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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor, insbesondere einen Common-Rail-Injektor, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein derartiger, aus der Praxis bekannter Kraftstoffinjektor dient dem Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine. Hierzu weist die Brennkraftmaschine im Bereich eines den Brennraum begrenzenden Zylinderkopfs üblicherweise eine Aufnahmebohrung in Form einer Stufenbohrung auf, in die der Kraftstoffinjektor mit seinem Ventilgehäuse eingesetzt ist. Dabei ragt der Kraftstoffinjektor mit wenigstens einer Düsenöffnung in den Brennraum der Brennkraftmaschine hinein. Um den Brennraum bzw. den Zylinderkopf nach außen hin abzudichten ist das Injektorgehäuse des Kraftstoffinjektors üblicherweise unter Zwischenlage einer Düsendichtscheibe und axialer Vorspannung in der Aufnahmebohrung des Zylinderkopfs aufgenommen. Beim Betrieb der Brennkraftmaschine herrscht im Brennraum die höchste Temperatur, die im Zylinderkopf bzw. in der Aufnahmebohrung auf der dem Brennraum abgewandten Seite in Abhängigkeit vom Abstand zum Brennraum nach und nach abnimmt. In analoger Weise nimmt die Temperatur des Kraftstoffinjektors bzw. dessen Ventilgehäuses ebenfalls mit zunehmendem Abstand zum Brennraum ab. Insbesondere bei relativ geringen Brennraumtemperaturen oder in relativ großem Abstand zum Brennraum kann es, u.a. begünstigt durch schwefelhaltigen Kraftstoff, zur Kondensatbildung am Ventilgehäuse kommen. Da das Ventilgehäuse im Zylinderkopf über die Düsendichtscheibe nach außen hin abgedichtet ist betrifft dies vor allem den Bereich axial knapp unterhalb der Düsendichtscheibe im Bereich eines ersten Aufnahmebohrungsabschnitts des Zylinderkopfs, da dort, relativ gesehen, die geringsten Temperaturen herrschen. Durch die Kondensatbildung kann es zu einer Korrosion des Ventilgehäuses in dem angesprochenen Bereich kommen, die über der Lebensdauer des Kraftstoffinjektors betrachtet zu einer Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit des Kraftstoffinjektors führen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen Kraftstoffinjektor, insbesondere einen Common-Rail-Injektor, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass dieser gegenüber der angesprochenen Korrosion eine erhöhte Robustheit aufweist. Dadurch soll über die gesamte Betriebsdauer des Kraftstoffinjektors dessen Funktionalität sichergestellt werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass der erste Ventilgehäuseabschnitt von einem Schutzelement umgeben ist, das aus einem Material besteht, das eine stärkere Korrosionsneigung aufweist als das Material des ersten Ventilgehäuseabschnitts, und dass sich das Schutzelement zumindest über einen Teil der axialen Länge des ersten Ventilgehäuseabschnitts erstreckt. Der Erfindung liegt dabei die Idee zugrunde, durch das Vorsehen eines Schutzelements, das den ersten Ventilgehäuseabschnitt insbesondere in dem Bereich umgibt, der besonders zur Korrosion neigt, das Ventilgehäuse dadurch zu schützen, dass zunächst das Schutzelement im Sinne eines Opferelements korrodiert und dadurch das Ventilgehäuse vor Korrosion schützt. Insbesondere kann eine Korrosion an dem Ventilgehäuse bzw. dessen ersten Ventilgehäuseabschnitt des Ventilgehäuses dadurch erst dann auftreten, wenn das erfindungsgemäße Schutzelement vollständig (durch-) korrodiert ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors sind in den Unteransprüchen aufgeführt. 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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In einer ersten konstruktiven Ausbildung des Schutzelements wird vorgeschlagen, dass das Schutzelement in Form einer Beschichtung auf dem ersten Ventilgehäuseabschnitt ausgebildet bzw. angeordnet ist. Eine derartige Ausbildung des Schutzelements ist immer dann vorteilhaft, wenn aus konstruktiven Gründen die Aufnahmebohrung für den Kraftstoffinjektor in dem Zylinderkopf im Durchmesser nicht vergrößert werden kann bzw. nur ein relativ geringer radialer Spalt zwischen dem ersten Ventilgehäuseabschnitt (ohne einem Schutzelement) und der Wand der Aufnahmebohrung für den Kraftstoffinjektor ausgebildet ist.
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In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Schutzelement in Form eines separaten Elements, vorzugsweise in Form einer Schutzhülse, ausgebildet ist. Die Ausbildung des Schutzelements als separates Element bzw. als Schutzhülse hat den Vorteil, dass dieses im Vergleich zu einer Beschichtung eine relativ große Wanddicke aufweisen kann und somit einen größeren Korrosionsschutz für das Ventilgehäuse darstellt. Darüber hinaus ermöglicht es die Verwendung eines separaten Schutzelements, ein hinsichtlich seiner geometrischen Abmessungen, insbesondere hinsichtlich seines Durchmessers, unveränderten Kraftstoffinjektor zu verwenden, indem beispielsweise die Aufnahmebohrung im Zylinderkopf im Bereich des ersten Aufnahmebohrungsabschnitts zur Aufnahme des Schutzelements im Durchmesser vergrößert wird.
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In fertigungstechnisch bevorzugter Ausgestaltung bei Verwendung eines separaten Schutzelements ist es vorgesehen, dass das Schutzelement auf dem ersten Ventilgehäuseabschnitt aufgepresst ist. Dadurch werden insbesondere keine zusätzlichen Hilfsstoffe, beispielsweise Klebstoffe oder ähnliches benötigt, um das Schutzelement mit dem Ventilgehäuse zu verbinden. Derartige Hilfsstoffe wären auch hinsichtlich der üblicherweise auftretenden Temperaturen im Nahbereich des Brennraums kritisch. Auch ist es dadurch nicht erforderlich, das Schutzelement mit dem Injektorgehäuse beispielsweise zu verschweißen.
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Um eine geometrische Überbestimmtheit der Bauteile zu vermeiden bzw. Bauteiletoleranzen auszugleichen ist es darüber hinaus bevorzugt vorgesehen, dass zwischen dem Schutzelement und dem ersten Aufnahmebohrungsabschnitt im Zylinderkopf ein radialer Spalt ausgebildet ist.
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Bevorzugt ist es weiterhin vorgesehen, dass die axiale Erstreckung des Schutzelements geringer ist als die axiale Erstreckung des ersten Ventilgehäuseabschnitts, derart, dass bei in dem ersten Aufnahmebohrungsabschnitt montiertem Kraftstoffinjektor das Schutzelement (axial) nicht in den Brennraum hineinragt. Dadurch wird insbesondere verhindert, dass das Schutzelement thermisch durch die relativ hohen Brennraumtemperaturen belastet wird. Darüber hinaus lässt sich durch eine entsprechende axiale Länge, bei der das Schutzelement in einem gewissen Abstand zum Brennraum angeordnet ist, ein zusätzlicher Schutz des Schutzelements ermöglichen.
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In weiterer bevorzugter konstruktiver Ausgestaltung des Schutzelements ist es vorgesehen, dass die axiale Erstreckung des Schutzelements auf der der Düsenöffnung abgewandten Seite des ersten Ventilgehäuseabschnitts axial beabstandet zu einem zweiten Ventilgehäuseabschnitt mit einem gegenüber dem ersten Ventilgehäuseabschnitt größeren Durchmesser endet. Der genaue axiale Abstand des Schutzelements von dem zweiten Ventilgehäuseabschnitt hängt dabei insbesondere vom verwendeten Dichtkonzept ab: So ist es bei Verwendung einer Düsendichtscheibe, die einen geringeren Innendurchmesser aufweist als der Außendurchmesser des Schutzelements bevorzugt vorgesehen, dass zwischen dem Schutzelement und der Düsendichtscheibe ein zumindest geringer axialer Restspalt bleibt. Weist hingegen die Düsendichtscheibe einen derartigen Innendurchmesser auf, dass dieser größer ist als der Außendurchmesser des Schutzelements, so kann das Schutzelement eine derartige axiale Erstreckung aufweisen, dass das Schutzelement axial bis in die Düsendichtscheibe hineinreicht.
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Um die angesprochene Funktionalität des Schutzelements als Opferelement erfüllen zu können, ist es vorgesehen, dass das Material des Schutzelements Kupfer, vorzugsweise mit wenigstens einem Legierungsbestandteil wie Mangan, Aluminium oder ähnlichem enthält. Dabei sind die Legierungsbestandteile insbesondere derartig zu wählen, dass diese einen hinreichend großen Gesamtanteil an unedlen Legierungsbestandteilen (einzeln oder in Kombination) ausbilden und darüber hinaus die erforderlichen Eigenschaften hinsichtlich insbesondere der benötigten Wärmebeständigkeit gegenüber den Brennraumtemperaturen aufweisen.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, einen Kraftstoffinjektor senkrecht oder aber in einem schrägen Winkel im Zylinderkopf anzuordnen. Um auch bei einer schrägen Anordnung des Kraftstoffinjektors zu vermeiden, dass das Schutzelement in den Brennraum hineinragt, ist es darüber hinaus bevorzugt vorgesehen, dass die dem Brennraum zugewandte Stirnseite des Schutzelements zur unteren Stirnfläche des Aufnahmebohrungsabschnitts des Zylinderkopfs einen konstanten Abstand aufweist.
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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 eine Darstellung eines unteren Teils eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors, bei der dieser in einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine angeordnet ist und
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2 einen gegenüber der 1 abgewandelten Kraftstoffinjektor, bei der dieser in einem schrägen Winkel im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine angeordnet ist.
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Gleiche Bauteile bzw. Bauteile mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist ausschnittsweise der obere Bereich einer Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf 100 dargestellt. Der Zylinderkopf 100 begrenzt einen Brennraum 101 der Brennkraftmaschine, in dem ein Kolben 102 in üblicher Weise auf- und abbeweglich in Richtung einer Längsachse 105 angeordnet ist.
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Zur Aufnahme eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors 10, insbesondere eines Common-Rail-Injektors, weist der Zylinderkopf 100 eine Aufnahmeöffnung 106 in Form einer Stufenbohrung auf. Die Aufnahmeöffnung 106 umfasst auf der dem Brennraum 101 zugewandten Seite einen ersten Aufnahmebohrungsabschnitt 107, an den sich auf der dem Brennraum 101 abgewandten Seite ein zweiter Aufnahmebohrungsabschnitt 108 anschließt. Die beiden Aufnahmebohrungsabschnitte 107, 108 sind über eine radial umlaufende Stufe 109 miteinander verbunden, wobei der erste Aufnahmebohrungsabschnitt 107 einen geringeren Durchmesser aufweist als der zweite Aufnahmebohrungsabschnitt 108, und wobei die beiden Aufnahmebohrungsabschnitte 107, 108 vorzugsweise jeweils zylindrisch ausgebildet sind.
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Der in der 1 stark vereinfacht dargestellte Kraftstoffinjektor 10 umfasst ein aus Metall bestehendes Ventilgehäuse 11 mit zwei einstückig miteinander verbundenen Ventilgehäuseabschnitten 12, 13. Der erste Ventilgehäuseabschnitt 12 weist einen geringeren Durchmesser auf als der zweite Ventilgehäuseabschnitt 13, wobei die beiden Ventilgehäuseabschnitte 12, 13 vorzugsweise zylindrisch ausgebildet sind. Der erste Ventilgehäuseabschnitt 12 ist im Wesentlichen innerhalb des ersten Aufnahmebohrungsabschnitts 107 angeordnet und der zweite Ventilgehäuseabschnitt 13 innerhalb des zweiten Aufnahmebohrungsabschnitts 108. Der erste Ventilgehäuseabschnitt 12 geht auf der dem Brennraum 101 zugewandten Seite in einen im Durchmesser kuppelartigen Endbereich 14 über, in dessen Wand wenigstens eine Düsenöffnung 15 ausgebildet ist, über den Kraftstoff (Benzin oder Diesel) in den Brennraum 101 der Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann. Das Einspritzen des Kraftstoffs erfolgt in an sich bekannter und daher nicht näher erläuterter, weil auch nicht erfindungswesentlicher Art und Weise insbesondere durch eine im Kraftstoffinjektor 10 angeordnete Düsennadel, die durch einen Aktuator betätigbar ist.
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Während der erste Ventilgehäuseabschnitt 12 innerhalb des ersten Aufnahmebohrungsabschnitts 107 angeordnet ist, ragt der Endbereich 14 des Ventilgehäuses 11 in den Brennraum 101 hinein. Die Anordnung des Kraftstoffinjektors 10 zum Brennraum 101 bzw. zur Längsachse 105 ist dabei parallel zur Längsachse 105.
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Um eine dichte Montage des Kraftstoffinjektors 10 in der Aufnahmeöffnung 106 des Zylinderkopfs 100 zu ermöglichen, ist der Kraftstoffinjektor 10 unter Zwischenlage einer Düsendichtscheibe 17 in der Aufnahmeöffnung 106 angeordnet. Hierzu liegt die Düsendichtscheibe 17 mit einer Stirnfläche an der Stufe 109 auf. Die andere Stirnfläche der Düsendichtscheibe 17 ist in Anlagekontakt mit der ihr zugewandten Stirnfläche des zweiten Ventilgehäuseabschnitts 13 angeordnet. Zur Abdichtung ist es in üblicher Art und Weise vorgesehen, dass der Kraftstoffinjektor 10 in axialer Richtung in Richtung zum Brennraum 101 hin kraftbeaufschlagt ist, beispielsweise mittels einer nicht dargestellten Spannpratze oder ähnlichem.
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Beim Betrieb der Brennkraftmaschine herrscht innerhalb des Brennraums 101 eine relativ hohe Temperatur von einigen Hundert Grad Celsius, die sich auf den Zylinderkopf 100 und auf den Kraftstoffinjektor 10 überträgt, wobei die Temperatur im Bereich der Aufnahmeöffnung 106 in Richtung zum zweiten Aufnahmebohrungsabschnitt 108 hin abnimmt. Um zu vermeiden, dass das Ventilgehäuse 11 im Bereich des ersten Ventilgehäuseabschnitts 12, insbesondere im unmittelbaren Bereich zur Düsendichtscheibe 17, in dem relativ gesehen die niedrigsten Temperaturen herrschen, durch Korrosion über die Betriebsdauer des Kraftstoffinjektors 10 betrachtet beschädigt wird, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der erste Ventilgehäuseabschnitt 12 von einem Schutzelement 20 umgeben ist. Das Schutzelement 20 ist bei dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel als separates Bauteil in Form einer Schutzhülse 21 ausgebildet, die den Ventilgehäuseabschnitt 12 radial umgibt.
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Die Schutzhülse 21 ist beispielhaft mit konstanter Wanddicke zylindrisch ausgebildet und durch eine entsprechende Maßtolerierung auf dem Außendurchmesser des ersten Ventilgehäuseabschnitts 12 aufgepresst, alternativ ggf. aufgeschrumpft. Ferner ist zwischen dem Außenumfang des Schutzelements 20 bzw. der Schutzhülse 21 und der Wand des ersten Aufnahmebohrungsabschnitts 107 noch ein Radialspalt 110 ausgebildet, derart, dass ein Anlagekontakt des Kraftstoffinjektors 10 an dem Aufnahmebohrungsabschnitts 107 vermieden wird.
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Das Schutzelement 20 bzw. die Schutzhülse 21 besteht aus einem gegenüber dem Material des Ventilgehäuses 11 bzw. des ersten Ventilgehäuseabschnitts 12 unedleren Material. Unter einem unedleren Material wird dabei ein solches Material verstanden, dass mehr zur Korrosion neigt als das metallische Material des Ventilgehäuses 11 und damit die Funktion einer Opferanode erfüllt. Vorzugsweise besteht das Schutzelement 20 bzw. die Schutzhülse 21 aus einem Metall wie Kupfer, ggf. mit zusätzlichen Legierungsbestandteilen wie Mangan, Aluminium oder ähnlichem. Die Wahl des geeigneten Materials für das Schutzelement 20 hängt insbesondere, aber nicht einschränkend, sowohl von der Wanddicke des Schutzelements 20, als auch von den herrschenden Brennraumtemperaturen sowie dem Material des Ventilgehäuses 11 ab, und wird derart gewählt, dass über die geplante Betriebsdauer des Kraftstoffinjektors 10 die am Schutzelement 20 stattfindende Korrosion bis zum Ende der Betriebsdauer des Kraftstoffinjektors 10 nicht bis zum Ventilgehäuse 11 bzw. zum ersten Ventilgehäuseabschnitt 12 fortgeschritten ist.
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Anhand der 1 ist erkennbar, dass die dem Brennraum 101 zugewandte (untere) Stirnfläche 22 des Schutzelements 20 bzw. der Schutzhülse 21 axial oberhalb der unteren Stirnfläche 111 des Zylinderkopfs 100 im Bereich der Aufnahmeöffnung 106 endet. Wesentlich ist, dass die untere Stirnfläche 22 maximal mit der unteren Stirnfläche 111 des Zylinderkopfs 10 bündig abschließt, d.h., dass das Schutzelement 20 bzw. die Schutzhülse 21 keinesfalls in den Brennraum 101 hineinragt. Zusätzlich ist die obere Stirnfläche 23 des Schutzelements 20 bzw. der Schutzhülse 21 axial beabstandet zum zweiten Ventilgehäuseabschnitt 13 bzw. zur Düsendichtscheibe 17 angeordnet, so dass zwischen der oberen Stirnfläche 23 und der Düsendichtscheibe 17 ein Axialspalt 24 ausgebildet ist.
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Ergänzend wird erwähnt, dass das Schutzelement 20 bzw. die Schutzhülse 21 axial auch bis in den Bereich der Düsendichtscheibe 17 hineinragen kann, falls diese einen entsprechenden Innendurchmesser zur Aufnahme des Schutzelements 20 bzw. der Schutzhülse 21 aufweist.
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Bei dem in der 2 dargestellten Kraftstoffinjektor 10a weist dieser ebenfalls ein Schutzelement 20a auf. Das Schutzelement 20a ist bei dem in der 2 dargestellten Kraftstoffinjektor 10a jedoch nicht als separates Bauelement, sondern als Beschichtung 25 ausgebildet, die auf der Außenseite des ersten Ventilgehäuseabschnitts 12a angeordnet bzw. aufgebracht ist. Hinsichtlich der axialen Erstreckung der Beschichtung 25 gelten die in Bezug auf die Schutzhülse 21 beim Kraftstoffinjektor 10 erwähnten Merkmale. Zusätzlich erkennt man, dass der Kraftstoffinjektor 10a mit seiner Längsachse 26 um einen Winkel α schräg zur Längsachse 105 des Brennraums 101 angeordnet ist. Um zu gewährleisten, dass das Schutzelement 20a bzw. die Beschichtung 25 nicht in den Brennraum 101 hineinragt, ist es darüber hinaus vorgesehen, dass die Beschichtung 25 (in Bezug zur Längsachse 26) auf der dem Brennraum 101 zugewandten Seite mit einer schräg verlaufenden unteren Begrenzung 27 bzw. Stirnseite ausgestattet ist, so dass zwischen der Begrenzung 27 und dem Brennraum 101 ein konstanter Abstand ausgebildet ist.
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Die soweit beschriebenen Kraftstoffinjektoren 10, 10a können in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Dieser besteht in der Verwendung eines Schutzelements 20, 20a, das als Opferelement dient, um im Bereich des ersten Ventilgehäuseabschnitts 12, 12a des Ventilgehäuses 11 auftretende Korrosion vor der Einwirkung auf das Ventilgehäuse 11 zu schützen.
