Kegelwinkel der an der Düsennadel ausgebildeten kegelstumpfförmigen Dichtkontur von dem des kegelstumpfförmigen Abschnitts des Düsenkörpers, so dass eine ringförmige Dichtkante an der Dichtkontur ausgebildet wird. Die ringförmige Dichtkante gewährleistet eine optimale Abdichtung, da aufgrund des linienförmigen Kontaktes der Dichtkante mit dem Ventilsitz eine hohe Flächenpressung erreicht wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die ringförmige Dichtkante in Bezug auf ihre Lage in axialer Richtung im Bereich der Einsenkung liegt. Denn im Bereich der Einsenkung ist der Ventilsitz freigestellt und vorzugsweise geringfügig elastisch verformbar. Die elastische Verformbarkeit des freigestellten Ventilsitzbereiches gewährleistet, dass ein vorgebbarer maximaler Grenzwert der Flächenpressung nicht überschritten wird. Der Ventilsitz wird somit einer geringeren Belastung bzw. Beanspruchung ausgesetzt, was wiederum zu einem geringeren Verschleiß im Bereich des Ventilsitzes führt.
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Schließlich wird zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe ein Kraftstoffinjektor vorgeschlagen, der eine erfindungsgemäße Düsenbaugruppe umfasst. Der Kraftstoffinjektor ist vorzugsweise als Common-Rail-Injektor ausgebildet und dient zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1a einen Teillängsschnitt durch eine aus dem Stand der Technik bekannte Düsenbaugruppe, in welchem die Lage der Koordinaten des Diagramms der 1b angezeigt ist,
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1b ein Diagramm zur Darstellung der Verformung des Düsenkörpers der Düsenbaugruppe der 1a unter Druck,
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2 einen Teillängsschnitt durch eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform einer Düsenbaugruppe,
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3 einen Teillängsschnitt durch eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform einer Düsenbaugruppe,
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4 einen Teillängsschnitt durch eine dritte erfindungsgemäße Ausführungsform einer Düsenbaugruppe und
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5 ein Diagramm zur Darstellung der Zusammenhänge zwischen der Geometrie der Einsenkung und der Verformung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die 1a und 1b betreffen eine aus dem Stand der Technik bekannte Ausführungsform einer Düsenbaugruppe umfassend einen Düsenkörper 1 mit eine Hochdruckbohrung 3, in welcher eine Düsennadel 2 hubbeweglich geführt ist. Die Hochdruckbohrung 3 geht über einen Ventilsitz 4 ausbildenden kegelstumpfförmigen Abschnitt 6 in ein Sackloch 5 über, während an der Düsennadel 2 eine ebenfalls kegelstumpfförmige Dichtkontur 7 ausgebildet ist, die mit dem kegelstumpfförmigen Abschnitt 6 dichtend zusammenwirkt. Der Bereich stromaufwärts des Ventilsitzes 4 kann auch als Schaft 12 und der Bereich stromabwärts des Ventilsitzes 4 als Kuppe 13 des Düsenkörpers 1 bezeichnet werden. Das im Bereich des Ventilsitzes 4 eingezeichnete Achsenkreuz gibt die Koordinaten des Diagramms der 1b wieder, wobei der Nullpunkt auf Höhe einer ringförmigen Dichtkante 11 der Dichtkontur 7 der Düsennadel 2 liegt, die dadurch gebildet wird, dass die Dichtkontur 7 zwei unterschiedliche Kegelwinkel besitzt. Der Kegelwinkel stromabwärts der Dichtkante 11 ist größer als der Kegelwinkel stromaufwärts der Dichtkante 11 gewählt.
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Die beiden unterschiedlichen Kegelwinkel einschließlich der Dichtkante 11 sind auch dem Diagramm der 1b entnehmbar, wobei die Darstellung stark überzeichnet ist. In Schließstellung der Düsennadel liegt die Dichtkante 11 am Ventilsitz 4 des Düsenkörpers 1 an. Ohne Druck auf den Düsenkörper 1 bleibt die ursprüngliche Form des Ventilsitzes 4 (gerade Linie) erhalten. Sofern die Hochdruckbohrung 3 jedoch mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff gefüllt ist, liegt am Düsenkörper 1 ein Druck an, der zu einer elastischen Verformung 14 führt, welche im Diagramm der 1b durch die S-förmig verlaufende Kurve dargestellt ist. Die Verformung 14 wird demnach auch S-Schlag genannt. Oberhalb der ringförmigen Dichtkante 11, d. h. im Bereich der Hochdruckbohrung 3, erfährt der Düsenkörper demnach eine Verformung 14, die zu einer Aufbauchung des Düsenkörpers 1 führt. Weiter stromabwärts, d. h. im Bereich des Sackloches 5, erfährt der Düsenkörper 1 dagegen eine Einschnürung, so dass es zu der S-Schlag genannten Verformung 14 kommt. Da diese Verformung 14 Einfluss auf die hebende Nadelkraft und damit auf das Nadelöffnungsverhalten besitzt, gilt es im Hinblick auf die Einspritzgenauigkeit derartige Verformungen im Ventilsitzbereich des Düsenkörpers 1 zu vermeiden. Die Fließrichtung des Kraftstoffs ist durch den Pfeil angegeben.
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Abhilfe wird durch eine erfindungsgemäße Düsenbaugruppe geschaffen, bei welcher der Schaft 12 des Düsenkörpers 1 von der Kuppe 13 über eine Einsenkung 8 entkoppelt ist. Verformungen im Bereich des Schafts 12 haben somit keinen, zumindest jedoch einen deutlich geringeren Einfluss auf die Form des Ventilsitzes 4. Somit kann die Einspritzgenauigkeit über die Einsenkung 8 optimiert werden.
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Das in der 2 dargestellte erste Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Düsenbaugruppe weist eine Einsenkung 8 auf, die sich in axialer Richtung erstreckt und eine Tiefe t sowie eine Breite b besitzt. Der Grund 9 der Einsenkung 8 ist gerundet ausgeführt. Der Radius der Rundung entspricht dabei der Hälfte der Breite b der Einsenkung 8. Die Tiefe t der Einsenkung 8 wird vom Prüfdorndurchmesser DP bis zum tiefsten Punkt des Grundes 9 gemessen. Der Prüfdorndurchmesser DP stellt eine Bezugsgröße dar, die für sämtliche Axialmaße herangezogen und mittels eines genormten Prüfdorns ermittelt wird. Der Prüfdorndurchmesser beträgt vorliegend 2,0 mm, die Tiefe t 0,4 mm. Ferner beträgt der Innendurchmesser DI der Einsenkung 8 2,7 mm.
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Eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Düsenbaugruppe ist in der 3 dargestellt. Diese unterscheidet sich von der der 2 dadurch, dass die Tiefe t von 0,4 mm auf 0,3 mm reduziert wurde. Die geringere Tiefe t der Einsenkung 8 hat den Vorteil, dass die Spannungen im Kerbgrund verringert werden, die durch die Einsenkung 8 bedingt sind.
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Eine weitere Optimierung der Geometrie der Einsenkung 8 ist anhand eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Düsenbaugruppe in 4 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel geht die Einsenkung 8 über eine Rundung 10 mit einem Radius R in den kegelstumpfförmigen Abschnitt 6 des Ventilsitzes 4 über, was zu einer weiteren Verringerung der Verformung 14 des Düsenkörpers 1 führt. Der Radius R der Rundung 10 beträgt vorliegend 0,15 mm.
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Die Zusammenhänge zwischen der Geometrie der Einsenkung 8 und der Verformung 14 des Düsenkörpers 1 gehen deutlich aus dem Diagramm der 5 hervor. Die Verformung wurde einheitlich bei einem Druck von 1550 bar gemessen. Der untere mit Kurvenverlauf zeigt die Spalthöhenvergrößerung entlang des Ventilsitzes 4 am Beispiel einer herkömmlichen Düsenbaugruppe ohne Einsenkung 8. Die darüber liegenden mit „a” bis „e” bezeichneten Kurvenverläufe zeigen jeweils die Verformung eines Düsenkörpers 1 mit einer Einsenkung 8, wobei jeweils unterschiedliche Geometrien für die Einsenkung 8 gewählt wurden. Insbesondere wurden die Tiefe t und der Innendurchmesser DI variiert. Bei einer Einsenkung 8 mit einem Innendurchmesser DI = 2,5 mm und eine Tiefe t = 0,5 mm bewirkt der Druck eine Verformung 14 entsprechend der Kurve „d”, welche einen inversen S-Schlag zeigt. Reduziert man die Tiefe t von 0,5 mm auf 0,3 mm führt dies zu einer S-Schlag entsprechend der Kurve „e” mit einer Spalthöhe, die jedoch deutlich unter der der Kurve einer herkömmlichen Düsenbaugruppe liegt (untere Kurve). Bei einer Tiefe t = 0,4 mm ist die Spalthöhenvergrößerung am geringsten (siehe Kurven „a” bis „c”). Eine weitere Optimierung der Geometrie der Einsenkung 8 kann über die Einstellung des Innendurchmessers DI erfolgen, wobei der Einfluss des Innendurchmessers DI geringer als der der Tiefe t ist. Eine Verformung entsprechend der Kurve „a” zeigt sich bei einem Düsenkörper 1 mit einer Einsenkung 8, die einen Innendurchmesser DI = 2,5 mm besitzt. Eine Reduzierung des Innendurchmesser auf 2,4 mm führt zu einer Verformung 14 mit verringerter Spalthöhe entsprechend der Kurve „c”, während eine Vergrößerung des Innendurchmessers auf 2,6 mm zu einer Vergrößerung der Spalthöhe entsprechend der Kurve „b” führt.
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Die optimale Geometrie der Einsenkung 8 ist in Abhängigkeit von der konkreten Ausführung der Düsenbaugruppe zu ermitteln. Für alle Ausführungsformen gilt jedoch, dass durch die Einsenkung 8 im Düsenkörper 1 eine Entkopplung des Schaftes 12 von der Kuppe 13 bewirkt werden kann, welche die Empfindlichkeit der Düsenbaugruppe in Bezug auf Verformungen deutlich herabsetzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10000501 A1 [0004, 0005]
