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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Düsenbaugruppe für einen Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen Kraftstoffinjektor unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Düsenbaugruppe.
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Eine Düsenbaugruppe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der
DE 10 2010 040 331 A1 der Anmelderin bekannt. Die bekannte Düsenbaugruppe umfasst eine Düsennadel mit einem kegelstumpfförmigen Bereich, der zur Ausbildung eines Ventilsitzes einen kegelstumpfförmigen Abschnitt in einer Hochdruckbohrung eines Düsenkörpers aufweist. Der der wenigstens einen Einspritzöffnung zugewandte Nadelendbereich der Düsennadel weist eine 180°-Abflachung auf, wobei die Stirnfläche im Nadelendbereich Vertiefungen bzw. Einkuhlungen aufweist. Ferner ist bei der bekannten Düsenbaugruppe der Düsennadelendbereich im abgesenkten Zustand der Düsennadel axial beabstandet bzw. oberhalb zu der wenigstens einen Einspritzöffnung im Düsenkörper angeordnet.
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Die künftigen Anforderungen an Kraftstoffinjektoren zum Einsatz bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen (Dieselmotoren) sind gekennzeichnet durch weiter gesteigerte Einspritzdrücke und/oder Durchflüsse. Damit ergeben sich am Übergang vom Ventilsitz in das Sackloch sowie zum Spritzlocheinlauf der Einspritzöffnung charakteristische Strömungsformen mit sehr hohen Geschwindigkeiten. Hierbei kann es zur Ausbildung von Niedrigdruckgebieten kommen. Beim lokalen Unterschreiten des Dampfdruckes bilden sich Kavitationsblasen, die wiederum im Sackloch- oder Einspritzöffnungsbereich implodieren können. Diese Erscheinungen führen schließlich zur Kavitationserosion. Die Folge können Veränderungen im hydraulischen Verhalten bezüglich der Einspritzmenge sein, oder sie können im Extremfall auch zum Bruch des Düsenkörpers im kuppenförmigen Bereich führen. Des Weiteren wird bei den bekannten Geometrien und Positionen der Einspritzöffnungen im Düsenkörper unter den gesteigerten, oben angeführten Betriebsbedingungen häufig ein instabiles hydraulisches Verhalten von Exemplar zu Exemplar des Kraftstoffinjektors und von Einspritzhub zu Einspritzhub beobachtet, was auf instabile Druckfelder im Sacklochbereich in Folge fertigungstechnisch bedingter Toleranzen zurückzuführen ist. Die aus dem Stand der Technik bekannte, oben angeführte Düsenbaugruppe mit ihren charakteristischen Merkmalen reduziert zwar die bekannten Kavitationserscheinungen und führt zu einer verbesserten hydraulischen Stabilität, die Einspritzöffnungen liegen jedoch in einem mechanisch hoch beanspruchten Bereich des Düsenkörpers, sodass durch die auf die Düsennadel wirkende Schließkraft und den geringen Abstand zum Sacklocheinlauf eine relativ geringe Kuppenfestigkeit des Düsenkörpers vorhanden ist. Der relativ geringe Abstand zwischen dem Sacklocheinlauf und der Einspritzöffnung ist darüber hinaus relativ toleranzempfindlich.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Düsenbaugruppe für einen Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass die oben genannten Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll eine relativ gleichmäßige bzw. geringe Streuung der Einspritzmengen bei günstiger Strahlausbildung und hohem Wirkungsgrad durch relativ geringe Umlenkverluste und eine verbesserte Zuströmung zu den Einspritzöffnungen erzielt werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Düsenbaugruppe für einen Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass sich an den kegelstumpfförmigen Bereich der Düsennadel auf der der wenigstens einen Einspritzöffnung zugewandten Seite ein zylindrischer oder konischer Bereich anschließt, der den Düsennadelendbereich ausbildet. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird der Düsennadelendbereich somit sozusagen verlängert ausgebildet, wodurch die oben genannten positiven Effekte erzielt werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Düsenbaugruppe für einen Kraftstoffinjektor 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 bevorzugter konstruktiver Umsetzung des Nadelendbereichs der Düsennadel ist vorgesehen, dass die Abflachung an dem Düsennadelendbereich eine ebene Stirnfläche ausbildet. Dadurch kann die Düsennadel insbesondere in fertigungstechnisch bzw. kostentechnisch optimierter Art und Weise gefertigt werden.
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Eine Optimierung der Strömung des Kraftstoffs wird erzielt, wenn die Hochdruckbohrung im zylindrischen oder konischen Bereich der Düsennadel eine dem Bereich angepasste Kontur mit einem Abschnitt aufweist, derart, dass zwischen dem zylindrischen oder konischen Bereich der Düsennadel und dem Abschnitt der Hochdruckbohrung (19) ein Radialspalt mit zumindest nahezu gleicher Breite in Richtung einer Längsachse ausgebildet ist.
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Aus strömungstechnischer Sicht besonders bevorzugt ist es dabei, wenn der Radialspalt eine derartige Breite aufweist, dass er bei angehobener Düsennadel nicht als Drosselorgan für den durch den Radialspalt in Richtung zur wenigstens einen Einspritzöffnung strömenden Kraftstoff wirkt.
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Um einerseits einen möglichst großen Abstand zwischen dem Sacklocheinlauf und der Einspritzöffnung in axialer Richtung der Düsenbaugruppe zu erzielen, und andererseits eine möglichst große Freiheit bezüglich der Anordnung der wenigstens einen Einspritzöffnung in dem Düsenkörper zu ermöglichen, ist es in weiterer bevorzugter konstruktiver Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Spritzlocheinlauf in einem Übergangsbereich zwischen dem Abschnitt und einem eine sphärische Form aufweisenden Sacklochgrund angeordnet ist.
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Darüber hinaus hat es sich bei Versuchen als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn das Verhältnis zwischen der Sacklochlänge und dem mittleren Durchmesser der Düsennadel im Sitzbereich größer als 0,5 ist.
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Zur Erzielung einer möglichst hohen mechanischen Festigkeit des Düsenkörpers ist es darüber hinaus mit Vorteil vorgesehen, die Wanddicke des kegelstumpfförmigen Abschnitts in Richtung der der wenigstens einen Einspritzöffnung abgewandten Seite größer wird.
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Die Erfindung umfasst auch einen Kraftstoffinjektor unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Düsenbaugruppe. Ein derartiger Kraftstoffinjektor findet insbesondere Verwendung bei Nutzkraftfahrzeuganwendungen mit relativ großen Durchflüssen sowie mit direkt gesteuerten Düsennadeln mit relativ großen Sitzwinkeln, ist jedoch nicht auf derartige Anwendungen beschränkt.
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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 der einzigen Figur einen einem Brennraum einer Brennkraftmaschine zugewandten unteren Endbereich eines Kraftstoffinjektors.
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In der einzigen Figur ist der einem nicht dargestellten Brennraum einer selbstzündenden Brennkraftmaschine zugewandte, untere Endbereich eines Kraftstoffinjektors 1 dargestellt. Der Kraftstoffinjektor 1 weist eine erfindungsgemäße Düsenbaugruppe 10 mit einer entlang einer Längsachse 11 in Richtung des Doppelpfeils 12 hubbeweglich angeordneten Düsennadel 15 auf. Die Düsennadel 15 ist mittels eines nicht dargestellten Aktors, insbesondere mittels eines direkt auf die Düsennadel 15 wirkenden Magnetaktors, betätigbar. In der in der Figur dargestellten Stellung der Düsennadel 15 befindet sich diese in einer unteren Endlage bzw. Schließstellung.
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Die Düsenbaugruppe 10 im Kraftstoffinjektor 1 umfasst einen Düsenkörper 16, an dessen unterem, kuppenartigen Endbereich 17 wenigstens eine Einspritzöffnung 18, vorzugsweise jedoch mehrere, in gleichmäßigen Winkelabständen zueinander angeordnete Einspritzöffnungen 18 vorgesehen sind, die jeweils als Durchgangsbohrung ausgebildet sind. Die Einspritzöffnungen 18 sind gegenüber der Horizontalen um einen Winkel α von beispielsweise zwischen 10° und 40° geneigt angeordnet, wobei beim Vorhandensein mehrerer Einspritzöffnungen 18 die unterschiedlichen Einspritzöffnungen 18 unterschiedliche Winkel α aufweisen können.
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Der Düsenkörper 16 weist eine konzentrisch zur Längsachse 11 ausgebildete Ausnehmung 19 zur Aufnahme der Düsennadel 15 auf. Die Ausnehmung 19 ist als Hochdruckbohrung ausgebildet, und umfasst einen ersten, beispielsweise zylindrisch ausgebildeten Abschnitt 21, an den sich in Richtung der wenigstens einen Einspritzöffnung 18 ein kegelstumpfförmiger Abschnitt 22 anschließt. An den kegelstumpfförmigen Abschnitt 22 schließt sich ein zylindrischer Abschnitt 23 an, der jedoch in Abänderung zum dargestellten Ausführungsbeispiel auch kegelstumpfförmig, mit sich in Richtung zur wenigstens einen Einspritzöffnung 18 verringerten Durchmesser ausgebildet sein kann. An den zylindrischen Abschnitt 23 schließt sich ein Übergangsbereich 24 zu einem sphärisch ausgebildeten Sacklochgrund 25 an. Im Übergangsbereich 24 ist darüber hinaus auch die wenigstens eine Einspritzöffnung 18 angeordnet.
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Zwischen der Düsennadel 15 und dem zylindrischen Abschnitt 21 ist ein ringförmiger Hochdruckraum 26 ausgebildet, der über eine nicht dargestellte Verbindung mit unter hohem Druck (Raildruck) stehendem Kraftstoff beaufschlagbar ist. Der kegelstumpfförmige Abschnitt 22 bildet in der abgesenkten (Schließ-)Stellung der Düsennadel 15 einen Ventilsitz 28 zur dichtenden Anlage mit einem kegelstumpfförmigen Bereich 29 der Düsennadel 15 aus, wobei der kegelstumpfförmige Abschnitt 22 der Ausnehmung 19 und der kegelstumpfförmige Bereich 29 der Düsennadel 15 denselben Neigungswinkel aufweisen. Auf der der wenigstens einen Einspritzöffnung 18 abgewandten Seite des kegelstumpfförmigen Bereichs 29 weist die Düsennadel 15 einen zylindrischen Bereich 30 auf, in dessen Bereich auch der Hochdruckraum 26 angeordnet ist. Auf der der wenigstens einen Einspritzöffnung 18 zugewandten Seite geht der kegelstumpfförmige Bereich 29 in einen im Ausführungsbeispiel zylindrisch ausgebildeten Bereich 31 über, der bei abgesenkter Düsennadel 15 innerhalb des zylindrischen Abschnitts 23 der Ausnehmung 19 mit Radialspalt 32 angeordnet ist. Die Breite des Radialspalts 32 ist, in Richtung der Längsachse 11 betrachtet, zumindest nahezu konstant. Wichtig ist auch, dass der Radialspalt 32 eine derartige Breite aufweist, dass er einerseits möglichst klein ist, andererseits jedoch bei angehobener Düsennadel 15 nicht als Drosselorgan für den durch den Radialspalt 32 in Richtung zur wenigstens einen Einspritzöffnung 18 strömenden Kraftstoff wirkt
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Wenn anstelle des zylindrischen Abschnitts 23 der Ausnehmung 19 dieser Abschnitt kegelstumpfförmig ausgebildet ist, so ist der korrespondierende Bereich 31 der Düsennadel 15 ebenfalls kegelstumpfförmig mit demselben Kegelwinkel ausgebildet, sodass sich ebenfalls ein konstanter Spalt 32 einstellt.
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Der zylindrische Bereich 31 weist auf der der wenigstens einen Einspritzöffnung 18 zugewandten Seite am Düsennadelendbereich 38 eine 180°-Abflachung 33 auf, wobei die Abflachung 33 eine ebene Stirnfläche 34 ausbildet, die bei abgesenkter Düsennadel 15 im dargestellten Ausführungsbeispiel axial oberhalb des Spritzlocheinlaufs 35 der wenigstens einen Einspritzöffnung 18 in einem positiven Abstand a angeordnet ist. In Abänderung des dargestellten Ausführungsbeispiels ist es jedoch auch möglich, dass der Abstand a kleiner oder gleich Null ist, das heißt zum Beispiel unterhalb des Spritzlocheinlaufs 35 verläuft.
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Wie anhand der Figur erkennbar ist, nimmt die Wandstärke des Düsenkörpers 16 zumindest im kegelstumpfförmigen Abschnitt 22 in Richtung der der wenigstens einen Einspritzöffnung 18 abgewandten Seite stetig zu, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel die Wandstärke des Düsenkörpers 16 im zylindrischen Abschnitt 23 ebenfalls zunimmt.
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Die Ausnehmung 19 bildet in Höhe der Linie 36 einen Sacklocheinlauf aus, wobei die Länge l des Sacklochs 37 zwischen der Linie 36 und dem Sacklochgrund 25 im Verhältnis zum mittleren Durchmesser des kegelstumpfförmigen Bereichs 29, in dem bei abgesenkter Düsennadel 15 der Ventilsitz 28 ausgebildet ist, mehr als 0,5 beträgt.
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Der soweit beschriebene Kraftstoffinjektor 1 bzw. dessen Düsenbaugruppe 10 können 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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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010040331 A1 [0002]
