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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Düsenbaugruppe für ein Einspritzventil und ein Einspritzventil mit einer solchen Düsenbaugruppe.
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Hintergrund der Erfindung
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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. Die Bildung Schadstoffemissionen, insbesondere 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. Derart hohe Drücke stellen sowohl hohe Anforderungen an das Material der Düsenbaugruppe, an deren Konstruktion als auch an das gesamte Kraftstoffsystem.
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Ein Ansatzpunkt hierbei ist, die Schadstoffemissionen durch eine Düsenbaugruppe und ein Einspritzventil zu reduzieren, die einen zuverlässigen und präzisen Betrieb ermöglichen.
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Die
DE 10 2005 019 580 A1 offenbart eine Kraftstoffeinspritzdüse für eine Brennkraftmaschine mit einem zylindrischen Düsenkörper und einer Nadel. Der zylindrische Düsenkörper hat einen Sitzabschnitt und einen ein Düsenloch aufweisenden Endabschnitt. Das Düsenloch hat einen Einlassabschnitt auf der Seite der Innenfläche, einen Ausgangsabschnitt auf der Seite der Außenfläche und einen vergrößerten Abschnitt zwischen dem Einlass- und Ausgangsabschnitt. Ein maximaler Durchmesser des vergrößerten Abschnitts ist größer als ein minimaler Durchmesser des Einlassabschnitts und ein minimaler Durchmesser des Ausgangsabschnitts.
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Die
DE 103 58 726 A1 betrifft ein Brennstoffeinspritzventil mit einer Abspritzöffnung und einem unmittelbar stromaufwärts der Abspritzöffnung angeordneten Einströmtrichter. Im Bereich des Übergangs des Einströmtrichters zur Abspritzöffnung ist eine Fase eingebracht, die auf einem Teil des Umfangs der Abspritzöffnung in die Abspritzöffnung einmündet.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, auf der Außenseite eines Düsenkörpers der Düsenbaugruppe für ein Einspritzventil eine feine Zerstäubung des Fluids und einen großen Spraywinkel zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird durch eine Düsenbaugruppe mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Die Düsenbaugruppe für ein Einspritzventil weist einen Düsenkörper mit einer Zentralachse auf. In dem Düsenkörper sind eine Düsenkörperausnehmung und mindestens eine Einspritzöffnung, die hydraulisch mit der Düsenkörperausnehmung koppelbar ist, angeordnet. Die Düsenkörperausnehmung ist mit einem Fluidfördersystem hydraulisch koppelbar. Die Düsenbaugruppe umfasst weiterhin mindestens eine in der Düsenkörperausnehmung axial beweglich angeordnete Düsennadel mit einer Nadelkuppe. An einer Wand der Düsenkörperausnehmung sind ein Dichtsitz und auf der Nadelkuppe ein Sitzbereich ausgebildet. Der Sitzbereich wirkt derart mit dem Dichtsitz zusammen, dass die Düsennadel in einer Schließ-Position den Fluidfluss durch die Einspritzöffnung verhindert und in einer Offen-Position den Fluidfluss durch die Einspritzöffnung freigibt. Zwischen der Wand der Düsenkörperausnehmung und der Einspritzöffnung ist eine schräge Flanke angeordnet, die mindestens eine Einspritzöffnung umschließt.
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Erfindungsgemäß umfasst die Düsenbaugruppe mindestens zwei Einspritzöffnungen und die mindestens eine schräge Flanke ist derart angeordnet, dass sie zumindest die zwei Einspritzöffnungen umschließt.
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Die schräge Flanke ist derart ausgebildet, dass im Betrieb der Fluidfluss des der Einspritzöffnung zugeführten Fluids bei Beschleunigung derart beeinflusst wird und eine große Ablenkung der Strömungsrichtung in der Einspritzrichtung verursacht wird, dass mindestens ein Wirbel mit einer hohen Wirbelintensität in der Einspritzöffnung erzeugt wird.
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Durch die schräge Flanke, die zwischen der Wand der Düsenkörperausnehmung und der Einspritzöffnung angeordnet ist, wird eine starke Beschleunigung des Fluidflusses und eine große Ablenkung der Strömungsrichtung beim Einströmen in die Einspritzöffnungen realisiert und so eine sichere Wirbelbildung in der Einspritzöffnung möglich. Dadurch wird die tangentiale und/oder radiale Komponente der Geschwindigkeit des Fluids am Austritt der Einspritzöffnung erhöht. Durch die Wirbel mit einer hohen Wirbelintensität werden in der Einspritzöffnung eine oder mehrere Drallströmungen mit einem niedrigen Druck in der Drallachse entstehen. Unter gewissen Strömungsbedingungen kann dieser Druck Werte erreichen, bei denen eine Kavitation auftritt. Die bei der Kavitation entstehenden Kavitationsblasen können beim Austritt aus den Einspritzöffnungen kollabieren, wobei Energie aus der Oberflächenspannung der Kavitationsblasen freigesetzt wird und Druckwellen entstehen. Die Kombination der tangentialen und/oder radialen Strömungskomponente zusammen mit der Energie der Druckwelle und der Oberflächenspannung bewirkt eine sehr feine Zerstäubung des Fluids, eine Erweiterung der einzelnen Spraykegelwinkel und damit eine reduzierte axiale Eindringtiefe des Sprays. Des weiteren wird durch die schräge Flanke ein hoher Wirkungsgrad der Düsenbaugruppe erreicht, also ein hoher Fluiddurchsatz durch die Einspritzöffnung.
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Ein Vorteil der schrägen Flanke, beispielsweise gegenüber einer herkömmlichen hydroerosiven Verrundung, da bei der Herstellung der schrägen Flanke die raue Oberfläche des Düsenkörpers insbesondere an der schrägen Flanke beziehungsweise im Bereich der Einspritzöffnung erhalten bleibt. Die raue Oberfläche unterstützt die Erzeugung von Kavitation und Turbulenz in der Einspritzöffnung und dadurch wird die Zerstäubung verbessert.
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In weiteren Ausführungsformen verringert sich der Querschnitt der schrägen Flanke von der Wand 16 der Düsenkörperausnehmung in Richtung der Einspritzöffnung. Die schräge Flanke schließt in Ausführungsbeispielen einen Winkel mit der Wand der Düsenkörperausnehmung von mehr als 90 Grad ein. Vorteilhaft schließt die schräge Flanke einen Winkel mit der Wand der Düsenkörperausnehmung ein von mehr als 130 Grad, insbesondere 135 Grad.
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Ein Einspritzventil gemäß einer Ausführungsform weist eine solche Düsenbaugruppe und einen Aktuator auf. Der Aktuator ist ausgebildet, auf die Düsenbaugruppe einzuwirken.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Vorteile, Merkmale und Weiterbildungen ergeben sich aus den nachfolgenden, in Verbindung mit den 1 bis 3 erläuterten Beispielen.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Einspritzventils gemäß einer Ausführungsform im Längsschnitt,
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2 eine schematische vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts 2 der 1,
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3A eine schematische vergrößerte Darstellung einer Aufsicht auf eine Fase, und
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3B eine schematische vergrößerte Darstellung einer Aufsicht auf eine schräge Flanke gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Gleiche, gleichartige und gleich wirkende Elemente können in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnis zueinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie beispielsweise Bereiche zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt ein Einspritzventil mit einer Düsenbaugruppe 10 und einen Aktuator 11. Der Aktuator 11 wirkt funktional mit der Düsenbaugruppe 10 zusammen.
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Die Düsenbaugruppe 10 hat einen Düsenkörper 12, der Aktuator 11 weist einen Injektorkörper 13 auf. Der Düsenkörper 12 ist mittels einer Düsenspannmutter 30 mit dem Injektorkörper 13 fest gekoppelt. Der Düsenkörper 12 und der Injektorkörper 13 bilden ein gemeinsames Gehäuse des Einspritzventils.
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Der Düsenkörper 12 hat eine Düsenkörperausnehmung 14 mit einer Zentralachse Z und einer Wand 16. In der Düsenkörperausnehmung 14 ist eine Düsennadel 18 angeordnet, die zusammen mit dem Düsenkörper 12 die Düsenbaugruppe 10 bildet. Die Düsennadel 18 hat an einem Ende eine Nadelkuppe 20. Die Düsennadel 18 ist in einem Bereich der Düsenkörperausnehmung 14 geführt und mittels einer Düsenfeder 22 vorgespannt.
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In dem Düsenkörper 12 sind vorzugsweise nahe der Nadelkuppe 20 Einspritzöffnungen 24 angeordnet. In einem die Einspritzöffnungen 24 umgebenden Bereich kann der Düsenkörper 12 aus einem gesinterten Metall bestehen. In dem Düsenkörper 12 sind vorzugsweise mehrere Einspritzöffnungen 24 ausgebildet, die einen Einspritzlochkreis formen können.
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Der Injektorkörper 13 hat eine Ausnehmung, in der ein Stellantrieb 40 angeordnet ist. Der Stellantrieb 40 ist als Hubstellantrieb ausgebildet. Der Stellantrieb 40 wirkt auf die Düsennadel 18 ein, so dass diese eine Bewegung in Richtung der Zentralachse Z ausführen kann.
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Die Düsenfeder 22 übt auf die Düsennadel 18 eine in Schließrichtung wirkende Kraft aus, so dass sie einen Fluidfluss durch die in dem Düsenkörper 12 angeordneten mehreren Einspritzöffnungen 24 verhindert, wenn keine weiteren Kräfte auf die Düsennadel 18 einwirken. Bei Betätigung des Stellantriebs 40 wird die Düsennadel 18 in axialer Richtung von ihrer Schließposition in ihre Offenposition bewegt, in der sie den Fluidfluss durch die Einspritzöffnungen 24 freigibt.
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2 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts 2 der 1 im Bereich der Nadelkuppe 20 und des Düsenkörpers 12.
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An der Wand 16 der Düsenkörperausnehmung 14 hat der Düsenkörper 12 einen Dichtsitz 50. Die Düsennadel 18 hat im Bereich der Nadelkuppe 20 einen Sitzbereich 52, der mit dem Dichtsitz 50 des Düsenkörpers 12 so zusammen wirkt, dass die Düsennadel 18 in einer Schließposition einen Fluidfluss durch die mindestens eine Einspritzöffnung 24 verhindert und in einer Offen-Position einen Fluidfluss durch die mindestens eine Einspritzöffnung 24 freigibt. Das Fluid kann aus dem Zwischenraum zwischen der Nadelkuppe 20 und dem Düsenkörper 12 zu den Einspritzöffnungen 24 gelangen.
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Bei einer vorliegend nicht beanspruchten Ausführungsform ist am Eintritt jeder Einspritzöffnung 24 eine ringförmige Fase 56 gebildet (3A). In einer Ausführungsform der Erfindung ist statt der Fase an jeder Einspritzöffnung eine schräge Flanke auf dem Düsenkörper 12 angeordnet, die alle Einspritzöffnungen umgibt (33). Die schräge Flanke 56 umgibt die Einspritzöffnung 24 ringförmig, wie beispielsweise in der Aufsicht der 33 gezeigt. Die schräge Flanke 56 erstreckt sich von der Wand 16 bis zu einer Wand 17 der Einspritzöffnung 24. Eine Kante 53 bildet den Übergang zwischen der Wand 16 und der schrägen Flanke 56. Eine weitere Kante 54 bildet den Übergang zwischen der schrägen Flanke 56 und der Wand 17.
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Die schräge Flanke 56 beziehungsweise die Fase weist einen Durchmesser auf, der sich von der Kante 53 bis zu der Kante 54 verringert. Die schräge Flanke 56 beziehungsweise die Fase weist in Projektion auf die Längsrichtung der Einspritzöffnung 24 eine Höhe H auf. Die Mindesthöhe H ist insbesondere abhängig vom Durchmesser der Einspritzöffnung 24. Beispielsweise ist die Höhe H größer als 20 μm, beispielsweise 25 μm +/– ein Prozent. Die schräge Flanke 56 schließt mit der Wand 16 einen Winkel A ein. Der Winkel A ist größer als 90 Grad, insbesondere größer als 130 Grad. Der Winkel A ist beispielsweise 135 Grad +/– ein Prozent. Die schräge Flanke schließt einen weiteren Winkel B mit der Wand 17 ein. Der Winkel B ist größer als 90 Grad, insbesondere größer als 130 Grad. Beispielsweise ist der Winkel B 135 Grad +/– ein Prozent.
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3A zeigt eine Aufsicht auf die Einspritzöffnung 24 entlang der Längsrichtung der Einspritzöffnung 24. Die schräge Flanke 56 beziehungsweise die Fase umschließt die Einspritzöffnung 24. Die Einspritzöffnung 24 ist in Aufsicht kreisförmig, so dass die schräge Flanke 56 die Einspritzöffnung 24 ringförmig beziehungsweise kreisförmig vollständig umgibt. Die Kanten 53 und 54 verlaufen beabstandet zueinander kreisförmig koaxial die Längsrichtung der Einspritzöffnung. Die Fase umgibt bei der vorliegend nicht beanspruchten Düsenbaugruppe der 3A genau eine einzige Einspritzöffnung. Jede Einspritzöffnung des Düsenkörpers weist in Ausführungsformen eine Fase auf.
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3B zeigt eine Aufsicht auf eine Mehrzahl von Einspritzöffnungen 24. Im Unterschied zu 3A verläuft die schräge Flanke 56 nicht um jede Einspritzöffnung einzeln sondern umgibt die Mehrzahl der Einspritzöffnungen. Jede der Einspritzöffnung weist einen gemein Bereich an der Öffnung auf, an dem ein Teil der schrägen Flanke 56 angeordnet ist. Die Kanten 53 und 54 verlaufen beabstandet zueinander kreisförmig koaxial um die Zentralsachse Z.
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Durch die schräge Flanke 56 beziehungsweise die Fase wird eine starke Beschleunigung und große Ablenkung der Strömungsrichtung am Eintrittsbereich zu den Einspritzöffnungen 24 verursacht. Dadurch werden starke rotierende Wirbel in den Einspritzöffnungen 24 selbst generiert und es wird eine hohe tangentiale und radiale Geschwindigkeit des Fluids in den Einspritzöffnungen 24 und am Austritt aus den Einspritzöffnungen erreicht. Damit sind auf der Außenseite des Düsenkörpers 12 eine feine Zerstäubung des Fluids am Austritt aus den Einspritzöffnungen 24 und ein großer Spraywinkel möglich.
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Durch die feine Zerstäubung wird die Penetration des Sprays reduziert. Wird das Einspritzventil insbesondere in einer Brennkraftmaschine eingesetzt, so kann auf diese Weise eine gute Verteilung des Kraftstoffs in der durch die Brennkraftmaschine angesaugten Luft und eine gute Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Brennraum der Brennkraftmaschine erreicht werden, sowie eine Benetzung der Oberfläche im Brennraum klein gehalten oder vermieden werden. Beispielsweise ist das Einspritzventil Teil eines Hochdruckfluidkreislaufs.
