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Die
Erfindung betrifft eine Einspritzvorrichtung mit einer Dichtungsanordnung,
wie sie in Einspritzsystemen für
Verbrennungskraftmaschinen Verwendung findet. Insbesondere bezieht
sich die Erfindung auf eine Pumpe-Düse-Einspritzvorrichtung für einen
Dieselmotor.
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Mit
dem Ziel der Wirkungsgradsteigerung von Verbrennungskraftmaschinen
werden immer höher
entwickelte Einspritzsysteme zur Dosierung und Aufbereitung des
Kraftstoffgemisches eingesetzt, um den Verbrennungsvorgang zu steuern
und entsprechend den Wirkungsgrad des Dieselmotors oder einer anderen
Verbrennungskraftmaschine zu steigern. Die grundlegenden neueren
Systeme, die derzeit eingesetzt werden, sind erstens sogenannte Common
Rail Systeme, bei denen der Hochdruck über eine zentral angeordnete
Pumpe erzeugt wird und der unter Druck gesetzte Kraftstoff durch
Einspritzventile, die pro Zylinder vorhanden sind, dosiert und eingespritzt
wird. Weiterhin gibt es zweitens Pumpe-Düse-Einspritzsysteme, bei denen
je Zylinder eine Kombination aus einer Pumpe und einer Düse vorhanden
ist, die in einem separaten Bauteil gemeinsamen zusammengefasst
sind. Diese Baugruppe wird häufig
durch eine Nocke der Nockenwelle des Motors betrieben. Die Einspritzung
des Kraftstoffs wird hierbei durch ein zugeordnetes Steuerungsventil
gesteuert, das magnetisch oder piezoelektrisch betrieben wird. Mittels
des Ventils kann beispielsweise je Arbeitstakt der Maschine zu exakt
vorherbestimmten Zeitpunkten eine vorgegebene Kraftstoffmenge dosiert
werden.
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Um
einen optimalen Verbrennungsvorgang zu erzielen, haben sich solche
Pumpe-Düse-Einspritzsysteme
am Markt als sehr effizient herauskristallisiert, welche eine Voreinspritzung
und eine nachfolgende Haupteinspritzung je Verbrennungsvorgang durchführen.
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Bei
gängigen
Pumpe-Düse-Einspritzsystemen
werden derzeit im Haupteinspritzvorgang über 2000 bar Druck erreicht.
Ein Beispiel einer Pumpe-Düse-Einspritzvorrichtung
ist aus WO 00/19089 bekannt. Derartige Einspritzelemente sind häufig im Zylinderkopf
eines Verbrennungsmotors eingesetzt, wo sie von Motoröl umgeben
sind und durch dieses gekühlt
werden.
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In
diesem Zusammenhang ist es wichtig zu bemerken, dass bei den Wechselbeanspruchungen, welche
durch die Auf- und Abbewegung des Hubkolbens der Pumpe im Einspritzelement
auftreten und den dabei auftretenden und damit verbundenen hohen
Drücken,
keine Leckage des Kraftstoffs zum Motoröl, das die Einspritzvorrichtung
umgibt, auftreten sollte. Eine solche Mischung von Kraftstoff und
Motoröl
ist nachteilig und deswegen unerwünscht, weil die Schmiereigenschaften
des Motoröls
nachteilig beeinflusst werden können
und der abhanden gekommene Kraftstoff nicht mehr für den Verbrennungsvorgang
im Motor zur Verfügung
steht. Hierdurch wird der Wirkungsgrad der Verbrennungsmaschine
verschlechtert.
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Da
es sich bei Pumpe-Düse
Einspritzvorrichtungen um mechanisch komplizierte Vorrichtungen handelt,
die aus vielen hochpräzis
gefertigten Teilen zusammengesetzt sind, ist es besonders wichtig,
solche Teile, die in axialer Richtung aneinander grenzen und die
mit hohem Druck beaufschlagt werden, dicht gegen die Umgebung abzudichten,
um eine Leckage von Kraftstoff quer zur Hubbewegung des Pumpkolbens
in radialer Richtung nach außen
weitestgehend vermeiden zu können.
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Derzeit
wird beispielsweise an solchen Verbindungsstellen von Bauelementen
einer Pumpe-Düse-Einspritzvorrichtung
eine optimale Dichtung durch Flächenpressung
von Metallteilen gegeneinander sichergestellt, welche durch eine
Spannmutter, die wiederum mehrere verschiedene Bestandteile der Einspritzvorrichtung
gegeneinander verspannt, aneinander gedrückt werden und durch die dadurch
erzeugte Flächenpressung
eine Dichtung gegenüber der
Umgebung sicherstellen.
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Aufgrund
der hohen auftretenden Drücke und
der mechanischen Wechselbeanspruchung gewährleisten derartige Dichtungen,
welche auf Flächenpressung
basieren, keine hundertprozentige Dichtheit. Ein herkömmliches
radiales O-Ring-Dichtungskonzept,
welches erhebliche Änderungen
an den angrenzenden Bauteilen mit sich bringt und zudem hohen Beanspruchungen
bei der Montage durch die Schraubbewegung der Spannmütter ausgesetzt
ist, weist daher Nachteile auf.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Einspritzvorrichtung
mit einer verbesserten Dichtungsanordnung, insbesondere für eine Hochdruckeinspritzvorrichtung,
anzugeben. Insbesondere sollen diese eine verbesserte Abdichtung des
unter Hochdruck stehenden Kraftstoffes, der sich im Innenraum der
Einspritzvorrichtung befindet, gegenüber der Umgebung und dort vorhandenem
Motoröl
bieten.
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Diese
Aufgabe wird mit einer Einspritzvorrichtung gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruches
1 gelöst.
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Weiterbildungen
der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen 2 bis
8.
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Vorteilhaft
sieht die Erfindung eine O-Ring-Dichtung in axialer Richtung der
Einspritzvorrichtung vor, welche zusätzlich zur vorhandenen metallischen
Flächenpressung
den radialen Austritt von Leckageflüssigkeit verhindert, weil sie
im Vergleich mit dem Stand der Technik besser abdichtet.
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In
vorteilhafter Weise wird durch die verringerte Pressfläche, welche
bei sonst gleichen Abmessungen der Pumpe-Düse um den Betrag der Ausmaße des O-Ringes
verringert wird, die vorhandene Flächenpressung zwischen den mechanischen
Dichtflächen
bei gleicher Vorspannung erhöht.
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Wenn
in vorteilhafter Weise eine Nut für den O-Dichtring bereitgestellt
wird, so reduziert sich die metallische Dichtfläche um deren Abmessungen in einem
Betrag, der für
die passgenaue Aufnahme des O-Dichtringes erforderlich ist. Durch
die Dimensionierung der Nut und des O-Dichtringes, sowie der verbleibenden
restlichen metallischen Dichtflächen lässt sich
eine gute Dichtungswirksamkeit der Dichtungsanordnung gewährleisten
und einstellen.
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In
vorteilhafter Weise bildet sich zwischen der Nut, welche den O-Dichtring
aufnimmt und dem Hochdruckraum für
den einzuspritzenden Kraftstoff ein hydraulischer Spalt aus. Der
in diesem Spalt befindliche Kraftstoff drückt auf den O-Dichtring in radialer
Richtung und ermöglicht
so eine bessere Abdichtung durch den O-Dichtring in axialer Richtung.
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In
vorteilhafter Weise kann die Nut, welche den O-Dichtring aufnimmt,
und in welcher die Leckageflüssigkeit
vom Hochdruckraum anfällt,
durch einen Verbindungskanal mit einem Kraftstoffreservoir, bzw.
einem Niedrigdruckbereich für
Kraftstoff verbunden sein. Somit wird der Kraftstoff, welcher durch
Leckage anfällt,
gezielt rückgeleitet
und wieder verwendet werden kann. Auf diese Weise wird eine weitere Effizienzsteigerung
des Motors erzielt. Zudem wird in vorteilhafter Weise durch diese
Anbindung der Kraftstoffdruck, der auf die O-Ringe wirkt, reduziert.
Damit wird eine Beschädigung
der O-Ringe vermieden.
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Vorteilhaft
wird eine Dichtungsanordnung in einer Einspritzvorrichtung eingesetzt,
wodurch eine optimale Kraftstoffausnutzung erreicht werden kann und
es vermieden werden kann, dass sich Kraftstoff, welcher durch Leckage
aus dem Hochdruckraum austritt, mit umgebendem Motoröl mischt:
Vorteilhaft kommt diese Dichtungsanordnung in einer Pumpe-Düse-Einspritzvorrichtung zum
Einsatz, weil derartige Pumpe-Düse-Einspritzvorrichtungen
viele mechanische Bauteile aufweisen, welche gegeneinander abgedichtet
werden müssen.
Dabei sind diese ebenso hohen Wechselbeanspruchungen durch die Hochdruckpumpe
ausgesetzt und durch eine bessere Abdichtung kann eine Druckerhöhung erzielt
werden, wodurch ein besseres Einspritzergebnis erzielbar ist.
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In
vorteilhafter Weise wird diese Einspritzvorrichtung als Dieseleinspritzvorrichtung
ausgeführt, weil
bei Dieseleinspritzvorrichtungen sehr hohe Einspritzdrücke erforderlich
sind und eine kombinierte Dichtungsanordnung besonders vorteilhaft
eingesetzt werden kann, denn diese zeigt bei hohen Drücken eine
erhöhte
Wirksamkeit.
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Zudem
kann vorteilhaft eine derartige Dichtungsanordnung in Verbindung
mit einem scheibenförmigen
Element, wie beispielsweise einer Drosselplatte einer Pumpe-Düse-Einspritzvorrichtung
eingesetzt werden, weil die dabei vorhandenen planen Dichtungsflächen sonst
eine einfache Leckage ermöglichen,
welche erfindungsgemäß gut verhindert werden
kann.
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Vorteilhaft
werden die Dichtungselemente der Dichtungsanordnung an einem solchen
scheibenförmigen
Element an der Ober- und
der Unterseite eingesetzt, um eine optimale Abdichtung gegenüber der
Umgebung zu erzielen. Dabei ist es aufgrund der Konstruktion der
erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung
für das
Dichtungsergebnis unerheblich in welchem der aneinander grenzenden
Bauteile eine Nut mit O-Dichtring eingebracht wird. So wird eine größtmögliche konstruktive
Flexibilität
beim Aufbau der Dichtungsanordnung geboten.
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Ausführungsbeispiel
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels durch Figuren
weiter erläutert.
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1 zeigt
eine Teilansicht einer Einspritzvorrichtung mit einer Dichtanordnung
gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Die dargestellte Einspritzvorrichtung stellt eine
Pumpe-Düse
dar.
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2 zeigt
eine Teilansicht in Form eines Details A aus 1.
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3 zeigt
einen Teilquerschnitt durch die Einspritzvorrichtung.
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4 zeigt
einen Aussicht auf die Platte.
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1 zeigt
eine Teilansicht einer beispielhaften erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung.
Die Einspritzvorrichtung weist ein Gehäuse auf, das mehrere Bauteile 1, 2, 8 aufweist,
die in Grenzflächen 7 aufeinander
gelegt sind. Im Gehäuse
sind Räume und
Kanäle
vorgesehen, die Kraftstoff mit hohem Druck führen. Die Grenzflächen 7 grenzen
an die Räume
und Kanäle
und sind deshalb abzudichten. Wie weiter erkannt werden kann, ist
in 1 ein Kraftstoffkanal 12 durch die Bauteile 1, 2, 8 geführt, in
dem Kraftstoff mit hohem Druck geleitet wird. Die Platte 1 und
ein Pumpenzylinder 8 begrenzen einen Pumpenarbeitsraum 13,
wobei zwischen der Platte 1 und dem Pumpenzylinder 8 eine
Grenzfläche 7 ausgebildet
ist, die an den Pumpenarbeitsraum 13 grenzt. Die zwischengefügte Platte 1 stellt
beispielsweise eine Drosselplatte dar. Im Pumpenarbeitsraum 13 ist
ein Kolben angeordnet, der von einer Nockenwelle betätigt wird
und Kraftstoff ansaugt und für
einen Einspritzvorgang verdichtet. Zwischen dem Pumpenzylinder 8,
der zwischengefügten
Platte 1 und einem Federhalter 2 treten im Pumpenarbeitsraum 13 und
im Kraftstoffkanal 12 beim Einspritzvorgang sehr hohe Drücke auf,
beispielsweise bis zu 2000 bar und darüber. Derartige Drücke werden
gegen die Grenzflächen 7 der
Bauteile 1, 2, 8 durch die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung
abgedichtet.
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Zu
diesem Zweck sind beispielsweise im zur Verfügung stehenden Bauraum der
Zwischenscheibe 1 und des Federhalters 2 zwei
kreisförmige
Ringnuten 3, 4 gefertigt und darin geeignet dimensionierte O-Ringe 5, 6 mit
geeignetem Spiel eingelegt. Die Ringnuten 3, 4 sind
an einer Oberseite und einer Unterseite in die Platte 1 bzw.
den Federhalter 2 eingebracht und symmetrisch übereinander
angeordnet. Durch die plane Auflagefläche der abzudichtenden Bauteile
1, 2, 8 im Bereich der Grenzflächen 7 ergeben
sich innerhalb der O-Ring-Dichtungen 5, 6 enge Spalten.
Die Spalte 9, 10 verringern erheblich die radiale
Druckbelastung der O-Ringe, weil sie eine hydraulische Spaltfunktion
bieten. Durch einen derartigen hydraulischen Spalt werden auftretende
Druckschwankungen egalisiert und die Anwendung eines erfindungsgemäßen axialen
Dichtungskonzeptes begünstigt.
Zur Wiederverwendung der Leckageflüssigkeit kann zwischen der
O-Ring-Nut 3, 4 und einem Niederdruckraum, wie
beispielsweise einem Kraftstoffansaugraum, ein Verbindungskanal 11 (3) ausgebildet
sein, der beispielsweise in Form einer Verbindungsnut realisiert
ist. Eine Ringnute 3, 4 kann in einem der Bauteile
oder in zwei aneinander grenzenden Bauteilen eingebracht sein. Vorzugsweise sind
die Ringnuten 3, 4 in einem Bauteil angeordnet und
mit einer planen Fläche
des angrenzenden weiteren Bauteils abgedeckt.
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Die
axiale Ausführung
des Dichtungskonzeptes ermöglicht
es, dass eine beliebige Form einer Spannmutter 14 gewählt werden
kann, wobei gleichzeitig die Forderung einer hinreichenden Abdichtung erfüllt wird.
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Ebenso
bietet das Konzept hinsichtlich der Montage den Vorteil, dass es
leichter zu handhaben ist, wobei zusätzlich die Gefahr der Beschädigung der
O-Ringe 5, 6 beim Montieren reduziert ist.
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Wie 2 und 3 zeigen,
ist ein O-Ring 5 in einer Ring-Nut 3 so eingepasst,
dass noch genügend
Raum übrig
bleibt, um Leckageflüssigkeit
aufzunehmen. Diese Leckageflüssigkeit
kann dann durch einen Kanal 11, über welchen die Ring-Nut mit einem
Niedrigdruckbereich 15 wie z. B. einem Kraftstofflauf in
Verbindung steht, abgeführt
werden. In den Figuren sind die Ring-Nuten und die O-Ringe 3, 4, 5 und 6 zwar
identisch gezeigt und geometrisch übereinanderliegend dargestellt,
jedoch können
die Abmessungen von den Darstellungen, welche lediglich als Ausführungsbeispiel
dienen, abweichen und den Erfordernissen und den Druckgegebenheiten
vor Ort angepasst werden.
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Durch
die Anbindung der Ringnuten 3, 4 an den Niedrigdruckbereich 15 innerhalb
der O-Ringe 5, 6 wird der von Hochdruckbereichen
wie dem Pumpenraum 13 und dem Kraftstoffkanal 12 an
die O-Ringe 5, 6 zugeführte Kraftstoffdruck gesenkt.
Zudem werden die O-Ringe 5, 6 wie in der 4 dargestellt, nach
außen
gedrückt
und der Spalt zwischen den Grenzflächen 7 in radialer
Richtung abgedichtet. 4 zeigt eine Draufsicht auf
die Platte 1. Durch die Platte 1 sind der Kraftstoffkanal 12 und
der Niedrigdruckbereich 15 geführt, der über eine Ausnehmung 11 mit
der Ringnut 3 verbunden ist.
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Zusammenfassend
ist zu sagen, dass durch die erfindungsgemäße Anordnung eine axiale Dichtungsanordnung
ermöglicht
wird, weil dem O-Ring ein hydraulischer Spalt vorgelagert ist. Der
in diesem Spalt befindliche Kraftstoff drückt radial auf den O-Ring,
so dass der O-Ring seine axiale Dichtwirkung entfalten kann. Ferner
wird durch die Einbringung einer Nut die vorhandene Dichtfläche in der Grenzfläche 7 zwischen
den metallischen Dichtflächen
der Bauteile verringert und dadurch bei gleicher Vorspannung die
Flächenpressung
erhöht.
Alles in allem führt
diese Kombination zu einer wesentlichen Verbesserung der Dichtwirkung
mit Vorzügen
hinsichtlich der Montage und Vermeidung von Beschädigung der
zu Abdichtung verwendeten O-Ringe.
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Mit
einem O-Ring ist ein Dichtungsring gemeint, welcher im wesentlichen
einen kreisförmigen Querschnitt
aufweist, welcher aber in Abhängigkeit der
Erfordernisse auch rechteckig sein kann, wobei in der Draufsicht
der O-Ring nicht Notwendigerweise kreisförmig sein muss.
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In
einer weiteren Ausführungsform
sind die Ringnuten mit den O-Ringen in einem Randbereich des Gehäuses als
Ringabdichtung geführt
und dichten somit die Bereiche, die Kraftstoff unter hohem Druck
führen,
nach außen
hin ab.
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1
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- 1
- Platte
- 2
- Federhalter
- 3
- Ringnut
- 4
- Ringnut
- 5
- O-Ring
- 6
- O-Ring
- 7
- Grenzfläche
- 8
- Pumpenzylinder
- 9
- Spalte
- 10
- Spalte
- 11
- Kanal
- 12
- Kraftstoffkanal
- 13
- Pumpenraum
- 14
- Spannmutter
- 15
- Niedrigdruckbereich