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Die Erfindung betrifft eine Düsenbaugruppe für ein Einspritzventil, ein Einspritzventil mit einer Düsenbaugruppe und ein Verfahren zur Herstellung einer Düsenbaugruppe.
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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.
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Eine entsprechend verbesserte Gemischaufbereitung kann erreicht werden, wenn der Kraftstoff unter sehr hohem Druck zugemessen wird. Derart hohe Drücke stellen sowohl hohe Anforderungen an das Material der Düsenbaugruppe, an deren Konstruktion als auch an das gesamte Kraftstoffsystem.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Düsenbaugruppe und ein Einspritzventil zu schaffen, die einen zuverlässigen und präzisen Betrieb ermöglichen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Gemäß eines ersten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Düsenbaugruppe für ein Einspritzventil, mit einem Düsenkörper mit einer Zentralachse, in dem eine Düsenkörperausnehmung und mindestens zwei Einspritzöffnungen angeordnet sind, wobei die Düsenkörperausnehmung mit einem Hochdruckkreis eines Fluids hydraulisch koppelbar ist, und mindestens einer in der Düsenkörperausnehmung axial beweglich angeordneten Düsennadel mit einer Nadelkuppe. An einer Wand der Düsenkörperausnehmung sind ein Dichtsitz und auf der Nadelkuppe ein Sitzbereich ausgebildet. Der Sitzbereich wirkt mit dem Dichtsitz derart zusammen, dass die Düsennadel in der Schließposition den Fluidfluss durch die mindestens zwei Einspritzöffnungen verhindert und in der Offenposition den Fluidfluss durch die mindestens zwei Einspritzöffnungen freigibt. Im Bereich des Dichtsitzes ist mindestens eine ringförmige Stufe angeordnet. Die mindestens eine ringförmige Stufe umschließt mindestens eine der Einspritzöffnungen.
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Die mindestens eine ringförmige Stufe ist derart ausgebildet, dass der Fluidfluss des den Einspritzöffnungen zugeführten Fluids derart gestört wird, dass mindestens ein Wirbel mit einer hohen Wirbelintensität in den Einspritzöffnungen erzeugt wird.
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Die mindestens eine ringförmige Stufe hat den Vorteil, dass ein Stabilisieren des Fluidflusses vermieden werden kann und so eine sichere Wirbelbildung in den Einspritzöffnungen möglich ist. Damit kann zum einen eine reduzierte axiale Geschwindigkeit und zum anderen eine zusätzliche tangentiale und/oder radiale Komponente der Geschwindigkeit am Austritt der Einspritzöffnungen erreicht werden. Durch die Wirbel mit einer hohen Wirbelintensität können in den Einspritzöffnungen eine oder mehrere Drallströmungen mit einem niedrigeren Druck in der Drallachse entstehen. Unter gewissen Strömungsbedingungen kann dieser Druck Werte erreichen, bei denen eine Kavitation auftritt.
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Die bei der Kavitation entstehenden Kavitationsblasen können beim Austritt aus den Einspritzöffnungen kollabieren, wobei Energie aus der Oberflächenspannung der Kavitationsblasen freigesetzt wird und Druckwellen entstehen. Die Kombination der tangentialen und/oder radialen Strömungskomponente zusammen mit der Energie der Druckwellen und der Oberflächenspannung kann eine sehr feine Zerstäubung des Fluids, eine Erweiterung der einzelnen Spraykegelwinkel und damit eine reduzierte axiale Eindringtiefe des Sprays bewirken. Des Weiteren kann mittels der mindestens einen ringförmigen Stufe ein hoher Wirkungsgrad der Düsenbaugruppe erreicht werden, also ein hoher Fluiddurchsatz durch die Einspritzöffnungen möglich ist. Des Weiteren können die ringförmigen Stufen als Markierung für die Einspritzöffnungen dienen. Des Weiteren können die ringförmigen Stufen als Schutz für den Dichtsitz vor Verschmutzungen, insbesondere flüssigen Metalltropfen, die bei der Herstellung der Einspritzöffnungen entstehen, dienen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die mindestens eine ringförmige Stufe zu mindestens einer der Einspritzöffnungen hin abfallend ausgebildet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die mindestens eine ringförmige Stufe zu mindestens einer der Einspritzöffnungen hin aufsteigend unter Ausbildung einer Erhebung an dem Düsenkörper ausgebildet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die mindestens eine ringförmige Stufe derart angeordnet, dass sie mehrere der Einspritzöffnungen umschließt. Dies hat den Vorteil, dass mit nur einer derartigen Stufe eine sichere Wirbelbildung in jeder der von der ringförmigen Stufe umschlossenen Einspritzöffnungen erreicht werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die mindestens eine ringförmige Stufe in Umfangsrichtung Unterbrechungen auf. Dies hat den Vorteil, dass die ringförmige Stufe den Einspritzöffnungen abschnittsweise zugeordnet sein kann und deren Wirkung optimiert werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform hat die mindestens eine ringförmige Stufe eine Höhe von mindestens etwa 10 μm.
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Die mindestens eine Stufe auf dem Düsenkörper kann sehr einfach und kostengünstig mittels eines Sinterverfahrens hergestellt werden. Alternativ können die Stufen auch durch mechanische Bearbeitung hergestellt werden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Einspritzventil mit einer Düsenbaugruppe gemäß dem ersten Aspekt und einem Aktuator. Der Aktuator ist zum Einwirken auf die Düsenbaugruppe ausgebildet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Einspritzventil im Längsschnitt,
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2 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts II der 1 in einer ersten Ausführungsform,
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3 einen Ausschnitt des Einspritzventils in einer weiteren Ausführungsform,
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4 einen Injektorkörper des Einspritzventils in einer weiteren Ausführungsform,
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5 den Injektorkörper des Einspritzventils in einer weiteren Ausführungsform, und
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6 den Injektorkörper des Einspritzventils in einer weiteren Ausführungsform.
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Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Einspritzventil mit einer Düsenbaugruppe 10 und einen Aktuator 11. Der Aktuator 11 wirkt funktional mit der Düsenbaugruppe 10 zusammen.
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Die Düsenbaugruppe 10 hat einen Düsenkörper 12, der Aktuator 11 weist einen Injektorkörper 13 auf. Der Düsenkörper 12 ist mittels einer Düsenspannmutter 30 mit dem Injektorkörper 13 fest gekoppelt. Der Düsenkörper 12 und der Injektorkörper 13 bilden ein gemeinsames Gehäuse des Einspritzventils.
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Der Düsenkörper 12 hat eine Düsenkörperausnehmung 14 mit einer Zentralachse Z und einer Wand 16. In der Düsenkörperausnehmung 14 ist eine Düsennadel 18 angeordnet, die zusammen mit dem Düsenkörper 12 die Düsenbaugruppe 10 bildet. Die Düsennadel 18 hat an einem Ende eine Nadelkuppe 20. Die Düsennadel 18 ist in einem Bereich der Düsenkörperausnehmung 14 geführt und mittels einer Düsenfeder 22 vorgespannt.
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In dem Düsenkörper 12 sind vorzugsweise nahe der Nadelkuppe 20 Einspritzöffnungen 24 angeordnet. In einem die Einspritzöffnungen 24 umgebenden Bereich kann der Düsenkörper 12 aus einem gesinterten Metall bestehen. In dem Düsenkörper 12 sind vorzugsweise mehrere Einspritzöffnungen 24 ausgebildet, die einen Einspritzlochkreis formen können.
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Der Injektorkörper 13 hat eine Ausnehmung, in der ein Stellantrieb 40 angeordnet ist. Der Stellantrieb 40 ist als Hubstellantrieb ausgebildet. Der Stellantrieb 40 wirkt auf die Düsennadel 18 ein, so dass diese eine Bewegung in Richtung der Zentralachse Z ausführen kann.
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Die Düsenfeder 22 übt auf die Düsennadel 18 eine in Schließrichtung wirkende Kraft aus, so dass sie einen Fluidfluss durch die in dem Düsenkörper 12 angeordneten mehreren Einspritzöffnungen 24 verhindert, wenn keine weiteren Kräfte auf die Düsennadel 18 einwirken. Bei Betätigung des Stellantriebs 38 wird die Düsennadel 18 in axialer Richtung von ihrer Schließposition in ihre Offenposition bewegt, in der sie den Fluidfluss durch die Einspritzöffnungen 24 freigibt.
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2 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts II der 1 im Bereich der Nadelkuppe 20 und des Düsenkörpers 12.
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An der Wand 16 der Düsenkörperausnehmung 14 hat der Düsenkörper 12 einen Dichtsitz 50. Die Düsennadel 18 hat im Bereich der Nadelkuppe 20 einen Sitzbereich 52, der mit dem Dichtsitz 50 des Düsenkörpers 12 so zusammenwirkt, dass die Düsennadel 18 in einer Schließposition einen Fluidfluss durch die mindestens eine Einspritzöffnung 24 verhindert und in einer Offenposition einen Fluidfluss durch die mindestens eine Einspritzöffnung 24 freigibt. Das Fluid kann aus dem Zwischenraum zwischen der Nadelkuppe 20 und dem Düsenkörper 12 zu den Einspritzöffnungen 24 gelangen.
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Im Bereich des Dichtsitzes 50 ist eine Stufe 56 angeordnet. Die Stufe 56 ist ringförmig ausgebildet (siehe 4). Die Stufe 56 hat vorzugsweise eine Höhe H von mindestens 10 μm.
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2 zeigt einen Ausschnitt im Bereich der Nadelkuppe 20 und des Düsenkörpers 12. Im Bereich des Dichtsitzes ist die Stufe 56 zu den Einspritzöffnungen 24 hin abfallend ausgebildet.
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3 zeigt einen 2 entsprechenden Ausschnitt im Bereich der Nadelkuppe 20 und des Düsenkörpers 12. Im Bereich des Dichtsitzes 50 ist die Stufe 56 zu den Einspritzöffnungen 24 hin ansteigend unter Ausbildung einer Erhebung 58 ausgebildet. Die Erhebung 58 ist entsprechend der Stufe 56 der 2 ringförmig ausgebildet. Die Höhe H der Erhebung 58 beträgt vorzugsweise mindestens 10 μm.
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In 4 ist der Düsenkörper 12 mit der ringförmigen Stufe 56 dargestellt. Der Düsenkörper 12 hat in der hier gezeigten Ausführungsform sechs Einspritzöffnungen 24, die bezogen auf die Zentralachse Z in einem Winkelabstand von 60° zueinander angeordnet sind. In weiteren Ausführungsformen kann die Zahl der Einspritzöffnungen 24 auch einen anderen Wert annehmen. Die Stufe 56 umschließt in der hier gezeigten Ausführungsform alle Einspritzöffnungen 24.
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In den 5 und 6 ist der Düsenkörper 12 jeweils mit der ringförmigen Stufe 56 gezeigt, die in Umfangsrichtung Unterbrechungen 60 aufweist. Damit weist die ringförmige Stufe 56 mehrere Ringabschnitte 62 auf. Insbesondere zeigt 5 eine Ausführungsform, bei der die Ringabschnitte 62 der Stufe 56 unmittelbar radial außerhalb der Einspritzöffnungen 24 angeordnet sind. 6 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Unterbrechungen 60 der ringförmigen Stufe 56 unmittelbar radial außerhalb der Einspritzöffnungen 24 angeordnet sind..
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Bedingt durch die Stufen 56 kann ein Stabilisieren des Fluidflusses vermieden und am Eintritt zu den Einspritzöffnungen 24 sowie in den Einspritzöffnungen 24 selbst kann eine höhere tangentiale und radiale Geschwindigkeit des Fluids erreicht werden. Damit sind auf der Außenseite des Düsenkörpers 12 eine feine Zerstäubung des Fluids und ein großer Spraywinkel möglich. Auch in einem Einspritzventil mit mehreren Einspritzöffnungen 24, also einer Mehrlochdüse, kann eine sehr feine Zerstäubung des Fluids und ein großer Spraywinkel am Austritt der Einspritzöffnungen 24 erreicht werden. Wird das Einspritzventil insbesondere in einer Brennkraftmaschine eingesetzt, so kann auf diese Weise eine gute Verteilung des Kraftstoffs in der durch die Brennkraftmaschine angesaugten Luft und eine gute Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Brennraum der Brennkraftmaschine erreicht werden, sowie eine Benetzung der Oberflächen im Brennraum klein gehalten oder vermieden werden. Des Weiteren können die Stufen 56 als Markierungen für die Einspritzöffnungen 24 dienen. Ein weiterer Vorteil der Stufen 56 ist, dass ein Schutz für den Dichtsitz 50 vor Verschmutzungen, insbesondere flüssigen Metalltropfen, die bei der Herstellung der Einspritzöffnungen 24 entstehen, möglich ist.
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Die Erfindung ist nicht auf die angegebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist es möglich, die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander zu kombinieren, so dass auch derartige Anordnungen von der Erfindung umfasst sind.
