DE102013212142A1

DE102013212142A1 - Düsenbaugruppe für einen Kraftstoffinjektor sowie Kraftstoffinjektor

Info

Publication number: DE102013212142A1
Application number: DE102013212142.3A
Authority: DE
Inventors: Christian Wehr; Gerhard Suenderhauf; Andreas Köninger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-06-25
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2015-01-08
Also published as: WO2014206610A1; EP3014104B1; EP3014104A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Düsenbaugruppe für einen Kraftstoffinjektor, umfassend einen Düsenkörper (1) und eine Düsennadel (2), die zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung (3) in einer Hochdruckbohrung (4) des Düsenkörpers (1) hubbeweglich aufgenommen ist, wobei ein in einen sacklochartigen Endabschnitt (5) übergehender kegelförmiger Abschnitt (6) der Hochdruckbohrung (4) zur Ausbildung eines Ventilsitzes (7) mit einer kegelförmigen Dichtfläche (8) der Düsennadel (2), an welcher ein in den sacklochartigen Endabschnitt (5) eintauchbarer Zapfen (9) angesetzt ist, dichtend zusammenwirkt. Erfindungsgemäß ist zur permanenten Führung der Düsennadel (2) in der Hochdruckbohrung (4) ein ventilsitznaher Führungsbereich (10) stromaufwärts des Ventilsitzes (7) zwischen der Düsennadel (2) und dem Düsenkörper (1) ausgebildet, dessen radiales Führungsspiel kleiner als ein Radialspalt (11) zwischen einem zylinderförmigen Teil des sacklochartigen Endabschnitt (5) der Hochdruckbohrung (4) und einem zylinderförmigen Teil des Zapfens (9) der Düsennadel (2) zur Ausbildung einer hubabhängigen Drossel ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Düsenbaugruppe für einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen Kraftstoffinjektor mit einer solchen Düsenbaugruppe.
Stand der Technik
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2008 039 920 A1 geht eine Düsenbaugruppe für einen Kraftstoffinjektor hervor, umfassend einen Düsenkörper mit einer Bohrung, die über einen kegelförmigen Düsennadelsitz für eine kegelförmige Dichtfläche einer in der Bohrung aufgenommenen Düsennadel in einem Sackloch mündet. Im Bereich des Sacklochs sind mehrere Einspritzöffnung in einer Lochreihe angeordnet. Die Düsennadel weist eine Düsennadelspitze mit einem Zapfen auf, der in das Sackloch eintaucht und auf diese Weise das im Sackloch verbleibende Schadvolumen in Schließstellung der Düsennadel verringert. Um Streuungen bei den Einspritzungen durch Fertigungstoleranzen im Bereich eines hydraulischen Durchmessers der die Düsennadel aufnehmenden Bohrung stromabwärts des Düsennadelsitzes zu vermeiden, wird vorgeschlagen, einen Absatz im Übergangsbereich vom Düsennadelsitz zum Sackloch vorzusehen. Ferner wird vorgeschlagen, dass der Absatz innen in einer Wandung des Düsenkörpers eine im Wesentlichen hohlzylindrische Kontur aufweist. Im Verschneidungsbereich der hohlzylindrischen Kontur mit dem kegelförmigen Düsennadelsitz stromaufwärts des Absatzes sowie im Verschneidungsbereich des Absatzes mit einem sich stromabwärts anschließenden kegelförmigen Abschnitt des Sacklochs wird jeweils eine ringförmige Verschneidungskante ausgebildet.
In Abhängigkeit vom Hub der Düsennadel kann die zapfenartige Düsennadelspitze vollständig aus dem Sackloch gehoben werden, so dass beim Wiedereintauchen die Gefahr eines Anschlagen der Düsennadel am Düsenkörper besteht. Die Folge ist ein erhöhter Verschleiß im Übergangsbereich vom Düsennadelsitz in das Sackloch, insbesondere im Bereich einer Verschneidungskante. Der Verschleiß führt wiederum zu einem veränderten Schaltverhalten der Düsennadel.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Düsenbaugruppe für einen Kraftstoffinjektor, umfassend eine Düsennadel mit einem in ein Sackloch eintauchbaren Zapfen anzugeben, die weniger verschleißbehaftet ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Düsenbaugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Die vorgeschlagene Düsenbaugruppe umfasst einen Düsenkörper und eine Düsennadel, die zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung in einer Hochdruckbohrung des Düsenkörpers hubbeweglich aufgenommen ist, wobei ein in einen sacklochartigen Endabschnitt übergehender kegelförmiger Abschnitt der Hochdruckbohrung zur Ausbildung eines Ventilsitzes mit einer kegelförmigen Dichtfläche der Düsennadel, an welcher ein in den sacklochartigen Endabschnitt eintauchbarer Zapfen angesetzt ist, dichtend zusammenwirkt. Erfindungsgemäß ist zur permanenten Führung der Düsennadel in der Hochdruckbohrung ein ventilsitznaher Führungsbereich stromaufwärts des Ventilsitzes zwischen der Düsennadel und dem Düsenkörper ausgebildet, dessen radiales Führungsspiel kleiner als ein Radialspalt zwischen einem zylinderförmigen Teil des sacklochartigen Endabschnitt der Hochdruckbohrung und einem zylinderförmigen Teil des Zapfens der Düsennadel zur Ausbildung einer hubabhängigen Drossel ist. Die permanente Führung der Düsennadel über den wenigstens einen ventilsitznahen Führungsbereich stromaufwärts des Ventilsitzes verhindert eine radiale Auslenkung der Düsennadel und damit die Gefahr des Anschlagens der Düsennadel am Düsenkörper. Auf diese Weise wird der Verschleiß im Übergangsbereich vom Ventilsitz in den sacklochartigen Endabschnitt deutlich gemindert. Zugleich kann der Zapfen der Düsennadel derart ausgebildet werden, dass er mit einem zylinderförmigen Teil des sacklochartigen Endabschnitts drosselbildend zusammenwirkt. Die Drosselbildung ist dabei vom Hub der Düsennadel abhängig, so dass hierüber die Zuströmung zu wenigstens einer Einspritzöffnung steuerbar ist. Zur Sicherstellung, dass die Führung der Düsennadel über den ventilsitznahen Führungsbereich und nicht über den drosselbildenden Radialspalt erfolgt, ist der Radialspalt größer als das radiale Führungsspiel des ventilsitznahen Führungsbereichs stromaufwärts des Ventilsitzes gewählt. Denn der Radialspalt ist zur permanenten Führung der Düsennadel in der Hochdruckbohrung nicht geeignet, da dessen Ausbildung vom Hub der Düsennadel abhängig ist. Eine Führungsfunktion könnte der Radialspalt demnach nur temporär übernehmen.
Der Ausbildung eines ventilsitznahen Führungsbereichs steht nicht entgegen, dass in einem axialen Abstand hierzu, d. h. in einem ventilsitzferneren Bereich der Hochdruckbohrung, ein weiterer Führungsbereich zur permanenten Führung der Düsennadel ausgebildet ist, wie dies regelmäßig bei bekannten Düsenbaugruppen für Kraftstoffinjektoren der Fall ist. Durch die Ausbildung eines weiteren ventilsitzfernen Führungsbereichs stromaufwärts des Ventilsitzes kann die Führung der Düsennadel weiter optimiert werden.
Die permanente Führung der Düsennadel über den wenigstens einen ventilsitznahen Führungsbereich wirkt sich nicht nur verschleißverringernd aus, sondern verhindert ferner ein durch eine Desachsierung der Düsennadel bedingtes asymmetrisches Spritzbild. Dies wirkt sich bei Einsatz der Düsenbaugruppe in einem Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine vorteilhaft auf die Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine aus.
Bevorzugt besitzt der Düsenkörper oder die Düsennadel zur Ausbildung des ventilsitznahen Führungsbereichs stromaufwärts des Ventilsitzes wenigstens zwei sich axial erstreckende Führungsrippen, zwischen denen Strömungskanäle ausgebildet werden. Die Strömungskanäle stellen die Zuströmung von Kraftstoff zu der wenigstens einen Einspritzöffnung im Betrieb des Kraftstoffinjektors sicher. Sofern die Führungsrippen am Düsenkörper ausgebildet sind, wirken sie vorzugsweise mit einem zylinderförmigen Schaftabschnitt der Düsennadel spaltbildend zusammen. Die Führungsrippen sind vorzugsweise auf einer die Hochdruckbohrung radial begrenzenden zylinderförmigen Wandungsfläche des Düsenkörpers angeordnet und ragen in die Hochdruckbohrung hinein. Alternativ können die Führungsrippen an der Düsennadel ausgebildet sein und mit einer die Hochdruckbohrung radial begrenzenden zylinderförmigen Wandungsfläche des Düsenkörpers spaltbildend zusammenwirken. Die Führungsrippen können in diesem Fall an einem zylinderförmigen Schaftabschnitt der Düsennadel angeordnet sein, so dass sie in die Hochdruckbohrung hinein ragen.
Weiterhin bevorzugt sind die sich axial erstreckenden Führungsrippen zur Ausbildung des ventilsitznahen Führungsbereichs stromaufwärts des Ventilsitzes in gleichem Winkelabstand zueinander angeordnet. Vorzugsweise sind wenigstens drei Führungsrippen in einem Winkelabstand von 120° vorgesehen. Bei vier Führungsrippen beträgt der Winkelabstand 90°, bei fünf Führungsrippen 72° und bei sechs Führungsrippen 60°. Ferner können mehr als sechs Führungsrippen vorgesehen werden, wobei sichergestellt sein muss, dass ausreichend große Strömungskanäle zwischen den Führungsrippen verbleiben. Der gleiche Winkelabstand der Führungsrippen zueinander gewährleistet eine optimale Führung der Düsennadel in der Hochdruckbohrung.
Zur Ausbildung einer Drossel zwischen dem zylinderförmigen Teil des sacklochartigen Endabschnitts und dem zylinderförmigen Teil des Zapfens wird ein Radialspalt kleiner 20 µm, vorzugsweise kleiner 10 µm vorgeschlagen. Damit die Führungsfunktion des ventilsitznahen Führungsbereichs erhalten bleibt, ist dessen radiales Führungsspiel entsprechend kleiner zu wählen.
Vorteilhafterweise sind mehrere Einspritzöffnungen zur Ausbildung wenigstens einer Spritzlochreihe vorgesehen. Die mehreren Einspritzöffnungen einer Spritzlochreihe sind vorzugsweise in gleichem Winkelabstand zueinander angeordnet, um ein symmetrisches Spritzbild zu erzeugen.
Ferner wird vorgeschlagen, dass wenigstens zwei Einspritzöffnungen vorgesehen sind, die in einem axialen Abstand zueinander angeordnet sind. Das ermöglicht die Ausbildung von wenigstens zwei axial beabstandeten Spritzlochreihen. Die Anordnung der axial beabstandeten Einspritzöffnungen erfolgt bevorzugt in der Weise, dass die Zuströmung von Kraftstoff über den drosselbildenden Radialspalt in Abhängigkeit vom Hub der Düsennadel steuerbar ist. Hierzu können die wenigstens zwei axial beabstandeten Einspritzöffnungen beispielsweise derart angeordnet werden, dass wenigstens eine Einspritzöffnung im Bereich des sacklochartigen Endabschnitts und wenigstens eine weitere Einspritzöffnung im Bereich des kegelförmigen Abschnitts stromabwärts des Ventilsitzes in die Hochdruckbohrung münden. Die wenigstens eine in den sacklochartigen Endabschnitt mündende Einspritzöffnung ist dann über den drosselbildenden Radialspalt steuerbar.
Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass wenigstens zwei Einspritzöffnungen vorgesehen sind, deren Längsachsen gegenüber einer Längsachse A der Hochdruckbohrung unterschiedlich geneigt sind. Durch diese Maßnahme kann das Spritzbild verbessert werden.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner ein Kraftstoffinjektor mit einer erfindungsgemäßen Düsenbaugruppe vorgeschlagen. Die weniger verschleißbehaftete Düsenbaugruppe erhöht die Lebensdauer des Kraftstoffinjektors. Bei Einsatz des Kraftstoffinjektors zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine können zudem die Schadstoffemissionen verringert werden, da die permanente Führung eine radiale Auslenkung der Düsennadel und damit ein asymmetrisches Spritzbild verhindert. Bei dem Kraftstoffinjektor kann es sich insbesondere um einen Kraftstoffinjektor für ein Common-Rail-Einspritzsystem handeln.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figur näher erläutert. Diese zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Düsenbaugruppe im Bereich eines Ventilsitzes.
Ausführliche Beschreibung der Figur
Die dargestellte Düsenbaugruppe umfasst einen Düsenkörper 1 mit einer Hochdruckbohrung 4, in der eine Düsennadel 2 hubbeweglich aufgenommen ist. Die Hochdruckbohrung 4 weist zur Ausbildung eines Ventilsitzes 7 einen kegelförmigen Abschnitt 6 auf, der in einen sacklochartigen Endabschnitt 5 übergeht, in den wenigstens eine Einspritzöffnung 3 mündet. Eine weitere Einspritzöffnung 3 mündet im kegelförmigen Abschnitt 5 in die Hochdruckbohrung 4. Zum Freigeben und Verschließen der Einspritzöffnungen 3 weist die Düsennadel 2 eine mit dem Ventilsitz 7 dichtend zusammenwirkende kegelförmige Dichtfläche 8 auf, an welche ein Zapfen 9 angesetzt ist. Der Zapfen 9 besitzt einen unmittelbar an die kegelförmige Dichtfläche 8 anschließenden zylinderförmigen Teil, der mit einem zylinderförmigen Teil des sacklochartigen Endabschnitts 5 – in Abhängigkeit vom Hub der Düsennadel 2 – einen Radialspalt 11 ausbildend zusammenwirkt. Der Radialspalt 11 besitzt eine Drosselfunktion, um die Zuströmung von Kraftstoff zu der Einspritzöffnung 3 zu steuern, die in den sacklochartigen Endabschnitt 5 der Hochdruckbohrung 4 mündet. Dies hat zur Folge, das in einer ersten Phase des Öffnungshubes der Düsennadel 2 die Einspritzung vorrangig über die Einspritzöffnung 3 erfolgt, die in den kegelförmigen Abschnitt 6 der Hochdruckbohrung 4 mündet. Erst in einer zweiten Phase des Öffnungshubes wird die Drosselfunktion des Radialspalts 11 aufgehoben, da der zylinderförmige Teil des Zapfens 9 oberhalb des zylinderförmigen Teils des sacklochartigen Endabschnitts 5 der Hochdruckbohrung 4 zu liegen kommt. Dem zylinderförmigen Teil des sacklochartigen Endabschnitts 5 liegt dann ein kegelstumpfförmiger Teil des Zapfens 9 gegenüber, dessen Aufgabe es ist, das im sacklochartigen Endabschnitt 5 verbleibende Schadvolumen in Schließstellung der Düsennadel 2 zu verringern.
Um beim Schließen der Düsennadel 2, d. h. beim vollständigen Wiedereintauchen des Zapfens 9 in den sacklochartigen Endabschnitt 5 der Hochdruckbohrung 4, ein Anschlagen des Zapfens 9 am Düsenkörper 1 zu verhindern, weist die dargestellte Düsenbaugruppe einen ventilsitznahen Führungsbereich 10 stromaufwärts der Ventilsitzes 7 auf. Der Führungsbereich 10 wird durch mehrere, sich axial erstreckende Führungsrippen 12 des Düsenkörpers 1 ausgebildet, die mit einem zylinderförmigen Schaftabschnitt der Düsennadel 2 spaltbildend zusammenwirken. Die Führungsrippen 12 ragen hierzu von einer zylinderförmigen Wandungsfläche des Düsenkörpers 1 zur radialen Begrenzung der Hochdruckbohrung 4 in die Hochdruckbohrung 4 hinein. Vorliegend sind vier Führungsrippen 12 in einem Winkelabstand von jeweils 90° vorgesehen, wobei zwischen den Führungsrippen 12 sich axial erstreckende Strömungskanäle ausgebildet werden, welche die Zuströmung von Kraftstoff zu den Einspritzöffnungen 3 sicherstellen. Der Führungsbereich 10 stellt eine permanente Führung der Düsennadel 2 in der Hochdruckbohrung 4 unabhängig vom Hub der Düsennadel 2 sicher. Dadurch ist gewährleistet, dass die Düsennadel 2 keine radiale Auslenkung erfährt, welche zum Anschlagen des Zapfens 9 am Düsenkörper 1 führen könnte. Um zu verhindern, dass der Radialspalt 11 stromabwärts des Ventilsitzes 7 – zumindest zeitweise – ebenfalls eine Führungsfunktion übernimmt, ist der Radialspalt 11 größer als das radiale Führungsspiel des ventilsitznahen Führungsbereichs 10 gewählt.
Ein weiterer Vorteil der permanenten Führung der Düsennadel 2 über den ventilsitznahen Führungsbereich 10 ist darin zu sehen, dass ein mit einer Desachsierung der Düsennadel 2 einhergehendes asymmetrisches Spritzbild verhindert wird. Dies wirkt sich bei Einsatz der Düsenbaugruppe in einem Kraftstoffinjektor zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine günstig auf die Schadstoffemissionen aus. Das heißt, dass die Schadstoffemissionen verringert werden.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellte bevorzugte Ausführungsform beschränkt. Abwandlungen sind möglich, die insbesondere die Anzahl, die Anordnung und konkrete Ausgestaltung der Führungsrippen 12 zur Ausbildung des Führungsbereichs 10 betreffen. Beispielsweise können die Führungsrippen 12 auch an der Düsennadel 2 ausgebildet sein. Ferner ist die Anzahl, die Anordnung und die konkrete Ausgestaltung der vorzugsweise mehreren Einspritzöffnungen 3 frei wählbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008039920 A1 [0002]

Claims

Düsenbaugruppe für einen Kraftstoffinjektor, umfassend einen Düsenkörper (1) und eine Düsennadel (2), die zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung (3) in einer Hochdruckbohrung (4) des Düsenkörpers (1) hubbeweglich aufgenommen ist, wobei ein in einen sacklochartigen Endabschnitt (5) übergehender kegelförmiger Abschnitt (6) der Hochdruckbohrung (4) zur Ausbildung eines Ventilsitzes (7) mit einer kegelförmigen Dichtfläche (8) der Düsennadel (2), an welcher ein in den sacklochartigen Endabschnitt (5) eintauchbarer Zapfen (9) angesetzt ist, dichtend zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass zur permanenten Führung der Düsennadel (2) in der Hochdruckbohrung (4) ein ventilsitznaher Führungsbereich (10) stromaufwärts des Ventilsitzes (7) zwischen der Düsennadel (2) und dem Düsenkörper (1) ausgebildet ist, dessen radiales Führungsspiel kleiner ist als ein Radialspalt (11) zwischen einem zylinderförmigen Teil des sacklochartigen Endabschnitt (5) der Hochdruckbohrung (4) und einem zylinderförmigen Teil des Zapfens (9) der Düsennadel (2) zur Ausbildung einer hubabhängigen Drossel.
Düsenbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkörper (1) oder die Düsennadel (2) zur Ausbildung des ventilsitznahen Führungsbereichs (10) stromaufwärts des Ventilsitzes (7) wenigstens zwei sich axial erstreckende Führungsrippen (12) besitzt, zwischen denen Strömungskanäle ausgebildet werden.
Düsenbaugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die sich axial erstreckenden Führungsrippen (12) zur Ausbildung der ventilsitznahen Führungsbereichs (10) stromaufwärts des Ventilsitzes (7) in gleichem Winkelabstand zueinander angeordnet sind.
Düsenbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Radialspalt (11) kleiner als 20 µm, vorzugsweise kleiner als 10 µm ist.
Düsenbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Einspritzöffnungen (3) zur Ausbildung wenigstens einer Spritzlochreihe vorgesehen sind, wobei die mehreren Einspritzöffnungen (3) einer Spritzlochreihe vorzugsweise im gleichen Winkelabstand zueinander angeordnet sind.
Düsenbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Einspritzöffnungen (3) vorgesehen sind, die in einem axialen Abstand zueinander angeordnet sind, wobei wenigstens eine Einspritzöffnung (3) im Bereich des sacklochartigen Endabschnitts (5) und wenigstens eine weitere Einspritzöffnung (3) im Bereich des kegelförmigen Abschnitts (6) stromabwärts des Ventilsitzes (7) in die Hochdruckbohrung (4) münden.
Düsenbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Einspritzöffnungen (3) vorgesehen sind, deren Längsachsen gegenüber einer Längsachse (A) der Hochdruckbohrung (4) unterschiedlich geneigt sind.
Kraftstoffinjektor mit einer Düsenbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche.