Be s ehr eibung
Düsenbaugruppe und Ventil
Die Erfindung betrifft eine Düsenbaugruppe und ein Ventil mit einem Gehäuse, dem ein Ventilantrieb und eine Düsenbaugruppe angeordnet sind. Die Düsenbaugruppe hat einen Düsenkörper, in dem ein Spritzloch ausgebildet ist, und eine Düsennadel, die in ihrer Schließposition einen Fluidfluss durch das Spritzloch verhindert und in sonstigen Positionen den Fluidfluss durch das Spritzloch freigibt.
Immer strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich der zulässigen Schadstoff-Emissionen von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind, machen es erforderlich, diverse Maßnahmen vorzunehmen, durch die die Schadstoff-Emissionen gesenkt werden. Ein Ansatzpunkt hierbei ist, die von der Brennkraftmaschine erzeugten Schadstoff-Emissionen zu senken. Wesentlich hierfür ist, dass die der Brennkraftmaschine zugeordneten Kraftstoff-Einspritzventile den Kraftstoff sehr präzise zumessen können und eine Leckage des Kraftstoffs vermieden wird, wenn kein Kraftstoff zugemessen werden soll. Dies ist insbesondere dann eine große Herausforderung, wenn das Spritzloch in der Schließposition der Düsennadel von einem Fluid abgedichtet wird durch eine erste und zweite Dichtkante, die in der Düsennadel ausgebildet sind, wobei die erste Dichtkante radial außen ausgebildet ist zu einer Mündung des Spritzlochs an einer Sitzfläche des Düsenkörpers und die zweite Dichtkante radial innen ausgebildet ist zu der Mündung des Spritzlochs an der Sitzfläche des Düsenkörpers . Die Dichtkanten sind in diesem Fall statisch überbestimmt, was zur Folge hat, dass aufgrund von Fertigungstoleranzen leicht Undichtigkeiten auftreten können.
Derartige zwei Dichtkanten je Düsennadel werden insbesondere häufig eingesetzt bei Registerdüsen-Einspritzventilen. So ist beispielsweise aus der EP 0 976 649 A2 ein Düsenkörper und ein entsprechendes Ventil mit einer Registerdüsenanordnung bekannt. Das Ventil hat ein Gehäuse, in dem ein als Piezoak- tuator ausgebildeter Ventilantrieb und ein Düsenkörper angeordnet sind. Der Düsenkörper hat eine erste Reihe Spritzlöcher und axial beabstandet dazu eine zweite Reihe Spritzlöcher. In einer Äusnehmung des Düsenkörpers ist eine Düsennadel geführt, die über einen Mitnehmermechanismus auf einen Einsatzkörper einwirkt, der eine innere Düsennadel bildet. Die erste Düsennadel ist so in einer Ausnehmung des Ventilkörpers angeordnet, dass sie in ihrer Schließposition einen Fluidfluss durch die mindestens erste Reihe der Spritzlöcher verhindert und in sonstigen Positionen den Fluidfluss durch die mindestens erste Reihe der Spritzlöcher freigibt. Die zweite Düsennadel verhindert in ihrer Schließposition einen Fluidfluss durch die zweite Reihe der Spritzlöcher und gibt in sonstigen Positionen den Fluidfluss durch die zweite Reihe der Spritzlöcher frei
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Düsenbaugruppe und ein Ventil zu schaffen, die bzw. das ein präzises Zumessen von Fluid ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung zeichnet sich aus durch eine Düsenbaugruppe mit einem Düsenkörper, in dem ein Spritzloch ausgebildet ist, und mit einer Düsennadel, die in ihrer Schließposition einem Flu-
idfluss durch das Spritzloch verhindert und in sonstigen Positionen den Fluidfluss durch das Spritzloch freigibt und die eine erste Dichtkante hat, die radial außen ausgebildet ist zu einer Mündung des Spritzlochs an einer Sitzfläche des Düsenkörpers, und die eine zweite Dichtkante hat, die radial innen ausgebildet ist zu der Mündung des Spritzlochs an der Sitzfläche des Düsenkörpers. Eine der Dichtkanten ist steifer ausgebildet als die andere und die flexibler ausgebildete Dichtkante weist bezogen auf die Sitzfläche des Düsenkörpers einen Überstand auf. In Fällen, in denen die Sitzfläche beispielsweise als Konusmantelfläche ausgebildet ist, ist die Richtung des Überstands definiert durch eine Normale zu der jeweiligen Tangentialebene an dem jeweiligen Punkt der Konusmantelfläche .
Die Erfindung zeichnet sich ferner aus durch ein Ventil mit einem Gehäuse, in dem ein Ventilantrieb und die Düsenbaugruppe angeordnet sind, wobei der Ventilantrieb auf die Düsennadel, gegebenenfalls mittelbar, einwirkt.
Trotz der statischen Überbestimmtheit durch die zwei Dichtkanten kann so einfach eine sehr gute Dichtwirkung in der Schließposition gewährleistet werden, da bei einer Bewegung der Düsennadel in Richtung zu ihrer Schließposition zuerst die flexibler ausgebildete Dichtkante in Anlage mit der Sitzfläche kommt und sich diese dann im weiteren Verlauf elastisch verformt, bis die steifere Dichtkante in Anlage mit der Sitzfläche des Düsenkörpers ist. So sind höhere Fertigungstoleranzen für die Düsenbaugruppe möglich bei gleichzeitigem Sicherstellen einer guten Dichtwirkung.
Ferner hat sich überraschend gezeigt, dass insbesondere bei sehr hohen Betriebsdrücken des Fluids sich dynamische Verfor-
mungen des Düsenkörpers ergeben hervorgerufen durch den hohen Druck des Fluids in dem Düsenkörper und Druckschwankungen des Drucks des Fluids. Auch bei derartigen dynamischen Verformungen des Düsenkörpers kann so noch eine gute Dichtwirkung gewährleistet werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Düsenbaugruppe hat die Düsennadel in dem Bereich ihrer Nadelspitze eine axiale zentrische Ausnehmung und die flexibler ausgebildete Dichtkante ist die zweite Dichtkante. Düsennadeln haben ohnehin häufig eine zentrische Bohrung im Bereich ihrer Nadelspitze. In diesem Fall ist daher ohnehin schon weniger Material in der Düsennadel senkrecht zu der zweiten Dichtkante vorhanden, wobei senkrecht in diesem Fall die Richtung der Normalen der Tangentialebene der Sitzfläche bezeichnet. Aufgrund des wenigeren Materials hat somit die zweite Dichtkante die Eigenschaft, flexibler zu sein als die erste Dichtkante ohne zusätzliche Maßnahmen vorzusehen, die die Flexibilität der zweiten Dichtkante erhöhen.
In diesem Zusammenhang ist es ferner vorteilhaft, wenn die Düsennadel eine Ringnut in der axialen Ausnehmung hat, die so ausgebildet ist, dass sie die Materialdichte der Düsennadel senkrecht zu der Dichtfläche des Düsenkörpers im Bereich der zweiten Dichtkante verringert. Auf diese Weise kann die zweite Dichtkante einfach geeignet flexibel ausgebildet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Überstand bis zu 5 um. In diesem Bereich ist eine besonders gute Dichtwirkung gewährleistet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt das Verhältnis der Steifigkeiten der Dichtkanten zwi-
sehen 1:5 und 1:50. In diesem Bereich der Steifigkeiten hat sich überraschend gezeigt, dass eine besonders gute Dichtwirkung gewährleistet werden kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Ventil mit einer Düsenbaugruppe,
Figur 2 einen Ausschnitt der Düsenbaugruppe gemäß Figur 1 mit einer Düsennadel in einer ersten Position,
Figur 3 ebenfalls einen Ausschnitt der Düsenbaugruppe mit der Düsennadel in einer Schließposition,
Figur 4 eine Vergrößerung eines Teilbereichs der Figur 2 und
Figur 5 eine weitere Ausführungsform ?der Düsenbaugruppe.
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Ein Ventil (Figur 1), das bevorzugt als Einspritzventil, insbesondere zum Zumessen von Diesel-Kraftstoff in den Brennraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine ausgebildet ist, umfasst ein Injektorgehäuse 1, einen Düsenkörper 2 und einen Injektorkörper 4. Der Injektorkörper 4 nimmt einen Aktuator auf, der bevorzugt als Piezoaktuator ausgebildet ist. Der Piezoaktuator 6 besteht bevorzugt aus einem Stapel an piezoelektrischen Elementen, die sich beim Zuführen von elektrischer Energie in axialer Richtung bezogen auf das Ventil ausdehnen.
Der Piezoaktuator wirkt ein auf einen Übertrager 8, der wiederum auf ein Servoventil 10 einwirkt. Mittels des Servoven- tils 10 ist ein Druck in einem Steuerraum 12 einstellbar durch entsprechendes Äbsteuern von Fluid in einen Leckageraum 11, der in dem Injektorkörper 4 ausgebildet ist. Abhängig von dem Druck in dem Steuerraum 12 geben dann eine äußere Düsennadel 13 und/oder eine innere Düsennadel 14, die in einer Ausnehmung 16 des Injektorkörpers 4 angeordnet sind, eine erste Reihe der Spritzlöcher 28 und/oder eine zweite Reihe der Spritzlöcher 30 frei oder verschließen sie. Die innere und äußere Düsennadel 14, 13 und der ihnen zugeordnete Antriebsmechanismus sind so ausgebildet, dass zumindest der Kraftstofffluss durch die erste Reihe der Spritzlöcher 28 gesteuert werden kann, wenn gleichzeitig der Kraftstofffluss durch die zweite Reihe der Spritzlöcher 30 unterbunden ist.
Bevorzugt ist ferner eine Feder 18 vorgesehen, die die äußere Düsennadel 13 in ihre Schließposition vorspannt, in der sie beispielsweise die erste Reihe der Spritzlöcher 28 verschließt.
Das Ventil umfasst ferner eine Hochdruckbohrung 36, über die Kraftstoff unter hohem Druck, beispielsweise 2000 bar zugeführt wird.
Der Düsenkörper 2 und die äußere und innere Düsennadel 13, 14 bilden eine Düsenbaugruppe. Die innere Düsennadel 14 ist bevorzugt koaxial in einer axialen Ausnehmung 13a der äußeren Düsennadel 13 geführt.
Das Unterbinden des Kraftstoffflusses durch die erste Reihe der Spritzlöcher 28 in der Schließposition der äußeren Düsen-
nadel erfolgt durch ein Zusammenwirken einer ersten Dichtkante 20 und einer zweiten Dichtkante 24, die an der äußeren Düsennadel 13 ausgebildet sind mit einer Sitzfläche 22 des Düsenkörpers 2. Die Sitzfläche 22 ist bevorzugt, wie in der Figur 2 dargestellt, als Konusmantelfläche ausgebildet.
Die erste Dichtkante 20 (Figur 4) dichtet radial außerhalb einer Mündung der ersten Reihe der Spritzlöchern 28 im Zusammenwirken mit der Sitzfläche 22. Die zweite Dichtkante 24 dichtet radial innerhalb bezogen auf eine Achse A der Mündung der ersten Reihe der Spritzlöchern 28 im Zusammenwirken mit der Sitzfläche 22.
In der Detaildarstellung der Figur 4 ist die äußere Düsennadel 13 kurz vor Erreichen der Schließposition dargestellt. Die zweite Dichtkante 24 hat einen Überstand U im Vergleich zu der ersten Dichtkante 20 und zwar bezogen auf eine Normale einer Tangentialebene auf die Sitzfläche 22, also senkrecht zu der in dem Schnitt der Düsenbaugruppe gemäß Figur 4 dargestellten Linie der Sitzfläche 22. Der Überstand beträgt bevorzugt bis zu 5 um, er kann jedoch nach den jeweiligen Gegebenheiten auch geringer eingestellt sein. Bevorzugt beträgt der für die Herstellung vorgegebene Sollwert für den Überstand U zwischen 3 und 4 μm.
Die zweite Dichtkante 24 hat eine geringere Steifigkeit und damit höhere Flexibilität als die erste Dichtkante 20. Die Flexibilität der ersten und zweiten Dichtkante 20, 24 kann besonders einfach durch die Dicke des Materials der äußeren Düsennadel 13 in Richtung der Normalen zu der oben genannten Tangentialebene eingestellt werden.
Wesentlich für eine gute Dichtwirkung beider Dichtkanten 20, 24 ist, dass die flexibler ausgebildete Dichtkante den Überstand U im Vergleich zu der steiferen Dichtkante aufweist. Dadurch wird, z.B. im Falle dass die zweite Dichtkante 24 flexibler ist, beim Bewegen der äußeren Düsennadel 13 in ihre Schließposition zuerst die zweite Dichtkante 24 in Kontakt kommen mit der Sitzfläche 22 und sich dann im weiteren Verlauf der Bewegung der äußeren Düsennadel 13 hin zu ihrer Schließposition elastisch verformen, bis auch die erste Dichtkante 20 in Anlage mit der Sitzfläche 22 ist. Bei geeigneter Dimensionierung des Überstandes U können so auch entsprechende Herstellungstoleranzen ermöglicht werden und gleichzeitig eine sehr gute Dichtung der ersten Reihe der Spritzlöcher 28 gewährleistet werden, wenn die äußere Düsennadel 13 in ihrer Schließposition ist.
Besonders einfach kann die zweite Dichtkante 24 als die flexiblere Dichtkante ausgebildet sein, wenn die axiale Ausnehmung 13a in der äußeren Düsennadel 13 vorgesehen ist. Gegebenenfalls kann die Flexibilität der zweiten Dichtkante 24 auch durch das Vorsehen einer Ringnut 38 besonders günstig eingestellt werden. Die Ringnut kann an einem halbkreisförmigen Querschnitt oder auch einem beliebig anderen Querschnitt haben, so z.B. einem rechteckförmigen oder ellipsoiden quer- schnitt.
Es hat sich gezeigt, dass eine besonders günstige Dichtwirkung erreicht werden kann, wenn das Verhältnis der Steifig- keiten der ersten und zweiten Dichtkante 20, 24 zwischen 1:5 bis 1:50, bevorzugt 1:10, beträgt.
In Figur 3 ist die Düsenbaugruppe dargestellt, wenn die äußere Düsennadel 13 sich in ihrer Schließposition befindet.
Im Falle, dass auch auf der inneren Düsennadel 14 entsprechende erste und zweite Dichtkanten zum Abdichten der zweiten Reihe an Spritzlöchern 30 aufweist, sind diese auch entsprechend mit Überstand und unterschiedlicher Flexibilität ausgebildet.
Figur 5 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Düsenbaugruppe, bei der im Unterschied zu der ersten Ausführungsform keine Registerdüse vorgesehen ist, sondern lediglich eine Düsennadel 42 vorgesehen ist, die eine Reihe von Einspritzlöchern 28 ebenfalls durch das Zusammenwirken der Sitzfläche 22 des Düsenkörpers 2 mit einer entsprechenden ersten und zweiten Dichtkante der Düsennadel 42 abdichtet. Auch diese ersten und zweiten Dichtkanten sind entsprechend zu den ersten und zweiten Dichtkanten 20, 24 der ersten Ausführungsform ausgebildet.