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Stand der
Technik
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Die Erfindung geht aus von einer
Einspritzdüse
für Brennkraftmaschinen
mit einem, mindestens ein Spritzloch aufweisenden Sackloch beziehungsweise
eine Sitzloch-Einspritzdüse und mit
einem an das Sackloch anschließenden
Düsennadelsitz.
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Sackloch-Einspritzdüsen der
gattungsgemäßen Art
weisen vor allem im Teilhubbereich der Düsennadel eine große Streuung
des Strömungswiderstands
und damit auch der eingespritzten Kraftstoffmenge auf. In Folge
dessen ist das Emissions- und Verbrauchsverhalten vieler der mit
diesen Sackloch-Einspritzdüsen ausgerüsteten Brennkraftmaschinen
nicht optimal.
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Aus der
DE 199 31 761.5 ist eine Sackloch-Einspritzduse
bekannt bei der durch Verrunden des Übergangs zwischen Sackloch
und Düsennadelsitz
die Streuung des Strömungswiderstandes
im Teilhubbereich reduziert wird.
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Aus der
DE 196 09 218 A1 ist eine
Sackloch-Einspritzdüse bekannt
bei der zwischen Sackloch und Düsennadelsitz
ein zylindrischer Ringsteg ausgebildet ist.
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Vorteile der
Erfindung
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Bei einer erfindungsgemäße Einspritzdüse für eine Brennkraftmaschine
mit einem, mindestens ein Spritzloch aufweisenden Sackloch und einem
an das Sackloch anschließenden
Düsennadelsitz
ist erfindungsgemäß zwischen
Sackloch und Düsennadelsitz
ein Übergangskegel
vorhanden. Auch bei Sitzloch-Einspritzdüsen kann der erfindungsgemäße Übergangskegel
mit Erfolg eingesetzt werden. Durch den erfindungsgemäßen Übergangskegel
wird der im Teilhub vorhandene kegelstumpfförmige Ringspalt zwischen Düsennadel
und Düsennadelsitz
stark verkürzt,
so dass sich dessen Strömungswiderstand stark
verringert. Dadurch sinkt der Anteil des Strömungswiderstands dieses kegelstumpfförmigen Ringspalts
am Gesamtströmungswiderstand
der Einspritzdüse
während
des Einspritzvorgangs im Teillastbereich der Brennkraftmaschine.
Im Ergebnis wirken sich somit Streuungen des Strömungswiderstands des kegelstumpfförmigen Spalts
weniger stark auf das Einspritzverhalten der Einspritzdüse aus.
Dadurch werden die Streuungen des Betriebsverhaltens der Einspritzdüsen bei
der Serienproduktion verringert. Die Einspritzdüsen einer Großserie verhalten
sich nahezu identisch im Teilhubbereich, so dass die Ansteuerung
dieser Einspritzdüsen
durch ein mit vorgegebenen Parametern programmiertes Steuergerät zu exakt
vorhersehbaren und gleich großen
Einspritzmengen führt.
Dies führt
im Ergebnis zu einer Verbesserung des Verbrauchs- und Emissionsverhaltens
der Brennkraftmaschine sowie einer Verbesserung des Rundlaufs der
Brennkraftmaschine insbesondere im Teillastbereich.
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Durch die Verkürzung des Ringspalts zwischen
Düsennadelsitz
und Düsennadel
wird auch der Einfluss der Oberflächenrauigkeit des Düsennadelsitzes
beziehungsweise der Düsennadel
auf den Strömungswiderstand
im Teilhubbereich der Düsennadel
aus den gleichen Gründen
verringert. Somit können
die Anforderungen an die zu bearbeitenden Oberflächen, falls gewünscht, herabgesetzt
werden und somit Kosten bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Einspritzdüse eingespart
werden.
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Die Verkürzung des Ringspaltes führt mit
den beiden begrenzenden Winkeln an der Nadel und durch den erfindungsgemäßen Verlauf
des Düsenkörperwinkels
zu einer Verschleißgrenze
beim Einarbeiten der Nadel in den Körper.
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Schließlich kann durch Messen des
Betriebsverhaltens einer erfindungsgemäßen Sacklocheinspritzdüse das Betriebsverhalten
aller anderen bauartgleichen Sacklocheinspritzdüsen mit wesentlich größerer Genauigkeit
vorhergesagt werden und die Steuerung des Einspritzvorgangs entsprechend
optimiert werden. Der Übergang
kann nicht nur als Übergangskegel,
sondern auch kurvenförmig angelegt
sein.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen,
wenn der Kegelwinkel des Übergangskegels
in etwa der Winkelhalbierenden zwischen dem Sackloch und dem Düsennadelsitz
entspricht. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung
des Übergangs
zwischen Sackloch und Düsennadelsitz
sowohl bei Einspritzdüsen
mit konischem als auch mit zylindrischem Sackloch eingesetzt werden.
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Des Weiteren hat es sich als vorteilhaft
erwiesen, wenn der Düsennadelsitz
kegelstumpfförmig,
insbesondere mit einem Kegelsitz von etwa 60 °, ausgeführt ist, da sich dann eine gute
Dichtwirkung und eine gute Zentrierung der Düsennadel im Düsennadelsitz
ergibt.
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In Ergänzung der Erfindung ist vorgesehen, dass
ein mit dem Düsennadelsitz
zusammenwirkendes Ende einer Düsennadel
kegelstumpfförmig
ausgebildet ist, wobei in besonders vorteilhafter Ausgestaltung
der Erfindung der Kegelwinkel bis zu 1 °, vorzugsweise 15 Winkelminuten – 30 Winkelminuten, größer als
der Kegelwinkel des Düsennadelsitzes
ist, so dass die Dichtfläche
verkleinert und in den Bereich des größten Durchmessers der Düsennadel
verlegt wird.
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Alternativ kann das mit dem Düsennadelsitz zusammenwirkende
Ende der Düsennadel
doppelt kegelstumpfförmig
ausgebildet sein. In diesem Fall ist der Düsennadelsitz dort, wo die beiden
Kegelstümpfe
aneinander anschließen.
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Das oder die Sacklöcher der
erfindungsgemäßen Einspritzdüse können als
Mini-Sackloch oder Mikro-Sackloch oder Sitzloch ausgebildet sein.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung,
deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
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Zeichnung
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Es zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Einspritzdüse im Schnitt,
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Einspritzdüse,
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3 eine
Kennlinie des hydraulischen Durchmessers der Einspritzdüse über dem
Hub der Düsennadel
und
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4 eine
schematische Darstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems für eine Brennkraftmaschine.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
eine Einspritzdüse 1 mit
einem konischen Sackloch 2 im Schnitt dargestellt. Dabei
ist in der linken Hälfte
der 1 eine Einspritzdüse nach dem
Stand der Technik dargestellt, während
auf der rechten Seite von 1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Einspritzdüse 1 dargestellt
ist.
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Nachfolgend wird zunächst die
linke Hälfte der 1 beschrieben und anschließend die
erfindungsgemäßen Unterschiede
erläutert.
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Das Sackloch 2 kann auch
zylindrisch sein oder es kann um als Mini- oder Mikrosackloch 2 ausgeführt werden.
Die Spritzlöcher
können
auch in einem Düsennadelsitz 4 angeordnet
sein. Bei letztgenanntem ist das Volumen des Sacklochs 2 gegenüber der
in 1 dargestellten Bauart
verringert. Dadurch verdunstet bei abgestellter Brennkraftmaschine
weniger Kraftstoff in den Brennraum.
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Über
ein Spritzloch 3 gelangt der nicht dargestellte Kraftstoff
aus dem Sackloch 2 in den ebenfalls nicht dargestellten
Brennraum der Brennkraftmaschine (nicht dargestellt). An das konische
Sackloch 2 schließt
sich ein kegelstumpfförmiger
Düsennadelsitz 4 an.
Der Düsennadelsitz 4 kann
einen Kegelwinkel von beispielsweise 60 ° haben.
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An dem Düsennadelsitz 4 liegt
eine Düsennadel 5 auf.
In 1 ist deutlich zu
erkennen, dass der Kegelwinkel der Düsennadel 5 größer als
der Kegelwinkel des Düsennadelsitzes
ist. Dadurch liegt die Kontaktzone 6 zwischen Düsennadel 5 und
Düsennadelsitz 4 im
Bereich des größten Durchmessers
der Düsennadel 5 und
die Flächenpressung
zwischen Düsennadel 5 und
Düsennadelsitz 4 wird
erhöht.
Die Differenz der Kegelwinkel von Düsennadel 5 und Düsennadelsitz 4 ist
in 1 übertrieben
dargestellt. In der Regel ist diese Differenz kleiner als 1 ° und bewegt
sich im Bereich von beispielsweise 15 Winkelminuten bis 30 Winkelminuten.
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Auf der linken Seite von 1 ist ein Übergang
zwischen Sackloch 2 und Düsennadelsitz 4 nach
dem Stand der Technik als Kante 7 dargestellt. Diese Kante 7 entsteht
beim Schleifen des Düsennadelsitzes 4.
Je nach Art der Bearbeitung kann die Kante 7 ein scharfer
Grad oder eine glatte Kante sein. Der Strömungswiderstand der Kante 7 wird
wesentlich von der Beschaffenheit derselben beeinflusst.
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Auf der rechten Seite von 1 ist der Übergang
zwischen Sackloch 2 und Düsennadelsitz 4 anders
gestaltet. Zwischen Düsennadelsitz 4 und
Sackloch 2 ist ein Übergangskegel 8 ausgebildet.
Dieser Übergangskegel 8 führt dazu,
dass der in 1 unterhalb
der Kontaktzone 6 liegende Teil des Düsennadelsitzes 4 verkürzt wird.
Die Länge
des unterhalb der Kontaktzone 6 liegenden Teils des Düsennadelsitzes 4 ist
in 1 (rechte Seite)
mit "x" bezeichnet. An den
Düsennadelsitz 4 schließt sich
auf der rechten Seite von 1 der
bereits erwähnte Übergangskegel 8 an,
der anschließend
in das Sackloch 2 übergeht.
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Bei einer Sacklochdüse nach
dem Stand der Technik, wie sie in 1 auf
der linken Seite dargestellt ist, ist die Länge des Düsennadelsitzes 4 unterhalb
der Kontaktzone 6 deutlich größer. Sie ist in 1 mit "y" bezeichnet.
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Wenn nun die Düsennadel in Richtung eines Düsennadelhubs 9 vom
Düsennadelsitz
abhebt, entsteht bei der erfindungsgemäßen Einspritzdüse 1 ein schmaler
kegelstumpfförmiger
Ringspalt zwischen Düsennadelsitz 4 und
der Düsennadel 5.
Der kegelstumpfförmige
Ringspalt (nicht dargestellt) hat bei einer Düsennadel nach dem Stand der
Technik die Länge "y", während
er bei einer erfindungsgemäßen Sacklocheinspritzdüse 1 nur
eine Länge "x" hat, wobei "x" kleiner
als "y" ist. Die Maße x, y
sind jedoch bezüglich
des Verhältnisses
variabel; oder und je nach Anforderungen in Abhängigkeit der Prüfpunkte des
Einspritzsystems ausgelegt werden.
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Wegen der gegenüber dem Stand der Technik stark
verkürzten
Länge des
kegelstumpfförmigen Spalts
zwischen Düsennadel 5 und
Düsennadelsitz 4 im
Teilhub ist naturgemäß auch der
Strömungswiderstand
dieses kegelstumpfförmigen
Ringspalts einer erfindungsgemäßen Einspritzdüse 1 sehr
viel kleiner als bei einer Düsennadel
nach dem Stand der Technik. Infolgedessen ist der Einfluss des Strömungswiderstands
dieses kegelstumpfförmigen
Ringspalts im Teilhub auf das Einspritzverhalten einer erfindungsgemäß ausgestalteten
Einspritzdüse 1 mit
einem Übergangskegel 8 sehr
viel kleiner. Deshalb ist die Streuung des Betriebsverhaltens von
Einspritzdüsen 1,
die erfindungsgemäß mit einem Übergangskegel 8 ausgestattet
sind, untereinander sehr viel kleiner.
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Die Folgen der Streuung des Strömungswiderstands
von Einspritzdüsen 1 werden
nachfolgend anhand des in 3 dargestellten
Diagramms veranschaulicht.
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Das oder die Spritzlöcher 3 können auch
im Düsennadelsitz 4 oder
im Übergangskegel 8 (beides nicht
dargestellt) angeordnet sein.
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In 2 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Einspritzdüse 1 dargestellt.
Der wesentliche Unterschied zu dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel gemäß der rechten
Seite der 1 besteht
darin, dass das mit dem Düsennadelsitz 4 zusammenwirkende
Ende der Düsennadel 5 als
Doppelkegel ausgeführt
ist. Ein erster Kegel 15 wird gefolgt von einem zweiten
Kegel 16. Dabei ist der Kegelwinkel des ersten Kegels 15 kleiner
als der Kegelwinkel des Düsennadelsitzes 4 und
der Kegelwinkel des zweiten Kegels 16 größer als
der Kegelwinkel des Düsennadelsitzes 4.
Im Ergebnis führt
dies dazu, dass die Kontaktzone 6 zwischen Düsennadel 5 und
Düsennadelsitz 4 dort
ist, wo der erste Kegel 15 in den zweiten Kegel 16 übergeht.
Dieser Übergangsbereich
ist in 2 mit dem Bezugszeichen 17 versehen
worden. Infolgedessen wird die Länge
x des kegelstumpfförmigen
Ringspalts zwischen Düsennadel 5 und
Düsennadelsitz 4 bei diesem
Ausführungsbeispiel
gegenüber
dem ersten Ausführungsbeispiel
(siehe rechte Seite von 1) nochmals
verkürzt.
Dadurch sinkt der Einfluss des Strömungswiderstands des Ringspalts
zwischen Düsennadel 5 und
Düsennadelsitz 4 im
Teilhub der Einspritzdüse 1 auf
die Streuung des Strömungswiderstands
nochmals, was das Betriebsverhalten einer Brennkraftmaschine, die
mit den erfindungsgemäßen Einspritzdüsen 1 nach
dem zweiten Ausführungsbeispiel
ausgerichtet ist, nochmals an.
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Der Übergangskegel 8 kann
durch Schleifen, Senken, Prägen
oder ein anderes spanendes oder spanloses Bearbeitungsverfahren
einfach und kostengünstig
hergestellt werden.
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Im Betrieb wird sich die Düsennadel
5 im Bereich der Kontaktzone 6 etwas in den Düsennadelsitz 4 einarbeiten,
indem sie den Düsennadelsitz 4 plastisch
verformt und etwas Material vom Düsennadelsitz 4 abträgt und/oder
verdrängt.
Infolgedessen verkürzt
sich die Länge "x" des Ringspalts zwischen Düsennadel 5 und
Düsennadelsitz 4 mit
zunehmender Betriebsdauer der erfindungsgemäßen Einspritzdüse 1.
Wenn die Länge "x" gleich null geworden ist, das heißt, wenn
sich die Kontaktzone 6 an den Übergang zwischen Düsennadelsitz 4 und Übergangskegel 8 verlagert
hat, ist die Verschleißgrenze
der erfindungsgemäßen Einspritzdüse 1 erreicht.
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Nachfolgend werden anhand des in 3 dargestellten Diagramms
die Vorteile der erfindungsgemäßen Gestaltung
des Übergangs
zwischen Düsennadelsitz 4 und
Sackloch 2 erläutert.
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In 3 ist
der hydraulische Durchmesser 10 einer Sackloch-Einspritzdüse 1 über dem
Düsennadelhub 9 qualitativ
aufgetragen. Der hydraulische Durchmesser 10 ist eine Größe mittels
derer beliebige durchströmte
Querschnitte hinsichtlich ihres Strömungswiderstands vergleichbar
gemacht werden. Als Bezugsgröße dient
der Strömungswiderstand
eines Rohrs mit kreisförmigem
Querschnitt. Ein Querschnitt mit großem hydraulischen Durchmesser
hat einen geringen Strömungswiderstand
und umgekehrt.
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In 3 wurde
der Düsennadelhub 9 in
zwei Bereiche eingeteilt. Ein erster Bereich erstreckt sich von
Null bis "a", der zweite, nachfolgend
als Teilhubbereich bezeichnete Bereich erstreckt sich von "a" bis "b".
Bei "c" ist der volle Düsennadelhub
erreicht.
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Wenn eine geschlossene Einspritzdüse 1, bei
der die Düsennadel 5 auf
dem Düsennadelsitz 4 aufliegt,
geöffnet
wird, ergibt sich bei sehr kleinem Düsennadelhub 9 im Bereich
der Kontaktzone 6 ein sehr schmaler Spalt, durch den der
unter Druck stehende Kraftstoff in das Sackloch 2 strömen kann. Dieser
sehr schmale Spalt bestimmt den Strömungswiderstand der Einspritzdüse 1 und
die Nadelstabilität
im Düsenkörper; d.
h. die Verhinderung von Flattern der Nadel; maßgeblich und legt damit auch
den hydraulischen Durchmesser 10 fest. Da der Strömungswiderstand
dieses sehr schmalen Spalts groß ist,
ist der hydraulische Durchmesser 10 der Einspritzdüse 1 bei
sehr kleinem Düsennadelhub 9 sehr klein.
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Im Teilhubbereich zwischen "a" und "b" wird der
Strömungswiderstand
der Einspritzdüse 1 maßgeblich
von der Länge
des kegelstumpfförmigen Ringspaltes
zwischen Düsennadel 5 und
Düsennadelsitz 4 bestimmt.
Die Länge
dieses Ringspaltes ist in den 1 und 2 mit "x" bei
einer erfindungsgemäßen Einspritzdüse 1 und
mit "y" bei einer Einspritzdüse 1 nach
dem Stand der Technik bezeichnet. Damit ist die Länge "x" im Teilhubbereich 1 auch für den hydraulischen
Durchmesser 10 der Einspritzdüse 1 von großer Bedeutung.
Das bedeutet, dass beispielsweise Änderungen der Oberflächenrauhigkeit
des Düsennadelsitzes 4 oder
des kegelstumpfförmigen
Endes der Düsennadel 5 bei
großer
Länge "x" einen großen Einfluss auf die Streuung
des hydraulischen Durchmessers 10 haben. In Folge dessen ändert sich die
Kennlinie 11 der Einspritzdüse 1 vor allem im
Teilhubbereich zwischen "a" und "b".
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Im Bereich des vollen Düsennadelhubs "c" ist das Spritzloch 3 der Einspritzdüse 1 maßgeblich für den hydraulischen Durchmesser
der Einspritzdüse 1.
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In 3 wurden
andeutungsweise die Auswirkungen verschiedener Oberflächenrauhigkeiten im
Bereich des kegelstumpfförmigen
Ringspaltes zwischen Düsennadelsitz 4 und
Düsennadel 5 auf den
hydraulischen Durchmesser im Teilhubbereich durch die Kennlinien 11, 12 und 13 dargestellt.
Die gestrichelt dargestellte Kennlinie 12 repräsentiert eine
Einspritzdüse 1 bei
der der Ringspalt im Vergleich zu der Kennlinie 11 einen
größeren hydraulischen
Durchmesser hat und demzufolge geringere Drosselverluste aufweist.
Die gestrichelt dargestellte Kennlinie 13 zeigt die Auswirkungen
eines Ringspalts, welcher relativ zu der Kennlinie 11 in 3 eine stärkere Drosselwirkung
hat.
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Bei in Serie gefertigten Brennkraftmaschinen wird
das Kennfeld der Brennkraftmaschine und des zugehörigen Einspritzsystems
anhand eines oder mehrerer ausgewählter Referenz-Einspritzdüsen 1 durch
Messungen ermittelt. Die solcherart ermittelten Kennfelder werden
allen bauartgleichen Einspritzsystemen zugrundegelegt.
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Im Folgenden wird angenommen, dass
die Kennlinie 11 eine gemessene Kennlinie einer Referenz-Einspritzdüse ist,
und dass diese Kennlinie 11 in dem Steuergerät des Einspritzsystems
abgespeichert ist. Weiter wird unterstellt, dass zwei der Serienfertigung
entnommene Einspritzdüsen 1 die
Kennlinien 12 und 13 haben. Wenn nun, die Einspritzdüsen 1 mit
den Kennlinien 12 und 13 mit einer Steuergerät zusammenwirken,
in dem die Kennlinie 11 abgespeichert ist, dann stimmt
die tatsächliche
Einspritzmenge im Teilhubbereich nicht mit der bei den Testexemplaren
gemessenen optimalen Einspritzmenge gemäß der Kennlinie 11 überein,
so dass die Leistung und/oder das Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine
verschlechtert wird.
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Im Umkehrschluss kann man sagen,
dass durch das erfindungsgemäße Verkürzen der
Länge "x" des kegelstumpfförmigen Ringspalts im Teilhub durch
den Übergangskegel 8 die
Streuung der Kennlinien 11, 12 und 13 verringert
wird. Damit wird die Übereinstimmung
zwischen der im Steuergerät
abgespeicherten Kennlinie 11 und der Kennlinien 12 und 13 von
zwei der Serienfertigung entnommenen Einspritzdüsen deutlich verbessert. Die Übereinstimmung
kann beispielsweise um den Faktor 2 bis 3 verbessert
werden. In Folge dessen entspricht die tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge
genau der von dem Steuergerät
vorgegebenen Einspritzmenge und das Verbrauchs- und Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine
ist optimal.
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Anhand der 4 wird nachfolgend erläutert, wie
die erfindungsgemäße Einspritzdüse 1 in eine
Kraftstoffeinspritzanlage 102 einer Brennkraftmaschine
integriert ist. Die Kraftstoffeinspritzanlage 102 umfasst
einen Kraftstoffbehälter 104,
aus dem Kraftstoff 106 durch eine elektrische oder mechanische
Kraftstoffpumpe 108 gefördert
wird. Über
eine Niederdruck-Kraftstoffleitung 110 wird der Kraftstoff 106 zu
einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe 111 gefördert. Von der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 111 gelangt der
Kraftstoff 106 über
eine Hochdruck-Kraftstoffleitung 112 zu
einem Common-Rail 114. An dem Common-Rail 114 sind
mehrere erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzdüsen 1 angeschlossen,
die den Kraftstoff 106 direkt in Brennräume 118 einer nicht
dargestellten Brennkraftmaschine einspritzen.
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Die erfindungemäße Einspritzdüse kann
in verschiedensten Einspritzanlage 102 und in verschiedenen
Bauformen eingesetzt werden. Ihre Vorteile treten besonders bei Hochdruck-Kraftstoffeinspritzanlagen
mit Einspritzdrücken > 1600 bar zu Tage.
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Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und
der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch
in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.