DE60305038T2

DE60305038T2 - Einspritzdüse

Info

Publication number: DE60305038T2
Application number: DE60305038T
Authority: DE
Inventors: Malcolm D. Lambert; Church House Andrew J. Limmer; Mark Norman; Michael Mcloone
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Operations Luxembourg SARL
Priority date: 2003-10-06
Filing date: 2003-10-06
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2023-10-07
Also published as: JP2007507661A; US20070272772A1; ATE325271T1; JP4478153B2; EP1522721B1; EP1522721A1; DE60305038D1; US8002205B2; WO2005035973A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einspritzdüse zur Verwendung in einem Kraftstoff-Einspritzsystem für einen Verbrennungsmotor. Insbesondere, aber nicht ausschließlich, betrifft die Erfindung eine Einspritzdüse zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor mit Verdichtungszündung (Diesel-Motor), in welchem eine Ventilnadel an einer Sitzfläche zur Anlage gelangen kann, um die Einspritzung von Kraftstoff an einen damit verbundenen Verbrennungsraum durch einen Düsenauslass zu steuern.
Die Ventilnadel in bekannten Einspritzdüsen-Gestaltungen umfasst einen Bereich mit konischer Gestalt, der so geformt ist, dass er an einer entsprechenden, im allgemeinen konischen Sitzoberfläche zur Anlage gelangen kann. Die Ventilnadel kann innerhalb einer in einem Einspritzdüsenkörper vorgesehenen Bohrung gleiten, und eine innere Oberfläche der Bohrung bildet die Sitzfläche für die Nadel. Wenn die Ventilnadel auf der Sitzfläche aufsitzt, wird die Einspritzung von Kraftstoff verhindert, und wenn die Ventilnadel von der Sitzoberfläche weg- und abgehoben ist, tritt eine Einspritzung von Kraftstoff auf.
Die Ventilnadel ist so geformt, dass sie eine ringförmige Sitzlinie bildet, die an der Sitzoberfläche angreift. Man weiß seit langem, dass sich der effektive Durchmesser der Sitzlinie (bezeichnet als "der effektive Sitzdurchmesser") mit der Abnutzung während der Gebrauchsdauer verändert. Der effektive Sitzdurchmesser wird durch den Durchmesser der Kontaktlinie zwischen der Ventilnadel und der Sitzoberfläche bestimmt. Dies ist ein wichtiger Parameter für die Gestaltung der Einspritzdüse, weil er den Kraftstoffabgabe-Druck oder Düsenöffnungsdruck (d. h. denjenigen Druck, bei dem die Ventilnadel veranlasst wird, sich von ihrem Sitz abzuheben) beeinflusst und damit Einfluss auf die Kraftstoffmenge nimmt, die während der Einspritzung (d. h. wenn die Ventilnadel abgehoben ist) abgegeben wird. Eine Veränderung des effektiven Sitzdurchmessers als Folge der betrieblichen Abnutzung der Ventilnadel und/oder ihres Sitzes ist deshalb nicht wünschenswert, und es ist oft der wichtigste Punkt bei der Gestaltung einer Einspritzdüse, dass die Ventilnadel und/oder der Sitz so geformt werden müssen, dass die Minimierung einer solchen Abnutzung sichergestellt wird. Auf diese Weise können Veränderungen des effektiven Durchmessers der Sitzlinie während der betrieblichen Lebensdauer der Düse verringert werden.
Verschiedene Düsengestaltungen sind vorgeschlagen worden, um diesem Problem gerecht zu werden (siehe des Anmelders gleichzeitig anhängige Europäische Patentanmeldung EP-A-1498602 oder die Dokumente DE-A-10122503 und WO2004/061291). Es ist ein Merkmal einiger dieser Düsen, dass die Ventilnadel und die Sitzfläche so gestaltet sind, dass entsprechende Konuswinkel einen sehr kleinen Differenzwinkel unmittelbar stromaufwärts und/oder unmittelbar stromabwärts der Ventilnadel-Sitzlinie bilden. In manchen Fällen sind die Differenzwinkel radial gegenüber der Sitzoberfläche versetzt, aber in den bevorzugten Gestaltungen ist diese Versetzung häufig auf ein Minimum gebracht.
Man hat nun erkannt, dass Veränderungen des effektiven Sitzdurchmessers zum Zeitpunkt der Herstellung auf Grund der Genauigkeitsgrenze auftreten, mit der die Sitzfläche, die durch die Düsenkörperbohrung definiert wird, gebildet wird. In der Praxis kann jede Geradheit oder jeder Gestaltungsfehler in der Sitzoberfläche einen lokalen Kontakt zwischen der Ventilnadel und der Sitzoberfläche in Bereichen bewirken, die gegenüber dem geometrischen Sitz (d. h. dem Sitz, wie er durch die Gestaltungsgeometrie der Düse vorgegeben ist) verschoben sind. Dies ist ein besonderes Problem bei Einspritzdüsen mit einem besonders kleinen Differenzwinkel stromaufwärts oder stromabwärts der Sitzlinie, und insbesondere dann, wenn die radiale Versetzung (Exzentrizität) sehr klein ist oder nicht existiert. Daher besteht eine Unvereinbarkeit zwischen dem Wunsch, dass Veränderungen des wirksamen Sitzdurchmessers in Folge von Abnutzung möglichst klein gehalten werden sollten, und einer gleich bleibenden und genauen Herstellung der Düsengeometrie.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Einspritzdüsen-Gestaltung bereitzustellen, die diese Unvereinbarkeit im Auge hat.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Einspritzdüse für einen Verbrennungsmotor bereitgestellt. Die Einspritzdüse umfasst einen Düsenkörper, der mit einer Bohrung versehen ist, die eine Ventilsitz-Oberfläche aufweist, welche einen Sitzkonuswinkel bildet, und ein Ventilelement, welches innerhalb der Bohrung bewegbar ist. Das Ventilelement umfasst einen stromaufwärts gelegenen, kegelstumpfförmigen Sitzbereich, der einen stromaufwärts gelegenen Konuswinkel bildet, wobei der stromaufwärts gelegene Konuswinkel und der Sitzkonuswinkel zusammen einen ersten Differenzwinkel zwischen sich bilden, und einen stromabwärts gelegenen, kegelstumpfförmigen Sitzbereich, der einen stromabwärts gelegenen Konuswinkel bildet, wobei der stromabwärts gelegene Konuswinkel und der Sitzkonuswinkel zusammen einen zweiten Differenzwinkel zwischen sich bilden. Das Ventilelement umfasst weiterhin einen zusätzlichen ringförmigen Rippenbereich, der zwischen dem stromaufwärts gelegenen Sitzbereich und dem stromabwärts gelegenen Sitzbereich von der Oberfläche des Ventilelements hervorsteht und unmittelbar stromabwärts des stromaufwärts gelegenen Sitzbereichs angeordnet ist, wobei der ringförmige Rippenbereich eine Sitzlinie mit einem Sitzdurchmesser bildet und die Sitzlinie an der Ventilsitz-Oberfläche angreifen bzw. zur Anlage gelangen kann, um die Einspritzung von Kraftstoff aus dem Düsenkörper zu steuern.
Die vorliegende Erfindung stellt die Ventilnadel mit einer Rippe oder einem Kragen bereit, der wie eine Wulst aus dem Rest der Ventilnadel-Oberfläche hervorquillt. Deshalb ist es weniger wahrscheinlich, dass eine mögliche Geradheit oder ein Formfehler in der Sitzoberfläche zur Folge hat, dass ein örtlicher Kontakt zwischen der Ventilnadel und der Sitzoberfläche in anderen Bereichen als der geometrischen Sitzlinie auf der Rippe auftreten.
Die Einspritzdüse der vorliegenden Erfindung kann viele verschiedene Gestaltungen haben, aber sie ist besonders für Ausformungen geeignet, in denen ein geringer Differenzwinkel (d. h. die Differenz des Konuswinkels zwischen der Ventilnadel und der Sitzoberfläche) unmittelbar stromabwärts und/oder unmittelbar stromabwärts der geometrischen Sitzlinie ausgebildet ist.
In einer Ausführungsform kann die ringförmige Rippe einen stromaufwärts gelegenen Rippenbereich und einen stromabwärts gelegenen Rippenbereich umfassen, wobei die Sitzlinie an einem Schnittbereich zwischen dem stromaufwärts gelegenen und dem stromabwärts gelegenen Rippenbereich ausgebildet ist.
Die Sitzoberfläche bildet einen Sitzkonuswinkel. Der stromaufwärts gelegene Rippenbereich ist vorzugsweise unmittelbar stromabwärts eines stromaufwärts gelegenen kegelstumpfförmigen Sitzbereichs angeordnet oder bildet einen integralen Teil davon. Der stromaufwärts gelegene Sitzbereich bildet einen stromaufwärts gelegenen Konuswinkel, und der stromaufwärts gelegene Konuswinkel und der Sitzkonuswinkel bilden zusammen einen ersten Differenzwinkel zwischen sich.
Der stromabwärts gelegene Rippenbereich befindet sich vorzugsweise unmittelbar stromaufwärts eines stromabwärts gelegenen Sitzbereichs oder bildet einen integralen Teil davon. Er bildet einen stromabwärts gelegenen Konuswinkel, und der stromabwärts gelegene Konuswinkel und der Sitzkonuswinkel bilden miteinander einen zweiten Differenzwinkel zwischen sich.
In einer Ausführungsform ist der erste Differenzwinkel kleiner als der zweite Differenzwinkel.
In einer weiteren Ausführungsform werden der erste und der zweite Differenzwinkel so gewählt, dass die Abnutzung der Ventilnadel während des Betriebs nicht dazu führt, dass der effektive Sitzdurchmesser verändert wird. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der stromaufwärts gelegene Sitzbereich und der stromabwärts gelegene Sitzbereich so ausgebildet werden, dass sie einen geringfügig größeren Differenzwinkel stromaufwärts der Sitzlinie (den ersten Differenzwinkel) bilden als es derjenige ist, der stromabwärts der Sitzlinie (der zweite Differenzwinkel) ausgebildet ist. Weil eine Abnutzung in gleichem Maße sowohl in Aufwärtsrichtung als auch in Abwärtsrichtung aufzutreten pflegt, verbleibt die Sitzlinie annähernd an demselben Ort auf der Ventilnadelachse, und damit wird eine Verschiebung/Veränderung der Kraftstoffabgabe minimiert.
In einer besonderen Ausführungsform umfasst die Ventilnadel eine Umfangsnut, die stromabwärts des stromabwärts gelegenen Rippenbereichs und unmittelbar stromaufwärts eines weiteren Bereichs, beispielsweise eines Ventilspitzenbereichs, angeordnet ist, worin eine untere Kante der Umfangsnut und der weitere Bereich einen Schnittbereich bilden, der zusammen mit der Sitzoberfläche einen radialen Spalt begrenzt, der ausreichend klein ist, so dass ein unterer Teil des stromabwärts gelegenen Rippenbereichs eine tragende Fläche für die Ventilnadel bildet.
Vorzugsweise ist die ringförmige Rippe oder der ringförmige Wulst so geformt, dass ein Bereich auf der Ventilnadel in Nachbarschaft zu der Rippe auf der stromaufwärts gelegenen Seite der Sitzlinie (beispielsweise der stromaufwärts gelegene Sitzbereich) zusammen mit der Sitzoberfläche einen radialen Spalt von nicht mehr als 10 μm und vorzugsweise in einem Bereich von zwischen 0,5 und 5 μm bildet. Stärker bevorzugt ist die ringförmige Rippe auch so geformt, dass ein Bereich der Ventilnadel in Nachbarschaft zu der Rippe auf der stromabwärts gelegenen Seite der Sitzlinie (beispielsweise der Ventilspitzen-Bereich) zusammen mit der Sitzoberfläche einen radialen Spalt von nicht mehr als 10 μm und vorzugsweise von im Bereich zwischen 0,5 und 5 μm begrenzt.
Ein Ventilspitzen-Bereich kann unmittelbar stromabwärts des stromabwärts gelegenen Rippenbereichs angeordnet sein, und dieser Ventilspitzen-Bereich kann mit einer kegel- oder kuppenförmigen Spitze versehen sein. Wenn eine Umfangsnut vorgesehen ist, kann der Ventilspitzen-Bereich unmittelbar stromabwärts von diesem angeordnet sein.
In jeder einzelnen der Ausführungsformen kann der stromabwärts gelegene Rippenbereich ein Teil sein, der separat von dem stromabwärts gelegenen Sitzbereich ausgebildet ist, oder er kann integral mit dem stromabwärts gelegenen Sitzbereich ausgebildet sein.
Es sollte klar sein, dass die Einspritzdüse die Gestalt einer Düse vom VCO-Typ oder eine solche vom Sackloch-Typ haben kann.
Die Erfindung wird nachstehend rein beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, worin:
1 eine schematische Zeichnung einer Einspritzdüse ist, wie sie in unserer ebenfalls anhängigen europäischen Patentanmeldung EP-A-1498602 beschrieben ist, um ein Beispiel einer Düse zu zeigen, die gemäß der vorliegenden Erfindung modifiziert werden kann,
2a eine schematische Zeichnung einer Ausführungsform der Düse der vorliegenden Erfindung und 2b eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs einer Ventilnadel der Düse in 2a ist,
3a eine schematische Zeichnung einer anderen Einspritzdüse ist, die gemäß der vorliegenden Erfindung modifiziert werden kann, und 3b eine vergrößerte Ansicht der Ventilnadel der Düse der 3a im Bereich der Sitzlinie ist.
Die in 1 gezeigte Einspritzdüse ist in unserer gleichzeitig anhängigen europäischen Patentanmeldung EP-A-1498602 beschrieben. Die Düse wird vorliegend im Detail beschrieben, um die weiteren Vorteile der vorliegenden Erfindung in vollem Umfang zu erklären, auch wenn sie nicht alle von deren wesentlichen Merkmalen aufweist.
Die Einspritzdüse der 1 umfasst ein Ventilelement oder eine Ventilnadel (allgemein mit 10 bezeichnet) mit einer ringförmig in eine Sitzposition bringbaren Oberfläche 12 oder Sitz-"Linie", die an einer Sitzoberfläche 14 zur Anlage gelangt, die von einer inneren Oberfläche einer in einem Düsenkörper 16 vorhandenen Bohrung ausgebildet ist. Während des Betriebs wird die Ventilnadel 10 veranlasst, sich innerhalb der Bohrung zu bewegen, und wenn sie sich weg von der Sitzfläche 14 bewegt, werden Einspritzdüsen-Auslassöffnungen 18 geöffnet, um es zu ermöglichen, dass unter hohem Druck stehender Kraftstoff in den zugehörigen Motorzylinder eingespritzt wird. Wenn die Ventilnadel 10 bewegt wird, um wieder an der Sitzfläche 14 zur Anlage zu kommen, werden die Öffnungen 18 geschlossen, und die Einspritzung endet.
Die Ventilnadel 10 kann typischerweise mit Hilfe einer Einspritzsteuerungs-Ventilanordnung (nicht gezeigt) bewegt werden, die von der Art sein kann, die mit Hilfe eines piezoelektrischen Betätigungsorgans auf eine Art und Weise betrieben wird, die einem Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet vertraut sein sollte. Alternativ kann die Ventilnadel 10 mit elektromagnetischen Mitteln bewegbar sein.
Die Bohrung in dem Düsenkörper 16 besitzt eine konische Gestalt, so dass die Sitzfläche 14 einen Sitzkonuswinkel θS bildet. Die Ventilnadel 10 ist so geformt, dass sie vier verschiedene Beeiche umfasst. Ein erster Bereich 20 mit kegelstumpfförmiger Gestalt bildet einen ersten (stromabwärts gelegenen) Konuswinkel θA. Unmittelbar stromaufwärts des ersten Bereichs 20 weist die Ventilnadel einen zweiten Bereich 22 mit kegelstumpfförmiger Gestalt auf, die einen stromaufwärts gelegenen Konuswinkel θB bildet. Unmittelbar stromabwärts des ersten Bereichs 20 weist die Ventilnadel einen dritten Bereich 24 in Form eines Ventilspitzen-Bereichs auf, ebenfalls von kegelstumpfförmiger Form und einen stromabwärts gelegenen Konuswinkel θC bildend. Die Ventilspitze 24 erstreckt sich in ein sackartiges Volumen 26 oder eine Kammer, das/die an einem geschlossenen Ende der Bohrung ausgebildet ist und in einer kegel- oder kuppenförmigen Spitze 28 endet. Ein vierter, im Wesentlichen zylindrischer Bereich 30 ist am oberen Ende der Ventilnadel 10 (in der gezeigten Darstellung) vorhanden. Üblicherweise ist in Richtung des oberen Endes der Ventilnadel 10 die eine oder andere Form einer Steueranordnung (nicht gezeigt) vorgesehen, um die Ventilnadel-Bewegung zu steuern, wie es einer auf diesem Fachgebiet erfahrenen Person bekannt sein sollte.
Der erste Bereich 20 der Ventilnadel 10 kann als stromabwärts gelegener Sitzbereich bezeichnet werden, und der zweite Bereich 22 der Ventilnadel 10 kann als stromaufwärts gelegener Sitzbereich bezeichnet werden. Die stromabwärts und stromaufwärts gelegenen Sitzbereiche 20, 22 definieren miteinander eine ringförmige Schnittlinie, die die beiden trennt, und diese bildet die Sitzlinie 12 der Ventilnadel. Während des Betriebs wird eine stromaufwärts gelegene Versorgungskammer 32 mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff für die Einspritzung beaufschlagt. Wenn Kraftstoff in den Motorzylinder eingespritzt werden soll, wird die Ventilnadel 10 mit Hilfe eines Betätigungsorgans oder auf andere Weise veranlasst, sich anzuheben, so dass sich die Sitzlinie 12 weg von ihrer Sitzfläche 14 bewegt.
Die Abmessungen der stromaufwärts und stromabwärts gelegenen Sitzbereiche 22, 20 und ihrer entsprechenden Konuswinkel θA, θB sind so gewählt, dass die Abnutzung der Ventilnadel 10 in Abhängigkeit von den besonderen Erfordernissen der jeweiligen Anwendung optimiert wird. Beispielsweise wird die Sitzlinie 12 dann, wenn die Wahl getroffen wird, dass der stromaufwärts gelegene Differenzwinkel (d. h. derjenige, der als derjenige zwischen θB und θS definiert ist) relativ gering sein soll, typischerweise zwischen 0,5 und 5 Grad, und dass der stromabwärts gelegene Differenzwinkel (d. h. derjenige zwischen θB und θS) geringfügig größer sein soll, nach und nach so wandern, dass der "effektive" Sitzdurchmesser vergrößert wird. Als Folge wird die Kraftstoff-Abgabemenge für ein Einspritzereignis nach und nach abnehmen, und dies kann für manche Anwendungen von Vorteil sein.
Alternativ können die stromaufwärts und stromabwärts gelegenen Differenzwinkel so gewählt werden, dass der Abrieb der Ventilnadel mit Sicherheit in annähernd gleichen Mengen an der stromaufwärts und an der stromabwärts gelegenen Seite der Sitzlinie 12 auftritt, wodurch eine Verschiebung/Veränderung der Abgabe bzw. der Abgabemenge insgesamt im Wesentlichen vermieden wird. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der stromaufwärts gelegene Differenzwinkel geringfügig größer als der stromabwärts gelegene Differenzwinkel gewählt wird, unter der Voraussetzung, dass beide Differenzwinkel relativ klein sind.
Es wurde nun festgestellt, dass während der Herstellung von Einspritzdüsen wie den in 1 gezeigten ein Problem auftreten kann. Dieses Problem tritt beim Ausbilden des Sitzdurchmessers der Sitzlinie 12 (bezeichnet als die "geometrische Sitzlinie") auf, weil die beschränkenden Bedingungen des Bearbeitungsprozesses dazu führen, dass die Geradheit und Gestalt der Sitzfläche 14 in manchen Fällen vom geometrischen Ideal abweichen. Wenn die Differenzwinkel zwischen der Ventilnadel 12 und der Sitzoberfläche 14 (d. h. zwischen dem stromaufwärts gelegenen Sitzbereich 22 und der Sitzfläche 14 und zwischen dem stromabwärts gelegenen Sitzbereich 20 und der Sitzfläche 14 in 1) sehr klein sind, kann jegliche Abweichung in der Gestalt der Sitzfläche 14 einen lokalen Kontakt zwischen der Nadel 10 und der Sitzfläche 14 in anderen Bereichen als auf der geometrischen Sitzlinie verursachen, so dass der effektive Sitzdurchmesser im neuen Zustand von Produkt zu Produkt variieren kann. In 1 ist dies beispielsweise ein besonderes Problem an der stromaufwärts gelegenen Seite der Sitzlinie 12, wo der stromaufwärts gelegene Sitzbereich 22 einen relativ kleinen Differenzwinkel mit dem Sitzkonuswinkel θS ohne radiale Verschiebung zwischen dem Bereich 22 und dem Sitz 14 bildet.
2a zeigt eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 2b zeigt eine vergrößerte Ansicht eines wesentlichen Teils der Nadel in 1, durch den der vorgenannte Nachteil beseitigt wird. Soweit möglich, wurden Teile, die den in 1 gezeigten vergleichbar sind, mit den gleichen Bezugsziffern versehen, und diese werden nachstehend nicht näher beschrieben.
Die Ventilnadel 10 der 2a und 2b ist identisch mit der Nadel in 1, mit der Ausnahme, dass sie eine integrale ringförmige Rippe oder einen solchen Kragen bzw. Wulst umfasst, die/der allgemein mit 40 bezeichnet wird. Die Rippe 40 bildet unmittelbar stromabwärts des stromaufwärts gelegenen Sitzbereichs 22 einen erhabenen oder hervorstehenden Bereich, so dass eine Sitzlinie 112 der Ventilnadel, die an der Sitzfläche 14 zur Anlage gelangen kann, durch die Rippe selbst gebildet wird.
Nachfolgend sei außerdem auch noch auf 2b verwiesen. Die Rippe 40 umfasst eine stromaufwärts gelegene Rippe 44 mit einer axialen Länge d1 und einen stromabwärts gelegenen Rippenbereich 46 mit einer axialen Länge d2. Die untere Kante des stromaufwärts gelegenen Rippenbereichs 44 (in der gezeigten Ausrichtung) bildet zusammen mit einer oberen Kante des stromabwärts gelegenen Rippenbereichs 46 die Sitzlinie 112 der Ventilnadel. Bei einem Vergleich der 2a und 2b mit 1 lässt sich erkennen, dass im Wesentlichen der stromabwärts gelegene Rippenbereich 46 (2a und 2b) dem stromabwärts gelegenen Sitzbereich 20 (1) entspricht. Der stromabwärts gelegene Rippenbereich 46 verläuft ausgehend von einer herausstehenden oberen Kante an der Sitzlinie 112 konusförmig zu einer stromabwärts gelegenen Kante, die mit der Ventilspitze 24 flächenbündig ist. Der stromaufwärts gelegene Rippenbereich 44 stellt im Vergleich zu dem der 1 eine zusätzliche Ausformung auf der Ventilnadel 10 dar und erweitert sich konusförmig in Stromaufwärts-Richtung von einer vorstehenden unteren Kante (an der Sitzlinie 112) zu einer stromaufwärts gelegenen Kante, die mit dem stromaufwärts gelegenen Sitzbereich 22 flächenbündig ist.
Typischerweise ist die axiale Länge d1 nicht größer als 0,1 mm, und vorzugsweise kleiner als 0,05 mm. Die axiale Länge d2 hat ähnliche Abmessungen. Ein radialer Spalt R1 ist zwischen dem stromaufwärts gelegenen Sitzbereich 22 (direkt oberhalb des stromaufwärts gelegenen Rippenbereichs 44) und der Sitzfläche 14 ausgebildet, und ein radialer Spalt R2 ist zwischen dem Ventilspitzen-Bereich 24 (direkt unterhalb des stromabwärts gelegenen Rippenbereichs 46) und der Sitzfläche 14 ausgebildet. Die Rippe 40 ist vorzugsweise so geformt, dass sie derart von der Ventilnadel-Oberfläche herausragt, dass R1 und R2 nicht größer als 10 μm sind und vorzugsweise zwischen 0,5 und 5 μm betragen.
Durch das Einarbeiten einer ringförmigen Rippe 40 in die Ventilnadel wird das Risiko einer möglichen Abweichung der Oberflächen-Geradheit oder-form in der Sitzfläche 14, welche anderenfalls einen unerwünschten lokalen Kontakt zwischen der Fläche 14 und der Ventilnadel 10 verursachen könnte, verringert, weil die Sitzlinie 112 auf einer Rippe oder einem herausgehobenen Teil der Ventilnadel-Oberfläche ausgebildet ist. Das Risiko eines lokalen Kontakts ist dort besonders groß, wo es keine radiale Versetzung zwischen entweder dem stromaufwärts gelegenen Sitzbereich 22 und der Sitzfläche 14 (d. h. wie in 1) oder zwischen dem stromabwärts gelegenen Sitzbereich 20 und der Sitzfläche 14 gibt. Bezugnehmend auf die Ventilnadel 10 in den 2a und 2b wird deshalb im Vergleich dieser Nadel mit der Ventilnadel in 1 ein besonderer Vorteil auf der stromabwärts gelegenen Seite der Sitzlinie 112 erzielt.
Durch die vorliegende Erfindung ergibt sich ein Vorteil bezüglich der Herstellung im Vergleich zu früher vorgeschlagenen Einspritzdüsen-Gestaltungen, weil die Genauigkeit, mit der die geometrische Sitzlinie 112 der Ventilnadel 10 reproduziert werden kann, verbessert ist. Die Übereinstimmung von Produkt zu Produkt wird deshalb bei der Herstellung ebenfalls verbessert.
Die für die Düsengestaltung der 2a und 2b vorgesehene ringförmige Rippe 40 kann auch in anderen Düsenformen enthalten sein, um denselben Vorteil zu erzielen. Beispielsweise zeigen die 3a und 3b eine alternative Düsengestaltung, die ebenfalls mit einer ringförmigen Rippe wie derjenigen in den 2a und 2b versehen werden kann. Soweit wie möglich werden Teile, die den in den 2a und 2b gezeigten vergleichbar sind, mit denselben Bezugsziffern bezeichnet.
In den 3a und 3b bildet die ringförmige Rippe 40 die Sitzlinie 112, und diese ist dort ausgebildet, wo ein stromaufwärts gelegener Rippenbereich 44 und ein stromabwärts gelegener Rippenbereich 46 aufeinander treffen (einander schneiden). Der stromabwärts gelegene Rippenbereich 46 befindet sich in Nachbarschaft zu dem stromabwärts gelegenen Sitzbereich 20 und/oder bildet einen Teil davon, und der stromaufwärts gelegene Rippenbereich 44 befindet sich in Nachbarschaft zu dem stromaufwärts gelegenen Sitzbereich 22 und/oder bildet einen Teil davon. In der speziellen gezeigten Darstellung erstreckt sich der stromabwärts gelegene Rippenbereich 46 konusförmig ausgehend von einer vorstehenden oberen Kante an der Sitzlinie 112 bis zu einer unteren Kante, die mit dem stromabwärts gelegenen Sitzbereich 20 fluchtet. Ein Unterschied zwischen der Ausführungsform in 2 und derjenigen in 3 ist der, dass in 3 der stromabwärts gelegene Rippenbereich 46 und der stromabwärts gelegene Sitzbereich 20 als separate Bereiche zu betrachten sind, während in 2 der stromabwärts gelegene Rippenbereich 46 de facto den Platz des stromabwärts gelegenen Sitzbereichs 20 einnimmt. In 3 bildet der stromabwärts gelegene Rippenbereich 46 deshalb ein zusätzliches Merkmal auf der Ventilnadel 10.
Der stromaufwärts gelegene Rippenbereich 44 bildet ebenfalls ein zusätzliches Merkmal der Ventilnadel 10, und er erstreckt sich konusförmig in Stromaufwärts-Richtung von einer vorstehenden unteren Kante an der Sitzlinie 112 zu einer oberen Kante, die mit dem stromaufwärts gelegenen Sitzbereich 22 flächenbündig ist. In 3 können die Abmessungen der stromaufwärts und stromabwärts gelegenen Rippenbereiche 44, 46 denen der in 2 gezeigten Ausführungsform vergleichbar oder ähnlich sein.
Die stromaufwärts und stromabwärts gelegenen Sitzbereiche 22, 20 der Ventilnadel 10 sind so geformt, dass ein Abrieb der Nadel 10 sowohl in Stromaufwärtsals auch in Stromabwärts-Richtung relativ zur Sitzlinie 112 in annähernd gleichem Umfang auftritt. Dies wird dadurch erreicht, dass ein relativ kleiner stromaufwärts gelegener Differenzwinkel zwischen dem stromaufwärts gelegenen Sitzbereich 22 und dem Sitzkonuswinkel, θS, ausgewählt wird, und dass ein relativ kleiner Differenzwinkel zwischen dem stromabwärts gelegenen Sitzbereich 20 und dem Sitzkonuswinkel, θS, gewählt wird, der geringfügig kleiner als der stromaufwärts gelegene Differenzwinkel ist. Typischerweise können beispielsweise der stromaufwärts und der stromabwärts gelegene Sitzbereich 22, 20 so geformt sein, dass sie einen Differenzwinkel mit dem Düsenkörper-Sitzwinkel, θS, von zwischen etwa 0 Grad 10 Minuten und 5 Grad bilden.
Ein fakultatives Merkmal ist es, dass die Ventilnadel 10 außerdem mit einer Umfangsnut 48 unmittelbar stromabwärts des stromabwärts gelegenen Sitzbereichs 20 (d. h. direkt unterhalb des unteren Rippenbereichs) und unmittelbar stromaufwärts des Ventilspitzenbereichs 24 ausgestattet ist. Diese beiden Bereiche 20, 24 bilden einen Schnittbereich zwischen sich, der einen relativ kleinen radialen Spalt zur Sitzoberfläche begrenzt, um sicherzustellen, dass der stromabwärts gelegene Sitzbereich 20 während des Betriebs eine tragende Fläche für das Ventilelement bildet.
Wenn die Einspritzdüse der 3 erstmals benutzt wird, wird der effektive Sitzdurchmesser durch die Oberfläche oder Linie 112 definiert, die den stromaufwärts gelegenen Rippenbereich 44 und den stromabwärts gelegenen Rippenbereich 46 unterteilt. Wenn sich während des Gebrauchs die Einspritzdüsen-Bestandteile abnutzen, verteilt sich der Kontaktdruck zwischen der Ventilnadel 10 und der Sitzoberfläche 14 nach und nach annähernd gleichmäßig sowohl über den stromaufwärts als auch über den stromabwärts gelegenen Sitzbereich 22, 20, obwohl die primäre Kontaktlinie an ungefähr derselben axialen Stellung (d. h. derjenigen der ursprünglichen geometrischen Sitzlinie 112) verbleibt. Dies hat zur Folge, dass der effektive Sitzdurchmesser sich durch die Abnutzung kaum verändert, und deshalb verändern sich die Menge des abgegebenen Kraftstoffs und der Düsenöffnungsdruck ebenfalls nur sehr geringfügig oder so gut wie gar nicht.
Die Erfindung ist von besonderem Vorteil, wenn sie unter solchen Umständen in diese Düsenkonfiguration eingearbeitet wird, in denen es weder stromaufwärts noch stromabwärts der Sitzlinie 112 eine radiale Versetzung (Exzentrizität) zwischen der Ventilnadel 10 und der Sitzoberfläche 14 gibt, weil in solchen Gestaltungen das Risiko eines Oberfläche-zu-Oberfläche-Kontakts zwischen der Ventilnadel 10 und der Oberfläche 14 an einem anderen Ort als an der geometrischen Sitzlinie ansonsten erhöht wäre.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform (nicht gezeigt, aber ähnlich 3a) kann die Umfangsnut statt dessen unmittelbar unterhalb des stromabwärts gelegenen Sitzbereichs 20 (und damit des stromabwärts gelegenen Rippenbereichs) durch einen zusätzlichen kegelstumpfförmigen Bereich ersetzt sein, der mit dem Sitzkonuswinkel θS einen Differenzwinkel bildet, der gegenüber demjenigen, der von dem stromabwärts gelegenen Sitzbereich 20 und dem Sitzkonuswinkel, θS, gebildet wird, geringfügig verringert ist. Das Vorsehen dieses zusätzlichen Bereichs stellt ebenfalls sicher, dass der stromabwärts gelegene Rippenbereich eine tragende Fläche für die Nadel bildet, um während der Benutzung den Abrieb zu verringern und das Ausmaß an Veränderung des effektiven Sitzdurchmessers zu begrenzen.
Andere Beispiele für Düsengestaltungen, die ebenfalls mit einem ringförmigen Kragen oder einer solchen Rippe ausgestattet sein können, um die Ventilnadel-Sitzlinie zu bilden, können in unserer ebenfalls anhängigen europäischen Patentanmeldung EP-A-1498602 gefunden werden.
Es sollte klar sein, dass die Differenzwinkel (d. h. die Differenz der Konuswinkel zwischen entsprechenden Oberflächen der Ventilnadel und ihres Sitzes) und andere in der vorstehenden Beschreibung angegebene Abmessungen nur zum Zwecke erläuternder Beispiele angegeben sind und dass Werte, die aus den spezifizierten Bereichen herausfallen, ebenfalls einbezogen sein können, um im Wesentlichen dieselben technischen Vorteile der Erfindung zu ergeben, wie in den beigefügten Ansprüchen angegeben.
Die in den beigefügten Zeichnungen gezeigten Einspritzdüsen sind solche, die üblicherweise als Düsen vom VCO-Typ (vom Typ der ventilbedeckten Öffnung, valve covered orifice type) bezeichnet werden, in denen die Ventilnadel 10 das Einlassende des oder eines jeden Düsenauslasses 18 abdeckt, wenn sie sich in ihrer Sitzposition befindet (d. h. wenn keine Einspritzung stattfindet). Die Erfindung ist jedoch gleichermaßen auf Einspritzdüsen vom Sackloch-Typ anwendbar, in denen das Einlassende eines jeden Düsenauslasses sich in beständiger Verbindung mit der Sackloch-Kammer am geschlossenen Ende der Düsenkörper-Bohrung befindet und die Bewegung der Ventilnadel in ihre Sitzposition und weg davon dazu dient, den Kraftstoffstrom in die Sacklochkammer und damit durch die Düsenauslässe zu steuern.

Claims

Einspritzdüse für einen Verbrennungsmotor, umfassend einen Düsenkörper (16), der mit einer Bohrung versehen ist, die eine Ventilsitz-Oberfläche (14) aufweist, welche einen Sitzkonuswinkel (θS) bildet, und ein Ventilelement (10), welches innerhalb der Bohrung bewegbar ist und folgendes umfasst: einen stromaufwärts gelegenen, kegelstumpfförmigen Sitzbereich (22), der einen stromaufwärts gelegenen Konuswinkel (θB) bildet, wobei der stromaufwärts gelegene Konuswinkel (θB) und der Sitzkonuswinkel (θS) zusammen einen ersten Differenzwinkel zwischen sich bilden, und einen stromabwärts gelegenen, kegelstumpfförmigen Sitzbereich (20, 24), der einen stromabwärts gelegenen Konuswinkel (θA) bildet, wobei der stromabwärts gelegene Konuswinkel (θA) und der Sitzkonuswinkel (θS) zusammen einen zweiten Differenzwinkel zwischen sich bilden, wobei das Ventilelement weiterhin einen zusätzlichen ringförmigen Rippenbereich (40) aufweist, der zwischen dem stromaufwärts gelegenen Sitzbereich (22) und dem stromabwärts gelegenen Sitzbereich (20, 24) aus der Oberfläche des Ventilelements (10) herausragt und unmittelbar stromabwärts des stromaufwärts gelegenen Sitzbereiches (22) angeordnet ist, worin der ringförmige Rippenbereich (40) eine Sitzlinie (112) mit einem Sitzdurchmesser bildet, wobei die Sitzlinie (112) an der Ventilsitz-Oberfläche (14) angreifen bzw. zur Anlage gelangen kann, um die Einspritzung von Kraftstoff aus dem Düsenkörper (16) zu steuern.
Einspritzdüse wie in Anspruch 1 beansprucht, worin der ringförmige Rippenbereich (40) einen stromaufwärts gelegenen Rippenbereich (44) und einen stromabwärts gelegenen Rippenbereich (46) umfasst, und wobei die Sitzlinie (112) an einem Schnittbereich zwischen dem stromaufwärts gelegenen und dem stromabwärts gelegenen Rippenbereich (44, 46) ausgebildet ist.
Einspritzdüse wie in Anspruch 2 beansprucht, worin das Ventilelement (10) eine Umfangsnut (48) besitzt, die stromabwärts des stromabwärts gelegenen Rippenbereichs (46) und unmittelbar stromaufwärts eines weiteren Bereichs (24) angeordnet ist, worin eine untere Kante oder ein unterer Rand der Umfangsnut und der weitere Bereich (24) einen Schnittbereich bilden, der zusammen mit der Sitz-Oberfläche (14) einen radialen Spalt begrenzt, der ausreichend klein ist, so dass ein unterer Teil des stromabwärts gelegenen Rippenbereichs (46) eine tragende Fläche für das Ventilelement (10) bildet.
Einspritzdüse wie in einem der Ansprüche 1 bis 3 beansprucht, worin der stromaufwärts gelegene Rippenbereich (44) sich unmittelbar stromabwärts des stromaufwärts gelegenen Sitzbereichs (22) befindet oder einen integralen Teil davon bildet und worin der stromabwärts gelegene Rippenbereich (46) sich unmittelbar stromaufwärts des stromabwärts gelegenen Sitzbereichs (20) befindet oder einen integralen Teil davon bildet.
Einspritzdüse wie in einem der Ansprüche 1 bis 4 beansprucht, worin der erste Differenzwinkel kleiner als der zweite Differenzwinkel ist.
Einspritzdüse wie in einem der Ansprüche 1 bis 4 beansprucht, worin der erste Differenzwinkel größer als der zweite Differenzwinkel ist.
Einspritzdüse wie in einem der Ansprüche 1 bis 6 beansprucht, worin der ringförmige Rippenbereich (40, 44, 46) so geformt ist, dass der stromaufwärts gelegene Bereich (22) zusammen mit der Sitz-Oberfläche (14) einen radialen Spalt von nicht mehr als 10 μm begrenzt.
Einspritzdüse wie in einem der Ansprüche 1 bis 7 beansprucht, worin der ringförmige Rippenbereich (40, 44, 46) so geformt ist, dass ein Bereich (24) des Ventilelements (10) in Nachbarschaft zu der Rippe auf einer stromabwärts gelegenen Seite der Sitzlinie (112) zusammen mit der Sitz-Oberfläche (14) einen radialen Spalt von nicht mehr als 10 μm begrenztA.
Einspritzdüse wie in Anspruch 8 beansprucht, worin der Bereich in Nachbarschaft zu dem Rippenbereich (40, 44, 46) auf der stromabwärts gelegenen Seite der Sitzlinie (112) ein Ventilspitzenbereich (24) ist.
Einspritzdüse wie in Anspruch 9 beansprucht, worin der Ventilspitzenbereich (24) eine kegel- oder kuppenförmige Spitze (28) umfasst.
Einspritzdüse wie in einem der Ansprüche 1 bis 10 beansprucht, bei der es sich entweder um (i) eine solche vom VCO-Typ oder (ii) eine solche vom Sackloch-Typ handelt.