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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Bekannt sind Kraftstoffinjektoren, die eine hubbewegliche Düsennadel zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung und ein Magnetventil zur Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel besitzen. In Schließstellung des Magnetventils wird ein hydraulischer Druck in einem Steuerraum aufgebaut, der die Düsennadel mittelbar über einen mit der Düsennadel gekoppelten oder koppelbaren Ventilkolben mit einer hydraulischen Schließkraft beaufschlagt. Die Kopplung bzw. Kraftübertragung zwischen Ventilkolben und Düsennadel und erfolgt in der Regel mechanisch durch Kontakt. Wird dabei die Kraft vom Ventilkolben exzentrisch in die Düsennadel eingeleitet, steigt deutlich die Gefahr von Verschleiß im Bereich der Düsennadelführung an. Deshalb ist auf eine zentrische Krafteinleitung in die Düsennadel zu achten.
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Ein Kraftstoffinjektor der vorstehend genannten Art geht beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2007 062 702 A1 hervor. Um den Verschleiß im Bereich der Düsennadelführung zu reduzieren und damit die Lebensdauer des Kraftstoffinjektors zu erhöhen, wird in dieser Druckschrift vorgeschlagen, die einander zugewandten Enden der Düsennadel und des Ventilkolbens mit Zentrier- und/oder Führungsflächen zu versehen. Diese sollen dergestalt sein, dass eine Selbstzentrierung bewirkt wird, wenn sich die beiden Enden aufeinander zu bewegen. Die Selbstzentrierung soll wiederum eine zentrale Krafteinleitung gewährleisten.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Aufbau eines solchen verschleißarm zu betreibenden Kraftstoffinjektors weiter zu vereinfachen.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Krafstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Der zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine vorgeschlagene Kraftstoffinjektor umfasst eine Düsennadel, die zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung in einer Führungsbohrung eines Düsenkörpers hubbeweglich aufgenommen ist. Ferner umfasst der Kraftstoffinjektor einen Ventilkolben, der zur Kraftübertragung mit der Düsennadel mechanisch gekoppelt oder koppelbar ist. Erfindungsgemäß wird die mechanische Kopplung über einen Kontaktpunkt P zwischen der Düsennadel und dem Ventilkolben bewirkt, der mit einer Längsachse A der Düsennadel zusammenfällt. Das heißt, dass sich die Düsennadel und der Ventilkolben im kraftfreien Zustand lediglich punktuell berühren. Indem die Lage des Kontaktpunktes P derart gewählt ist, dass er mit der Längsachse A der Düsennadel zusammenfällt, ist stets eine zentrale Krafteinleitung in die Düsennadel gewährleistet.
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Zur Kontaktierung des Ventilkolbens in dem Kontaktpunkt P besitzt vorzugsweise die Düsennadel an ihrem dem Ventilkolben zugewandten Ende eine im Wesentlichen sphärisch geformte Geometrie, die mittig in Bezug auf die Längsachse A angeordnet ist. Der Kontaktpunkt P liegt demnach auf der im Wesentlichen sphärisch geformten Geometrie, die das dem Ventilkolben zugewandte Ende bildet. Unter einer im Wesentlichen sphärisch geformten Geometrie wird vorliegend eine konvexe Formgebung einer Stirnfläche der Düsennadel verstanden, die es ermöglicht, den Kontaktbereich mit dem Ventilkolben auf einen Punkt zu begrenzen. Die mittige Anordnung der im Wesentlichen sphärisch geformten Geometrie soll eine zentrale Krafteinleitung in die Düsennadel gewährleisten.
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Weiterhin bevorzugt besitzt der Ventilkolben an seinem der Düsennadel zugewandten Ende eine ebene und im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse A verlaufende Kontaktfläche zur Kontaktierung der Düsennadel in dem Kontaktpunkt P. Bei der Kontaktfläche handelt es sich um eine der Düsennadel zugewandte Stirnfläche des Ventilkolbens, innerhalb welcher die vorzugsweise sphärisch geformte Geometrie in Kontakt mit dem Ventilkolben gelangt. Die vorgeschlagene Ausgestaltung und Ausrichtung der Kontaktfläche des Ventilkolbens ermöglicht den Ausgleich eines Achsversatzes ohne die Lage des Kontaktpunktes P in Bezug auf die Düsennadel zu verändern. Dadurch ist gewährleistet, dass die Kraft stets zentral in die Düsennadel eingeleitet wird. Die Lage des Kontaktpunktes P innerhalb der Kontaktfläche des Ventilkolbens kann demgegenüber variieren. Da bei der Herstellung des Kontaktes keine Selbstzentrierung bewirkt wird, werden am Kontaktpunkt weder in die Düsennadel noch in den Ventilkolben nennenswerte Querkräfte eingeleitet, welche wiederum entsprechende Gegenkräfte in den Führungen von Düsennadel und Ventilkolben hervorrufen würden. Die eben ausgebildete Kontaktfläche des Ventilkolbens ist zudem besonders einfach herzustellen.
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Vorteilhafterweise ist bzw. sind die Düsennadel und/oder der Ventilkolben in Richtung der wenigstens einen Einspritzöffnung von der Federkraft einer Feder beaufschlagt. Die Feder dient der Rückstellung der Düsennadel und/oder des Ventilkolbens in ihre jeweilige Ausgangslage bzw. unterstützt diesen Vorgang. Die Feder ist hierzu bevorzugt einerseits an einem Gehäuseteil und andererseits unmittelbar oder mittelbar über einen Federteller an der Düsennadel oder dem Ventilkolben abgestützt.
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Eine besonders kompaktbauende Anordnung wird erreicht, wenn die Feder derart angeordnet ist, dass sie den Ventilkolben und/oder die Düsennadel zumindest abschnittsweise umgibt.
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In einer besonders einfachen Ausgestaltung der Erfindung ist der Federteller bevorzugt über einen kreisförmigen Kontaktbereich an der im Wesentlichen sphärisch geformten Geometrie der Düsennadel abgestützt. Der kreisförmige Kontaktbereich an der im Wesentlichen sphärisch geformten Geometrie bewirkt eine Selbstzentrierung des Federtellers in Bezug auf die Düsennadel, so dass auch die Federkraft möglichst zentral in die Düsennadel eingeleitet wird. Die Außenkontur der Düsennadel kann auf diese Weise ebenfalls einfach gehalten werden.
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Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass an der Düsennadel oder am Ventilkolben ein ringförmiger Absatz zur Abstützung der Feder oder des Federtellers ausgebildet ist. Der ringförmige Absatz dient der Stabilisierung der Lage der Feder bzw. des Federtellers.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Federteller zugleich die Funktion einer Einstellscheibe besitzt. Der Federteller kann in dieser Ausgestaltung zur Einstellung des Hubes der Düsennadel eingesetzt werden. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der Federteller als offener Ring ausgebildet ist. In der Ausbildung als offener Ring kann der Federteller von einer Außenumfangsseite auf die Düsennadel oder den Ventilkolben aufgeschoben werden, so dass die Montage vereinfacht wird. Ferner kann der ringförmige Absatz zur Abstützung des Federtellers als Teil einer außenumfangseitigen Ringnut an der Düsennadel oder am Ventilkolben ausgebildet werden, in welche der Federteller durch seitliches Aufschieben eingesetzt wird.
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Ferner wird zur Abstützung der Feder vorgeschlagen, dass im Gehäuseteil ein ringförmiger Absatz ausgebildet ist. Bei dem Gehäuseteil kann es sich insbesondere um einen Injektorkörper handeln, der über eine Spannmutter mit dem Düsenkörper axial verspannt ist und eine zentrale Bohrung zur Aufnahme des Ventilkolbens besitzt. Zur Ausbildung des ringförmigen Absatzes kann die zentrale Bohrung dann beispielsweise als Stufenbohrung ausgeführt sein. Die Ausbildung eines ringförmigen Absatzes verhindert eine Lageveränderung der Feder in radialer Richtung. Alternativ kann die Feder auch an einer Stirnfläche des Gehäuseteils abgestützt sein. Dies gilt im Besonderen, wenn die Feder vorrangig die Düsennadel umgibt und im Düsenkörper angeordnet ist.
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Des Weiteren bevorzugt besitzt der Ventilkolben ein der Düsennadel abgewandtes Ende, das in einem Ventilstück aufgenommen und geführt ist. Der Ventilkolben begrenzt dabei vorzugsweise einen im Ventilstück ausgebildeten Steuerraum in axialer Richtung. Am Ventilkolben liegt demnach der im Steuerraum herrschende Steuerdruck an, der in Abhängigkeit von der Schaltstellung eines ferner vorgesehenen Schaltventils eine hydraulische Schließkraft bewirkt, die von dem Ventilkolben auf die Düsennadel übertragen wird. Die Führung im Ventilstück führt nicht zu einer Überbestimmung bei einer Desachsierung des Ventilkolbens gegenüber der Düsennadel, da über den Kontakt mit der Düsennadel im Kontaktpunkt P keine Zentrierung bzw. Zwangsführung erfolgt.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, die in den beigefügten Figuren dargestellt sind. Diese zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
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2 einen vergrößerten Ausschnitt der 1 im Bereich der Kopplung der Düsennadel mit dem Ventilkolben,
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3 den Ausschnitt der 2 ergänzt um ein Gehäuseteil und eine Feder,
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4 eine erste Abwandlung der Ausführungsform der 3,
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5 eine zweite Abwandlung der Ausführungsform der 3 und
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6 eine dritte Abwandlung der Ausführungsform der 3.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Krafstoffinjektor umfasst eine Düsennadel 1, die zum Freigeben und Verschließen von Einspritzöffnungen 2 in einer Führungsbohrung 3 eines Düsenkörpers 4 hubbeweglich aufgenommen und geführt ist. Unterhalb dieser Führungsbohrung 3 wird aus einer Hochdruckbohrung 24 unter Hochdruck stehender Kraftstoff zugeführt. Dieser wird zwischen der Düsennadel 1 und dem Düsenkörper 4 in Richtung der Einspritzöffnungen 2 weitergeleitet. Im Ruhezustand ist die Düsennadel 1 dichtend gegen einen oberhalb der Einspritzöffnungen 2 befindlichen Dichtsitz 25 im Düsenkörper 4 gepresst und dichtet so die Einspritzöffnungen 2 gegen den unter Hochdruck stehenden Kraftstoff ab. Wird die Düsennadel 1 dagegen aus ihrem Dichtsitz 25 herausgehoben, so steht der unter Hochdruck stehende Kraftstoff an den Einspritzöffnungen 2 an und der Injektor spritzt ein.
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Zur Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel 1 ist ein Magnetventil 17 vorgesehen, das eine mit einem hubbeweglichen Anker 18 zusammenwirkende Magnetspule 19 umfasst. Der Anker 18 ist in Richtung eines Ventilsitzes 20 bzw. eines damit zusammenwirkenden kugelförmigen Ventilschließelements 21 von der Federkraft einer Feder 22 beaufschlagt. Wird die Magnetspule 19 bestromt, zieht die Magnetkraft den Anker 18 entgegen der Federkraft der Feder 22 nach oben. Dadurch wird das kugelförmige Ventilschließelement 21 entlastet und hebt von dem Ventilsitz 20 ab, wodurch eine Verbindung eines Steuerraums 16 mit einem Niederdruckbereich 23 hergestellt wird. Daraufhin fällt der im Steuerraum 16 herrschende hydraulische Druck, der einen mit der Düsennadel 1 gekoppelten bzw. koppelbaren Ventilkolben 5 in Schließrichtung beaufschlagt, ab. Zugleich wirkt auf die Düsennadel 1 eine hydraulische Öffnungskraft, die mit zunehmendem Druckabfall im Steuerraum 16 ein Öffnen der Düsennadel 1 entgegen der Federkraft einer Feder 8 bewirkt, die einerseits über einen Federteller 10 am Ventilkolben 5 und andererseits an einem ringförmigen Absatz 14 eines Gehäuseteils 9 abgestützt ist. Mit Öffnen der Düsennadel 1 werden die Einspritzöffnungen 2 freigegeben, so dass über die Einspritzöffnungen 2 unter hohem Druck stehender Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) eingespritzt wird. Wird die Bestromung der Magnetspule 19 beendet, drückt die Federkraft der Feder 22 den Anker 18 wieder nach unten. Dabei wird das kugelförmige Ventilschließelement 21 in den Ventilsitz 20 zurückgestellt und das Magnetventil 17 schließt. In dieser Schaltstellung besteht keine Verbindung des Steuerraums 16 mit dem Niederdruckbereich 23. Stattdessen wird der Steuerraum 16 über einen Zulaufkanal (nicht dargestellt) mit Kraftstoff befüllt, so dass der Steuerdruck im Steuerraum 16 wieder ansteigt. Der Druckanstieg im Steuerraum 16 hat eine auf den Ventilkolben 5 wirkende hydraulische Schließkraft zur Folge, die – aufgrund der Kopplung – vom Ventilkolben 5 auf die Düsennadel 1 übertragen wird. Die Düsennadel 1 schließt und der Einspritzvorgang wird beendet.
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Die Kopplung des Ventilkolbens 5 mit der Düsennadel 1 zur Kraftübertragung erfolgt vorliegend mechanisch durch Kontakt. Wie der 2 zu entnehmen ist besteht ein Kontakt des Ventilkolbens 5 mit der Düsennadel 1 lediglich in einem Kontaktpunkt P, der mit einer Längsachse A der Düsennadel 1 zusammenfällt. Die Düsennadel 1 weist hierzu an ihrem dem Ventilkolben 5 zugewandten Ende eine sphärisch geformte Geometrie 6 auf, die in dem Kontaktpunkt P eine eben Kontaktfläche 7 des Ventilkolbens 5 berührt. Bei einer Desachsierung des Ventilkolbens 5, d. h. einer fehlenden Koaxialität des Ventilkolbens 5 in Bezug auf die Düsennadel 1 (im Beispiel der 2 am Achsversatz der Längsachsen A und A' erkennbar), stellt die Kopplung im Bereich des Kontaktpunktes P sicher, dass die von dem Ventilkolben 5 auf die Düsennadel 1 übertragene Kraft stets zentral eingeleitet wird. Denn die sphärisch geformte Geometrie 6 der Düsennadel 1 und die Kontaktfläche 7 des Ventilkolbens 5 lassen eine Relativbewegung der beiden Bauteile zueinander in radialer Richtung zu. Dabei bleibt die Lage des Kontaktpunktes P an der Düsennadel unverändert, so dass sich dieser immer auf der Längsachse A befindet.
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In der 3 ist eine mögliche Anordnung der Feder 8 dargestellt, deren Federkraft die Rückstellung der Düsennadel 1 in ihre Ausgangslage unterstützt. Die Feder 8 ist hierzu an einem ringförmigen Federteller 10 abgestützt, der auf der sphärisch geformten Geometrie 6 der Düsennadel 1 aufliegt. Der ringförmige Federteller 10, der einen kreisförmigen Kontaktbereich 11 mit der Düsennadel 1 aufweist, wird über die sphärisch geformte Geometrie 6 automatisch zentriert. Das andere Ende der Feder 8 ist an dem ringförmigen Absatz 14 des Gehäuseteils 9 abgestützt, in dem der Ventilkolben 5 aufgenommen ist.
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Eine alternative Abstützung der Feder 8 an der Düsennadel 1 ist in der 4 dargestellt. Die Düsennadel 1 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen ringförmigen Absatz 12 auf, auf dem der Federteller 10 aufliegt. Der Federteller 10 wird hierzu bei der Montage des Kraftstoffinjektors von oben über die sphärisch geformte Geometrie 6 geschoben bis er an dem ringförmigen Absatz 12 anliegt. Auf diese Weise ist der Federteller 10 in radialer Richtung über die Düsennadel 1 lagefixiert. Die gehäuseseitige Abstützung erfolgt wiederum über den ringförmigen Absatz 14 des Gehäuseteils 9.
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Alternativ kann – wie im Beispiel der 5 dargestellt – die Feder 8 vollständig im Düsenkörper 4 aufgenommen sein. Der ringförmige Absatz 12 der Düsennadel 1 wird hierzu weiter in Richtung der Einspritzöffnungen 2 nach unten verschoben. Das andere Ende der Feder 8 kann in diesem Fall an einer Stirnfläche des Gehäuseteils 9 abgestützt sein.
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Analog der 1 kann die Feder 8 aber auch über einen Federteller 10 an einem ringförmigen Absatz 13 des Ventilkolbens 5 abgestützt sein. Dieses Ausführungsbeispiel ist in der 6 dargestellt. Der ringförmige Absatz 13 wird hier durch eine außenumfangseitige Ringnut am Ventilkolben 5 ausgebildet, in den der Federteller 10, der als offener Ring ausgebildet ist, bei der Montage seitlich eingeschoben wird. Der als offener Ring ausgebildete Federteller 10 ist in einer Draufsicht rechts neben dem Längsschnitt des Kraftstoffinjektors dargestellt.
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Die dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Kraftstoffinjektoren haben gemein, dass die über den Ventilkolben 5 auf die Düsennadel 1 übertragene hydraulische Schließkraft stets zentral eingeleitet wird. Ferner wird eine Überbestimmung des Ventilkolbens 5 im Falle eines Achsversatzes der Längsachsen A und A' vermieden, wenn der Ventilkolben 5 – wie in der 1 dargestellt – über ein Ventilstück 15 geführt ist. Der Ventilkolben 5 wird somit nicht oder kaum auf Biegung beansprucht, so dass die Biegesteifigkeit des Ventilkolbens 5 kein wesentliches Kriterium mehr darstellt. Die planebene Kontaktfläche 7 des Ventilkolbens 5 ist zudem einfach herstellbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007062702 A1 [0003]
