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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 Kraftstoffinjektor ist aus der
DE 10 2008 003 348 A1 der Anmelderin bekannt. Der als Bestandteil eines Common-Rail-Einspritzsystems bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen dienende Kraftstoffinjektor weist eine Düsennadel auf, deren den Einspritzöffnungen abgewandtes Ende in ein Ventilstück im Ventilgehäuse eintaucht. Innerhalb des Ventilstücks ist ein Steuerraum ausgebildet, der über eine Ablaufbohrung in einen Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors entlastbar ist. Über den in dem Steuerraum herrschenden Druck wird in bekannter Art und Weise die Bewegung der Düsennadel zum Öffnen bzw. Verschließen der Einspritzöffnungen gesteuert. Hierzu dient ein Ventilelement, das auf der Niederdruckseite des Kraftstoffinjektors angeordnet ist, und das in einer abgesenkten Stellung die Ablaufbohrung verschließt bzw. diese in einer angehobenen Stellung freigibt. Das Ventilelement ist bei dem bekannten Kraftstoffinjektor einstückig als Fortsatz an einem im Wesentlichen scheiben- bzw. hülsenförmigen Magnetanker ausgebildet, der mit einer Magnetspule zusammenwirkt, die bei einer Bestromung ein Abheben des Ventilelements aus ihrer die Ablaufbohrung verschließenden Stellung bewirkt. Der Magnetanker ist von einer Druckfeder in Richtung der Schließstellung des Ventilelements kraftbeaufschlagt, um bei unbestromter Magnetspule sicherzustellen, dass kein Kraftstoff aus dem Steuerraum abströmen kann bzw. sich die Düsennadel in ihrer die Einspritzöffnungen verschließen Position befindet. Der Magnetanker ist in einem stiftförmigen Führungselement axial geführt, das eine in dem Magnetanker ausgebildete Durchgangsbohrung bereichsweise durchsetzt. Wesentlich dabei ist, dass zwischen dem Außendurchmesser des Führungselements und dem Bohrungsdurchmesser der Durchgangsbohrung eine relativ enge Passung ausgebildet ist, um zum einen den ungewünschten Abfluss von Kraftstoff über den Rücklaufkanal und den Ringspalt zwischen dem Führungselement und dem Magnetanker in Richtung des Niederdruckraums zu verhindern, und zum anderen Bewegungen des Magnetankers bzw. des Ventilglieds in einer Ebene senkrecht zur Längsachse des Führungselements zu verhindern, da ansonsten ein erhöhter, unerwünschter Verschleiß an dem Sitz zwischen dem Ventilglied und dem Ventilstück auftritt. In diesem Zusammenhang ist wesentlich, dass aufgrund der Anordnung bzw. Ausbildung des Führungselements auf der dem Rücklaufkanal zugewandten Stirnfläche stets der Druck des Steuerraums auf das Führungselement wirkt. Diese hydraulische Druckkraft wird von dem Führungselement über ein gehäusefestes Element in das Injektorgehäuse übertragen.
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Aufgrund von unsymmetrischen Krafteinflüssen, beispielsweise verursacht durch die angesprochene Druckfeder, die den Magnetanker bzw. das Ventilglied in seine Schließstellung kraftbeaufschlagt, oder aufgrund unsymmetrischer Strömungsverhältnisse beim Abströmen des Kraftstoffs können auf den Magnetanker Querkräfte wirken, die insbesondere bei relativ hohen Systemdrücken dazu führen, dass das Führungselement aufgrund der relativ hohen axialen Druckkraft im Bereich der Anlagestelle des Führungselements an dem gehäusefesten Element sich nicht (seitlich) verschieben lässt, so dass es aufgrund der relativ engen Passung zwischen dem Außendurchmesser des Führungselements und der Durchgangsbohrung im Magnetanker zu einem erhöhten Verschleiß bzw. zu erhöhter Reibung kommt.
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Bei dem in der
DE 10 2008 003 348 A1 dargestellten Kraftstoffinjektor ist in etwa in einem mittleren axialen Bereich des Führungselements ein erster Schwächungsbereich vorgesehen, in dessen Bereich der Querschnitt des Führungselements reduziert ist. Dadurch ist die Biegesteifigkeit des Führungselements in dessen Längsachse reduziert.
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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 beim Auftreten von Querkräften auf das Führungselement bzw. den mit dem Führungselement zusammenwirkenden Bauteilen ein erhöhter Verschleiß vermieden wird, wobei gleichzeitig auch keine oder nur eine relativ gering erhöhte Reibung zwischen den Bauteilen auftreten soll, um eine leichte Axialbewegung des Ventilglieds sicherzustellen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass axial beabstandet zum ersten Schwächungsbereich an dem Führungsbereich des Führungselements wenigstens ein zweiter Schwächungsbereich angeordnet ist, in dem der Querschnitt des Führungselements reduziert ist. Eine derartige Ausbildung mit wenigstens zwei Schwächungsbereichen, die axial voneinander beabstandet angeordnet sind, schafft die Möglichkeit, dass sich das Führungselement beim Auftreten einer Querkraft in Art eines „S“ verformt, so dass insbesondere der innerhalb des Ventilelements geführte Abschnitt des Führungselements ohne erhöhte Reibung bzw. Verschleiß mit dem Ventilelement zusammenwirkt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Um die angesprochene S-förmige Ausbildung des Führungselements beim Auftreten von Querkräften zu ermöglichen, ist es besonders bevorzugt, wenn der axiale Abstand zwischen den beiden Schwächungsbereichen, bezogen auf die Länge des Führungselements außerhalb des Führungsabschnitts im Ventilelement zwischen 50 % und 80 % der besagten Länge beträgt. Dadurch ist es selbst bei einer relativ geringen Auslenkung bzw. einem relativ geringen Kippwinkel eines Zwischenabschnitts des Führungselements möglich, dass relativ große Querbewegungen des Ventilelements realisiert werden können bzw. infolge der relativ großen Querbewegung die Reibkraft in der Führung des Ventilelements relativ gering ist.
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Um eine ungehinderte Bewegung bzw. Verformung des Führungselements zu ermöglichen, ist es insbesondere vorgesehen, dass zumindest der Zwischenabschnitt des Führungselements zwischen den beiden Schwächungsbereichen radial nicht geführt ist. Darunter wird verstanden, dass unabhängig von der Auslenkung des Führungselements der ausgelenkte Zwischenabschnitt nicht in Kontakt mit einem Bauteil ist, so dass insbesondere keine undefinierten Kräfte auf das Führungselement einwirken können.
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Zur Reduzierung der Flächenpressung an dem ortsfesten Gehäuseelement ist es von Vorteil, wenn das Führungselement auf der dem Gehäuseelement zugewandten Seite eine ebene Stirnfläche aufweist.
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Eine besonders einfache und genaue Fertigung des Führungselements lässt sich erzielen, wenn das Führungselement zylindrisch ausgebildet ist und mit Ausnahme der wenigstens zwei Schwächungsbereiche einen konstanten Querschnitt aufweist.
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Darüber hinaus werden im Bereich der wenigstens zwei Schwächungsbereiche gleiche Charakteristika ermöglicht, wenn die Größe des Querschnitts im Bereich der wenigstens zwei Schwächungsbereiche zumindest im Wesentlichen gleich groß ist.
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Besonders einfach lassen sich die wenigstens zwei Schwächungsbereiche in dem Führungselement dadurch ausbilden, wenn die Schwächungsbereiche in Form von radial umlaufenden Ringnuten ausgebildet sind. Dies hat im Übrigen darüber hinaus den Vorteil, dass unabhängig von der Winkellage des Führungselements in alle Richtungen eine Bewegung bzw. ein Verkippen des Führungselements ermöglicht wird.
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Alternativ kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass die Schwächungsbereiche in Form von Einschnitten bzw. Kerben ausgebildet sind. Bei einer derartigen Ausbildung lassen sich beispielsweise unsymmetrische Eigenschaften hinsichtlich der Biegekennlinie des Führungselements erzielen, d.h., dass das Führungselement sich in die eine Richtung besonders einfach auslenken lässt, während eine Auslenkung in einer anderen Richtung demgegenüber erschwert ist. In diesem Fall kann es vorgesehen sein, das Führungselement drehwinkelfest anzuordnen.
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Zur Reduzierung der Kerbwirkung ist es von Vorteil, wenn die Schwächungsbereiche ausgerundet bzw. mit einem Radius versehen sind.
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Die Erfindung findet bevorzugt Verwendung bei Kraftstoffinjektoren, bei denen der Druck im Steuerraum mindestens 2000 bar beträgt. Bei solch hohen Steuerdrücken bzw. Systemdrücken wird eine derartig hohe axiale Druckkraft auf das Führungselement erzeugt, dass die angesprochenen Effekte hinsichtlich erhöhter Reibung bzw. Verschleiß ohne die erfindungsgemäße Ausbildung besonders zum Tragen kommen bzw. ausgeprägt sind.
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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 Längsschnitt durch einen Teilbereich eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors,
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2 ein Detail der 1 bei einem modifizierten Führungselement und
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3 eine Prinzipdarstellung zur Erläuterung der unterschiedlichen Funktionsabschnitte des Führungselements.
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Gleiche Element bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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Der in der 1 abschnittsweise dargestellte erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor 10 ist Bestandteil eines Common-Rail-Einspritzsystems zum Einspritzen von Kraftstoff in einem nicht gezeigten Brennraum einer selbstzündenden Brennkraftmaschine. Vorzugsweise beträgt der von dem Kraftstoffeinspritzsystem bereitgestellte Kraftdruck dabei mehr als 2000 bar. Der Kraftstoffinjektor 10 weist ein Injektorgehäuse 11 auf, das von einer Längsbohrung 12 durchsetzt ist, wobei die Längsbohrung 12 Bohrungsabschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern aufweist. An einem Absatz 13 der Längsbohrung 12 liegt axial ein Ventilstück 15 mit einer Schulter 16 auf. Zur axialen Verspannung des Ventilstücks 15 gegen den Absatz 13 ist das Ventilstück 15 auf der dem Absatz 13 gegenüberliegenden Seite in Wirkverbindung mit einer Spannschraube 17 angeordnet, deren Außengewinde mit einem entsprechenden Innengewinde in der Längsbohrung 12 zusammenwirkt.
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Das Ventilstück 15 weist auf der der Spannschraube 17 abgewandten Seite eine Sacklochbohrung 18 auf, in die ein axialer Endbereich 19 eines als Düsennadel 20 ausgebildeten Einspritzglieds eintaucht. Die Sacklochbohrung 18 führt den Endbereich 19 radial und ermöglicht darüber hinaus eine Axialbewegung der Düsennadel 20 in Richtung der Längsachse 22 der Düsennadel 20. In der in der 1 dargestellten abgesenkten Position der Düsennadel 15 verschließt diese wenigstens eine, in der Praxis jedoch mehrere Einspritzöffnungen im Injektorgehäuse 11 (nicht dargestellt), um das Einspritzen von Kraftstoff aus einem in dem Injektorgehäuse 11 im Bereich der Düsennadel 20 gebildeten Hochdruckraum 25 zu verhindern. Demgegenüber wird bei einer in den Figuren nicht dargestellten angehobenen Stellung der Düsennadel 20 die wenigstens eine Einspritzöffnung im Injektorgehäuse 11 freigegeben, so dass Kraftstoff aus dem Hochdruckraum 25 in den Brennraum der Brennkraftmaschine abgegeben bzw. eingespritzt wird. Der Hochdruckraum 25 ist über eine lediglich symbolisch dargestellte Verbindung 26 im Injektorgehäuse 11 sowie eine Kraftstoffzuführleitung 27 mit einem Kraftstoffspeicher (Rail) 28 hydraulisch verbunden, der den Hochdruckraum 25 mit dem unter Systemdruck stehenden Kraftstoff versorgt.
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Vom Grund der Sacklochbohrung 18 geht in der Längsachse 22 eine Durchgangsbohrung aus, die eine Ablaufbohrung 30 ausbildet, in der eine Abströmdrossel 31 als Querschnittsverengung ausgebildet ist. Innerhalb der Sacklochbohrung 18 bildet diese in dem von dem Endbereich 19 der Düsennadel 20 nicht durchsetzten Bereich einen volumenveränderlichen Steuerraum 35 aus, der über eine nahe dem Grund der Sacklochbohrung 18 ausgebildete Verbindungsbohrung 36 mit einer Zulaufdrossel 37 hydraulisch mit dem Hochdruckraum 25 verbunden ist, so dass Kraftstoff aus dem Hochdruckraum 25 in den Steuerraum 35 einströmen kann. Der Steuerraum 35 dient, wie an sich bekannt und daher nicht näher erläutert, der Steuerung der Bewegung der Düsennadel 20 zum Freigeben bzw. Verschließen der wenigstens einen Einspritzöffnung im Injektorgehäuse 11 über eine Regelung des Kraftstoffdrucks im Steuerraum 35. Hierzu ist die Ablaufbohrung 30 zumindest mittelbar mittels eines Ventilelements 40 verschließbar, um ein Abströmen von Kraftstoff aus dem Steuerraum 35 über die Ablaufbohrung 30 in einen Niederdruckraum 42 des Injektorgehäuses 11 zu verhindern. Der Niederdruckraum 42 ist hydraulisch über eine weitere Verbindung 43 im Injektorgehäuse 11 und eine Rücklaufleitung 44 beispielsweise mit einem Rücklaufbehälter (Tank) 45 verbunden.
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Das Ventilelement 40 ist Bestandteil eines Magnetankers und weist einen hülsenförmigen ersten Bereich 46 auf, an den sich auf der dem Ventilstück 15 abgewandten Seite ein scheiben- bzw. ringförmiger Ankerbereich 48 anschließt. Der Ankerbereich 48 bzw. das Ventilelement 40 wirkt mit einer in einer in einem ringförmigen Magnetkern 49 eingebetteten Magnetspule 50 zusammen, die bei einer Bestromung das Ventilelement 40 in Richtung zum Magnetkern 49 zieht. Der Magnetkern 49 liegt auf der dem Ventilelement 40 abgewandten Seite axial an einer Verschlussplatte 51 des Injektorgehäuses 11 an. Der Magnetkern 49 weist eine Durchgangsbohrung 53 auf, in deren Bereich eine scheibenförmige Abstützplatte 55 ortsfest gegen die Verschlussplatte 51 axial anliegt. Eine Druckfeder 56, die ebenfalls innerhalb der Durchgangsbohrung 53 angeordnet ist, stützt sich axial einerseits gegen die Abstützplatte 55, und andererseits gegen die ihm zugewandte Stirnfläche des Ankerbereichs 48 des Ventilelements 40 ab, derart, dass die Druckfeder 56 das Ventilelement 40 in die in der 1 dargestellte abgesenkte Position kraftbeaufschlagt, bei der eine Dichtkante 57 des hülsenförmigen Bereichs 46 des Ventilelements 40 an einer kegelförmigen Gegenfläche 58 des Ventilstücks 15 unter Ausbildung eines Dichtsitzes anliegt, um ein Abströmen von Kraftstoff aus der Ablaufbohrung 30 in den Niederdruckraum 42 zu verhindern. Die Druckfeder 56 umgibt das Führungselement 65 mit radialem Abstand.
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Das Ventilelement 40 ist von einer Durchgangsbohrung 60 konstanten Durchmessers durchsetzt. In die Durchgangsbohrung 60 taucht auf der dem Ventilstück 15 abgewandten Seite ein Führungsabschnitt 61 eines stiftförmigen Führungselements 65 ein. Auf der dem Führungselement 65 abgewandten Seite taucht eine zapfenförmiger Fortsatz 63 des Ventilstücks 15 vorzugsweise mit radialem Spiel ein, in dem eine Abflachung 64 zum Abströmen von Kraftstoff in Richtung zur Dichtkante 57 ausgebildet ist. Der Außendurchmesser des Führungselements 65 ist derart auf den Bohrungsdurchmesser der Durchgangsbohrung 60 abgestimmt, dass einerseits eine zumindest nahezu leckagefreie radiale Führung des Ventilelements 40 auf dem Führungsabschnitt 61 ermöglicht wird, und andererseits die axiale Beweglichkeit des Ventilelements 40 in Richtung des Doppelpfeils 66 (parallel zur Längsachse 22) mit relativ geringer Reibung gewährleistet ist.
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Auf die dem Ventilstück 15 zugewandte Stirnfläche 67 des Führungselements 65 wirkt stets der hydraulische Druck ein, der über dem Steuerraum 35 und die Rücklaufleitung 30 auf die Stirnfläche 67 wirkt. Diese, in Richtung der Abstützplatte 55 wirkende Axialkraft wirkt über die in der 1 dargestellte ebene zweite Stirnfläche 68 des Führungselements 65 auf die Abstützplatte 55 und somit die Verschlussplatte 51 des Injektorgehäuses 11. Erfindungswesentlich ist, dass das Führungselement 65 zwei, axial voneinander beabstandete Schwächungsbereiche 71, 72 aufweist. Der erste Schwächungsbereich 71 befindet sich unmittelbar im Anschluss an den Führungsabschnitt 61 des Führungselements 65 axial noch innerhalb des Ventilelements 40. Der zweite Schwächungsabschnitt 72 befindet sich nahe der Abstützplatte 55. Durch die beiden Schwächungsbereiche 71, 72 wird das Führungselement 65 dadurch in insgesamt drei Abschnitte eingeteilt: Zum einen den Führungsabschnitt 61, der mit relativ enger Passung innerhalb der Durchgangsbohrung 60 des Ventilelements 40 geführt ist, zum anderen einen Zwischenabschnitt 73 zwischen den beiden Schwächungsbereichen 71, 72 und zuletzt einen Abstützabschnitt 74, der dazu ausgebildet ist, das Führungselement 65 axial gegen die Abstützplatte 55 abzustützen. Bevorzugt beträgt der mittlere Abstand a zwischen den beiden Schwächungsbereichen 71, 72 zwischen 50% und 80% der Länge A des Führungselements 65 ohne dessen Führungsabschnitt 61.
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Die beiden Schwächungsbereiche 71, 72 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel durch jeweils eine radial umlaufende Ringnut 75 ausgebildet, die vorzugsweise mit einer Rundung bzw. einem Radius 76 versehen ist. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Querschnitt im Bereich der Schwächungsbereiche 71, 72 (deren Querschnitt jeweils vorzugsweise identisch gleich groß ausgebildet ist) durch geradlinig ausgebildete Einschliffe, Einfräsungen oder ähnliches reduziert bzw. ausgebildet ist.
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In der 2 ist ein gegenüber 1 modifiziertes Führungselement 65a dargestellt, bei dem der Abstützabschnitt 74a auf der der Abstützplatte 55 zugewandten Seite ballig bzw. mit einer Rundung 77 ausgebildet ist, so dass das Führungselement 65a punktförmig an der Abstützplatte 55 anliegt.
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Die Funktion der beiden Schwächungsbereiche 71, 72 lässt sich am besten anhand der 3 erläutern: Bei der Bewegung des Ventilglieds 40 zwischen seiner in der 1 dargestellten abgesenkten Position und einer in den Figuren nicht dargestellten, angehobenen Position, bei der ein Durchfluss von Kraftstoff aus dem Steuerraum 35 in den Niederdruckraum 42 ermöglicht wird, können Querkräfte F auftreten, die in der Darstellung der 3 in der Zeichenebene von links nach rechts wirken. Diese Querkräfte F bewirken, dass einerseits der Führungsabschnitt 61 weiterhin zumindest nahezu ohne eine zusätzliche Querkraft innerhalb der Durchgangsbohrung 53 des Ventilelements 40 geführt ist, und andererseits der Abstützabschnitt 74 aufgrund des in dem Steuerraum 35 herrschenden hydraulischen Drucks vollflächig bzw. in senkrechter Ausrichtung an der Abstützplatte 55 anliegt. Über die beiden Schwächungsbereiche 71, 72 wird eine Parallelverschiebung (in der 3 stark übertrieben dargestellt) des Ventilelements 40 ermöglicht, bei der der Zwischenabschnitt 73 gegenüber seiner ursprünglichen, mit der Längsachse 22 ausgerichteten Richtung verkippt. Die Querkräfte F wirken somit als Verformungskräfte auf das Führungselement 65, 65a und bewirken insbesondere, dass zwischen der Durchgangsbohrung 60 und dem Führungsabschnitt 61 gegenüber nicht vorhandenen Querkräften F kein erhöhter Verschleiß bzw. keine erhöhte Reibung auftritt.
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Der soweit beschriebene Kraftstoffinjektor 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. So ist es insbesondere denkbar, mehr als zwei Schwächungsbereiche 71, 72 am Führungselement 65, 65a vorzusehen. Dadurch wird eine nochmals vergrößerte Herabsetzung der Biegesteifigkeit des Führungselements 65, 65a ermöglicht, bei der beispielsweise die einzelnen Reduzierungen der Querschnittsfläche im Bereich der Schwächungsbereiche 71, 72 geringer sein können als bei der Verwendung lediglich zweier Schwächungsbereiche 71, 72.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008003348 A1 [0002, 0004]
