DE102005001675A1

DE102005001675A1 - Düsenbaugruppe und Einspritzventil

Info

Publication number: DE102005001675A1
Application number: DE200510001675
Authority: DE
Inventors: Robert Kuchler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-01-13
Filing date: 2005-01-13
Publication date: 2006-07-27

Abstract

Ein Einspritzventil hat ein Injektorgehäuse (1), in dem eine Düsenbaugruppe angeordnet ist. Die Düsenbaugruppe umfasst einen Düsenkörper (2), in dem eine Düsennadelausnehmung (6), mindestens eine Sitzfläche (9) und mindestens eine Einspritzlochreihe mit mindestens einem Einspritzloch (22) ausgebildet sind, und mindestens eine Düsennadel (4), die axial beweglich in der Düsennadelausnehmung (6) angeordnet ist und mindestens eine Schließfläche (10) aufweist. Die Schließfläche (10) ist konvex ausgebildet und weist einen ersten Radius (R1) auf oder die Schließfläche (10) ist konusförmig ausgebildet. Ferner ist die Sitzfläche (9) konkav ausgebildet und weist einen zweiten Radius (R2) auf. Die Schließfläche (10) der Düsennadel (4) ist in der Schließposition der Düsennadel (4) mit der Schließfläche (9) mechanisch gekoppelt und unterbindet einen Fludifluss durch mindestens das erste Einspritzloch (22) und gibt außerhalb der Schließposition der Düsennadel (4) den Fluidfluss frei.

Description

Die Erfindung betrifft eine Düsenbaugruppe und ein Einspritzventil mit einem Injektorgehäuse, in dem eine Düsenbaugruppe angeordnet ist. Die Düsenbaugruppe hat einen Düsenkörper, in dem mindestens ein Einspritzloch ausgebildet ist, und eine Düsennadel, die in ihrer Schließposition einen Fluidfluss durch das Einspritzloch verhindert und in sonstigen Positionen den Fluidfluss durch das Einspritzloch freigibt.
Immer strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich der zulässigen Schadstoffemissionen von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind, machen es erforderlich, diverse Maßnahmen vorzunehmen, durch die die Schadstoffemissionen gesenkt werden. Ein Ansatzpunkt hierbei ist, die von der Brennkraftmaschine erzeugten Schadstoffemissionen zu senken. Wesentlich hierfür ist, dass die der Brennkraftmaschine zugeordneten Kraftstoffeinspritzventile 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 Einspritzloch 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 Einspritzlochs an einer Sitzfläche des Düsenkörpers und die zweite Dichtkante radial innen ausgebildet ist zu einer Mündung des Einspritzlochs an der Sitzfläche des Düsenkörpers. Die Dichtkanten sind in diesem Fall statisch überbestimmt, was zur Folge hat, dass aufgrund von Fertigungstoleranzen leicht Undichtigkeiten und Leckageströme auftreten können.

Derartige zwei Dichtkanten je Düsennadel werden insbesondere häufig eingesetzt bei Registerdüsen-Einspritzventilen. So ist beispielsweise aus der DE 103 15 820 A1 ein Düsenkörper und ein entsprechendes Ventil mit einer Registerdüsenanordnung bekannt. Das Ventil hat ein Gehäuse, in dem ein als Piezoaktuator ausgebildeter Ventilantrieb und ein Düsenkörper angeordnet sind. Der Düsenkörper hat eine erste Reihe von Einspritzöffnungen und axial beabstandet dazu ein zweite Reihe von Einspritzöffnungen. In einer Ausnehmung des Düsenkörpers ist eine Ventilhohlnadel längs verschiebbar angeordnet. Die Ventilhohlnadel weist einen ersten Dichtbereich und einen zweiten Dichtbereich auf, in denen jeweils Dichtkanten ausgebildet sind. Die Ventilhohlnadel ist so angeordnet, dass sie in ihrer Schließposition einen Fluidfluss durch die äußeren Einspritzöffnungen verhindert und in sonstigen Positionen den Fluidfluss durch die äußeren Einspritzöffnungen freigibt. Die Ventilnadel verhindert in ihrer Schließposition einen Fluidfluss durch die inneren Einspritzöffnungen und gibt in sonstigen Positionen den Fluidfluss durch die inneren Einspritzöffnungen frei.

Aus der DE 101 55 227 A1 ist ein Kraftstoffeinspritzventil bekannt, mit einem Ventilkörper in dem in einer Bohrung eine äußere Ventilnadel und eine in der äußeren Ventilnadel geführte innere Ventilnadel angeordnet sind. Die Ventilnadeln wirken mit einem am brennraumseitigen Ende der Bohrung ausgebildeten Ventilsitz zusammen, in welchem eine äußere Einspritzöffnungsreihe und eine innere Einspritzöffnungsreihe angeordnet sind. Die innere Ventilnadel steuert die Öffnung der inneren Einspritzöffnungsreihe und die äußeren Ventile die Öffnung der äußeren Einspritzöffnungsreihe. Die äußere Ventilnadel weist eine nach innen kragende umlaufende Dichtlippe mit einer inneren Dichtkante auf, wobei die innere Dichtkante in Schließstellung der äußeren Ventilnadel am Ventilsitz zur Anlage kommt.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Düsenbaugruppe und ein Ventil zu schaffen, die beziehungsweise 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 gemäß eines ersten Aspekts aus durch eine Düsenbaugruppe, mit einem Düsenkörper, in dem eine Düsennadelausnehmung, mindestens eine Sitzfläche und mindestens eine Einspritzlochreihe mit mindestens einem Einspritzloch ausgebildet ist. Die Düsenbaugruppe umfasst ferner mindestens eine Düsennadel, die axial beweglich in der Düsennadelausnehmung angeordnet ist und mindestens eine Schließfläche aufweist. Die Schließfläche ist konvex ausgebildet und weist einen ersten Radius auf oder die Schließfläche ist konusförmig ausgebildet. Die Sitzfläche ist konkav ausgebildet und weist einen zweiten Radius auf. Die Schließfläche der Düsennadel ist in der Schließposition der Düsennadel mit der Sitzfläche mechanisch gekoppelt und unterbindet einen Fluidfluss durch mindestens das erste Einspritzloch und gibt außerhalb der Schließposition der Düsennadel den Fluidfluss frei.

Die konkave Ausbildung der Sitzfläche des Düsenkörpers und die konvexe Ausbildung der Schließfläche der Düsennadel oder der konusförmigen Ausbildung der Schließfläche hat den Vorteil, dass Änderungen am effektiven Dichtdurchmesser, verursacht durch elastische Verformungen und Verschleiß an der Dichtgeometrie, auf ein Minimum reduziert werden. Der Dichtdurchmesser hat entscheidenden Einfluss auf das Einspritzverhalten und den Drosselbereich, in dem das Einspritzventil betrieben werden kann. Dadurch wird eine stabile Funktion des Einspritzventils erreicht.

Darüber hinaus wird durch die konkave Ausbildung der Sitzfläche und die konvexe Ausbildung der Schließfläche oder der konusförmigen Ausbildung der Schließfläche ein fertigungstechnischer Vorteil erreicht. Die konkav ausgebildete Sitzfläche des Düsenkörpers kann in einem Arbeitsschritt gefertigt wer den. Dies ist beispielsweise durch das Einstichschleifen möglich. Ferner kann die konvex oder konusförmig ausgebildete Schließfläche einfach und günstig gefertigt werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Düsenbaugruppe ist der erste Radius größer als der zweite Radius. Dadurch werden Änderungen am effektiven Dichtdurchmesser, verursacht durch elastische Verformungen und Verschleiß an der Dichtgeometrie, auf ein Minimum reduziert. Die Dichtwirkung bildet sich bei Verschleiß fortschreitend in Richtung Einspritzloch aus.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Düsenbaugruppe weist die Düsennadel eine Phase auf, die mit einer Mittelachse der Düsennadelausnehmung einen Winkel einschließt und mit der Schließfläche eine erste Dichtkante bildet. über den Winkel, den die Phase mit der Mittelachse einschließt, kann Einfluss auf die Geometrie der ersten Dichtkante genommen werden. Dies ist vorteilhaft, da dadurch ein günstiges Verschleißverhalten im Bereich der Dichtkante bzw. der Sitzfläche des Düsenkörpers erreicht werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Düsenbaugruppe liegt der Winkel in einem Bereich von 50 Grad bis 90 Grad. Es hat sich gezeigt, dass der Bereich von 50 Grad bis 90 Grad in der Praxis zu besonders guten Ergebnissen geführt hat.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Düsenbaugruppe ist im Bereich der Nadelspitze der Düsennadel eine axiale Ausnehmung ausgebildet. Aufgrund der geringeren Materialstärke, ist die Düsennadel im Bereich ihrer Nadelspitze flexibler.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Düsenbaugruppe weist die Düsennadel eine Ringnut in die axiale Ausnehmung auf, die so ausgebildet ist, dass die Materialdichte der Düsennadel im Bereich der Schließfläche verringert ist.

Dies hat den Vorteil, dass durch die Ringnut in der axialen Ausnehmung die Materialdichte der Düsennadel in der radialen Erstreckung der Düsennadel verringert wird und auf diese Weise die Flexibilität der Düsennadel im Bereich der Schließfläche einfach variiert werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Düsenbaugruppe ist die Schließfläche der Düsennadel so ausgebildet, dass der bezogen auf die Mittelachse der Düsennadelausnehmung radial innen zu der Mündung des ersten Einspritzlochs liegende Bereich der Schließfläche, die Düsennadel in Schließrichtung zuerst mit der Sitzfläche des Düsenkörpers mechanisch koppelt. Dies hat den Vorteil, dass der bezogen auf die Mittelachse der Düsennadelausnehmung radial innen zu der Mündung des ersten Einspritzlochs liegende Bereich der Schließfläche zuerst eine Dichtwirkung aufbaut. Dies eignet sich insbesondere dafür, Fertigungsungenauigkeiten auszugleichen.

Gemäß eines zweiten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Einspritzventil mit einem Ventilgehäuse, das die Düsenbaugruppe umfasst. Eine Düsennadel ist in dem Ventilgehäuse und der Düsenbaugruppe angeordnet. In der Schließposition unterbindet die Düsennadel einen Fluidfluss durch ein Einspritzloch und gibt diesen ansonsten frei. Ein solches Einspritzventil hat den Vorteil, dass der Fluidfluss durch das Einspritzloch präzise und zuverlässig gesteuert werden kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert.

Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch ein Steuerventil,
2 eine erste Ausführungsform der Düsenbaugruppe, und
3 eine zweite Ausführungsform der Düsenbaugruppe.
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 zeigt ein Ventil, das bevorzugt als Einspritzventil, insbesondere zum Zumessen von Dieselkraftstoff in den Brennraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine ausgebildet ist. Das Einspritzventil umfasst ein Injektorgehäuse 1, einen Düsenkörper 2 und einen Injektorkörper 3. Der Injektorkörper 3 nimmt einen Aktuator auf, der bevorzugt als Piezoaktuator 13 ausgebildet ist. Der Piezoaktuator 13 umfasst einen Stapel von piezoelektrischen Elementen, die sich beim Zuführen von elektrischer Energie in axialer Richtung bezogen auf das Ventil ausdehnen. Der Piezoaktuator 13 wirkt auf einen Übertrager 14, der wiederum auf ein Servoventil 15 einwirkt. Mittels des Servoventils 15 ist ein Druck in einem Steuerraum 17 einstellbar durch entsprechendes Absteuern von Fluid in einen Leckageraum 16, der in dem Injektorkörper 3 ausgebildet ist. Eine äußere Düsennadel ist in einer äußeren Düsennadelausnehmung 6 des Injektorkörpers 3 angeordnet, und wird durch eine Feder 18 in ihre Schließposition vorgespannt, in der sie ein erstes Einspritzloch 22 verschließt. In der äußeren Düsennadel 5 ist in einer inneren Düsennadelausnehmung 7 eine innere Düsennadel 4 angeordnet. Bei Druckabfall in dem Steuerraum 7 geben dann die äußere Düsennadel 5 und bei weiterem Druckabfall die innere Düsennadel 4 das erste Einspritzloch 22 und im folgenden ein zweites Einspritzloch 23 frei. Die innere Düsennadel 4 und die äußere Düsennadel 5 sind so ausgebildet, dass über den Druck im Steuerraum 17 zumindest der Kraftstofffluss durch die erste Reihe der Einspritzlöcher 22 gesteuert werden kann, wenn gleichzeitig der Kraftstofffluss durch die zweite Reihe der Einspritzlöcher 23 unterbunden ist. Das Ventil umfasst ferner eine Hochdruckbohrung 19, über die Kraftstoff unter hohem Druck, beispielsweise 2000 bar, zugeführt wird.
Der Düsenkörper 2, die äußere Düsennadel 5 und die innere Düsennadel 4 bilden eine Düsenbaugruppe. Die innere Düsennadel 4 ist bevorzugt koaxial in einer inneren Düsennadelausnehmung 7 in der äußeren Düsennadel 5 geführt.
Das Unterbinden des Kraftstoffflusses durch die erste Reihe der Einspritzlöcher 22 in der Schließposition der äußeren Düsennadel 5 erfolgt dadurch, dass die Schließfläche 10 der äußeren Düsennadel 5 in der Schließposition der äußeren Düsennadel 5 mit der Sitzfläche 9 mechanisch gekoppelt ist.
In 2 ist eine erste Ausführungsform der Düsenbaugruppe gemäß 1 dargestellt. Die äußere Düsennadel 5 weist eine Schließfläche 10 und der Düsenkörper 2 weist eine Sitzfläche 9 mit dem ersten Einspritzloch 22 und dem zweiten Einspritzloch 23 auf. Die äußere Düsennadel 5 und die innere Düsennadel 4 befinden sich in der Schließposition. Die Sitzfläche 9 des Düsenkörpers 2 ist konkav ausgebildet und weist einen zweiten Radius R2 auf. Die Schließfläche 10 der Düsennadel 5 ist konvex ausgebildet und weist einen ersten Radius R1 auf. Der erste Radius R1 ist größer als der zweite Radius R2. Durch geeignete Wahl des Verhältnisses des ersten Radius R1 zu dem zweiten Radius R2 kann Einfluss auf den Dichtdurchmesser und die Dichtgeometrie genommen werden. Ferner weist die Düsennadel 5 eine Phase 24 auf, die mit der Schließfläche 10 eine erste Dichtkante 20 bildet. Die Schließfläche 10 bildet mit der äußeren Mantelfläche der äußeren Düsennadel 5 eine zweite Dichtkante 21. Die Phase 24 schließt mit einer Mittelachse 25 der Düsennadelausnehmung 6 einen Winkel β ein. Der Winkel β liegt bevorzugt in einem Bereich von 50 Grad bis 90 Grad und wird geeignet gewählt, um das für den jeweiligen Anwendungsfall gewollte Ergebnis zu erzielen. In der dargestellten Ausführungsform beträgt der Winkel β 90 Grad. Die konvex ausgebildete Schließfläche 10 kann ferner konusförmig ausgebildet sein. Darüber hinaus ist in der äußeren Düsennadel 5 eine axiale Ausnehmung 26 mit einer Ringnut ausgebildet, wodurch eine besonders gute Flexibilität der Düsennadel spitze, insbesondere der Schließfläche 10 erreicht wird. Die axiale Ausnehmung 26 in der Düsennadel 5 kann in einer alternativen Ausführungsform auch an dem radial äußeren Ende der Düsennadel 5 ausgebildet sein.
In 3 ist eine zweite Ausführungsform der Düsenbaugruppe gemäß 1 mit der äußeren Düsennadel und der inneren Düsennadel außerhalb der Schließposition dargestellt. Der Fluidfluss durch das erste Einspritzloch 22 und das zweite Einspritzloch 23 ist in dieser Position der äußeren Düsennadel möglich. Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform weist die Phase 24 einen Winkel β von 50 Grad auf. Dadurch bildet die Dichtkante mit der Phase 24 und der Schließfläche 10 einen stumpfen Winkel, wodurch ein günstiges Verschleißverhalten im Bereich der ersten Dichtkante 20 und der Sitzfläche 9 erreicht wird.

Claims

Düsenbaugruppe, – mit einem Düsenkörper (2), in dem eine Düsennadelausnehmung (6), mindestens eine Sitzfläche (9) und mindestens eine Einspritzlochreihe mit mindestens einem Einspritzloch (22) ausgebildet ist, – mindestens einer Düsennadel (4), die axial beweglich in der Düsennadelausnehmung (6) angeordnet ist und mindestens eine Schließfläche (10) aufweist, – die Schließfläche (10) konvex ausgebildet ist und einen ersten Radius (R1) aufweist oder die Schließfläche (10) konusförmig ausgebildet ist, – die Sitzfläche (9) konkav ausgebildet ist und einen zweiten Radius (R2) aufweist, und – die Schließfläche (10) der Düsennadel (4) in der Schließposition der Düsennadel (4) mit der Sitzfläche (9) mechanisch gekoppelt ist und einen Fluidfluss durch mindestens das erste Einspritzloch (22) unterbindet und außerhalb der Schließposition der Düsennadel (4) den Fluidfluss freigibt.
Düsenbaugruppe nach Anspruch 1, bei der der erste Radius (R1) größer als der zweite Radius (R2) ist.
Düsenbaugruppe nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Düsennadel (4) eine Phase (24) aufweist, die mit einer Mittelachse (25) der Düsennadelausnehmung (6) einen Winkel (β) einschließt und mit der Schließfläche (10) eine erste Dichtkante (20) bildet.
Düsenbaugruppe nach Anspruch 3, bei der der Winkel (β) in einem Bereich von 50° bis 90° liegt.
Düsenbaugruppe nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der in der Düsennadel (4) im Bereich ihrer Nadelspitze eine axiale Ausnehmung (26) ausgebildet ist.
Düsenbaugruppe nach Anspruch 5, bei der die Düsennadel (4) eine Ringnut in der axialen Ausnehmung (26) aufweist, die so ausgebildet ist, dass die Materialdichte der Düsennadel (4) im Bereich der Schließfläche (10) verringert ist.
Düsenbaugruppe nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Schließfläche (10) der Düsennadel (4) so ausgebildet ist, dass der bezogen auf die Mittelachse (25) der Düsennadelausnehmung (6) radial innen zu der Mündung des ersten Einspritzlochs (22) liegende Bereich der Schließfläche (10), die Düsennadel (4) in Schließrichtung zuerst mit der Sitzfläche (9) des Düsenkörpers (2) mechanisch koppelt.
Ventil mit einem Injektorgehäuse (1), in dem eine Düsenbaugruppe nach einem der vorstehenden Ansprüche angeordnet ist.