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Die
Erfindung betrifft eine Düsenbaugruppe für ein Einspritzventil,
mit einem Düsenkörper, mit
einer Düsennadel,
die in einer Ausnehmung des Düsenkörpers so
angeordnet ist dass sie in einer Schließposition einen Fluidfluss
durch mindestens eine Einspritzdüse
verhindert und in einer Offenposition einen Fluidfluss durch die
Einspritzdüse
frei gibt, wobei die Düsennadel
eine der Einspritzdüse
abgewandte Stirnseite und einen Führungsabschnitt aufweist, und
zwischen dem Führungsabschnitt
der Düsennadel
und dem Düsenkörper ein
Spalt ausgebildet ist, der mit einem Hochdruckkreis des Fluids hydraulisch
koppelbar ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Einspritzventil
mit einem Injektorkörper
und einer Düsenbaugruppe,
wobei der Injektorkörper
und die Düsenbaugruppe
miteinander verbunden sind.
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Immer
strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich der zulässigen Schadstoffemission
von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind,
machen es erforderlich, diverse Maßnahmen vorzunehmen, durch
welche die Schadstoffemissionen gesenkt werden. Ein Ansatzpunkt
hierbei ist, die von der Brennkraftmaschine erzeugten Schadstoffemissionen
zu senken. Die Bildung von Ruß ist
stark abhängig
von der Aufbereitung des Luft/Kraftstoff-Gemisches in dem jeweiligen
Zylinder der Brennkraftmaschine.
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Eine
entsprechend verbesserte Gemischaufbereitung kann erreicht werden,
wenn der Kraftstoff unter sehr hohem Druck zugemessen wird. Im Falle von
Diesel-Brennkraftmaschinen betragen die Kraftstoffdrücke bis
zu 2000 bar. Derart hohe Drücke stellen
sowohl hohe Anforderungen an das Material der Düsenbaugruppe als auch an deren
Konstruktion. Gleichzeitig müssen
größere Kräfte von
der Düsenbaugruppe
aufgenommen werden.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Düsenbaugruppe und ein Einspritzventil
zu schaffen, die einen zuverlässigen
und präzisen
Betrieb ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Ansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Gemäß eines
ersten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Düsenbaugruppe
für ein Einspritzventil,
mit einem Düsenkörper, mit
einer Düsennadel,
die in einer Ausnehmung des Düsenkörpers so
angeordnet ist, dass sie in einer Schließposition einen Fluidfluss
durch mindestens eine Einspritzdüse
verhindert und in einer Offenposition einen Fluidfluss durch die
Einspritzdüse
frei gibt. Die Düsennadel
weist eine der Einspritzdüse
abgewandte Stirnseite und einen Führungsabschnitt auf. Zwischen dem
Führungsabschnitt
der Düsennadel
und dem Düsenkörper ist
ein Spalt ausgebildet, der mit einem Hochdruckkreis des Fluids hydraulisch
koppelbar ist. Die Düsennadel
weist mindestens eine Ausnehmung auf, die mit dem Hochdruckkreis
des Fluids hydraulisch koppelbar ist. Mindestens ein Abschnitt der
Ausnehmung der Düsennadel
ist sacklochförmig
und erstreckt sich axial zumindest über einen Teilbereich des Führungsabschnitts
erstreckt. Die axiale Erstreckung der Ausnehmung der Düsennadel
endet vor der der Einspritzdüse
abgewandten Stirnseite der Düsennadel.
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Somit
hat die Düsennadel
die Ausnehmung, die mindestens teilweise sacklochförmig ist
und sich axial im Führungsabschnitt der
Düsennadel
erstreckt. Die Ausnehmung reicht jedoch nicht bis zu der der Einspritzdüse abgewandten
Stirnseite des Führungsabschnitts
der Düsennadel.
Diese Ausnehmung der Düsennadel
kann mit dem Hochdruckkreis des Fluids hydraulisch gekoppelt sein.
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Dies
hat den Vorteil, dass einem unerwünschten Aufweiten des Spalts
entgegengewirkt wird und so eine gute Führung der Düsennadel weitgehend unabhängig von
dem Druck in dem Hochdruckkreis gewährleistet sein kann. Die Größe des Spalts
zwischen dem Führungsabschnitt
der Düsennadel
und dem Düsenkörper beeinflusst
ferner das Ausmaß der
Leckmenge des Fluids aus dem Hochdruckkreis in den Niederdruckkreis.
Diese Leckmenge kann möglichst
klein gehalten werden, was von Vorteil ist, da der Leckstrom zusätzlich Pumpenenergie
kostet und das Fluid unnötig
erwärmt
wird. Durch ein hydraulisches Koppeln der sacklochförmigen Ausnehmung
im Führungsabschnitt
der Düsennadel mit
dem Hochdruckkreis des Fluids wirken radial nach außen gerichtete
Kräfte
auf den Führungsabschnitt
der Düsennadel,
die mit steigendem Druck in dem Hochdruckkreis zunehmen, wodurch
einer Aufweitung des Spalts zwischen dem Führungsabschnitt der Düsennadel
und dem Düsenkörper entgegengewirkt
wird. Vorteilhaft ist hierbei besonders, dass ein durch den Hochdruckkreis
hervorgerufener zunehmender Druck in der sacklochförmigen Ausnehmung im
Führungsabschnitt
der Düsennadel
auch zu zunehmenden radial nach außen gerichteten Kräften auf
den Führungsabschnitt
der Düsennadel
führt und damit
der bei zunehmenden Druck im Hochdruckkreis üblicherweise entstehenden Vergrößerung des Spalts
entgegenwirkt. Es handelt sich also um ein selbstregelndes System
in Bezug auf die Konstanz der Größe des Spalts.
Einerseits wird der Spalt immer so klein gehalten, dass die Leckagemenge
an Fluid gering ist, die über
den Spalt zwischen dem Düsenkörper und
dem Führungs abschnitt
der Düsennadel
auftritt. Andererseits wird durch die Selbstregelung auch verhindert,
dass sich der Führungsabschnitt
der Düsennadel
zu stark aufweitet und die Düsennadel
dann im Düsenkörper festsitzt.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Abschnitt
der Ausnehmung der Düsennadel
eine axiale Bohrung. Dadurch ist dieser Abschnitt der Ausnehmung
der Düsennadel
besonders einfach zu fertigen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die
Ausnehmung der Düsennadel
einen zweiten Abschnitt auf, wobei dieser eine radiale Bohrung ist.
Damit kann auch der zweite Abschnitt der Ausnehmung der Düsennadel
besonders einfach hergestellt werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die
Düsennadel
mindesten zwei miteinander verbindbare Düsennadelabschnitte auf. Dadurch
wird die Herstellung der Ausnehmung der Düsennadel erleichtert.
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In
einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
weist der erste Düsennadelabschnitt
mindestens einen Teilabschnitt des ersten Abschnitts der Ausnehmung
der Düsennadel und
der zweite Düsennadelabschnitt
mindestens den zweiten Abschnitt der Ausnehmung der Düsennadel auf.
Weist ein Düsennadelabschnitt
mindestens einen Teilabschnitt eines Abschnitts der Ausnehmung der
Düsennadel
auf, so können
die einzelnen Abschnitte der Düsennadel
besonders einfach mit Abschnitten der Ausnehmung der Düsennadel
versehen werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist einer
der zwei miteinander verbindbaren Düsennadelab schnitte eine Aussparung und
der andere der zwei miteinander verbindbaren Düsennadelabschnitte einen in
die Aussparung passenden Zapfen auf. Bei der Endmontage der Düsennadel
können
so die beiden miteinander verbindbaren Düsennadelabschnitte besonders
einfach zusammengesetzt werden.
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In
einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
sind die Aussparung und der Zapfen zylindrisch, und die Aussparung
und der Zapfen sind durch eine Gewindeverschraubung miteinander
verbunden. Die beiden miteinander verbindbaren Düsennadelabschnitte können so
die Montage der beiden miteinander verbindbaren Düsennadelabschnitte
vereinfachen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die
zwei Düsennadelabschnitte durch
Aufschrumpfen, Fügen,
Schweißen
oder Hartlöten
miteinander verbunden. Diese vier Arten der Verbindung der beiden
Düsennadelabschnitte
sind besonders einfach auszuführen,
und die Sicherheit dieser Art von Verbindung ist besonders hoch.
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Gemäß eines
zweiten Aspekts zeichnet sich die Erfindung durch ein Einspritzventil
mit einem Injektorkörper
und einer Düsenbaugruppe
aus, wobei der Injektorkörper
und die Düsenbaugruppe
miteinander verbunden sind.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
Einspritzventil mit einer Düsenbaugruppe,
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2 eine
Detailansicht einer ersten Ausführungsform
einer Düsennadel
der Düsenbaugruppe
gemäß 1.
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Ein
Einspritzventil 10 umfasst einen Injektorkörper 12 und
eine Düsenbaugruppe 14.
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In
dem Injektorkörper 12 ist
ein Hubaktuator 16 angeordnet, der als Piezoaktuator mit
einem Stapel von Piezoelementen ausgebildet sein kann und seine
axiale Ausdehnung abhängig
von der angelegten elektrischen Spannung ändert. Die elektrische Spannung
wird über
eine Anschlussbuchse 18 an den Hubaktuator 16 angelegt.
Der Hubaktuator 16 ist mit einem Übertrager 20 verbunden,
der ebenfalls im Injektorkörper 12 angeordnet
ist. Der Hubaktuator 16 und der Übertrager 20 bilden
einen Stellantrieb.
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Der
Injektorkörper 12 umfasst
ferner einen Hochdruckanschluss 26, der mit einer Hochdruckleitung 28 hydraulisch
verbunden ist. Über
den Hochdruckanschluss 26 ist das Einspritzventil 10 im
montierten Zustand mit einem nicht dargestellten Hochdruckfluidkreis
verbunden.
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In
einer Ausnehmung des Injektorkörpers 12 ist
ein Steuerraum 22 und ein Hohlraum 24 angeordnet.
Die Verbindung zwischen der Hochdruckleitung 28 und dem
Hohlraum 24 erfolgt über
eine hier nicht dargestellte Druckleitung. Abhängig von der Stellung eines
mit dem Übertrager 20 gekoppelten
Dichtkörpers 25 ist
der Hohlraum 24 mit dem Steuerraum 22 hydraulisch
gekoppelt oder von diesem hydraulisch entkoppelt.
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Die
Düsenbaugruppe 14 umfasst
einen Düsenkörper 30 mit
einer Ausnehmung 32, in der eine mehrteilig ausgebildete
Düsennadel 34 angeordnet ist.
Die Düsenbaugruppe 14 ist
mittels einer Düsenspannmutter 36 an
dem Injektorgehäuse 12 befestigt.
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Die
Düsennadel 34 besteht
aus mehreren Abschnitten und hat einen ersten Führungsabschnitt 40 und
einen zweiten Führungsabschnitt 42,
durch die die Düsennadel 34 im
Düsenkörper 30 sicher
geführt
wird. Die Düsennadel
kann einstückig
oder mehrstückig
ausgebildet sein.
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Ferner
ist im Düsenkörper 30 als
Teil der Ausnehmung 32 ein Hohlraum 47 ausgebildet,
der eine Düsenfeder 48 aufnimmt,
die sich einerseits an einem Absatz 50 des Hohlraums 47 abstützt und
andererseits einen in dem Düsenkörper 30 geführten Stiftabschnitt 51 der
Düsennadel
auf eine Kontaktfläche 55 der
Düsennadel 34 drückt. Die
Düsenfeder 48 spannt
die Düsennadel 34 in
eine dieser zugeordneten Schließposition
vor, in der sie den Fluidfluss durch mindestens eine im Düsenkörper 30 angeordnete
Einspritzdüse 70 unterbindet.
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In
dem dem Injektorkörper 12 zugewandten Bereich
hat die Düsennadel 34 eine
Stirnseite 38. In ihrem der Einspritzdüse 70 zugewandten
Bereich weist die Düsennadel 34 einen
Schaftabschnitt 44 auf. Zwischen dem Schaftabschnitt 44 und
dem ersten Führungsabschnitt 40 weist
die Düsennadel 34 einen
Düselnadelabsatz 45 auf,
der mit Fluid in Kontakt steht, das in etwa den Druck hat, den das
Fluid in der Hochdruckleitung 28 hat. Der Düselnadelabsatz 45 ist
so ausgebildet, dass die durch den Druck des Fluids hervorgerufene
Kraft öffnend
auf die Düsennadel 34 wirkt.
Die Position der Düsennadel 34 hängt von
der Kräftebilanz
der Kräfte
ab, die hervorgerufen durch den Druck des Fluids auf den Düselnadelabsatz 45 und
auf die Spitze der Düsennadel 34 wirken,
und andererseits der Federkraft der Düsenfeder 48 und der
Kraft, die durch den Druck des Fluids, das sich in dem Hohlraum 24 befindet,
und die dadurch hervorgerufene Kraft über die Stirnseite 38 der Düsennadel 34 und
den Düselnadelabsatz 45 der Düsennadel 34 in
Schließrichtung
der Düsennadel 34 eingeleitet
wird.
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Die
Wand des Hohlraums 47, zumindest im Bereich, in dem der
Stiftabschnitt 51 geführt
ist, und die äußere Wand
des Stiftabschnitts 53 sowie die Wand der Ausnehmung 32 des
Düsenkörpers 30,
zumindest in dem Bereich, in dem die Führungsabschnitte 40, 42 geführt sind,
und die Führungsabschnitte 40, 42 der
Düsennadel 34 sind
bezüglich
ihrer Ausmaße
sehr präzise
gefertigt, um so sicher zu stellen, dass ein möglichst geringer Fluidleckstrom zwischen
der Wandung der Ausnehmung 32 und dem äußeren Umfang des Stiftabschnitts
bzw. der Führungsabschnitte 40, 42 auftritt.
Ein Spalt 46 zwischen Düsenkörper 30 und
dem ersten Führungsabschnitt 40 hat
deshalb bevorzugt nur eine Größe von ein
bis vier Mikrometer.
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In 2 ist
ein Abschnitt der Düsennadel 34 in
vergrößerter Darstellung
gezeigt. Die Düsennadel 34 hat
eine Ausnehmung 52 mit einem ersten axial ausgerichteten
Ausnehmungsabschnitt 54 und einem zweiten radial ausgerichteten
Ausnehmungsabschnitt 56. Die Düsennadel 34 weist
einen ersten Düsennadelabschnitt 58 und
einen zweiten Düsennadelabschnitt 60 auf,
die miteinander verbunden sind. Der erste Düsennadelabschnitt 58 hat
eine Aussparung 62, während
der zweite Düsennadelabschnitt 60 einen
Zapfen 64 aufweist, der genau in die Aussparung 62 des
ersten Düsennadelabschnitts 58 hineinpasst.
In der hier vorliegenden Ausführungsform
weisen Aussparung 62 und Zapfen 64 jeweils Gewinde auf,
durch die eine Gewindeverschraubung 66 zwischen dem ersten
Düsennadelabschnitt 58 und
dem zweiten Düsennadelabschnitt 60 ausgebildet
ist. Der erste Düsennadelabschnitt 58 nimmt
einen Teilabschnitt 54a des ers ten Ausnehmungsabschnitts 54 und
der zweite Düsennadelabschnitt 60 einen
zweiten Teilabschnitt 54b des ersten Ausnehmungsabschnitts 54 und
den zweiten radial ausgerichteten Ausnehmungsabschnitt 56 auf.
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Bevorzugt
weist der als axiale Bohrung ausgeführte erste Ausnehmungsabschnitt 54 des
ersten Führungsabschnitts 40 der
Düsennadel 34 einen Durchmesser
D auf, der das 0,5-fache bis 0,75-fache des Durchmessers des ersten
Führungsabschnitts 40 der
Düsennadel 34 beträgt. Damit
wird zum einen sichergestellt, dass bei Kopplung des ersten Ausnehmungsabschnitts 54 mit
dem Hochdruckkreis des Fluids tatsächlich radial nach außen wirkende
Kräfte auf
den ersten Führungsabschnitt 40 der
Düsennadel 34 wirken
können,
zum anderen aber der erste Führungsabschnitt 40 der
Düsennadel 34 noch
eine Wandstärke
d aufweist, die sowohl fertigungstechnisch gut realisierbar ist
als auch eine lange Betriebsdauer der Düsenbaugruppe sicherstellt.
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Der
zweiteilige Aufbau der Düsennadel 34 erlaubt
es, die Ausnehmungsabschnitte 54, 56 besonders
einfach herzustellen. Der erste Düsennadelabschnitt 58 wird,
beispielsweise durch Bohren, mit dem ersten Teilabschnitt 54a des
ersten Ausnehmungsabschnitts 54 versehen. In den zweiten
Düsennadelabschnitt 60 wird,
beispielsweise ebenfalls durch Bohren, der zweite Teilabschnitt 54b des
ersten Ausnehmungsabschnitts 54 und der zweite radial ausgerichtete
Ausnehmungsabschnitt 56 eingebracht. Anschließend werden
erster und zweiter Düsennadelabschnitt 58, 60 miteinander
verschraubt, um so einen Teil der Düsennadel 34 mit der
einzigen Ausnehmung 52 zu bilden.
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Die
beiden Düsennadelabschnitte 58, 60 können neben
der hier gezeigten Verbindung durch eine Gewindeverschraubung auch durch
Aufschrumpfen, Fügen,
Schweißen,
Hartlöten
oder andere Verbindungstechniken miteinander verbunden sein.
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Im
Folgenden soll nun die Funktionsweise des Einspritzventils 10 in
detaillierter Form dargestellt werden:
In einer Ruhestellung
liegt der Dichtkörper 25 dicht am
oberen Ende des Hohlraums 24 an und unterbricht die hydraulische
Kopplung zwischen dem Hohlraum 24 und dem Steuerraum 22.
Der hohe Fluiddruck im Hohlraum 24 oberhalb der Düsennadel 34 wirkt
unmittelbar auf die Stirnseite 38 der Düsennadel 34, wodurch
diese mit ihrem Schaftabschnitt 44 gegen das Einspritzdüse 70 gedrückt wird
und ein Fluidfluss durch das Einspritzdüse 70 verhindert wird.
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Wird
der Hubaktuator 16 ausgehend von der Ruhestellung derart
angesteuert, dass der Übertrager 20 in
axialer Richtung hin zu der Düsennadel 34 verschoben
wird, so löst
sich der Dichtkörper 25 vom oberen
Ende des Hohlraums 24. Dies hat zur Folge, dass Fluid aus
dem Hohlraum 24 in den Steuerraum 22 strömen kann,
wodurch es zu einem Druckabfall im Hohlraum 24 kommt. Der
Hohlraum 24 ist nun also hydraulisch mit dem Steuerraum 22 gekoppelt.
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Über die
Hochdruckleitung 28 liegt weiter Druck in der Ausnehmung 32 des
Düsenkörpers 30 an.
Dieser Druck übt
eine nach oben gerichtete Kraft auf den Düsennadelabsatz 45 zwischen
dem Schaftabschnitt 44 und dem ersten Führungsabschnitt 40 aus.
Sinkt nun der Druck im Hohlraum 24 ab und nimmt damit die
Schließkraft
auf der Stirnseite 38 der Düsennadel 34 ab, so
gelangt die Düsennadel 34 durch
die nach oben gerichtete Kraft auf den Düsennadelabsatz 45 in
eine Offenposition und Brennstoff wird über das Einspritzdüse 70 aus
dem Einspritzventil 10 ausgebracht.
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Durch
die Ausnehmung 52 der Düsennadel liegt
bei steigendem Druck in der Hochdruckleitung 28 innerhalb
des ersten Führungsabschnitts 40 der Düsennadel 34 ebenfalls
ein hoher Druck an, wodurch radial nach außen Kräfte auf den ersten Führungsabschnitt 40 der
Düsennadel 34 wirken.
Diese radial nach außen
auf den ersten Führungsabschnitt 40 der
Düsennadel 34 wirkenden
Kräfte
führen
dazu, dass eine Ausdehnung des Spalts 46 zwischen dem Führungsabschnitt 40 und
dem Düsenkörper 30 nicht mehr
oder zumindest in geringerem Maße
auftritt wie bei Düsennadeln 34 nach
dem Stand der Technik. Bei hydraulischer Kopplung der Ausnehmung 52 der Düsennadel 34 mit
dem Hochdruckkreis des Fluids wirken also radial nach außen wirkende
Kräfte
so auf den ersten Führungsabschnitt 40 der
Düsennadel 34, dass
radial nach innen wirkenden Kräften,
wie sie bei hydraulischer Kopplung des Spalts 46 mit dem
Hochdruckkreis des Fluids auftreten, gerade entgegengewirkt wird.
Damit ist sichergestellt, dass die Größe des Spalts 46 über einen
weiten Druckbereich konstant bleibt, wodurch einerseits eine Verringerung des
Fluidleckstroms über
den Spalt 46 erreicht wird, andererseits ein Verklemmen
des Führungsabschnitts 40 der
Düsennadel 34 im
Düsenkörper 30 verhindert
wird.