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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor, wie er beispielsweise verwendet werden kann, um Kraftstoff unter hohem Druck in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einzubringen.
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Stand der Technik
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Bei Brennkraftmaschinen wird in den Brennräumen ein Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet, das beispielsweise durch das direkte Einbringen von Kraftstoff in den Brennraum gebildet wird. Dabei wird der Kraftstoff unter hohem Druck durch eine oder mehrere sehr kleine Einspritzöffnungen eines Kraftstoffinjektors gepresst und beim Austritt fein zerstäubt, so dass zusammen mit der Luft im Brennraum ein zündfähiges Gemisch entsteht. Insbesondere bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen muss der Kraftstoff für eine effektive Verbrennung mit sehr hohem Druck von bis zu 2700 bar (270 MPa) ausgespritzt werden, um die notwendige Vermischung von Kraftstoff und Luft zu erreichen. Die entsprechenden Kraftstoffinjektoren weisen dazu in ihrem Gehäuse eine längsverschiebbare Düsennadel auf, die durch ihre Längsbewegung die Einspritzöffnungen öffnet und schließt. Das mehrteilige Gehäuse besteht dabei aus wenigstens zwei Gehäuseteilen, die an einer Dichtfläche aneinander anliegen.
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Da hochdruckführende Bohrungen und Ausnehmungen durch diese Dichtfläche führen, ist eine zuverlässige Abdichtung über die gesamte Lebensdauer des Kraftstoffinjektors nötig. Dazu werden die Gehäuseteile mit einer Spannvorrichtung, in der Regel einer Spannmutter, mit großer Kraft gegeneinander verspannt. Sind die aneinander anliegenden Dichtflächen sorgfältig gearbeitet, wird ohne weitere Dichtmaterialien eine zuverlässige Abdichtung erreicht. Bei der Montage des Kraftstoffinjektors muss die Ausrichtung der Gehäuseteile zueinander jedoch genau stimmen, damit die Hochdruckkanäle den Kraftstoff ungedrosselt durchleiten können. Dazu ist ein Spannstift oder mehrere Spannstifte vorgesehen, die in entsprechende Ausnehmungen in den angrenzenden Gehäuseteilen ragen und eine exakte Ausrichtung der Gehäuseteile zueinander sicherstellen. Solche Spannstifte bei einem Kraftstoffinjektor sind beispielsweise aus der
DE 103 09 058 A1 bekannt.
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Beim Andrehen der Spannmutter kommt es zu einem Drehmoment auf die Gehäuseteile gegeneinander, wobei eine Bewegung der Gehäuseteile durch die Spannstifte verhindert wird. Dies führt jedoch zu einer mechanischen Scherbelastung der Spannstifte. Die Spannstifte sind in der Regel aus gehärtetem Stahl gefertigt und übertragen diese Scherbelastung auf den Düsenkörper bzw. den Haltekörper, was dort zu entsprechenden mechanischen Spannungen führt, die dort dauerhaft wirken. Kommen im Betrieb weitere Belastungen hinzu, etwa durch den Einbau des Kraftstoffinjektors in der Brennkraftmaschine oder durch hydraulische oder thermische Belastungen, kann dies unter Umständen zu einem Ausfall des Kraftstoffinjektors führen.
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Vorteile der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine dauerhafte mechanische Belastung des Kraftstoffinjektors durch die Spannstifte vermieden wird und damit einem Funktionsausfall des Kraftstoffinjektors vorgebeugt wird. Dazu weist der Kraftstoffinjektor ein Gehäuse auf, das ein erstes Gehäuseteil und ein zweites Gehäuseteil umfasst, die an einer Dichtfläche aneinander anliegen und durch eine Spannvorrichtung gegeneinander verspannt sind. Durch einen Spannstift, der in eine erste Ausnehmung im ersten Gehäuseteil und in eine zweite Ausnehmung im zweiten Gehäuseteil ragt, ist die Lage des ersten Gehäuseteils und des zweiten Gehäuseteils gegeneinander festgelegt. Dabei ist das Material des Spannstifts ein Leichtmetall oder eine Leichtmetall-Legierung.
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Leichtmetalle zeigen im Gegensatz zu gehärtetem Stahl eine plastische Verformbarkeit auch bei relativ niedrigen Temperaturen. Sind die Spannstifte in Folge der Kraftstoffinjektormontage mechanisch vorgespannt, so kommt es im Betrieb des Kraftstoffinjektors, bei dem dieser durch die Wärme der Brennkraftmaschine aufgeheizt wird, zu einer plastischen Verformung und Relaxation der Spannstifte und damit zu einer Verringerung der mechanischen Spannungen im Gehäuse. Dies senkt die Gefahr, dass die Spannstifte oder der Düsenkörper im Betrieb des Kraftstoffinjektors Schaden nehmen, wenn zusätzliche Belastungen auf das Gehäuse infolge von thermischen Spannungen oder mechanischen Kräften wirken.
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kriecht das Material des Spannstifts plastisch bei einer Temperatur unter 150 °C. Damit kommt es zu einer Relaxation des Materials bei Temperaturen, die im Betrieb des Injektors in einer Brennkraftmaschine in aller Regel erreicht werden, ohne dass ein separates Aufheizen des Kraftstoffinjektors zum Abbau der Spannungen nötig sind. Besonders vorteilhaft kommt es zu einer mechanischen Relaxation bereits in einem Temperaturbereich von 50 °C bis 100 °C.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Spannstift aus Aluminium oder einer aluminiumhaltigen Legierung gefertigt. Es kann erfindungsgemäß auch Magnesium verwendet werden. Diese Metalle haben die gewünschten Eigenschaften, insbesondere bei Verwendung von geeigneten Legierungen, wobei durch die Beimischungen die Eigenschaften gezielt eingestellt werden können.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Spannstift aus einem Metallschaum gebildet. Dies erniedrigt das Gewicht zusätzlich und erleichtert das Kriechen bzw. Relaxieren des Materials. Auch die Verwendung von Spannstiften in Form von Hohlzylindern dient diesem Zweck. Der Spannstift kann auch als Spiralspannstift ausgebildet sind, das heißt, aus einem aufgewickelten Metallblech. Dies verleiht dem Spannstift zusätzliche Flexibilität und erniedrigt gegenüber einer massiven Ausgestaltung das Gewicht. Da sich der Spiralspannstift ähnlich einer Feder verhält, kann dieser bei entsprechender Ausgestaltung der Ausnehmungen, in die der Spannstift eingeführt wird, mit einer radialen Vorspannung versehen werden, was die Montage erleichtert.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Spannstift so ausgestaltet, dass er bei Überschreiten einer vorgegebenen maximalen Belastung in zwei oder mehrere Teile zerbricht. Dadurch vermindert sich die auf das Gehäuse wirkende Spannung und es wird verhindert, dass der Düsenkörper oder der Haltekörper Schaden nimmt. Dabei ist der gebrochene Spannstift dennoch in der Lage, eine Drehfixierung zu gewährleisten. Gegebenenfalls kann der relativ kostengünstige Spannstift in diesem Fall ausgetauscht werden, wenn der Bruch bereits bei der Montage des Kraftstoffinjektors erkannt wird. Dazu kann der Spannstift eine oder mehrere Längsnuten an seiner Außenseite aufweisen, die die Sollbruchstellen darstellen und über deren Tiefe und Form die Maximalkraft einstellbar ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Spannstift mit einem Kunststoff oder einer Keramik überzogen. Diese Beschichtung erleichtert zum einen die Montage des Spannstifts. Zum anderen kann diese Beschichtung ebenfalls ein Relaxationsverhalten zeigen und damit einen Teil der Spannungen abbauen.
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Figurenliste
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In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors dargestellt. Es zeigt
- 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor und
- 2, 3, 4 und 5 verschiedene Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Spannstiften, wie sie vorzugsweise in einem Kraftstoffinjektor gemäß 1 Verwendung finden.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist ein Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor 1 gezeigt, wobei nur die wesentlichen Teile des Kraftstoffinjektors 1 gezeigt sind. Der Kraftstoffinjektor 1 dient der Einspritzung von Kraftstoff unter hohem Druck beispielsweise in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine und weist ein Gehäuse 2 auf, das ein erstes Gehäuseteil in Form eines Haltekörpers 3 und ein zweites Gehäuseteil in Form eines Düsenkörpers 4 umfasst. Der Haltekörper 3 und der Düsenkörper 4 liegen an einer Dichtfläche 6 aneinander an und werden durch eine Spannmutter 5 gegeneinander verspannt. Die Spannmutter 5 umfasst dabei den Düsenkörper 4 und ist in ein Außengewinde 9 am Haltekörper 3 eingeschraubt, wobei die Spannmutter 5 an einer Schulter 13 am Düsenkörper 4 anliegt. Im Inneren des Haltekörpers 3 ist eine Längsbohrung 10 ausgebildet, die in einen im Düsenkörper 4 ausgebildeten Druckraum 7 übergeht. Über die Längsbohrung 10 kann Kraftstoff unter hohem Druck in den Kraftstoffinjektor und damit auch in den Druckraum 7 eingeleitet werden, der durch mehreren, in der Zeichnung nicht dargestellte Einspritzöffnungen im Düsenkörper 4 ausgespritzt werden kann. Die Anpresskraft der Spannmutter 5 ist deshalb so gewählt, dass die beiden Gehäuseteile 3, 4 hochdruckdicht gegeneinander verspannt sind, so dass auch bei hohem Druck in der Längsbohrung 10 bzw. im Druckraum 7 kein Kraftstoff nach außen gelangt.
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Zur Steuerung der Einspritzung ist in der Längsbohrung 10 ein Ventilkolben 11 angeordnet, der über ein Druckstück 12 an einer im Druckraum 7 angeordneten Düsennadel 8 anliegt, so dass sich der Ventilkolben 11, das Druckstück 12 und die Düsennadel 8 stets synchron in Längsrichtung bewegen. In dem Ausführungsbeispiel der 1 sind der Ventilkolben 11, das Druckstück 12 und die Düsennadel 8 einstückig ausgeführt, jedoch können diese Bauteile auch separat gefertigt sein. Die Düsennadel 8 wirkt dabei mit einem im Düsenkörper 4 ausgebildeten und in der Zeichnung nicht dargestellten Ventilsitz zum Öffnen und Schließen der Einspritzöffnungen zusammen, so dass diese entweder mit dem Druckraum 7 verbunden oder von diesem hydraulisch getrennt sind. Um die Düsennadel 8 gegen den Ventilsitz vorzuspannen, ist im Druckraum 7 eine Schließfeder 15 angeordnet, die sich mit einem Ende am Haltekörper 3 und mit dem anderen Ende an einem Federteller 14 abstützt, wobei der Federteller 14 am Druckstück 12 aufliegt.
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Da der Haltekörper 3 und der Düsenkörper 4 exakt zueinander ausgerichtet sein müssen, um die Funktion zu gewährleisten, ist die Lage dieser beiden Gehäuseteile zueinander durch wenigstens zwei Spannstifte 18 festgelegt. Dazu sind im Haltekörper 3 zwei Ausnehmungen 20 in Form von Bohrungen und im Düsenkörper 4 zwei Ausnehmungen 21 in Form von Nuten ausgebildet, in die die Spannstifte 18 hineinragen. In der 1 sind die beiden Spannstifte genau in einer mittigen Schnittebene des Kraftstoffinjektors angeordnet, jedoch werden sie häufig etwas außermittig positioniert, um eine Fehlmontage bei der Produktion des Kraftstoffinjektors auszuschließen.
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Bei der Montage des Kraftstoffinjektors werden die beiden Spannstifte 18 in die Ausnehmungen 20 des Haltekörpers 3 eingeführt und der Düsenkörper 4 anschließend in seine Position gebracht, so dass die Spannstifte 18 auch in die Ausnehmungen 21 ragen. Anschließend wird die Spannmutter 5 auf das Außengewinde 9 geschraubt. Da die Spannmutter 5 an der Schulter 13 anliegt, überträgt sie beim Einschrauben ein Drehmoment auf den Düsenkörper 4. Die Spannstifte 18 verhindern dabei, dass sich der Düsenkörper 4 gegenüber dem Haltekörper 3 dreht. Dies erzeugt jedoch entsprechende Scherkräfte auf die Spannstifte 18, die sich auch auf den Düsenkörper 4 und den Haltekörper 3 übertragen und zu entsprechenden mechanischen Spannungen in diesen Gehäuseteilen 3, 4 führen. Da beim Betrieb des Kraftstoffinjektors 1 weitere Kräfte auf das Gehäuse wirken, insbesondere durch den hohen Kraftstoffdruck im Inneren von bis zu 2700 bar, dürfen diese Kräfte nicht zu hoch werden.
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Um die Belastung des Gehäuses 2 durch die Spannstifte 18 zu beschränken sind die Spannstifte 18 aus einem Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung gefertigt. Leichtmetalle haben die Eigenschaft, unter Belastung, insbesondere bei Temperaturen von 50 bis 150 °C, plastisch zu kriechen. Dieser Relaxationsprozess führt zu einer Reduzierung der mechanischen Spannungen im Gehäuse 2, also im Haltekörper 3 und im Düsenkörper 4, und auf die Spannstifte 18, so dass ein mechanisches Versagen der Gehäuseteile 3, 4 im Betrieb des Kraftstoffinjektors vermieden wird. Bevorzugt werden dabei Leichtmetalle bzw. Leichtmetalllegierungen eingesetzt, die bei Temperaturen von unter 150 °C ein entsprechendes Kriechverhalten zeigen, da solche Temperaturen beim Betrieb des Kraftstoffinjektors in einer Brennkraftmaschine regelmäßig auftreten. Als Leichtmetalle kommen vor allem Aluminium und Magnesium in Frage bzw. Legierungen, die zumindest eines dieser Metalle enthalten.
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Die Spannstifte 18 können, wie in 1 gezeigt, als massive Metallstifte ausgebildet sein. Es sind jedoch auch andere Ausgestaltungen möglich, wie in den 2 bis 5 dargestellt. Die 2 zeigt einen Spannstift 18, der einen metallischen Kern mit einer Beschichtung 22 aufweist, wobei die Beschichtung aus verschiedenen Materialien bestehen kann. Möglich sind zum Beispiel Kunststoffe, Keramik oder Materialgemische, die weicher als der metallische Kern sind. Dabei ist die Dicke der Beschichtung in der 2 der Übersichtlichkeit halber sehr groß dargestellt, beträgt in einer realen Ausführung jedoch nicht mehr als 0,1 mm. Die Beschichtung 22 führt zu einer besseren Verteilung der Kräfte und unterstützt damit die Relaxation des Spannstifts.
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In 3 ist ein weiterer erfindungsgemäßer Spannstift dargestellt, der als Hohlzylinder ausgebildet ist. Die dadurch etwas verminderte Festigkeit erleichtert die Relaxation des Materials und spart darüber hinaus Material und Gewicht ein. Eine weitere Ausgestaltung ist in 4 gezeigt, wo der Spannstift als Spiralspannstift ausgeführt ist. Durch das Aufwickeln einer Metallfolie kann ein fester, aber dennoch mit einer gewissen Flexibilität ausgestatteter Spannstift gefertigt werden. Durch die Wicklung erhält der Spannstift auch eine geringe radiale Elastizität, so dass er mit einem leichten Übermaß gegenüber dem Durchmesser der Ausnehmungen 20, 21 gefertigt werden kann und damit in diesen Ausnehmungen leicht geklemmt wird, was die Montage erleichtert.
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5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem der Spannstift 18 ebenfalls als Hohlzylinder gefertigt ist, jedoch im Gegensatz zur Ausführung nach 3 mehrere Längsnuten 24 an der Außenseite aufweist. Die Längsnuten 24 dienen als Sollbruchstellen, so dass der Spannstift 18 bei der Montage entlang dieser Längsnuten 24 kontrolliert in zwei Teile zerbrechen kann, falls es zu einer Überbeanspruchung des Spannstifts 18 kommt. Wird dies bei der Montage des Kraftstoffinjektors festgestellt, so kann ohne großen Aufwand die Verschraubung der Spannschraube wieder gelöst und der Spannstift 18 ersetzt werden. Durch das Brechen entlang der Längsnuten 24 im Betrieb des Kraftstoffinjektors kann auch verhindert werden, dass die Kräfte auf die Gehäuseteile zu groß werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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