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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor zur Direkteinspritzung von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einem Düsenkörper, der eine zentrale Bohrung aufweist, in der eine lange Düsennadel axial beweglich zur Freigabe oder zum Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung aufgenommen ist. Dabei besitzt die zentrale Bohrung einen Führungsbereich zur Führung der langen Düsennadel sowie einen Sitzbereich zur Ausbildung eines Dichtsitzes für die lange Düsennadel. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einem solchem Kraftstoffinjektor.
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Kraftstoffinjektoren mit sogenannten langen Düsennadeln sind aus dem Stand der Technik bekannt. Als lange Düsennadeln werden insbesondere solche Nadeln verstanden, bei denen die Düsennadel mit dem Ventilkolben ein Funktionsteil bildet. Lange Düsennadeln können einteilig, als auch mehrteilig gebaut sein. Aufgrund der großen Länge im Verhältnis zum Durchmesser besteht bei langen Düsennadeln das Problem, dass sie durch einwirkende Querkräfte und/oder durch zu große Fertigungstoleranzen eine radiale Auslenkung erfahren können. Eine solche führt wiederum zu einem asymmetrischen Spritzbild und damit einhergehend zu einer ungleichmäßigen Verteilung des Kraftstoffes in dem Brennraum der Brennkraftmaschine. Um einer radialen Auslenkung entgegen zu wirken, werden daher lange Düsennadeln über einen Teilbereich ihrer axialen Erstreckung innerhalb des Kraftstoffinjektors geführt. Hierzu kann beispielsweise im Düsenkörper ein Führungsbereich im Bund des Düsenkörpers ausgebildet sein. Eine weitere Führung ist bei langen Düsennadeln zudem zumeist außerhalb des Düsenkörpers im Bereich des sitzabgewandten Endes der Düsennadel vorgesehen.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2006 012 078 A1 geht eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Kraftstoff-Direkteinspritzung hervor, die einen Düsenkörper mit einem Führungsabschnitt im Bundbereich des Düsenkörpers zur Führung eines Ventilelementes besitzt. Das Ventilelement ist ferner an seinem sitzabgewandten Ende in einem Hülsenabschnitt eines Ventilkörpers geführt. Dennoch kann das Ventilelement eine radiale Auslenkung erfahren. Um dies zu verhindern, könnte ein weiterer dritter Führungsabschnitt angeordnet werden. Die dreifache Lagerung würde jedoch dazu führen, dass die Führung des Ventilelementes überbestimmt wäre. Bei einer Überbestimmung besteht die Gefahr, das sich das Ventilglied bzw. die Düsennadel verspannt, so dass die Funktionsfähigkeit des Kraftstoffinjektors nicht mehr gewährleistet ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde einen Kraftstoffinjektor mit einer langen Düsennadel bereitzustellen, bei dem die vorstehend beschriebenen Probleme nicht oder nur in deutlich verringertem Maße in Erscheinung treten. Insbesondere soll der vorgeschlagene Kraftstoffinjektor ein gleichmäßiges, symmetrisches Sprühbild und damit eine gleichmäßige Kraftstoffeinspritzung gewährleisten. Des Weiteren soll der Kraftstoffinjektor einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar sein.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß weist der Kraftstoffinjektor einen Düsenkörper mit einer zentralen Bohrung auf, die einen Führungsbereich besitzt, welcher in der Nähe des Sitzbereiches oder anschließend an den Sitzbereich angeordnet ist, so dass ein Teilabschnitt A1 der langen Düsennadel in einem sitznahen Führungsbereich geführt ist, der bezogen auf die gesamte L1 des Düsenkörpers innerhalb eines Bereiches angeordnet, dessen Länge L2 maximal 40% der gesamten Länge L1 des Düsenkörpers ausgehend vom sitzseitigen Ende des Düsenkörpers beträgt. Der Teilabschnitt A1 muss dabei nicht bis an das sitzseitige Ende der Düsennadel heranreichen. Die Lage des Teilabschnittes A1 wird vorwiegend durch die Lage des Führungsbereiches innerhalb der zentralen Bohrung des Düsenkörpers bestimmt. Da die Düsennadel axial beweglich in der zentralen Bohrung aufgenommen ist, weist der Teilabschnitt A1 eine größere axiale Erstreckung als der Führungsbereich am Düsenkörper auf. Die Differenz entspricht im Wesentlichen dem Hub der Düsennadel. Durch die sitznahe Führung ist ein optimaler Dichtsitz der Düsennadel gewährleistet, da Querkräfte keine oder nur eine unwesentliche radiale Auslenkung der Düsennadel im Sitzbereich bewirken können. Die sitznahe Führung kann zudem eine Führung der Düsennadel im übrigen Schaft- oder im Bundbereich des Düsenkörper ersetzen. Die Ausbildung nur eines Führungsbereiches anstelle von beispielsweise zwei Führungsbereichen vereinfacht die Teileproduktion, so dass der vorgeschlagene Kraftstoffinjektor kostengünstig herstellbar ist. Als wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors ist jedoch ein mit der sitznahen Führung der Düsennadel einhergehendes symmetrisches Spritzbild und somit eine gleichmäßige Verteilung des Kraftstoffes beim Einspritzen im Brennraum einer Brennkraftmaschine zu nennen.
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Vorzugsweise ist zur Ausbildung des Führungsbereiches die zentrale Bohrung des Düsenkörpers als Stufenbohrung ausgeführt. D. h., dass die zentrale Bohrung einen Abschnitt aufweist, der einen geringeren Durchmesser als der übrige Bereich der zentralen Bohrung aufweist. Der Abschnitt mit dem geringeren Durchmesser bildet dann den Führungsbereich aus. Die zentrale Bohrung des Düsenkörpers kann aber nicht nur einfach, sondern auch mehrfach gestuft ausgeführt sein. Auf diese Weise kann der Führungsbereich mit unterschiedlichen Führungsdurchmessern ausgestattet sein. Außerhalb des Führungsbereiches ist der Durchmesser der zentralen Bohrung derart zu wählen, dass ein ausreichend großer Ringspalt zwischen der Düsennadel und dem Düsenkörper verbleibt, so dass eine mehrfache Lagerung der Düsennadel und die damit einhergehende Gefahr einer Überbestimmung verhindert werden. Die Düsennadel soll vorzugsweise nur im Führungsbereich direkt am Düsenkörper anliegen oder in direkter Anlage mit dem. Düsenkörper gelangen können.
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Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist innerhalb des Führungsbereiches eine Stufe ausgebildet, durch welche ein sitznaher Abschnitt des Führungsbereiches mit verringertem Durchmesser D1 ausgebildet wird. Der Führungsbereich weist somit wenigstens zwei unterschiedliche Führungsdurchmesser auf, wobei der Führungsdurchmesser mit dem geringeren Durchmesser der Stabilisierung der Düsennadel dient. Daher ist dieser Abschnitt des Führungsbereiches bevorzugt möglichst sitznah ausgebildet. Der Führungsbereich kann aber auch mehrere solcher Abschnitte aufweisen.
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Zur Ausbildung des Führungsbereiches ist zumindest ein an dem Führungsbereich angrenzender Bereich der zentralen Bohrung vorzugsweise mittels Drehen, Fräsen oder eines elektrochemischen Verfahrens freigelegt. Durch das Freilegen bleibt ein Abschnitt der zentralen Bohrung mit einem geringeren Durchmesser bestehen, der dann den Führungsbereich ausbildet. Schließt der Führungsbereich direkt an dem Sitzbereich an, ist ein Freilegen der zentralen Bohrung lediglich stromaufwärts des Führungsbereiches notwendig. Eine Freilegung der zentralen Bohrung kann jedoch auch zu beiden Seiten des Führungsbereiches erfolgen, wobei ein axialer Abstand des Führungsbereiches zum Sitzbereich geschaffen wird. Der Führungsbereich selbst wird vorzugsweise nach dem Freilegen einer weiteren Schleifbehandlung unterzogen.
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Weiterhin bevorzugt ist die lange Düsennadel ein- oder mehrteilig aufgebaut sie bildet jedoch immer ein Funktionsteil aus. Des Weiteren besitzt die Düsennadel im geführten Teilabschnitt A1 Abflachungen, Ausnehmungen, Nuten und/oder Kanäle für die Kraftstoffzufuhr. Dies ist erforderlich, da die Düsennadel im Führungsbereich direkt am Düsenkörper anliegt, so dass ohne entsprechende kanalbildende Ausnehmungen der einzuspritzende Kraftstoff nicht der wenigstens einen Einspritzöffnung zugeführt werden kann. Die Abflachungen, Ausnehmungen, Nuten und/oder Kanäle sind vorzugsweise gleichmäßig um den Umfang der Düsennadel verteilt angeordnet. Die Düsennadel weist somit ein rotationssymmetrisches Querschnittsprofil im Teilabschnitt A1 auf.
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Der Sitzbereich bzw. das sitznahe Ende der zentralen Bohrung des Düsenkörpers ist vorzugsweise als Sitzlochdüse oder als Sacklochdüse ausgebildet. Besonders bevorzugt wird die Ausbildung als Sitzlochdüse, die den Vorteil eines deutlich verringerten Totvolumens und damit einhergehenden HC-Reduzierungen besitzt. Gegenüber einer Sacklochdüse kann die HC-Reduzierung bis zu 55% betragen. Da bei dem vorgeschlagenen Kraftstoffinjektor ein hervorragender Dichtkontakt der Düsennadel am Dichtsitz gewährleistet ist, ist auch die Funktionsfähigkeit der bevorzugten Sitzlochdüse sichergestellt.
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Ferner können in der zentralen Bohrung des Düsenkörpers weitere Ausnehmungen vorhanden sein, die beispielsweise als Druckkammer oder als Kraftstoffzulaufkanal dienen. Dementsprechend kann die zentrale Bohrung des Düsenkörpers eine komplexe Geometrie aufweisen, die neben der Ausführung als Stufenbohrung auch Ausführungen mit mehrfachen Abstufungen und/oder Aushöhlungen umfasst. Im Bereich der Durchmesserwechsel weist die zentrale Bohrung bevorzugt konisch verlaufende Abschnitte zum Vermitteln zwischen den unterschiedlichen Bohrungsdurchmessern auf. Dadurch werden auch die Strömungsverhältnisse innerhalb der Bohrung verbessert.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die lange Düsennadel in einem weiteren Teilbereich A2 geführt, der an dem sitzfernen Ende der langen Düsennadel außerhalb des Düsenkörpers angeordnet ist. Auf diese Weise ist die lange Düsennadel an zwei Punkten gelagert, so dass eine Überbestimmung der Führung nicht gegeben ist. Aufgrund der weiteren Führung ist auch das sitzferne Ende der Düsennadel gehalten, wodurch sich die Stabilität der Düsennadel insbesondere bei einer Axialbewegung erhöht. Alternativ zur Führung am sitzfernen Ende der langen Düsennadel kann auch ein weiterer Führungsbereich im Bund des Düsenkörpers ausgebildet sein. Die Führung der langen Düsennadel sollte jedoch zur Vermeidung einer Überbestimmung maximal auf zwei Bereiche begrenzt werden. Dabei werden die Vorteile in Bezug auf eine Verbesserung der Strahlbildsymmetrie und der gleichmäßigen Kraftstoffverteilung auch bereits bei Anordnung eines einzigen Führungsbereiches in der Nähe des Sitzbereiches bzw. direkt hieran anschließend erreicht.
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Die vorstehend genannten Vorteile kommen, insbesondere bei Einsatz eines solchen Kraftstoffinjektors in einem Kraftstoffeinspritzsystem zum Tragen. Daher wird ferner ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einem solchen Kraftstoffinjektor vorgeschlagen.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
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1 einen Längsschnitt durch den Düsenkörper und die Düsennadel eines ersten erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors,
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2 Detailausschnitt aus 1,
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3 allein den Düsenkörper aus 2,
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4 das Profil der zentralen Bohrung des Düsenkörpers der 2 und 3 im Längsschnitt,
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5 den Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform im Bereich des Düsenkörpers,
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6 das Profil der zentralen Bohrung des Düsenkörpers der 5 im Längsschnitt und
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7 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors im Bereich des Düsenkörpers im Längsschnitt.
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1 ist ein Düsenkörper 1 mit einer darin aufgenommenen langen Düsennadel 3 eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors gemäß einer ersten Ausführungsform zu entnehmen. Der Düsenkörper 1 weist eine zentrale Bohrung 2 auf, in der die lange Düsennadel 3 eingesetzt ist. Zur Freigabe und zum Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung 4 (siehe 2) ist die lange Düsennadel 3 axial beweglich innerhalb der zentralen Bohrung 2 des Düsenkörpers 1 angeordnet. Dabei wird die lange Düsennadel 3 über einen Führungsbereich 5 am Düsenkörper 1 geführt. Der geführte Bereich der langen Düsennadel 3 ist als Teilabschnitt A1 gekennzeichnet. Darüber hinaus weist die lange Düsennadel 3 der 1 einen weiteren geführten Teilabschnitt A2 auf, der am sitzfernen Ende 11 der Düsennadel 3 angeordnet ist. Mit dem sitzfernen Ende 11 ist das Ende der Düsennadel 3 gemeint, das einen großen axialen Abstand zu einem Sitzbereich 6 innerhalb der zentralen Bohrung 2 des Düsenkörpers 1 besitzt.
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Der Sitzbereich 6 ist vorliegend konisch geformt und dient als Dichtsitz für die lange Düsennadel 3. Die wenigstens eine Einspritzöffnung 4 ist innerhalb des Sitzbereiches 6 der zentralen Bohrung 2 angeordnet. Der vorliegende Kraftstoffinjektor weist somit eine Sitzlochdüse auf. Alternativ ist aber auch die Ausbildung einer Sacklochdüse möglich, bei der die wenigstens eine Einspritzöffnung 4 in einen als Sackloch ausgebildeten Bereich der zentralen Bohrung 2 mündet.
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Über die gesamte axiale Erstreckung des Teilbereiches A1 weist die lange Düsennadel 3 Abflachungen 9 auf, die dazu dienen, die Kraftstoffzufuhr zu der wenigstens einen Einspritzöffnung 4 sicherzustellen. Denn im Führungsbereich 5 liegt die lange Düsennadel 3 direkt am Düsenkörper 1 an, so dass ohne solche Abflachungen 9 die Kraftstoffzufuhr nicht gewährleistet werden könnte. Anstelle von Abflachungen 9 kann der Teilbereich A1 aber auch mit Nuten, insbesondere Längsnuten, oder sonstigen kanalbildenden Ausnehmungen außenumfangsseitig versehen sein. Alternativ oder ergänzend ist es auch möglich, kanalbildende Ausnehmungen, wie beispielsweise Längsnuten, im Führungsbereich 5 der zentralen Bohrung 2 für die Kraftstoffzufuhr vorzusehen.
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In der 3 ist der Düsenkörper 1 der 2 in einem Längsschnitt dargestellt. 3 verdeutlich damit die Geometrie der zentralen Bohrung 2. Der Führungsbereich 5 ist innerhalb der zentralen Bohrung 2 ausgebildet und weist einen Durchmesser D2 auf, der – zur Sicherstellung der Führungsfunktion – kleiner als der Durchmesser D3 der zentralen Bohrung 2 ist. An den Führungsabschnitt 5 schließt sich sitzseitig ein weiterer Bohrungsabschnitt mit einem Durchmesser D4 an, der vorliegend dem Durchmesser D3 der zentralen Bohrung 2 entspricht. Der Durchmesser D4 kann sich jedoch auch von dem Durchmesser D3 der zentralen Bohrung 2 unterscheiden. Der Bohrungsabschnitt mit dem Durchmesser D4 kann beispielsweise der Ausbildung einer Druckkammer 10 dienen, sofern zwischen der langen Düsennadel 3 und dem Düsenkörper 1 ein Ringraum zur Aufnahme von Kraftstoff verbleibt. Der Kraftstoffdruck in der Druckkammer 10 bewirkt eine Stabilisierung der Düsennadel 3. Die eigentliche Führung übernimmt jedoch weiterhin der Führungsbereich 5. An den Bohrungsabschnitt mit dem Durchmesser D4 schließt sich des Weiteren eine Stufe 7 an, deren Durchmesser D1 kleiner als der des Führungsbereiches 5 ist, wobei die Stufe 7 vorliegend jedoch keine Führungsfunktion übernimmt. Die verschiedenen Durchmesser können insbesondere der 4 entnommen werden, welche die zentrale Bohrung 2 im Profil darstellt.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors ist den 5 und 6 zu entnehmen. 5 zeigt dabei lediglich den Bereich des Düsenkörpers 1 einschließlich des hierin aufgenommenen Abschnitts der Düsennadel 3. Im Wesentlichen unterscheidet sich die Ausführungsform der 4 von der der 2 dadurch, dass im Bundbereich des Düsenkörpers 1 eine Druckkammer 10 durch Aufweitung der zentralen Bohrung 2 ausgebildet ist. Der Führungsbereich 5 befindet sich wiederum in der Nähe des Sitzbereiches 6 und ist entsprechend der Profildarstellung der 6 wiederum zweiteilig mit zwei unterschiedlichen Führungsdurchmessern D1 und D2 ausgebildet. Der zwischen Führungsbereich 5 mit dem Führungsdurchmesser D2 und der Stufe 7 mit dem Führungsdurchmesser D1 liegende Bereich der zentralen Bohrung 2 mit einem Durchmesser D4 kann wiederum zur Ausbildung einer weiteren Druckkammer 10 herangezogen werden. Die wenigstens eine Einspritzöffnung 4 ist auch hier außerhalb des Bereiches 6 angeordnet, so dass die zentrale Bohrung 2 in einer Sacklochdüse endet.
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Das weitere Ausführungsbeispiel der 7 unterscheidet sich von den vorhergehenden insbesondere dadurch, dass die lange Düsennadel 3 zweifach geführt ist. Der weitere geführte Teilabschnitt A2 ist dabei jedoch nicht am sitzfernen Ende 11 der langen Düsennadel 3 angeordnet, sondern bildet einen innerhalb der zentralen Bohrung 2 aufgenommenen Abschnitt der Düsennadel 3 aus. In entsprechender Weise ist innerhalb der zentralen Bohrung 2 des Düsenkörpers 1 ein erster sitznaher Führungsbereich 5 sowie ein zweiter zum Sitzbereich 6 beabstandeter Führungsbereich 5 ausgebildet. Somit ergeben sich auch zwei geführte Teilabschnitte A1 und A2 am Außenumfang der langen Düsennadel 3. Mit der Führung im Bundbereich des Düsenkörpers 1 entfällt die Führung der langen Düsennadel 3 am sitzfernen Ende 11, da ansonsten eine dreifache Führung und damit Überbestimmung der Düsennadel 3 gegeben wäre. Die Düsennadel 3 könnte sich dann bei Ausführung der axialen Bewegung verspannen, so dass Funktionsmängel des Kraftstoffinjektors nicht ausgeschlossen werden könnten. Die lange Düsennadel 3 ist außenumfangsseitig mit Abflachungen 9 für die Kraftstoffzufuhr versehen, wobei sich die Abflachungen 9 vom Teilabschnitt A1 sich bis zum Teilabschnitt A2 erstrecken. Somit weist die lange Düsennadel 3 auch in einem nicht geführten Teilabschnitt Abflachungen 9 auf. Grund hierfür ist u. a., dass durchlaufende Abflachungen 9 leichter herzustellen sind.
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Zur Herstellung eines Führungsbereiches 5 kann ein hieran angrenzender Bereich 8 der zentralen Bohrung 2 durch Drehen, Fräsen oder durch ein elektrochemisches Verfahren freigelegt werden. Grenzt der Führungsbereich 5 direkt an den Sitzbereich an, bedarf es lediglich der Freilegung des stromaufwärts an den Führungsbereich 5 angrenzenden Bereich 8. Liegt der Führungsbereich 5 axial beabstandet zum Sitzbereich 6 ist die zentrale Bohrung 2 beidseits des Führungsbereiches 5 freizulegen. Der maximale axiale Abstand des Führungsbereiches 5 zum Sitzbereich 6 ist dadurch festgelegt, dass erfindungsgemäß der Führungsbereich 5 innerhalb eines Bereiches liegt, dessen Länge L2 maximal 40% der Gesamtlänge L1 des Düsenkörpers 1 beträgt, wobei sich die Länge L2 vom sitzseitigen Ende des Düsenkörpers 1 berechnet (siehe 1). Erst durch eine entsprechende Anordnung des Führungsbereiches 5 innerhalb der zentralen Bohrung 2 des Düsenkörpers 1 können die Vorteile der vorliegenden Erfindung realisiert werden. Diese zeigen sich insbesondere in einem symmetrischen Spritzbild und einer damit einhergehenden gleichmäßigen Kraftstoffverteilung im Brennraum der Brennkraftmaschine, da die Düsennadel 3 über den sitznahen Führungsbereich 5 in einem sitznahem Teilabschnitt A1 geführt ist. Zusätzlich zu einer solchen Führung kann eine weitere Führung der Düsennadel 3, beispielsweise in einem sitzfernen Teilabschnitt A2 außerhalb des Düsenkörpers 1, vorgesehen werden, wobei die Führung auf maximal zwei Bereiche beschränkt bleiben sollte. Denn nur so kann eine Überbestimmung und damit ein Verspannen der langen Düsennadel 3 bei Ausführung der Hubbewegung ausgeschlossen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006012078 A1 [0003]
