Kraftstoffinjektor

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor, insbesondere einen Common-Rail- Injektor für selbstzündende Brennkraftmaschinen, mit den Merkmalen des Ober- begriffs des Anspruchs 1.

Ein gattungsgemäßer Kraftstoffinjektor ist aus der DE 10 2014 225 293 A1 der Anmelderin bekannt. Der bekannte Kraftstoffinjektor zeichnet sich durch ein Schaltventil mit einem Ventilsitz aus, der an einem Ventilstück ausgebildet ist.

Das Ventilstück ist in einem Haltekörper des Kraftstoffinjektors aufgenommen und mittels einer Ventilspannschraube axial gegen einen stufenförmigen Absatz am Haltekörper gepresst, wobei der Absatz und das Ventilstück einen Dichtbe- reich mit zwei Dichtflächen ausbilden. Dabei wirkt die Ventilspannschraube unter Zwischenlage eines im Querschnitt dreiecksförmigen Druckrings gegen eine am Ventilstück radial umlaufende, schräg angeordnete Fläche.

Der mit einer Stirnseite eines Magnetankers zusammenwirkende Ventilsitz am Ventilstück dient mittelbar der Betätigung einer Düsennadel. Wesentlich dabei ist, dass dabei einerseits der Ankerhub des Magnetankers so groß eingestellt wer- den kann, dass eine Sitzdrosselung am Ventilsitz vermieden wird, und dass der Ankerhub auf der anderen Seite möglichst klein ist, um eine gewünschte Dyna- mik des Magnetankers bei relativ geringer elektrischer Leistung des Magnetak- tors zu ermöglichen.

Weiterhin geht die Tendenz bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen zu immer höheren System- bzw. Kraftstoffdrücken, die typischerweise mehr als 2000bar, zukünftig mehr als 2500bar betragen können. Der Kraftstoffdruck wirkt innerhalb des Kraftstoffinjektors über einen Hochdruckraum auch auf das Ventilstück und bewirkt dadurch eine Verringerung des maximalen Ankerhubs, da das Ventilstück bzw. der Ventilsitz zusammen mit dem Magnetanker bei ortsfest angeordnetem oberen Ankerhubanschlag nach oben, bzw. vom Hochdruckraum, in dem die Dü- sennadel angeordnet ist, gedrückt wird. Die aus der genannten Schrift bekannte Dichtgeometrie zwischen dem stufenförmigen Absatz an dem Haltekörper und der gegengleichen Dichtfläche an dem Ventilstück hat sich diesbezüglich als nicht optimal herausgestellt, da er eine relativ große axiale Verschiebung des Ventilsitzes in Richtung des oberen Ankerhubanschlags zur Folge haben kann.

Offenbarung der Erfindung

Der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass selbst bei relativ hohen System- bzw. Kraftstoffdrücken im Kraftstoffinjektor der maximale Ankerhub relativ wenig reduziert wird. Dadurch kann bei der Einstellung des maximalen Ankerhubs bei der Fertigung des Kraft- stoffinjektors ein relativ kleiner Ankerhub eingestellt werden, was sowohl auf die gewünschte Ankerdynamik als auch auf einen möglichst geringen Energiebedarf für den Magnetaktor von Vorteil ist.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, durch eine vorteilhafte geometrische Ge- staltung zwischen den Dichtflächen am Ventilstück und am Haltekörper die Ver- formung des Ventilstücks in axialer Richtung auch bei relativ hohen Betriebsdrü- cken zu reduzieren. Insbesondere wird durch die vorgeschlagene Geometrie im Bereich der Dichtflächen eine Krafteinleitung, hervorgerufen durch den hydrauli- schen Druck in das Ventilstück derart geändert, dass die in Längsrichtung des Ventilstücks wirkenden Verformungskräfte reduziert werden.

Konkret schlägt es die Lehre der Erfindung vor, dass die an dem Ventilstück ausgebildete erste Dichtfläche, die mit einer zweiten Dichtfläche zusammenwirkt, in Bezug zur Längsachse des Ventilstücks in einem schrägen Winkel angeordnet ist. Eine derartige Anordnung der ersten Dichtfläche in einem schrägen Winkel begünstigt eine gegenüber dem Stand der Technik modifizierte Einleitung der hydraulischen Kräfte in das Ventilstück und führt zu einer Reduzierung dessen Längsdehnung.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors sind in den Unteransprüchen aufgeführt. Als besonders vorteilhaft haben sich schräge Winkel an der ersten Dichtfläche des Ventilstücks zwischen 30° und 60° herausgestellt, wobei der schräge Winkel vorzugsweise 45° beträgt. Dies deshalb, weil dieser Winkel bzw. Winkelbereich ein Kompromiss zwischen der aufgrund von Toleranzen geforderten Montierbar- keit einerseits und der geforderten Dichtheit aufgrund der Schrägstellung der auf die erste Dichtfläche wirkenden Reaktionskraft zur Minimierung der vertikalen Sitzverformung an

dererseits darstellt.

Insbesondere ist die erste Dichtfläche an einem im Durchmesser vergrößerten Abschnitt des Ventilstücks an einer dem Spannelement abgewandten Stirnseite angeordnet.

Hinsichtlich der fertigungstechnischen Ausgestaltung einer mit der ersten Dicht- fläche zusammenwirkenden zweiten Dichtfläche gibt es mehrere Möglichkeiten.

In einer ersten Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass die zweite Dichtfläche mo- nolithisch und gegengleich zur ersten Dichtfläche am Haltekörper ausgebildet ist. Eine derartige Ausbildung der zweiten Dichtfläche ermöglicht es, die (schräge) zweite Dichtfläche ohne Verwendung separater Bauteile auszubilden.

In alternativer Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass die zweite Dichtfläche an einem von dem Haltekörper separaten, ringförmigen Bauteil ausgebildet ist. Eine derartige Ausgestaltung hat den Vorteil, dass durch die Fertigung eines stufen- förmigen Absatzes am Haltekörper gegenüber der zunächst genannten Variante, bei der die zweite Dichtfläche schräg und monolithisch an dem Haltekörper aus- gebildet ist, die Fertigung des Haltekörpers vereinfacht ist.

Konkret wird bei der Verwendung eines separaten, ringförmigen Bauteils zur Ausbildung der zweiten Dichtfläche vorgeschlagen, dass das separate Bauteil im Querschnitt dreiecksförmig ausgebildet ist und eine mit einer senkrecht zur Längsachse angeordneten dritten Dichtfläche versehen ist, die mit einer am Hal- tekörper ausgebildeten vierten Dichtfläche zusammenwirkt.

Um den Montageprozess zu vereinfachen und ggf. vorhandene Bauteiltoleranzen auszugleichen, ist es von Vorteil, wenn zwischen dem separaten Bauteil und ei- ner radial um die Längsachse des Ventilstücks umlaufenden, das Bauteil um- schließenden Wand des Haltekörpers ein Radialspalt ausgebildet ist.

Eine weitere ggf. vorteilhafte Beeinflussung des Verformungsverhaltens der Bau- teile lässt sich erzielen, wenn das separate Bauteil aus einem gegenüber dem Material des Haltekörpers und/oder dem Material des Ventilstücks unterschiedli- chen Material besteht.

Die Erfindung zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass das Schaltventil einen mit dem Ventilsitz zusammenwirkenden Magnetanker als Aktor des Schaltventils aufweist.

Insbesondere werden die vorteilhaften Auswirkungen des Kraftstoffinjektors er- zielt, wenn dieser dazu ausgebildet ist, mit einem Systemdruck von über 2000bar betrieben zu werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.

Diese zeigt in:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt durch eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors im Bereich des Schalt- ventils und

Fig. 2 ein Detail der Fig. 1 bei einer gegenüber der ersten Ausführungsform abgewandelten Ausgestaltung des Haltekörpers.

Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.

Der in der Fig. 1 ausschnittsweise dargestellte Kraftstoffinjektor 10 ist als soge- nannter Common-Rail-Injektor ausgebildet und dient dem Einspritzen von Kraft- stoff in den nicht gezeigten Brennraum einer selbstzündenden Brennkraftma- schine. Der Einspritz- bzw. Systemdruck kann dabei insbesondere mehr als 2000bar betragen.

Der Kraftstoffinjektor 10 weist einen Haltekörper 12 auf, in dem ein Ventilstück 14 als Bestandteil eines Schaltventils 15 angeordnet ist. Das Ventilstück 14 weist eine Bohrung auf, in die ein axialer Endbereich einer Düsennadel 16 eintaucht. Die Düsennadel 16 ist entlang einer Längsachse 18, die gleichzeitig die Längs- achse 18 des Ventilstücks 14 ausbildet, hubbeweglich angeordnet. Die Steue- rung der Hubbewegung der Düsennadel 16 erfolgt mittels des Schaltventils 15 in an sich bekannter Art und Weise. Hierzu begrenzt das Ventilstück 14 zusammen mit einer Stirnseite der Düsennadel 16 einen Steuerraum 20, der über nicht ge- zeigte Bohrungen mit unter Systemdruck stehendem Kraftstoff gefüllt ist. Der Steuerraum 20 ist über eine Ablaufbohrung 22 mit integrierter Ablaufdrossel 24 über einen am Ventilstück 14 ausgebildeten Ventilsitz 26 in Richtung eines Nie- derdruckbereichs 40 des Kraftstoffinjektors 10 druckentlastbar.

Das Freigeben bzw. Verschließen des Ventilsitzes 26 erfolgt mittels eines hub- beweglich angeordneten Magnetankers 28, der beispielhaft radial innerhalb einer umlaufenden Wand 30 des Ventilstücks 14 geführt ist. Der Magnetanker 28 wirkt mit einer im Einzelnen nicht dargestellten Magnetspule 32 zusammen, die bei ei- ner Bestromung ein magnetisches Feld aufbaut, das den Magnetanker 28 in Richtung der Magnetspule 32 zieht und dabei den Ventilsitz 26 am Ventilstück 14 freigibt. Dadurch wird der Steuerraum 20 druckentlastet, was zu einer Aufwärts- bewegung der Düsennadel 16 in Richtung des Magnetankers 28 und somit zu einem Freigeben wenigstens einer nicht dargestellten Einspritzöffnung am Kraft- stoffinjektor 10 führt. Weiterhin bildet die dem Magnetanker 28 zugewandte Stirn- fläche 34 der Magnetspule 32 bzw. eines Magnetkerns 35 beispielhaft einen obe- ren Hubanschlag für den Magnetanker 28 aus, sodass der Hub des Magnetan- kers 28 durch den Abstand der oberen Stirnfläche 36 des Magentankers 28 und der ihr zugewandten Stirnseite 34 der Magnetspule 32 bzw. des Magnetkerns 35 definiert bzw. begrenzt ist.

Um einen innerhalb des Haltekörpers 12 ausgebildeten, unter Systemdruck ste- henden Hochdruckraum 38 von dem Niederdruckbereich 40 des Kraftstoffinjek- tors 10 hydraulisch zu trennen, ist es erforderlich, dass das Ventilstück 14 ge- genüber dem Haltekörper 12 druckdicht angeordnet ist. Hierzu findet eine Ventil- Spannschraube 42 Verwendung, die gegen eine ebene Oberseite 44 des Ventil stücks 14 im Bereich eines im Durchmesser vergrößerten Abschnitts 46 des Ven- tilstücks 14 drückt und das Ventilstück 14 somit in Richtung einer an dem Halte- körper 12 ausgebildeten, radial umlaufenden und ebenen Schulter 48 mit einer Axialkraft kraftbeaufschlagt.

Wesentlich dabei ist, dass diese Axialkraft unter Zwischenlage eines als separa- ten Bauteil 50 ausgebildeten, ringförmigen Elements auf den Haltekörper 12 wirkt. Das Bauteil 50 ist in Wirkverbindung mit einer schräg angeordneten Fläche 52 an dem Ventilstück 14 auf der der Ventilspannschraube 42 abgewandten Stirnseite angeordnet. Diese Fläche 52 bildet eine erste Dichtfläche 53 aus, wo bei ein Winkel a zwischen der ersten Dichtfläche 53 und der Längsachse 18 zwi schen 30° und 60°, vorzugsweise 45° beträgt. Die an dem einen dreiecksförmi- gen Querschnitt aufweisenden Bauteil 50 ausgebildete, mit der ersten Dichtflä che 53 zusammenwirkende und gegengleich ausgebildete zweite Dichtfläche 54 bewirkt eine Abdichtung zum Ventilstück 14 hin.

Weiterhin ist zwischen dem Außenumfang des Bauteils 50 und dem Ventilstück 14 und einer Aufnahmebohrung 56 des Haltekörpers 12 ein Radialspalt 58 aus- gebildet. Das Bauteil 50 weist auf der der Schulter 48 zugewandten Seite eine dritte Dichtfläche 59 auf, die mit der als vierte Dichtfläche 60 wirkenden Schulter 48 am Haltekörper 12 zusammenwirkt.

Das Bauteil 50 besteht entweder aus demselben Material wie der Haltekörper 12 und/oder das Ventilstück 14, oder aber aus einem gegenüber dem Haltekörper 12 und/oder dem Ventilstück 14 unterschiedlichen Material. Weiterhin erkennt man anhand der Fig. 1 , dass der Außendurchmesser D _A des Bauteils 50 geringer ist wie der Innendurchmesser Di der Ausnehmung 62 des Haltekörpers 12.

In den Fig. 2 ist ein abgewandelter Kraftstoffinjektor 10a dargestellt, bei dem auf ein separates Bauteil 50 verzichtet wird. Vielmehr weist der Haltekörper 12a an der Stelle, an der das Bauteil 50 bei dem Kraftstoffinjektor 10 vorgesehen ist, ei- ne schräg ausgebildete zweite Dichtfläche 54a auf, die monolithisch an dem Hal- tekörper 12a ausgebildet ist, insbesondere durch einen Schleifvorgang. Die erste Dichtfläche 54a wirkt mit der gegengleichen ersten Dichtfläche 53 an dem Ventil- stück 14 zusammen, das identisch zum Ventilstück 14 des Kraftstoffinjektors 10 ausgebildet ist.

Der soweit beschriebene Kraftstoffinjektor 10, 10a kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken ab- zuweichen.