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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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Um den Wirkungsgrad bei Brennverfahren in Einspritzsystemen zu erhöhen geht der Trend zu Brennverfahren mit höheren Einspritzdrücken. Weiterhin ist es erwünscht, dass die in den Kraftstoffinjektoren ausgebildete Einspritzöffnungen eine relativ geringe Länge aufweisen, um die gewünschten Sprayeigenschaften, d.h. einen hohen Strahlaufbruch sowie eine geringe Verkokungsneigung der Einspritzöffnungen zu erzielen. Gleichzeitig weisen derartige Einspritzöffnungen relativ kleine Durchmesser (beispielsweise zwischen 70µm und 120µm) auf. Will man die beiden gewünschten Forderungen hinsichtlich des relativ geringen Durchmessers sowie der relativ geringen Länge der Einspritzöffnungen im üblicherweise kuppenartigen Endbereich eines Injektorgehäuses realisieren, so führt dies zwangsläufig zu relativ geringen Wandstärken am kuppenartigen Endbereich. Dies ist jedoch mit Blick auf die Festigkeit des Injektorgehäuses infolge der stetig wachsenden Einspritzdrücke nachteilhaft. Eine Lösung dieses Problems besteht darin, dass zumindest der kuppenartige Endbereich des Kraftstoffinjektors aus einem besonders festen Material ausgebildet wird. Dies ist jedoch mit relativ hohen Kosten verbunden.
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Aus der
7 der
DE 103 29 731 A1 der Anmelderin ist ein Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei dem eine Einspritzöffnung aus zwei zylindrischen Bohrungsabschnitten besteht, die in einer gemeinsamen Längsachse angeordnet sind. Hierbei ist der einen größeren Durchmesser aufweisende Bohrungsabschnitt zur Innenseite des Kraftstoffinjektors zugewandt, während der einen kleineren Durchmesser aufweisende Bohrungsabschnitt an der Außenseite des kuppenartigen Endbereichs mündet. Ziel des aus der genannten Anmeldung bekannten Kraftstoffinjektors ist es, durch die in Strömungsrichtung sich verengende Einspritzöffnung eine Beschleunigung des Kraftstoffstrahls, d.h. eine gute Gemischaufbereitung bzw. bestimmte Strahleigenschaften zu erzielen. Festigkeitsgründe für die Wahl der beiden unterschiedliche Durchmesser aufweisenden Bohrungsabschnitte sind der genannten Schrift nicht zu entnehmen.
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Darüber hinaus ist aus der
EP 0 918 157 B1 ein Kraftstoffinjektor bekannt, bei dem dessen Einspritzöffnung ebenfalls zwei aneinander anschließende Bohrungsabschnitte aufweist. Die beiden Bohrungsabschnitte sind in einem schrägen Winkel zueinander angeordnet. Der dem Innenraum des Injektorgehäuses zugewandte erste Bohrungsabschnitt weist einen geringeren Querschnitt auf als der sich in Strömungsrichtung des Kraftstoffs erweiternde, konisch ausgebildete zweite Bohrungsabschnitt. Weiterhin ist der zweite Bohrungsabschnitt an einem separaten, mit dem restlichen Injektorgehäuse verbundenen Injektorelement ausgebildet. Auch die in der
EP 0 918 157 B1 offenbarte Anordnung bzw. Ausbildung der Bohrungsabschnitte zielt auf eine bestimmte Strahlformung ab.
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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 bei optimierter Festigkeit des Injektorgehäuses in dessen kuppenartigem Endbereich eine flexible Anordnung bzw. ein flexibler Austritt des Kraftstoffstrahls aus dem Endbereich bei guten Sprayeigenschaften erzielt wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Längsachsen der beiden Bohrungsabschnitte in einem schrägen Winkel zueinander angeordnet sind. Durch die Anordnung der beiden Bohrungsabschnitte in einem schrägen Winkel wird der Vorteil erreicht, dass der Austrittsbereich der Einspritzöffnung am kuppenartigen Endbereich des Kraftstoffinjektors nahezu beliebig gewählt werden kann, wobei gleichzeitig relativ kurze zweite Bohrungsabschnitte erzielt werden können, und der kuppenartige Endbereich nichtsdestotrotz eine relativ große Wandstärke, mit Blick auf die gewünschten Festigkeitseigenschaften des Injektorgehäuses, aufweisen kann.
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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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Der Winkel zwischen den beiden Längsachsen der beiden Bohrungsabschnitte ist in einem relativ großen Bereich wählbar und sollte mit Blick auf eine relativ geringe Strahlablenkung zwischen dem ersten und dem zweiten Bohrungsabschnitt so gering als möglich gehalten werden. Aus diesem Grund ist es erfindungsgemäß bei einer vorteilhaften Anordnung der Längsachsen der beiden Bohrungsabschnitte vorgesehen, dass der Winkel zwischen den beiden Längsachsen zwischen 1° und 90° beträgt. Winkel, die größer als 90° sind, würden ansonsten infolge der großen Umlenkung des Kraftstoffstrahls zwischen den beiden Bohrungsabschnitten zu relativ hohen Strömungs- bzw. Druckverlusten führen.
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Um den angesprochenen Winkel zwischen den beiden Längsachsen möglichst gering zu wählen, und darüber hinaus bei mehreren Einspritzöffnungen diese auf einer gemeinsamen Ebene (in Bezug auf die Längsrichtung des Injektorgehäuses) anordnen zu können, wird darüber hinaus vorgeschlagen, dass die Längsachse des ersten Bohrungsabschnitts schräg zu einer Ventilgehäuselängsachse verläuft.
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Um den Herstellungsprozess relativ einfach gestalten zu können bzw. die Herstellkosten zum Ausbilden der unterschiedlichen Bohrungsabschnitte zu begrenzen, wird in einer weiteren konstruktiven Ausgestaltung vorgeschlagen, dass der Querschnitt des ersten Bohrungsabschnitts zylindrisch ausgebildet ist.
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Aus den zuletzt genannten Gründen kann zusätzlich, oder in Alleinstellung, der Querschnitt des zweiten Bohrungsabschnitts zylindrisch ausgebildet sein.
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Zur Verbesserung der Strahleigenschaften, insbesondere zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit, kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass der Querschnitt eines nicht zylindrisch ausgebildeten Bohrungsabschnitts konisch ausgebildet ist, wobei sich der Querschnitt in Richtung zur Außenseite des Endbereichs hin verengt.
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Um die Wanddicke im Endbereich des Injektorgehäuses so dick als möglich gestalten zu können, und gleichzeitig die Strömungseigenschaften des Kraftstoffs durch die Umlenkung des Kraftstoffs zwischen den beiden Bohrungsabschnitten möglichst wenig zu beeinflussen, wird darüber hinaus vorgeschlagen, dass der erste Bohrungsabschnitt als Sacklochbohrung ausgebildet ist, und dass die dem ersten Bohrungsabschnitt zugewandte Mündung des zweiten Bohrungsabschnitts nahe des Grunds der Sacklochbohrung angeordnet ist.
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Bei Versuchen hinsichtlich unterschiedlicher Dimensionierungen bzw. Querschnitte der beiden Bohrungsabschnitte hat es sich als günstig erwiesen, wenn ein mittleres Durchmesserverhältnis zwischen dem ersten Bohrungsabschnitt und dem zweiten Bohrungsabschnitt zwischen 1,5 und 3 beträgt. Unter einem mittleren Durchmesser wird dabei bei einem konisch ausgebildeten Bohrungsabschnitt der Mittelwert zwischen dem Eintrittsquerschnitt und dem Austrittsquerschnitt des konisch geformten Bohrungsbereichs verstanden.
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Die vorgeschlagene konstruktive Anordnung bzw. Ausbildung der Einspritzöffnungen mit zwei, in einem Winkel zueinander angeordneten Bohrungsabschnitten findet bevorzugt Verwendung bei Kraftstoffinjektoren, bei denen im Ventilgehäuse mehrere, vorzugsweise in gleichgroßen Winkelabständen zueinander angeordnete Einspritzöffnungen vorgesehen sind. Dadurch kann bei einer bestimmten Einspritzmenge der Durchmesser der einzelnen Einspritzöffnungen relativ gering gehalten werden, was der Festigkeit des Injektorgehäuses, mit Blick auf die gewünschten hohen Einspritzdrücke, zugute kommt.
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Weitere Merkmale, Vorteile 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 durch den einem Brennraum einer Brennkraftmaschine zugewandten Endbereich eines ersten erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor und
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2 und 3 gegenüber der 1 abgewandelte Ausbildungen jeweils einer Einspritzöffnung an einem Kraftstoffinjektor im vergrößerten Maßstab, ebenfalls im Längsschnitt.
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist das in einem nicht dargestellten Brennraum einer Brennkraftmaschine zugewandte Ende eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors 10 dargestellt. Der Kraftstoffinjektor 10 dient insbesondere dem Einspritzen von Kraftstoff bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen, die Erfindung ist jedoch nicht auf selbstzündende Brennkraftmaschinen bzw. deren Kraftstoffinjektoren 10 beschränkt.
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Der Kraftstoffinjektor 10 weist ein metallisches Injektorgehäuse 11 auf, dessen in der 1 dargestellter Endbereich 12 kuppenartig bzw. kuppenförmig ausgebildet ist. Das Injektorgehäuse 11 hat in einem Innenraum eine aus mehreren Abschnitten bestehende Ausnehmung bzw. Sacklochbohrung 13 mit einer Längsachse 14. Die Sacklochbohrung 13 bildet an ihrem Grund ein kalottenförmiges Speichervolumen 15.
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In der Wand des Injektorgehäuses 11 ist wenigstens eine, in der Praxis jedoch mehrere, in gleichmäßigen Winkelabständen zueinander angeordnete Einspritzöffnung 16 ausgebildet. Jede der jeweils vorzugsweise gleich ausgebildeten Einspritzöffnungen 16 besteht aus zwei Bohrungsabschnitten 18, 19 mit einer Längsachse 21, 22. Die Einspritzöffnungen 16 münden im Inneren des Injektorgehäuses 11 im Bereich einer kegelförmig ausgebildeten Dichtfläche 23. Weiterhin münden die Einspritzöffnungen 16 an der Außenfläche 24 des Injektorgehäuses 11, wobei die zweite Längsachse 22 des zweiten Bohrungsabschnitts 19 im Austrittsbereich der Einspritzöffnung 16 aus dem Injektorgehäuse 11 vorzugsweise in etwa rechtwinklig der Außenfläche 24 angeordnet ist.
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Der erste Bohrungsabschnitt 18, der von der Dichtfläche 23 des Injektorgehäuses 11 ausgeht, ist als Sacklochbohrung mit einem Grund 26 ausgebildet. Der zweite Bohrungsabschnitt 19 ist als Durchgangsbohrung ausgebildet und geht von einem Bereich knapp oberhalb des Grundes 26 aus. Bei dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Bohrungsabschnitte 18, 19 jeweils zylindrisch ausgebildet, wobei der erste Bohrungsabschnitt 18 einen Durchmesser D aufweist und der zweite Bohrungsabschnitt 19 einen Durchmesser d. Erfindungswesentlich ist, dass der Durchmesser D des ersten Bohrungsabschnitts 18 größer ist als der Durchmesser d des zweiten Bohrungsabschnitts 19. Weiterhin schließen die beiden Längsachsen 21, 22 der Bohrungsabschnitte 18, 19 einen Winkel α ein, der zwischen 1° und 90° beträgt. Erkennbar ist weiterhin, dass die Längsachse 21 des ersten Bohrungsabschnitts 18 in einem schrägen Winkel β zur Längsachse 14 des Injektorgehäuses 11 angeordnet ist. Typischerweise beträgt der Durchmesser d des zweiten Bohrungsabschnitts 19 zwischen 70µm und 100µm, während dessen axiale Länge zwischen 0,4mm und 0,8mm beträgt.
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Innerhalb des Injektorgehäuses 11 ist in üblicher Art und Weise in der Längsachse 14 eine nicht dargestellte Düsennadel auf- und abbeweglich angeordnet, die in einer Schließstellung unter Bildung eines Dichtsitzes an der Innenwand des Injektorgehäuses 11 anliegt und so ein Austreten von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff aus den Einspritzöffnungen 16 in den Brennraum der Brennkraftmaschine verhindert. In einer Öffnungsstellung der Düsennadel ist diese von ihrem Dichtsitz abgehoben und ermöglicht damit ein Durchströmen der Einspritzöffnungen 16 des unter hohem Druck, insbesondere einem Druck größer als 2000bar, stehenden Kraftstoffs.
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Wie der Darstellung der 1 entnehmbar ist, verläuft die Längsachse 22 des zweiten Bohrungsabschnitts 19 nahezu senkrecht zur Längsachse 14 des Injektorgehäuses 11. Durch die beschriebene Anordnung bzw. Ausbildung der beiden Bohrungsabschnitte 18, 19 lassen sich problemlos derartige Anordnungen der zweiten Bohrungsabschnitte 19 erreichen, wobei der Winkel typischerweise mehr als 45° und weniger als 90° beträgt.
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In der 2 ist ein gegenüber der 1 abgewandelter Kraftstoffinjektor 10 mit einem Injektorgehäuse 11 dargestellt, bei dem der erste Bohrungsabschnitt 18 wie bei dem Kraftstoffinjektor 10 gemäß der 1 einen konstanten Durchmesser D aufweist. Demgegenüber ist der zweite Bohrungsabschnitt 19a im Querschnitt konisch ausgebildet, wobei sich der Querschnitt in Strömungsrichtung des Kraftstoffs verengt. Der zweite Bohrungsabschnitt 19a weist einen mittleren Durchmesser dm auf, wobei der mittlere Durchmesser dm kleiner ist als der Durchmesser D des ersten Bohrungsabschnitts 18.
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In Abwandlung des in der 2 dargestellten Ausführungsbeispiels ist es auch denkbar, dass der erste Bohrungsabschnitt 18 einen konischen Querschnitt aufweist, während der zweite Bohrungsabschnitt 19 einen konstanten Durchmesser aufweist, wobei auch in diesem Fall der Durchmesser des zweiten Bohrungsabschnitts 19 geringer ist als der (mittlere) Durchmesser des ersten Bohrungsabschnitts 18.
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Zuletzt ist in der 3 eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der sowohl der erste Bohrungsabschnitt 18b, als auch der zweite Bohrungsabschnitt 19b im Querschnitt jeweils konisch ausgebildet ist. Der erste Bohrungsabschnitt 18b weist einen mittleren Durchmesser Dm auf, der größer ist als ein mittlerer Durchmesser dm des zweiten Bohrungsabschnitts 19b.
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Bei allen Variationen der Bohrungsabschnitte 18, 18b, 19, 19a, 19b hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das mittlere Durchmesserverhältnis zwischen dem ersten Bohrungsabschnitt 18, 18b und dem zweiten Bohrungsabschnitt 19, 19a, 19b zwischen 1,5 und 3 beträgt.
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Der soweit beschriebene Kraftstoffinjektor 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10329731 A1 [0003]
- EP 0918157 B1 [0004, 0004]
