Beschreibung

Titel

Kraftstoffinjektor mit Magnetventil

Stand der Technik

DE 196 50 865 Al bezieht sich auf ein Magnetventil zur Steuerung des Kraftstoffdruckes in einem Steuerraum eines Einspritzventiles, etwa eines Common-Rail-Hochdruck- speichereinspritzsystems. über den Kraftstoffdruck im Steuerraum wird eine Hubbewegung eines Ventilkolbens gesteuert, mit dem eine Einspritzöffnung des Einspritzventiles geöffnet oder geschlossen wird. Das Magnetventil umfasst einen Elektromagneten, einen beweglichen Anker und ein mit dem Anker bewegtes und von einer Ventilschließfeder in Schließrichtung beaufschlagtes Ventilglied, das mit dem Ventilsitz des Magnetventiles zusammenwirkt und so den Kraftstoffabfluss aus dem Steuerraum steuert.

Es ist ein Common-Rail-Injektor für den Einsatz an Hochdruckspeicherräume umfassende Einspritzanlagen bekannt, wobei in einem Injektorkörper ein in einer Einspritzventilgliedfüh- rung geführtes Einspritzventilglied aufgenommen ist. Das Einspritzventilglied wird durch eine Druckbeaufschlagung bzw. eine Druckentlastung eines in der Einspritzventilgliedfüh- rung ausgebildeten Steuerraums betätigt. Der Steuerraum steht über ein Zufuhrdrosselele- ment mit einem Hochdruckraum in Verbindung, so dass es stets mit einem ausreichenden Steuervolumen befüllt ist. Der Druck im Steuerraum wird durch die Betätigung eines zweiteiligen Ankers entlastet, der durch ein Magnetventil angezogen wird. Der Anker übt im stromlosen Fall die Schließkraft auf eine Ventilkugel aus. Wenn der Elektromagnet bestromt wird, bewegt sich der Anker um den Ankerhub nach oben, die Schließkraft, die auf die Ventilkugel wirkt, wird null, und ein Abströmventil öffnet. Eine Ankerführung, die fest im Injektorkörper des Kraftstoffinjektors verschraubt ist, nimmt den Ankerbolzen auf. Auf dem Ankerbolzen wird die Ankerplatte geführt, die ihrerseits vom Elektromagneten angezogen wird.

Beim Common-Rail-Injektor wird der Hochdruckraum, der mit unter Systemdruck beaufschlagtem Kraftstoff befüllt ist, gegen einen darunter befindlichen Niederdruckraum abgedichtet, welcher sich koaxial zum Einspritzventilglied zwischen der Einspritzventilführung

und dem Injektorkörper erstreckt und als ein Leckageraum fungiert. Herkömmlicherweise wird hierzu ein Teflondichtring eingesetzt, der durch einen Stützring stabilisiert wird.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, anstelle der bisher eingesetzten Kombination eines Dichtringes aus Teflon und eines Stützringes, der unterhalb des Dichtringes aus Teflon eingesetzt wird, einen U-förmig profilierten Dichtring aus einem metallischen Material einzusetzen. Bei dem metallischen Material kann zum Beispiel ein weichgeglühter Stahl einge- setzt werden, der einen Kohlenstoffgehalt im Bereich zwischen 0,5 % bis 0,8 % aufweist.

Durch die Geometrie des Dichtringes in U-Form wird erreicht, dass dieser an seiner offenen Seite durch den im Hochdruckraum herrschenden Systemdruck, d. h. dem unter Hochdruck stehenden Kraftstoff, beaufschlagt wird und an seine Aufnahmefläche innerhalb des Kraftstoffinjektors gedrückt wird. Dadurch wird ein Hochwandern des Dichtringes verhindert, da der z. B. in einem Hochdruckspeicherkörper (Common-Rail) herrschende Systemdruck den U-förmig profilierten Dichtring zusätzlich an die im Injektorkörper ausgebildete Dichtfläche andrückt und ihm damit eine weit höhere bleibende Vorspannkraft erteilt, als dies bei den bisher eingesetzten Dichtringen aus Teflon der Fall ist. Durch die durch den Systemdruck erzeugte Vorspannkraft wird das Hochwandern des Dichtringes und damit die Aufhebung der Abdichtwirkung des Dichtringes wirksam verhindert, da die Bewegung des Dichtringes am Ventilstück innerhalb des Kraftstoffinjektors nach oben zusätzlich durch Selbsthemmung gehemmt wird.

Der erfindungsgemäß vorgeschlagene U-förmig profilierte Dichtring vermag nicht in den Spalt zwischen der Axialbohrung des Injektorkörpers und das in diese eingelassene Führung des Einspritzventilglieds hineinzuextrudieren, da das metallische Material nicht zum Verfließen im Rahmen einer plastischen Deformation neigt, im Vergleich zu einem Dichtring, der aus Teflonmaterial gefertigt wird. Des Weiteren kann durch die erfindungsgemäß vorge- schlagene Lösung auf den bisher eingesetzten Stützring verzichtet werden, da dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen U-förmig profilierten Dichtring die erforderliche mechanische Stabilität bereits innewohnt. Der erfindungsgemäß vorgeschlagene profilierte Dichtring kann anstelle eines U-Profiles auch eine V-förmige Profilierung oder eine rechteckförmige, gestuft ausgebildete Profilierung aufweisen je nach Einsatzzweck und Injektorbauweise.

Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.

Es zeigt:

Figur 1 einen Querschnitt durch einen mittels eines Magnetventils betätigbaren Kraftstoffinjektor gemäß des Standes der Technik und

Figur 2 eine Gegenüberstellung des aus dem Stand der Technik bekannten Abdichtungskonzeptes und der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Abdichtung inner- halb des Kraftstoffinjektors.

Ausführungsvarianten

Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Kraftstoffinjektor gemäß des Standes der Technik, der mittels eines Magnetventils betätigt wird.

Ein Kraftstoffinjektor 10 gemäß der Darstellung in Figur 1 umfasst einen Injektorkörper 12, in welchem ein Magnetventil 14 aufgenommen ist. Vom Magnetventil 14 sind in der Dar- Stellung gemäß Figur 1 ein Magnetkern 20 und die vom Magnetkern 20 umschlossene Magnetspule 22 dargestellt. Die Magnetspule 22 des Magnetventils 14 wird über in Figur 1 nicht dargestellte elektrische Anschlüsse bestromt. Im Injektorkörper 12 des Kraftstoffinjektors 10 ist eine Ankerbaugruppe 16 angeordnet, die eine Ankerführung 30, einen Ankerbolzen 32 sowie eine Ankerplatte 34 umfasst und mehrteilig ausgebildet ist. Zwischen der am An- kerbolzen 32 verschieblich gelagerten Ankerplatte 34 und einem unteren Anschlag an der Ankerführung 30 befindet sich eine Ankerfeder 36, welche die Ankerplatte 34 gegen den Ankerbolzen 32 vorspannt. Oberhalb der Ankerbaugruppe 16 befindet sich in einer Durch- gangsöffnung 24 des Magnetkerns 20 eine Schließfeder 18. Eine Einstellscheibe 26 ist von einer hutförmigen Sicherungshülse 28 umschlossen.

Die Ankerführung 30 der Ankerbaugruppe 16 gemäß der Darstellung in Figur 1 wird über eine Spannschraube 38 im Injektorkörper 12 des Kraftstoffinjektors 10 befestigt und gegen eine Einspritzventilgliedführung 58 mit einer dazwischen liegenden klassierten Einstellscheibe 42 vorgespannt..

In der Ankerführung 30 befinden sich Bohrungen 40, über welche aus einem Steuerraum 52 des Kraftstoffinjektors 10 abgesteuerte Steuermenge einem niederdruckseitigen Rücklauf 62 zuströmt.

An der Unterseite des Ankerbolzens 32 befindet sich eine Schließelementführung 44, die ein in Figur 1 kugelförmig dargestelltes Schließelement 46 teilweise umschließt. über den Ankerbolzen 32 der Ankerbaugruppe 16 wird das hier kugelförmig ausgebildete Schließele- ment 46 in seinen Schließsitz 48 gestellt und verschließt eine Ablaufdrossel 50 des Steuerraumes 52. Der Steuerraum 52 wird über eine Zulaufdrossel 54 mit unter Systemdruck stehendem Kraftstoff über einen Hochdruckraum 68 beaufschlagt. Der unter Systemdruck stehende Kraftstoff strömt dem Injektorkörper 12 des Kraftstoffinjektors 10 über einen Hoch- druckanschluss zu, über welchen der Kraftstoffinjektor 10 gemäß der Darstellung in Figur 1 mit einem Hochdruckspeicherraum eines Hochdruckeinspritzsystems wie z. B. einem Com- mon-Rail-Einspritzsystem für selbstzündende Verbrennungskraftmaschinen verbunden ist.

In der Darstellung gemäß Figur 1 ist das kugelförmig ausgebildete Schließelement 46 in seinen Schließsitz 48 gestellt. Demzufolge kann aus dem Steuerraum 52 des Kraftstoffϊnjek- tors 10 keine Steuermenge abfließen, der Steuerraum 52 ist mit Systemdruck beaufschlagt, so dass das in Figur 1 nur teilweise dargestellte, bevorzugt nadeiförmig ausgebildete Einspritzventilglied 56 in seinen Sitz gestellt bleibt, d. h. am brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors 10 ausgebildete Einspritzöffnungen zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine geschlossen bleiben.

Aus der Darstellung gemäß Figur 1 geht hervor, dass der Hochdruckraum 68 gegen einen Niederdruckraum 70, der sich im Wesentlichen koaxial zur Einspritzventilgliedführung 58 erstreckt, über einen Dichtring 64 aus Teflon und einen darunterliegend angeordneten Stützring 66 abgedichtet ist.

Aufgrund der Materialeigenschaften des Dichtringes 64 neigt dieser dazu, in einen sich zwischen der Einspritzventilgliedführung 58 und dem Injektorkörper 12 ergebenden Spalt hineinzuwandern. Des Weiteren hat der Dichtring 64, der aus Teflon gefertigt wird, die Eigenschaft, an der Außenseite der Einspritzventilgliedführung 58 hochzuwandern, so dass sich dieser von der abzudichtenden Stelle zwischen dem Hochdruckraum 68 und dem nieder- druckseitigen Spalt zwischen der Einspritzventilgliedführung 58 und der Innenwand des Injektorkörpers 12 entfernt, was einerseits zu Druckverlust im Hochdruckraum 68 führt und andererseits eine unerwünschte Leckage nach sich zieht und bis zum totalen Injektorausfall führen kann.

Der Darstellung gemäß Figur 2 ist das Abdichtungskonzept gemäß des in Figur 1 dargelegten Standes der Technik der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Abdichtung gegenüberge-

stellt, jeweils in stark vergrößertem Maßstab, wobei das vorgeschlagene Abdichtkonzept nicht maßstabgerecht als Funktionsbeispiel dargestellt ist.

Aus der Darstellung gemäß Figur 2 geht hervor, dass sich zwischen dem Außenumfang der Einspritzventilgliedführung 58 und der Bohrung des Injektorkörpers 12, in welche die Ein- spritzventilgliedführung 58 eingelassen ist, ein Niederdruckraum 70 bildet. Der Hochdruckraum 68, in den über einen Anschlussstutzen unter Systemdruck stehender Kraftstoff gelangt, ist gemäß des Standes der Technik über den Dichtring 64 aus Teflon und den darunterliegend angeordneten Stützring 66 abgedichtet, wie dies auf der linken Seite der Darstel- lung der Fig. 2 verdeutlicht ist.

Durch den im Hochdruckraum 68 anstehenden Systemdruck wird der Steuerraum 52 über die Zulaufdrossel 54 mit unter Systemdruck stehendem Kraftstoff befüllt, so dass gewährleistet ist, dass der Steuerraum 52 stets unter Systemdruck steht.

Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend wird anstelle der bisher eingesetzten Bauteile Dichtring 64 und Stützscheibe 66 ein U-förmig konfigurierter Dichtring 80 eingesetzt. Der in U-Form ausgebildete Dichtring 80 umfasst eine Anlagefläche 82, von der aus sich eine erste, sich in vertikale Richtung verjüngende Flanke 88, die mit ihrer Außenfläche an dem Umfang der Einspritzventilgliedführung 58 anliegt, und eine zweite, sich ebenfalls in vertikale Richtung verjüngende Flanke 90, die mit ihrer Außenfläche an einer Fläche des Injektorkörpers 12 anliegt, aus erstrecken. Die den ringförmig ausgebildeten Boden des Dichtringes 80 in U-Form bildende Anlagefläche 82 liegt auf einem Absatz, der im Injektorkörper 12 des Kraftstoffinjektors 10 ausgebildet ist, auf. Der in U-Form ausgebildete Dicht- ring 80 ist an seinem der Anlagefläche 82 gegenüberliegenden Ende offen und dem im Hochdruckraum 68 herrschenden Systemdruck ausgesetzt, angedeutet durch die in Figur 2 dargestellten, mit Bezugszeichen 86 versehenen Pfeile.

Durch die Geometrie des erfindungsgemäß vorgeschlagenen, U-förmig profilierten Dicht- rings 80 wird erreicht, dass der im Hochdruckraum 68 vorherrschende Systemdruck 86 die Abdichtwirkung des Dichtringes 80 unterstützt. Durch den im Hochdruckraum 68 herrschenden Systemdruck 86 wird einerseits der U-förmig ausgebildete Hohlraum des Dichtringes 80 mit Systemdruck beaufschlagt und sowohl die den Boden des Dichtringes 80 bildende Anlagefläche 82 in den Absatz des Injektorkörpers 12 gedrückt, als auch die erste, sich in vertikale Richtung zum offenen Ende hin verjüngende Flanke 88 als auch die zweite, sich ebenfalls in vertikale Richtung verjüngende Flanke 90 des Dichtringes 80 aufgeweitet und gegen ihre jeweiligen Anlageflächen gedrückt. Dies bedeutete, dass durch den Systemdruck 86 die erste, sich in vertikale Richtung verjüngende Flanke 88 gegen eine Anlageflä-

che 94 am Außenumfang der Einspritzventilgliedführung 58 und die zweite, sich ebenfalls in vertikale Richtung zum offenen Ende des Dichtringes 80 verjüngende Flanke 90 gegen eine Anlagefläche 96 an der Innenseite des Hochdruckraumes 68 im Injektorkörper 12 gedrückt werden.

Aufgrund der Geometrie des bevorzugt aus metallischem Material gefertigten, U-förmig profilierten Dichtringes 80 wird der Systemdruck 86, der gegen den Niederdruckraum 70 abzudichten ist, zur Erhöhung der Dichtkraft zur Verbesserung der Abdichtwirkung des U- förmig ausgebildeten Dichtringes 80 ausgenutzt. Durch die U-förmige Gestaltung des Dichtrings 80 werden die sich verjüngenden Flanken 88, 90 an ihren jeweiligen oberen Enden durch den Systemdruck 86 mit einer größeren Anpresskraft gegen ihre korrespondierenden Anlageflächen gedrückt als an der Basis der Flanken 88, 90 des Dichtrings 80. Dadurch wird ein Hinterströmen des Dichtrings 80 durch unter Hochdruck stehenden Kraftstoff entlang der Anlageflächen 94, 96 vermieden.

Die sich parallel zur Längsachse 60 des Kraftstoffinjektors 10 erstreckenden, sich in vertikale Richtung verjüngenden Flanken 88 und 90 weisen, ausgehend von der Anlagefläche 82 des ringförmigen Abdichtelementes 80 ausgehend, einen sich in vertikale Richtung, zum offenen Ende des Abdichtelementes 80 hin kontinuierlich oder diskontinuierlich verjüngen- den Querschnitt auf, so dass das Abdichtelement 80 selbsthemmend angeordnet ist. Die Selbsthemmung des Abdichtelementes 80 wird durch die durch den Systemdruck 86 noch verstärkte Anlage der Außenseiten der beiden Flanken 88, 90 an den entsprechenden Dicht- flächen 94 und 96 der Einspritzventilgliedführung 58 beziehungsweise des Injektorkörpers 12 noch erhöht. Die U-Form 84 des Abdichtelementes 80 wird bevorzugt über materialab- tragende Laserbearbeitung erzeugt, die eine hochpräzise Fertigung der sich in vertikale Richtung, parallel zur Längsachse 60 des Kraftstoffinjektors 10 erstreckenden, sich verjüngenden Flanken 88, 90 des bevorzugt aus einem metallischen Material oder einer Legierung mehrerer metallischen Materialien gefertigten Abdichtelementes 80 gewährleistet.

Neben der in Figur 2 dargestellten, sich kontinuierlich verjüngenden ersten Flanke 88 und der sich kontinuierlich verjüngenden zweiten Flanke 90 besteht darüber hinaus die Möglichkeit, die Flanken 88, 90 auch diskontinuierlich auszubilden. Eine diskontinuierliche Ausbildung der im Dichtring 80 ausgebildeten Profilierung 84 kann zum Beispiel durch eine recht- eckförmige Profilierung gegeben sein, die gestuft ausgebildet ist. In diesem Ausführungsbei- spiel liegt eine erste rechteckig ausgebildete Nut unterhalb der Stirnseite des Dichtringes 80, wobei sich eine ebenfalls rechteckig ausgebildete, teils ringförmig ausgebildete Nut unterhalb der ersten im Material des Dichtringes 80 ausgebildeten Profilierung erstreckt. Neben der Ausbildung der Flanken 88 und 90 im Zusammenhang mit der Darstellung gemäß Fig. 2

kann die U-Form 84 im Dichtring 80 auch V-förmig ausgebildet werden, oder eine Rechteckform aufweisen.

Ausführungsvarianten, bei welchen die Montage der Einspritzventilgliedführung 58 eine Verdrillung des Dichtringes 80 nach sich zieht, wird die der Einspritzventilgliedführung 58 zuweisende Flanke des Dichtringes 80 dicker ausgeführt. Die im Material des Dichtringes 80 ausgebildete Profilierung, bevorzugt in U-Form, wird in all ihren Ausführungsvarianten, bevorzugt im Wege der Lasertechnik, hergestellt.