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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein derartiger, aus der Praxis bekannter Kraftstoffinjektor dient innerhalb eines Common-Rail-Einspritzsystems der Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine. Hierzu weist der Kraftstoffinjektor eine in einem Injektorgehäuse auf- und abbeweglich angeordnete Düsennadel auf, die in einer abgesenkten Position im Injektorgehäuse bzw. in einem Düsenkörper ausgebildete Einspritzlöcher dichtend verschließt und in einer angehobenen Position die Einspritzlöcher zum Einspritzen des Kraftstoffs freigibt. Die Düsennadel ist dabei an ihrem Außenumfang in dem Injektorgehäuse bereichsweise radial geführt, wobei die Düsennadel über ihren Umfang gesehen mehrere, in der Praxis beispielsweise drei Abflachungen aufweist, die jeweils als Strömungskanal für den Kraftstoff aus dem unter Hochdruck stehenden Injektorraum oberhalb der Düsennadel in Richtung zu den Einspritzlöchern dienen. Der Kraftstoff durchströmt den Kraftstoffinjektor im Bereich der Düsennadel somit im Bereich der durch die Abflachungen ausgebildeten Strömungskanäle in Längsrichtung, wobei der Strömungsquerschnitt von den Dimensionierungen der Abflachungen abhängt. Die Abflachungen an der Düsennadel werden üblicherweise durch einen Schleifprozess hergestellt, wobei es in der Praxis relativ schwierig ist, die geometrische Dimensionierung der Abflachungen an einer Düsennadel identisch auszubilden. Daher weisen die Strömungsquerschnitte der einzelnen Strömungskanäle, je nach Toleranz der jeweiligen Abflachung, unterschiedliche Querschnitte auf, die zur einer Querkraft auf die Düsennadel beim Durchströmen der Strömungskanäle durch den unter Hochdruck stehenden Kraftstoff führt. Diese Querkraft hat einen ungleichmäßigen Verschleiß der Führungsbereiche der Düsennadel bzw. der entsprechenden Bereiche an dem Injektorgehäuse zur Folge. Darüber hinaus können derartige Querkräfte in der Praxis alleine schon dadurch hervorgerufen werden, dass die Anzahl der Einspritzlöcher ein nicht ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der Abflachungen beträgt, so dass, je nach Winkelstellung der Düsennadel, durch die einzelnen Strömungskanäle eine unterschiedliche Menge von Kraftstoff fließt, was zu einer entsprechenden unterschiedlichen Druckbelastung innerhalb der Strömungskanäle und somit zu den Querkräften führt.
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Weiterhin ist es aus der
DE 10 2009 000 282 A1 der Anmelderin bekannt, eine Düsennadel innerhalb eines Führungskörpers zu führen, wobei die der Düsennadel zugewandte Innenseite des Führungskörpers (Führungshülse) in Längsrichtung der Düsennadel verlaufende Nuten aufweist. Die durch die Längsnuten verursachten Strömungsquerschnitte dienen ebenfalls als Strömungskanäle für den Kraftstoff.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass die infolge der unterschiedlichen Strömungsquerschnitte (verursacht durch die unterschiedliche geometrischen Ausbildung der Abflachungen) und/oder der unterschiedlichen Anzahl der einem Strömungskanal zugeordneten Einspritzlöcher hervorgerufenen Querkräfte reduziert werden, damit insbesondere der Verschleift der Düsennadel im Bereich der Führung verringert wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Düsennadel im Bereich der Abflachung wenigstens ein Leitelement zum Führen zumindest eines Teils des den Strömungskanal durchströmenden Kraftstoffs in Längsrichtung aufweist. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass durch das wenigstens eine im Bereich der Abflachung vorgesehene Leitelement die Strömung des Kraftstoffs in Längsrichtung „kanalisiert” wird, was zum einen Querströmungen im Bereich der Abflachungen zumindest verringert, und zum anderen für einen laminaren Strömungsverlauf im Bereich der Abflachung sorgt. Durch diese Strömungseffekte lassen sich die angesprochenen Querkräfte auf die Düsennadel, hervorgerufen durch unterschiedliche, im Bereich der Abflachung wirkende Druckkräfte, zumindest verringern.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors sind in den Unteransprüchen aufgeführt. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in den Ansprüchen, der Beschreibung und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
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In einer besonders einfach herzustellenden Ausgestaltung des Leitelements wird vorgeschlagen, dass das wenigstens eine Leitelement durch eine in der Oberfläche der Abflachung ausgebildete Nut gebildet ist. Somit kann das Leitelement durch lediglich einen zusätzlichen, relativ einfach auszuführenden Fertigungsschritt an der Oberfläche der bereits gefertigten Abflachung gebildet werden.
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Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn die Nut in Längsrichtung der Düsennadel ausgebildet ist. Gemeint ist damit, dass die Nut als geradlinige Nut ausgebildet ist und zumindest im Wesentlichen parallel zur Längsachse der Düsennadel verläuft.
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Je nach geometrischer Auslegung der Abflachungen sowie der Nuten bzw. deren Querschnittsfläche kann es zur Erzeugung der beschriebenen vorteilhaften Strömungsausrichtung des Kraftstoffs vorteilhaft sein, wenn mehrere Nuten vorgesehen sind, die parallel und vorzugsweise in gleichgroßen Abständen zueinander angeordnet sind.
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In fertigungstechnisch besonders bevorzugter Ausgestaltung der Nuten wird vorgeschlagen, dass diese durch Schleifen oder durch eine Laserbearbeitung erzeugt werden.
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Um einerseits eine gezielte Zuströmung des Kraftstoffs in die Strömungskanäle zu ermöglichen, und darüber hinaus eine zusätzliche, in Schließrichtung der Düsennadel wirkende Schließkraft auf die Düsennadel zu erzeugen, ist es in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass auf der den Einspritzlöchern abgewandten Seite der Düsennadel im Bereich der Abflachung zwischen der Abflachung und der der Abflachung umgebenden Wand ein als Schließdrossel wirkender Zulaufspalt in Form einer weiteren Abflachung ausgebildet ist.
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Bei der Ausbildung eines Zulaufspaltes hat es sich als günstig erwiesen, wenn zwischen der weiteren Abflachung und dem Leitelement in Längsrichtung der Düsennadel betrachtet ein leitelementfreier Bereich ausgebildet ist, in dem die Abflachung eine ebene Oberfläche aufweist.
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Ebenfalls aus fertigungstechnischer Sicht hat sich eine Ausbildung des Kraftstoffinjektors als günstig erwiesen, bei der die Querschnittfläche der Düsennadel im Bereich der Abflachungen, mit Ausnahme der Abflachungen, rund mit demselben Außendurchmesser ausgebildet ist, und wobei die Düsennadel im Bereich der gegenüberliegenden Endbereiche der Abflachungen unter Ausbildung einer Lagerstelle jeweils an einem Führungsbereich des Injektorgehäuses anliegt.
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Darüber hinaus ist die angesprochene Problematik des Lagerverschleißes von der Höhe der Druckkräfte bzw. Querkräfte auf die Düsennadel abhängig. Diese Effekte werden umso stärker, je höher der in dem Kraftstoffinjektor herrschende Betriebsdruck ist. Deshalb findet die Erfindung bevorzugt Verwendung bei Kraftstoffinjektoren, bei denen der Betriebsdruck größer als 1500 bar ist. Der Erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor findet daher bevorzugt Verwendung bei selbst zündenden Brennkraftmaschinen (Dieselmotoren).
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in:
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1 einen Teilbereich eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors für eine Brennkraftmaschine in einem Längsschnitt und
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2 einen Schnitt in der Ebene II-II der 1.
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Gleiche Bauteile bzw. Bauteile mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist der dem Brennraum einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine, insbesondere einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, zugewandte untere Endbereich eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors 10 dargestellt. Der Kraftstoffinjektor 10 weist ein Injektorgehäuse 11 auf, das an seinem dem Brennraum zugewandten Ende einen Düsenkörper 12 trägt, der mittels einer nicht dargestellten Düsenspannmutter mit dem Injektorgehäuse 11 axial verspannt ist. Innerhalb des Injektorgehäuses 11 bzw. des Düsenkörpers 12 ist eine Ausnehmung 13 ausgebildet, in der eine Düsennadel 15 in Richtung des Doppelpfeils 16 auf- und abbeweglich geführt ist. Die Führung der Düsennadel 15 in der Ausnehmung 13 erfolgt über zwei axial voneinander beabstandete Führungsbereiche 17, 18 in denen die Ausnehmung 13 einen etwas geringeren Durchmesser aufweist als in dem zwischen den beiden Führungsbereichen 17, 18 ausgebildeten Mittelbereich 19.
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Der Düsenkörper 12 weist an dem dem Brennraum der Brennkraftmaschine zugewandten Ende mehrere Einspritzlöcher 21 auf, über die unter Hochdruck, insbesondere unter einem Raildruck von mehr als 1500 bar stehender Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine abgegeben wird. Dies erfolgt in einer angehobenen Position der Düsennadel 15, bei der diese von ihrem zwischen der Innenwand des Düsenkörpers 12 und der Düsennadelspitze ausgebildeten Dichtsitz 22 abhebt. In der in der 1 dargestellten, abgesenkten Position der Düsennadel 15 dichtet die Düsennadelspitze den Durchgang zu den Einspritzlöchern 21 demgegenüber ab, so dass kein Kraftstoff in den Brennraum einströmen kann. Beispielhaft umfasst das Injektorgehäuse 11 acht, in gleichmäßigen Winkelabständen zueinander angeordnete Einspritzlöcher 21.
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Auf der dem Dichtsitz 22 abgewandten Seite der Ausnehmung 13 ist diese in ihrem Durchmesser vergrößert ausgebildet und bildet einen Hochdruckraum 25 aus. Der Hochdruckraum 25 ist axial von einer Drosselplatte 26 begrenzt, in der zwei Durchgangsbohrungen 27, 28 ausgebildet sind. Über die eine Durchgangsbohrung 28, die schräg zur Längsachse des Kraftstoffinjektors 10 verläuft, wird der Hochdruckraum 25 mit unter Hochdruck (Raildruck) stehendem Kraftstoff versorgt. Der dem Dichtsitz 22 gegenüberliegende Endbereich 29 der Düsennadel 15 ist von einem hülsenförmigen Federteller 30 radial umfasst, der mit einer Stirnfläche gegen die Unterseite der Drosselplatte 26 dichtend anliegt. Innerhalb des Federtellers 30 ist ein von der radial umlaufenden Wand des Federtellers 30, der in den Federteller 30 eintauchenden Stirnfläche der Düsennadel 15 sowie der Unterseite der Drosselplatte 26 begrenzter Steuerraum 31 ausgebildet, der über eine in der Drosselplatte 26 ausgebildete Ablaufbohrung 32 mit integrierter Abströmdrossel 33 zur Steuerung der Auf- und Abbewegung der Düsennadel 15 dient, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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Zwischen der der Drosselplatte 26 gegenüberliegenden Stirnfläche des Federtellers 30 und einer Durchmesserstufe 34 der Düsennadel 15 stützt sich ebenfalls in an sich bekannter Art und Weise eine Druckfeder 35 ab. Die Druckfeder 35 beaufschlagt die Düsennadel 15 einerseits in Richtung ihre Dichtsitzes 22 mit einer Schließkraft, und drückt andererseits den Federteller 30 in Richtung der Drosselplatte 26.
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Wie insbesondere aus einer Zusammenschau der 1 und 2 erkennbar ist, weist die Düsennadel 15 drei, in gleichmäßigen Winkelabständen, d. h. im Ausführungsbeispiel um 120° zueinander versetzt ausgebildete Abflachungen 37 auf. Die Abflachungen 37 werden insbesondere durch einen Schleifprozess in einem ansonsten zylindrischen Bereich der Düsennadel 15 erzeugt. Wie anhand der 2 erkennbar ist, werden in dem Bereich zwischen den Abflachungen 37 und der ihr gegenüberliegenden Wand 38 des Düsenkörpers 12, die durch die Ausnehmung 13 gebildet ist, drei, in Längsrichtung des Kraftstoffinjektors 10 verlaufende Strömungskanäle 40 für den Kraftstoff ausgebildet. Über die Strömungskanäle 40 gelangt der Kraftstoff aus dem Bereich des Hochdruckraums 25 in den Bereich der Ausnehmung 13 vor dem Dichtsitz 22, so dass bei einem Abheben der Düsennadel 15 von ihrem Dichtsitz 22 die für den Einspritzvorgang benötigte Menge an Kraftstoff zur Verfügung steht.
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Im Übergangsbereich von dem im Durchmesser vergrößerten Hochdruckraum 25 zum im Durchmesser verkleinerten Führungsbereich 17 weist die Düsennadel 15 eine radial umlaufende Einschnürung 41 auf, die im Bereich des Führungsbereichs 17 wieder ihren ursprünglichen Durchmesser aufweist. In diesem Bereich weist die Düsennadel 15 eine weitere Abflachung 42 auf, die als Schließdrossel bzw. als Zulaufspalt in Richtung der Strömungskanäle 40 wirkt. Die weitere Abflachung 42 ist nicht so stark ausgeprägt wie die Abflachung 37, wobei durch die weitere Abflachung 42 eine zusätzliche Schließkraft auf die Düsennadel 15 in Richtung des Dichtsitzes 22 erzeugt wird.
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Erfindungswesentlich ist, dass im Bereich der Abflachungen 37 wenigstens eine, bevorzugt jedoch mehrere Leitelemente zur Führung bzw. Kanalisierung und Ausrichtung der Strömung des Kraftstoffs in den Strömungskanälen 40 ausgebildet sind. Vorzugsweise ist das wenigstens eine Leitelement in Form einer in Längsrichtung der Düsennadel 15 bzw. des Kraftstoffinjektors 10 verlaufenden Längsnut 45 ausgebildet. Im Ausführungsbeispiel sind beispielhaft drei Längsnuten 45 ausgebildet, die in gleichgroßen Abständen zueinander angeordnet sind und exakt in Längsrichtung der Düsennadel 15 verlaufen bzw. angeordnet sind. in den Rahmen der Erfindung sollen aber auch Leitelemente bzw. Längsnuten 45 fallen, die geringfügig schräg zur Längsrichtung der Düsennadel 15 verlaufen.
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Die genaue Anzahl sowie die Querschnittsform der Längsnuten 45 ist abhängig von dem jeweiligen Anwendungsfall, zum Beispiel dem Betriebsdruck des Kraftstoffinjektors 10, der Anzahl der Abflachungen 37, dem Querschnitt der Strömungskanäle 40 usw. sowie vom Herstellungsverfahren der Längsnuten 45. Daher können diese beispielsweise einen halbrunden, einen dreieckförmigen oder einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen. Je nach Herstellungsverfahren, insbesondere bei einer Herstellung der Längsnuten 45 durch eine Laserbearbeitungsanlage, bei der das Material der Düsennadel 15 verdampft wird, lässt sich der Querschnitt der Längsnuten 45 über die Länge der Längsnuten 45 relativ schwierig konstant ausbilden, so dass sich der Querschnittverlauf der Längsnuten 45 über die Länge der Längsnuten 45 auch im Rahmen der Fertigungsmethode verändern kann. Bevorzugt zur Herstellung der Längsnuten 45 eignet sich die bereits angesprochene Laserbearbeitungsanlage, alternativ ist jedoch auch eine Ausbildung der Längsnuten 45 durch Schleifen möglich bzw. sinnvoll.
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Durch die Ausbildung der Längsnuten 45 im Bereich der Düsennadel 15 wird beim Betrieb des Kraftstoffinjektors 10 bzw. beim Durchströmen des Kraftstoffs durch die Strömungskanäle 40 eine Kanalisation bzw. ein Führen des Kraftstoffs in Längsrichtung der Strömungskanäle 40 erzeugt, derart, dass Querströmungen, d. h. Bewegungskomponenten des Kraftstoffs schräg bzw. quer zur Längsrichtung der Strömungskanäle 40 minimiert werden. Insbesondere werden durch die Längskanäle 45 laminare Strömungen innerhalb der Strömungskanäle 40 erzeugt. Es hat sich herausgestellt, dass durch eine derartige Kanalisation bzw. Führung des Kraftstoffs in den Strömungskanälen 40, bei der Querströmungen des Kraftstoffs 40 vermieden werden und eine laminare Strömung erzeugt wird, sich Querkräfte auf die Düsennadel 15, die sich verschleißerhöhend auf die Führungsbereiche 17, 18 bzw. die Düsennadel 15 auswirken, und die beispielsweise aufgrund fertigungsbedingter Unterschiede der Strömungsquerschnitte der Strömungskanäle 40 erzeugt werden, minimieren lassen.
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Besonders bevorzugt ist es weiterhin, wenn zwischen den Längsnuten 45 und der weiteren Abflachung 42 ein ebener Bereich 46 an der Düsennadel 15 bzw. an der Abflachung 37 ausgebildet ist, der als Nachlauf zur weiteren Abflachung 42 bzw. zum Zulaufspalt wirkt.
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Der soweit beschriebene Kraftstoffinjektor 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Insbesondere kann auch die Führung der Düsennadel 15 auf andere Art und Weise innerhalb der Ausnehmung 13 bzw. des Düsenkörpers 12 erfolgen. So kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass die Ausnehmung 13 im Führungsbereich der Düsennadel 15 stets denselben Durchmesser aufweist, während die Düsennadel 15 Bereiche mit unterschiedlichem Durchmesser aufweist, von denen lediglich bestimmte Durchmesserbereiche der Führung der Düsennadel 15 dienen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009000282 A1 [0003]
