Kraftstoffinjektor
Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor für Brennkraftmaschinen, wie er zur Kraftstoffeinspritzung unter hohem Druck in den Brennraum einer Brennkraftmaschine verwendet werden kann.
Stand der Technik
Aus der Offenlegungsschrift DE 29 20 100 A1 ist eine Kraftstoffeinspritzdüse bzw. ein Kraftstoffinjektor für Brennkraftmaschinen bekannt. In dem bekannten Kraftstoffinjektor ist eine Düsennadel längsverschiebbar in einem Injektorkörper angeordnet und wirkt mit einer an ihr ausgebildeten Dichtkante mit einem am Injektorkörper ausgebildeten Düsennadelsitz zusammen und öffnet und schließt durch ihre Längsbewegung mehrere erste Einspritzöffnungen. Sich brennraum- seitig daran anschließend weist die Düsennadel einen Zapfenbereich auf, der in eine im Injektorkörper ausgebildete Sacklochbohrung ragt und dadurch mehrere zweite Einspritzöffnungen verschließt. Bis zu einem Teilhub der Düsennadel fließt Kraftstoff nur durch die ersten Einspritzöffnungen in den Brennraum der
Brennkraftmaschine, während der Zapfenbereich die zweiten Einspritzöffnungen abdichtet. Ab dem Teilhub taucht der Zapfenbereich aus der Sacklochbohrung aus und gibt so die zweiten Einspritzöffnungen frei. Dadurch kann eine treppen- förmige Einspritzcharakteristik inklusive guter Kleinstmengenfähigkeit erzielt werden. Die abdichtende Funktion des in die Sacklochbohrung eingetauchten Zapfenbereichs erfordert jedoch eine hohe Fertigungsgenauigkeit und eine hohe
Verschleißbeständigkeit.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor weist demgegenüber bei ähnlicher Einspritzcharakteristik einen geringeren Verschleiß auf und erfordert gleichzeitig eine weniger hohe Fertigungsgenauigkeit.
Dazu weist der Kraftstoffinjektor einen in einem Injektorkörper ausgebildeten
Druckraum auf, in dem eine Düsennadel längsverschiebbar angeordnet ist, die an ihrem brennraumseitigen Ende einen sich in Brennraumrichtung verjüngenden
Kegelbereich und einen Zapfenbereich mit konstantem Durchmesser d23 aufweist. Der Injektorkörper weist außerdem einen im Wesentlichen konischen Dü- sennadelsitz auf, von dem eine erste Einspritzöffnung ausgeht, und eine sich brennraumseitig an den Düsennadelsitz anschließende Sacklochbohrung mit ei- nem zylindrischen Abschnitt mit dem Durchmesser d3i und mit einem Bohrungsgrund, von der eine zweite Einspritzöffnung ausgeht. Der Kegelbereich der Düsennadel wirkt mit dem Düsennadelsitz zusammen und öffnet und schließt dadurch die erste Einspritzöffnung und die zweite Einspritzöffnung gegenüber dem Druckraum. Zumindest während eines Teilhubs der Düsennadel sind die erste Einspritzöffnung und die zweite Einspritzöffnung über einen Drosselspalt, der in der Sacklochbohrung zwischen dem Zapfenbereich und der Wand der Sacklochbohrung ausgebildet ist, miteinander verbunden, und der Drosselspalt bleibt zumindest über den Teilhub konstant. Aufgrund des Drosselspalts kommt es zu keinem Kontakt bzw. nur zu einem geringfügigen Anliegen zwischen Zapfenbe- reich und Düsennadel und damit auch zu keinem oder nur geringem Verschleiß in diesen Bereichen. Weiterhin kann die Fertigung größere Toleranzen aufweisen als wenn der Zapfenbereich eine abdichtende Funktion erfüllen müsste.
In einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Kraftstoff! njektors ist die Differenz des Durchmessers d3i der Sacklochbohrung und des Durchmessers d23 des Zapfenbereichs größer als 6 μηη und kleiner als 30 μηη. Damit ist der Drosselspalt im Mittel größer als 3 μηη und die Toleranzkette zwischen Zapfenbereich und Wand der Sacklochbohrung kann mit bis zu 3 μηη vergleichsweise groß gewählt werden solange die Düsennadel nicht durch Querkräfte belastet wird. Gleichzeitig muss die Spaltbreite kleiner als 15 μηη sein, um eine ausreichende
Drosselfunktion des Drosselspalts zu erreichen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung sind eine oder mehrere zweite Einspritzöffnungen vorhanden, und der Durchflussquerschnitt durch den Drossel- spalt ist kleiner als der summierte Durchflussquerschnitt durch die oder alle zweiten Einspritzöffnungen. Vorzugsweise beträgt der Durchflussquerschnitt durch den Drosselspalt über den Teilhub 15% bis 70% des summierten Durchflussquerschnitts durch die oder alle zweiten Einspritzöffnungen. Dadurch wird die Kraftstoffzufuhr zu den zweiten Einspritzöffnungen gedrosselt, solange der Dros- selspalt vorhanden ist, was eine gute Kleinstmengenfähigkeit des Kraftstoff! njek- tors bedeutet.
Vorteilhaft taucht bei Hüben, die größer als der Teilhub sind, der Zapfenbereich aus der Sacklochbohrung, und der Durchflussquerschnitt in die Sacklochbohrung vergrößert sich gegenüber dem Drosselspalt. Zu den zweiten Einspritzöffnungen wird dadurch mehr Kraftstoff zugeführt, was notwendig ist, um höhere Motorleistungen zu realisieren.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung weist die Düsennadel einen sich brennraumseitig an den Zapfenbereich anschließenden Endbereich auf. Dadurch kann der Übergang von Teil- zu Volllast des Motors sanfter und damit verbrauchsärmer gestaltet werden, da in diesem Übergang die Kurve der Einspritzrate über der Zeit bzw. dem Hub flacher verläuft.
In einer vorteilhaften Ausführung ist der Endbereich als Kegel ausgeführt. Dadurch steigt die den zweiten Einspritzöffnungen zugeführte Kraftstoff menge ab dem Teilhub linear an, was applikationsabhängig zu einer vorteilhaften Einspritzcharakteristik führt.
In einer anderen vorteilhaften Ausführung ist der Endbereich im Wesentlichen zylindrisch ausgeführt und weist wenigstens eine seitliche Ausnehmung auf. Dadurch ragt die Düsennadel mit einer Erweiterung des Zapfenbereichs auch noch ab dem Teilhub in die Sacklochbohrung, so dass es zu geringeren
Desachsierungen zwischen Injektorkörper und Düsennadel kommt und damit auch zu einem geringeren Verschleißrisiko während des Düsennadelschließens. Die Form der seitlichen Ausnehmungen kann applikationsabhängig gestaltet werden, so dass der den zweiten Einspritzöffnungen zugeführte Kraftstoff ab dem Teilhub stark oder weniger stark ansteigt.
Vorteilhaft ist die wenigstens eine Ausnehmung als planarer Anschliff ausgeführt. Dadurch kann die gewünschte Reduzierung der Drosselfunktion ab dem Teilhub fertigungstechnisch einfach erreicht werden.
In einer anderen vorteilhaften Ausführung ist die wenigstens eine Ausnehmung im Querschnitt im Wesentlichen halbkreisförmig ausgeführt. Dadurch wird die potenzielle Kontaktfläche zwischen Endbereich und Wand der Sacklochbohrung vergrößert, was zu einer besseren Führung der Düsennadel in der Sacklochbohrung führt und damit auch zu geringerem Verschleißrisiko.
Vorteilhaft ist bei einem Maximalhub der Düsennadel, der größer als der Teilhub ist, der Durchflussquerschnitt in die Sacklochbohrung größer als der summierte Durchflussquerschnitt durch alle zweiten Einspritzöffnungen. Dadurch wird beim Maximalhub die Einspritzcharakteristik im Wesentlichen durch die Geometrien der ersten und der zweiten Einspritzöffnungen bestimmt; eine drosselnde Funktion zwischen dem Injektorkörper und der Düsennadel ist praktisch nicht mehr vorhanden. Für den Maximalhub ist damit die Fertigungsgenauigkeit der beiden Einspritzöffnungen ausschlaggebend, während die Toleranzen des Drosselspalts diesbezüglich von untergeordneter Bedeutung sind.
Vorteilhafterweise sind mehrere erste Einspritzöffnungen und/oder mehrere zweite Einspritzöffnungen vorhanden. Dadurch kann eine gleichmäßige Einspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum erzielt werden.
Zeichnungen
Fig.1 zeigt einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors im Längsschnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
Fig.2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors im Längsschnitt, wobei ebenfalls nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Fig.3 zeigt einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoff! njektors.
Beschreibung
In Fig.1 ist das Ende eines Kraftstoff! njektors 100 dargestellt, das in Einbaulage in den Brennraum 110 einer Brennkraftmaschine ragt. Der Kraftstoff! njektor 100 weist einen Injektorkörper 10 mit einem Druckraum 30 auf, der über einen nicht dargestellten Hochdruckkanal mit einer nicht dargestellten, unter Hochdruck ste- henden Kraftstoffquelle, beispielsweise einem Common Rail, verbunden ist.
Im Druckraum 30 ist eine Düsennadel 20 längsverschiebbar angeordnet. Im dargestellten Ausschnitt weist die Düsennadel 20 einen Mittelteil 21 und einen
brennraumseitig daran angeordneten Kegelbereich 22, einen Zapfenbereich 23 und einen Endbereich 24 auf. Der Kegelbereich 22 und der Endbereich 24 sind sich in Richtung des Brennraums 110 verjüngend und der Zapfenbereich 23 zylindrisch mit dem Durchmesser d23 ausgeführt.
Der Injektorkörper 10 weist im dargestellten Ausschnitt einen zylindrischen Körperschaft 11 und sich brennraumseitig daran anschließend einen konischen Dü- sennadelsitz 17 und eine Sacklochbohrung 31 auf, die einen Teilbereich des Druckraums 30 darstellt. Vom Düsennadelsitz 17 führt wenigstens eine erste Einspritzöffnung 1 mit dem Durchmesser di und von der Sacklochbohrung 31 wenigstens eine zweite Einspritzöffnung 2 mit dem Durchmesser d2 in den Brennraum 110. Die Sacklochbohrung 31 hat einen zylindrischen Abschnitt mit dem Durchmesser d3i und sich brennraumseitig daran anschließend einen Bohrungsgrund, der im dargestellten Ausführungsbeispiel verrundet ausgeführt ist. Dabei kann es eine oder mehrere sowohl erste Einspritzöffnungen 1 als auch zweite Einspritzöffnungen 2 geben.
Im dargestellten geschlossenen Betriebszustand wirkt die Düsennadel 20 an einer am Übergang vom Mittelteil 21 zum Kegelbereich 22 ausgebildeten Dichtkan- te 22a mit dem Düsennadelsitz 17 zusammen und verschließt so die hydraulische Verbindung vom Druckraum 30 zu der ersten Einspritzöffnung 1 und der zweiten Einspritzöffnung 2; die Sacklochbohrung 31 wird dadurch hydraulisch vom restlichen Druckraum 30 getrennt. Der zylindrische Zapfenbereich 23 mit dem Durchmesser d23 ragt in den zylindrischen Abschnitt der Sacklochbohrung 31 mit dem Durchmesser d3i und bildet so mit der Wand der Sacklochbohrung 31 einen Drosselspalt 32 mit der Breite t 2 aus, wobei t = d3i - d23- Über den Drosselspalt 32 sind die erste Einspritzöffnung 1 und die zweite Einspritzöffnung 2 ständig hydraulisch miteinander verbunden. Zur Einspritzung von Kraftstoff durch die beiden Einspritzöffnungen 1 , 2 wird die
Düsennadel 20 durch eine nicht dargestellte Steuerung, beispielsweise das Absenken eines Drucks in einem Steuerraum an dem dem Brennraum abgewandten Ende der Düsennadel 20, in Öffnungsrichtung 29 bewegt, so dass der Kegelbereich 22 bzw. die Dichtkante 22a vom Düsennadelsitz 17 abhebt und die hyd- raulische Verbindung vom Druckraum 30 zu den beiden Einspritzöffnungen 1 , 2 und der Sacklochbohrung 31 freigegeben wird.
Bis zu einem Teilhub s der Düsennadel 20 ragt der Zapfenbereich 23 in die Sacklochbohrung 31 , so dass der Drosselspalt 32 in der Sacklochbohrung 31 zwischen Zapfenbereich 23 und Wand der Sacklochbohrung 31 besteht. Während dieses Teilhubs s ist die Drosselwirkung durch den Drosselspalt 32 stärker als die Drosselwirkung durch die zweite Einspritzöffnung 2 bzw. die summierte Drosselwirkung durch alle zweiten Einspritzöffnungen 2; der Durchflussquerschnitt durch den Drosselspalt 32 ist somit kleiner als der summierte Durchflussquerschnitt durch alle zweiten Einspritzöffnungen 2. Dazu ist die Breite t 2 des Drosselspalts 32 bzw. das Spiel t des Zapfenbereichs 23 innerhalb der Sacklochbohrung 31 folgendermaßen auszulegen:
Durchflussquerschnitt durch Drosselspalt ADS ergibt sich zu :
ADs = ^ d31 2 - ^ (d31 - t)2 = ^ (2 . d31 - t - t2 ) mit d31 » t : ADS = ^ - d31 - t
Durchflussquerschnitt durch alle x zweiten Einspritzöffnungen A 2.EO
Bis zum Teilhub (s) soll gelten : A
n , TT , d2 2
D.h. :— - d,, t < x —— · π
2 31 4 d31
Vorzugsweise soll bis zum Teilhub (s) gelten : 15% · A2 Eö < ADS < 70% · A2 EQ
1 d2 2 3 d2 2
=>— x ·—— < t <— x ·——
10 d 3,<1 1 l 0u u31
Bis zum Teilhub s wird die Einspritzcharakteristik somit im Wesentlichen durch die Geometrien der ersten Einspritzöffnung 1 und des Drosselspalts 32 bestimmt.
Ab dem Teilhub s taucht der Zapfenbereich 23 aus der Sacklochbohrung 31 , zunächst bleibt jedoch der Endbereich 24 noch in die Sacklochbohrung 31 eingetaucht. Aufgrund der konischen Form des Endbereichs 24 erweitert sich der Durchflussquerschnitt zwischen Sacklochbohrung 31 und Düsennadel 20 mit zunehmendem Hub. Bei einem Maximalhub v sind der Zapfenbereich 23 und der Endbereich 24 so weit aus der Sacklochbohrung 31 ausgetaucht, dass der Durchflussquerschnitt zwischen Injektorkörper 10 und Düsennadel 20 größer ist als der summierte Durchflussquerschnitt durch alle zweiten Einspritzöffnungen 2.
Beim Maximalhub v wird die Einspritzcharakteristik somit im Wesentlichen durch die Geometrien der ersten und zweiten Einspritzöffnungen 1 , 2 bestimmt.
Das Ausführungsbeispiel der Fig.2 unterscheidet sich von dem der Fig.1 durch die Ausführung des Endbereichs 24. Alle übrigen Merkmale sich so ausgeführt wie im Ausführungsbeispiel der Fig.1 und werden daher nicht nochmals beschrieben.
Fig.2 zeigt den Endbereich 24 im Wesentlichen zylindrisch ausgeführt, der den gleichen Durchmesser d23 aufweist wie der Zapfenbereich 23. Am Endbereich 24 sind seitlich Ausnehmungen 27 ausgebildet, so dass ab dem Teilhub s der Durchflussquerschnitt zwischen Injektorkörper 10 und Düsennadel 20 vergrößert wird. Üblicherweise werden dazu drei Ausnehmungen 27 - im dargestellten Ausführungsbeispiel als planare Anschliffe - über den Umfang verteilt, so dass eine annähernd gleichmäßige Anströmung der zweiten Einspritzöffnungen 2 bei gleichzeitig guter Führung des Endbereichs 24 in der Sacklochbohrung 31 gegeben ist. Beim Maximalhub v der Düsennadel 20 kann der Endbereich 24 jedoch aus der Sacklochbohrung 31 ausgetaucht sein. Fig.3 zeigt den Schnitt A-A aus Fig.2. Der Schnitt liegt in der Ebene des Übergangs vom Zapfenbereich 23 zum Endbereich 24. Zwischen Injektorkörper 10 und Düsennadel 20 ist in der Sacklochbohrung 31 des Injektorkörpers 10 der Drosselspalt 32 mit der Breite t 2 ausgebildet, der zusammen mit den am Endbereich 24 angeordneten seitlichen Ausnehmungen 27 den Durchflussquerschnitt in die Sacklochbohrung 31 bildet. In der dargestellten Ausführungsform sind drei
Ausnehmungen 27 vorhanden und die Ausnehmungen 27 im Querschnitt halbkreisförmig gestaltet.