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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein derartiger, aus der Praxis bekannter Kraftstoffinjektor weist ein mehrteiliges Injektorgehäuse auf, das in seinem mittleren Teil einen hülsenförmigen Haltekörper hat. Der Haltekörper dient zur Aufnahme eines Piezo-Aktors in einem Niederdruckbereich des Injektors. Mittels des Piezo-Aktors lässt sich auf an sich bekannte Art und Weise die Bewegung einer im Hochdruckbereich des Injektors angeordneten Düsennadel steuern, um damit Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine einzuspritzen.
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Der Kraftstoffinjektor weist einen Hochdruckanschluss auf, der mit einem sogenannten Rail mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff verbindbar ist. Unter Hochdruck werden dabei Systemdrücke größer als 1500 bar, insbesondere größer als 2000 bar verstanden. Weiterhin hat der Kraftstoffinjektor einen mit einem Niederdruckbereich des Kraftstoffeinspritzsystems verbundenen Rücklaufanschluss, über den von dem Kraftstoffinjektor nicht benötigter Kraftstoff sowie Leckagemengen abgeführt werden können. Sowohl der Hochdruckanschluss als auch der Rücklaufanschluss des Kraftstoffinjektors sind dabei auf der dem Brennraum abgewandten Seite des Kraftstoffinjektors angeordnet. Um den Hochdruckbereich des Kraftstoffinjektors, der sich im Bereich der Spritzöffnungen der Düsennadel befindet, mit Kraftstoff zu versorgen, weist der hülsenförmige Haltekörper eine Bohrung, insbesondere eine Durchgangsbohrung, auf. Weiterhin hat der Haltekörper eine ebenfalls üblicherweise als Durchgangsbohrung ausgebildete Bohrung, die zum Rücklaufanschluss des Kraftstoffinjektors führt. Sowohl die Hochdruckbohrung als auch die Rücklaufbohrung befinden sich dabei in einem Wandbereich des Haltekörpers und beabstandet zu einem Aufnahmebereich für. den Piezo-Aktor.
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Unter anderem. aus Gründen der Effizienzsteigerung von Kraftstoffeinspritzsystemen ist ein möglichst hoher Systemdruck gewünscht. Zukünftige Einspritzsysteme werden daher mit Betriebsdrücken von mehr als 2000 bar, insbesondere mehr als 2200 bar, betrieben. Kritisch hierbei ist, dass die durch den Haltekörper verlaufende Hochdruckbohrung dabei sehr hohen Druckpulsationen ausgesetzt ist, die beim Aufbau bzw. Abbau des Systemdrucks entstehen. Aufgrund der gegebenen geometrischen Verhältnisse und der relativ geringen Wandstärken im Haltekörper kann es daher zu ungewünschten Verformungen insbesondere des Wandbereichs des Haltekörpers nahe der Hochdruckbohrung kommen.
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Aus der Verfahrenstechnik ist weiterhin das sogenannte Autofrettage-Verfahren bekannt, bei dem man eine Festigkeitssteigerung von Rohrleitungen für den Einsatz bei hohen und pulsierenden Innendrücken erzielen kann. Dabei wird die Rohrleitung bereits bei ihrer Herstellung einem über dem späteren Betriebsdruck und über der Streckgrenze des Material liegenden Innendruck ausgesetzt, sodass die Bereiche an der Innenwand der Rohrleitung plastifizieren. Nach dem Entspannen entstehen in diesem Bereich Druckeigenspannungen, die einer Rissbildung, im späteren Einsatz vorbeugen und somit die Festigkeitseigenschaften verbessern.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass dieser auch bei erhöhten Betriebsdrücken eine hohe Dauerfestigkeit aufweist. Diese Aufgabe wird bei einem Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Erfindung liegt dabei die Idee zugrunde, dass der die Hochdruckbohrung im Bereich des Haltekörpers begrenzende Wandbereich des Haltekörpers als ein durch eine Autofrettagebehandlung der Hochdruckbohrung verfestigter Wandbereich ausgebildet ist. Die durch die Autofrettagebehandlung erzeugten Druckeigenspannungen wirken somit im Einsatz einer Verformung bzw. Beschädigung des Haltekörpers entgegen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen. Kraftstoffinjektors sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in den Ansprüchen, der Beschreibung und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
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Um die über eine Ventilplatte in dem Bereich des Haltekörpers einströmende Rücklaufmenge, verursacht unter anderem durch Leckagemengen, abzuführen, weist der Haltekörper einen Vertiefungsbereich auf, der als Flächenfreilegungsnut ausgebildet ist. Um hierbei bei einem Autofrettage-Verfahren auch im Bereich der Flächenfreilegungsnut eine optimale Plastifizierung des zwischen der Hochdruckbohrung und der Vertiefung bzw. Flächenfreilegungsnut ausgebildeten Wandbereichs des Haltekörpers zu erreichen, wird in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgeschlagen, dass die Flächenfreilegungsnut aus zwei Vertiefungen mit unterschiedlichen Tiefen ausgebildet ist, wobei die erste Vertiefung, ausgehend von der Stirnfläche des Haltekörpers, eine geringere Tiefe aufweist als die zweite Vertiefung, wobei die erste Vertiefung die zweite Vertiefung überdeckt und wobei die zweite Vertiefung innerhalb der ersten Vertiefung auf der der Hochdruckbohrung abgewandten Seite angeordnet ist.
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Insbesondere ist es dabei vorgesehen, dass die beiden Vertiefungen an die Wand des als Bohrung ausgebildeten Aufnahmebereichs heranreichen. Dadurch wird die erwähnte Flächenfreilegungsnut erzeugt, bei der der Aufnahmeraum für den Piezoaktor Verbindung mit der Rücklaufbohrung hat.
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In einer besonders vorteilhaften geometrischen Dimensionierung wird vorgeschlagen, dass die erste Vertiefung eine Tiefe zwischen 0,2 mm und 0,6 mm, insbesondere 0,4 mm, aufweist und dass die zweite Vertiefung eine Tiefe zwischen 3,0 mm und 3,5 mm, insbesondere 3,2 mm, aufweist.
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Aus fertigungstechnischen Gründen ist es darüber hinaus vorteilhaft, wenn die erste Vertiefung die zweite Vertiefung auf der der Hochdruckbohrung abgewandten Seite mit Übermaß überdeckt. Dadurch kann die erste Vertiefung mittels eines Fräsers auf einfache Art und Weise erzeugt werden, wobei die Geometrien der beiden Vertiefungen, insbesondere im Bereich der Übergänge von der ersten zur zweiten Vertiefung, ohne zusätzliche Bearbeitungsgänge ausgebildet werden können.
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Um eine weitere Rückströmmöglichkeit für Kraftstoff in Richtung der Rücklaufbohrung zu erzeugen, ist es darüber hinaus vorgesehen, dass in Umfangsrichtung des Haltekörpers betrachtet auf der der Rücklaufbohrung abgewandten Seite der Hochdruckbohrung eine weitere Vertiefung an der einen Stirnfläche des Haltekörpers angeordnet ist.
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Die Erfindung umfasst auch ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einem erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor. Hierbei ist es vorgesehen, dass der in der Hochdruckbohrung während des Betriebs herrschende Systemdruck mehr als 1800 bar, insbesondere mehr als 2000 bar, beträgt. Ein derartiges Kraftstoffeinspritzsystem ist durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Kraftstoffinjektors ohne zusätzliche weitere bauliche Maßnahmen für den Betrieb mit derartig hohen Systemdrücken geeignet.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in:
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1 einen Kraftstoffinjektor in einer teilweise aufgeschnittenen Seitenansicht,
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2 einen Ausschnitt des Kraftstoffinjektors gemäß der 1 im Übergangsbereich zwischen dem Haltekörper und der Ventilplatte in vergrößerter Darstellung,
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3 einen Haltekörper in einer perspektivischen Ansicht und
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4 das eine, der Ventilplatte zugeordnete, Ende des Haltekörpers in perspektivischer Ansicht.
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Der in der 1 dargestellte Kraftstoffinjektor 10 ist Bestandteil eines im Einzelnen nicht näher dargestellten, insbesondere als sogenanntes Common-Rail-System ausgebildeten Kraftstoffeinspritzsystems, und dient zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer ebenfalls nicht dargestellten Brennkraftmaschine.
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Der Kraftstoffinjektor 10 weist ein Injektorgehäuse 11 auf. Das Injektorgehäuse 11 umfasst in seinem mittleren Bereich einen hülsenförmig ausgebildeten Haltekörper 15. Auf der dem Brennraum zugewandten Seite des Injektorgehäuses 11 schließt sich an den Haltekörper 15 in an sich bekannter Weise eine Ventilplatte 16 und eine Drosselplatte 17 an. An die Drosselplatte 17 schließt sich wiederum eine Ventilhülse 18 an, die eine in einer in der Längsachse des Injektorgehäuses 11 angeordnete, auf- und abbewegliche Düsennadel 20 aufnimmt. Mittels der Düsennadel 20 lassen sich am unteren Ende der Ventilhülse 18 angeordnete Abspritzöffnungen öffnen bzw. verschließen. Hierbei bildet der die Düsennadel 20 umgebende Raum innerhalb der Ventilhülse 18 einen unter Systemdruck stehenden Hochdruckraum 22 aus. Hierbei kann der Systemdruck mehr als 1800 bar, insbesondere mehr als 2000 bar betragen.
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Die Ventilhülse 18, die Drosselplatte 17 und die Ventilplatte 16 werden mit dem Haltekörper 15 mittels einer Düsenspannmutter 23 axial verspannt. Hierzu weist der Haltekörper 15 an seinem der Ventilplatte 16 zugewandten Ende ein Außengewinde 24 auf, das mit einem entsprechend ausgebildeten Innengewinde an der Düsenspannmutter 23 zusammenwirkt.
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Der Haltekörper 15 weist eine in Form einer Bohrung ausgebildete Ausnehmung 26 auf, die von der der Ventilplatte 16 zugewandten einen Stirnfläche 27 des Haltekörpers 15 ausgeht. Die Ausnehmung 26 dient der Aufnahme eines elektrisch betätigbaren Aktors zur zumindest mittelbaren Betätigung der Düsennadel 20. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Aktor als Piezoaktor 30 ausgebildet. Der Piezoaktor 30 ist über einen Steckeranschluss 31 elektrisch ansteuerbar. Der Piezoaktor 30 wirkt über einen insbesondere in der 2 erkennbaren Ventilbolzen 32 auf die Düsennadel 20, indem mittels des Ventilbolzens 32 auf an sich bekannte, und daher nicht näher beschriebene Art und Weise über einen hydraulischen Koppler eine Öffnungs- bzw. Schließkraft auf die Düsennadel 20 erzeugbar ist.
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Wie insbesondere anhand der 2 erkennbar ist, ist die Längsachse 33 der Ausnehmung 26 versetzt zur Längsachse 34 des Haltekörpers 15 angeordnet. Beabstandet zur Ausnehmung 26 ist in dem Haltekörper 15 eine Hochdruckbohrung 35 ausgebildet (4), die insbesondere parallel zur Ausnehmung 26 angeordnet ist. Die Hochdruckbohrung 35 verbindet einen am Injektorgehäuse 11 auf der der Düsennadel 20 abgewandten Seite angeordneten, lediglich in der 3 erkennbaren Hochdruckanschluss 36, der insbesondere über eine Kraftstoffleitung, mit dem sogenannten Rail des Kraftstoffeinspritzsystems verbunden ist, mit dem Hochdruckraum 22. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass während des Betriebs des Kraftstoffinjektors 10 innerhalb der Hochdruckbohrung 35 der Systemdruck anliegt.
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Wie insbesondere anhand der 4 erkennbar ist, verläuft parallel zur Hochdruckbohrung 35 eine Rücklaufbohrung 38 im Haltekörper 15, die ebenfalls als Durchgangsbohrung ausgebildet ist, und die vom Kraftstoffinjektor 10 nicht benötigten Kraftstoff sowie Leckagemengen über einen seitlich neben dem Steckeranschluss 31 erkennbaren Rücklaufanschluss 39 in einen Niederdruckbereich des Kraftstoffeinspritzsystems abführt.
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Wie weiterhin anhand der 4 erkennbar ist, weist der Haltekörper 15 aufgrund der außermittigen Anordnung der Ausnehmung 26 eine unterschiedlich große Wanddicke auf. Hierbei ist die Hochdruckbohrung 35 in einem Bereich 41 des Haltekörpers 15 angeordnet, in dem dessen Wandstärke ein Maximum aufweist. Jeweils um etwa 90° versetzt zur Hochdruckbohrung 35, die einen Durchmesser zwischen 1,5 mm und 2,5 mm, vorzugsweise 1,9 mm, aufweist, sind zwei Sacklochbohrungen 43, 44 erkennbar, in die Zentrierstifte (nicht dargestellt) einsetzbar sind, um den Haltekörper 15 zur Ventilplatte 16 zu positionieren, welche ebenfalls entsprechend ausgebildete, fluchtend angeordnete Sacklochbohrungen aufweist.
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Zwischen der Hochdruckbohrung 35 und der einen Sacklochbohrung 43 erkennt man eine Flächenfreilegungsnut 45. Die Flächenfreilegungsnut 45 weist zwei Vertiefungen 47, 48 auf. Beide Vertiefungen 47, 48 gehen von der Wand 49 der Ausnehmung 26 aus. Beide Vertiefungen 47, 48 weisen weiterhin jeweils einen ersten, von der Wand 49 ausgehenden Bereich 51, 52 konstanter Breite auf, an den sich jeweils ein halbkreisförmiger zweiter Bereich 53, 54 anschließt. Der Durchmesser der Rücklaufbohrung 38, die vom Grund der zweiten Vertiefung 48 ausgeht, beträgt etwa 2,3 mm. Weiterhin beträgt die Tiefe t der zweiten Vertiefung 48 bis zur Ebene der Rücklaufbohrung 38, bezogen auf die eine Stirnfläche 27 des Haltekörpers 15, etwa 3,2 mm. Demgegenüber beträgt die Tiefe T der ersten Vertiefung zwischen 0,2 mm und 0,6 mm, insbesondere 0,4 mm. Wesentlich ist, dass durch die Ausbildung der ersten Vertiefung 47 mit einer gegenüber der zweiten Vertiefung 48 reduzierten Tiefe zwischen der Hochdruckbohrung 35 und der Rücklaufbohrung 38 in Umfangsrichtung der Hochdruckbohrung 35 betrachtet ein relativ breiter Wandbereich 55 in dem Haltekörper 15 ausgebildet ist bzw. stehen bleibt. Hierzu ist die zweite Vertiefung 48 auf der der Hochdruckbohrung 35 abgewandten Seite der ersten Vertiefung 47 angeordnet. Weiterhin überdeckt die erste Vertiefung 47 die zweite Vertiefung 48 aus fertigungstechnischen Gründen mit geringem Übermaß.
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Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass zwischen der anderen Sacklochbohrung 44 und der Hochdruckbohrung 35 eine dritte Vertiefung 56 ausgebildet ist, deren Dimensionierung und Anordnung vorzugsweise der Dimensionierung der ersten Vertiefung 47, jeweils bezogen auf die Anordnung der Hochdruckbohrung 35, entspricht. Über die erste Vertiefung 47 und die dritte Vertiefung 56 gelangt Leckagemenge oder Rücklaufmenge in den Bereich der Ausnehmung 26, welche über die Rücklaufbohrung 38 zum Rücklaufanschluss 39 abgeführt werden kann.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Hochdruckbohrung 35 einer Autofrettagebehandlung unterzogen wird. Dadurch wird insbesondere der die Hochdruckbohrung 35 umgebende Wandbereich des Haltekörpers 15, und somit auch der Wandbereich 55 zwischen der Hochdruckbohrung 35 und der zweiten Vertiefung 48 plastifiziert, wodurch die Dauerfestigkeit, insbesondere die Pulsfestigkeit der Hochdruckbohrung 35, erhöht wird. Dadurch, dass die zweite Vertiefung 48 nur eine relativ geringe Tiefe t aufweist, kann der Wandbereich 55 eine relativ große Breite aufweisen. Dies erhöht die Pulsdauerfestigkeit der Hochdruckbohrung 35.
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Der soweit beschriebene Kraftstoffinjektor 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
