EP1528251A1 - Injektor mit Strukturen zur Begrenzung verschleissbedingter Änderungen eines Öffnungsverlaufs - Google Patents

Injektor mit Strukturen zur Begrenzung verschleissbedingter Änderungen eines Öffnungsverlaufs Download PDF

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EP1528251A1
EP1528251A1 EP04020971A EP04020971A EP1528251A1 EP 1528251 A1 EP1528251 A1 EP 1528251A1 EP 04020971 A EP04020971 A EP 04020971A EP 04020971 A EP04020971 A EP 04020971A EP 1528251 A1 EP1528251 A1 EP 1528251A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
injector
conical
nozzle needle
grooves
seating area
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04020971A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Friedrich Boecking
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1528251A1 publication Critical patent/EP1528251A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M47/00—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M47/02—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure of accumulator-injector type, i.e. having fuel pressure of accumulator tending to open, and fuel pressure in other chamber tending to close, injection valves and having means for periodically releasing that closing pressure
    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/18—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for
    • F02M61/1873—Valve seats or member ends having circumferential grooves or ridges, e.g. toroidal
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02M2200/30—Fuel-injection apparatus having mechanical parts, the movement of which is damped
    • F02M2200/304—Fuel-injection apparatus having mechanical parts, the movement of which is damped using hydraulic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/31—Fuel-injection apparatus having hydraulic pressure fluctuations damping elements
    • F02M2200/315—Fuel-injection apparatus having hydraulic pressure fluctuations damping elements for damping fuel pressure fluctuations

Definitions

  • the invention relates to an injector with a nozzle needle, which has a conical seating area, and with a Nozzle body in which the nozzle needle is axially movable and a conical contact surface for the seating area , wherein a portion of the seating area at closed injector one on the conical contact surface resting sealing surface forms, one on a first Side of the seating area arranged pressure chamber of at least one on a second side of the seating area arranged injection port separates, and with at least a circumferential groove in the nozzle body or the Nozzle needle on at least one side of the seating area.
  • Such an injector is known from DE 101 22 503 A1. Basically, in such an injector is the Problem that the position of the sealing surface relative to the Cone of the nozzle body and relative to the cone of the Can change nozzle needle. Such a change comes e.g. by the fact that the nozzle needle due to wear incorporated into the nozzle body. Being on a conical Seating area, she wanders while incorporating the Nozzle needle in the nozzle body further outward. As a result is the remaining outside the sealing surface hydraulic effective residual surface of the nozzle needle reduced.
  • Wear-related changes of the hydraulically effective Rest area thus influence a relation between one Opening force and pressure in the pressure chamber. she thus also influence the time course of a Opening of the injector in a controlled Closing force change.
  • the seating area arranged circumferential groove in the Nozzle body or nozzle needle becomes a lateral distance generated between the nozzle needle and the nozzle body. Of the lateral spacing prevents the formation of a sealing edge or a sealing surface in the region of the circumferential groove and thus limits a change in the hydraulically effective Area.
  • the conical seating area has a defined share of the Opening force. But as soon as wear a largely parallel arrangement of conical seating area and conical contact surface, provides the conical Seating area only when lifting the nozzle needle from the Sealing surface contributing to the opening pressure, its amount but is subject to undefined fluctuations.
  • injectors with the described radial circumferential grooves a good constancy of temporal Course of injector openings over the life of the Injectors show.
  • the described injectors are especially in storage injection systems for Internal combustion engines with direct injection of Fuel used in combustion chambers of internal combustion engines. Especially with such an application, it is desirable that the life of the injectors at least as long as the life of the rest Components of the internal combustion engine.
  • the object is the invention in the specification of an injector with a further improved Lifetime and reproducibility of the opening behavior over the life.
  • This task is at an injector of the beginning mentioned type solved by a plurality of circumferential grooves, arranged on at least one side of the seating area are.
  • the plurality of circumferential grooves the first, the pressure chamber facing side of Sealing area is arranged.
  • the plurality of circumferential grooves one of the injection port facing the second side of the Sealing area arranged.
  • Another embodiment is characterized in that depending on a plurality of circumferential grooves on one of Pressure chamber facing first side and one of the Injection opening facing the second side of the Sealing area is arranged.
  • This embodiment combines the above Advantages and thus ensures good damping in Compound with an improvement in exhaust emissions and the wear behavior.
  • a further preferred embodiment is characterized out that the grooves on the first side by at least one axial groove hydraulically with the pressure chamber be connected and / or circulating on the second side Grooves hydraulically with the at least one injection port get connected.
  • At least one axial groove in the Nozzle needle is arranged.
  • at least one axial groove also in the conical contact surface be arranged of the nozzle body.
  • a arranged in the nozzle needle axial groove can be easier and therefore cheaper to manufacture than one in arranged the conical contact surface of the nozzle body Axial groove.
  • the disadvantage could be such an arrangement however in connection with different surface hardnesses the conical contact surface of the nozzle body, in the Usually softer than the seating area of the valve needle, impact.
  • In an arrangement of the longitudinal grooves in the Nozzle needle has been shown to be a possible Rotary movement of the nozzle needle to its Lekssache to a Milling action on the conical contact surface of the nozzle body can lead.
  • Such a milling effect is due to the fact that the Edges of the axial grooves in a hard nozzle needle rather like Cutting edges of a router act as if in the comparatively softer material of the nozzle body are arranged over which, if necessary, the harder Turn the nozzle needle away. Regardless of where the axial grooves are arranged, they cause a throttling action, the constructive by length and cross section of the axial grooves is determinable. By this constructive determination can Pressure buildup and pressure reduction gradient constructive being influenced, being usually very steep Pressure gradients are preferred, as by achieved comparatively large cross-sections of the axial grooves become.
  • said plurality of 2 to 10 Includes grooves.
  • the plurality of grooves in one conical recess of the nozzle needle are arranged with the conical contact surface an angle between zero and three degrees, and away from the seating area starting opens.
  • the injector is characterized in that a wall of a groove and the conical contact surface of the nozzle body at an angle of eighty to one hundred degrees collide. It has become the angle of ninety degrees is particularly advantageous exposed.
  • FIG. 1 shows a storage injection system 10 with a Injector 12, the fuel from a high-pressure accumulator 14th receives.
  • the fuel pressure in the high-pressure accumulator 14 is generated by a high-pressure pump 16, the fuel off a low-pressure system is supplied, the at least one Fuel tank 18 includes.
  • the applicant is the of the High pressure pump 16 provided pressure in the Magnitude of up to 1600 bar.
  • a nozzle needle 20 is guided on a Injection-side end of a conical seating area 22nd having.
  • the nozzle needle 20 is from a nozzle body 24th received, which has a conical contact surface 26 for the conical seating area 22 of the nozzle needle possesses.
  • a new-type injector 12 is formed First, a sealing edge 28, which increases with increasing Operating time of the injector 12 gradually to a Widened sealing surface 28.
  • the broadening results as a result of setting or incorporating the nozzle needle 20 in the conical contact surface 26 of the nozzle body 24.
  • Im closed state separates the sealing edge or Sealing surface 28 a pressure chamber 30 of a Injection opening 32.
  • the pressure chamber is thus on a first side 31 of the conical seating area 22 and the Injection port 32 is on a second side 33 of the conical seat portion 22 is arranged.
  • the conical seating area 22 on his first side 31 bounded by a groove 34 which in the Nozzle needle 20 is arranged radially circumferentially.
  • the pressure chamber 30 is supplied via an inlet 36 with fuel filled from the high-pressure accumulator 14 and is therefore below the pressure that prevails in the high-pressure accumulator 14.
  • This pressure calls on a hydraulically active surface 38 a force that is directed to be at sufficiently high amount of the nozzle needle 20 against closing acting forces of the conical contact surface 26 lifts and opens the injector in this way.
  • open Injector will fuel over the inlet 36, the Pressure chamber 30 and the injection port 32, for example in a combustion chamber, not shown a Internal combustion engine, in particular a diesel engine, injected.
  • a closing force acts essentially a compressive force in a control chamber 40, which via an inlet throttle 42 with the Inlet 36 is connected and in which as a result also adjusts the pressure prevailing in the high-pressure accumulator 14 pressure.
  • An additional closing force component can by a elastic element 44, for example a steel spring, be applied.
  • Opening and closing the injector 12 takes place in a controlled manner by varying the pressure in the control room. In this case, a pressure build-up takes place via the inlet throttle 42 with the control valve 48 closed. Inlet throttle 42 and an outlet throttle 46 are so designed that with open control valve 48 a Pressure reduction in the control room 40 takes place.
  • the control valve 48 is controlled by a controller 52.
  • the closing forces and outweigh sinking pressure in the control chamber 40 the injector then opens, when at the hydraulically active surface 38th attacking opening forces greater than the remaining Closing forces are.
  • the curve 54 denotes a course of the Pressure in the control room 40 at an opening and subsequent Close the control valve 48.
  • the control valve 48 opens at a time t_0.
  • the pressure drops in the Control room 40 and goes through a value p_1.
  • This Pressure value p_1 corresponds to a new-type injector 12 a pressure in which a balance of power between the Closing forces and opening forces at the nozzle needle 20 attack, prevails. Dominate the further decline the opening forces caused by the pressure in the pressure chamber 30 are generated on the hydraulically active surface 38.
  • the injector 12 by lifting the nozzle needle 20 of the conical contact surface 26 of the nozzle body 24th open.
  • the opening of the valve takes place at time t_1 and is graphically illustrated in the figure 3, the time course of the opening of the injector 12, for example, the time course 56 of a distance between nozzle needle 20 and conical bearing surface 26, represents.
  • a reduced pressure 58 at an opened injector 12 a is the Fuel flow through the injector 12 is interrupted and it a pressure oscillation 60 arises in the pressure chamber 30 and in the control room 40 a.
  • By closing the Control valve 48 initially increases the pressure in the control room 40th so that the closing force dominates again and the Nozzle needle 20 on the conical contact surface 26 of the Nozzle body 24 presses.
  • the pressure oscillation 60 ensures a strong mechanical load on the sealing surface 28, which with increasing operating time of the injector 12 to a Broadening of the sealing surface 28 and to a setting of Nozzle needle 20 leads.
  • a setting of the nozzle needle 20 means that the Nozzle needle 20 deeper into the nozzle body 24 incorporates.
  • the hydraulically effective surface 38 decreases and with that also at a certain pressure in the Pressure chamber 30 generated opening force.
  • FIG. 4 shows an embodiment of a injector according to the invention a section of a Nozzle needle 20, which cooperates with a nozzle body 24.
  • the embodiment according to the figure 4 is characterized a plurality 64 of grooves 66, 68, 70, 72 made on a first side 31 of the conical seating area 22 of FIG Nozzle needle 20 are arranged.
  • a volume of a wedge-shaped gap 74 through the grooves only slightly increased. As mentioned earlier, this has an improvement in the damping properties result.
  • Nozzle needle 20 may also have another plurality 84 of grooves 86, 88, 90, 92 on a second side 33 of the conical Seating area 22 of the nozzle needle 20 may be arranged.
  • axial grooves 96 are also in the Nozzle needle 20 or axial grooves 98 in the nozzle body 24th intended. If several axial grooves are provided, be these preferably distributed symmetrically over the circumference.
  • the plurality 84 of grooves 86, 88, 90, 92, the on the second side 33 of the conical seating area 22 can be arranged in a conical recess 100th can be generated, which has an angle 102 of zero to three degrees with the conical bearing surface 26 of the nozzle body 24th forms.
  • Figure 5 shows a preferred property of the radial circumferential grooves. These are preferably made a wall 104 of a groove 106 and the conical Abutment surface 26 at an angle of eighty to one hundred Degrees, preferably of ninety degrees, collide. there is the in the figure 5 with the ziff. 106 designated groove representative of all previously mentioned radial circumferential grooves 66 to 72 and 86 to 92.

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Abstract

Vorgestellt wird ein Injektor (12) mit einer Düsennadel (20), die einen konischen Sitzbereich (22) aufweist, und mit einem Düsenkörper (24), in dem die Düsennadel (20) axial beweglich geführt wird und der eine konische Anlagefläche (26) für den Sitzbereich (22) aufweist, wobei ein Teilbereich des Sitzbereichs (22) bei geschlossenem Injektor (12) eine auf der konischen Anlagefläche (26) aufliegende Dichtfläche (28) bildet, die eine auf einer ersten Seite (31) des Sitzbereiches (22) angeordnete Druckkammer (30) von wenigstens einer auf einer zweiten Seite (33) des Sitzbereiches (22) angeordneten Einspritzöffnung (32) trennt, und mit wenigstens einer umlaufenden Nut (66, 68, 70, 72, 86, 88, 90, 92, 94) in den Düsenkörper (24) oder der Düsennadel (20) auf wenigstens einer Seite (31, 33) des Sitzbereiches (22). Der Injektor zeichnet sich dadurch aus, dass eine Vielzahl (64, 84) umlaufender Nuten (66, 68, 70, 72, 86, 88, 90, 92, 94) auf wenigstens einer Seite (31, 33) des Sitzbereiches (22) angeordnet sind. <IMAGE>

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Injektor mit einer Düsennadel, die einen konischen Sitzbereich aufweist, und mit einem Düsenkörper, in dem die Düsennadel axial beweglich ist und der eine konische Anlagefläche für den Sitzbereich aufweist, wobei ein Teilbereich des Sitzbereichs bei geschlossenem Injektor eine auf der konischen Anlagefläche aufliegende Dichtfläche bildet, die eine auf einer ersten Seite des Sitzbereiches angeordnete Druckkammer von wenigstens einer auf einer zweiten Seite des Sitzbereiches angeordneten Einspritzöffnung trennt, und mit wenigstens einer umlaufenden Nut in dem Düsenkörper oder der Düsennadel auf wenigstens einer Seite des Sitzbereiches.
Ein solcher Injektor ist aus der DE 101 22 503 A1 bekannt. Grundsätzlich besteht bei einem solchen Injektor das Problem, dass sich die Lage der Dichtfläche relativ zu dem Konus des Düsenkörpers und relativ zu dem Konus der Düsennadel ändern kann. Eine solche Änderung kommt z.B. dadurch zustande, dass sich die Düsennadel durch Verschleiß in den Düsenkörper einarbeitet. Da sie auf einem konischen Sitzbereich liegt, wandert sie beim Einarbeiten der Düsennadel in den Düsenkörper weiter nach außen. Als Folge wird die außerhalb der Dichtfläche verbleibende hydraulisch wirksame Restfläche der Düsennadel verringert. Dabei ergibt sich die hydraulische Wirksamkeit der Restfläche durch einen in der Druckkammer herrschenden Druck, der auf die Restfläche wirkt und eine Druckkraft erzeugt, die so gerichtet ist, dass sie bei ausreichender Größe die Düsennadel von der konischen Anlagefläche des Düsenkörpers abhebt und damit den Injektor öffnet.
Verschleißbedingte Änderungen der hydraulisch wirksamen Restfläche beeinflussen damit eine Relation zwischen einer Öffnungskraft und einem Druck in der Druckkammer. Sie beeinflussen damit auch den zeitlichen Verlauf einer Öffnung des Injektors bei einer gesteuerten Schließkraftänderung. Durch eine auf der Druckkammerseite des Sitzbereiches angeordnete umlaufende Nut in dem Düsenkörper oder der Düsennadel wird ein lateraler Abstand zwischen der Düsennadel und dem Düsenkörper erzeugt. Der laterale Abstand verhindert die Ausbildung einer Dichtkante oder einer Dichtfläche im Bereich der umlaufenden Nut und begrenzt damit eine Veränderung der hydraulisch wirksamen Fläche.
Dies ist aus der eingangs genannten DE 101 22 503 A1 bekannt, die zu diesem Zweck eine einzelne, vergleichsweise breite Nut auf einer Druckkammerseite der Dichtfläche vorsieht. Darüber hinaus sieht diese Schrift eine weitere Nut in der Düsennadel vor, die auf der zweiten Seite des Sitzbereiches radial umlaufend angeordnet ist. Diese Nut hat folgende Funktion. Im Neuzustand unterscheiden sich die Öffnungswinkel des konischen Sitzbereiches der Düsennadel und der konischen Anlagefläche in dem Düsenkörper geringfügig in einer Größenordnung von einem bis drei Grad, wobei der konische Sitzbereich der Düsennadel einen stumpferen Winkel aufweist. Als Folge bildet sich eine umlaufende Dichtkante oder Dichtfläche auf der zweiten Seite des konischen Sitzbereiches aus. Unterhalb des konisches Sitzbereiches besitzt die Düsennadel einen Konuswinkel, der noch stumpfer ist als der Winkel des konischen Sitzbereiches. Oberhalb des konischen Sitzbereiches besitzt die Düsennadel einen Öffnungswinkel der spitzer ist als der Winkel des konischen Sitzbereiches.
Solange sich die Winkel der konischen Anlagefläche und des konischen Sitzbereiches voneinander unterscheiden, liefert der konische Sitzbereich einen definierten Anteil an der Öffnungskraft. Sobald sich aber durch Verschleiß eine weitgehend parallele Anordnung von konischem Sitzbereich und konischer Anlagefläche einstellt, liefert der konische Sitzbereich erst beim Abheben der Düsennadel von der Dichtfläche einen Beitrag zum Öffnungsdruck, dessen Betrag aber undefinierten Schwankungen unterworfen ist.
Solche undefinierten Schwankungen beeinflussen ebenfalls die Relation zwischen einem Druck in der Druckkammer und einem Öffnungsdruck sowie den Öffnungsverlauf des Injektors negativ. Durch die auf der zweiten Seite des konischen Sitzbereiches umlaufende Nut wird die Ausbildung paralleler Flächen auf der Düsennadel und der konischen Anlagefläche des Düsenkörpers im Bereich der Nut verhindert. Auf diese Weise wird zumindest das Ausmaß der unerwünschten Schwankungen beschränkt.
Es hat sich gezeigt, dass Injektoren mit den beschriebenen radial umlaufenden Nuten eine gute Konstanz des zeitlichen Verlaufs von Injektoröffnungen über der Lebensdauer des Injektors zeigen. Die beschriebenen Injektoren werden insbesondere bei Speichereinspritzsystemen für Verbrennungsmotoren mit direkter Einspritzung von Kraftstoff in Brennräume der Verbrennungsmotoren verwendet. Insbesondere bei einer solchen Anwendung ist es wünschenswert, dass die Lebensdauer der Injektoren wenigstens so groß ist wie die Lebensdauer der übrigen Komponenten des Verbrennungsmotors.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe, die Erfindung in der Angabe eines Injektors mit einer weiter verbesserten Lebensdauer und Reproduzierbarkeit des Öffnungsverhaltens über der Lebensdauer.
Diese Aufgabe wird bei einem Injektor der eingangs genannten Art durch eine Vielzahl umlaufender Nuten gelöst, die auf wenigstens einer Seite des Sitzbereiches angeordnet sind.
Es hat sich gezeigt, dass eine solche Vielzahl umlaufender Nuten ein beim Schließen des Injektors erfolgendes Auftreffen der Düsennadel auf die konische Anlagefläche wesentlich besser dämpft, als dies mit nur einer Nut auf einer Seite des Sitzbereiches der Fall wäre. Durch die verbesserte Dämpfung wird die Lebensdauer des Injektors und die Reproduzierbarkeit seines Öffnungsverhaltens wesentlich verbessert, so dass die Aufgabe der Erfindung vollkommen gelöst wird.
Es ist bevorzugt, dass die Vielzahl umlaufender Nuten auf der ersten, der Druckkammer zugewandten Seite des Dichtbereichs angeordnet ist.
Durch diese Maßnahme werden die Dämpfungseigenschaften wesentlich verbessert. Beim Einarbeiten der Ventilnadel in den Ventilkörper aufgrund von Verschleiß bekommen auch Kanten der Nuten mit der konischen Anlagefläche des Düsenkörpers Kontakt und tragen somit zum Tragbild bei geschlossenem Injektor bei. Dadurch wird der Verschleiß weiter reduziert. Zusätzlich verschleißmindernd wirkt die Tatsache, dass eine Vielzahl kleiner Nuten das Kraftstoffvolumen zwischen der Düsennadel und dem Ventilkörper nur vergleichsweise geringfügig vergrößern, während eine einzelne große Nut dieses Kraftstoffvolumen vergleichsweise stark vergrößert.
Es hat sich gezeigt, dass eine starke Vergrößerung dieses Kraftstoffvolumens die Dämpfungseigenschaften negativ beeinträchtigt. Dies wird möglicherweise dadurch verursacht, dass ein beim Schließen des Injektors auftretender Druckimpuls zu schnell durch das vergrößerte Volumen abgebaut wird. Das Ersetzen einer einzelnen großen Nut durch eine Vielzahl kleiner Nuten bewirkt damit einerseits eine Verschleißminderung über eine Verbesserung der Dämpfung und andererseits eine Verschleißminderung über Beiträge von Nutkanten zum Tragbild des geschlossenen Injektors. Dabei wird unter dem Tragbild die Summe der Kontaktflächen zwischen der konischen Anlagefläche des Düsenkörpers und der Düsennadel verstanden.
Bevorzugt ist auch, dass die Vielzahl umlaufender Nuten auf einer der Einspritzöffnung zugewandten zweiten Seite des Dichtbereichs angeordnet.
Auch hier besitzt das Ersetzen einer großen Nut durch eine Vielzahl kleinerer Nuten den Vorteil, dass ein Kraftstoffvolumen zwischen der Düsennadel und dem Düsenkörper verringert wird. Dadurch werden die Dämpfungseigenschaften verbessert. Als weiterer Vorteil stellt sich eine Verbesserung der Abgasemissionen ein, die dadurch verursacht wird, dass bei geschlossenem Injektor weniger Kraftstoff durch die wenigstens eine Einspritzöffnung ausgeblasen werden kann.
Eine weitere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass je eine Vielzahl umlaufender Nuten auf einer der Druckkammer zugewandten ersten Seite und einer der Einspritzöffnung zugewandten zweiten Seite des Dichtbereichs angeordnet ist.
Diese Ausgestaltung kombiniert die vorstehend genannten Vorteile und sorgt damit für eine gute Dämpfung in Verbindung mit einer Verbesserung der Abgasemissionen und des Verschleißverhaltens.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die auf der ersten Seite umlaufenden Nuten durch wenigstens eine Axialnut hydraulisch mit der Druckkammer verbunden werden und/oder auf der zweiten Seite umlaufende Nuten hydraulisch mit der wenigstens einen Einspritzöffnung verbunden werden.
Durch die hydraulische Verbindung auf der ersten Seite werden die vorstehend genannten Vorteile ohne eine Verringerung der hydraulisch wirksamen Fläche, an der ein öffnender Druck angreift, erreicht. Durch die axialen Nuten stellt sich auch innerhalb der gegebenenfalls am Ventilkörper anliegenden Nuten der Druck in der Druckkammer ein und erzeugt in den Nuten Öffnungskraft-Beiträge. Darüber hinaus erlauben die axialen Nuten beim Schließen des Injektors eine Druckentlastung der umlaufenden Radialnuten, was beim Schließvorgang sonst gegebenenfalls auftretende Öffnungskraftspitzen vermeidet und damit zu einem definierten Schließen des Injektors beiträgt.
Dabei ist bevorzugt, dass wenigstens eine Axialnut in der Düsennadel angeordnet ist. Alternativ oder ergänzend kann wenigstens eine Axialnut auch in der konischen Anlagefläche des Düsenkörpers angeordnet sein.
Eine in der Düsennadel angeordnete Axialnut lässt sich einfacher und damit kostengünstiger fertigen als eine in der konischen Anlagefläche des Düsenkörpers angeordnete Axialnut. Nachteilig könnte sich eine solche Anordnung jedoch in Verbindung mit verschiedenen Oberflächenhärten der konischen Anlagefläche des Düsenkörpers, der in der Regel weicher ist als der Sitzbereich der Ventilnadel, auswirken. Bei einer Anordnung der Längsnuten in der Düsennadel hat sich gezeigt, dass eine mögliche Drehbewegung der Düsennadel um seine Längsache zu einer Fräswirkung an der konischen Anlagefläche des Düsenkörpers führen kann.
Eine solche Fräswirkung kommt dadurch zustande, dass die Kanten der Axialnuten in einer harten Düsennadel eher wie Schneidkanten eines Fräsers wirken, als wenn sie in dem vergleichsweise weicheren Material des Düsenkörpers angeordnet sind, über den sich gegebenenfalls die härtere Düsennadel hinwegdreht. Unabhängig davon, wo die Axialnuten angeordnet sind, rufen sie eine Drosselwirkung hervor, die durch Länge und Querschnitt der Axialnuten konstruktiv festlegbar ist. Durch diese konstruktive Festlegung können Druckaufbau- und Druckabbau-Gradienten konstruktiv beeinflusst werden, wobei in der Regel sehr steile Druckgradienten bevorzugt werden, wie sie durch vergleichsweise große Querschnitte der Axialnuten erzielt werden.
Weiter ist bevorzugt, dass die genannte Vielzahl 2 bis 10 Nuten umfasst.
Dieser Bereich von Zahlen von Nuten hat sich als besonders vorteilhaft im Hinblick auf eine Realisierung der oben genannten Vorteile herausgestellt.
Ferner ist bevorzugt, dass die Vielzahl von Nuten in einer konischen Vertiefung der Düsennadel angeordnet sind, die mit der konischen Anlagefläche einen Winkel zwischen Null und drei Grad bildet, und sich von dem Sitzbereich ausgehend öffnet.
Auch bei dieser Ausgestaltung handelt es sich um eine Form, deren Nutzen sich mit Blick auf die oben genannten Vorteile empirisch gezeigt hat.
Dies gilt analog für eine Ausgestaltung des Injektors, die sich dadurch auszeichnet, dass eine Wand einer Nut und die konische Anlagefläche des Düsenkörpers in einem Winkel von achtzig bis hundert Grad aufeinander stoßen. Dabei hat sich der Winkel von neunzig Grad als besonders vorteilhaft herausgestellt.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
schematisch ein Speichereinspritzsystem mit einem bekannten Injektor;
Fig. 2
Verläufe von Drücken an verschiedenen Stellen des Injektors aus der Figur 1 über der Zeit;
Fig. 3
einen resultierenden zeitlichen Verlauf einer Öffnung des Injektors;
Fig. 4
einen mit einem Ventilkörper zusammenwirkenden Abschnitt einer Düsennadel eines erfindungsgemäßen Injektors; und
Fig. 5
einen Querschnitt von Nuten, die radial umlaufend in einer Düsennadel angeordnet sind.
Figur 1 zeigt ein Speichereinspritzsystem 10 mit einem Injektor 12, der Kraftstoff aus einem Hochdruckspeicher 14 erhält. Der Kraftstoffdruck im Hochdruckspeicher 14 wird von einer Hochdruckpumpe 16 erzeugt, der Kraftstoff aus einem Niederdrucksystem zugeführt wird, das zumindest einen Kraftstofftank 18 umfasst. Bei sogenannten Common-Rail-Speichereinspritzsystemen des Anmelders liegt der von der Hochdruckpumpe 16 bereitgestellte Druck in der Größenordnung von bis zu 1600 bar. In dem Injektor 12 ist axial beweglich eine Düsennadel 20 geführt, die an einem einspritzseitigen Ende einen konischen Sitzbereich 22 aufweist. Die Düsennadel 20 wird von einem Düsenkörper 24 aufgenommen, der eine konische Anlagefläche 26 für den konischen Sitzbereich 22 der Düsennadel besitzt.
Bei geschlossenem Injektor 12 liegt ein Teilbereich des konischen Sitzbereichs 22 auf der konischen Anlagefläche 26 auf und bildet dort eine Dichtfläche oder Dichtkante 28. Dabei bildet sich bei einem neuwertigen Injektor 12 zunächst eine Dichtkante 28 aus, die sich mit zunehmender Betriebszeit des Injektors 12 allmählich zu einer Dichtfläche 28 verbreitert. Die Verbreiterung ergibt sich als Folge eines Setzens oder Einarbeitens der Düsennadel 20 in die konische Anlagefläche 26 des Düsenkörpers 24. Im geschlossenen Zustand trennt die Dichtkante oder Dichtfläche 28 eine Druckkammer 30 von einer Einspritzöffnung 32. Die Druckkammer liegt damit auf einer ersten Seite 31 des konischen Sitzbereiches 22 und die Einspritzöffnung 32 ist auf einer zweiten Seite 33 des konischen Sitzbereichs 22 angeordnet. In der Darstellung der Figur 1 wird der konische Sitzbereich 22 auf seiner ersten Seite 31 durch eine Nut 34 begrenzt, die in der Düsennadel 20 radial umlaufend angeordnet ist.
Die Druckkammer 30 wird über einen Zulauf 36 mit Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher 14 gefüllt und steht daher unter dem Druck, der auch in dem Hochdruckspeicher 14 herrscht. Dieser Druck ruft an einer hydraulisch wirksamen Fläche 38 eine Kraft hervor, die so gerichtet ist, dass sie bei hinreichend hohem Betrag die Düsennadel 20 gegen schließend wirkende Kräfte von der konischen Anlagefläche 26 abhebt und den Injektor auf diese Weise öffnet. Bei geöffnetem Injektor wird Kraftstoff über den Zulauf 36, die Druckkammer 30 und die Einspritzöffnung 32 zum Beispiel in einen nicht dargestellten Brennraum eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors, eingespritzt.
Als Schließkraft wirkt im Wesentlichen eine Druckkraft in einem Steuerraum 40, der über eine Zulaufdrossel 42 mit dem Zulauf 36 verbunden ist und in dem sich als Folge ebenfalls der im Hochdruckspeicher 14 herrschende Druck einstellt. Eine zusätzliche Schließkraftkomponente kann durch ein elastisches Element 44, beispielsweise eine Stahlfeder, aufgebracht werden. Ein Öffnen und Schließen des Injektors 12 erfolgt in gesteuerter Weise durch Variieren des Druckes im Steuerraum. Dabei erfolgt ein Druckaufbau jeweils über die Zulaufdrossel 42 bei geschlossenem Steuerventil 48. Zulaufdrossel 42 und eine Ablaufdrossel 46 sind so ausgelegt, dass bei geöffnetem Steuerventil 48 ein Druckabbau im Steuerraum 40 stattfindet. Das Steuerventil 48 wird durch ein Steuergerät 52 gesteuert. Bei hohem Druck im Steuerraum 40 überwiegen die schließenden Kräfte und bei sinkendem Druck im Steuerraum 40 öffnet der Injektor dann, wenn die an der hydraulisch wirksamen Fläche 38 angreifenden Öffnungskräfte größer als die verbleibenden Schließkräfte werden.
In der Figur 2 bezeichnet die Kurve 54 einen Verlauf des Druckes im Steuerraum 40 bei einem Öffnen und nachfolgendem Schließen des Steuerventils 48. Das Steuerventil 48 öffnet zu einem Zeitpunkt t_0. Als Folge sinkt der Druck im Steuerraum 40 ab und durchläuft einen Wert p_1. Dieser Druckwert p_1 entspricht bei einem neuwertigen Injektor 12 einem Druck, bei dem ein Kräftegleichgewicht zwischen den Schließkräften und Öffnungskräften, die an der Düsennadel 20 angreifen, herrscht. Beim weiteren Absinken dominieren die Öffnungskräfte, die durch den Druck in der Druckkammer 30 an der hydraulisch wirksamen Fläche 38 erzeugt werden. Als Folge wird der Injektor 12 durch Abheben der Düsennadel 20 von der konischen Anlagefläche 26 des Düsenkörpers 24 geöffnet.
Das Öffnen des Ventils findet zum Zeitpunkt t_1 statt und ist in der Figur 3 grafisch veranschaulicht, die den zeitlichen Verlauf der Öffnung des Injektors 12, beispielsweise den zeitlichen Verlauf 56 eines Abstandes zwischen Düsennadel 20 und konischer Anlagefläche 26, darstellt. Als Folge der dynamischen Durchströmung der Druckkammer 30 bei geöffnetem Injektor 12 stellt sich auch in der Druckkammer 30 ein verringerter Druck 58 bei geöffnetem Injektor 12 ein. Beim Schließen des Steuerventils 48 zu einem Zeitpunkt t_3 wird der Kraftstoffstrom durch den Injektor 12 unterbrochen und es stellt sich eine Druckschwingung 60 in der Druckkammer 30 und im Steuerraum 40 ein. Durch das Schließen des Steuerventils 48 steigt zunächst der Druck im Steuerraum 40 an, so dass die Schließkraft wieder dominiert und die Düsennadel 20 auf die konische Anlagefläche 26 des Düsenkörpers 24 presst.
Insbesondere die Druckschwingung 60 sorgt dabei für eine starke mechanische Belastung der Dichtfläche 28, die mit zunehmender Betriebsdauer des Injektors 12 zu einer Verbreiterung der Dichtfläche 28 und zu einem Setzen der Düsennadel 20 führt. In der Darstellung der Figur 1 bedeutet ein Setzen der Düsennadel 20, dass sich die Düsennadel 20 tiefer in den Düsenkörper 24 einarbeitet. Als Folge verkleinert sich die hydraulisch wirksame Fläche 38 und damit auch die bei einem bestimmten Druck in der Druckkammer 30 erzeugte Öffnungskraft.
Dies hat zur Folge, dass die verbleibende Öffnungskraft erst dann die aus dem Druck 54 im Steuerraum 40 resultierende Schließkraft übersteigt, wenn der Druck im Steuerraum 40 auf einen Druckwert p_2 abgefallen ist. Das bedeutet, dass mit zunehmenden Setzen der Düsennadel 20 ein verspätetes Öffnen und auch ein früheres Schließen des Injektors 12 erfolgt, was in der Figur 3 durch die gestrichelte Kurve 62 dargestellt wird. Dabei bezeichnet der Zeitpunkt t_2 den Zeitpunkt der Öffnung des Injektors 12 beim Durchlaufen des Druckwertes p_2 im Steuerraum 40. Wie bereits weiter oben beschrieben wurde, begrenzt die Nut 34 das Schrumpfen der hydraulisch wirksamen Fläche 38.
Figur 4 zeigt als Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Injektors einen Abschnitt einer Düsennadel 20, die mit einem Düsenkörper 24 zusammenwirkt. Das Ausführungbeispiel nach der Figur 4 zeichnet sich durch eine Vielzahl 64 von Nuten 66, 68, 70, 72 aus, die auf einer ersten Seite 31 des konischen Sitzbereiches 22 der Düsennadel 20 angeordnet sind. Dadurch, dass anstelle einer einzelnen großen Nut eine Vielzahl 64 kleinerer Nuten 66, 68, 70, 72 vorgesehen ist, wird ein Volumen eines keilförmigen Spaltes 74 durch die Nuten nur unwesentlich vergrößert. Wie bereits weiter oben erwähnt wurde, hat dies eine Verbesserung der Dämpfungseigenschaften zur Folge.
Wenn sich der konische Sitzbereich 22 nach sehr langer Betriebsdauer des Injektors 12 komplett in den Düsenkörper 24 eingearbeitet hat, können sukzessive Kanten 67, 69, 71 der Nuten 66, 68, 70, 72 in Kontakt mit der konischen Anlagefläche 26 des Düsenkörpers 24 kommen und so in das Tragbild der Dichtfläche 28 integriert werden. Die Kanten 67, 69, 71 verhaken sich dabei gewissermaßen in der konischen Anlagefläche 26 und sorgen für eine verbesserte Abdichtung auch bei sehr langen Betriebsdauern des Injektors 12. Dabei wird die hydraulisch wirksame Fläche 38, die in der Figur 1 erläutert wurde, nicht vergrößert, weil über eine Axialnut 76 in der Düsennadel 20 und/oder eine Axialnut 78 in dem Düsenkörper 24 eine hydraulische Verbindung des Inneren jeder Nut zur Druckkammer 30 hergestellt wird.
Dadurch wird das Innere der Nuten 66, 68, 70, 72 auch für den Fall druckentlastet, dass sich die Kanten 67, 69, 71 der genannten Nuten in der konischen Anlagefläche 26 verhakt haben und damit dem Flüssigkeitsvolumen in der betreffenden Nut den direkten Weg über den keilförmigen Spalt 74 zur Druckkammer 30 versperrt haben. In der Figur 4 sind alternative Wege 80 und 82 durch die Axialnuten 76 und 78 eingezeichnet, über die Druckspitzen beim Schließen eines bereits stark verschlissenen Injektors 12 abgebaut werden können. Alternativ oder ergänzend zu der Vielzahl 64 von Nuten 66, 68, 70 und 72 auf einer ersten Seite 31 der Düsennadel 20 kann auch eine weitere Vielzahl 84 von Nuten 86, 88, 90, 92 auf einer zweiten Seite 33 des konischen Sitzbereiches 22 der Düsennadel 20 angeordnet sein.
Um eine Druckentlastung dieser Nuten 86, 88, 90, 92 auch in stark verschlissenem Zustand des Injektors 12 zu gewährleisten, sind auch hier Axialnuten 96 in der Düsennadel 20 oder Axialnuten 98 im Düsenkörper 24 vorgesehen. Wenn mehrere Axialnuten vorgesehen sind, werden diese bevorzugt symmetrisch über den Umfang verteilt. Insbesondere die Vielzahl 84 von Nuten 86, 88, 90, 92, die auf der zweiten Seite 33 des konischen Sitzbereichs 22 angeordnet sind, kann in einer konischen Vertiefung 100 erzeugt werden, die einen Winkel 102 von null bis drei Grad mit der konischen Anlagefläche 26 des Düsenkörpers 24 bildet.
Figur 5 zeigt eine bevorzugte Eigenschaft der radial umlaufenden Nuten. Diese werden bevorzugt so hergestellt, dass eine Wand 104 einer Nut 106 und die konische Anlagefläche 26 in einem Winkel von achtzig bis hundert Grad, bevorzugt von neunzig Grad, aufeinander stoßen. Dabei steht die in der Figur 5 mit der Ziff. 106 bezeichnete Nut stellvertretend für alle vorher genannten radial umlaufenden Nuten 66 bis 72 und 86 bis 92.

Claims (9)

  1. Injektor (12) mit einer Düsennadel (20), die einen konischen Sitzbereich (22) aufweist, und mit einem Düsenkörper (24), in dem die Düsennadel (20) axial beweglich geführt wird und der eine konische Anlagefläche (26) für den Sitzbereich (22) aufweist, wobei ein Teilbereich des Sitzbereichs (22) bei geschlossenem Injektor (12) eine auf der konischen Anlagefläche (26) aufliegende Dichtfläche (28) bildet, die eine auf einer ersten Seite (31) des Sitzbereiches (22) angeordnete Druckkammer (30) von wenigstens einer auf einer zweiten Seite (33) des Sitzbereiches (22) angeordneten Einspritzöffnung (32) trennt, und mit wenigstens einer umlaufenden Nut (66, 68, 70, 72, 86, 88, 90, 92, 94) in dem Düsenkörper (24) oder der Düsennadel (20) auf wenigstens einer Seite (31, 33) des Sitzbereiches (22), gekennzeichnet durch eine Vielzahl (64, 84) umlaufender Nuten (66, 68, 70, 72, 86, 88, 90, 92, 94), die auf wenigstens einer Seite (31, 33) des Sitzbereiches (22) angeordnet sind.
  2. Injektor (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl (64, 84) umlaufender Nuten (66, 68, 70, 72, 86, 88, 90, 92, 94) auf der ersten, der Druckkammer (30) zugewandten Seite (31) des Sitzbereichs (22) angeordnet ist.
  3. Injektor (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl (64, 84) umlaufender Nuten (66, 68, 70, 72, 86, 88, 90, 92, 94) auf einer der Einspritzöffnung (32) zugewandten Seite (33) des Sitzbereichs (22) angeordnet ist.
  4. Injektor (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass je eine Vielzahl (64, 84) umlaufender Nuten (66, 68, 70, 72, 86, 88, 90, 92, 94) auf einer der Druckkammer (30) zugewandten ersten Seite (31) und einer der Einspritzöffnung (32) zugewandten zweiten Seite (33) des Sitzbereichs (22) angeordnet ist.
  5. Injektor (12) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eine Axialnut (76, 78; 96, 98), die auf der ersten Seite (31) umlaufende Nuten (66, 68, 70, 72) hydraulisch mit der Druckkammer (30) verbindet und/oder auf der zweiten Seite (33) umlaufende Nuten (86, 88, 90, 92, 94) hydraulisch mit der wenigstens einen Einspritzöffnung (32) verbindet.
  6. Injektor (12) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Axialnut (76, 96) in der Düsennadel (20) angeordnet ist.
  7. Injektor (12) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Axialnut (78, 98) in der konischen Anlagefläche (26) des Düsenkörpers (24) angeordnet ist.
  8. Injektor (12) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei bis zehn Nuten als Vielzahl (64, 84) umlaufender Nuten.
  9. Injektor (12) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl (64, 84) von Nuten (66, 68, 70, 72, 86, 88, 90, 92, 94) in einer konischen Vertiefung (100) der Düsennadel (20) angeordnet ist, die mit der konischen Anlagefläche (26) einen Winkel (102) zwischen Null und drei Grad bildet und sich von dem Sitzbereich (22) ausgehend öffnet.
    Injektor (12) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wand (104) einer Nut (106) und die konische Anlagefläche (26) in einem Winkel von achtzig bis hundert Grad aufeinander stoßen.
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