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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 2006 049 050 A1 der Anmelderin bekannt. Der bekannte Kraftstoffinjektor ist Bestandteil eines Common-Rail-Systems zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer selbstzündenden Brennkraftmaschine. Die Steuerung der Hubbewegung eines Einspritzglieds (Düsennadel) des Kraftstoffinjektors erfolgt in an sich bekannter Art und Weise über eine Regulierung des Abflusses von Kraftstoff aus einem Steuerraum in einen Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors. Dabei wird durch eine Reduzierung des hydraulischen Drucks in dem Steuerraum eine in Schließrichtung des Einspritzglieds wirkende hydraulische Kraft reduziert, um das Abheben des Einspritzglieds von einem Dichtsitz zu ermöglichen, damit das Einspritzen des Kraftstoffs über Einspritzöffnungen des Kraftstoffinjektors stattfindet. Der Abfluss von Kraftstoff aus dem Steuerraum in den Niederdruckbereich wird mittels eines hydraulischen Schaltventils gesteuert, das einen Magnetanker aufweist, der über eine Magnetspule betätigbar ist. In einer unbestromten, abgesenkten Bewegung des hubbeweglich angeordneten Magnetankers bildet der Magnetanker einen Dichtsitz an einem Ventilstück aus, so dass kein Kraftstoff aus dem Steuerraum in den Niederdruckbereich abfließen kann. Bei einer Bestromung des Magnetankers hebt dieser aus seiner abgesenkten Stellung ab, um den Druck in dem Steuerraum zu reduzieren. Der Magnetanker weist eine Längsbohrung auf, die von einem stiftförmigen (ersten) Führungselement durchsetzt ist. Das Führungselement bildet an seinem Außenumfang eine radiale Führung für den Magnetanker aus. Das Führungselement stützt sich wiederum auf der dem Steuerraum abgewandten Seite axial an einem ortsfesten Element des Injektorgehäuses ab. Eine derartige Konstruktion des Steuerventils kennzeichnet ein sogenanntes druckausgeglichenes Schaltventil, bei dem der in dem Steuerraum herrschende hydraulische Druck in einer Öffnungsrichtung des Magnetankers zumindest im wesentlichen nicht auf den Magnetanker, sondern lediglich auf das erste Führungselement wirkt. Dadurch wirken idealerweise keine druckabhängigen Kräfte auf den Magnetanker.
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Weiterhin ist es bekannt, einen Magnetanker bei einem wie oben beschriebenen Kraftstoffinjektor zusätzlich radial in einen zweiten Führungselement, üblicherweise einem Ventilstück, zu führen. Bei einer derartigen konstruktiven Ausbildung ergibt sich aufgrund der großen Anzahl der an der Toleranzkette beteiligten Bauteile ein Winkelfehler zwischen der Längsachse des ersten Führungselements und dem ortsfesten Element, an der das erste Führungselement auf der dem Steuerraum abgewandten Seite axial anliegt. Hierdurch werden druckabhängige Querkräfte auf das erste Führungselement erzeugt, welche im Zusammenhang mit der radialen Führung des Magnetankers in dem zweiten Führungselement zu einer Reihe von unerwünschten Wirkungen führen. Insbesondere ist es dabei möglich, dass das erste Führungselement in der Bohrung des Magnetankers über die gesamte Führungslänge einseitig anliegt. Der dadurch im Querschnitt entstehende sogenannten Sichelspalt führt zu einer Erhöhung der Leckagemenge um etwa den Faktor 2,5 gegenüber einem ideal gleichmäßig großen Radialspalt zwischen dem ersten Führungselement und der Bohrung im Magnetanker. Weiterhin kann es zu Querkräften auf das erste Führungselement kommen, die eine Biegung des ersten Führungselements verursachen. Da zwischen der Bohrung des Magnetankers und dem ersten Führungselement ein relativ geringer Radialspalt vorhanden ist, kippt durch die Biegung des ersten Führungselements auch der Magnetanker um seine Längsachse. Hierdurch kann die Flächenpressung in Teilbereichen des Dichtsitzes am Ventilstück zum Abdichten des Steuerraums derart gering werden, dass im Bereich des Dichtsitzes eine zusätzliche Leckagestelle entsteht. Dieser Effekt wird mit zunehmendem Systemdruck größer. Die beiden genannten Effekte führen somit zu einer Erhöhung der Rücklaufmenge von Kraftstoff und dadurch zu einem verminderten Wirkungsgrad des Kraftstoffinjektors. Zuletzt verursachen die Querkräfte des ersten Führungselements auch einen erhöhten Verschleiß an der Oberfläche des ersten Führungselements bzw. in der Bohrung im Magnetanker, so dass es zu erhöhter Reibung und damit zu Funktionsstörungen kommen kann. Dem Effekt des erhöhten Verschleißes kann zwar beispielsweise durch eine entsprechende Beschichtung der Oberfläche des ersten Führungselements entgegengewirkt werden, eine derartige Beschichtung bedeutet jedoch einen zusätzlichen herstellungstechnischen Aufwand.
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Zuletzt ist es aus der
DE 10 2011 004 186 A1 der Anmelderin bekannt, zu Verringerung von Ablagerungen ein hubbeweglich angeordnetes Element im Bereich einer Führung, die einen konstanten Innendurchmesser aufweist, mit Bereichen mit unterschiedlich großen Außendurchmessern auszubilden. Wesentlich dabei ist, dass bei einer derartigen Ausbildung der Radialspalt zwischen dem hubbeweglich angeordneten Element und der zylindrischen Bohrung in den beiden Endbereichen des Führungsbereichs der Bohrung geringer ist als in einem mittleren Bereich.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die oben genannten Nachteile zumindest zu reduzieren bzw. vollständig zu vermeiden. Insbesondere soll die Entstehung des sogenannten Sichelspaltes im Führungsbereich des Magnetankers vermieden werden, der eine starke Erhöhung der Leckagemenge zur Folge hat. Auch soll die Leckagemenge durch ein Verkippen des Magnetankers im Ventilsitz vermindert werden. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Verschleiß des ersten Führungselements durch das Vermeiden des einseitigen Anliegens über die gesamte Führungslänge des Führungselements zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Kraftstoffinjektor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, den Radialspalt zwischen dem ersten Führungselement und dem Magnetanker in Bezug auf die axiale Länge des Führungsbereichs, im Gegensatz zum Stand der Technik, derart auszubilden, dass der Radialspalt im Bereich der beiden gegenüberliegenden axialen Endbereiche des Führungsbereichs des ersten Führungselements ein Maximum aufweist. Dadurch ist es möglich, dass das erste Führungselement relativ zum Magnetanker um einen geringen Winkel kippbar ist und dadurch einen Winkelfehler ausgleichen kann, wobei gleichzeitig ein einseitiges Anlegen des ersten Führungselements an der Bohrung des Magnetankers über die gesamte axiale Länge des Führungsbereichs verhindert wird. Dies wiederum bewirkt die Verhinderung des Sichelspalts, wodurch ebenfalls der Verschleiß zwischen dem ersten Führungselement und dem Magnetanker verhindert bzw. reduziert wird, ebenso wie das Kippen der Längsachse des Magnetankers zum Ventilsitz. Insbesondere kann bei einer geometrischen Ausbildung, bei der der geringste Radialspalt in einem Zwischenbereich zwischen den beiden (axialen) Endbereichen des Führungsbereichs ausgebildet ist, das nominale Spiel an der engsten Stelle gegenüber dem Stand der Technik reduziert werden, da Form- und Lagetoleranzen nur noch in einem kleineren Bereich des Führungsbereichs berücksichtigt werden müssen. Dies wiederum bewirkt eine Reduzierung der Leckagemenge durch den Radialspalt, da die Leckagemenge mit der dritten Potenz der Größe des Radialspalts ansteigt. Weiterhin wird erwähnt, dass bei einem zylindrischen Radialspalt zwischen dem ersten Führungselement und der Bohrung im Magnetanker beim einseitigen Anlegen eines Hochdrucks (über den Steuerraum) sich der Magnetanker aufweitet, derart, dass ein keilförmiger Spalt mit der engsten Stelle auf der dem Steuerraum abgewandten Seite des Führungsbereichs entsteht. Dadurch, dass erfindungsgemäß der Radialspalt zwischen dem ersten Führungselement und der Bohrung im Magnetanker an dieser Stelle gegenüber dem Stand der Technik erhöht ist, kann der Druck der engsten Stelle von dem angesprochenen Endbereich z.B. in Richtung der Mitte des Führungsbereichs, verlagert werden, wodurch auf der dem Steuerraum abgewandten Seite des Führungsbereichs die radiale Aufweitung der Bohrung des Magnetankers geringer ist, da der Druckabfall vorher stattfindet. Dadurch wird in Summe die Innendruckbelastung auf den Magnetanker reduziert.
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Weiterhin wird erwähnt, dass die unterschiedliche Größe des Radialspalts zwischen dem ersten Führungselement und dem Magnetanker auf unterschiedliche Art und Weise ausgebildet werden kann. So ist es nicht nur vorgesehen bzw. möglich, eine zylindrische Bohrung im Magnetanker mit einem über die axiale Länge des Führungsbereichs unterschiedliche Durchmesser aufweisenden ersten Führungselement zu kombinieren, vielmehr ist es auch denkbar, ein Führungselement mit konstantem Durchmesser zu verwenden und stattdessen die Bohrung in dem Magnetanker mit unterschiedlichen Durchmessern auszustatten. Auch eine Kombination beider geometrischen Ausgestaltungen ist denkbar.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Die Ausbildung des soweit beschriebenen unterschiedlich großen Radialspalts im Führungsbereich kann auf unterschiedliche Art und Weise ausgebildet bzw. realisiert werden. Bei einer ersten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass das erste Führungselement im Führungsbereich einen zylindrischen Querschnitt mit unterschiedlichen Durchmessern aufweist. Gemeint sind hierbei insbesondere ballige Geometrien des ersten Führungselements, bei der das erste Führungselement eine gewölbte bzw. konvexe Außenkontur aufweist. Eine derartige Ausführungsform hat insbesondere den Vorteil, dass keine sprungartigen Querschnittsveränderungen auftreten, so dass beispielsweise die Ablagerung von Fremdpartikel reduziert bzw. vermieden werden kann.
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Alternativ ist es denkbar, dass das erste Führungselement im Führungsbereich zwei kegelförmige Abschnitte aufweist. Eine derartige Ausführungsform hat den Vorteil, dass es sich mittels konventioneller Werkzeuge relativ einfach ausbilden lässt. In einer Weiterbildung des zuletzt genannten Vorschlags kann es vorgesehen sein, dass im Bereich zwischen den beiden kegelförmigen Abschnitten ein Abschnitt mit konstantem Durchmesser angeordnet ist.
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Um den Ort des engsten Radialspalts zwischen dem ersten Führungselement und dem Magnetanker beeinflussen zu können bzw. nicht zwangsläufig in der Mitte der axialen Erstreckung des Führungsbereichs vorzusehen, kann es vorgesehen sein, dass die axiale Länge der beiden kegelförmigen Abschnitte unterschiedlich groß ist.
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Besonders bevorzugt ist eine konstruktive Ausgestaltung, bei der der Magnetanker einen zylindrischen Bereich mit einem konstanten Außendurchmesser aufweist, und dass der zylindrische Bereich in einer Führungsbohrung eines zweiten Führungselements radial geführt ist. Dabei kann es sich bei dem zweiten Führungselement insbesondere um ein Ventilstück des Kraftstoffinjektors handeln. Eine derartige konstruktive Ausgestaltung ermöglicht gegenüber der in der
DE 10 2006 049 050 A1 gezeigten Ausführung eine verbesserte Führung des Magnetankers während dessen Hubbewegung.
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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 vereinfachten Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor,
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2 ein mit einem Magnetanker zusammenwirkender Ankerführungsstift, wie sie bei dem Kraftstoffinjektor gemäß 1 verwendet werden, in vergrößerter Einzeldarstellung,
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3 bis 6 jeweils Teilbereiche des Ankerführungsstifts gemäß 2 in unterschiedlich ausgebildeten Abschnitten und
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7 und 8 gegenüber der 2 abgewandelte Ausführungsformen des Ankerführungsstifts, bei denen sich der minimale Radialspalt zwischen dem Ankerführungsstift und dem Magnetanker in unterschiedlichen Bereichen befindet, jeweils im Längsschnitt.
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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Der in der 1 vereinfacht dargestellte Kraftstoffinjektor 100 dient dem Einspritzen von Kraftstoff in einen nicht gezeigten Brennraum einer Brennkraftmaschine. Insbesondere ist der Kraftstoffinjektor 100 Bestandteil eines sogenannten Common-Rail-Einspritzsystems. Der Kraftstoffinjektor 100 weist ein mehrteilig ausgebildetes Injektorgehäuse 10 auf. Innerhalb des Injektorgehäuses 10 ist in einem Hochdruckbereich 11 ein in einer Längsachse 12 hubbeweglich angeordnetes Einspritzglied 13 in Form einer Düsennadel 15 angeordnet. In der in der 1 dargestellten, abgesenkten Position der Düsennadel 15 verschließt diese zumindest mittelbar mehrere im Injektorgehäuse 11 ausgebildete Einspritzöffnungen 16. Dagegen werden die Einspritzöffnungen 16 in einer angehobenen Position der Düsennadel 15 zum Einspritzen des Kraftstoffs aus dem Hochdruckbereich 11 freigegeben. Auf der den Einspritzöffnungen 16 abgewandten Seite taucht der Endbereich der Düsennadel 15 in eine Bohrung 17 eines Ventilstücks 20 ein. Innerhalb der Bohrung 17 ist die Düsennadel 15 radial geführt. Zwischen einem an der Düsennadel 15 ausgebildeten Bund 21 und einer Stirnfläche des Ventilstücks 20 stützt sich eine Schließfeder 22 ab, die die Düsennadel 15 in die in der 1 gezeigte Schließstellung kraftbeaufschlagt. Ein ringförmiger Düsenraum 23 im Injektorgehäuse 10 ist über eine im Injektorgehäuse 10 ausgebildete Versorgungsbohrung 24 sowie einen nicht gezeigten Kraftstoffanschlussstutzen und eine Kraftstoffleitung 26 mit einem unter Hochdruck stehenden Kraftstoffspeicher 28 (Rail) verbunden.
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Die in die Bohrung 17 hineinragende Stirnseite 29 der Düsennadel 15 begrenzt innerhalb der Bohrung 17 einen Steuerraum 30. Der Steuerraum 30 ist über einen mit der Versorgungsbohrung 24 hydraulisch gekoppelten Ringraum 31 sowie einen den Ringraum 31 mit dem Steuerraum 30 verbindenden Zuströmkanal 32 mit integrierter Zuströmdrossel ebenfalls mit Hochdruck bzw. dem Systemdruck des Kraftstoffs beaufschlagt. Von dem Steuerraum 30 geht darüber hinaus konzentrisch zur Längsachse 12 ein in dem Ventilstück 20 ausgebildeter Abströmkanal 35 aus. Der Abströmkanal 35 mündet in einem Niederdruckbereich 36 des Injektorgehäuses 10, welcher wiederum hydraulisch in einen Kraftstoffrücklauf 37 druckentlastbar ist.
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Der Abfluss von Kraftstoff aus dem Steuerraum 30 über den Abströmkanal 35 in den Niederdruckbereich 36 des Injektorgehäuses 10 wird über einen Dichtsitz zwischen einer Sitzkante 38 eines Magnetankers 40 und einer Sitzfläche 41 am Ventilstück 20 gesteuert. Dabei ist in der in der 1 dargestellten abgesenkten Position des Magnetankers 40, bei der die Sitzkante 38 auf der Sitzfläche 41 aufsitzt, der Dichtsitz ausgebildet.
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Der entlang der Längsachse 12 hubbeweglich angeordnete Magnetanker 40 ist Bestandteil eines druckausgeglichenen hydraulischen Schaltventils 45. Hierzu wirkt der Magnetanker 40 mit einer Magnetspule 46 zusammen, die innerhalb eines Magnetkerns 47 aufgenommen ist. Der Magnetkern 47 stützt sich axial an einem Gehäusedeckel 48 ab. Der Magnetanker 40 ist im Querschnitt hutförmig ausgebildet und weist auf der der Magnetspule 46 zugewandten Seite einen flachen Ankerabschnitt 49 auf, der auf der dem Ventilstück 20 zugewandten Seite in einen zylindrischen bzw. hülsenförmigen Abschnitt 51 mit gegenüber dem Ankerabschnitt 49 verringertem (Außen-)Durchmesser übergeht.
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Der Magnetanker 40 weist eine zylindrisch ausgebildete Führungsbohrung 53 auf, die der radialen Lagerung des Magnetankers 40 in einem ersten Führungselement 54 dient. Das erste Führungselement 54 ist in Form eines Ankerführungsstifts 55 ausgebildet, der auf der dem Gehäusedeckel 48 zugewandten Seite einen ballig ausgebildeten Endbereich 56 aufweist. Über den Endbereich 56 stützt sich der Ankerführungsstift 55 axial an dem Gehäusedeckel 48 ab. Eine innerhalb einer Durchgangsbohrung 57 des Magnetkerns 47 angeordnete Druckfeder 58 stützt sich zwischen dem Gehäusedeckel 48 und dem Ankerabschnitt 49 axial ab und beaufschlagt den Magnetanker 40 in seine in der 1 dargestellte Schließstellung. Darüber hinaus ist der Außenumfang des (zylindrischen) Abschnitts 51 des Magnetankers 40 innerhalb einer Führungsbohrung 59 des Ventilstücks 20 aufgenommen, um den Magnetanker 40 radial zu führen. Das Ventilstück 20 bildet somit im Bereich der Führungsbohrung 59 ein zweites Führungselement 61 für den Magnetanker 40 aus.
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Wie insbesondere anhand der 2 erkennbar ist, ist die (zylindrische) Führungsbohrung 53 in dem Magnetanker 40 lediglich über einen Teilbereich der axialen Länge L des Magnetankers 40 ausgebildet. Die Führungsbohrung 53 erweitert sich auf der dem Ventilstück 20 zugewandten Seite in einem Bereich 52 über mehrere, ggf. unterschiedlich große Bohrungsdurchmesser in Richtung zur Sitzkante 38 hin.
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Erfindungswesentlich ist, dass das erste Führungselement 54 bzw. der Ankerführungsstift 55 einen Führungsbereich 65 aufweist, in dessen Bereich der Magnetanker 40 zwischen seiner in der 1 dargestellten Schließposition und einer Öffnungsposition zum Freigeben des Abströmkanals 35 radial geführt ist. Insbesondere ist zwischen der Führungsbohrung 53 und dem Führungsbereich 65 ein Radialspalt 66 ausgebildet, dessen Größe über die axiale Länge des Führungsbereichs 65 unterschiedlich groß ist. Der Führungsbereich 65 weist zwei axial gegenüberliegende Endbereiche 67, 68 auf, in denen der Ankerbolzen 65 in die Führungsbohrung 53 eintaucht bzw. aus dieser austaucht.
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Wesentlich ist, dass die Größe des Radialspalts 66 im Bereich der beiden axialen Endbereiche 67, 68 des Führungsbereichs 65 größer ist als in einem zwischen den beiden axialen Endbereichen 67, 68 angeordneten Zwischenbereich 69 des Führungsbereichs 65. Dies ist anhand der 2 dadurch erkennbar, dass der Durchmesser D1 im Bereich des Zwischenbereichs 69 größer ist als die beiden Durchmesser D2 und D3 im Bereich der beiden axialen Endbereiche 66, 67. Der über die axiale Länge L des Führungsbereichs 65 unterschiedlich groß ausgebildete Radialspalt 66 wird somit durch eine entsprechende Gestaltung der Außendurchmesser des zumindest im Zwischenbereich 69 zylindrisch ausgebildeten ersten Führungselements 54 bzw. des Ankerführungsstifts 55 bewirkt.
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Entsprechend der 3 ist eine derartige Gestaltung beispielsweise auch dadurch erzielbar, dass der Ankerbolzen 55a bzw. das erste Führungselement 54a im Führungsbereich 65 eine ballige Außenkontur 71 aufweist.
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Bei dem ersten Führungselement 54b bzw. dem Ankerführungsstift 55b gemäß der 4 weist der Führungsbereich 65 demgegenüber in einem mittleren Bereich einen zylindrisch ausgebildeten Abschnitt 72 auf, an den sich auf gegenüberliegenden Seiten jeweils ein kegelförmiger Abschnitt 73, 74 anschließt, dessen Querschnitt sich in Richtung der beiden axialen Endbereiche 67, 68 verjüngt.
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Bei dem in der 5 dargestellten ersten Führungselement 54c bzw. dem Ankerführungsstift 55c sind hingegen zwei kegelförmige Abschnitte 75, 76 vorgesehen, welche unmittelbar aneinander anschließen, derart, dass sich deren Querschnitt in Richtung der axialen Endbereiche 67, 68 verjüngt.
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Das in der 6 dargestellte erste Führungselement 54d bzw. der Ankerführungsstift 55d weist einen mittleren Abschnitt 77 auf, der zylindrisch ausgebildet ist. Beidseitig des zylindrischen Abschnitts 77 schließen sich zwei ballig ausgebildete Abschnitte 78, 79 an, deren Querschnitt sich in Richtung der beiden axialen Endbereiche 67, 68 verjüngt.
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Mit Blick auf die 7 wird erläutert, dass der kleinste Radialspalt 66 nicht zwangsläufig in der Mitte der axialen Erstreckung des Führungsbereichs 65 angeordnet sein muss. Vielmehr ist in der 7 der Fall dargestellt, bei dem der größte Durchmesser D1 des Ankerführungsstifts 55 auf der dem Ventilstück 20 zugewandten Seite der Führungsbohrung 53 angeordnet ist, während der größte Radialspalt, welcher durch den Durchmesser D2 des Ankerführungsstifts 55 repräsentiert ist, in der Nähe des zweiten axialen Endbereichs 68 angeordnet ist. In der 8 ist der umgekehrte Fall dargestellt, bei dem der Durchmesser D1 im Bereich des zweiten axialen Endbereichs 68 angeordnet ist, während der Ort des kleinsten Durchmesser D2 des Ankerführungsstifts 55 im Bereich des ersten axialen Endbereichs 67 angeordnet ist.
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Der soweit beschriebene Kraftstoffinjektor 100 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006049050 A1 [0002, 0013]
- DE 102011004186 A1 [0004]
