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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor, insbesondere einen Common-Rail-Injektor, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein derartiger Kraftstoffinjektor ist aus der
DE 10 2004 015 360 A1 der Anmelderin bekannt. Er dient dem Einspritzen von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff, insbesondere von Dieselkraftstoff, in den Brennraum einer Brennkraftmaschine. Hierzu ist in einem einen Hochdruckraum ausbildenden Ventilkörper eine Düsennadel auf- und abbeweglich geführt, die in einer Schließstellung Durchlassöffnungen für den Kraftstoff im Ventilkörper verschließt und in einer Öffnungsstellung diese freigibt, damit der Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann. Auf der den Durchlassöffnungen gegenüberliegenden Seite ist die Düsennadel innerhalb des Hochdruckraums von einer Hülse radial umfasst, die mit ihrer einen Stirnseite gegen die Unterseite einer den Hochdruckraum begrenzenden Drosselplatte anliegt. Von den beiden gegenüberliegenden Seiten der Drosselplatte und der Düsennadel sowie der die Düsennadel radial umgebenden Hülse wird ein Steuerraum ausgebildet, durch den in üblicher Art und Weise mittels einer Zulaufbohrung und einer Ablaufbohrung die Bewegung der Düsennadel in Längsrichtung gesteuert wird. Die Hülse ist mittels einer Druckfeder in Richtung der Drosselplatte kraftbeaufschlagt, wobei die Druckfeder sich an der Düsennadel abstützt und diese in Schließstellung kraftbeaufschlagt. in der Drosselplatte ist darüber hinaus eine weitere Zulaufbohrung für unter Hochdruck (Raildruck) stehenden Kraftstoff ausgebildet, die den Hochdruckraum im Ventilkörper mit Kraftstoff versorgt. Die weitere Zulaufbohrung, die zumindest im Wesentlichen in Längsrichtung des Kraftstoffinjektors bzw. der Drosselplatte ausgebildet ist, mündet in einem ringförmigen Bereich zwischen der Hülse und der Wand des Ventilkörpers. Aufgrund der räumlich engen Anordnung der Bauteile im Mündungsbereich der weiteren Zulaufbohrung in den Ventilkörper besitzt der Ventilkörper im Bereich der weiteren Zulaufbohrung stirnseitig eine Aussparung, die den ringförmigen Bereich an dieser Stelle hinsichtlich ihres Strömungsquerschnitts erweitert, wobei der Mündungsbereich der weiteren Zulaufbohrung auf der der Hülse zugewandten Seite mit dieser fluchtet. Bei zukünftig weiter steigendem Betriebsdruck bei Common-Rail-Einspritzsystemen bzw. Kraftstoffinjektoren nimmt auch der Druck im Hochdruckraum zu. Dabei ist es nachteilig, dass aufgrund der angesprochenen Aussparung im Mündungsbereich der weiteren Zulaufbohrung der Kraftstoff in den Hochdruckraum mit einer Querkomponente einströmt, die auf die Hülse eine Querkraft erzeugt. Diese Querkraft kann zu einem erhöhten Verschleiß an der Kontaktfläche zwischen der Hülse und der Drosselplatte führen. Darüber hinaus wird aufgrund der Querkraft auf die Hülse ebenfalls eine Querkraft auf die Ventilnadel erzeugt, die zu einem zusätzlichen Verschleiß im Bereich der Nadelführung führen kann.
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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, insbesondere einen Common-Rail-Injektor, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass die beim Einströmen des Kraftstoffs in den Hochdruckraum auf die die Ventilnadel radial umgebende Hülse erzeugte Querkraft zumindest minimiert, im besten Fall vollständig reduziert wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Hülse an ihrem Außenumfang eine Einbuchtung aufweist, und dass die Aussparung und die Einbuchtung in Längsrichtung einander zumindest bereichsweise in Längsrichtung überdecken. Durch diese geometrische Ausgestaltung von Aussparung und Einbuchtung wird der Effekt erzielt, dass der zunächst in Längsrichtung in den Hochdruckraum über die zusätzliche Zulaufbohrung einströmende Kraftstoff, wie bisher, zunächst in Richtung der Hülse abgelenkt wird und dann von dort erfindungsgemäß in den Bereich der eine Strömungserweiterung darstellenden Einbuchtung in den Ringspalt zwischen der Hülse und dem Injektorgehäuse gezielt geführt wird. Diese gezielte Strömungsführung des Kraftstoffs erzeugt eine zumindest reduzierte Querkraft auf der Hülse, so dass die angesprochenen Verschleißerscheinungen vermindert werden.
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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 herstellungstechnisch besonders bevorzugter Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass die Einbuchtung als radial umlaufende Ringnut ausgebildet ist. Eine derartige Ausbildung hat darüber hinaus den besonderen Vorteil, dass eine Drehung der Hülse um ihre Längsachse ermöglicht wird, ohne dass sich dadurch die angesprochene Strömungsführung des Kraftstoffs ändert. Weiterhin ist dadurch die Winkellage der Hülse bei deren Montage unkritisch.
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Ganz besonders bevorzugt ist eine geometrische Ausgestaltung der Ringnut, bei der diese zumindest bereichsweise eine gerundet ausgebildete Kontur aufweist. Durch die gerundet ausgebildete Kontur wird insbesondere eine Strömungsführung für den Kraftstoff ermöglicht, in der dieser ohne turbulente Strömung der Kontur der Ringnut folgen kann.
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In fertigungstechnisch besonders einfach ausbildbarer Gestaltung der bereichsweise gerundet ausgebildeten Kontur wird vorgeschlagen, dass diese halbkreisförmig ausgebildet ist.
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In strömungstechnisch optimierter Gestaltung ist es jedoch vorgesehen, dass die Kontur einen konisch geformten ersten Bereich aufweist, der in einen viertelkreisförmig ausgebildeten zweiten Bereich übergeht, und dass der erste Bereich auf der der Drosselplatte zugewandten Seite ausgebildet ist.
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Ebenfalls in fertigungstechnisch bevorzugter Ausgestaltung der Aussparung wird vorgeschlagen, dass die Aussparung in Form einer radial umlaufenden Einsenkung bzw. Stufe an der Stirnseite des Ventilgehäuses ausgebildet ist.
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Eine optimierte Strömungsführung kann darüber hinaus im Bereich der Absenkung bzw. der Stufe erzielt werden, wenn an ihrem Grund eine in einem flachen Winkel ausgebildete Abflusskante vorgesehen ist. Durch die schräge Anordnung der Abflusskante, die bevorzugt derart ausgebildet ist, dass eine möglichst geringe Ablenkung des über die Mündungsöffnung der Zulaufbohrung in den Hochdruckraum einströmenden Kraftstoffs erfolgt, wird eine gezielte Ausrichtung der Strömung in Richtung der Einbuchtung erzielt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in:
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1 einen Längsschnitt eines einem Brennraum einer Brennkraftmaschine zugewandten Endbereichs eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors und
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2 bis 4 jeweils in vergrößerter Ansicht einen Teilbereich des Kraftstoffinjektors gemäß 1 im Bereich einer die Düsennadel umgebenden Hülse bei unterschiedlichen Ausgestaltungen der Erfindung.
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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 einem Brennraum einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine zugewandte untere Endbereich eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors 10, insbesondere eines Common-Rail-Injektors, dargestellt. Der Kraftstoffinjektor 10 weist ein Ventilgehäuse 11 auf. Des Ventilgehäuse 11 ist unter anderem durch einen Düsenkörper 12 gebildet, dessen dem Brennraum abgewandte Stirnseite an einer Drosselplatte 13 anliegt. An die Drosselplatte 13 schließt sich wiederum auf der dem Düsenkörper 12 gegenüberliegenden Seite eine lediglich noch teilweise erkennbare Ventilplatte 14 an. Der Düsenkörper 12, die Drosselplatte 13 und die Ventilplatte 14 sind mittels einer Düsenspannmutter 15 in an sich bekannter und daher nicht näher erläuterter Art und Weise gegeneinander und gegen einen in der 1 nicht mehr erkennbaren Haltekörper des Ventilgehäuses 11 axial verspannt.
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Der Düsenkörper 12 weist auf der dem Brennraum zugewandten Seite mehrere Durchlassöffnungen 16, 17 zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine auf. In dem auf der Seite der Drosselplatte 13 hin offenen Düsenkörper 12 ist eine Ausnehmung 18 ausgebildet, die einen im Querschnitt größeren ersten Bereich 19 und einen im Querschnitt gegenüber dem ersten Bereich 19 verkleinerten zweiten Bereich 20 aufweist. Der zweite Bereich 20 dient der Führung einer in Richtung der Längsachse 21 des Kraftstoffinjektors 10 auf- und abbeweglich angeordneten Düsennadel 22, die in der in der 1 dargestellten Schließposition mit ihrer Nadelspitze 23 unter Ausbildung eines Dichtsitzes 24 an einem konisch geformten Wandabschnitt des zweiten Bereichs 20 dichtend anliegt, um die Durchlassöffnungen 16, 17 zu verschließen. Die Düsennadel 22 weist beispielhaft in gleichmäßigen Winkelabständen zueinander angeordnete Abflachungen 25 zum Zuführen von Kraftstoff in den Bereich der Nadelspitze 23 bzw. der Durchlassöffnungen 16, 17 auf.
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Der erste Bereich 19 der Ausnehmung 18 bildet einen Hochdruckraum 27 aus, in dem der Kraftstoff unter Hochdruck (Raildruck) gespeichert ist. Die Versorgung des Hochdruckraums 27 mit unter Druck stehendem Kraftstoff erfolgt durch eine zumindest im Wesentlichen parallel zur Langsachse 21 ausgerichtete Zulaufbohrung 28, die als Durchgangsbohrung in der Drosselplatte 13 ausgebildet ist.
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Die Düsennadel 22 ist auf der der Nadelspitze 23 gegenüberliegenden Seite innerhalb des Hochdruckraums 27 mit ihrem Endbereich von einer Dichthülse 30 radial umfasst. Die Dichthülse 30 bildet einen Federteller aus, der mit seiner der Drosselplatte 13 zugewandten Stirnseite an der Drosselplatte 13 dichtend anliegt. Aus fertigungstechnischen Gründen kann es vorgesehen sein, dass die Dichthülse 30 auf der der Drosselplatte 13 zugewandten Seite an ihrem äußeren Rand eine umlaufende, schräg angeordnete Fase 31 aufweist. Die der Drosselplatte 13 gegenüberliegende Stirnseite der Dichthülse 30 ist von der Federkraft einer Druckfeder 32 kraftbeaufschlagt, die ihrerseits die Düsennadel 22 radial umfasst und auf der der Dichthülse 30 gegenüberliegenden Seite an einem Federteller 33 anliegt, der sich wiederum an einem Absatz 34 der Düsennadel 22 abstützt. Mittels der Druckfeder 32 wird die Dichthülse 30 einerseits gegen die Unterseite der Drosselplatte 13 gedrückt, und andererseits bewirkt die Federkraft der Druckfeder 32 eine in Schließrichtung der Düsennadel 22 wirkende Schließkraft.
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Innerhalb der Dichthülse 30 wird von den einander gegenüberliegenden Stirnflächen der Drosselplatte 13 und der Düsennadel 22 ein Steuerraum 35 gebildet, der über eine als Durchgangsbohrung in der Drosselplatte 13 ausgebildete Ablaufbohrung 36 mit integrierter Ablaufdrossel 37 mit einem in der Ventilplatte 14 ausgebildeten Ventilraum 38 verbunden ist. Weiterhin mündet in den Steuerraum 35 eine weitere Zulaufbohrung 39, die innerhalb der Drosselplatte 13 von der Zulaufbohrung 28 abzweigt. Der Steuerraum 35 dient in an sich bekannter Art und Weise zur Steuerung der Auf- und Abbewegung der Düsennadel 22 durch Veränderung des Drucks im Steuerraum 35.
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Aus Festigkeitsgründen aufgrund des im Düsenkörper 12 herrschenden Drucks muss die Wand des Düsenkörpers 12 im Bereich des Hochdruckraums 27 eine gewisse Mindestwandstärke aufweisen. Darüber hinaus ist es aus Gründen der möglichst kompakten Ausbildung des Kraftstoffinjektors 10 erforderlich, die Zulaufbohrung 28 im Bereich der Drosselplatte 13 relativ nahe zu deren äußeren Wand anzuordnen. Daraus resultiert, dass der Mündungsbereich 41 der Zulaufbohrung 28 in den Hochdruckraum 27 im unmittelbaren stirnseitigen Wandbereich des Düsenkörpers 12 angeordnet ist und mit diesem fluchtet. Aus diesem Grund weist der Düsenkörper 12 auf der der Drosselplatte 13 zugewandten Stirnseite eine radial umlaufende Aussparung in Form einer Stufe bzw. Einsenkung 42 auf.
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Die Einsenkung 42 weist an der radial inneren stirnseitigen Fläche des Düsenkörpers 12, wie insbesondere anhand der 2 erkennbar ist, eine um einen Winkel α schräg angeordnete Abflusskante 43 auf, wobei der Winkel α zur Horizontalen möglichst groß gewählt wird. Aufgrund der oben genannten Überlegungen zur Mindestwandstärke beträgt der Winkel α in der Praxis zwischen ca. 20° und 45°.
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Wie man ferner anhand der 1 und 2 besonders deutlich erkennt, fluchtet der Mündungsbereich 41 der Zulaufbohrung 28 in Längsrichtung betrachtet mit der Einsenkung 42 zumindest teilweise. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Strömungsquerschnitt der Zulaufbohrung 28 vollständig innerhalb der Einsenkung 42, derart, dass die radial innenliegende Seite der Zulaufbohrung 28 mit der Wand 44 des Hochdruckraums 27 radial fluchtet. Um zu vermeiden, dass bei der Ablenkung des in den Hochdruckraum 27 einströmenden Kraftstoffs nach dessen Ablenkung im Bereich der Einsenkung 42 auf die Dichthülse 30 eine Querkraft, d. h. eine senkrecht zur Längsachse 21 gerichtete Kraft auf die Dichthülse 30 erzeugt wird bzw. diese Querkraft minimiert wird, ist die Dichthülse 30 besonders ausgebildet. Hierzu weist die Dichthülse 30 ober- und unterhalb der beiden (mit Ausnahme der Fase 31) zylindrisch ausgebildeten Wandbereiche 46, 47 eine Einbuchtung 48 auf. Bevorzugt ist die Einbuchtung 48 als radial umlaufende Einbuchtung 48 in Form einer Ringnut ausgebildet, so dass eine Drehung der Dichthülse 30 ermöglicht wird bzw. die Montage der Dichthülse 30 bzgl. ihrer Drehwinkellage unkritisch ist. Erfindungsgemäß ist es darüber hinaus vorgesehen, dass der Übergangsbereich 49 der Einsenkung 42 in die Wand 44 in Längsrichtung des Düsenkörpers 12 betrachtet im Bereich der Einbuchtung 48 angeordnet ist. Bei dem in der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Kontur der Einbuchtung 48 halbkreisförmig ausgebildet. Hierbei ist der Übergangsbereich 49 mittig zur Einbuchtung 48 ausgerichtet.
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Die Dichthülse 30a gemäß der 3 unterscheidet sich von der Dichthülse 30 gemäß der 2 dadurch, dass die ebenfalls halbkreisförmige Kontur der Einbuchtung 48 außermittig zum Übergangsbereich 49 angeordnet ist, wobei der Übergangsbereich 49 etwas oberhalb der Mitte der Einbuchtung 48 verläuft.
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In der 4 ist eine optimierte Dichthülse 30b dargestellt, bei der die Kontur der Einbuchtung 50 einen ersten, kegelförmigen Bereich 51 aufweist, der in einen zweiten, viertelkreisförmigen Bereich 52 übergeht. Hierbei ist der Übergangsbereich 49 der Einsenkung 42 in Höhe des ersten Bereichs 51 nahe des oberen Wandbereichs 46 der Dichthülse 30b angeordnet.
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Bei allen Ausführungen der Dichthülse 30, 30a bzw. 30b wird der aufgrund der Einsenkung 42 sowie der unterschiedlichen Druckverhältnisse auf beiden Seiten der Dichthülse 30, 30a und 30b in Richtung der Dichthülse 30, 30a, 30b strömende Kraftstoff mittels der Einbuchtung 48 in den zwischen der Dichthülse 30, 30a, 30b und der Wand 44 des Düsenkörpers 12 ausgebildeten Ringraum 53 relativ sanft bzw. mit harmonischen Richtungsänderungen umgelenkt, so dass die auf die Dichthülse 30, 30a, 30b seitlich wirkende Druckkraft durch den einströmenden Kraftstoff minimiert wird.
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Der soweit beschriebene Kraftstoffinjektor 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. So ist es insbesondere auch denkbar, dass auf eine Einsenkung 42 verzichtet werden kann, wenn die Zulaufbohrung 28 bzw. der Mündungsbereich 41 radial mehr zur Längsachse 21 versetzt angeordnet ist. Trotzdem wird es aufgrund der unsymmetrischen Zuströmung des Kraftstoffs über die (einzige) Zulaufbohrung 28 und somit beim einseitigen Durchströmen des Ringraums 53 auch dann zu einer Querkraft auf die Dichthülse 30, 30a, 30b kommen, die mittels der erfindungsgemäßen Einbuchtung 48, 50 im Sinne einer Minimierung der Querkraft verringert werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004015360 A1 [0002]
