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Stand der
Technik
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Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung,
mit einem Gehäuse
mit einem Ventilsitz, mit mindestens einer Kraftstoff-Auslassöffnung,
welche stromabwärts
vom Ventilsitz angeordnet ist, mit mindestens einem Ventilelement,
welches mit dem gehäuseseitigen
Ventilsitz zusammenarbeitet und einen Wandabschnitt aufweist, welcher
der Kraftstoff-Auslassöffnung gegenüberliegt
(Sitzlochdüse).
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Eine derartige Kraftstoff-Einspritzvorrichtung ist
aus der
DE 199 42 370 bekannt.
Die dort gezeigte Einspritzdüse
umfasst im Bereich eines Düsennadelsitzes
ein Spritzloch. Derartige Einspritzdüsen werden als "Sitzlochdüsen" bezeichnet. Der
Vorteil von Sitzlochdüsen
liegt darin, dass das Totvolumen zwischen dem Ventilsitz und der
Kraftstoff-Auslassöffnung vergleichsweise
klein ist, was zur Ausbildung eines steilen Druckgradienten beiträgt. Zum
Einsatz kommt die bekannte Kraftstoff-Einspritzvorrichtung bei Brennkraftmaschinen
mit Kraftstoff-Direkteinspritzung. Die bekannte Einspritzvorrichtung
weist im Bereich des Spritzloches einen sich konisch erweiternden
Strömungsraum
auf.
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Die vorliegende Erfindung hat die
Aufgabe, eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass die Brennkraftmaschine,
bei welcher die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung zum Einsatz kommt,
ein noch besseres Emissions- und Verbrauchsverhalten aufweist.
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Diese Aufgabe wird bei einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der der Kraftstoff-Auslassöffnung gegenüberliegende
Wandabschnitt des Ventilelements wenigstens in etwa parallel zur
Wand des Gehäuses
im Bereich der Kraftstoff-Auslassöffnung ist.
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Vorteile der
Erfindung
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Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass das Emissions-
und Verbrauchsverhalten der Brennkraftmaschine wesentlich von der
optimalen Ausbildung des Einspritzstrahls, welcher aus der Kraftstoff-Auslassöffnung austritt,
abhängt.
Bei der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
kann der Kraftstoffstrahl, welcher aus der Kraftstoff-Auslassöffnung austritt,
sehr genau modelliert werden, und seine Ausbildung hängt nicht
oder zumindest nicht wesentlich vom Hub des Ventilelements ab. Somit
können sehr
definierte Einspritzverhältnisse
im Brennraum einer Brennkraftmaschine, in welcher die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
zum Einsatz kommt, geschaffen werden, wodurch wiederum der Kraftstoffverbrauch
der Brennkraftmaschine gesenkt und das Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine
verbessert werden kann.
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Grundlage hierfür ist die Tatsache, dass bei der
erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
der Strömungsraum
im Bereich der Kraftstoff-Auslassöffnung einen in etwa rechteckigen Querschnitt
aufweist. Bei öffnendem
Ventilelement, wenn dieses also von seinem Ventilsitz abhebt, wird hierdurch
erreicht, dass die Drosselung über
den Umfang der Kraftstoff-Auslassöffnung im Wesentlichen konstant
ist. Die Druckverteilung innerhalb des Kraftstoffstrahls kann auf
diese Weise wenigstens in etwa symmetrisch gestaltet werden, was
eine definierte Einbringung des Kraftstoffs in den Brennraum einer
Brennkraftmaschine erleichtert.
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Darüber hinaus wird durch die erfindungsgemäße Maßnahme das
Tot- oder Schadvolumen, welches zwischen Ventilelement und Gehäuse der
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung stromabwärts vom Ventilsitz vorhanden
ist, reduziert. Dies führt
zu einer nochmaligen Verbesserung des Druckverlaufs zu Beginn und
am Ende einer Einspritzung, also bei öffnendem beziehungsweise schließendem Ventilelement.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind in Unteransprüchen
angegeben.
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In einer ersten Weiterbildung wird
vorgeschlagen, dass der Abstand zwischen dem Wandabschnitt des Ventilelements
und der Wand des Gehäuses,
welche wenigstens in etwa parallel zueinander sind, im Bereich von
5 bis μm
liegt. Bei diesen Werten wird einerseits das Schad- beziehungsweise Totvolumen
klein gehalten, und andererseits ist der Abstand so ausreichend
groß,
dass die erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
auch mit üblichen
Fertigungstoleranzen hergestellt werden kann.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass bei
geschlossenem Ventilelement der Abstand zwischen einem Wandabschnitt
des Ventilelements und einem Wandabschnitt des Gehäuses, welcher
vom Ventilsitz aus stromabwärts
verläuft,
kontinuierlich zunimmt. Dies trägt
zur Vergleichsmäßigung der
Strömung
und somit zur noch besseren, da definierteren Ausbildung eines Einspritzstrahls
aus der Kraftstoff-Auslassöffnung bei.
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Um die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
jedoch möglichst
preiswert herstellen zu können,
wird auch vorgeschlagen, dass der Übergang zwischen jenem Bereich,
in dem der Abstand zwischen dem Wandabschnitt des Ventilelements
und dem Wandabschnitt des Gehäuses
kontinuierlich zunimmt, und jenem Bereich, in dem der Abstand zwischen
Ventilelement und Gehäuse
konstant ist, in Strömungsrichtung
gesehen in einem Abstand vor dem stromaufwärts liegenden Rand der Kraftstoff-Austrittsöffnung liegt.
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Eine nochmals besonders gleichmäßige Anströmung der
Kraftstoff-Auslassöffnung
wird dadurch erreicht, dass das Ventilelement eine Dichtkante aufweist,
welche bei geschlossenem Ventilelement am Ventilsitz anliegt, und
dass das Ventilelement eine Ringnut aufweist, welche stromabwärts von
der von der Dichtkante angeordnet ist und von dieser begrenzt wird.
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Nachfolgend wird ein besonders bevorzugtes
Ausbildungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugsnahme
auf die beiliegende Zeichnung im Detail erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Kraftstoffsystems mit mehreren Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen;
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2 einen
teilweisen Schnitt durch eine der Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen
von 1; und
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3 ein
Detail III der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
von 2.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Ein Kraftstoffsystem trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10.
Es gehört
zu einer Brennkraftmaschine 12, welche wiederum ein Kraftfahrzeug
(nicht dargestellt) antreibt. Das Kraftstoffsystem 10 umfasst
einen Kraftstoffbehälter 14,
aus dem eine elektrische Kraftstoffpumpe 16 (Vorförderpumpe) den
Kraftstoff zu einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe 18 fördert. Die
Hochdruck-Kraftstoffpumpe 18 wird
mechanisch von der Brennkraftmaschine angetrieben, komprimiert den
Kraftstoff auf einen sehr hohen Druck, und fördert ihn zu einer Kraftstoff-Sammelleitung 20 (Rail).
In dieser ist der Kraftstoff unter sehr hohem Druck gespeichert.
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An die Kraftstoff-Sammelleitung 20 sind über Hochdruckleitungen 22 mehrere
Injektoren 24 angeschlossen. Diese spritzen den Kraftstoff
direkt in ihnen jeweils zugeordnete Brennräume 26 ein. Der genaue
Aufbau eines der Injektoren 24 wird nun im Detail unter
Bezugnahme auf die 2 und 3 erläutert. Dabei sind jedoch aus
Gründen
der Übersichtlichkeit in 2 nicht alle Bezugszeichen
eingetragen.
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Der Injektor 24 umfasst
ein längliches
und im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse 28, in dem ein längliches
zylindrisches Ventilelement 30 angeordnet ist. Zwischen
einem Deckel 32 des Gehäuses 28 und dem
in 2 oberen Ende des
Ventilelements 30 ist eine Schraubendruckfeder 34 verspannt.
Die Führung
des Ventilelements 30 im Gehäuse 28 wird im Wesentlichen
durch einen umlaufenden Ringsteg 36 bewerkstelligt, in
dem das Ventilelement 30 fluiddicht geführt ist. In dem in 2 unteren Bereich des Ventilelements 30 sind
weitere Führungseinrichtungen vorhanden,
welche in 2 jedoch nicht
sichtbar sind.
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Das Gehäuse 28 weist an seinem
in den 2 und 3 unteren Ende einen Einspritzbereich 38 auf,
welcher insgesamt konisch zuläuft.
Die Wand des Gehäuses 28 ist
im Einspritzbereich 38 mit über den Umfang verteilt angeordneten
Kraftstoff-Austrittskanälen 40 durchsetzt.
Die Kraftstoff-Austrittskanäle 40 münden mit
einer Öffnung 92 in
einen zwischen dem Gehäuse 28 und
dem Ventilelement 30 vorhandenen Strömungsraum 44.
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Auch das Ventilelement 30 ist
in seinem in den 2 und 3 unteren Bereich konisch
ausgebildet, wobei es im Gegensatz zum Einspritzbereich 38 des
Gehäuses 28 insgesamt
drei Bereiche 46, 48 und 50 mit unterschiedlicher
Konizität
aufweist, welche von Wänden 47, 49 und 51 begrenzt
werden. Der erste und in den 2 und 3 oberste konische Bereich 46 schließt sich
an einen Zentralabschnitt 52 des Ventilelements 30 an,
der einen konstanten Durchmesser aufweist. Die Konizität des Bereichs 46 ist
geringer als die Konizität
des Einspritzbereichs 38 des Gehäuses 28. Die Konizität des "mittleren" Bereichs 48 des
Ventilelements 30 ist dagegen größer als jene des Einspritzbereichs 38 des
Gehäuses 28, so
dass sich ein entsprechend eingeschlossener Winkel α > 0 ergibt (vergleiche 3). Dies führt dazu, dass
zwischen den Bereichen 46 und 48 eine Dichtkante 54 ausgebildet
ist, mit der das Ventilelement 30 in geschlossenem Zustand
an einer Wand 56 des Einspritzbereichs 38 anliegt.
Der Bereich der Wand 56, an dem die Dichtkante 54 anliegt,
bildet einen Ventilsitz 58.
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In den 2 und 3 unmittelbar unterhalb beziehungsweise
stromabwärts
der Dichtkante 54 ist in das Ventilelement 30 eine
umlaufende Ringnut 60 eingebracht, welche einen in etwa
halbkreisförmigen Querschnitt
aufweist. An den mittleren Bereich 48 schließt sich
direkt der in den 2 und 3 unterste Bereich 50 an,
dessen Konizität
ziemlich exakt der Konizität
der Wand 56 des Einspritzbereichs 38 entspricht.
Die Wand 51 im Bereich 50 des Ventilelements 30 verläuft somit
im Wesentlichen parallel zur Wand 56 des Einspritzbereichs 38 des
Gehäuses 28. Der
Abstand a zwischen der Wand 56 des Einspritzbereichs 38 und
dem Bereich 50 des Ventilelements 30 beträgt beim
vorliegenden Ausführungsbeispiel ungefähr 10 um,
wobei er grundsätzlich
im Bereich zwischen 5 und 15 um liegen kann.
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Zwischen dem mittleren Bereich 48 und
dem unteren Bereich 50, welche eine unterschiedliche Konizität aufweisen,
ist eine Übergangskante 62 vorhanden.
Diese liegt in Strömungsrichtung
gesehen (Pfeil 64 in 3)
in einem Abstand b vor dem stromaufwärts liegenden Rand der Kraftstoff-Austrittsöffnung 42.
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Der Injektor 24 arbeitet
folgendermaßen:
Ein
stromaufwärts
vom Ventilsitz 58 und der Dichtkante 54 gelegener
Strömungsraum 66,
welcher zwischen dem Ventilelement 30 und dem Gehäuse 28 ausgebildet
ist, ist über
einen Kanal 68 mit der Hochdruck-Kraftstoffleitung 22 verbunden.
Auf hier nicht näher
dargestellte Art und Weise kann der Druck im Strömungsraum 66 kurzzeitig
erhöht
werden. Somit liegt auch an der Wand 47 des konischen Abschnitts 46 ein
entsprechender erhöhter
Druck an, weicher dort zu einer entsprechend hohen hydraulischen
und in Öffnungsrichtung
wirkenden Kraft führt.
Durch diese wird das Ventilelement 30 gegen die Kraft der Schraubendruckfeder 34 in
den 2 und 3 nach eben bewegt, so dass
die Dichtkante 54 vom Ventilsitz 58 freikommt.
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Der Kraftstoff kann nun vom Strömungsraum 66 durch
den Spalt zwischen Dichtkante 54 und Dichtsitz 58 hindurch
und über
den Strömungsraum 44 und
die Kraftstoff-Austrittskanäle 40 in
den entsprechenden Brennraum 26 austreten. Da die Wand 51 des
Bereichs 50 des Ventilelements 30 im Bereich der
Kraftstoff-Austrittsöffnungen 42 im
Wesentlichen parallel zur Wand 56 des Einspritzbereichs 38 ist, werden
in dem austretenden Kraftstoffstrahl über seinen Umfang relativ gleichmäßige Strömungsverhältnisse
geschaffen.