DE19907544C2 - Injektor für eine Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Injektor für eine Einspritzanla­ ge einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Herkömmliche Injektoren für die Kraftstoffeinspritzung in Brennkraftmaschinen sind in der Regel modular aufgebaut und bestehen aus mehreren, koaxial übereinander angeordneten Tei­ len, wie beispielsweise einem Injektorkörper und einem Steu­ ermodul, wobei die mechanische Verbindung zweier axial be­ nachbarter Teile durch ein Verbindungselement wie eine Spann­ hülse, eine Doppelspannmutter oder eine Schweißhülse erfolgt.

Die Befestigung des Injektors in dem Zylinderkopf der Brenn­ kraftmaschine erfolgt üblicherweise durch eine sogenannte Spannpratze, die den Injektor axial in eine entsprechende Aufnahmebohrung in dem Zylinderkopf hineindrückt, wobei die Spannpratze auf einem zylindrischen Bund aufliegt, der außen an dem Injektor umlaufend angeformt ist.

Darüber hinaus sind an der Mantelfläche des Injektors Schlüs­ selflächen angeformt, in welche die Spannpratze eingreift, wodurch eine Verdrehung des Injektors um seine Längsachse verhindert wird.

Der zylindrische Bund und die Schlüsselflächen werden bei den bekannten Injektoren entweder direkt an dem Injektorkopf oder an einer hohlzylindrischen Überwurfmutter befestigt, welche die einzelnen Teile des Injektors aufnimmt und an ihrer Ober­ seite mit dem Injektorkopf verbunden ist.

Nachteilig ist an den vorstehend beschriebenen Injektoren je­ doch die Vielzahl der Teile, wodurch die Fertigung und Monta­ ge des Injektors relativ aufwendig ist.

Aus der US 5,779,149 A ist ein Injektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Für den hydraulischen Spielausgleich weist der Injektor neben der Feder einen Übertragungsraum auf mit einem zwischen Aktuatorkolben, Ventilkolben und einer Führungsbohrung für die Kolben mit einem eingeschlossenen Flüssigkeitsvolumen. Überdies ist eine Drosselbohrung vorge­ sehen, die soweit dimensioniert ist, dass zwischen zwei Betä­ tigungen das Flüssigkeitsvolumen aufgefüllt werden kann, und gleichzeitig so eng ist, dass während der Betätigung mög­ lichst wenig Flüssigkeit verloren geht. Für den hydraulischen Spielausgleich sind bei dieser Ausführungsform somit zwei E­ lemente erforderlich.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Injek­ tor für eine Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine zu schaffen, bei dem der Aufwand für die Fertigung und Montage verringert ist.

Die Aufgabe wird, ausgehend von einem der eingangs beschrie­ benen Injektoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung schließt die allgemeine technische Lehre ein, ein im wesentlichen einstückig geformtes Injektorgehäuse vor­ zusehen, das oben in den Injektorkopf übergeht und zumindest die Steuereinheit aufnimmt. Vorzugsweise nimmt das Injektor­ gehäuse aber mehrere Module des Injektors auf und verspannt diese axial gegeneinander, um eine Hochdruckabdichtung an den Stoßstellen benachbarter Module zu bewirken.

Durch die Verwendung eines gemeinsamen Gehäuses für die we­ sentlichen Bauteile des Injektors kann vorteilhaft auf sepa­ rate Verbindungsmittel wie Spannhülsen, Doppelspannmuttern oder Schweißhülsen zur Verbindung der einzelnen Teile ver­ zichtet werden, da die einzelnen Teile des Injektors bereits durch das gemeinsame Gehäuse mechanisch fixiert werden.

Darüber hinaus wird durch das gemeinsame Injektorgehäuse vor­ teilhaft die Zahl der Hochdruckdichtflächen reduziert, die nach außen hin undicht werden könnten.

Es ist jedoch im Rahmen der Erfindung nicht erforderlich, daß das Injektorgehäuse sämtliche Bauteile des Injektors aufnimmt und miteinander verbindet. So ist es beispielsweise auch mög­ lich, daß der Düsenkörper an der Unterseite des Injektors über eine herkömmliche Spannmutter mit dem Injektorgehäuse verschraubt wird, während die übrigen Bauteile des Injektors, wie beispielsweise die Steuereinheit, in dem Injektorgehäuse untergebracht sind.

In einer Variante der Erfindung wird auf einen separaten Übertragungshebel zur Übertragung der Stellbewegung des Ak­ tuators auf den Ventilkolben verzichtet, indem der Aktuator direkt auf den Ventilkolben wirkt. Hierdurch entfällt vor­ teilhaft ein Bauteil des Injektors, wodurch der Fertigungs- und Montageaufwand weiter verringert wird. Darüber hinaus wird durch den Verzicht auf einen herkömmlichen Übertragungs­ hebel die Dauerhaltbarkeit des Injektors erhöht, da ein der­ artiges Bauteil hinsichtlich der Lebensdauer problematisch ist.

Die Anlagefläche zwischen dem Aktuator einerseits und dem Ventilkolben andererseits ist hierbei vorzugsweise so groß, daß aufgrund der verringerten Flächenpressung auch bei einem Schaltvorgang noch ein Flüssigkeitsfilm zwischen dem Aktuator und dem Ventilkolben bestehen bleibt, was einen hydraulischen Spielausgleich bewirkt. Die einander zugewandten Stirnflächen von Aktuator und/oder Ventilkolben sind hierbei vorzugsweise konvex geformt, um ein Abreißen des Flüssigkeitsfilms auf­ grund der mechanischen Belastung bei einem Schaltvorgang zu vermeiden, jedoch können die Stirnflächen auch vollständig plan sein, was eine einfache Längenjustierung durch Messen und Abschleifen erlaubt.

Zwischen dem Aktuator und dem Ventilkolben ist hierbei vor­ zugsweise eine Feder angeordnet, welche Aktuator und Ventil­ kolben in axialer Richtung auseinanderdrückt und somit im Ru­ hezustand des Injektors wieder den vollen Spielausgleich her­ stellt. Darüber hinaus erlaubt eine derartige Feder vorteil­ haft auch eine Kompensation von Wärmedehnungen.

Gemäß einer Variante der Erfindung wird der Ventilkolben des Injektors nicht direkt in dem Injektorgehäuse geführt, son­ dern in einem separaten Ventilgehäuse gelagert, das innerhalb des Injektorgehäuses angeordnet ist. Dies bietet den Vorteil, daß sich der zu härtende Ventilsitz des Ventilkolbens somit in dem Ventilgehäuse und nicht in dem Injektorgehäuse befin­ det, so daß keine aufwendige Wärmebehandlung des gesamten In­ jektorgehäuses erforderlich ist.

In einer anderen Variante der Erfindung wird auf eine durch­ gehende Leckageleitung verzichtet, indem die zentrische Boh­ rung für die Steuerglieder zusätzlich zur Leckagerückleitung von der Düse bis hinauf zur Steuereinheit verwendet wird. Hierdurch wird der Fertigungsaufwand für den Injektor weiter verringert. Oberhalb der Steuereinheit wird die Leckage dann über eine separate Leckageleitung weitergeführt, wobei die Verbindung der Leckageleitung mit der zentrischen Bohrung vorzugsweise durch eine radiale Verbindungsbohrung erfolgt.

Der erfindungsgemäße Injektor wird vorzugsweise in einer Com­ mon-Rail-Einspritzanlage verwendet, jedoch ist die Erfindung nicht auf einen derartigen Einsatz beschränkt, sondern grund­ sätzlich auch bei anderen Arten von Einspritzanlagen verwend­ bar.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusam­ men mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung den Kopfbereich eines Injektors in einer Querschnittsdar­ stellung sowie

Fig. 2 eine Detailansicht der Kontaktstelle zwischen dem Ak­ tuator und dem Ventilkolben des in Fig. 1 darge­ stellten Injektors im Querschnitt.

Der in Fig. 1 gezeigte Injektor ist modular aufgebaut und dient zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum ei­ ner Brennkraftmaschine, wobei an der Oberseite des Injektors als ein Bauteil ein Injektorkopf 1 angeordnet ist, der an der Unterseite ansatzlos in das gemeinsame Injektorgehäuse 2 übergeht, so daß die wesentlichen Bauteile des Injektors durch das gemeinsame Injektorgehäuse 2 mechanisch fixiert werden.

Zum einen ermöglicht der Injektorkopf 1 den Anschluß einer Einspritzleitung, um den Injektor mit einer zentralen Ein­ spritzanlage zu verbinden, die für alle Zylinder der Brenn­ kraftmaschine den erforderlichen Einspritzdruck bereitstellt. Hierzu ist der Injektorkopf 1 an seiner Oberseite abgeschrägt und mit einem Schraubanschluß 3 mit einem Innengewinde verse­ hen, welches das Endstück der Einspritzleitung aufnimmt.

Zum anderen weist der Injektorkopf 1 an seiner Unterseite ein im wesentlichen zylindrisches Rumpfteil auf, an dem unterhalb der Abschrägung Schlüsselflächen 4 angeformt sind, die zusam­ men mit einem umlaufenden zylindrischen Bund 5 den Eingriff einer Spannpratze ermöglichen, die zur Vereinfachung nicht dargestellt ist. Einerseits drückt die Spannpratze axial von oben auf den umlaufenden Bund 5, wodurch der gesamte Injektor in einer entsprechenden Aufnahmebohrung in dem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine axial nach unten gedrückt wird, wobei zwischen der unteren Stirnfläche des Injektors und der Boden­ fläche der Aufnahmebohrung eine Kupferscheibe angeordnet ist, um die Aufnahmebohrung abzudichten. Andererseits greift die Spannpratze seitlich in die Schlüsselflächen 4 ein und ver­ hindert somit im montierten Zustand eine Verdrehung des In­ jektors um seine Längsachse.

Weiterhin weist der Injektor an seiner Oberseite eine zen­ trisch angeordnete zylindrische Bohrung zur Aufnahme eines Aktuators 6 auf, wobei in der Mantelfläche des Aktuators 6 unten zwei zylindrisch umlaufende Nuten 7, 8 übereinander an­ geordnet sind, wobei die untere Nut 8 im montierten Zustand einen O-Ring aufnimmt, der den ringförmigen Spalt zwischen dem Aktuator 6 und der Bohrung in dem Injektorkopf 1 abdich­ tet. In der oberen Nut 7 ist dagegen im montierten Zustand ein Drahtring angeordnet, der über eine Hohlschraube eine Be­ festigung des Aktuators 6 in dem Injektorkopf 1 ermöglicht. Der Aktuator 6 ermöglicht in herkömmlicher Weise eine axiale Stellbewegung, um die Kraftstoffeinspritzung zu steuern. Der Aktuator 6 wirkt hierbei ohne die bei herkömmlichen Injekto­ ren verwendeten mechanischen Zwischenglieder direkt auf einen Ventilkolben 9. Dies bietet zum einen den Vorteil, daß auf ein Bauteil verzichtet werden kann, wodurch der Fertigungs- und Montageaufwand verringert wird. Zum anderen wird dadurch die Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Injektors erhöht, da die herkömmlicherweise verwendeten Übertragungshebel hin­ sichtlich der Lebensdauer problematisch sind.

Die Anlagefläche zwischen der unteren Stirnfläche des Aktua­ tors 6 und der oberen Stirnfläche des Ventilkolbens 9 ist hierbei im Vergleich zu herkömmlichen Injektoren wesentlich größer, was den Vorteil bietet, daß auch bei einem Schaltvor­ gang des Injektors ein Flüssigkeitsfilm zwischen dem Aktuator 6 und dem Ventilkolben 9 bestehen bleibt, wodurch ein hydrau­ lischer Spielausgleich erfolgt. Die untere Stirnfläche des Aktuators 6 ist hierbei leicht konvex geformt, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist. Dadurch wird ein Abreißen des Flüssig­ keitsfilms aufgrund der bei einem Schaltvorgang auftretenden mechanischen Belastungen an der Kontaktfläche zwischen dem Aktuator 6 und dem Ventilkolben 9 verhindert. Alternativ dazu kann auch die obere Stirnfläche des Ventilkolbens 9 entspre­ chend konvex geformt sein.

Darüber hinaus ist zwischen dem Aktuator 6 und dem Ventilkol­ ben 9 eine Feder 10 angeordnet, die den Aktuator 6 und den Ventilkolben 9 axial auseinanderdrückt und somit im Ruhezu­ stand des Injektors den vollen axialen Spielausgleich wieder­ herstellt. Darüber hinaus erlaubt die Feder 10 auch eine Kom­ pensation von Wärmedehnungen der einzelnen Bauteile.

Zur Führung des Ventilkolbens 9 ist ein separates Ventilge­ häuse 11 in das Injektorgehäuse 2 eingesetzt, was den Vorteil bietet, daß sich der zu härtende Ventilsitz für den Ventil­ kolben 9 in dem Ventilgehäuse 11 und nicht in dem gemeinsamen Injektorgehäuse 2 befindet, so daß auf eine aufwendige Wärme­ behandlung des gesamten Injektorgehäuses 2 zur Härtung des Ventilsitzes verzichtet werden kann und nur eine Härtung des Ventilgehäuses 11 erforderlich ist, was wesentlich weniger aufwendig ist.

Unterhalb des Ventilkolbens 9 ist weiterhin eine Steuerein­ heit 12 mit einem Servoventil angeordnet, wobei der Aktuator 6 über den Ventilkolben 9 das Servoventil betätigt und damit indirekt die Position einer Düsennadel 21 in der Führungsboh­ rung 20 einer Düse 13 und somit den Kraftstoffstrom steuert, der über eine Düse 13 des Injektors in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Die Düse 13 ist in der Zeichnung nur schematisch dargestellt und kann mit dem Injek­ torgehäuse 2 über eine herkömmliche Spannmutter verbunden werden, auf deren Darstellung in der Zeichnung verzichtet wurde, um die Übersichtlichkeit zu wahren.

Schließlich weist der dargestellte Injektor eine besonders vorteilhafte Form der Leckagerückleitung auf, indem anstelle einer im wesentlichen über die gesamte Länge des Injektors durchgehenden zusätzlichen Leckageleitung eine ohnehin vor­ handene zentrische Bohrung 14, in der ein Kolben 22 axial verschiebbar angeordnet ist, der die Düsennadel 21 beauf­ schlagt, für die Leckagerückleitung verwendet wird. Hierdurch wird der Fertigungsaufwand des dargestellten erfindungsgemä­ ßen Injektors weiter verringert. Der dargestellte Injektor weist zwar ebenfalls eine axial verlaufende Leckageleitung 15 auf, jedoch erstreckt sich diese von oben nur bis unterhalb der Steuereinheit 12, wo die Leckageleitung 15 dann in die zentrische Bohrung 14 mündet. Die Verbindung der Leckagelei­ tung 15 mit der zentrischen Bohrung 14 erfolgt hierbei durch eine radiale Bohrung 16, die sich an der Mündungsstelle der Leckageleitung 15 von der äußeren Mantelfläche des Injektor­ gehäuse 2 bis nach innen zu der zentrischen Bohrung 14 erstreckt, wobei die Leckageleitung 15 angeschnitten wird, um den Eintritt von Leckageflüssigkeit aus der zentrischen Boh­ rung 14 in die Leckageleitung 15 zu ermöglichen. Eine derar­ tige, radial von der Mantelfläche des Injektorgehäuses 2 nach innen verlaufende Bohrung 16 erfordert zwar eine Abdichtung der äußeren Mündungsöffnung durch eine Kugel 17, ist jedoch fertigungstechnisch wesentlich einfacher als andere konstruk­ tive Möglichkeiten, die Leckageleitung 15 in die zentrische Bohrung 14 münden zu lassen.

Bei der Montage des Injektors wird die Steuereinheit 12 mit dem Servoventil, dem Ventilgehäuse 11 und dem Ventilkolben 9 in das Injektorgehäuse 2 hineingeschoben. Daraufhin wird dann die axiale Lage des Ventilkolbens 9 relativ zu dem Aktuator 6 eingestellt, indem die Länge des Ventilkolbens 9 beispiels­ weise durch Messen und Schleifen angepaßt wird.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gear­ teten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims (9)

1. Injektor für eine Einspritzanlage einer Brennkraftmaschi­ ne, mit
einem Injektorkopf (1), zum Anschließen an eine Einspritzlei­ tung,
einer Düse (13) zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brenn­ raum der Brennkraftmaschine,
einer Steuereinheit (12) zur Steuerung der Kraftstoffein­ spritzung sowie einem Aktuator (6) zur Ansteuerung der Steu­ ereinheit (12) zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung, wo­ bei an dem Injektorkopf (1) ein Injektorgehäuse (2) einstü­ ckig angeformt ist, das zumindest die Steuereinheit (12) auf­ nimmt,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Aktuator (6) auf einen Ventilkolben (9) wirkt, und zwischen dem Aktuator (6) und dem Ventilkolben (9) eine Feder (10) angeordnet ist, die den Aktuator (6) und den Ventilkol­ ben (9) axial auseinanderdrückt und daß
die Anlagefläche zwischen dem Aktuator (6) und dem Ventilkol­ ben (9) so groß ist, daß bei einem Schaltvorgang ein Flüssig­ keitsfilm zwischen den Kontaktflächen von Aktuator (6) und Ventilkolben (9) bestehen bleibt.

2. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Injektorkopf (1) ein Injektorgehäuse (2) einstückig ange­ formt ist, das die einzelnen Teile des Injektors ohne separa­ te Verbindungsmittel aufnimmt, mechanisch fixiert und axial gegeneinander verspannt.

3. Injektor nach einem der Ansprüch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einander zugewandten Stirnflächen des Aktuators (6) und/oder des Ventilkolbens (9) leicht konvex geformt sind, um einen Abriß des Flüssigkeitsfilms zu verhindern.

4. Injektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkolben (9) in einem separaten Ventilgehäuse (11) innerhalb des Injektorgehäuses (2) angeordnet ist, um eine ansonsten zur Härtung des Ventilsitzes erforderliche Wärmebehandlung des Injektorgehäuses (2) überflüssig zu ma­ chen.

5. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Mantelfläche des Injektorgehäuses (2) außen ein umlaufender Bund (5) angeformt ist, der als Auflage für eine Spannpratze dient, um den Injektor axial in einer Aufnahme­ bohrung in dem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine zu verspannen.

6. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Mantelfläche des Injektorgehäuses (2) außen Schlüsselflächen (4) für den Eingriff einer Spannpratze ange­ formt sind, um im montierten Zustand eine Verdrehung des In­ jektors zu verhindern.

7. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine im wesentlichen axial verlaufende Leckageleitung (15) vorgesehen ist, die unterhalb der Steuereinheit (12) in eine zentrische Bohrung (14) mündet, die zur Aufnahme einer Steu­ erstange sowie zur Leckagerückleitung dient.

8. Injektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Injektorgehäuse (2) eine im wesentlichen radial verlaufende Bohrung (16) angeordnet ist, die an der Mündungs­ stelle der Leckageleitung (15) von außen bis zu der zentri­ schen Bohrung (14) durchgeht, um die Leckageleitung (15) mit der zentrischen Bohrung (14) zu verbinden, wobei die äußere Mündungsöffnung der radialen Bohrung (16) im montierten Zu­ stand verschlossen ist.

9. Injektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Mündungsöffnung der radialen Bohrung (16) im montierten Zustand durch eine Kugel (17) verschlossen ist.