-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung betrifft einen Kraftstoff-Injektor, insbesondere einen
Common-Rail-Injektor, zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum
einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
-
Bekannte
Kraftstoff-Injektoren weisen eine Düsennadel zum Zusammenwirken
mit einem Düsennadelsitz auf. Die Düsennadel bekannter
Kraftstoff-Injektoren ist entweder direkt oder indirekt über einen
Servokreislauf mittels eines Aktuators zwischen einer Schließstellung
und einer Öffnungsstellung verstellbar, wobei die Düsennadel
in der Schließstellung am Düsennadelsitz dichtend
anliegt und dadurch den Kraftstoffaustritt aus einer Anzahl von
Einspritzlöchern verhindert. Sobald die Düsennadel
von ihrem Düsennadelsitz wegbewegt wird, kann Kraftstoff
am Düsennadelsitz vorbei durch die Einspritzlöcher
hindurch in den Brennraum der Brennkraftmaschine strömen.
Bekannte Düsennadeln sind in einem axial von dem Sitzbereich
der Düsennadel beabstandeten Bereich in einem Düsenkörper
geführt. Zu diesem Zweck sind an der Düsennadel über
den Umfang gleichmäßig verteilt angeordnete Führungsflächen
ausgebildet, mit denen sich die Düsennadel bei ihrer axialen
Verstellbewegung in radialer Richtung am Innenumfang einer Führungsbohrung
im Düsenkörper abstützt. Wie sich beispielsweise
aus der
DE 197 06
661 A1 ergibt, ist es bekannt, die Düsennadel
in ihrem oberen Führungsbereich mit seitlichen Anschliffen
zu versehen, um hierdurch die in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten
eckseitigen Führungsflächen zu erzeugen. Dabei
wird von jedem seitlichen Anschliff ein Führungskanal zum
axialen Zuführen von Kraftstoff zu den Einspritzlöchern
gebildet. Beim Betrieb der bekannten Kraftstoff-Injektoren kommt
es zu einem Verdrehen der Düsennadel innerhalb des Düsenkörpers,
wodurch sich die relative Lage zwischen den Einspritzlöchern und
den Führungsflächen ändert. Zudem werden
Düsennadel schwingungen in den Kraftstoff induziert. Resultat
kann eine ungleiche Massenstrom- und Sekundärgeschwindigkeitsverteilung
auf die Einspritzlöcher und damit eine Filamentbildung
beim Einspritzvorgang sowie ein Desachsieren der Düsennadel
sein.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoff-Injektor
mit einer optimierten Düsennadelführung vorzuschlagen.
Bevorzugt sollen ungleiche Massenstrom- und Sekundärgeschwindigkeitsverteilungen
an den Einspritzlöchern vermieden werden.
-
Diese
Aufgabe wird mit einem Kraftstoff-Injektor mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der
Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest
zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den
Figuren offenbarten Merkmalen.
-
Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Anzahl der Führungsflächen
an die Anzahl der Einspritzlöcher anzupassen, d. h. die
gleiche Anzahl von sich in axialer Richtung erstreckenden Führungsflächen
und Einspritzlöchern vorzusehen. Bereits durch diese Maßnahme – selbst
bei sich in Umfangsrichtung verdrehender Düsennadel – kann
die Massenstrom- und Sekundärgeschwindigkeitsverteilung an
den Einspritzlöchern ausgeglichen und die Filamentbildung
beim Einspritzvorgang zumindest reduziert werden.
-
Ganz
besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des Kraftstoff-Injektors,
bei der eine feste Zuordnung zwischen den Führungsflächen
und den Einspritzlöchern realisiert ist. Anders ausgedrückt wird
eine Relativbewegung zwischen den Führungsflächen
und den Einspritzlöchern verhindert. Dies kann, wie später
noch erläutert werden wird, beispielsweise dadurch erreicht
werden, die Einspritzlöcher und die Führungsflächen
an demselben Bauelement anzuordnen und/oder dadurch, dass eine Verdrehsicherung
für die Düsennadel vorgesehen wird, die ein Verdrehen
der Düsennadel in Umfangsrichtung während des
Betriebs des Kraftstoff-Injektors sicher verhindert. Durch die eindeutige
Zuordnung der Führungsflächen zu den Einspritzlöchern
und der daraus resultierenden eindeutigen Zuteilung der Fluidströmungen
durch die in Umfangsrichtung beabstandeten Kraftstoffkanäle
zu den Einspritzlöchern kann eine Ungleichheit der Massenstrom-
und Sekundärgeschwindigkeitsverteilung auf die Einspritzlöcher
auf ein Minimum reduziert werden.
-
Ganz
besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der sich
die einem Einspritzloch zugeordnete Führungsfläche
oberhalb dieses Einspritzloches befindet. Anders ausgedrückt
befinden sich die Führungsfläche und das Einspritzloch,
bevorzugt die in Umfangsrichtung betrachteten Mittelpunkte des Einspritzloches
und der Führungsfläche, auf dem selben Umfangswinkel.
Da sich in Kraftstoff-Strömungsrichtung hinter jeder Führungsfläche
ein Unterdruckgebiet bildet, welches die Strömung hinter
die Führung zieht, kann durch eine zuvor beschriebene feste Zuordnung
zwischen Einspritzloch und Führungsfläche eine
Fokussierung der Strömung auf die stromabwärts
gelegenen Einspritzlöcher erreicht werden. Hierdurch können
Schwingungen des Fluids unterdrückt werden, was zu einer
optimalen Minimierung der Massenstrom- und Sekundärgeschwindigkeitsschwankungen
an den Einspritzlochaustritten führt. Zusätzlich
werden auf die Düsennadel wirkende Querkräfte
ausgeglichen, wodurch eine Deachsierungsneigung verringert wird.
-
Besonders
zweckmäßig ist eine Ausführungsform des
Kraftstoff-Injektors, bei der die in Umfangsrichtung beabstandeten
Führungsflächen unmittelbar am Führungskörper
ausgebildet sind. Bevorzugt handelt es sich dabei bei dem Führungskörper
unmittelbar um den Düsenkörper, also um ein unteres
Gehäuseteil des Kraftstoff-Injektors. Zur Ausbildung der
Führungsflächen am Führungskörper
ist es bevorzugt, sich in axialer Richtung erstreckende Axialstege
am Innenumfang einer Aufnahmebohrung für die Düsennadel
auszubilden. Jeweils zwei in Umfangsrichtung beabstandete und an
ihrem jeweiligen Innenumfang jeweils eine Führungsfläche
bildenden Axialstege begrenzen dabei in Umfangsrichtung zwischen
sich einen Kraftstoffkanal zum axialen Durchleiten des Kraftstoffs
zu den Einspritzlöchern.
-
Für
den bevorzugten Fall, dass die Einspritzlöcher zusammen
mit den Führungsflächen am bzw. im Führungskörper
oder einem drehfest zu dem Führungskörper angeordneten
Gehäuseteil eingebracht sind, kann auf eine Verdrehsicherung
für die Düsennadel zum Sicherstellen einer festen
Zuordnung der Führungsflächen zu den Einspritzlöchern
verzichtet werden.
-
Für
den Fall, dass sämtliche Führungsflächen
für die Düsennadel nicht an der Düsennadel, sondern
am Führungskörper, insbesondere am Düsenkörper,
angeordnet werden, kann die Düsennadel in einem mit den
Führungsflächen zusammenwirkenden Führungsabschnitt
zylindrisch konturiert werden, was deren Herstellung wesentlich
vereinfacht.
-
Zusätzlich
oder bevorzugt alternativ zu einer Ausbildung von Führungsflächen
am Führungskörper ist eine Anordnung der in Umfangsrichtung
voneinander beabstandeten Führungsflächen unmittelbar
an der Düsennadel möglich. Bevorzugt sind die Führungsflächen
dabei am Außenumfang von in radialer Richtung nach außen
vorstehenden Axialstegen der Düsennadel ausgebildet, so
dass sich die Düsennadel unmittelbar mit den Führungsflächen
am Innenumfang einer Führungsbohrung im, vorzugsweise vom
Düsenkörper gebildeten, Führungskörper
abstützen kann.
-
Um
bei einer Ausbildung der Führungsflächen unmittelbar
an der Düsennadel, insbesondere bei einer ausschließlichen
Anordnung der Führungsflächen an der Düsennadel,
eine feste Zuordnung zwischen den Einspritzlöchern und
den Führungsflächen zu erzielen, ist in Weiterbildung
der Erfindung mit Vorteil vorgesehen, dass der Düsennadel
eine die Verdrehung der Düsennadel in Umfangsrichtung verhindernde
Verdrehsicherung (Drehfixierung) zugeordnet ist. Im Hinblick auf
die konkrete Ausbildung der Verdrehsicherung gibt es unterschiedliche
Möglichkeiten. Besonders bevorzugt wird die Verdrehsicherung
durch einen Formschluss erzielt – ganz besonders bevorzugt
greift hierzu ein Verdrehsicherungsbauteil, insbesondere eine Kugel
oder eine Fixierscheibe, in mindestens einen am Außenumfang der
Düsennadel zwischen zwei Führungsflächen ausgebildeten
Kraftstoffkanal ein.
-
Weiter
bevorzugt ist eine Ausführungsform des Kraftstoff-Injektors,
bei der die zwischen den Führungsflächen gebildeten,
vorzugsweise nutartigen Kraftstoffkanäle jeweils zwei parallel
zueinander verlaufende Seitenflächen aufweisen. Auf diese
Weise kann zum einen die Fertigung der Führungskanäle erleichtert
und zum anderen der Führungskanaldurchschnitt optimiert
werden. Ganz besonders bevorzugt – insbesondere im Hinblick
auf eine vereinfachte Fertigung – ist eine Ausführungsform,
bei der die Bodenfläche rechtwinklig zu den parallelen
Seitenflächen orientiert ist.
-
In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass zwischen
den Führungsflächen und dem Sitzbereich der Düsennadel
nicht wie im Stand der Technik ein Mischungsbereich zum Durchmischen
des Kraftstoffs mit einer großen Axialerstreckung vorgesehen
ist, sondern dass die Führungsflächen sich bis
in einen unteren, den Einspritzlöchern zugewandten Axialbereich
erstrecken, so dass eine Führung der Düsennadel
in unmittelbarer Nähe zu den Einspritzlöchern
gegeben ist, was zu einer weiteren Schwingungsreduzierung führt.
-
Besonders
bevorzugt ist es, wenn die Axialerstreckung der Führungsflächen
größer ist als die halbe Axialerstreckung der
Düsennadel, um somit eine optimale Führungswirkung
zu erzielen und die Verkippneigung der Düsennadel zu minimieren.
-
Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
-
1a und 1b b
ein erstes Ausführungsbeispiel eines Kraftstoff-Injektors
mit einer Düsennadel, deren ihr zugeordnete Führungsflächen nicht
an der Düsennadel, sondern an einem Düsenkörper
(Gehäuseteil) angeformt sind,
-
2a und 2b eine
alternative Ausführungsform mit an der Düsennadel
vorgesehenen Führungsflächen und einer mittels
einer Kugel realisierten Verdrehsicherung,
-
3a und 3b ein
weiteres alternatives Ausführungsbeispiel eines Kraftstoff-Injektors
mit an der Düsennadel ausgebildeten Führungsflächen, wobei
sich die Führungsflächen in axialer Richtung über den
größten Teil der Axialerstreckung der Düsennadel
erstrecken,
-
4a und 4b zwei
unterschiedliche Ausführungformen von Verdrehsicherungen
für die Düsennadel und
-
5 in
einer schematischen, abgewickelten Darstellung die relative Anordnung
von Führungsflächen zu Einspritzlöchern.
-
In
den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen
Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
-
In
den
1a und
1b ist
ausschnittsweise, d. h. ein unterer Abschnitt, eines Kraftstoff-Injektors
1 gezeigt.
Von seiner grundsätzlichen Funktionsweise her kann der
Kraftstoff-Injektor
1 beispielsweise wie in der
DE 197 06 661 A1 beschrieben
ausgebildet sein. Der Kraftstoff-Injektor
1 umfasst einen Düsenkörper
2,
der in einem unteren Abschnitt als Führungskörper
3 zur
Führung einer in einer Stufenbohrung
4 des Düsenkörpers
2 aufgenommenen
Düsennadel
5 bei ihrer axialen Verstellbewegung
ausgebildet ist. Die Düsennadel
5 wird von einer
Schließfeder
6, die sich an einem Umfangsbund
7 der
Düsennadel
5 abstützt, in axialer Richtung
in der Zeichnungsebene nach unten auf einen am Führungskörper
3 ausgebildeten
Düsennadelsitz
8 gepresst. In der gezeigten, am
Düsennadelsitz
8 anliegenden Schließstellung
versperrt die Düsennadel
5 einen Zulauf von unter
Hochdruck stehendem Kraftstoff zu in den Führungskörper
3 eingebrachten
Einspritzlöchern
9, durch die der unter hohem
Druck, von in diesem Ausführungsbeispiel über
2000 bar, stehende Kraftstoff in den nicht gezeigten Brennraum einer ebenfalls
nicht gezeigten Brennkraftmaschine strömen kann. Hierzu
muss die Düsennadel
5 entweder direkt über
einen Aktuator oder indirekt über einen Servokreislauf
durch Druckabsenkung in einer Steuerkammer nach oben bewegt werden.
-
Zur
Führung der Düsennadel 5 in einem Führungsabschnitt 10 sind
eine Vielzahl von sich in axialer Richtung erstreckenden und im
Umfangsrichtung voneinander beabstandeten teilkreisförmig
gekrümmten Führungsflächen 11 vorgesehen,
die in dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1a und 1b unmittelbar
an dem von dem Düsenkörper 2 gebildeten
Führungskörper 3 ausgebildet sind. Innerhalb
der Stufenbohrung 4 sind eine der Anzahl der Fühungsflächen 11 entsprechende
Anzahl von sich in radialer Richtung nach innen sowie in axialer
Richtung erstreckenden Axialstegen 12 vorgesehen, die an
ihrem Innenumfang die Führungsflächen 11 zur unmittelbaren
Anlage an der Düsennadel 5 bilden. Die Düsennadel 5 ist
im Führungsabschnitt 10 zylindrisch konturiert.
Wie sich aus 1a ergibt, erstrecken sich die
Führungsflächen 11 in axialer Richtung in
der Zeichnungsebene nach unten bis näherungsweise zum Sitzbereich 13 der
Düsennadel 5. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel
enden die Führungsflächen 11, in axialer
Richtung betrachtet, kurz vor einem an den Führungsabschnitt 10 angrenzenden, sich
koaxial verjüngenden unteren Abschnitt der Düsennadel 5.
-
Aus
der Schnittansicht gemäß 1b ist
die Lage der Führungsflächen 11 relativ
zu der Düsennadel 5 zu erkennen. 1b macht
deutlich, dass die am Innenumfang der Axialstege 12 ausgebildeten Führungsflächen 11 gleichmäßig
in Umfangsrichtung beabstandet sind. Wie sich aus 1b weiter
ergibt, ist zwischen jeweils zwei in Umfangsrichtung voneinander
beabstandeten Führungsflächen 11 ein
sich in axialer Richtung erstreckender Kraftstoffkanal 14 ausgebildet,
der radial außen sowie in Umfangsrichtung begrenzt wird
von dem Führungskörper 3 und radial innen
von der Düsennadel 5. Jeder Kraftstoffkanal 14 weist
eine in dem gezeigten Ausführungsbeispiel von dem Führungskörper 3 gebildete
Bodenfläche 15 sowie zwei winklig dazu verlaufende
Seitenflächen 16, 17 auf. Wesentlich
bei der gezeigten Ausführungsform ist, dass die Anzahl
der Führungsflächen 11 der Anzahl der
Einspritzlöcher 9 entspricht. Die Einspritzlöcher 9 sind,
wie bereits erwähnt, zusammen mit den Führungsflächen 11 am Führungskörper 3 ausgebildet,
so dass eine feste Zuordnung der Führungsflächen 11 zu
den Einspritzlöchern 9 besteht. Bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß den 1a und 1b bleibt,
selbst wenn sich die Düsennadel 5 in Betrieb des
Kraftstoff-Injektors 1 in Umfangsrichtung drehen sollte,
die Zuordnung der Führungsflächen 11 und
damit auch der Kraftstoffkanäle 14 zu den Einspritzlöchern 9 fest.
Die feste Zuordnung der Einspritzlöcher 9 zu den
sich in axialer Richtung erstreckenden Führungsflächen 11 wird
besonders aus 5 deutlich, die eine schematische, abgewickelte
Darstellung sämtlicher Ausführungsbeispiele gemäß den 1a bis 3b zeigt.
Zu erkennen ist, dass die Anzahl der Einspritzlöcher 9 der Anzahl
der Führungsflächen 11 entspricht und
dass jedem Einspritzloch 9 eine der Führungsflächen 11 zugeordnet
ist, wobei sich die einander zugeordneten Einspritz löcher 9 und
die Führungsflächen 11 auf dem selben
Umfangswinkel befinden. Wie sich weiter aus 5 ergibt,
wird der Kraftstoffstrom 18 nach Durchfließen
der Kraftstoffkanäle 14 abgelenkt in Richtung
der Einspritzlöcher 9. Dies ist auf einen resultierenden
Unterdruck stromabwärts der Führungsflächen 11 bzw.
der Axialstege 12 zurückzuführen.
-
Bei
dem Ausführungsbeispiel gemäß den 2a und 2b sind
die über den Umfang verteilt angeordneten und sich in axialer
Richtung erstreckenden Führungsflächen 11 nicht
am Führungskörper 3, sondern unmittelbar
an der Düsennadel 5 ausgebildet und zwar an sich
in radialer Richtung nach außen sowie in axialer Richtung
erstreckenden Axialstegen 12. Dort bilden sie deren gerundeten
Außenumfang zum unmittelbaren Abstützen am Innenumfang
der Stufenbohrung 4 im Führungskörper 3 bzw. am
Düsenkörper 2. Wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1a und 1b sind
insgesamt sieben Führungsflächen 11 und
sieben Einspritzlöcher 9 vorgesehen. Um eine feste
Zuordnung der Führungsflächen 11 zu den
Einspritzlöchern 9 zu gewährleisten, ist
eine schematisch als Kugel angedeutete Verdrehsicherung 19 vorgesehen,
die durch Formschlusseingriff sowohl in den Führungskörper 3 als
auch in die Düsennadel 5 ein Verdrehen der Düsennadel 5 und damit
der Führungsflächen 11 relativ zu dem
Führungskörper 3 und damit den Einspritzlöchern 9 verhindert.
Wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1a und 1b erstrecken
sich die Axialstege 12 mit den Führungsflächen 11 in
axialer Richtung in der Zeichnungsebene nach unten bis näherungsweise
zu einem Sitzbereich 13 der Düsennadel 5.
-
Wie
sich aus der Schnittdarstellung gemäß 2b ergibt,
begrenzen jeweils zwei in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnete
Axialstege 12, die sich in radialer Richtung nach außen
erstrecken und sich mit jeweils einer Führungsfläche 11 am
Führungskörper 3 abstützen,
einen Kraftstoffkanal 14, der zwei Seitenflächen 16, 17 und
eine Bodenfläche 15 aufweist, die in dem gezeigten
Ausführungsbeispiel von der Düsennadel 5 gebildet
wird. Anders ausgedrückt sind die Kraftstoffkanäle 14 als
sich in axialer Richtung erstreckende Nuten in der Düsennadel 5 und
nicht, wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1a und 1b,
im Führungskörper 3 ausgebildet.
-
Die
schematische, abgewickelte Darstellung gemäß 5,
die in Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel gemäß 1a und 1b erläutert wurde,
ist auch analog für das Ausführungsbeispiel gemäß den 2a und 2b heranzuziehen.
-
Die 3a und 3b zeigen
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kraftstoff-Injektors 1. Analog
zu dem Ausführungsbeispiel gemäß den 2a und 2b sind
die Führungsflächen 11 an Axialstegen 12 der
Düsennadel 5 ausgebildet. Im Gegensatz zu dem
zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Axialerstreckung
der Führungsflächen 11 wesentlich vergrößert.
Die Führungsflächen 11 erstrecken sich
in axialer Richtung nun über den größten
Teil der Axialerstreckung der Düsennadel 5. Ein weiterer
wesentlicher Unterschied zu dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel
besteht darin, dass die Seitenflächen 16, 17 sämtlicher
Kraftstoffkanäle 14 parallel zueinander angeordnet
sind und sich senkrecht zu der jeweiligen Bodenfläche 15 des
zugehörigen Kraftstoffkanals 14 erstrecken.
-
Die 4a und 4b zeigen
unterschiedliche, jeweils in einer querschnittlichen Ansicht dargestellte
Ausführungsformen von Verdrehsicherungen 19, insbesondere
für Ausführungsformen, bei denen jeweils sämtliche
Führungsflächen 11 an der Düsennadel 5 ausgebildet
sind.
-
Bei
dem Ausführungsbeispiel gemäß 4a umfasst
die Verdrehsicherung 19 eine Scheibe 20, die mit
zwei um 180° versetzt zueinander angeordneten Fixierstiften 21, 22 gegen
ein Verdrehen relativ zum Führungskörper 3 gesichert
sind. Die Scheibe 20 greift mit zwei sich radial nach innen
erstreckenden Fixierzungen 24, 25 in zwei in Umfangsrichtung voneinander
beabstandete Kraftstoffkanäle 14 ein, die am Außenumfang
der Düsennadel 5 ausgebildet sind.
-
Bei
dem Ausführungsbeispiel gemäß 4b greift
die Scheibe 20 mit jeweils einer Fixierzunge 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30 in
einen Kraftstoffkanal 14 ein. Anders ausgedrückt
ist jedem Kraftstoffkanal 14 eine Fixierzunge 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30 zugeordnet.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 19706661
A1 [0002, 0023]