DE69513880T2 - Kraftstoffdruckerzeugende Kolbenanordnung für eine druckgezündete Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung ist generell auf einen kraftstoffdruckerzeugenden Plungerkolbenaufbau für einen Kraftstoffinjektor eines druckgezündeten Motors (Dieselmotors) gerichtet, wobei der Kraftstoffinjektor mit Dieselkraftstoff betreibbar ist, der abrasive Partikel und die Schmierfähigkeit senkende Verunreinigungen enthalten kann, und betrifft insbesondere einen Kraftstoff unter Druck setzenden Plungerkolbenaufbau mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
• Kraftstoffinjektorplungerkolben werden benötigt, um unter extrem widrigen Umgebungsbedingungen in einem Kraftstoffinjektoraufbau zu arbeiten. Bei einem mechanischen Antriebszug werden hohe mechanische Kräfte auf den Plungerkolben sowohl in axialen als auch in tangentialen Richtungen ausgeübt. Der Plungerkolben muß sich innerhalb einer Bohrung im Injektorkörper hin- und herbewegen, der häufig deformiert ist, so daß das ursprüngliche Durchmesserspiel nicht beibehalten wird und der Plungerkolben gegen die Bohrungswand während des Injektorbetriebs gedrückt wird, was zu Abnutzung führt. Außerdem tragen minderwertige und verschmutzte Kraftstoffe zur Erzeugung widriger Betriebsbedingungen für den Plungerkolben bei.
• Das Plungerkolbenmaterial wurde über die Jahre hinweg in dem Versuch verbessert, einen Plungerkolben herzustellen, der sowohl abnutzungsresistent als auch verschleißresistent und so funktionstüchtig ist, wie es unter den widrigen Bedingungen der Kraftstoffinjektorumgebung notwendig ist. Jedoch stört Fremdkörperstaub eine effiziente Inkjektorfunktion. Fremdkörperstaub umfaßt Partikel, die härter als der Plungerkolben oder der Injektorkörper sind und die nicht innerhalb des Injektors vorhanden sein sollten. Diese Partikel werden in die Plungerkolbenoberfläche eingebettet und führen schließlich dazu, daß der Plungerkolben und der Körper sich miteinander verkeilen, so daß sich der Plungerkolben in der Injektorkörperbohrung nicht mehr hin- und herbewegen kann und reibverschweißt wird. Die Reduktion der Kraftstoffschmierfähigkeit, die durch Wasserverunreinigungen des Kraftstoffes verursacht sein könnte und eine Eigenschaft einiger alternativer Kraftstoffe sein kann, ist auch ein Faktor, der zum Reibverschweißen von Plungerkolben und Injektorkörper miteinander beiträgt. Der Injektorbetrieb wird natürlich unmöglich, wenn dies passiert.
• Die Sorten von Kraftstoff, die zunehmend in diesen Motoren verwendet werden, insbesondere Kraftstoffe mit niedriger Schmierfähigkeit, alternative Kraftstoffe und Kraftstoffe, die mit Wasser verunreinigt sein können, erfordern einen abnutzungsresistenten Kraftstoffinjektorplungerkolben, um einen effizienten Motorbetrieb aufrechtzuerhalten. Der aus dem Stand der Technik bekannte Plungerkolbenaufbau, der den Oberbegriff des Anspruchs 1 definiert (JP - A - 60 104 765), befaßt sich mit den Problemen bei einem Plungerkolbenaufbau mit einem Plungerkolben, der aus einem abnutzungs- und verschleißresistenten Keramikmaterial gebildet ist und in einer axialen Bohrung eines Körperabschnitts läuft, der aus Stahl hergestellt ist. Die Abriebresistenz von Keramiken soll ein Vorteil in bestimmten Umgebungen sein.
• Bei einem mechanischen Antriebszug führen die großen mechanischen Kräfte auf den Plungerkolben sowohl in axialen als auch in tangentialen Richtungen zu zusätzlichen Erfordernissen für das Durchmesserspiel des Plungerkolbens innerhalb der Bohrung des Injektorkörpers.
• Unter Berücksichtigung des Vorgenannten liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoff unter Druck setzenden Plungerkolbenaufbau für einen Kraftstoffinjekor eines druckgezündeten Motors (Dieselmotors) zu schaffen, wobei der Kraftstoffinjektor effizient in der Anwesenheit von großen axialen und tangentialen Kräften auf den Plungerkolben unter Berücksichtigung des verwendeten Kraftstoffes, der abrasive Partikel und die Schmierfähigkeit verringernde Verunreinigungen enthalten kann, betrieben werden kann.
• Die obige Aufgabe wird gelöst, indem ein Kraftstoff unter Druck setzender Plungerkolbenaufbau mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 in Kombination mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 vorgesehen wird. Der verwendete Plungerkolben ist verschleiß- und abnutzungsresistent und hält ein optimales Durchmesserspiel aufrecht, so daß er nicht steckt bzw. stecken bleibt während des Kraftstoffinjektorbetriebs, auch nicht unter widrigen Motorbetriebsbedingungen. Der Injektorplungerkolben ist aus einem Keramikmaterial mit einem Wärmeausdehnungskoeffizi enten hergestellt, der ausreichend mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kraftstoffinjektorkörpers korreliert ist, um ein optimales Arbeitsspiel zwischen dem Plungerkolben und dem Injektorkörper während des Motorbetriebs bereitzustellen, während eine Kraftstoffleckage um den Plungerkolben herum verhindert wird. Das Erreichen der optimalen Kraftstoffleckage um den Plungerkolben herum während des Motorbetriebs ist wichtig. Anstelle von Keramiken mit niedriger Wärmeausdehnung, was eine übermäßige Leckage ermöglicht, können Keramiken mit hoher Wärmeausdehnung die Kraftstoffleckage innerhalb akzeptabler Parameter halten.
• Weitere Verbesserungen des Kraftstoff unter Druck setzenden Plungerkolbenaufbaus der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden. Weitere Ziele und Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung deutlich.
• In der Zeichnung ist
• Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Kraftstoffinjektoraufbaus in einem Dieselmotor, der einen abriebresistenten, nicht klemmenden Plungerkolben gemäß der vorliegenden Erfindung enthält; und
• Fig. 2 eine graphische Darstellung der Dimensionen bzw. Maße der Injektorkörperbohrung und des Plungerkolbens der vorliegenden Erfindung für verschiedene Materialien bei verschiedenen Temperaturen.
• Der Plungerkolben in dem Kraftstoff unter Druck setzenden Plungerkolbenaufbau der Erfindung ist ein Mittel, um ein gesteuertes Volumen an Kraftstoff aus dem Kraftstoffinjektor einzuspritzen. Hierbei beeinflußt er die Zeitsteuerung der Kraftstoffeinspritzung. Nur in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist er als ein Zeitsteuerplungerkolben in einem engeren Sinne zu verstehen, d. h. als separater Zwischenplungerkolben in einer Mehrplungerkolbenanordnung, die bzw. der eine Zeitsteuerkammer steuert. Des weiteren kann der Kraftstoffinjektoraufbau gut sowohl eine Kraftstoffinjektoreinheit als auch ein Reihenkraftstoffinjektor sein.
• Der Kraftstoffinjektor-Plungerkolbenabrieb und das Kraftstoffinjektor-Plungerkolbenstecken sind eine Ursache für einen hohen Injektor-RPH (Reparaturen pro Hundert). Hohe Garantiekosten können vom Austausch von ausgefallenen und funktionsuntüchtigen Plungerkolben resultieren. Der Kraftstoffinjektorkörper-Plungerkolbenaufbau der vorliegenden Erfindung stellt einen zuverlässigen verschleißresistenten Plungerkolben bereit, der frei von Klemmen und von Abrieb bzw. Fressen ist, selbst wenn er extrem vorschriftswidrigen Motorbetriebsbedingungen ausgesetzt wird. Folglich verringert die vorliegende Erfindung sowohl den Injektor-RPH als auch die Garantiekosten effektiv, die durch ausgefallene und funktionsuntüchtige Plungerkolben verursacht werden.
• Bezugnehmend auf die Zeichnung illustriert Fig. 1 im Querschnitt eine Kraftstoffinjektoreinheit 10 mit offener Düse mit einem Plungerkolben 12. Diese Art von Krafstoffinjektor weist einen Körper 14 und eine Injektordüse 16 auf. Die Injektordüse 16 und der Körper 14 sind axial zueinander ausgerichtet und durch einen Halter 18 zusammengehalten. Eine axiale Bohrung 20 erstreckt sich durch die Länge des Körpers 14. Eine Vielzahl von beabstandeten Einspritzöffnungen 22 sind in der Düse 16 an dem Inkektorkappenende vorgesehen, um die Kraftstoffeinspritzung zu optimieren.
• Der Injektor 10 weist einen Plungerkolben 12 auf, der sich in dem Injektor zusammen mit einer Verbindung 24, die von einem Ende eines Kipphebels 26 angelenkt ist, axial hin- und herbewegt. Das andere Ende des Kipphebels 26 ist antriebsmäßig mit der Nockenwelle 28 über eine Stoß- bzw. Stößelstange 30 verbunden. Der Kipphebel 26 übt üblicherweise sowohl axiale als auch tangentiale Kräfte auf den Plungerkolben 12 während des Motorbetriebs aus. Pfeil (A) stellt die von dem Kipphebel 26 auf den Plungerkolben 12 ausgeübte axiale Kraft dar. Pfeil (B) stellt die von dem Kipphebel 26 auf den Plungerkolben 12 ausgeübte tangentiale oder Seitenkraft dar. Die von dem Kipphebel 26 auf den Plungerkolben 12, wenn sich dieser in dem Injektorkörper 14 hin und her bewegt, ausgeübte axiale Kraft kann bis auf 10,67 kN (2400 Pfund) ansteigen. Außerdem können diese axialen und tangentialen Kräfte bis zu 1690 bar (24.500 psi) durch die Abwärtsrichtung des Plungerkolbens, wenn er sich zur Injektordüse 16 hinbewegt, erzeugen. Hieraus resultiert eine Belastung von 1690 bar (24.500 psi), die auf den Plungerkolben in axialer Aufwärtsrichtung weg von der Düse 16 und zu dem Kipphebel 26 hin, wie durch Pfeil (C) gezeigt, wirkt.
• Der Keramikplungerkolben 12 ist größenmäßig an die Injektorkörperbohrung 20 angepaßt, um ein Durchmesserspiel von 1,93 bis 3,25 um (76-128 Millionstel eines Inch) zu bilden. Das Durchmesserspiel kann geringer als dasjenige bei bekannten Plungerkolbenauslegungen aufgrund der Unterschiede in der Wärmeausdehnung zwischen den derzeit erhältlichen Plungerkolben aus rostfreiem Stahl und dem Keramikplungerkolben 12 sein. Die vorgenannten Kräfte am Plungerkolben 12 und die Klemmkräfte am Injektorkörper 14 deformieren oftmals die axiale Bohrung, was das Durchmesserspiel verringert. Die vom Kipphebel erzeugte Seitenkraft (Pfeil B) drückt dann den Plungerkolben 12 gegen die Wand der Körperbohrung 20. Ein Plungerkolbenabrieb und -verschleiß tritt unter diesen Umständen auf. Die Anwesenheit von Fremdkörperstaub bzw. Fremdkörpern in der Injektorkörperbohrung verstärkt die Plungerkolbenprobleme unter diesen Belastungen.
• Die Härte bzw. Rauhigkeit der Plungerkolben-Betriebsumgebung wird ferner durch Kraftstoffe mit wenig Schwefel bzw. geringer Schmierfähigkeit und mit Wasser kontaminierte Kraftstoffe verstärkt. Ein Keramikplungerkolben hat viele Vorteile. Die Arten von Keramikmaterialien bewertet zur Verwendung als Plungerkolben sind viel härter als die derzeit für entweder für den Plungerkolben oder den Injektorkörper verwendeten Materialien. Des weiteren weist das Keramikmaterial eine geringe Reaktivität und eine geringe Neigung, sich mich Petrolium geschmierten Metallgegenflächen zu verschweißen, auf. Jedoch muß ein optimales Oberflächenfinish für das beste Gleitverschleißverhalten erzeugt werden.
• Plungerkolben, die aus Keramiken mit hoher Wärmeausdehnung, die Zirkon(di)oxid, Aluminiumoxid-Zirkon(di)oxid und Aluminiumoxid umfassen, hergestellt sind, haben demonstriert, daß sie eine wesentlich bessere Ab riebresistenz als aus Metall hergestellte Plungerkolben zeigen. Obwohl andere Keramiken, vorrangig Silizium-Nitrid, auch überragende Abriebfestigkeit zeigen, haben sich nur Keramiken mit hoher Wärmeausdehnung als geeignet zur Verwendung bei der Herstellung von Kraftstoffinjektoreinheit-Plungerkolben erwiesen. Die bevorzugten Keramikmaterialien, die bei der Herstellung von Kraftstoffinjektor-Plungerkolben verwendet werden, sind jene mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der größer als 6 · 10&supmin;&sup6;/ºC ist, und eine Härte größer als 800 kg/mm² besitzt. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der für den Plungerkolben ausgewählten Keramik sollte möglichst genau demjenigen des Metalls entsprechen, aus dem der Injektorkörper hergestellt wird.
• Fig. 2 vergleicht die Durchmesser der Injektorkörperbohrung 20 (Fig. 1) mit den Durchmessern eines derzeit verwendeten Plungerkolbens und zwei Keramikplungerkolben mit verschiedenen Durchmesserspielen. Kurve A stellt den Durchmesser der Injektorkörperbohrung 20 über den untersuchten Bereich der Temperaturen dar. Kurve B zeigt die Änderungen des Plungerkolbendurchmessers, wenn der Plungerkolben 12 aus rostfreiem Stahl hergestellt wird. Das Durchmesserspiel zwischen dem Plungerkolben aus rostfreiem Stahl und der Injektorkörperbohrung 20 in dem getesteten Aufbau betrug 5,0 um. Die Kurven C und D demonstrieren Durchmesserveränderungen im Plungerkolbendurchmesser für zwei Keramikplungerkolben bei verschiedenen Spielen. Das Durchmesserspiel zwischen dem Plungerkolben 12 und der Bohrung 20 betrug für den durch Kurve C dargestellten Aufbau 2,5 um, während das Spiel bei dem Plungerkolbenaufbau gemäß Kurve D 5,0 um betrug. Fig. 2 demonstriert deutlich, daß ein Keramikplungerkolben gemäß der vorliegenden Erfindung ein kleineres Durchmesserspiel in der Injektorkörperbohrung 20 aufweist als ein Plungerkolben aus rostfreiem Stahl und immer noch effektiv in der Anwesenheit von Kräften bzw. Belastungen, die während des Motorbetriebs auf den Plungerkolben ausgeübt werden, funktionieren kann.

Claims (5)

1. Kraftstoff unter Druck setzender Plungerkolbenaufbau für einen Kraftstoffinjektor (10) eines druckgezündeten Motors (Dieselmotors), wobei der Kraftstoffinjektor mit Dieselkraftstoff betreibbar ist, der abscheuernde Partikel und die Schmierfähigkeit senkende Verschmutzungen enthalten kann,

wobei der Plungerkolbenaufbau aufweist

eine axiale Bohrung (20), die innerhalb eines Körperabschnitts (14) des Kraftstoffinjektors (10) angeordnet ist, wobei die axiale Bohrung (20) eine innere Oberfläche des Körperabschnitts (14) mit einem vorbestimmten Bohrungsdurchmesser definiert, wobei der Körperabschnitt (14) aus einem Metall mit einem vorbestimmten Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildet ist,

einen Plungerkolben (12), der zur hin- und hergehenden Bewegung innerhalb der axialen Bohrung (20) eingebaut ist, wobei dieser Plungerkolben (12) aus einem abriebfesten, verschleißresistenten Keramikmaterial gebildet ist, und

ein Antriebszugmittel zur Ausübung einer periodischen, den Druck erzeugenden Kraft auf den Plungerkolben (12), wodurch ein gesteuertes Volumen an Kraftstoff aus dem Kraftstoffinjektor (10) in einen Motorzylinder an bzw. in gewünschten Intervallen während des Motorbetriebs eingespritzt wird, wobei diese druckerzeugende Kraft eine wesentliche Seitenbelastungskraft umfaßt, die dazu neigt, die äußere Oberfläche des Plungerkolbens (12) in Kontakt bzw. Anlage mit der umgebenden inneren Oberfläche der axialen Bohrung (20) zu drücken,

wobei der Plungerkolben (12) einen vorbestimmten Plungerkolbendurchmesser aufweist, der etwas geringer als der vorbestimmte Bohrungsdurchmesser ist, um ein Durchmesserspiel zwischen der axialen Bohrung (20) und dem Plungerkolben (12) zu bilden,

dadurch gekennzeichnet, daß

das Durchmesserspiel zwischen dem Plungerkolben (12) und der axialen Bohrung (20) 1, 93 bis 3,25 um (76-128 Millionstel eines Inch) beträgt,

das Keramikmaterial des Plungerkolbens (12) eine niedrige Reaktivität bzw. Reaktionsbereitschaft und eine geringe Affinität, mit der Kraftstoff geschmierten inneren Oberfläche der axialen Bohrung (20) zu verschweißen, und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der im wesentlichen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des den Körperabschnitt (14) bildenden Metalls entspricht, aufweist,

das verschleißresistente Keramikmaterial des Plungerkolbens (12) besitzt einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der größer als 6 · 10&supmin;&sup6;/ºC ist, und eine Härte größer als 800 kg/mm² aufweist.

2. Plungerkolbenaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material des Plungerkolbens (12) aus der Gruppe, bestehend aus Zirkon(di)oxid-, Aluminiumoxid-Zirkon(di)oxid- und Aluminiumoxid-Keramiken, ausgewählt ist.

3. Plungerkolbenaufbau nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Plungerkolben (12) axial betreibbar in dem Kraftstoffinjektorkörperabschnitt (14) zwischen einer Verbindung (24), die mit dem Antriebszug verbunden ist, und einem Düsenende der Kraftstoffinjektoreinheit (10) angeordnet ist.

4. Plungerkolbenaufbau nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebszug einen Kipphebel (26), eine Stoß- bzw. Stößelstange (30) aufweist, die sich betätigungsmäßig von einer Nockenwelle (28) zu einer Seite des Kipphebels (26) erstreckt, und die Verbindung (24) aufweist, die sich betätigungsmäßig von dem anderen Ende des Kipphebels (26) zu dem Plungerkolben (12) erstreckt, um den Plungerkolben (12) hin und her zu bewegen, wenn die Nockenwelle (28) rotiert, wobei eine hohe axiale Kraft auf den Plungerkolben (12) durch die Verbindung (24) ausgeübt wird, wenn der Plungerkolben (12) zur Einspritzdüse vorgeschoben wird, und gleichzeitig eine Seitenkraft auf den Plungerkolben (12) durch die Verbindung (24) ausgeübt wird, welche den Plungerkolben (12) zu der inneren Wand der axialen Bohrung (20) drückt.

5. Plungerkolbenaufbau nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Plungerkolben (12) ein Zeitsteuerplungerkolben ist.