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Die Erfindung betrifft eine Einspritzdüse, wie sie beispielsweise zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine Verwendung findet.
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Stand der Technik
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Bei den heutigen Common-Rail-Injektoren wird Kraftstoff aus einem Hochdruckspeicher (Rail) den Kraftstoffeinspritzventilen über eine Hochdruckleitung zugeführt, wobei das Öffnen und Schließen der Einspritzöffnungen des Injektors in der Regel über einen Aktor, beispielsweise einen Piezo-Aktor oder einen Magnetaktor, gesteuert wird.
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Common-Rail-Injektoren haben den Vorteil, dass das Einspritzverhalten sehr präzise über den Aktor gesteuert werden kann, sodass auch komplexe, für die Verbrennung besonders günstige Einspritzverläufe, wie beispielsweise Teileinspritzungen, insbesondere Vor- und Nacheinspritzungen, realisiert werden können. Somit kann der Einspritzvorgang optimiert werden, was wiederum zu einer Reduzierung von Schadstoffemissionen beiträgt.
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Zur Realisierung solcher Teileinspritzungen, insbesondere Vor- und Nacheinspritzungen mit sehr kleiner Kraftstoffmenge, wird jedoch ein schnelles Nadelschließverhalten vorausgesetzt. Zur Verminderung der Steuermenge werden Injektoren mit einem reduzierten Steuerraumdurchmesser und einem kleineren Düsensitzdurchmesser als konventionelle Common-Rail-Injektoren verwendet. Diese Injektoren weisen in der Drosselplatte eine Engstelle im Hochdruckpfad auf, die einen Druckabfall zur Düse erzeugt und damit das Nadelschließverhalten verbessert. Der Druckabfall an der Engstelle in der Drosselplatte muss bei Injektoren mit miniaturisierter Düse für die gleiche Wirkungsweise wie bei konventionellen Common-Rail-Injektoren größer sein, da die Wirkfläche, das heißt, die Fläche des Steuerraums, verkleinert wurde. Ein stärkerer Druckabfall würde jedoch die Strahlaufbereitung sowie den Mengendurchsatz im Injektor verschlechtern, weswegen der Druckabfall bei Injektoren mit miniaturisierter Düse auf dem gleichen Niveau wie bei konventionellen Common-Rail-Injektoren gehalten wird. Dies hat jedoch zur Folge, dass die Düsennadel langsamer schließt, wodurch sich prinzipiell die funktionale Robustheit und Lebensdauer des Injektors verringert. Um Funktionsnachteile zu vermeiden, muss in der Praxis eine teure Kompensation mittels Toleranzeinschränkung vorgenommen werden.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2014 209 961 A1 ist eine für einen Kraftstoffinjektor vorgeschlagene Düsenbaugruppe beschrieben, welche eine Düsennadel umfasst, die in einer Hochdruckbohrung eines Düsenkörpers zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung hubbeweglich aufgenommen und in Schließrichtung zumindest mittelbar von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist. Dabei ist die Düsennadel zur Ausbildung mindestens einer Schließdrossel bereichsweise von einem Drosselbohrungskörper umgeben. Dieser Drosselbohrungskörper ist mehrteilig ausgeführt und umfasst wenigstens zwei zumindest bereichsweise ineinander geführte Hülsen. Durch das Ineinanderführen der Hülsen wird der leckagebehaftete Führungsbereich radial nach innen verlagert, sodass bereits durch den verringerten Führungsdurchmesser die Leckage reduziert wird. Ein zwischen den Hülsen des Drosselbohrungskörpers und dem Düsenkörper verbleibender Ringspalt bewirkt, dass radial außen der Druck p
2 und radial innen der Druck p
1 anliegt. Da p
2 kleiner als p
1 ist, werden die Hülsen in radialer Richtung gegeneinander gedrückt, sodass die Leckage im Bereich der Führung weiter reduziert wird und der Wirkungsgrad der Schließdrossel erhöht wird. Dadurch wird das Schließverhalten der Düsennadel beschleunigt.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Einspritzdüse mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, eine einfache und kostengünstige Düsenbaugruppe herzustellen, welche das Schließverhalten der Düsennadel begünstigt, indem bei geringerem Druckabfall die Wirkfläche des Druckabfalls erhöht wird, um die Nadelschließkräfte auf die Düsennadel zu erhöhen. Dies trägt zur Effizienz und Reduzierung der Schadstoffemission des gesamten Kraftstoffeinspritzsystems bei. Dazu weist die Einspritzdüse einen Düsenkörper auf, in dem ein mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbarer Druckraum ausgebildet ist. In diesem Druckraum ist eine kolbenförmige Düsennadel hubbeweglich angeordnet, an deren einen Ende eine Dichtfläche ausgebildet ist. Diese Dichtfläche wirkt mit einem Düsensitz zum Öffnen und Schließen wenigstens einer Einspritzöffnung zusammen. An dem anderen Ende der Düsennadel ist eine Stirnfläche ausgebildet, mit welcher die Düsennadel in einer Hülse aufgenommen ist und einen mit Kraftstoff unter wechselndem Druck befüllbaren Steuerraum begrenzt, sodass durch den hydraulischen Druck auf die Stirnfläche eine Kraft in Richtung des Düsensitzes ausgeübt werden kann. Des Weiteren sind im Druckraum eine Schließfeder und ein Drosselungselement angeordnet, wobei das Drosselungselement die Düsennadel umgibt und sich an einem an der Düsennadel ausgebildeten Absatz abstützt. Darüber hinaus stützt sich die Schließfeder mit ihrem einen Ende an der Hülse und mit ihrem anderen Ende an dem Drosselungselement ab, wobei das Drosselungselement Kraftstoff aus einem in den Druckraum fließenden Zulaufkanal drosselt. Anders ausgedrückt, bewirkt das Drosselungselement die Drosselung von Kraftstoff am düsensitzabgewandten Endbereich der Düsennadel und erzeugt damit eine hydraulische Engstelle, sodass in diesem düsensitzabgewandten Endbereich der Düsennadel ein größerer Druck auf die Düsennadel ausgeübt wird als an dem düsensitzzugewandten Endbereich der Düsennadel. Dadurch wird eine Kraft in Richtung des Düsensitzes auf die Düsennadel erzeugt und beschleunigt so das Schließverhalten der Düsennadel.
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist zwischen der Innenwand des Düsenkörpers und dem Drosselungselement ein Spalt ausgebildet, durch den Kraftstoff in Richtung der wenigstens einen Einspritzöffnung gedrosselt fließen kann. Vorteilhafterweise ist das Drosselungselement als Scheibe ausgebildet. Dabei ist diese an ihrer Innenseite radial auf der Düsennadel geführt, um eine optimale radiale Positionierung des als Scheibe ausgebildeten Drosselungselements zu ermöglichen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der der Schließfeder zugewandte Endbereich des Drosselungselements als Hohlzylinder ausgebildet. Vorteilhafter Weise umgibt der Hohlzylinder den düsensitzzugewandten Endbereich der Schließfeder. Aufgrund der Form und im Vergleich zu dem als Scheibe ausgebildeten Drosselungselements werden zusätzliche Schließkräfte an der Düsennadel erzeugt, da an dem düsensitzzugewandten Endbereich des Drosselungselements die kinetische Energie der Kraftstoffströmung in Druckenergie umgewandelt wird und dieser zusätzlich auf die Düsennadel einwirkt. Zudem wird die Schließfeder durch den als Hohlzylinder ausgebildeten Endbereich des Drosselungselements von dem Kraftstoffstrom abgeschirmt, sodass in diesem Bereich der Strömungswiderstand und die Strömungsverluste verringert werden. Außerdem wird dadurch verhindert, dass die Schließfeder in ihrer Funktionsweise beeinträchtigt wird.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung weist das Drosselungselement wenigstens eine Ausnehmung auf, wodurch Kraftstoff in Richtung der wenigstens einen Einspritzöffnung gedrosselt fließen kann. Dies ermöglicht nun zusätzlich zu dem Spalt zwischen dem Düsenkörper und dem Drosselungselement einen gedrosselten Kraftstofffluss in Richtung der wenigstens einen Einspritzöffnung, sodass je nach Anzahl und Tiefe der Anschliffe der Druck auf den düsensitzabgewandten Endbereich der Düsennadel variiert werden und somit die Schließgeschwindigkeit der Düsennadel gesteuert werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens mündet eine Zulaufdrossel und eine Ablaufdrossel in den Steuerraum. Dadurch ist der Steuerraum über die Zulaufdrossel mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff befüllbar. Vorteilhafterweise ist der Steuerraum über die Ablaufdrossel auch mit einem Niederdruckbereich verbindbar, sodass der Druck im Steuerraum zum Öffnen und Schließen der Düsennadel gesteuert werden kann. Dabei sind die Zulaufdrossel und die Ablaufdrossel aufeinander abgestimmt, sodass bei einem Öffnungsvorgang der Düsennadel mehr Kraftstoff über die Ablaufdrossel in den Niederdruckbereich abfließt als Kraftstoff über die Zulaufdrossel in den Steuerraum zufließt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Düsennadel mindestens einen Führungsabschnitt auf, an dem die Düsennadel in dem Düsenkörper geführt ist. Dabei weist der Führungsabschnitt mindestens einen Anschliff auf, der einen drosselfreien Kraftstofffluss zu den Einspritzöffnungen innerhalb des Druckraums sicherstellt.
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In vorteilhafter Weise ist ein Kraftstoffinjektor zur Einspritzung von Kraftstoff in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einer Einspritzdüse nach einem der Ansprüche ausgestattet.
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Zeichnungen
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In der Zeichnung ist eine erfindungsgemäße Einspritzdüse dargestellt. Es zeigt in
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Einspritzdüse mit einem als Scheibe ausgebildeten Drosselungselement im Längsschnitt,
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2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Einspritzdüse mit einem Drosselungselement, das an dem düsensitzabgewandten Endbereich als Hohlzylinder ausgebildet ist, im Längsschnitt,
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3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Einspritzdüse mit einem Drosselungselement, das an dem düsensitzabgewandten Endbereich als Hohlzylinder ausgebildet ist und mindestens einen Anschliff aufweist, im Längsschnitt,
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4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Einspritzdüse mit einem Drosselungselement, das an dem düsensitzabgewandten Endbereich als Hohlzylinder ausgebildet ist und mindestens einen Anschliff aufweist, im Längsschnitt.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In der 1 ist eine erfindungsgemäße Einspritzdüse 1 für Kraftstoffe dargestellt. Diese umfasst einen Düsenkörper 2, in dem ein Druckraum 4 angeordnet ist, welcher über einen in einer Drosselscheibe 21 ausgebildeten Zulaufkanal 9 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt werden kann. In dem Druckraum 4 ist eine kolbenförmige Düsennadel 3 hubbeweglich angeordnet. Diese weist einen ersten Führungsabschnitt 17 und einen zweiten Führungsabschnitt 18 auf, mit denen die Düsennadel 3 in radialer Richtung innerhalb des Druckraums 4 geführt ist. Die Düsennadel 3 weist eine Dichtfläche 6 auf, mit der die Düsennadel 3 mit einem Düsensitz 5, der an dem der Drosselscheibe 21 abgewandten Endbereich des Düsenkörpers 2 ausgebildet ist, zusammenwirkt, sodass bei Anlage der Dichtfläche 6 auf dem Düsensitz 5 wenigstens eine Einspritzöffnung 7, die im Düsenkörper 2 ausgebildet ist, gegen den Druckraum 4 abgedichtet wird. Hebt die Düsennadel 3 in Längsrichtung vom Düsensitz 5 ab, so tritt Kraftstoff aus dem Druckraum 4 über die wenigstens eine Einspritzöffnung 7 in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine aus. Um einen Kraftstofffluss innerhalb des Druckraums 4 in Richtung der wenigstens einen Einspritzöffnung 7 zu gewährleisten, ist am ersten Führungsabschnitt 17 und am zweiten Führungsabschnitt 18 jeweils mindestens ein Anschliff 19 bzw. 20 an der Außenseite der Führungsabschnitte 17, 18 angebracht. Der Dichtfläche 6 abgewandt ist die Düsennadel 3 mit einem zylindrischen Abschnitt in einer Hülse 15 aufgenommen. Die Hülse 15 wird dabei durch die Kraft einer Schließfeder 22 gegen die Drosselscheibe 21 gedrückt, wobei die Schließfeder 22 unter Druckvorspannung zwischen der Hülse 15 und einer Stirnfläche 29 eines Drosselungselements 100 angeordnet ist und dabei die Düsennadel 3 umgibt. Das Drosselungselement 100 stützt sich an einem Absatz 16 der Düsennadel 3 ab.
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Das der Dichtfläche 6 abgewandte Ende der Düsennadel 3 weist eine Stirnfläche 23 auf, die einen Steuerraum 8 begrenzt. Dieser wird in radialer Richtung von der Hülse 15 begrenzt. Außerdem ist der Steuerraum 8 über eine Zulaufdrossel 10, die in der Drosselscheibe 21 von einem Zulaufkanal 9 abzweigt, mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff befüllbar. Weiterhin ist der Steuerraum 8 mit einer in der Drosselscheibe 21 ausgebildeten Ablaufdrossel 11 verbunden, die über ein Steuerventil 12 mit einer Niederdruckleitung 13 verbindbar ist, wobei die Niederdruckleitung 13 in einen Niederdruckbereich 27 mündet. Befindet sich das Steuerventil 12 in seiner Öffnungsstellung, wie in 1 dargestellt, so fließt Kraftstoff aus dem Steuerraum 8 über die Niederdruckleitung 13 in den Niederdruckbereich 27, wodurch es zu einem Druckabfall im Steuerraum 8 kommt, was zu einer Verminderung der hydraulischen Kraft auf die Stirnfläche 23 führt. Dadurch wird wiederum die Kraft, mit der die Düsennadel 3 am Düsensitz 5 die Dichtfläche 6 abdichtet, reduziert. Bei Erreichen des Öffnungsdrucks im Steuerraum 8 ist die Dichtkraft zwischen dem Düsensitz 5 und der Dichtfläche 6 null. Dies führt zu einer Nadelöffnung, wobei sich die Öffnungsgeschwindigkeit aus der Volumenstrombilanz aus der Ablaufdrossel 11 und der Zulaufdrossel 10 ergibt. Das heißt, die Düsennadel 3 gleicht den in der Bilanz dem Steuerraum 8 entnommenen Volumenstrom über die Nadelbewegung aus. Dadurch wird die Düsennadel 3 vom Düsensitz 5 wegbewegt und die wenigstens eine Einspritzöffnung 7 freigegeben. Soll der Einspritzvorgang beendet werden, so wird das Steuerventil 12 wieder geschlossen, wodurch dem Steuerraum 8 nun in der Bilanz ein Volumenstrom zugeführt wird, was die Düsennadel 3 zurück in ihre Schließstellung in Anlage an den Düsensitz 5 drückt. Dadurch wird die wenigstens eine Einspritzöffnung 7 wieder geschlossen.
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Das Drosselungselement 100 unterteilt den Druckraum 4 in einen weiteren Teilraum 28, in welchem die Hülse 15 und die Schließfeder 22 angeordnet sind, denn zwischen dem Düsenkörper 2 und dem Drosselungselement 100 ist lediglich ein Spalt 25 ausgebildet, welcher einen gedrosselten Kraftstofffluss in Richtung der wenigstens einen Einspritzöffnung 7 ermöglicht. Dabei wird im Teilraum 28 ein größerer Kraftstoffdruck auf die Düsennadel 3 ausgeübt als im restlichen Teil des Druckraums 4, sodass dadurch zusätzliche Schließkräfte auf die Düsennadel 3 in Richtung der wenigstens einen Einspritzöffnung 7 einwirken. Darüber hinaus ist das Drosselungselement 100 als Scheibe ausgebildet. Dabei wird die Scheibe an ihrer Innenseite radial auf der Düsennadel 3 geführt, um eine optimale Positionierung der Scheibe zu gewährleisten.
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In den 2 bis 4 sind schematisch Ausführungsbeispiele des Drosselungselements 100, 101, 102, 103 der erfindungsgemäßen Einspritzdüse 1 dargestellt, wobei identische Bauteile die gleichen Bezugsziffern tragen wie in 1.
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Dabei zeigt die 2 das Drosselungselement 101 mit einem der Drosselscheibe 21 zugewandten und als Hohlzylinder 26 ausgebildeten Endbereich. In dem Hohlzylinder 26 ist der düsensitzzugewandte Endbereich der Schließfeder 22 aufgenommen. Das Drosselungselement 101 bildet, wie auch in 1, zusammen mit dem Düsenkörper 2 einen Spalt 25, wodurch Kraftstoff aus dem Teilraum 28 des Druckraums 4 in Richtung der wenigstens einen Einspritzöffnung 7 gedrosselt fließen kann. Die kinetische Energie des Kraftstoffflusses wird bei dieser Ausbildung des Drosselungselements 101 an der Stirnfläche 29 des Drosselungselements 101 in Druckenergie umgewandelt, sodass an der Stirnfläche 29 ein größerer Druck entsteht als an einer gegenüberliegenden Stirnfläche 30. Es entstehen zusätzliche Schließkräfte in Richtung der wenigstens einen Einspritzöffnung 7 auf die Düsennadel 3. Außerdem wird ein Teil der Schließfeder 22 durch den Hohlzylinder 26 abgeschirmt, was den Strömungswiderstand und die Strömungsverluste des Kraftstoffs in diesem Bereich verringert. Diese Abschirmung verhindert auch eine mögliche Beeinträchtigung der Funktionsweise der Schließfeder 22 aufgrund des Kraftstoffflusses.
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In der 3 ist eine modifizierte Ausgestaltung des Drosselungselements 101 aus der 2 dargestellt. Das Drosselungselement 102 weist mindestens eine Ausnehmung 200 auf, welche beispielsweise durch Bohrungen in das Drosselungselement 102 hergestellt werden können. Die Oberfläche dieser Ausnehmungen 100 werden nur minimal vom Kraftstoff benetzt, wodurch diese weniger empfindlich auf Viskositätsänderungen des Kraftstoffs reagieren und damit die Drosselwirkung weniger temperaturabhängig ist.
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4 zeigt eine modifizierte Ausgestaltung des Drosselungselements 102 aus der 3. Dabei weist das Drosselungselement 103 mindestens eine Ausnehmung 201 auf, welche direkt an der Innenwand des Düsenkörpers 2 ausgebildet ist. Diese Ausnehmung 201 kann beispielsweise auch durch Bohrungen realisiert werden und besitzt dieselben Eigenschaften wie die Ausnehmung 200 des Drosselungselements 102 aus der 3.
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Das in den 1 bis 4 gezeigte Drosselungselement 100, 101, 102, 103 führt zudem mit seinem Innendurchmesser die Düsennadel 3 und dient somit als zusätzlicher Führungsabschnitt für die Düsennadel 3.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014209961 A1 [0005]
