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Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung,
insbesondere für
Brennkraftmaschinen mit Kraftstoff-Direkteinspritzung, mit einem Gehäuse und
mit mindestens einem in dem Gehäuse angeordneten
Ventilelement, welches mit einer Dichtkante gegen eine gehäuseseitige
Ventilsitzfläche
beaufschlagt werden kann, die mit einer stromabwärts von der Dichtkante liegenden
Konusfläche des
Ventilelements einen kleinen Winkel einschließt und in die mindestens ein
Kraftstoff-Austrittskanal mündet ("Sitzlochdüse"), wobei in der stromabwärts von
der Dichtkante liegenden Konusfläche
des Ventilelements bei geschlossenem Ventilelement ungefähr gegenüber einer
Mündung
des Kraftstoff-Austrittskanals eine Ausnehmung vorhanden ist.
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Eine derartige Kraftstoff-Einspritzvorrichtung ist
aus der
DE 100 31
264 A1 bekannt. In dieser ist ein Kraftstoffeinspritzventil
für Brennkraftmaschinen gezeigt,
welches ein nadelartiges Ventilelement umfasst. Dieses arbeitet
mit einem Ventilsitz zusammen, und bei geöffnetem Ventilelement kann
Kraftstoff durch Kraftstoff-Austrittskanäle austreten.
In einer Konusfläche
des Ventilelements, welche bei geschlossenem Ventilelement der Mündung des
Kraftstoff-Austrittskanals gegenüberliegt,
ist eine umlaufende Ringnut mit halbkreisförmigem Querschnitt vorhanden.
Dies entspricht dem Bauprinzip einer "Sitzlochdüse", bei der der Kraftstoff-Austrittskanal
in die Ventilsitzfläche
mündet.
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Die vorliegende Erfindung hat die
Aufgabe, eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass eine mit ihr
betriebene Brennkraftmaschine ein möglichst günstiges Emissions- und Verbrauchsverhalten
zeigt.
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Diese Aufgabe wird bei einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass eine Tiefenabmessung
der Ausnehmung in einer Richtung, die senkrecht zu einer Ebene ist,
die tangential zu der Konusfläche
des Ventilelements ist, maximal ungefähr ein Zehntel einer Breitenabmessung
der Ausnehmung beträgt,
wobei die Breitenabmessung einerseits in der Ebene, die tangential
zu der Konusfläche
des Ventilelements ist, und andererseits in einer Ebene liegt, in
der die Längsachse
des Ventilelements liegt.
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Vorteile der
Erfindung
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Bei der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
liegt insbesondere im Zwischenhubbereich des Ventilelements nur
eine geringe Streuung der von ihr eingespritzten Kraftstoffmenge von
einem Exemplar zu einem anderen Exemplar einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
vor. Dabei werden unter dem Zwischenhubbereich jene Positionen des Ventilelements
verstanden, bei denen dieses vom Ventilsitz gerade abgehoben ist,
es sich also nicht in einer geöffneten
Endstellung befindet. Ein solcher Zwischenhubbereich wird vor allem
in einem besonders emissionsrelevanten Teillastbereich einer Brennkraftmaschine
verwendet, in dem nur geringe Kraftstoffmengen eingespritzt werden.
In diesem Bereich wirkt sich eine hohe Präzision der abgegebenen Kraftstoffmenge
besonders günstig
auf das Emissions- und Verbrauchsverhalten der Brennkraftmaschine
aus. Diese Präzision
wird durch die erfindungsgemäß vorgesehene
Ausnehmung erhöht.
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Grundlage hierfür ist die Tatsache, dass in dem
besagten Zwischenhubbereich das Ventilelement vom Ventilsitz zwar
abgehoben hat, sich aber noch in dessen "Nähe" befindet. In dieser
Position wird der Kraftstoffstrom vorwiegend durch den Spalt zwischen
der stromabwärts
von der Dichtkante liegenden Konusfläche des Ventilelements und
der gegenüberliegenden
Gehäusewand
gedrosselt. Die Größe und Ausbildung
dieses Spalts hängt
maßgeblich
von der Zentrierung der stromabwärts
von der Dichtkante liegenden Konusfläche des Ventilelements relativ
zur gegenüberliegenden
Ventilsitzfläche.
Diese Zentrierung ist jedoch fertigungsbedingt von einem Exemplar
einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung zu einem anderen Exemplar
mit einer gewissen Streuung behaftet.
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Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Ausnehmung
wird dieser Spalt vergrößert und
damit die Drosselwirkung verringert. Dies hat wiederum zur Folge,
dass die Genauigkeit der Zentrierung des Ventilelements eine geringere
Auswirkung auf den Grad der Drosselung hat, was letztlich dazu führt, dass
der Kraftstoff mit höherer
Präzision
eingespritzt werden kann. Dadurch, dass die Tiefe der Ausnehmung
jedoch nur maximal ein Zehntel ihrer Breite beträgt, wird das Schadvolumen so
klein gehalten, dass die Einspritzcharakteristiken nicht oder zumindest
nicht wesentlich beeinflusst werden. Die erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
zeigt daher eine sehr gute Einspritzcharakteristik (Druckverlauf),
welche zu einem guten Emissions- und Verbrauchsverhalten der mit
ihr betriebenen Brennkraftmaschine führt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind in Unteransprüchen
angegeben.
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In einer ersten Weiterbildung wird
vorgeschlagen, dass die Tiefenabmessung der Ausnehmung in einem
Bereich von 10–50
um liegt. Diese Abmessung ist bei üblichen Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen
ausreichend, um die gewünschte
Toleranz gegenüber
Fertigungsstreuungen zu erhalten, ohne dass hierdurch ein relevantes
Schadvolumen geschaffen wird.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die
Ausnehmung als umlaufende Nut ausgebildet ist. Eine solche kann
einfach hergestellt werden und ermöglicht die erfindungsgemäßen Vorteile
auch dann, wenn das Ventilelement im Betrieb um seine Längsachse
gedreht wird.
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Besonders günstig ist es, wenn die Ausnehmung
einen wenigstens in etwa rechteckigen Querschnitt aufweist, denn
eine solche Ausnehmung kann einfach und preiswert in die entsprechende
Mantelfläche
des Ventilelements eingebracht werden. Ferner sind bei einer solchen
rechteckigen Ausnehmung die Kanten der Ausnehmung zur Mantelfläche des Ventilelements
hin präzise
positioniert und deutlich ausgeprägt, was die Erzielung der erfindungsgemäßen Vorteile
unterstützt.
Grundsätzlich
gilt dies auch bei anderen Querschnittsformen der Ausnehmung, bei
denen entsprechende Kanten zur Mantelfläche des Ventilelements hin
vorhanden sind.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die
Breitenabmessung der Ausnehmung mindestens so groß ist wie
der maximale Durchmesser des Mündungsbereichs
des Kraftstoff-Austrittskanals.
Hierdurch sind die erfindungsgemäßen Vorteile,
besonders bei einem gerundeten Mündungsbereich,
nochmals stärker
ausgeprägt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung
der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
zeichnet sich dadurch aus, dass die Querschnittsfläche eines
Ringraumes, welcher bei gerade von der Ventilsitzfläche abgehobenem
Ventilelement zwischen der Ausnehmung und der gegenüberliegenden
Ventilsitzfläche
gebildet ist, mindestens ungefähr
das 0,9-fache der Querschnittsfläche
des Kraftstoff-Austrittskanals beträgt. Bei einer derartigen Auslegung
der Konusfläche
des Ventilelements beziehungsweise der gehäuseseitigen Ventilsitzfläche werden
die erfindungsgemäßen Vorteile
nochmals deutlich verbessert.
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Nachfolgend wird ein besonders bevorzugtes
Ausführungsbeispiel
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;
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3 ein
Detail III der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
von 2; und
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4 eine
nochmals vergrößerte Darstellung
der Details von 3.
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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, die nicht im Detail dargestellt
ist. Das Kraftstoffsystem 10 umfasst einen Kraftstoffbehälter 14,
aus dem eine elektrische Kraftstoffpumpe 16 Kraftstoff
zu einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe 18 fördert. Diese komprimiert den
Kraftstoff auf einen sehr hohen Druck und fördert ihn zu einer Kraftstoff-Sammelleitung 20 ("Rail"), in der der Kraftstoff unter
hohem Druck gespeichert ist.
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An die Kraftstoff-Sammelleitung 20 sind über Hochdruckleitungen 22 mehrere
Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 24 angeschlossen,
die den Kraftstoff direkt in ihnen zugeordnete Brennräume 26 einspritzen.
Niederdruckleitungen 28 führen von den Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 24 zum
Kraftstoffbehälter 14 zurück.
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Eine der Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 24 ist
in den 2 bis 4 stärker detailliert dargestellt.
Sie umfasst ein Gehäuse 30,
in dem ein Stufensackloch 32 vorhanden ist. Dessen Durchmesser
verjüngt
sich in dem in den 2 und 3 unteren Bereich, wodurch eine
konische Ventilsitzfläche 36 gebildet
wird. In diese münden über den Umfang
verteilt angeordnete Kraftstoff-Austrittskanäle 38. Auch das in
den 2 und 3 untere Ende des Ventilelements 34 verjüngt sich
konisch, allerdings mit zwei Bereichen unterschiedlicher Konizität. Diese
sind durch eine Dichtkante 39 voneinander getrennt, welche
bei geschlossener Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 24 an
der gehäuseseitigen
Ventilsitzfläche 36 anliegt.
Die in den 2–4 oberhalb der Dichtkante 39 angeordnete Konusfläche des
Ventilelements 34 trägt
das Bezugszeichen 40, die unterhalb der Dichtkante 39 angeordnete
Konusfläche
das Bezugszeichen 42.
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Der Winkel, welcher von der Konusfläche 42 und
der Ventilsitzfläche 36 eingeschlossen
wird, ist sehr klein. In der Konusfläche 42 ist, den Mündungen der
Kraftstoff-Austrittskanäle 38 gegenüberliegend, eine
umlaufende Nut 44 vorhanden. Diese hat einen rechteckigen
Querschnitt mit zwei scharfen Kanten 46 im Übergang
der Nut 44 zur Konusfläche 42 hin. Die
Tiefenabmessung T der Nut 44 beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ungefähr
1/13 der Breitenabmessung B. Die Tiefenabmessung T wird dabei in
einer Richtung gemessen, welche senkrecht zu einer Ebene ist, die
tangential zu der Konusfläche 42 des
Ventilelements 34 ist. Die Breitenabmessung B wird in einer
Richtung gemessen, welche einerseits in der Ebene, die tangential
zu der Konusfläche 42 des
Ventilelements 34 ist, und andererseits in einer Ebene
liegt, in der die Längsachse 48 des
Ventilelements 34 liegt. Absolut liegt die Tiefenabmessung
T üblicherweise
in einem Bereich von 10 bis 50 μm.
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Insbesondere aus 4 ist ersichtlich, dass die Breitenabmessung
B größer ist
als der Durchmesser D des gegenüberliegenden
Kraftstoff-Austrittskanals 38. Sie entspricht ungefähr dem maximalen
Durchmesser M des abgerundeten Mündungsbereichs 50 des
Kraftstoff-Austrittskanals 38.
Ferner sind die Winkeldifferenz zwischen der Konusfläche 42 des
Ventilelements 34 und der gehäuseseitigen Ventilsitzfläche 36 sowie
die Abmessungen einerseits der Nut 44 und andererseits
des Kraftstoff-Austrittskanals 38 so
aufeinander abgestimmt, dass eine Querschnittsfläche eines Ringraumes 52,
welcher in einem Zwischenhubbereich des Ventilelements 34, also
bei gerade von der Ventilsitzfläche 36 abgehobenem
Ventilelement 34, zwischen der Nut 44 und der
gegenüberliegenden
Ventilsitzfläche 36 gebildet ist,
mindestens ungefähr
das 0,9-fache der Querschnittsfläche
des Kraftstoff-Austrittskanals 38 beträgt. Die
Querschnittsfläche
des Ringraums 52 ist in 4 kreuzschraffiert
dargestellt, und der Spalt zwischen der Dichtkante 39 und
der Ventilsitzfläche 36 bei
gerade abgehobenem Ventilelement 34 ist in 4 mit S bezeichnet.
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Bei der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 24 handelt
es sich um eine sogenannte "hubgesteuerte" Kraftstoff-Einspritzvorrichtung.
Sie ist im Übrigen
in der für
derartige Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen üblichen Art und Weise ausgestaltet:
So
weist sie beispielsweise einen hydraulischen Steuerraum 54 auf,
der über
eine Zulaufdrossel 56 mit einem Strömungsraum 58 verbunden
ist, welcher wiederum über
einen Hochdruckkanal 60 an die Hochdruckleitung 22 angeschlossen
ist. Mittels eines Schaltventils 62 und einer Ablaufdrossel 64 kann
der hydraulische Steuerraum 54 mit der Niederdruckleitung 28 verbunden
werden. Der hydraulische Steuerraum 54 wird von einer Druckfläche 66 des
Ventilelements 34 begrenzt, und an dieser liegt aufgrund
des im Steuerraum 54 herrschenden hohen Fluiddrucks eine
in Schließrichtung
wirkende hydraulische Kraft an. Zusätzlich wird das Ventilelement 34 noch
von einer Druckfeder 68 in Schließrichtung beaufschlagt. Über den
Strömungsraum 58,
der sich als Ringraum bis zu dem in 2 unteren
Ende des Ventilelements 34 fortsetzt, liegt der hohe Kraftstoffdruck
auch an der oberen Konusfläche 40 des
Ventilelements 34 an, so dass dort eine in Öffnungsrichtung
wirkende hydraulische Kraft anliegt.
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Um eine Einspritzung von Kraftstoff
mittels der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 24 in
den ihr zugeordneten Brennraum 26 durchzuführen, wird
das Steuerventil 62 kurzzeitig geöffnet, so dass der Druck im
Steuerraum 54 und die entsprechende an der Druckfläche 66 wirkende
hydraulische Kraft abnehmen. Wenn die an der oberen Konusfläche 40 des Ventilelements 34 in Öffnungsrichtung
wirkende hydraulische Kraft von den insgesamt in Schließrichtung
wirkenden Kräften
unterschritten wird, hebt das Ventilelement 34 mit der
Dichtkante 39 von der Ventilsitzfläche 36 ab, so dass
Kraftstoff vom Strömungsraum 58 zu
den Kraftstoff-Austrittskanälen 38 und weiter
in den Brennraum 26 gelangen kann. Wird das Steuerventil 62 wieder
geschlossen, steigt der Druck im Steuerraum 54 und entsprechend
auch die an der Druckfläche 66 wirkende
hydraulische Kraft, wodurch das Ventilelement 34 wieder
schließt.
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Häufig
wird die Brennkraftmaschine 12 in einem sogenannten "Teilllastbereich" betrieben, in dem nur
wenig Kraftstoff eingespritzt und daher die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 24 nur
in einem "Zwischenhubbereich" betrieben wird.
Die präzise
Abgabe der gewünschten
Kraftstoffmenge und ein reproduzierbarer Druckverlauf bei der Einspritzung
des Kraftstoffs in den Brennraum 26 ist für die Minimierung
der Schadstoffemissionen und des Kraftstoffverbrauchs wichtig. Hierzu
dient die bei der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 24 vorgesehene
Nut 44.
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Im Zwischenhubbereich der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 24,
bei dem das Ventilelement 34 mit der Dichtkante 39 nur
wenig (Spalt S) von der Ventilsitzfläche 36 entfernt ist,
wird durch die Nut 44 der Einfluss der Zentrierung des
Ventilelements 34 im Stufen-Sackloch 32 auf die
Drosselung des Kraftstoffstromes begrenzt. Durch diese flache Nut 44 mit ihrer
scharfen Begrenzung wird die Drosselung nämlich in dem Ringraum 52 deutlich
reduziert oder sogar aufgehoben, ohne dass das Schadvolumen erhöht und hierdurch
der Druckverlauf bei einer Einspritzung ungünstig beeinflusst werden.