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Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen aus, das zur Kraftstoffeinspritzung direkt in Brennräume von Brennkraftmaschinen, vorzugsweise von selbstzündenden Brennkraftmaschinen, verwendet wird.
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Stand der Technik
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Bei modernen selbstzündenden Brennkraftmaschinen wird der Kraftstoff direkt in die Brennräume der entsprechenden Brennkraftmaschine eingespritzt. Dies geschieht unter hohem Druck, der 2000 bar und höher sein kann, um eine effektive Zerstäubung des Kraftstoffs sicherzustellen. Ein solches Kraftstoffeinspritzventil ist beispielsweise aus der
DE 100 24 703 A1 bekannt. Zur Steuerung der Einspritzung dient eine Düsennadel, die mittels hydraulischem Druck bewegt wird und durch ihre Längsbewegung eine oder mehrere Einspritzöffnungen freigibt, durch die der Kraftstoff unter hohem Druck in den Brennraum eingespritzt wird. Dabei ist die Düsennadel in einem Druckraum angeordnet, der im Inneren eines Düsenkörpers ausgebildet ist und in dem der hohe Kraftstoffdruck herrscht. Der Düsenkörper muss entsprechend den hydraulischen Drücken im Inneren des Druckraums standhalten.
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Die Qualität der Zerstäubung des Kraftstoffs wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst. Neben anderen Faktoren ist dies zum einen der Einspritzdruck, wobei im Wesentlichen gilt, dass ein höherer Einspritzdruck zu einer besseren Zerstäubung des Kraftstoffs führt. Zum anderen ist die Geometrie der Einspritzöffnungen entscheidend. Bei modernen Kraftstoffeinspritzsystemen werden dazu Einspritzöffnungen hergestellt, die im Wesentlichen eine zylindrische oder eine leicht konische Form aufweisen und einen Durchmesser von 100 bis 150 µm. Um die gewünschte Kraftstoffmenge in der kurzen zur Verfügung stehenden Zeitspanne in den Brennraum einzubringen, sind meist mehrere Einspritzöffnungen erforderlich. Die Anzahl richtet sich nach der benötigten Menge des Kraftstoffs und der Größe des Brennraums, wobei der maximalen Anzahl von Einspritzöffnungen aus Festigkeitsgründen Grenzen gesetzt sind.
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Zur Optimierung der Einspritzung werden zunehmend Einspritzöffnungen ausgebildet, die einen kleineren Durchmesser aufweisen, wobei der damit einhergehende erhöhte Strömungswiderstand dadurch ausgeglichen wird, dass zum einen eine größere Anzahl von Einspritzöffnungen im Düsenkörper ausgebildet wird und zum anderen die effektive Spritzlochlänge verkürzt wird. Das heißt, dass die Wandstärke des Düsenkörpers im Bereich der Einspritzöffnungen eine möglichst geringe Wandstärke aufweisen muss, um entsprechend kurze Einspritzöffnungen realisieren zu können. Diese Reduzierung der Einspritzöffnungslänge und damit der Wandstärke im Bereich des Düsensitzes führt jedoch zu Festigkeitsverlusten des Düsenkörpers an dieser Stelle, insbesondere an Kanten und Absätzen des Düsenkörpers. Um dies zu vermeiden, ist beispielsweise aus der
JP 08-312500 A ein Einspritzventil bekannt, bei dem die Einspritzöffnungen gestuft ausgebildet sind, wobei sich an einen Abschnitt mit kleinem Durchmesser ein Abschnitt mit wesentlich größerem Durchmesser anschließt, der so groß ist, dass der Kraftstoff beim Austritt aus dem Abschnitt mit kleinerem Durchmesser zerstäubt wird und die Wandung des Abschnitts mit größerem Durchmesser nicht mehr berührt. Dadurch erhält man bei einer im Wesentlichen gleichen Wandstärke des Düsenkörpers eine verringerte Einspritzöffnungslänge, wobei auch hier der maximal möglichen Anzahl von Einspritzöffnungen durch den Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser enge Grenzen gesetzt sind. Will man die Anzahl der Einspritzöffnungen weiter erhöhen, so geht dies nur, indem man den maximalen Einspritzdruck und damit die Belastung des Düsenkörpers beschränkt oder indem man den Düsenkörper aus einem härteren und damit in der Regel teureren Material fertigt, was die Herstellungskosten entsprechend erhöht.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine große Zahl von Einspritzöffnungen mit relativ geringer Einspritzöffnungslänge im Düsenkörper untergebracht werden kann, ohne dass die Festigkeit des Düsenkörpers wesentlich beeinträchtigt wird, wodurch hohe Einspritzöffnungsdrücke ermöglicht werden. Zu diesem Zweck weist das Kraftstoffeinspritzventil einen Düsenkörper auf, in dem ein Druckraum mit einer darin längsbeweglichen Düsennadel ausgebildet ist, wobei die Düsennadel mit ihrem brennraumseitigen Ende mit einem im Düsenkörper ausgebildeten Düsensitz zum Öffnen und Schließen einer oder mehrerer Einspritzöffnungen zusammenwirkt. Dabei sind die Einspritzöffnungen im Bereich des Düsensitzes angeordnet, wobei der Düsensitz eine im Wesentlichen konische Form aufweist. Der Düsenkörper ist an seinem brennraumseitigen Ende als kegelförmige Kuppe ausgebildet, wobei an der Kuppe mehrere über den Umfang verteilt angeordnete nutförmige Aussparungen ausgebildet sind, zwischen denen jeweils ein Steg verbleibt, wobei die Einspritzöffnungen in die nutförmigen Aussparungen münden.
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Durch die Ausbildung der nutförmigen Aussparungen mit dazwischen verbleibendem Steg kann die Mündung der Einspritzöffnungen in die nutförmigen Aussparungen gelegt und damit die effektive Einspritzöffnungslänge verkürzt werden. Durch die verbleibenden Stege wird die Düsenkuppe jedoch stabilisiert, sodass sie auch höchsten Einspritzdrücken standhält.
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung weist der Düsenkörper einen zylinderförmigen Schaftbereich auf, wobei die zwischen den nutförmigen Aussparungen verbleibenden Stege direkt in den Schaftbereich übergehen. Durch diese Ausgestaltung des brennraumseitigen Endes des Düsenkörpers lässt sich die Hochdruckfestigkeit des Düsenkörpers optimieren bei gleichzeitig guter Fertigbarkeit des Düsenkörpers. Dabei verlaufen die zwischen den Aussparungen verbleibenden Stege vorzugsweise parallel zur Längsachse des Düsenkörpers, womit auch die nutförmigen Aussparungen parallel zur Längsachse des Düsenkörpers verlaufen. Dies erleichtert den Herstellungsprozess, da beispielsweise ein Fräswerkzeug leicht in Längsrichtung des Düsenkörpers bewegt werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Einspritzöffnungen in zwei in Längsrichtung des Düsenkörpers voneinander beabstandeten Einspritzöffnungsreihen angeordnet. Sämtliche Einspritzöffnungen dieser Einspritzöffnungsreihen münden in nutförmige Aussparungen, wobei durch das parallele Ausbilden von zwei Einspritzöffnungsreihen die Anzahl der möglichen Einspritzöffnungen, die im Düsenkörper ausgebildet werden können, weiter erhöht wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung schließt sich an den konischen Düsensitz genau einseitig ein Sackloch an, von dem die Einspritzöffnungen einer Einspritzöffnungsreihe ausgehen. Durch diese Ausgestaltung werden die Einlaufbedingungen in die jeweiligen Einspritzöffnungen verbessert, sodass der Kraftstoff weitgehend ohne Druckverlust in diese Einspritzöffnungen einströmen kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung mündet jeweils eine Einspritzöffnung der beiden Einspritzöffnungsreihen in eine nutförmige Aussparung, sodass in jeder nutförmigen Aussparung zwei axial beabstandete Einspritzöffnungen angeordnet sind. Vorteilhafterweise verlaufen diese Einspritzöffnungen dabei parallel zueinander, sodass sich die Einspritzstrahlen nicht oder nur unwesentlich überschneiden. Durch diese Ausgestaltung der Einspritzöffnungen kann der Kraftstoff in einem größeren Raumbereich des Brennraums verteilt werden, was den Verbrennungsprozess optimiert.
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Zeichnung
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt. Es zeigt
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1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
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2 einen vergrößerten Ausschnitt des in 1 gezeigten Einspritzventils im Bereich des Ventilsitzes,
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2a einen Querschnitt durch den Düsenkörper entlang der Linie A-A in Figur 2,
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3 eine perspektivische Außenansicht der brennraumseitigen Kuppel des Düsenkörpers und
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4 eine brennraumseitige Draufsicht auf das Kraftstoffeinspritzventil.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt dargestellt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Das Kraftstoffeinspritzventil umfasst einen Haltekörper 1 und einen Düsenkörper 3, wobei der Düsenkörper 3 durch eine nicht in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung gegen den Haltekörper 1 verspannt ist. Im Düsenkörper 3 ist ein Druckraum 5 ausgebildet, der über einen in der Zeichnung nicht dargestellten Hochdruckkanal mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt werden kann. Im Druckraum 5 ist eine im Wesentlichen kolbenförmige Düsennadel 7 längsverschiebbar angeordnet, wobei die Düsennadel 7 mit ihrem brennraumseitigen Ende, an dem eine Dichtfläche 10 ausgebildet ist, mit einem Düsensitz 8 zusammenwirkt, der im Düsenkörper 3 ausgebildet ist und von dem eine oder mehrere Einspritzöffnungen 9 ausgehen. Die Düsennadel 7 ist in einem mittleren Bereich im Druckraum 5 geführt, wobei der Kraftstofffluss durch Anschliffe 11 sichergestellt ist, die im mittleren Bereich der Düsennadel 7 an dieser ausgebildet sind. Die Düsennadel 7 wird mit ihrem brennraumabgewandten Ende in einer Hülse 15 geführt, die zusammen mit der Stirnseite der Düsennadel 7 und dem Haltekörper 1 einen Steuerraum 17 begrenzt, in dem durch ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Steuerventil ein variabler Kraftstoffdruck einstellbar ist. Die Hülse 15 wird durch eine die Düsennadel 7 umgebende Schließfeder 12 gegen den Haltekörper 1 verspannt, wobei sich die Schließfeder 12 mit ihrem der Hülse 15 gewandten Ende an einem Federteller 13 abstützt, der wiederum auf einem Absatz der Düsennadel 7 aufliegt. Die Schließfeder 12 ist dabei unter Druckvorspannung angeordnet und drückt somit einerseits die Düsennadel 7 gegen den Düsensitz 8 und andererseits die Hülse 15 gegen den Haltekörper 1.
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Die Bewegung der Düsennadel erfolgt entgegen der Kraft der Schließfeder 12 dadurch, dass durch den hohen Druck im Druckraum 5 die Düsennadel 7 eine hydraulische Kraft in Längsrichtung, also parallel zur Längsachse 14 des Düsenkörpers 3, weg vom Düsensitz 8 erfährt. Sobald der Kraftstoffdruck im Steuerraum 17 abnimmt, reichen diese hydraulischen Kräfte aus, die Düsennadel 7 entgegen der Kraft der Schließfeder 12 vom Düsensitz 8 abzuheben, sodass eine hydraulische Verbindung der Einspritzöffnungen 9 zum Druckraum 5 entsteht und Kraftstoff aus dem Druckraum 5 zwischen dem Düsensitz 8 und der Dichtfläche 10 hindurch zu den Einspritzöffnungen 9 strömt und von dort in den Brennraum der Brennkraftmaschine. Durch anschließendes Erhöhen des Kraftstoffdrucks im Steuerraum 17 wird die Düsennadel 7 wieder zurück in ihre Schließposition gedrückt.
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2 zeigt das brennraumseitige Ende des Düsenkörpers 3 im Bereich des Düsensitzes 8, wobei dieser Abschnitt in 1 mit II bezeichnet ist. Der Düsensitz 8 ist konisch ausgebildet und geht an seinem brennraumseitigen Ende in ein Sackloch 16 über, das ebenfalls eine im Wesentlichen konische Form aufweist, jedoch mit einem anderen Konuswinkel. Vom Düsensitz 8 gehen Einspritzöffnungen 9 aus, die in einer ersten Einspritzöffnungsreihe 109 angeordnet sind, deren Einspritzöffnungen 9 über den Umfang des Düsensitzes 8 verteilt angeordnet sind. Eine zweite Einspritzöffnungsreihe 209 geht vom Sackloch 16 aus, wobei die Einspritzöffnungen 9 von erster Einspritzöffnungsreihe 109 und zweiter Einspritzöffnungsreihe 209 parallel zueinander verlaufen.
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Das brennraumseitige Ende des Düsenkörpers 3 ist als Kuppe 18 ausgebildet und weist an seiner Außenseite im Wesentlichen eine konische Form auf. In die Kuppe 18 sind mehrere nutförmige Aussparungen 20 eingebracht, die über den Umfang verteilt angeordnet sind. In jede der nutförmigen Aussparungen 20 münden zwei Einspritzöffnungen 9, wobei jeweils eine Einspritzöffnung 9 der ersten Einspritzöffnungsreihe 109 und die andere der zweiten Einspritzöffnungsreihe 209 zugeordnet ist.
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2a zeigt einen Querschnitt durch den Düsenkörper entlang der Linie A-A der 2 im Bereich der Kuppe 18. Die nutförmigen Aussparungen 20 können nicht nur, wie in der linken Hälfte der 2a gezeigt, einen Grund aufweisen, den die Einspritzöffnungen 9 senkrecht schneiden. Alternativ kann der Grund der nutförmigen Aussparungen 20 auch, wie in der rechten Seite der 2a gezeigt, schräg verlaufen, so dass zwischen dem Grund der Aussparung und der Einspritzöffnung 9 ein Winkel α kleiner als 90° gebildet wird. Durch diese Ausgestaltung der nutförmigen Ausnehmungen 20, in diesem Ausführungsbeispiel mit einem V-förmigen Querschnitt, kann der Einspritzstrahl zusätzlich beeinflusst werden und optimal an die Verhältnisse im Brennraum angepasst werden, bspw. an eine im Brennraum vorhandene Drallströmung.
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In 3 ist eine Außenansicht der Kuppe 18 des Düsenkörpers 3 dargestellt. Die nutförmigen Aussparungen 20 sind als Längsnuten ausgebildet und verlaufen im Wesentlichen parallel zur Längsachse 14 des Düsenkörpers 3. Zwischen den nutförmigen Aussparungen 20 verbleiben Stege 22, die ebenfalls parallel zur Längsachse 14 verlaufen. Die Anordnung der nutförmigen Aussparungen 20 ist in einer Draufsicht auf die Kuppe 18 des Düsenkörpers 3 in 4 nochmals dargestellt.
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Durch die Ausbildung der nutförmigen Aussparungen 20 und das Münden der Einspritzöffnungen 9 in dieselben lässt sich wirkungsvoll die effektive Länge der Einspritzöffnungen 9 verkürzen, wobei die Schwächung der Kuppe 18 des Düsenkörpers 3 sich auf die Bereiche der nutförmigen Aussparungen 20 beschränkt. Die Stege 22 sorgen jedoch weiterhin für eine große Stabilität der Kuppe, sodass diese trotz geringer Wandstärke im Bereich der Einspritzöffnungen 9 auch sehr hohen Einspritzdrücken im Druckraum 5 standhalten kann. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Stege 22 direkt in den Schaftbereich 4 des Düsenkörpers 3 übergehen, da sich so ein einfacher Absatz am Übergang des Schaftbereichs 4 zur Kuppe 18 ergibt, der fertigungstechnisch einfach zu realisieren ist. Das Einbringen der nutförmigen Aussparungen 20 kann beispielsweise mit einem Fräswerkzeug ausgehend vom brennraumseitigen Ende des Düsenkörpers 3 geschehen, wobei dies einfach und ohne allzu hohe Präzisionsanforderungen und damit kostengünstig erfolgen kann.
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Neben der Anordnung der Einspritzöffnungen 9 in zwei Einspritzöffnungsreihen 109, 209 sind auch andere Anordnungen von Einspritzöffnungen 9 möglich. Beispielsweise können mehr als zwei Einspritzöffnungsreihen ausgebildet sein oder es können beide Einspritzöffnungsreihen oder auch mehr als zwei Einspritzöffnungsreihen direkt vom Düsensitz des Düsenkörpers 3 ausgehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10024703 A1 [0002]
- JP 08-312500 A [0004]
