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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Einspritzdüse für ein Kraftstoffeinspritzsystem, mit der Kraftstoff unter hohem Druck in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingebracht werden kann.
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Stand der Technik
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Die Erfindung geht von einer Einspritzdüse für Kraftstoffeinspritzsysteme aus, wie sie beispielweise aus der Schrift
DE 102 37 003 A1 bekannt ist. Ein solches Kraftstoffeinspritzventil weist einen Düsenkörper auf, in dem eine kolbenförmige Düsennadel längsverschiebbar angeordnet ist, die durch ihre Längsbewegung mit einem Düsensitz zusammenwirkt und damit eine oder mehrere Einspritzöffnungen öffnet und schließt. Die Düsennadel ist dabei in einem Druckraum innerhalb des Düsenkörpers angeordnet, der mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt ist, wenn das Kraftstoffeinspritzventil, dessen Teil die Einspritzdüse ist, in Betrieb ist. Die Steuerung der Längsbewegung der Düsennadel erfolgt dabei durch die Variation des Drucks in einem Steuerraum, der das düsensitzabgewandte Ende der Düsennadel mit Kraftstoffdruck beaufschlagt, wobei der Druck im Steuerraum mittels eines Steuerventils einstellbar ist. Sinkt der Druck im Steuerraum, so sinkt ebenfalls die hydraulische Schließkraft auf die Düsennadel, und die Düsennadel wird durch den Kraftstoffdruck im Druckraum vom Düsensitz abgehoben und gibt die Einspritzöffnungen frei. Zum Verschließen der Düsennadel wird der Kraftstoffdruck im Steuerraum erneut angehoben, so dass die Düsennadel wieder zurück in Anlage an den Düsensitz fährt und die Einspritzöffnungen verschließt.
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Die Bewegung der Düsennadel soll dabei möglichst rasch geschehen, um mehrere, sehr rasch aufeinander folgende Einspritzungen realisieren zu können. Dazu muss die Düsennadel einerseits eine möglichst geringe Masse aufweisen, um entsprechend schnell auf die wechselnden hydraulischen Drücke mit einer entsprechenden Längsbewegung zu reagieren. Andererseits muss die Düsennadel aber auch eine hohe Stabilität aufweisen, da die angreifenden hydraulischen Kräfte sehr hoch sind und die Anforderungen an die mechanische Stabilität der Düsennadel entsprechend.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Einspritzdüse für ein Kraftstoffeinspritzsystem weist den Vorteil auf, dass die Düsennadel eine gegenüber der massiven Ausführung nahezu identische mechanische Stabilität aufweist, jedoch ein deutlich geringeres Gewicht, was zu entsprechend niedrigeren Schaltzeiten des Kraftstoffeinspritzventils führt und damit zu der Möglichkeit, Einspritzungen sehr rasch aufeinander durchzuführen, insbesondere Einspritzungen, die sich in mehrere Teileinspritzungen gliedern. Dazu weist die Einspritzdüse einen Düsenkörper mit einem mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbaren Druckraum auf, in dem eine kolbenförmige, eine Längsachse aufweisende Düsennadel längsverschiebbar angeordnet ist. Die Düsennadel wirkt zum Öffnen und Schließen wenigstens einer Einspritzöffnung mit einem Düsensitz zusammen, wobei in der Düsennadel eine schlitzförmige Ausnehmung ausgebildet ist, die ausgehend von der Oberfläche der Düsennadel zumindest einen Teil des Volumens der Düsennadel umfasst, durch das die Längsachse verläuft.
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Durch die Ausbildung der schlitzförmigen Ausnehmung, die das Volumen der Düsennadel umfasst, in dem die Längsachse verläuft, bleiben die äußeren Strukturen der Düsennadel praktisch unverändert, so dass die gleiche oder nahezu die gleiche Biegestabilität der Düsennadel erreicht wird wie bei einer massiven Ausführung. Durch das Vorsehen der schlitzförmigen Ausnehmung wird jedoch das Gewicht der Düsennadel deutlich verringert, was kürzere Schaltzeiten ermöglicht und damit insbesondere Einspritzungen, die sehr rasch aufeinander folgen, wie es für Vor- und Nacheinspritzungen bei modernen, schnelllaufenden Brennkraftmaschinen notwendig ist.
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung sind in der Düsennadel mehrere schlitzförmige Ausnehmungen ausgebildet. Durch die Ausbildung von mehreren schlitzförmigen Ausnehmungen, die in vorteilhafter Weise einander durchdringen können, lässt sich sehr effektiv Material aus der Düsennadel entfernen, ohne dass die Stabilität, insbesondere die Biegestabilität, wesentlich beeinträchtigt wird. Durchdringen die schlitzförmigen Ausnehmungen die Düsennadel, reichen sie also von einer Oberfläche der Düsennadel zur anderen, lassen sie sich besonders gut und kostengünstig herstellen.
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In einer weiteren voreilhaften Ausgestaltung durchdringen sich die Ausnehmungen so, dass im Querschnitt der Düsennadel betrachtet, eine kreuzförmige Ausnehmung gebildet wird. Durch diese Ausnehmung, die in vorteilhafter Weise auch Y-förmig gestaltet sein kann, lässt sich effektiv Material wegnehmen bei einer größtmöglichen Stabilität gegenüber Biegungen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind wenigstens zwei der Ausnehmungen in Längsrichtung der Düsennadel zueinander versetzt ausgebildet. Auf diese Weise lässt sich Material über die gesamte Länge der Düsennadel abtragen, was insbesondere bei sogenannten langen Nadeln von Vorteil ist, wie sie bei leckagefreien Kraftstoffeinspritzsystemen verwendet werden.
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Zeichnungen
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In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbespiele der erfindungsgemäßen Einspritzdüse dargestellt. Es zeigt
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1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Einspritzdüse, wobei nur die wesentlichen Teile dargestellt sind,
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2 eine vergrößerte Darstellung in der Düsennadel,
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2a einen Querschnitt durch die dargestellte Düsennadel der 2 entlang der Linie A-A,
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2b einen Querschnitt durch die Düsennadel der 2 entlang der Linie B-B,
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Düsennadel,
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4 einen Querschnitt durch die Düsennadel der 3 entlang der Linie IV-IV.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Einspritzdüse dargestellt, wie sie in Kraftstoffeinspritzsystemen verwendet wird, mit denen Kraftstoff unter hohem Druck in Brennräumen von Brennkraftmaschinen eingespritzt werden kann. Die in der 1 dargestellte Einspritzdüse weist einen Düsenkörper 2 auf, in dem ein Druckraum 4 ausgebildet ist, der mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist. Der Düsenkörper 2 bildet in Einbaulage in einer Brennkraftmaschine einen Teil eines Kraftstoffinjektors, der den Anschluss für die Zuführung des unter hohem Druck stehenden Kraftstoffs aufweist. Im Druckraum 4 ist eine kolbenförmige Düsennadel 5 längsverschiebbar angeordnet, die eine Längsachse 11 aufweist und die an ihrem brennraumseitigen Ende eine Dichtfläche 7 ausbildet, mit der die Düsennadel 5 mit einem Düsensitz 8 zusammenwirkt, der – ebenso wie die Dichtfläche 7 – im Wesentlichen eine konische Form aufweist. Vom Düsensitz 8 gehen eine oder mehrere Einspritzöffnungen 10 aus, wobei die Düsennadel 5 mittels ihrer Dichtfläche 7 so mit dem Düsensitz 8 zusammenwirkt, dass bei Anlage der Düsennadel 5 auf dem Düsensitz 8 die Einspritzöffnungen 10 gegen den Druckraum 4 verschlossen werden, während dann, wenn die Ventilnadel 5 vom Düsensitz 8 abgehoben hat, die Einspritzöffnungen 10 mit dem Druckraum 4 verbunden sind.
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Mit ihrem dem Düsensitz 8 abgewandten Ende ist die Düsennadel 5 in einer Hülse 12 geführt, wobei zwischen der Hülse 12 und einem Stützring 15, der sich an einem Absatz 16 der Düsennadel 5 abstützt, eine Schraubendruckfeder 14 unter Druckvorspannung angeordnet ist, durch deren Vorspannungen einerseits die Düsennadel 5 gegen den Düsensitz 8 gedrückt wird und andererseits die Hülse 12 gegen eine in der 1 nicht dargestellte Drosselplatte. Durch die Hülse 12, die Stirnseite der Düsennadel 5 und durch die nicht dargestellte Drosselplatte wird ein Steuerraum 13 begrenzt, in dem über ein in der Zeichnung ebenfalls nicht dargestelltes Steuerventil ein wechselnder Kraftstoffdruck einstellbar ist. Je nach Kraftstoffdruck im Steuerraum 13 ergibt sich eine hydraulische Kraft auf die dem Düsensitz 8 abgewandten Stirnseite der Düsenadel 5, mit der die Düsennadel 5 gegen den Düsensitz 8 gedrückt wird. Wird der Druck im Steuerraum 13 erniedrigt, so bewirkt der Kraftstoffdruck im Druckraum 4 auf die Düsennadel 5 eine vom Düsensitz 8 weggerichtete hydraulische Kraft, die die Düsennadel 5 in den Steuerraum 13 hineindrückt und die Einspritzöffnungen 10 freigibt, so dass Kraftstoff aus dem Druckraum 4 zu den Einspritzöffnungen 10 strömt und von dort ausgespritzt wird. Durch Erhöhung des Kraftstoffdrucks aus dem Steuerraum 13 wieder auf den Ausgangsdruck, der vor der Einspritzung dem Wert innerhalb des Druckraums 4 entspricht, wird die Düsennadel 5 erneut in Anlage an den Düsensitz 8 gedrückt und verschließt die Einspritzöffnungen 10.
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In der Düsennadel 5 sind mehrere schlitzförmige Ausnehmungen 20 vorgesehen, wie in der 2 nochmals vergrößert dargestellt, die die Düsennadel 5 ohne den zugehörigen Düsenkörper 5 zeigt. Im Bereich, der dem Düsensitz abgewandt ist und der in Einbauvorlage von der Feder 14 umgeben ist, sind zwei schlitzförmige Ausnehmungen 20 vorgesehen, die sich in der Längsachse 11 kreuzen, so dass im Querschnitt in der Düsennadel 5 eine kreuzförmige Ausnehmung 20 zu erkennen ist, wie in 2a dargestellt, wo ein Querschnitt durch die Düsennadel 5 entlang der Linie A-A gezeigt ist. Durch die Anordnung der beiden schlitzförmigen Ausnehmungen 20 wird das Material hauptsächlich im Inneren der Düsennadel 5 entfernt, also in dem Bereich, durch den die Längsachse 11 verläuft, so dass sich zwar eine große Gewichtseinsparung der Düsennadel 5 ergibt, jedoch die Biegesteifigkeit der Düsennadel 5 kaum beeinträchtigt wird, da die Biegesteifigkeit der Düsennadel 5 im Wesentlichen von den äußeren Strukturen der Düsennadel 5 bestimmt wird, die weitgehend intakt sind.
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Weiter sind im mittleren Abschnitt der Düsennadel 5, dem sogenannten Führungsabschnitt, mit dem die Düsennadel 5 innerhalb des Druckraums 4 geführt ist, drei schlitzförmige Ausnehmungen 20' vorgesehen, die sich in einem Winkel von 120° im Bereich der Längsachse 11 schneiden, so dass im Querschnitt ein Y-förmiger Hohlraum in der Düsennadel 5 gebildet wird, wie in 2b in einem Querschnitt der Düsennadel 5 entlang der Linie B-B gezeigt ist. Auch hier ist der Effekt, ebenso wie im oberen Bereich der Düsennadel 5, dass das Material hauptsächlich im Bereich der Längsachse 11 entfernt ist, während die äußeren Strukturen der Düsennadel 5 die Biegesteifigkeit auf nahezu dem selben Wert halten. Da der Führungsabschnitt der Düsennadel 5 größere Flächenelemente an der Außenseite benötigt, mit denen die Düsennadel 5 im Druckraum 4 geführt ist, ist die Anordnung von drei schlitzförmigen Ausnehmungen 20' vorteilhaft, die entsprechend große Flächen an der Düsennadel 5 belassen und zu einer sicheren Führung der Düsennadel 5 im Druckraum 4 beitragen.
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In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Düsennadel 5' dargestellt. In der Düsennadel 5' sind ebenfalls mehrere schlitzförmige Ausnehmungen 20 vorgesehen, die sich einerseits ebenfalls durchdringen, wie in 2a bereits dargestellt, jedoch sind sie auch in Längsrichtung der Düsennadel 5' gesehen versetzt angeordnet, so dass eine Gewichtseinsparung über die gesamte Länge der Düsennadel 5' möglich ist. Eine Düsennadel 5', wie in 3 gezeigt, wird beispielsweise bei Einspritzventilen verwendet, die eine sogenannte lange Nadel verwenden, also leckagefrei arbeiten. Die 4 zeigt einen Querschnitt durch die Düsennadel 5' der 3 entlang der Linie IV-IV.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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