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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor für Brennkraftmaschinen, wie er vorzugsweise zum Kraftstoff-Einspritzen in einen Brennraum von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen verwendet wird.
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Die Erfindung geht von einem Kraftstoffinjektor für Brennkraftmaschinen aus, wie er beispielsweise aus der Schrift
DE 196 42 513 A1 bekannt ist. Bei einem solchen Kraftstoffinjektor ist in einem Ventilkörper eine Bohrung ausgebildet, in der eine Düsennadel hubbeweglich angeordnet ist. Die Düsennadel wirkt mit einem Ventilsitz zusammen und steuert dadurch den Kraftstofffluss aus einem die Düsennadel umgebenden Druckraum zu wenigstens einer Einspritzöffnung. Der Ventilsitz ist konisch ausgebildet, und es ist in diesem Bereich des Kraftstoffinjektors wenigstens eine Einspritzöffnung ausgebildet, die den Ventilsitz mit dem Brennraum verbindet. An den konischen Ventilsitz schließt sich wiederum ein Sackloch an, von dem wenigstens eine weitere Einspritzöffnung ausgeht.
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Durch die in der
DE 196 42 513 A1 beschriebenen Einspritzöffnungen, welche auf wenigstens zwei in Achsrichtung zum Ventilkörper übereinander angeordnete Spritzlochreihen aufgeteilt sind, ist eine bessere Anpassung der Strahlausbildung an die jeweiligen Erfordernisse der Brennkraftmaschine möglich. So kann beispielsweise die Gemischaufbereitung des Kraftstoff-Luftgemischs und die Verbrennung im Brennraum der Brennkraftmaschine begünstigt werden, wodurch eine Optimierung der Emissionswerte erzielt wird.
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Die Schriften
US 2005/0224605 A1 ,
DE 199 25 380 A1 und
DE 102 07 189 A1 beschreiben ebenfalls Kraftstoffinjektoren mit einer hubbeweglichen Düsennadel, welche Einspritzöffnungen in dem Injektorgehäuse öffnen oder schließen kann. Darüber hinaus ist in der Ausgabe des
Technik-Report, Bd. 2, 1999, No. 2, S. 73-74, „Konische Einspritzlöcher eines Kraftstoffeinspritzventils für Brennkraftmaschinen" von Yalcin, Kull und Frank das Einspritzverhalten von Kraftstoffeinspritzventilen durch konische Einspritzöffnungen beschrieben.
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Vorteile der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die Geometrie der Einspritzöffnungen entsprechend ihrer Lage im Kraftstoffinjektor zueinander angepasst wird, so dass eine vorteilhafte Durchströmung und damit eine die Verbrennung optimierende Strahlbildung erzielt wird.
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Dazu weist der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor, insbesondere Common-Rail-Injektor, für Brennkraftmaschinen einen Ventilkörper auf, in dem eine Bohrung mit einer Längsachse ausgebildet ist, die an einem Ende von einem konischen Ventilsitz begrenzt wird. Außerdem weist der Kraftstoffinjektor eine hubbewegliche Düsennadel auf, die mit dem konischen Ventilsitz so zusammenwirkt, dass durch die Hubbewegung der Düsennadel ein Durchflussquerschnitt aus einem Druckraum auf- und zugesteuert werden kann. Weiterhin weist der Kraftstoffinjektor ein Sackloch auf, das sich der Düsennadel abgewandt an den konischen Ventilsitz anschließt. In dem Ventilkörper sind von dem konischen Ventilsitz ausgehend mehrere erste Einspritzöffnungen ausgebildet und von dem Sackloch ausgehend mehrere zweite Einspritzöffnungen ausgebildet. Dabei weisen die ersten Einspritzöffnungen jeweils dieselbe Geometrie auf und die zweiten Einspritzöffnungen jeweils dieselbe Geometrie auf. Außerdem weisen die Einspritzöffnungen jeweils eine kreisförmige Eintrittsöffnung und eine kreisförmige Austrittsöffnung auf. Erfindungsgemäß ist der Durchmesser der Eintrittsöffnung der ersten Einspritzöffnungen kleiner als der Durchmesser der Eintrittsöffnung der zweiten Einspritzöffnungen und die Öffnungskonizität der ersten Einspritzöffnungen kleiner als die Öffnungskonizität der zweiten Einspritzöffnungen, wobei die Öffnungskonizität als die Differenz zwischen dem Durchmesser der Eintrittsöffnung und dem Durchmesser der Austrittsöffnung definiert ist. Darüber hinaus ist die Anzahl der ersten Einspritzöffnungen größer als die Anzahl der zweiten Einspritzöffnungen.
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Dadurch kann eine optimale Ausbildung des Kraftstoffstrahls in Abhängigkeit der verschiedenen Anordnungen im Brennraum der Brennkraftmaschine erfolgen. In der frühen Phase des Einspritzvorgangs ist ein kurzer breiter Einspritzstrahl basierend auf geringer Einspritzrate erwünscht, so dass die eingebrachte Einspritzmenge düsennah intensiv mit der Luft im Brennraum aufbereitet wird und daher schadstoffärmer verbrennt. Außerdem wird dadurch zusätzlich ein geringer Wandwärmeverlust erzielt, was zu geringerem Verbrauch führt. In der späten Phase des Einspritzvorgangs ist ein langer Einspritzstrahl mit hohem Impuls vorteilhaft, um die Luft im Brennraum möglichst vollständig zu erfassen. Durch den hohen Strahlimpuls wird eine optimale Erfassung des gesamten Brennraums erzielt und damit eine hohe spezifische Leistung.
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In erster vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Eintrittsöffnungen der ersten Einspritzöffnungen einen Durchmesser kleiner als 140 µm, vorzugsweise kleiner als 120 µm, und die Einspritzöffnungen eine Öffnungskonizität kleiner als 10 µm aufweist. Dies führt aufgrund des geringen Durchmessers zu einem geringen Strahlimpuls des Einspritzstrahls. Durch die geringe Öffnungskonizität werden erhöhte Querströmungen in der Einspritzöffnung erzielt, wodurch ein verstärkter Einspritzstrahlaufbruch herbeigeführt wird, sodass ein breiter Einspritzstrahl erzeugt wird. Die ersten Einspritzöffnungen weisen somit breite Einspritzstrahlen mit geringem Impuls auf, welche düsennah mit der Luft im Brennraum aufbereitet werden.
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In vorteilhaften Weiterbildungen weisen die Eintrittsöffnungen der zweiten Einspritzöffnungen einen Durchmesser, welcher dem bis zu 1,5-fachen Durchmesser der Eintrittsöffnung der ersten Einspritzöffnungen entspricht, und die Einspritzöffnungen eine Öffnungskonizität größer als 20 µm auf. Aufgrund des großen Durchmessers werden hohe Massenraten mit entsprechend hohem Impuls erzeugt, wobei die große Öffnungskonizität zu einer Beschleunigung des austretenden Einspritzstrahls führt und so den Impuls des Einspritzstrahls maximiert. Die Einspritzstrahlen der zweiten Einspritzöffnungen treten somit mit hohem Impuls in den Brennraum der Brennkraftmaschine und führen durch ihre höhere Eindringtiefe zu einem optimalen Kraftstoff-Luft-Gemisch im gesamten Brennraum.
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In vorteilhafter Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist es vorgesehen, dass die ersten Einspritzöffnungen und die zweiten Einspritzöffnungen kreiskegelstumpfförmig ausgebildet sind. Dadurch wird eine optimale Einspritzstrahlaufbereitung in den Brennraum erzielt.
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In vorteilhaften Ausführungen sind die ersten Einspritzöffnungen über den Umfang des Ventilkörpers verteilt angeordnet sind, wobei die Eintrittsöffnungen der ersten Einspritzöffnungen in einer gemeinsamen Radialebene des Ventilkörpers liegen. Vorteilhafterweise sind die zweiten Einspritzöffnungen über den Umfang des Ventilkörpers verteilt angeordnet, wobei die Eintrittsöffnungen der zweiten Einspritzöffnungen in einer gemeinsamen Radialebene des Ventilkörpers liegen. In vorteilhafter Weise weisen die ersten Einspritzöffnungen bezüglich der Längsachse der Bohrung unterschiedliche Neigungen auf. Weiterhin weisen die zweiten Einspritzöffnungen bezüglich der Längsachse der Bohrung vorteilhafterweise unterschiedliche Neigungen auf. So kann der Kraftstoffinjektor optimal an die Einbaubedingungen in die Brennkraftmaschinen angepasst werden.
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Vorteilhafterweise weisen die übereinanderliegenden ersten Einspritzöffnungen und zweiten Einspritzöffnungen den gleichen Einspritzwinkel auf. Dadurch wird eine Einspritzstrahlaufbereitung erzeugt, was zu einem optimalen Kraftstoff-Luft-Gemisch führt, wodurch eine schadstoffarme Verbrennung erzielt wird.
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In vorteilhaften Weiterbildungen weisen die übereinanderliegenden ersten Einspritzöffnungen und zweiten Einspritzöffnungen unterschiedliche Einspritzwinkel auf und sind in Einspritzrichtung aufeinander zulaufend ausgerichtet, so dass sich deren Einspritzstrahlen innerhalb des Brennraums kreuzen. Dadurch bildet sich in einem gewissen Abstand der Düse ein gemeinsamer Strahlkegel aus, welcher zusätzlich zu einer optimalen Vermischung des Kraftstoffs mit der Luft im Brennraum führt.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass an der Düsennadel eine Dichtfläche ausgebildet ist, mit der die Düsennadel in ihrer Schließstellung auf dem konischen Ventilsitz aufliegt, wobei der Eintrittsbereich der ersten Einspritzöffnungen in dem Auflagebereich der Düsennadel liegt und von dieser abgedeckt werden. Die Düsennadel sperrt somit in Schließstellung die ersten Einspritzöffnungen durch direktes Aufliegen an den Einspritzöffnungen.
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Vorteilhafterweise ist der Druckraum zwischen der Düsennadel und der Wandung der Bohrung ausgebildet, so dass durch den Druckraum Kraftstoff in Richtung des Ventilsitzes fließen kann. Der Kraftstoff tritt bei Öffnung der Düsennadel über die Einspritzöffnungen in den Brennraum der Brennkraftmaschine ein.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
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Diese zeigen in:
- 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor,
- 2 schematisch einen vergrößert dargestellten Ausschnitt der 1 im Bereich des Ventilsitzes.
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Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor im Längsschnitt, wobei nur die wesentlichen Teile gezeigt sind. Der Kraftstoffinjektor weist einen Ventilkörper 1 auf, in dem eine Bohrung 3 ausgebildet ist, die eine Längsachse 10 aufweist und die an ihrem brennraumseitigen Ende von einem konischen Ventilsitz 11 begrenzt wird. In der Bohrung 3 ist eine kolbenförmige Düsennadel 5 hubbeweglich angeordnet, die mit einem Führungsabschnitt 17 in einem ventilsitzabgewandten Bereich der Bohrung 3 dichtend geführt ist. Die Düsennadel 5 verjüngt sich ausgehend vom Führungsabschnitt 17 dem konischen Ventilsitz 11 zu unter Bildung einer Druckschulter 15 und geht an ihrem ventilsitzseitigen Ende in eine Ventildichtfläche 7 über, mit der die Düsennadel 5 mit dem konischen Ventilsitz 11 zusammenwirkt. Zwischen der Düsennadel 5 und der Wand der Bohrung 3 ist ein Druckraum 19 ausgebildet, der auf Höhe der Druckschulter 15 radial erweitert ist. In die radiale Erweiterung des Druckraums 19 mündet ein im Ventilkörper 1 verlaufender Zulaufkanal 21, über den der Druckraum 19 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt werden kann. An den Ventilsitz 11 schließt sich ein Sackloch 9 an, in das die Düsennadel 5 bei Anlage am konischen Ventilsitz 11 hineinragt. Vom konischen Ventilsitz 11 gehen erste Einspritzöffnungen 13 und vom Sackloch 9 zweite Einspritzöffnungen 23 ab, die sämtlich in Einbaulage des Kraftstoffinjektors in den Brennraum der Brennkraftmaschine münden.
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Funktionsweise des Kraftstoffinjektors
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Die Düsennadel 5 wird an ihrem ventilsitzabgewandten Ende von einer Schließkraft beaufschlagt, die beispielsweise durch ein Federelement erzeugt wird und die die Düsennadel 5 gegen den konischen Ventilsitz 11 drückt. Der Schließkraft entgegengerichtet ist die hydraulische Kraft auf die Druckschulter 15, die durch den hohen Kraftstoffdruck im Druckraum 19 erzeugt wird. Übersteigt die hydraulische Kraft auf die Düsennadel 5 die Schließkraft, so hebt die Düsennadel 5 vom konischen Ventilsitz 11 ab, so dass ein Durchflussquerschnitt aufgesteuert wird und Kraftstoff aus dem Druckraum 19 zwischen der Ventildichtfläche 7 und dem konischen Ventilsitz 11 hindurch zu den ersten Einspritzöffnungen 13 und den zweiten Einspritzöffnungen 23 fließt. Der Kraftstoff tritt durch die ersten Einspritzöffnungen 13 aus und fließt zusätzlich in das Sackloch 9, von wo der Kraftstoff über die zweiten Einspritzöffnungen 23 ausgespritzt wird. Der Einspritzvorgang wird beendet, indem entweder die Schließkraft erhöht oder die hydraulische Kraft auf die Druckschulter 15 erniedrigt wird. Die Düsennadel 5 gleitet dann zurück in Anlage an den konischen Ventilsitz 11 und unterbricht den Kraftstoffstrom zu den Einspritzöffnungen 13, 23.
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In 2 ist ein vergrößerter Ausschnitt der 1 im Bereich des konischen Ventilsitzes 11 dargestellt. Die Düsennadel 5 sitzt in Schließstellung an ihrer Ventildichtfläche 7 an dem konischen Ventilsitz 11 auf, so dass aufgrund der hohen Flächenpressung im Bereich der Ventildichtfläche 7 der Druckraum 19 auch bei hohem Druck dichtend verschlossen wird. Die Eintrittsöffnungen 20 der ersten Einspritzöffnungen 13 werden dabei in Schließstellung komplett von der Düsennadel 5 abgedeckt.
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Die ersten Einspritzöffnungen 13 und die zweiten Einspritzöffnungen 23 weisen jeweils eine kreisförmige Eintrittsöffnung 20 und eine kreisförmige Austrittsöffnung 24 auf, wobei die ersten Einspritzöffnungen 13 und die zweiten Einspritzöffnungen 23 eine konische Form aufweisen, beispielsweise die eines geraden Kreiskegelstumpfes. Die ersten Einspritzöffnungen 13 sind über den Umfang des Ventilkörpers 1 verteilt angeordnet, wobei die Eintrittsöffnungen 20 der ersten Einspritzöffnungen 13 in einer gemeinsamen Radialebene des Ventilkörpers 1 liegen und dieselbe Geometrie aufweisen. Parallel zu der Radialebene der ersten Einspritzöffnungen 13 liegen die zweiten Einspritzöffnungen 23 in einer weiteren gemeinsamen Radialebene und weisen untereinander ebenfalls dieselbe Geometrie auf. Dabei sind die ersten Einspritzöffnungen 13 und die zweiten Einspritzöffnungen 23 paarweise übereinander angeordnet. Diese können vorzugsweise den gleichen Einspritzwinkel aufweisen oder unterschiedliche Einspritzwinkel, so dass die Einspritzstrahlen der übereinander angeordneten Einspritzöffnungen 13, 23 in Einspritzrichtung aufeinander zulaufen und sich innerhalb des Brennraums kreuzen. Die einzelnen Einspritzstrahlen werden so zu einem Strahl vereinigt und bilden einen gemeinsamen Strahlkegel aus, welcher aufgrund der höheren Energie eine größere Eindringtiefe aufweist.
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Vorzugsweise ist die Anzahl der ersten Einspritzöffnungen 13 größer als die Anzahl der zweiten Einspritzöffnungen 23. Dabei können die Einspritzöffnungen 13, 23 bezüglich der Längsachse 10 der Bohrung 3 je nach Einbaubedingungen des Kraftstoffinjektors in den Brennraum der Brennkraftmaschine unterschiedliche Neigungen aufweisen.
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Die Eintrittsöffnungen 20 der ersten Einspritzöffnungen 13 weisen einen geringen Durchmesser von kleiner als 140 µm auf, vorzugsweise kleiner als 120 µm und eine geringe Differenz zwischen dem Durchmesser der Eintrittsöffnung 20 und dem Durchmesser der Austrittsöffnung 24, das heißt eine geringe Öffnungskonizität, kleiner als 20 µm, vorzugsweise kleiner als 10 µm.
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Die Eintrittsöffnungen 20 der zweiten Einspritzöffnungen 23 weisen einen großen Durchmesser auf, welcher vorzugsweise dem bis zu 1,5-fachen Durchmesser der ersten Einspritzöffnungen 13 entspricht. Die Öffnungskonizität der zweiten Einspritzöffnungen 23 ist größer als 10 µm, vorzugsweise größer als 20 µm.
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Für einen optimalen Einspritzvorgang des Kraftstoffinjektors sind die Durchmesser so gewählt, dass der Durchmesser der Eintrittsöffnung 20 der ersten Einspritzöffnungen 13 kleiner ist als der Durchmesser der Eintrittsöffnung 20 der zweiten Einspritzöffnungen 23. Dasselbe gilt für die Öffnungskonizitäten der Einspritzöffnungen 13, 23.
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Zu Beginn des Einspritzvorgangs werden die ersten Einspritzöffnungen 13 im Bereich des Ventilsitzes 11 von der Düsennadel 5 als erste freigegeben. Der Kraftstoff tritt so als erstes über die ersten Einspritzöffnungen 13 in den Brennraum der Brennkraftmaschine. Durch die zuvor beschriebene Geometrie der Einspritzöffnungen bezüglich Durchmesser und Öffnungskonizität wird der Kraftstoff düsennah in kurzen breiten Einspritzstrahlen mit der Luft im Brennraum aufbereitet. Fließt der Kraftstoff bei weiterer Öffnung der Düsennadel 5 in das Sackloch 9, so tritt auch Kraftstoff über die von dem Sackloch 9 ausgehenden zweiten Einspritzöffnungen 23 in den Brennraum. Aufgrund der Geometrie der zweiten Einspritzöffnungen 23 bezüglich Durchmesser und Öffnungskonizität tritt der Kraftstoff in langen und fokussierten Einspritzstrahlen mit hohem Impuls in den Brennraum der Brennkraftmaschine, so dass diese Einspritzstrahlen eine hohe Eindringtiefe aufweisen und die Aufbereitung mit der Luft im gesamten Brennraum erfolgt. Der Strahlaufbruch erfolgt somit später im Vergleich zum Strahlaufbruch der ersten Einspritzöffnungen 13.
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Durch die Lage und Geometrie der Einspritzöffnungen 13, 23 können die Einspritzstrahlen der jeweiligen Phase des Einspritzvorgangs und somit an die Erfordernisse der jeweiligen Brennkraftmaschine angepasst werden, sodass eine optimale Verbrennung erzielt wird.
