Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoff! njektor, wie er insbesondere als Bestandteil eines Common-Rail-Einspritzsystems zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer selbstzündenden Brennkraftmaschine verwendet wird.

Stand der Technik

Ein Kraftstoff! njektor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus der Fig. 2 der DE 102 42 685 A1 der Anmelderin bekannt. Der bekannte Kraftstoffinjektor zeichnet sich durch eine Düsennadel aus, deren Nadelspitze in Richtung eines Sacklochgrunds eines Düsenkörpers zwei kegelförmige

Abschnitte mit unterschiedlich großen Kegelwinkeln aufweist. Im Bereich einer Ventilsitzfläche der Nadelspitze, die im abgesenkten Zustand der Düsennadel mit einer kegelförmig ausgebildeten Fläche im Düsenkörper einen Dichtsitz ausbildet, ist eine radial um eine Längsachse der Düsennadel umlaufende Ringnut ausgebildet. Im Bereich der Ringnut befindet sich ein Bohrungseinlass einer Bohrung, die entweder im Bereich der dem Sacklochgrund zugewandten Stirnseite der Nadelspitze, oder aber seitlich nahe dem Bereich der Stirnseite der Nadelspitze einen Bohrungsauslass aufweist. Die bei dem bekannten

Kraftstoff! njektor vorgesehene Bohrung zielt darauf ab, über die gesamte

Lebensdauer des Kraftstoffinjektors eine möglichst konstante Öffnungsdynamik der Düsennadel zu erzielen.

Offenbarung der Erfindung

Der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass er neben einer vereinfachten Herstellung der Düsennadel insbesondere bei kleinen Hüben bzw. während des Öffnens und des Schließens der Düsennadel eine Kavitationsneigung durch Blasenbildung des Kraftstoffs soweit reduziert, dass daraus keine Kavitationsschäden im Bereich unterhalb des Dichtsitzes im Bereich des Sacklochs und insbesondere auch nicht im Bereich der Einspritzöffnungen resultieren. Weiterhin weist der Kraftstoffinjektor den Vorteil auf, dass einer Desachsierung der Düsennadel beim Öffnen

entgegengewirkt wird.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass die beschriebenen Vorteile dadurch erzielt werden können, dass entweder die Strömungsgeschwindigkeit beim Öffnen der Düsennadel und somit die Neigung zur Wirbelbildung mit daraus resultierenden Kavitationserscheinungen reduziert wird und/oder dass die Strömung des Kraftstoffs bei kleinen Hüben der Düsennadel besser geführt wird und/oder dass der Kraftstoff weniger starken Umlenkungen ausgesetzt wird und/oder aber dass ein geänderter Strömungspfad des Kraftstoffs realisiert wird.

Vor diesem Hintergrund schlägt es die Lehre der Erfindung gemäß des

Anspruchs 1 vor, dass die Düsennadel vom Bereich der Ventilsitzfläche bis zu einer dem Sackloch zugewandten Stirnseite eine kegelförmig oder

kegel stumpfförmig ausgebildete Nadelspitze mit einem konstanten Winkel aufweist, dass der Bohrungseinlass im Bereich der Ventilsitzfläche mündet, und dass das Sackloch im Bereich des Dichtsitzes einen ersten Abschnitt mit einem ersten Winkel zur Längsachse des Düsenkörpers aufweist, an den sich in Richtung eines Sacklochgrunds ein zweiter Abschnitt mit einem zweiten Winkel anschließt, wobei der zweite Winkel in Bezug zur Längsachse kleiner ist als der erste Winkel.

Eine derartige Ausgestaltung der Düsennadel verzichtet somit im Gegensatz zum oben erwähnten Stand der Technik auf eine radial um die Längsachse der Düsennadel umlaufende Längsnut und unterschiedliche große Winkel im Bereich der Nadelspitze der Düsennadel, was deren Herstellung relativ einfach macht.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors sind in den Unteransprüchen aufgeführt. In einer ersten konstruktiven Ausbildung bzw. Anordnung der wenigstens einen Bohrung in der Düsennadel ist es vorgesehen, dass die wenigstens eine

Bohrung als gradlinig ausgebildete Bohrung ausgebildet und in einem schrägen Winkel der Düsennadel zur Längsachse angeordnet ist. Eine derartige

Anordnung optimiert die Strömungsführung des Kraftstoffs durch die Bohrung dadurch, dass lediglich geringe Ablenkungen des Strömungspfads für den Kraftstoff realisiert werden. Darüber hinaus ist eine derartige Bohrung

fertigungstechnisch auch relativ einfach herzustellen.

Ganz besonders bevorzugt ist es bei der zuletzt gemachten Ausgestaltung bzw. Anordnung der Bohrung in der Düsennadel, wenn der schräge Winkel der wenigstens einen Bohrung einem schrägen Winkel der wenigstens einen

Einspritzöffnung in dem Düsenkörper angepasst ist bzw. entspricht. Dadurch wird die Strömung beim Ausströmen aus der Bohrung in Richtung der wenigstens einen Einspritzöffnung nicht oder nur gering umgelenkt, was eine Optimierung der Strömungsführung und somit eine Reduzierung der Wirbelbildung zur Folge hat.

Hierzu ist es auch insbesondere von Vorteil, wenn der Bohrungsauslass der wenigstens einen Bohrung bei abgesenkter Stellung der Düsennadel in Höhe der Einspritzöffnung oder zwischen der Einspritzöffnung und dem Sacklochgrund angeordnet ist. Dadurch wird der Höhenversatz zwischen dem Bohrungsauslass der wenigstens einen Bohrung zur wenigstens einen Einspritzöffnung in Richtung der Längsachse der Düsennadel betrachtet beim Öffnen der Düsennadel minimiert.

Eine weitere Optimierung der Ausrichtung des Bohrungsauslasses der wenigstens einen Bohrung mit der wenigstens einen Einspritzöffnung im

Düsenkörper sieht vor, dass die Düsennadel drehfest in Bezug zu deren

Längsachse angeordnet ist, und dass der Bohrungsauslass der wenigstens einen Bohrung mit einem Einlaufbereich der wenigstens einen Einspritzöffnung im Düsenkörper ausgerichtet ist. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass der Bohrungsauslass der Bohrung in der Düsennadel mit dem Einlaufbereich der wenigstens einen Einspritzöffnung in Bezug zur Winkelstellung um die

Längsachse fluchtet, sodass ein nahezu direktes Überströmen des Kraftstoffs aus dem Bereich der Düsennadel in den Bereich der Einspritzöffnung ermöglicht wird.

In einer alternativen Anordnung der wenigstens einen Bohrung kann es vorgesehen sein, dass der Bohrungsauslass der wenigstens einen Bohrung im Bereich der dem Sacklochgrund zugewandten Stirnseite der Nadelspitze mündet. Eine derartige Ausgestaltung bzw. Anordnung der wenigstens einen Bohrung lässt sich ggf. aus fertigungstechnischer Sicht noch einfacher realisieren als die oben gemachten Vorschläge, bei der sich der Bohrungsauslass an einer

Seitenfläche der Nadelspitze befindet.

Insbesondere wenn mehrere Bohrungen in der Düsennadel vorgesehen sind, kann es von Vorteil sein, wenn die Bohrungen die Längsachse der Düsennadel nicht schneiden. Dadurch wird eine unabhängige Strömungsführung des

Kraftstoffs in den einzelnen Bohrungen ermöglicht.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Bohrung, bei der sich deren

Bohrungsauslass im Bereich der dem Sacklochgrund zugewandten Stirnseite der Nadelspitze befindet, sieht vor, dass die wenigstens eine Bohrung mehrere Bohrungsabschnitte aufweist, wobei ein der Stirnseite der Nadelspitze

zugewandter erster Bohrungsabschnitt konzentrisch zur Längsachse der

Düsennadel verläuft.

Ein derartiger Bohrungsabschnitt kann bei einer ersten Ausgestaltung auf der der Stirnseite abgewandten Seite der Nadelspitze in einer senkrecht zur Längsachse verlaufenden, die Düsennadel durchquerenden Querbohrung als zweitem

Bohrungsabschnitt münden. Eine derartige Anordnung bzw. Ausbildung des zweiten Bohrungsabschnitts lässt sich fertigungstechnisch relativ einfach realisieren. Es kann jedoch zur Optimierung der Strömungsführung alternativ vorgesehen sein, dass der erste Bohrungsabschnitt auf der der Stirnseite der Nadelspitze abgewandten Seite mit wenigstens einer, in einem schrägen Winkel zur Längsachse angeordneten Bohrung verbunden ist, die in der

Ventildichtfläche mündet.

Um es zu ermöglichen, dass bei geringen Öffnungshüben der Düsennadel die Düsennadel von unten bzw. von der Seite des Sacklochgrunds angeströmt wird, ist es vorgesehen, dass die Stirnseite der Nadelspitze bei teilweise geöffneter Düsennadel, bei dem das Verhältnis des ringförmigen Durchflussquerschnitts zwischen der Düsennadel und dem Düsenkörper weniger als das 1 ,5-fache der Gesamtfläche der Querschnittsflächen der Einspritzöffnungen beträgt, auf der dem Sacklochgrund zugewandten Seite einer oberen Einspritzöffnungskante der Einspritzöffnung angeordnet ist.

Zuletzt schlägt es unabhängig von der konkreten Anordnung bzw. Ausbildung der wenigstens einen Bohrung in der Düsennadel eine weitere Ausgestaltung der Erfindung vor, dass der Bohrungseinlass der wenigstens einen Bohrung bei ausgebildetem Dichtsitz im Übergangsbereich zwischen der in unterschiedlichen Winkeln angeordneten Sitzfläche und dem sich daran in Richtung des

Sacklochgrunds anschließenden Abschnitt des Düsenkörpers angeordnet ist.

Zuletzt schlägt es eine weitere konstruktiv bevorzugte Ausführungsform vor, dass der Durchmesser der wenigstens einen Bohrung in der Düsennadel kleiner oder gleich dem Durchmesser der wenigstens einen Einspritzöffnung ist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1

bis

Fig. 4 zeigen jeweils einen axialen Endabschnitt eines Kraftstoffinjektors mit unterschiedlichen Ausführungsformen von Bohrungen in einer

Düsennadel im Längsschnitt und

Fig. 5 den Kraftstoff! njektor gemäß Fig. 3 bei einer teilweise angehobenen

Stellung seiner Düsennadel. Ausführungsformen der Erfindung

Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.

In der Fig. 1 ist der einem nicht gezeigten Brennraum einer selbstzündenden Brennkraftmaschine zugewandte axiale Endbereich eines Kraftstoffinjektors 10 dargestellt. Der Kraftstoffinjektor 10 weist einen Düsenkörper 12 auf, in dessen Wand wenigstens eine, vorzugsweise mehrere Einspritzöffnungen 14 ausgebildet sind. Über die wenigstens eine Einspritzöffnung 14 kann aus einem

Hochdruckraum 16 des Düsenkörpers 12 unter Hochdruck stehender Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden. Die

Einspritzöffnung 14 verläuft in einem schrägen Winkel a zu einer Längsachse 18 des Düsenkörpers 12. Der Düsenkörper 12 weist darüber hinaus zur Ausbildung des Hochdruckraums 16 eine Ausnehmung 20 auf, die auf der der

Einspritzöffnung 14 zugewandten Seite eine kegelförmig ausgebildete Sitzfläche

21 mit einem in Bezug zur Längsachse 18 ausgebildeten ersten Winkel ßi aufweist, die in Richtung eines Sacklochgrunds 23 eines Sacklochs 19 der Ausnehmung 20 in einen kegelförmigen Abschnitt 22 mit einem zweiten Winkel ß2 übergeht. Dabei ist der zweite Winkel ß2 kleiner ist als der erste Winkel ßi. Weiterhin geht die Einspritzöffnung 14 beispielhaft vom Bereich des Abschnitts

22 aus.

Der Düsenkörper 12 wirkt mit einer in Richtung der Längsachse 18 hubbeweglich und konzentrisch zur Längsachse 18 angeordneten Düsennadel 25 zusammen. Die mittels eines nicht dargestellten Aktuators, beispielweise eines

Magnetaktuators, in an sich bekannter Art und Weise bewegte Düsennadel 25 ist in den Figuren in einer abgesenkten, einen Dichtsitz 26 mit dem Düsenkörper 12 im Bereich der Sitzfläche 21 ausbildenden Stellung dargestellt. In dieser Stellung wird die wenigstens eine Einspritzöffnung 14 zumindest mittelbar verschlossen, sodass kein Kraftstoff aus dem Bereich des Hochdruckraums 16 in den Bereich der Einspritzöffnung 14 gelangt.

Die Düsennadel 25 weist eine Nadelspitze 28 auf, die eine kegelförmig oder kegelstumpfförmig bzw. im Längsschnitt konisch ausgebildete Ventilsitzfläche 29 mit einem Winkel g/2 zur Längsachse 18 aufweist, der dem Winkel ßi der Sitzfläche 21 des Düsenkörpers 12 angepasst ist bzw. diesem entspricht. Die Nadelspitze 28 weist auf der dem Sacklochgrund 23 zugewandten Seite eine ebene Stirnseite 30 auf.

Im Bereich der Nadelspitze 28 ist in der Düsennadel 25 wenigstens eine geradlinige Bohrung 34 ausgebildet, die in Bezug zur Längsachse 18 in einem schrägen Winkel D angeordnet ist, wobei der Winkel D vorzugsweise dem Winkel a der Einspritzöffnung 14 angepasst ist bzw. diesem entspricht. Der

Durchmesser der wenigstens einen Bohrung 34 ist höchstens so groß wie der Durchmesser der Einspritzöffnung 14.

Die Bohrung 34 weist einen Bohrungseinlass 36 auf, der bei abgesenkter Düsennadel 25 im Übergangsbereich zwischen der Sitzfläche 21 und dem Abschnitt 22 des Düsenkörpers 12 angeordnet ist. Weiterhin geht der

Bohrungseinlass 36 von der kegelförmigen Ventilsitzfläche 29 aus. Vorzugsweise schneidet eine Längsachse 38 der Bohrung 34 den Übergang zwischen der Sitzfläche 21 und dem Abschnitt 22. Ein Bohrungsauslass 40 der Bohrung 34 mündet bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in etwa Höhe der

Einspritzöffnung 14 auf der dem Sackloch 19 zugewandten Seite des

Düsenkörpers 12.

Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass die Düsennadel 25 in Bezug zur Längsachse 18 drehfest angeordnet ist, wobei dann der Bohrungsauslass 40 der Bohrung 34 mit der Mündung der Einspritzöffnung 14 im Bereich des

Düsenkörpers 12 hinsichtlich der Winkelposition um die Längsachse 18 ausgerichtet ist.

In der Fig. 2 ist eine Düsennadel 25a dargestellt, bei der die geradlinige Bohrung 34a im Bereich der Stirnseite 30 der Düsennadel 25a mit ihrem Bohrungsauslass 40 mündet. Der Bohrungseinlass 36 ist in Bezug zum Düsenkörper 12 bei abgesenkter Düsennadel 25a entsprechend der Düsennadel 25 angeordnet.

Die Fig. 3 zeigt eine Düsennadel 25b, bei der die Bohrung 34b einen ersten Bohrungsabschnitt 41 aufweist, der konzentrisch zur Längsachse 18 verläuft und im Bereich der Stirnseite 30 der Nadelspitze 28 mündet. Auf der der Stirnseite 30 abgewandten Seite des ersten Bohrungsabschnitts 41 mündet diese in (mindestens) zwei, jeweils in einem schrägen Winkel zur Längsachse 18 angeordneten Bohrungen 42, 43, die zweite Bohrungsabschnitte 45 ausbilden. Die Bohrungseinlässe 36 sind in Bezug zum Düsenkörper 12 bei abgesenkter Düsennadel 25b entsprechend der Düsennadel 25 und 25a angeordnet.

In der Fig. 4 ist eine Düsennadel 25c gezeigt, die sich von der Düsennadel 25b dadurch unterscheidet, dass die Bohrung 34c ebenfalls den ersten

Bohrungsabschnitt 41 aufweist, dieser jedoch in einer die Nadelspitze 28 durchquerenden, senkrecht zur Längsachse 18 angeordneten Querbohrung 48 als zweiter Bohrungsabschnitt 45 mündet. Auch hier sind die Bohrungseinlässe 36 in Bezug zum Düsenkörper 12 bei abgesenkter Düsennadel 25c

entsprechend der Düsennadel 25, 25a und 25b angeordnet.

Zuletzt ist in der Fig. 5 der Kraftstoffinjektor gemäß Fig. 3 bei von dem Dichtsitz 26 abgehobener, jedoch nicht vollständig angehobener Düsennadel 25b gezeigt. In dieser Position der Düsennadel 25b beträgt ein Flächenverhältnis zwischen einer Sitzfläche Asi _tz im Bereich eines ringförmigen Zulaufspalts 50 zwischen der Düsennadel 25b und dem Düsenkörper 12 und den Gesamtquerschnittsflächen Asi der Einspritzöffnung(en) 14 weniger als 1 ,5, das heißt Asi _tz < 1,5 c Asi. Dabei befindet sich die Stirnseite 30 der Düsennadel 25b auf der dem Sacklochgrund 23 zugewandten Seite einer oberen Einlaufkante 51 der wenigstens einen Einspritzöffnung 14.

Der soweit beschriebene Kraftstoff! njektor 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Beispielsweise kann die Geometrie der Ausnehmung 20 im Bereich des Sacklochs 19 anders ausgebildet sein. Auch kann der

Bohrungseinlass 36 knapp unter- bzw. oberhalb des Übergangs von der Sitzfläche 21 in den Abschnitt 22 angeordnet sein.