Titel

Kraftstoffinjektor zur dosierten Abgabe von Kraftstoff

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor, wie er zur dosierten Abgabe von Kraftstoff insbesondere direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine Verwendung findet.

Stand der Technik

Kraftstoffinjektoren zur dosierten Abgabe von flüssigem Kraftstoff unter hohem Druck sind aus dem Stand der Technik bekannt. Verdichteter Kraftstoff wird dem Kraftstoffinjektor zugeführt und von diesem über Einspritzöffnungen mit geringem Durchmesser direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eindosiert. Die Dosierung geschieht mit Hilfe eines Ventilelements, insbesondere einer Düsennadel, die längsverschiebbar innerhalb des Kraftstoffinjektors angeordnet ist. Die Düsennadel gibt periodisch Einspritzöffnungen frei oder verschließt diese, so dass der Kraftstoff zum benötigten Zeitpunkt und in kurzer Zeit in den Brennraum eindosiert werden kann. Aufgrund des hohen Drucks des Kraftstoffs zerstäubt dieser beim Ausspritzen aus den Einspritzöffnungen und ergibt so einen feinen Kraftstoffnebel, der zusammen mit dem Luftsauerstoff im Brennraum ein zündfähiges Gemisch bildet.

Dabei ist der Kraftstoffinjektor verschiedenen Wärmebelastungen ausgesetzt. Zum einen werden durch das Verbrennen des Kraftstoffs im Brennraum hohe Temperaturen erzeugt, die zu einem beträchtlichen Wärmeeintrag in den Kraftstoffinjektors führen. Darüber hinaus wird der Kraftstoff beim Verdichten erwärmt, so dass auch über den Kraftstoff, der dem Kraftstoffinjektor zufließt, beständig Wärme zugeführt wird. Da übliche Kraftstoffinjektoren mit einer Düsennadel arbeiten, die mit engem Spiel innerhalb des Kraftstoffinjektors geführt ist, kann durch den Wärmeeintrag das enge Führungsspiel beeinträchtigt werden, was zu erhöhtem Verschleiß an der Düsennadel führt. Darüber hinaus kann es zu einer Wärmeüberbelastung des Kraftstoffinjektors kommen und damit zu einer Erweichung des Materials, was die Lebensdauer des Kraftstoffinjektors einschränkt.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die Wärmebelastung insbesondere im Bereich des Düsenkörpers, also des Bereichs, der dem Brennraum am nächsten ist, begrenzt wird, wodurch die Lebensdauer verlängert und die Dosiergenauigkeit während der Lebensdauer des Kraftstoffinjektors erhalten bleibt. Dazu weist der Kraftstoffinjektor ein Gehäuse auf, das einen Haltekörper und einen Düsenkörper umfasst. Im Düsenkörper ist ein mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbarer Druckraum ausgebildet, in dem ein bewegliches Ventilelement zum Öffnen und Schließen einer im Düsenkörper ausgebildeten Einspritzöffnung angeordnet ist. Der Düsenkörper weist einen zylindrischen Schaftabschnitt auf, an dessen Ende die Einspritzöffnung ausgebildet ist. Weiter umfasst der Kraftstoff injektor eine Spannmutter, die mit einem nach innen ragenden Absatz eine Spannschulter am Düsenkörper hintergreift und die in ein Gewinde am Haltekörper eingeschraubt ist, so dass der Düsenkörper gegen den Haltekörper verspannt ist. Den Schaftabschnitt umgibt eine Wärmeleithülse, die in einen Hinterschnitt an der Innenseite des Absatzes der Spannmutter eingreift und die einen thermischen Kontakt zur Spannmutter bildet.

Der Düsenkörper ist durch die Hitze im Brennraum einer großen Wärmebelastung ausgesetzt. Um diese zu mindern, ist die Wärmeleithülse an der Außenseite des Schaftabschnitts des Düsenkörpers angebracht und leitet die Wärme, die in den Düsenkörper eingebracht wird, von diesem weg und überträgt die Wärme auf die Düsenspannmutter, von wo aus sie weiter vom Brennraum weggeleitet wird. Dadurch kann die Temperatur des Düsenkörpers soweit abgesenkt werden, dass die Funktionalität über die Lebensdauer nicht beeinträchtigt wird. Damit die Düsenspannmutter genügend Wärme ableiten kann, muss sie aus einem gut wärmeleitenden Werkstoff gefertigt werden. Solche Werkstoffe, wie beispielsweise Kupfer, sind jedoch meist mechanisch nicht stark belastbar. Da die Düsenspannmutter einer hohen mechanischen Belastung ausgesetzt ist, kann sie meist nicht aus solchen Materialen gefertigt werden. Die erfindungsgemäße Wärmeleithülse ist jedoch nur an der Innenseite der Düsenspannmutter mit dieser im thermischen Kontakt und ist keiner großen mechanischen Belastung ausgesetzt. Die Wärmeleithülse kann deshalb unabhängig von der Düsenspannmutter gefertigt werden, und die Materialien sowohl für die Düsenspannmutter als auch für die Wärmeleithülse können für die jeweilige Aufgabe optimal gewählt werden, also ein gut Wärme leitendes Material für die Wärmeleithülse und ein mechanisch hochbelastbares Material für die Spannmutter. Die Wärmeabfuhr aus dem Düsenkörper kann damit optimiert werden, ohne die mechanische Stabilität zu beeinträchtigen.

Dieser Aufbau bietet darüber hinaus den Vorteil, dass die Wärmeleithülse bei verschiedenen Injektoren eingesetzt werden kann, ohne dass dafür spezielle Material- oder Formanpassungen notwendig sind, solange die Düsenspannmutter eine entsprechende Aufnahme für die Wärmeleithülse aufweist. Die Abdichtung zum Brennraum ist durch die Düsenspannmutter oder durch ein gesondertes Abdichtteil, beispielsweise eine Dichtscheibe, gewährleistet.

In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist an der Innenseite des Absatzes eine den Hinterschnitt bildende Anschrägung ausgebildet. In vorteilhafter Weise weist die Wärmeleithülse an ihrem Ende, das innerhalb der Düsenspannmutter angeordnet ist, eine entsprechende Kröpfung auf, so dass sie in den Hinterschnitt der Düsenspannmutter eingreift, so dass einfach eine mechanische Fixierung der Wärmeleithülse in diesem Bereich erfolgt. Die Innenseite des Absatzes kann auch konisch ausgebildet sein, wobei die Wärmeleithülse dann an ihrem Ende einen entsprechenden konischen Abschnitt aufweist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist an der Innenseite des Absatzes der Spannmutter ein Gewinde ausgebildet, in das die Wärmeleithülse mit einem an ihrem Ende ausgebildeten entsprechenden Außengewinde eingeschraubt ist. Damit kann einfach eine mechanisch stabile Verbindung zwischen der Wärmeleithülse und der Düsenspannmutter hergestellt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist an der Innenseite des Absatzes eine Oberflächenprofilierung ausgebildet, in die die Wärmeleithülse verpresst ist. Vor dem Einschrauben der Düsenspannmutter wird die Wärmeleithülse innerhalb des Absatzes der Düsenspannmutter positioniert und dann durch einen einmaligen Pressvorgang mit dieser Oberflächenprofilierung des Absatzes verbunden, um eine mechanisch stabile Verbindung zwischen der Wärmeleithülse und der Düsenspannmutter herzustellen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist zwischen der Düsenspannmutter und dem Schaftabschnitt des Düsenkörpers im Bereich des Absatzes ein Spalt ausgebildet. Aufgrund des hohen Drucks im Druckraum des Düsenkörpers, der beim Betrieb des Kraftstoffinjektors periodisch schwankt, kommt es zu einer radialen Aufdehnung des Düsenkörpers im Bereich des Schaftabschnitts von wenigen Mikrometern. Um diese Bewegung nicht zu behindern und damit eine mechanischen Belastung des Düsenkörpers zu induzieren, ist der Spalt vorgesehen, der jedoch nur im Bereich des Absatzes ausgebildet ist. Ansonsten umgibt die Wärmeleithülse den Schaftabschnitt des Düsenkörpers zumindest abschnittsweise sehr eng, so dass eine entsprechend gute Wärmeübertragung zwischen dem Düsenkörper und der Wärmeleithülse gewährleistet ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Wärmeleithülse aus einem gut wärmeleitenden Metall gefertigt. In vorteilhafter Weise ist das Metall Kupfer, Aluminium oder eine Legierung, die wenigstens eines dieser Metalle enthält. Da die Wärmeleithülse aus einem solche Metall im Verhältnis zu Stahl relativ weich ist, kann sie sich gut an den Düsenkörper anlegen und einen guten Wärmekontakt bilden. Zeichnung

In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kraftstoff! njektors dargestellt. Es zeigt

Figur 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoff! njektor im Bereich des Düsenkörpers in seiner Einbaulage in einem Zylinderkopf, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,

Figur 2 eine Vergrößerung des mit II bezeichneten Ausschnitts der Figur 1 im Bereich des Absatzes der Düsenspannmutter und die

Figuren 3, 4, 5 und 6 weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors in der gleichen Darstellung wie Figur 2.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßer Kraftstoff! njektor im Längsschnitt dargestellt, wobei der Kraftstoffinjektor in Einbaulage im Zylinderkopf 5 einer ansonsten nicht näher gezeigten Brennkraftmaschine gezeigt ist. Der Kraftstoff! njektor weist ein Gehäuse 1 auf, das einen Haltekörper 2 und einen Düsenkörper 3 umfasst, die durch eine Spannmutter 4 flüssigkeitsdicht gegeneinander verspannt sind. Der Kraftstoffinjektor ist in eine Aufnahmebohrung 25 im Zylinderkopf 5 aufgenommen, wobei die Aufnahmebohrung 25 gestuft ausgebildet ist und einen Ringabsatz 14 ausbildet, an der der Kraftstoffinjektor 1 mit der Spannmutter 4 aufliegt. Im Düsenkörper 3 ist ein Druckraum 6 ausgebildet, der über eine in der Zeichnung nicht dargestellte Zulaufbohrung mit Kraftstoff unter hohem Druck be- füllbar ist. Im Druckraum 6 ist ein nadelförmiges Ventilelement 7 längsverschieb- bar angeordnet, das an seinem in der Zeichnung unteren Ende mit einem Ventilsitz 8 zum Öffnen und Schließen mehrerer Einspritzöffnungen 9 zusammenwirkt, die am brennraumseitigen Ende des Düsenkörpers 3 ausgebildet sind. Das Ventilelement 7 ist mit seinem dem Ventilsitz 8 abgewandten Ende in einer Hülse 10 geführt, so dass durch den Haltekörper 2, die Hülse 10 und in das Ventilelement 7 ein Steuerraum 26 begrenzt wird, in dem mit Hilfe eines in der Zeichnung nicht gezeigten, aber aus dem Stand der Technik hinreichend bekannten Steuerventils ein wechselnder Kraftstoff druck einstellbar ist. Zwischen der Hülse 10 und einem Stützring 12, der sich an einem Absatz des Ventilelement 7 abstützt, ist eine Schließfeder 11 unter Druckvorspannung angeordnet, durch deren Kraft das Ventilelement 7 einerseits gegen den Ventilsitz 8 und die Hülse 10 andererseits gegen den Haltekörper 2 gedrückt wird. Die Bewegung des Ventilelements 7 innerhalb des Druckraums erfolgt durch Ändern des Drucks im Steuerraum 26. Wird der Druck im Steuerraum 26 abgesenkt, so bewegt sich das Ventilelement 7 vom Ventilsitz 8 weg und gibt einen Kraftstofffluss aus dem Druckraum 6 zu den Einspritzöffnungen 9 frei, wodurch der Kraftstoff in den Brennraum gelangt und aufgrund des hohen Druckes fein zerstäubt wird. Zur Beendigung der Einspritzung wird der Druck im Steuerraum 26 wieder angehoben, was das Ventilelement 7 zurück in Anlage an den Ventilsitz 8 drückt.

Die Spannmutter 4 hintergreift mit einem nach innen ragenden Absatz 15 den Düsenkörper 3 und liegt mit diesem Absatz 15 an einer Spannschulter 17 des Düsenkörpers 3 an. Auf der linken Seite der Figur 1 ist diese Anordnung gezeigt, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die rechte Seite der Figur 1, das heißt die rechte Seite bezüglich der Längsachse 13 des Ventilelements 7, zeigt die erfindungsgemäße Wärmeleithülse 20, die zwischen der Wand der Aufnahmebohrung 25 und dem Schaftabschnitt 18 des Düsenkörpers 3 angeordnet ist. Die Wärmeleithülse 20 besteht aus einem die Wärme gut leitenden Material, beispielsweise Kupfer und umgibt den Schaftabschnitt 18 des Düsenkörpers 3 rundum mit nur geringem Spiel, um eine gute Wärmeübertragung vom Düsenkörper 3 zur Wärmeleithülse 20 zu ermöglichen. Die Wärmeleithülse 20 ragt bis in den Spalt, der zwischen dem Absatz 15 der Spannmutter 4 und dem Schaftabschnitt 18 des Düsenkörpers 3 ausgebildet ist.

Zur axialen Fixierung der Wärmeleithülse 20 ist an der Innenseite 16 des Absatzes 15 ein Hinterschnitt vorgesehen, hier in Form einer Anschrägung. Die Wärmeleithülse 20 weist an ihrem Endabschnitt, der innerhalb des Spalts zwischen dem Absatz 15 und dem Schaft 18 angeordnet ist, eine Kröpfung auf, wie in Figur 2 dargestellt, die eine Vergrößerung des mit II bezeichneten Ausschnitts der Figur 1 darstellt. Die Wärmeschutzhülse 20 greift so in den Hinterschnitt 22 ein und fixiert die Wärmeleithülse 20 in Längsrichtung. Die Montage der Wärmeleithülse 20 kann entweder vor dem Anschrauben der Spannmutter 4 erfolgen oder auch beim fertig montierten Kraftstoffinjektor, wobei die Wärmeleithülse 20 nach dem Einführen in den Spalt zwischen dem Absatz 15 und dem Schaft 18 mit der Kröpfung 23 nach außen federt und in den Hinterschnitt 22 eingreift.

Figur 3 zeigt in der gleichen Darstellung wie Figur 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel. Hierbei ist an der Innenseite des Absatzes 15 ein Konus 122 ausgebildet, der den Hinterschnitt 22 bildet. Entsprechend weist die Wärmeleithülse 20 einen konischen Abschnitt 122 auf, der in diesen Hinterschnitt 22 eingreift.

Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel in der gleichen Darstellung wie Figur 2. Hierbei ist der Hinterschnitt 22 durch ein konisches Innengewinde 222 gebildet, das an der Innenseite 16 des Absatzes 15 ausgebildet ist. Die Wärmeleithülse 20 weist ein entsprechendes Außengewinde 19 auf, so dass die Wärmeleithülse 20 durch Eingreifen in das Innengewinde 222 in ihrer Lage fixiert wird. Hier ist eine Montage zwingend erforderlich, bevor die Spannmutter 4 auf dem Gehäuse 1 festgeschraubt wird.

In Figur 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Hierbei ist - sehr ähnlich zu Figur 4 - ein Innengewinde 222' an der Innenseite 16 des Absatzes 15 ausgebildet. Dies ermöglicht, die Wärmeleithülse 20 auch nach fertiger Montage des Kraftstoffinjektors einzuschrauben und dort zu fixieren. Auch ein Austausch der Wärmeleithülse 20 am fertig montieren Kraftstoffinjektor ist so möglich.

In Figur 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem an der Innenseite 16 des Absatzes 15 eine Profilierung 322 ausgebildet ist. Die Wärmeleithülse 20 wird mit dem Endabschnitt, der innerhalb des Spalts zwischen dem Absatz 15 und dem Schaft 18 angeordnet ist, in die Profilierung 322 eingepresst, was vor der Montage der Düsenspannmutter 4 erfolgen muss. Dadurch ergibt sich eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Wärmeleithülse 20 und dem Absatz 15. Diese Verbindung zwischen Spannmutter 4 und Wärmeleithülse 20 ist in der Regel nicht mehr zerstörungsfrei lösbar.

Die Wärmeleithülse 20 besteht aus einem Metall, das gut wärmeleitend ist. Insbesondere eignen sich dafür Kupfer oder Aluminium oder Legierungen, die wenigstens eines dieser beiden Metalle enthalten. Da der Düsenkörper in der Regel aus Stahl gefertigt ist, der eine relativ schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweist, erfolgt die Wärmeleitung im Wesentlichen über die Wärmeleithülse 20. Diese leitet die Wärme über die Düsenspannmutter weiter, entweder an den Motorblock 5 oder auch an den Haltekörper 2 des Kraftstoffinjektors. Um einen guten Wärme- Übergang vom Schaft 18 zur Wärmeleithülse 20 zu gewährleisten, ist die Wärmeleithülse eng an den Schaft 18 angepasst. Nur im Bereich der Düsenspannmutter ist ein Spalt 21 zwischen der Wärmeleithülse 20 und dem Schaft 18 vorgesehen, damit der Düsenkörper 3 bei seiner periodischen Aufweitung infolge des sich ändernden hohen Kraftstoffdruckes im Druckraum 6 nicht behindert wird, was zu zusätzlichen mechanischen Spannungen innerhalb des Düsenkörpers 3 führen würde.