DE102019209577A1 - Injektor mit verbesserter Gehäusegeometrie - Google Patents

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Dietmar Schmieder
Thomas Gerschwitz
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor zum Zumessen eines Fluids, insbesondere Kraftstoffinjektor, umfassend ein Ventilgehäuse (2) und eine Dichtung (3) an einem Außenumfang des Ventilgehäuses (2), wobei das Ventilgehäuse (2) einen sich verjüngenden Bereich (20) aufweist, welcher sich von einem brennraumseitigen Ende (2b) des Ventilgehäuses (2) in Richtung eines brennraumabgewandten Endes (2a) verjüngt, wobei die Dichtung (3) am sich verjüngenden Bereich (20) angeordnet ist.

Description

  • Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor zum Zumessen eines Fluids, insbesondere einen Kraftstoffinjektor oder einen Wasserinjektor oder einen Harnstoffinjektor mit einer verbesserten Gehäusegeometrie.
  • Injektoren zum Zumessen eines Fluids sind aus dem Stand der Technik beispielsweise als Kraftstoffinjektoren in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Im montierten Zustand befindet sich zwischen einem Ventilgehäuse des Injektors und einem Zylinderkopf ein Spalt, welcher üblicherweise durch einen Dichtring abgedichtet wird. Aufgrund von Fertigungstoleranzen sowie Montagetoleranzen und Wärmedehnungen im Betrieb kann es hierbei zu einer nicht exakt zentrischen Anordnung des Injektors in einer Zylinderkopfbohrung kommen. Dies kann zu einer Verkippung des Injektors in der Zylinderkopfbohrung führen, so dass im Betrieb heiße Brennraumgase bis zum Dichtring gelangen können. Durch die mögliche Verkippung können sich Undichtigkeiten am Dichtring ergeben, was zu einem unerwünschten Austreten von Brennraumgasen über die Zylinderkopfbohrung führen kann.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Der erfindungsgemäße Injektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass ein mögliches Verkippen des Injektors in einer Zylinderkopfbohrung im Wesentlichen vermieden werden kann bzw. auf ein erträgliches Maß beschränkt werden kann. Insbesondere können auch mechanische Belastungen auf einen Dichtring des Injektors reduziert werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Injektor ein Ventilgehäuse und eine am Außenumfang des Ventilgehäuses angeordnete Dichtung aufweist.
  • Das Ventilgehäuse weist dabei einen sich verjüngenden Bereich auf, welcher, ausgehend von einem brennraumseitigen Ende zu einem brennraumabgewandten Ende des Ventilgehäuses verjüngt ist. Die Dichtung ist dabei am sich verjüngenden Bereich angeordnet. Somit vergrößert sich ein Außenumfang des Ventilgehäuses in Richtung zum Brennraum. Dies ermöglicht es, dass gegebenenfalls bei einer Schrägstellung des Injektors in einer Zylinderkopfbohrung ein gewisser Toleranzausgleich durch den sich verjüngenden Bereich ermöglicht wird, so dass trotz Schiefstellung des Injektors in der Zylinderkopfbohrung die Dichtung nicht beschädigt wird. Ferner kann insbesondere ein Spalt zwischen dem Injektor und der Zylinderkopfbohrung möglichst klein gehalten werden, so dass die im Betrieb entstehenden Brennraumgase, welche bis zum Dichtring gelangen, auf ein Minimum reduziert werden können. Durch diese Maßnahme ist es insbesondere möglich, dass ein kostengünstiger Dichtring statt dem bisher im Stand der Technik verwendeten speziell kalibrierten Dichtringen eingesetzt werden kann. Dadurch können die Kosten für den Injektor signifikant reduziert werden
  • Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Besonders bevorzugt ist der sich verjüngende Bereich kegelförmig ausgebildet. Dadurch kann die Herstellung des sich verjüngenden Bereichs sehr einfach gestaltet werden. Ferner kann der Injektor sehr kostengünstig bereitgestellt werden.
  • Ein Winkel des kegelförmigen Bereichs am Ventilgehäuse ist vorzugsweise in einem Bereich von 1,0° bis 1,6°, insbesondere von 1,2° bis 1,4°, weiter insbesondere von ca. 1,3° beträgt.
  • Um einen möglichst kleinen Spalt zwischen dem Injektor und der Zylinderkopfbohrung zu erreichen, ist vorzugsweise am Ventilgehäuse ein kugelförmiger Bereich ausgebildet, welcher sich tangential an den sich verjüngenden Bereich anschließt. Dadurch kann ein Linienkontakt bzw. ein enger Drosselspalt zwischen dem Ventilgehäuse des Injektors und der Zylinderkopfbohrung erreicht werden.
  • Der kugelförmige Bereich am Ventilgehäuse ist vorzugsweise an einem Endbereich des Ventilgehäuses ausgebildet.
  • Alternativ umfasst das Ventilgehäuse ferner einen zylindrischen Bereich, welcher sich in Richtung zum Brennraum seitigen Ende des Ventilgehäuses an den sich verjüngenden Bereich anschließt. Der zylindrische Bereich kann dabei als Führungsdurchmesser dienen und kann besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden.
  • Weiter bevorzugt umfasst der Injektor ferner ein Endbauteil, welches einen zylindrischen Außendurchmesser aufweist. Ein Durchmesser des zylindrischen Außendurchmessers am separaten Endbauteil ist dabei unterschiedlich zu einem Durchmesser des kugelförmigen Bereichs am Ventilgehäuse. Vorzugsweise ist hierbei der Durchmesser des ersten kugelförmigen etwas größer als der Durchmesser des zylindrischen Außendurchmessers. Vorzugsweise ist der Durchmesser des ersten kugelförmigen Bereichs dabei um 0,2 mm größer als der Durchmesser des zylindrischen Außendurchmessers. Weiter bevorzugt ist an dem Endbauteil auch ein Dichtsitz des Injektors angeordnet, an welchem ein Schließelement Durchgangsöffnungen im Endbauteil freigibt und verschließt. Da der zweite Durchmesser des zylindrischen Außendurchmessers kleiner ist als der erste Durchmesser des ersten kugelförmigen Bereichs können somit radiale Querkräfte auf den Ventilsitz, welcher am separaten Endbauteil vorgesehen ist, vermieden werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Endbauteil, an welchem sich der Dichtsitz des Injektors befindet, derart im Ventilgehäuse angeordnet, dass das Ventilgehäuse das Endbauteil in Radialrichtung des Injektors vollständig überdeckt. Mit anderen Worten ist das Endbauteil in den Innenbereich des Ventilgehäuses eingeführt. Dadurch kann insbesondere ein verbesserter Schutz des Dichtsitzes am Endbauteil erreicht werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist am Außenumfang des Ventilgehäuses wenigstens eine Aussparung vorgesehen. Die Aussparung ist vorzugsweise ein umlaufender Einstich. Hierbei können auch mehrere umlaufende Einstiche, welche in Axialrichtung des Injektors versetzt zueinander angeordnet sind, vorgesehen sein. Hierbei wird im Betrieb ein Abkühlen von Brennraumgasen, welche sich in den Einstichen sammeln, erreicht, da diese Bereiche an den Einstichen des Injektors durch den im Innern des Ventilgehäuses zugeführten Kraftstoffs gekühlt werden. Hierbei kann insbesondere eine Reduzierung von Spitzentemperaturen im Betrieb erreicht werden, da nach einer Zündung die entstandenen Brennraumgase mit den schon abgekühlten Brennraumgasen in den Einstichen vermischt werden, wodurch die Temperaturspitzen signifikant reduziert werden können. Hierdurch ergibt sich ein weiterer verbesserter Schutz des Dichtrings am Ventilgehäuse.
  • Der Injektor ist vorzugsweise ein Kraftstoffinjektor oder ein Wasserinjektor oder ein Harnstoffinjektor. Ferner betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf, in welchem eine Zylinderkopfbohrung vorgesehen ist, in der ein erfindungsgemäßer Injektor angeordnet ist.
  • Figurenliste
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
    • 1 eine schematische Schnittansicht eines Injektors gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im ungekippten montierten Zustand,
    • 2 eine schematische Darstellung des Injektors von 1 im gekippten Zustand,
    • 3 eine schematische Darstellung eines Injektors gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
    • 4 eine schematische Darstellung eines Injektors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
    • 5 eine schematische Darstellung eines Injektors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
  • Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 ein Injektor 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
  • Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst der Injektor 1 ein Ventilgehäuse 2 und ein Schließelement 6. Das Schließelement 6 liegt in dem in 1 gezeigten Zustand an einem Dichtsitz 40 an einem Endbauteil 4 des Injektors 1 an und verschließt die als Durchgangslöcher ausgebildeten Spritzlöcher 5.
  • Das Schließelement 6 wird in bekannter Weise mittels eines Aktors in Axialrichtung X-X des Injektors 1 bewegt und mittels Rückstellelementen in die Ausgangsposition zurückgestellt.
  • Der Injektor 1 umfasst ferner eine Dichtung 3, welche an einem Außenumfang des Ventilgehäuses 2 angeordnet ist.
  • 1 zeigt dabei den montierten Zustand des Injektors 1 in einer Zylinderkopfbohrung 11 eines Zylinderkopfes 10. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Injektor 1 als Kraftstoffinjektor ausgebildet, welcher Kraftstoff in einem Brennraum 12 einspritzt.
  • Das Endbauteil 4, in welchem sich der Dichtsitz 40 befindet, ist mittels einer Schweißverbindung 8 mit dem Ventilgehäuse 2 verbunden. Im montierten Zustand ergibt sich ein Spalt 7 zwischen dem Injektor 1 und der Zylinderkopfbohrung 11, durch welchen im Betrieb Brennraumgase aus dem Brennraum 12 zur Brennraum abgewandten Seite des Injektors strömen können. Daher ist die Dichtung 3 vorgesehen, um ein unkontrolliertes Austreten dieser Brennraumgase zu verhindern.
  • Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, weist das Ventilgehäuse 2 einen sich verjüngenden Bereich 20 auf. Der sich verjüngende Bereich 20 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein konischer Bereich, welcher sich in Richtung zu einem vom Brennraum 12 abgewandten Ende 2a verjüngt. Hierbei ist ein Absatz 24 am Ventilgehäuse 2 vorgesehen, an welchem der sich verjüngende Bereich 20 endet.
  • Wie in 1 gezeigt, verjüngt sich der Bereich 20 in einem Winkel β, welcher in diesem Ausführungsbeispiel ca. 1,3° beträgt.
  • An einem zum Brennraum 12 gerichteten Ende 2b des Ventilgehäuses ist ein erster kugelförmiger Bereich 21 vorgesehen. Der sich verjüngende Bereich 20 geht dabei tangential in den kugelförmigen Bereich 21 über.
  • Das Endbauteil 4 ist ein Bauteil mit zylindrischem Außenumfang mit einem ersten Durchmesser D1. Ein zweiter Durchmesser D2 des kugelförmigen Bereichs 21 ist dabei größer als der erste Durchmesser D1.
  • Falls nun aufgrund von Toleranzen oder einer leichten Fehlmontage ein Verkippen des Injektors 1 in der Zylinderkopfbohrung 11 vorkommen sollte, was in 2 dargestellt ist, kann der Spalt 7 im Vergleich mit dem Stand der Technik trotzdem sehr klein gehalten werden. In 2 ist der Injektor 1 um den Winkel α aus der Mittellage verkippt. Durch die Ausbildung des kugelförmigen Bereichs 21 am Ventilgehäuse 2 kann trotzdem ein minimaler Spalt 7 aufrechterhalten werden. Dieser Spalt 7 ist im Vergleich mit dem Stand der Technik um ca. 2/3 kleiner, so dass im Wesentlichen verhindert werden kann, dass Brennraumgase über den Spalt 7 bis zur Dichtung 3 gelangen. Weiterhin kann durch die Wahl des zweiten Durchmessers D2, welcher größer ist als der erste Durchmesser D1, sichergestellt werden, dass kein radialer Kontakt zwischen dem Endbauteil 4 und der Zylinderkopfbohrung 11 vorhanden ist, auch wenn eine wie in 2 angezeigte maximale Verkippung oder Schrägstellung des Injektors 1 in der Zylinderkopfbohrung vorhanden ist. Dadurch wird insbesondere verhindert, dass radiale Querkräfte auf das Endbauteil 4 und somit auf den Dichtsitz 40 wirken können, was Undichtigkeiten am Dichtsitz 40 hervorrufen könnte.
  • Durch die Minimierung des Spaltes 7 ist es ferner möglich, dass die Dichtung 3 relativ einfach ausgestaltet werden kann, da die Belastungen für die Dichtung 3 signifikant reduziert sind. Genauer kann beispielsweise die bisher im Stand der Technik verwendete Teflondichtung durch eine kostengünstigere Dichtung ersetzt werden.
  • Dadurch kann die Dichtung 3 als kostengünstige Standarddichtung ausgeführt sein.
  • Somit kann der erfindungsgemäße Injektor 1 Schrägstellungen des Injektors in der Zylinderkopfbohrung 11 in gewissem Umfang tolerieren und trotzdem die Herstellkosten für den Injektor 1 signifikant reduziert werden. Ferner kann verhindert werden, dass überhöhte Biegemomente auf den Injektor 1 und gegebenenfalls mit dem Injektor verbundene weitere Bauteile, wie beispielsweise ein Rail oder dergleichen, verhindert werden. Trotzdem kann eine ausreichende Dichtheit durch die Dichtung 3 in der Zylinderkopfbohrung 11 erreicht werden.
  • 3 zeigt einen Injektor 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist beim zweiten Ausführungsbeispiel das Ventilgehäuse 2 derart ausgebildet, dass der sich verjüngende Bereich 20 in einen zylindrischen Bereich 23 übergeht. Hierbei ist wie im ersten Ausführungsbeispiel ein erster Durchmesser D1 des Endbauteils 4 kleiner als ein zweiter Durchmesser D2 des zylindrischen Bereichs 23. Dieses Ausführungsbeispiel hat insbesondere den Vorteil, dass der zylindrische Bereich 23 sehr einfach und kostengünstig hergestellt werden kann. Der sich verjüngende Bereich 20 geht dabei wie im ersten Ausführungsbeispiel wieder tangential in den zylindrischen Bereich 23 über. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem ersten Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
  • 4 zeigt einen Injektor 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet. Der Injektor 1 des dritten Ausführungsbeispiels entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei im Unterschied dazu die Montage des Endbauteils 4 unterschiedlich ausgestaltet ist. Wie in 4 gezeigt, ist das Endbauteil 4 vollständig im Ventilgehäuse 2 aufgenommen. D. h. das Ventilgehäuse 2 umgibt in radialer Richtung das Endbauteil 4 vollständig. Somit umschließt das Ventilgehäuse 2 das Endbauteil 4, in welchem der Dichtsitz 40 angeordnet ist und verhindert einen direkten Kontakt zwischen dem Endbauteil 4 und der Zylinderkopfbohrung 11 im montierten Zustand.
  • 5 zeigt einen Injektor 1 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Injektor 1 des vierten Ausführungsbeispiels entspricht im Wesentlichen dem des zweiten Ausführungsbeispiels, wobei zusätzlich noch am Außenumfang des Ventilgehäuses 2 eine Aussparung 22 vorgesehen ist. Die Aussparung 22 ist in Umfangsrichtung vollständig umlaufend ausgeführt und dient zur Aufnahme von Brennraumgasen aus dem Brennraum 12, welche über den Spalt 7 bis zur Aussparung 22 gelangen können. Wie aus 5 deutlich wird, ist die Aussparung 22 ausgehend vom Brennraum 12 in Axialrichtung X-X des Injektors vor der Dichtung 3 angeordnet. Dadurch können die Brennraumgase, welche sich in der Aussparung 22 befinden, durch zugeführten Kraftstoff, welcher in 5 durch den Pfeil A angedeutet ist, zumindest teilweise gekühlt werden. Hierdurch werden insbesondere hohe Spitzentemperaturen vermieden, so dass eine Schädigung der Dichtung 3 aufgrund von sehr hohen Temperaturen der Brennraumgase vermieden werden kann. In 5 ist noch eine zweite Aussparung 25 dargestellt, welche ebenfalls als umlaufender Einstich ausgebildet ist. Somit kann durch diese Maßnahme zusätzlich die Dichtung 3 vor sehr hohen Temperaturspitzen im Betrieb der Brennkraftmaschine geschützt werden. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.

Claims (10)

  1. Injektor zum Zumessen eines Fluids, insbesondere Kraftstoffinjektor, umfassend - ein Ventilgehäuse (2) und - eine Dichtung (3) an einem Außenumfang des Ventilgehäuses (2), - wobei das Ventilgehäuse (2) einen sich verjüngenden Bereich (20) aufweist, welcher sich von einem brennraumseitigen Ende (2b) des Ventilgehäuses (2) in Richtung eines brennraumabgewandten Endes (2a) verjüngt, wobei die Dichtung (3) am sich verjüngenden Bereich (20) angeordnet ist.
  2. Injektor nach Anspruch 1, wobei der sich verjüngende Bereich (20) kegelförmig mit einem Winkel (β) ausgebildet ist.
  3. Injektor nach Anspruch 2, wobei der Winkel (β) in einem Bereich von 1,0° bis 1,6° liegt, insbesondere in einem Bereich von 1,2° bis 1,4° liegt und weiter insbesondere 1,3° beträgt.
  4. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der sich verjüngende Bereich (20) des Ventilgehäuses (2) tangential in einen kugelförmigen Bereich (21) am brennraumseitigen Ende (2b) des Ventilgehäuses übergeht.
  5. Injektor nach Anspruch 4, wobei der kugelförmige Bereich (21) des Ventilgehäuses das brennraumseitige Ende (2b) des Ventilgehäuses bildet.
  6. Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Ventilgehäuse (2) einen zylindrischen Bereich (23) aufweist, welcher am brennraumseitigen Ende (2b) des Ventilgehäuses gebildet ist und an welchen sich der sich verjüngende Bereich (20) anschließt.
  7. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend ein Endbauteil (4), welches einen zylindrischen Außendurchmesser (D1) aufweist, welcher kleiner ist als ein Durchmesser (D2) des kugelförmigen Bereichs (21) des Ventilgehäuses (2).
  8. Injektor nach Anspruch 7, wobei das Endbauteil (4) einen Dichtsitz (40) aufweist.
  9. Injektor nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Endbauteil (4) in radialer Richtung vollständig vom Ventilgehäuse (2) überdeckt ist.
  10. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei am Außenumfang des Ventilgehäuses (2) wenigstens eine Ausnehmung (22, 25) vorgesehen ist, insbesondere als umlaufender Einstich, um Brennraumgase zu sammeln und abzukühlen.
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