INJEKTOR MIT EINER SPAWNVORRICHTUWG ZUM EINEM IN EINEM ZYLINDERKOPF SOWIE SPANNVORRICHTUNG
Beschreibung
Injektor für die Kraftstoffeinspritzung mit einer Spannvorrichtung zum Einbau in einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine sowie Spannvorrichtung
Die Erfindung geht von einem Injektor für die Kraftstoffeinspritzung in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine aus, bei dem ein Injektorgehäuse (oberer Teil des Injektors) und ein Düsengehäuse (unterer Teil des Injektors) mittels einer Dusenspannmutter axial zusammengefügt sind, beziehungsweise von einer Spannvorrichtung nach der Gattung der nebengeordneten Ansprüche 1 und 10. Es ist schon bekannt, dass der Injektor zur Befestigung in eine Bohrung des Zylinderkopfes der Brennkraftmaschine eingeführt wird. Um einen sicheren Halt zu erhalten, greift am oberen Gehäuseteil des Injektorgehäuses eine Spannpratze ein, mit der der Injektor mit dem unteren Ende seines Düsengehäuses gegen eine Dichtfläche im Zylinderkopf gepresst wird. Die Spannpratze drückt mit großer Druckkraft auf das Gehäuse des Injektors, um die Dichtstelle zwischen dem Zylinderkopf und dem Injektor gegen den hohen Innendruck im Zylinder, der insbesondere bei der Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches entsteht, sicher abzudichten.
Es ist weiter bekannt, dass durch die große Druckkraft der Spannpratze das Injektorgehäuse minimal verkürzt wird. Die Verkürzung betrifft allerdings nur das Injektorgehäuse und das Düsengehäuse, da über diese Bauteile die Kraftlinien von der Spannkratze bis zur Dichtfläche in der Bohrung des Zylinderkopfes verlaufen. Dadurch kommt es zu einer relativen Verschiebung der sich im Injektor befindlichen Hochdruckdichtfläche in Bezug auf das Antriebselement und das Servoventil . Auf die im Innern des Injektors befindlichen beweglichen Teile, insbesondere auf das Antriebselement (Aktor) und das Servoventil wirken keine Kraftlinien, so dass deren Länge unverändert erhalten bleibt.
Bisher wurde dieses Problem dadurch gelöst, das man zwischen den beweglichen Teilen, insbesondere zwischen dem Antriebselement und dem Servoventil ein gewisses vergrößertes Spiel eingebaut hat . Dieses Spiel soll unter anderem die Verkürzung des Injektorgehäuses kompensieren. Das Spiel muss umso größer sein, je größer der Druck der Spannpratze auf den Injektor einwirkt. Ein großes Spiel hat jedoch den Nachteil, dass der durch die Verkürzung verursachte Anteil des Ventilhubs vom Antriebselement zusätzlich aufzubringen ist, um das Ventil insbesondere sicher öffnen zu können. Dadurch muss bei Verwendung eines piezoelektrischen Aktors als Antriebselement ein längerer und damit teuerer Aktor verwendet werden, da der piezoelektrische Aktor aus physikalischem Gründen nur einen relativ kleinen Hub erzeugen kann, der im Bereich von nur einigen Mikrometer liegt .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Injektor beziehungsweise eine Spannvorrichtung für den Injektor so wei- terzubilden, dass bei der Befestigung des Injektors in einer Bohrung des Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine die durch eine Spannpratze aufgebrachte Druckkraft nicht auf das Injektorgehäuse übertragen wird. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 1 und 10 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Injektor besteht ein wesentlicher Vorteil darin, dass auf dem Mantel des Injektorgehäuses eine druckresistente zylinderförmige Injektorhülse angeordnet wird. Die Injektorhülse weist an ihrem unteren Ende eine Auf- lagefläche auf, mit der sie sich gegen eine entsprechend geformte Gegenfläche der Dusenspannmutter abstützt. Durch diese Maßnahme wird die Druckkraft der Spannspratze, die am oberen Ende der Injektorhülse eingeleitet wird, in vorteilhafter Weise über die Injektorhülse direkt zur unten liegenden Dü- senspannmutter abgeleitet, so dass über das Injektorgehäuse keine Kraftlinien fließen, die zu einer unerwünschten Verkür-
zung des Injektorgehäuses führen können. Als besonders vorteilhaft wird dabei angesehen, dass das vorzusehende Spiel zwischen den beweglichen Teilen im Innern des Injektorgehäuses, insbesondere zwischen dem Antriebselement und dem Ser- voelement verringert und somit das Antriebselement für einen kürzeren Hubweg dimensioniert werden kann. Dadurch können Fertigungskosten eingespart werden.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den nebengeordneten Ansprüche 1 und 10 angegebenen Injektors beziehungsweise der Spannvorrichtung gegeben. Als besonders vorteilhaft erscheint die Lösung, dass die Injektorhülse an ihrem oberen Ende wenigstens eine Druckfläche aufweist, die mit der Injektorhülse entweder fest verbunden ist oder als separates Bauteil auf die Injektorhülse aufgesetzt ist. Das Kopfteil mit der Druckfläche kann dabei so ausgeformt sein, dass es bereits angepasste Aufnahmeflächen für die Spannpratze enthält. Diese Lösung wird als besonders günstig angese- hen, da das Kopfteil beispielsweise durch Fräsen leichter hergestellt werden, als wenn es zusammen mit der Injektorhülse gefertigt werden müsste.
Um die Spannpratze einfach zu montieren und zugänglich zu ma- chen, ist vorgesehen, die Länge der Injektorhülse so zu wählen, dass sie nach ihrem Einbau in der Bohrung eine vorgegebene Länge aus dem Zylinderkopf herausragt. Dadurch kann sehr einfach die Spannpratze an den dafür vorgesehenen Aufnahmeflächen angesetzt und die Spannpratze dann mit einem vorgege- benen Drehmoment angezogen werden.
Die Injektorhülse wird bezüglich ihres Durchmessers so bemessen, dass sie gegenüber dem Injektorgehäuse relativ verschiebbar ist. Dadurch ist sichergestellt, dass die Kraftli- nien, die beim Festziehen der Spannpratze in die Injektorhül-
se geleitet werden, vollständig vom Injektorgehäuse entkoppelt sind. Das Injektorgehäuse wird somit nicht belastet und kann sich daher auch nicht verkürzen.
Es ist weiterhin vorgesehen, dass der Innendurchmesser der Injektorhülse so bemessen ist, dass die Injektorhülse mit ihrer Innenwandung eng am Injektorgehäuse anliegt. Der Injektor erhält durch die Injektorhülse eine gute Stabilisierung und wird gegen seitliches Auslenken gestützt. Der Injektor kann dadurch sehr passgenau gegen die Dichtfläche in der Bohrung des Zylinderkopfes gepresst werden, so dass eine dauerhafte und zuverlässige Abdichtung entsteht.
Zur weiteren Stützung und Sicherung des Injektors ist vorge- sehen, die Injektorhülse an ihrer äußeren Mantelfläche mit wenigstens einer Rippe auszubilden, deren Höhe bis zur Innenwandung der Bohrung ausgebildet ist. Die Rippen können tan- gential oder alternativ axial angeordnet sein und stellen für den Einbau des Injektors sehr einfache Führungs- und Justage- hilfen dar.
Um eine möglichst gleichmäßige Druckverteilung auf die Injektorhülse aufbringen zu können, ist vorgesehen, dass die Spannpratze zwei gabelförmig ausgebildete Spannarme aufweist, zwischen die der Injektor einführbar ist. Somit kann die
Druckkraft der Spannpratze an zwei sich gegenüber liegenden Seiten auf die Injektorhülse gleichmäßig verteilt und übertragen werden. Hinzu kommt, dass durch die Gabelform der Spannpratze der Injektor leichter festgeschraubt oder auch leichter gelöst werden kann.
Es ist weiterhin vorgesehen, dass die Injektorhülse schon in der Fertigung beim Zusammenbau der einzelnen Bauteile auf dem Injektor angebracht wird. Üblicherweise werden das Injektor- gehäuse (Oberteil) und das unten angeordnete Düsenteil des
Injektors mit einer Dusenspannmutter verschraubt. Bevor die Dusenspannmutter aufgesetzt werden kann, muss die Injektorhülse auf das Oberteil aufgeschoben werden, damit sich später die Injektorhülse mit ihrer unteren Auflagefläche ge- gen die Gegenfläche der Dusenspannmutter abstützen kann. Eine separate Montage der Injektorhülse ist beim Einbau des Injektors in den Zylinderkopf nicht mehr erforderlich. Des weiteren sind bezüglich der Injektorhülse beim Einbau keinerlei Justagearbeiten zu beachten, da der Injektor mit seiner In- jektorhülse eine einzige Baueinheit bildet.
Um die Kraftlinien möglichst vollständig vom Injektorgehäuse fernzuhalten, ist alternativ auch vorgesehen, die Gegenfläche der Dusenspannmutter möglichst tief unten anzuordnen. Dieses kann zum Beispiel durch einen entsprechend ausgebildeten Verstärkungsring an der Dusenspannmutter erfolgen, der möglichst nahe an der Düsenspitze angeordnet wird, soweit dies die räumlichen Einbauverhältnisse zulassen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert .
Figur 1 zeigt einen handelsüblichen Injektor mit einer be- kannten Spannpratze,
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Injektorhülse,
Figur 3 zeigt ausschnittweise einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Injektor,
Figur 4 zeigt eine vergrößerte Teilansicht der Figur 3,
Figur 5 zeigt eine erfindungsgemäße Spannvorrichtung mit einer Injektorhülse und
Figur 6 zeigt eine erfindungsgemäße Dusenspannmutter mit einer Injektorhülse, als Ausschnitt.
In Figur 1 ist schematisch ein bekannter Injektor 40 dargestellt. Der Injektor 40 weist im oberen Bereich ein Injektor- gehäuse 4 auf, das mittels einer Dusenspannmutter 1 mit einem Düsegehäuse 5 verbunden ist, das in unteren Teil des Injektors 40 angeordnet ist. Das Düsengehäuse 5 nimmt in seinem Inneren das eigentliche Ventil, Servoventil usw. auf, mit dem die Kraftstoffinjektion, beispielsweise für ein Direktein- spritzverfahren eines Benzin- oder Dieselmotors gesteuert wird. Das Düsengehäuse 5 besitzt zu diesem Zweck an seinem unteren Ende eine Kegelspitze, an der in der Regel mehrere Spritzlöcher angeordnet sind, durch die der Kraftstoff seitlich austreten kann, wenn das Ventil angesteuert wird.
Das Injektorgehäuse 4 weist in seinem oberen Bereich eine o- der zwei sich gegenüberliegende Aussparungen auf, in die eine Spannpratze 3 greift. Die Spannpratze 3 wird mittels (in Figur 1 nicht dargestellten) Schrauben, die im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine eingelassen sind, so verschraubt, dass der Injektor 40 mit hoher Kraft mit seinem unteren Sitz gegen einen Dichtsitz im Zylinderkopf gepresst wird. Da die Druckkraft über die Spannpratze 3 relativ weit oben am Injektor 40 eingeleitet wird, bewirken die Kraftlinien, die über das In- jektorgehäuse 4 nach unten in Richtung der Dichtfläche am Zylinderkopf abgeleitet werden, dass das Injektorgehäuse 4 in axialer Richtung etwas verkürzt wird. Diese Verkürzung, die im μm-Bereich liegt, wird von den im Injektor 40 befindlichen beweglichen Bauteilen, beispielsweise dem Antriebselement und dem Servoventil nicht nachvollzogen, so dass ihre vorgesehene
freie Beweglichkeit, die für die Steuerung des Ventils unbedingt notwendig ist, eingeschränkt ist. Bisher wurde dieses Problem dadurch gelöst, dass die genannten beiden Bauteile mit einem entsprechend großen Spiel gefertigt und verbaut wurden .
Vollständigkeitshalber sei noch erwähnt, dass an dem oberen Ende des Injektorgehäuses 4 ein Anschlusskörper 7 vorgesehen ist, der sowohl die elektrischen Zuleitungen für die Steue- rung eines vorzugsweise piezoelektrischen Aktors sowie einen Hochdruckanschluss 6 für die Kraftstoffzufuhr aufweist.
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem im wesentlichen der zuvor beschriebene Injektor 40 mit den zu Figur 1 beschriebenen Teilen im Querschnitt dargestellt ist. Die Bezugszeichen mit gleicher Nummer haben die gleiche Bedeutung. Nachfolgend werden daher im wesentlichen nur die Unterschiede erläutert.
Bei dem erfindungsgemäßen Injektor 40 wurde zusätzlich das
Injektorgehäuse 4 mit einer zylinderförmigen Injektorhülse 2 ummantelt. Die Injektorhülse 2 ist aus einer geeigneten Stahllegierung druckresistent ausgebildet und weist an ihrem oberen Ende eine Kopfteil 10 auf, das mit der Injektorhülse 2 kraftschlüssig verbunden ist. Es wird entweder zusammen mit der Injektorhülse 2 einstückig oder als separates Bauteil hergestellt.
Das Kopfteil 10 weist wenigstens ein, vorzugsweise zwei sich gegenüber liegende Druckflächen 9, die zu Figur 5 später noch genauer erläutert werden. Auf diesen Druckflächen 9 wird eine entsprechend ausgebildete gabelförmige Spannratze 3 so angeordnet, dass sie nur die Injektorhülse 2, nicht aber das Injektorgehäuse 4 in axialer Richtung nach untern drückt.
Das untere Ende der Injektorhülse 2 weist eine Auflagefläche 11 auf, mit der sich die Injektorhülse 2 gegen eine entsprechend ausgebildete Gegenfläche 14 der Dusenspannmutter 1 abstützt.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dusenspannmutter 1 so ausgeformt ist, dass ihre Gegenfläche 14 stirnseitig angeordnet ist. Dadurch kann die Injektorhülse 2 mit ihrer Auflagefläche 11 so ausge- bildet werden, dass der Injektor 40 einen durchgehenden glatten, zylindrischen Körper bildet. Die Injektorhülse 2 ist dann als eigenständiges Bauteil fast nicht mehr zu erkennen.
Um dieses zu erreichen, muss die Injektorhülse 2 vor dem Zu- sammenschrauben des Injektorhäuses 4 mit dem Düsengehäuse 5 auf das Injektorgehäuse 4 aufgeschoben werden. Der Innendurchmesser ist so bemessen, dass die Injektorhülse 2 an der Außenwandung des Injektorgehäuses 4 eng anliegt, aber noch etwas verschiebbar ist. Seine Länge wird so bemessen, dass das Kopfteil 10 nach der Befestigung noch etwas aus dem Zylinderkopf herausragt, damit für die Spannpratze 3 ein guter Zugang zu den Druckflächen 9 besteht.
In Figur 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darge- stellt, bei dem der Aufbau des Injektors 40 als Längsschnitt dargestellt ist. Figur 3 zeigt eine Teilansicht des Injektors 40, die insbesondere den Bereich zwischen der Injektorhülse 2 und der Dusenspannmutter 1 betrifft.
Im oberen Bereich von Figur 3 ist ein Teil der Injektorhülse 2 erkennbar, die mit ihrer unteren Auflagefläche 11 stirnseitig auf einer Gegenfläche 14 der Dusenspannmutter 1 aufliegt. Es wird dabei angenommen, dass in dieser Position die Injektorhülse 2 fest gegen die Dusenspannmutter 1 gepresst wird. Die schraffierte Fläche im Innern des Injektors 40 ist als
Bodenplatte 20 gekennzeichnet, die von einem darüber angeordneten Antriebselement, insbesondere einem piezoelektrischen Aktor (in Figur 3 nicht näher dargestellt) in axialer Richtung nach unten betätigt werden kann. Die Bodenplatte 20 weist im unteren Bereich einen Zapfen auf, der auf .einen sich darunter befindlichen Ventilstößel 28 eines Servoventils 29 drückt. Zwischen dem Zapfen und der Injektorwand 4 befindet sich ein Leckageraum 24, der durch einen eingepressten Stahlring 22 und einen Faltenbalg 21 abgedichtet ist.
Im rechten oberen Teil von Figur 3 befindet sich eine Hochdruckbohrung 23, die mit Kraftstoff gefüllt ist. An der Schnittlinie A-A ist eine Hochdruckdichtfläche 26 ausgebildet, die durch das Zusammenfügen des Injektorgehäuses 4 mit dem Düsengehäuse 5 mittels der Dusenspannmutter 1 entsteht. Der unter der Schnittlinie A-A befindliche schraffierte Teil zeigt eine Ventilplatte 25 des Düsengehäuses 5. In der Ventilplatte 25 ist der Ventilstößel 28 beweglich angeordnet. Er wird von einem Federblech 30 nach oben gezogen, um in Ruhe- Stellung sicherzustellen, dass das Ventil geschlossen bleibt.
Genau an der Schnittlinie A-A ist zwischen dem Zapfen der Bodenplatte 20 und dem Ventilstößel 28 das Spiel S vorgesehen, das beispielweise 0,01 mm groß ausgebildet sein kann. Wie bereits erläutert, besitzt dieses Spiel S eine entscheidende Bedeutung für die einwandfreie Funktion des Injektors 40 nach der Befestigung im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine.
Figur 4 zeigt eine vergrößerte Teilansicht des Injektors 40 aus Figur 3. Es zeigt den Bereich mit der Schnittlinie A-A. Die Pfeilspitze zeigt im wesentlichen auf den Zapfen der Bodenplatte 20 und den darunter angeordneten Ventilstößel 28, zwischen denen das Spiel S vorgesehen ist. Wegen der geringen Größe ist das Spiel S in Figur 4 leider nicht maßstabsgerecht darstellbar. Das Spiel S ist lediglich dann vorhanden, wenn der Aktor nicht angesteuert ist und dadurch der Ventilstößel 28 durch das Federblech 30 nach unter gedrückt wird. Im ande-
ren Fall, wenn der Aktor angesteuert wird, muss zum Öffnen des Ventils der zum Öffnen des Ventils erforderliche Hubweg sowie auch das Spiel S überwunden werden.
Wurde dagegen - wie beim Stand der Technik möglich - das Spiel S durch das Verkürzen des Injektorgehäuses 4 zu klein, dann konnte es vorkommen, dass das Ventil nicht Kraftstoff dicht verschlossen wurde. Durch die erfindungsgemäße Ableitung der Kraftlinien über die Injektorhülse 2 kann dieses Problem dagegen nicht mehr auftreten.
Figur 5 zeigt eine erfindungsgemäße Spannvorrichtung mit einer Injektorhülse 2. An ihrem Kopfteil 10 sind vorzugsweise zwei sich gegenüberliegende Druckflächen 9 für die Spanpratze 3 eingearbeitet. Mittels einer Justagemarkierung 8 last sich die Montage orientierungsgerecht durchführen. Am unteren Ende der Injektorhülse 2 ist auf die Auflagefläche 11 hingewiesen.
In alternativer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, am äußeren Umfang der Injektorhülse 2 axiale oder ringförmige Führungsrippen anzuordnen, um eine sicher Führung und Fixierung in der Bohrung des Zylinderkopfes zu erhalten. Der Innendurchmesser DH entspricht praktisch dem Außendurchmesser des Injektorgehäuses 4, durch den der Injektor 40 gehalten wird.
In Figur 6 ist eine alternative Lösung für die Dusenspannmutter 1 gezeigt. Um die Kraftlinien möglichst tief einleiten zu können, ist im unteren Bereich der Dusenspannmutter 1 ein Auflagering 13 für die Injektorhülse 2 angeordnet. Die Injektorhülse 2 kann somit an der Gegenfläche 14 des Auflageringes 13 aufliegen. Unterhalb der Dusenspannmutter 1 ragt noch ein Teil des Düsengehäuses 15 heraus.