Titel

Kraftstoff! n i ekto r

Stand der Technik

Aus der Patentschrift EP 2 383 459 B1 ist ein Kraftstoff! njektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine bekannt.

Der bekannte Kraftstoffinjektor umfasst ein in einem Haltekörper angeordnetes im Wesentlichen zylindrisches Einspritzventilglied. Das Einspritzventilglied weist eine Führungsfläche auf, wobei die Führungsfläche in einer in einem Ventilstück ausgebildeten Führungsbohrung längsbeweglich geführt ist. Das Ventilstück ist mit dem Haltekörper verspannt. Das Einspritzventilglied öffnet und schließt durch seine Längsbewegung Einspritzöffnungen in den Brennraum der

Brennkraftmaschine. Die Einspritzöffnungen sind benachbart zu dem der Führungsfläche gegenüberliegenden Ende des Einspritzventilglieds angeordnet.

Aufgrund der Längsbewegung des Einspritzventilglieds kann es zu Verschleiß am Einspritzventilglied und am Ventilstück im Bereich von Führungsbohrung und Führungsfläche kommen.

Offenbarung der Erfindung

Dem gegenüber ist der Verschleiß an Ventilstück und Einspritzventilglied des erfindungsgemäßen Kraftstoff! njektors zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine reduziert. Alternativ bzw. zusätzlich kann mit dem erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor die Lagetoleranz zwischen Führungsbohrung und Führungsfläche größer ausgeführt werden. Dazu umfasst der Kraftstoffinjektor ein in einem Haltekörper angeordnetes im Wesentlichen zylindrisches Einspritzventilglied. Das Einspritzventilglied weist in einem Endbereich eine Führungsfläche auf. Die Führungsfläche ist in einer in einem Ventilstück ausgebildeten Führungsbohrung längsbeweglich geführt. Das Ventilstück ist mit dem Haltekörper verspannt. Das Einspritzventilglied öffnet und schließt durch seine Längsbewegung Einspritzöffnungen in den Brennraum. Die Einspritzöffnungen sind benachbart zu dem der Führungsfläche

gegenüberliegenden Ende des Einspritzventilglieds angeordnet. Die

Führungsfläche weist im Längsschnitt eine konvexe Form auf.

Durch die konvexe Form der Führungsfläche ist der Kontakt zwischen

Führungsfläche und Führungsbohrung vergleichsweise sanft gestaltet. Es kommt zu einem Kontakt mit vergleichseise großen Kontaktflächen und

dementsprechend kleinen Flächenpressungen, wodurch der von der

Flächenpressung abhängige Verschleiß minimiert wird.

Verkippt das Einspritzventilglied während des Betriebs des Kraftstoffinjektors im Ventilstück, so kommt es zu Reaktionskräften bzw. -momenten zwischen Ventilstück und Einspritzventilglied. Aufgrund der konvexen Form der

Führungsfläche verringert sich der für die Reaktionsmomente ursächliche Abstand des Kontaktpaares zwischen Führungsbohrung und Führungsfläche und demzufolge auch das Reaktionsmoment.

So können beispielsweise auch Winkel- und Lagefehler innerhalb des

Kraftstoffinjektors ausgeglichen werden, ohne dass sich gleichzeitig der

Verschleiß von Einspritzventilglied und/oder Ventilstück erhöht.

Vorzugsweise ist die konvexe Form der Führungsfläche dabei so ausgeführt, dass der Durchmesser der Führungsfläche über die Länge der Führungsfläche um 20 μηη bis 40 μηη variiert. Dies gewährleistet eine gute Resistenz gegen Verschleiß. Gleichzeitig wird dennoch eine gute Abdichtung über die Länge der Führungsfläche erzielt.

In einer vorteilhaften Weiterbildung weist die konvexe Form einen Kreisbogen bzw. einen konstanten Radius auf. Diese Form ist einfach zu fertigen, beispielsweise durch einen Schleifprozess. In einer zur Kreisbogenform alternativen vorteilhaften Ausführung ist die konvexe Form der Führungsfläche logarithmisch. Dies ist besonders vorteilhaft, um die maximale Flächenpressung im Kontakt zwischen Führungsfläche und

Führungsbohrung zu reduzieren.

In einer weiteren alternativen vorteilhaften Ausführung weist die Führungsfläche eine erste Teilfläche und eine zweite Teilfläche auf. Die erste Teilfläche ist am den Einspritzöffnungen entferntesten Bereich der Führungsfläche angeordnet, und die zweite Teilfläche ist am den Einspritzöffnungen nächsten Bereich der Führungsfläche angeordnet. So können beide Teilflächen vergleichsweise einfach bearbeitet werden, beispielsweise durch planes bzw. konisches

Schleifen, und dennoch eine konvexe Form der gesamten Führungsfläche erzielt werden. Beide Teilflächen können sich nach außen hin verjüngen.

In vorteilhaften Weiterbildungen weist die Führungsfläche weiterhin noch eine dritte Teilfläche auf, die zwischen der ersten Teilfläche und der zweiten Teilfläche angeordnet ist. Durch die mittlere dritte Teilfläche kann zum einen die koaxiale Laufrichtung zwischen Einspritzventilglied und Ventilstück verbessert werden; zum anderen kann eine etwaige Dichtfunktion im Spalt zwischen der

Führungsbohrung und der Führungsfläche verbessert werden.

Vorteilhafterweise kann die dritte Teilfläche dazu zylindrisch ausgeführt sein. Dies kann beispielsweise durch ein einfaches Schleifverfahren gefertigt werden.

In vorteilhaften Ausführungen verjüngt sich die erste Teilfläche mit

zunehmendem Abstand von den Einspritzöffnungen. Dadurch ist, wenn die Führungsfläche entlang der axialen Richtung betrachtet wird, der Durchmesser am Rande der Führungsfläche kleiner als zur Mitte der Führungsfläche. Das Auftreten von sogenannten Kantenträgern bei Schiefstellungen des

Einspritzventilglieds im Kontakt zwischen Führungsfläche und Führungsbohrung wird dadurch abgeschwächt. Die maximale Flächenpressung wird verringert und mit ihr auch der Verschleiß der Kontaktpartner. Vorteilhafterweise kann die Verjüngung der ersten Teilfläche dabei mit konstantem Radius oder logarithmisch erfolgen. So kann die ideale Form der Führungsfläche sehr gut an die Geometrien der beteiligten Komponenten angepasst werden. Die logarithmische Form ist beispielsweise besonders vorteilhaft bei einem sehr engen Spalt zwischen Führungsfläche und

Führungsbohrung.

In vorteilhaften Ausführungen verjüngt sich auch die zweite Teilfläche nach außen, also mit verringerndem Abstand zu den Einspritzöffnungen hin. Analog zu obigen Darstellungen hat dies ebenfalls eine Verringerung des Verschleißes zur Folge. Auch hier kann die Verjüngung mit konstantem Radius oder logarithmisch erfolgen.

In vorteilhaften Ausführungen weist das Einspritzventilglied eine Länge von 100 mm bis 200 mm auf. Gerade bei vergleichsweise langen Einspritzventilgliedern kann es aufgrund der Form- und Lagetoleranzen zu Winkelfehlern,

Schiefstellungen usw. kommen. Dann ist die Ausgestaltung der Führungsfläche mit einer konvexen Form besonders wirksam, um Verschleiß zu minimieren bzw. zu verhindern.

In vorteilhaften Weiterbildungen weist das Einspritzventilglied in seinem mittleren Bereich Durchmesser von 2,0 mm bis 3,5 mm auf. Bei vergleichsweise dünnen Einspritzventilgliedern besteht bei Schiefstellungen die Gefahr eines Knickens. Durch die konvexe Form der Führungsfläche wird während des Betriebs eine koaxiale Ausrichtung des Einspritzventilglieds zum Ventilstück gefördert.

In besonders vorteilhaften Ausführungen ist das Einspritzventilglied in einem zu den Einspritzöffnungen benachbarten Bereich von einer Düsenbohrung längsbeweglich geführt. Dadurch weist das Einspritzventilglied zwei

längsbewegliche Führungen bzw. zwei Radiallager auf, ist in radialer Richtung also überbestimmt. Beispielsweise durch Lagetoleranzen oder Winkelfehler kommt es so zu Verkippungen, eventuell sogar zu Verspannungen des

Einspritzventilglieds in den beiden Führungen. Für diese Art von

Kraftstoffinjektoren ist die konvexe Form der Führungsfläche besonders vorteilhaft, um die Lagetoleranzen bzw. Winkelfehler ausgleichen zu können.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender

beschrieben.

Es zeigt:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Kraftstoff! njektors aus dem Stand der Technik

Figur 2 schematisch ein Einspritzventilglied eines Kraftstoff! njektors aus dem Stand der Technik, wobei Figur 2a ein ideal ausgerichtetes

Einspritzventilglied zeigt und Figur 2b ein verkipptes Einspritzventilglied

Figur 3 schematisch ein Einspritzventilglied eines erfindungsgemäßen

Kraftstoffinjektors, wobei Figur 3a ein ideal ausgerichtetes

Einspritzventilglied zeigt und Figur 3b ein verkipptes Einspritzventilglied

Figur 4 ein Einspritzventilglied in einer weiteren Ausführungsform

Figur 5 ein Einspritzventilglied in einer weiteren Ausführungsform

Figur 6 ein Einspritzventilglied in einer weiteren Ausführungsform

Beschreibung

Fig.1 ist in schematischer Weise ein Kraftstoffinjektor 10 zu entnehmen, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Mit dem Kraftstoff! njektor 10 wird Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt. Der

Kraftstoff! njektor 10 umfasst einen Haltekörper 12 und eine Magnetgruppe 14. Die Magnetgruppe 14 ihrerseits nimmt eine Magnetspule 16 auf, über die ein beweglich im Haltekörper 12 aufgenommenes Einspritzventilglied 18 betätigbar ist. Prinzipiell kann anstelle der Magnetgruppe 14 jede beliebige Ansteuerung für das Einspritzventilglied 18 verwendet werden, beispielsweise eine

piezoelektrische Ansteuerung mit Druckübersetzer. Das Einspritzventilglied 18 - im Allgemeinen nadeiförmig ausgebildet - gibt an einem brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors 10 an einem Düsenkörper 19 ausgebildete Einspritzöffnungen 21 in den Brennraum der

Brennkraftmaschine frei oder verschließt diese, so dass Kraftstoff in den

Brennraum eingespritzt werden kann. Der Düsenkörper 19 ist durch eine

Spannmutter 20 mit dem Haltekörper 12 mediendicht verschraubt.

Der Kraftstoffinjektor 10 umfasst des Weiteren ein Ventilstück 22, das in den Haltekörper 12 eingebaut ist und Steuervolumen zur Betätigung des

Einspritzventilgliedes aufweist, deren Öffnung bzw. Verschließen durch die

Magnetgruppe 14 gesteuert wird. Weiterhin ist im Ventilstück 22 eine

Führungsbohrung 30 ausgebildet, in welcher das Einspritzventilglied 18 längsbeweglich geführt ist. An dem dem Brennraum entgegengesetzten Ende der Führungsbohrung 30 ist zwischen dem Ventilstück 22 und der Stirnfläche des Einspritzventilglieds 18 ein Steuerraum 1 1 ausgebildet. Die Magnetgruppe 14 steuert den Druck in dem Steuerraum 1 1. Die Funktionsweise des

Kraftstoffinjektors 1 1 ist dabei so, dass sich bei einer Druckreduzierung im Steuerraum 1 1 das Einspritzventilglied 18 in den Steuerraum 1 1 schiebt und damit die Einspritzöffnungen 21 frei gibt und dass bei einer Druckerhöhung im Steuerraum 1 1 dieser hydraulische Druck das Einspritzventilglied 18 in Richtung des Brennraums drückt und dadurch die Einspritzöffnungen 21 verschlossen werden.

Die Längsbewegung des Einspritzventilglieds 18 ist von der Führungsbohrung 30 im Ventilstück 22 und von einer im Düsenkörper 19 ausgebildeten Düsenbohrung

17 geführt, also jeweils nahezu an den Enden des Einspritzventilglieds 18. Die Führungsbohrung 30 des Ventilstücks 22 wirkt dabei mit einer am

Einspritzventilglied 18 ausgebildeten Führungsfläche 18a zusammen.

Kennzeichnend für derartige Ausführungen von Kraftstoffinjektoren 10 ist das vergleichsweise lange Einspritzventilglied 18. Vorzugsweise weist das

Einspritzventilglied 18 bei Durchmessern von 2,0 mm bis 3,5 mm Längen von 100 mm bis 200 mm auf . Die beiden Führungen, also die Führungsbohrung 30 und die Düsenbohrung 17, des Einspritzventilglieds 18 haben aufgrund von Bauteiltoleranzen im Kraftstoffinjektor 10 Verbiegungen und Spannungen des Einspritzventilglieds 18 zur Folge. In den beiden Führungen bzw. Lagerungen kommt es demzufolge zu Reaktionskräften und somit auch zu Reibung und Verschleiß. Funktionseinbußen und eine verkürzte Lebensdauer sind die Folge.

Fig.2a zeigt schematisch ein Einspritzventilglied 18 aus dem Stand der Technik, das ideal im Ventilstück 22 ausgerichtet ist; die Führungsbohrung 30 und die

Führungsfläche 18a sind konzentrisch zueinander angeordnet. Fig.2b zeigt das Einspritzventilglied aus dem Stand der Technik, das im Ventilstück 22 verkippt ist. Dabei kommt es zwischen der Führungsbohrung 30 und der Führungsfläche 18a idealisiert zu zwei Berührungspunkten, real zu zwei Berührungsflächen: einem ersten Berührungspunkt 1 und einem zweiten Berührungspunkt 2, die typischerweise an entgegengesetzten Enden - sowohl der Länge als auch des Umfangs - der Führungsfläche 18a liegen. Der axiale Abstand ai zwischen beiden Berührungspunkten ist demzufolge vergleichsweise groß. Im Betrieb kommt es durch die Einspritzvorgänge des Kraftstoff! njektors 10 zu

Längsbewegungen des Einspritzventilglieds 18 und damit zu

Relativverschiebungen zwischen der Führungsfläche 18a und der

Führungsbohrung 30. Diese Relativverschiebungen führen in Verbindung mit den hohen Flächenpressungen zwischen der Führungsbohrung 30 und der

Führungsfläche 18a zu Verschleiß am Ventilstück 22 und/oder am

Einspritzventilglied 18.

Erfindungsgemäß ist nun der potenzielle Kontakt zwischen der Führungsfläche 18a und der Führungsbohrung 30 so ausgeführt, dass der Verschleiß zwischen Ventilstück 22 und Einspritzventilglied 18 minimiert wird. Im Folgenden werden

Ausführungsbeispiele dazu beschrieben:

Fig.3a zeigt ein Einspritzventilglied 18, an dem eine Führungsfläche 18a ausgebildet ist, welche eine in axialer Richtung, also im Längsschnitt betrachtet, konvexe Form aufweist. Durch die konvexe Form weist die Führungsfläche 18a in ihrem mittleren Bereich den größten Durchmesser auf und an ihren beiden Enden die kleinsten Durchmesser. Kommt es zu einem Verkippen des

Einspritzventilglieds 18 in dem Ventilstück 22, wie in Fig.3b gezeigt, so kommt es wiederum zu zwei Kontakten zwischen der Führungsfläche 18a und der

Führungsbohrung 30, nämlich den beiden Berührungspunkten 1 , 2. Aufgrund der konvexen Form der Führungsfläche 18a liegen die beiden Berührungspunkte 1 , 2 allerdings in einem vergleichsweise geringen axialen Abstand a ₂ zueinander. Die Berührungspunkte 1 , 2 sind dabei real Berührungsflächen mit größeren

Flächeninhalten als bei dem Einspritzventilglied 18 aus dem Stand der Technik, wie in Fig.2a,b gezeigt.

Die konvexe Form der Führungsfläche 18a hat also größere Kontaktflächen an den Berührungspunkten 1 , 2 zur Folge und dementsprechend kleinere

Flächenpressungen. Die verringerten Flächenpressungen führen direkt zu vermindertem Verschleiß bzw. verhindern sogar den Verschleiß zwischen Führungsfläche 18a und Führungsbohrung 30.

In der Ausführung der Fig.3 ist die Führungsfläche 18a ballig ausgeführt. Dabei weist die Mitte (in axialer Richtung betrachtet) der Führungsfläche 18a vorzugsweise einen um 20 μηη bis 40 μηη größeren Durchmesser auf als die beiden Enden bzw. äußeren Bereiche der Führungsfläche 18a.

Die Figuren 4 bis 6 zeigen weitere vorteilhafte Ausbildungen der Führungsfläche 18a des Einspritzventilglieds 18: Die Fig.4 zeigt ein Einspritzventilglied 18 mit einer dreiteiligen Führungsfläche

18a: einer ersten Teilfläche 18a1 , die am den Einspritzöffnungen 21

gegenüberliegenden Ende des Einspritzventilglieds 18 angeordnet ist, einer zweiten Teilfläche 18a2, die den Einspritzöffnungen 21 am nächsten angeordnet ist, und einer mittleren dritten Teilfläche 18a2, die zwischen den beiden ersten Teilflächen 18a1 , 18a2 angeordnet ist.

Die dritte Teilfläche 18a3 ist zylindrisch mit einem vergleichsweise großen Durchmesser ausgebildet. Die erste Teilfläche 18a1 und die zweite Teilfläche 18a2 verjüngen sich mit zunehmendem Abstand von der mittleren dritten Teilfläche 18a2. Die Verjüngungen können dabei beispielsweise linear, mit einem

Radius oder logarithmisch erfolgen.

Das Einspritzventilglied 18 ist vorteilhafterweise in seinem mittleren Bereich 18m gegenüber der Führungsfläche 18a verjüngt ausgeführt. Vorzugsweise weist der mittlere Bereich 18m dabei Durchmesser von 2,0 mm bis 3,5 mm auf. Die Fig.5 zeigt ein Einspritzventilglied 18 mit einer zweiteiligen Führungsfläche 18a: einer ersten Teilfläche 18a1 , die am den Einspritzöffnungen 21

gegenüberliegenden Ende des Einspritzventilglieds 18 angeordnet ist, und einer zweiten Teilfläche 18a2, die den Einspritzöffnungen 21 am nächsten angeordnet ist.

Die erste Teilfläche 18a1 verjüngt sich dabei in Richtung des Steuerraums 1 1 , und die zweite Teilfläche 18a2 verjüngt sich in Richtung der Einspritzöffnungen 21. Die Verjüngungen können dabei beispielsweise linear, mit einem Radius oder logarithmisch erfolgen.

Die Fig.6 zeigt ein Einspritzventilglied 18 mit einer dreiteiligen Führungsfläche 18a: einer ersten Teilfläche 18a1 , die am den Einspritzöffnungen 21

gegenüberliegenden Ende des Einspritzventilglieds 18 angeordnet ist, einer zweiten Teilfläche 18a2, die den Einspritzöffnungen 21 am nächsten angeordnet ist, und einer mittleren dritten Teilfläche 18a3, die zwischen den beiden ersten Teilflächen 18a1 , 18a2 angeordnet ist.

Die dritte Teilfläche 18a3 ist zylindrisch mit einem vergleichsweise großen Durchmesser ausgebildet. Die erste Teilfläche 18a1 und die zweite Teilfläche 18a2 sind im Schnitt jeweils trapezförmig gestaltet und verjüngen sich mit zunehmendem Abstand von der mittleren dritten Teilfläche 18a3.

Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors 10 ist wie folgt:

Die Einspritzungen über die Einspritzöffnungen 21 in den Brennraum der Brennkraftmaschine werden durch die Längsbewegung des Einspritzventilglieds 18 ausgeführt, dessen Längsbewegungen wiederum von der Magnetgruppe 14 gesteuert werden, wobei alternativ auch andere Ansteuerungen des

Einspritzventilglieds 18 eingesetzt werden können. Das Einspritzventilglied 18 ist an seinem den Einspritzöffnungen entgegengesetzten Ende über die

Führungsfläche 18a im Ventilstück 22 längsbeweglich geführt.

Aufgrund von Spaltmaßen, Bauteiltoleranzen etc. kann es zu einer Verkippung des Einspritzventilglieds 18 in dem Ventilstück 22 kommen und infolgedessen zu Verschleiß. Erfindungsgemäß ist die Führungsfläche 18a konvex gestaltet, um einen sanfteren Kontakt zwischen Führungsfläche 18a und Führungsbohrung 30 zu erzwingen. Durch diese Ausgestaltung der Führungsfläche 18a wird die Kontaktfläche vergrößert und mit ihr die Flächenpressungen verringert. Weiterhin werden die zwei Berührungspunkte 1 , 2 zwischen der Führungsfläche 18a und der Führungsbohrung 30 näher zueinander geschoben, so dass der Hebel bzw.

Abstand a ₂ und mit ihm das Moment zwischen den beiden Berührungspunkten 1 , 2 verringert wird.

Diese Maßnahmen führen zu einem deutlich verminderten Verschleiß zwischen Führungsfläche 18a und Führungsbohrung 30. Besonders wirkungsvoll sind die

Maßnahmen bei vergleichsweise langem und dünnem Einspritzventilglied 18, sowie für den Fall, dass das Einspritzventilglied 18 an dem der Führungsfläche 18a gegenüberliegenden Ende eine zweite Lagerung aufweist, nämlich an der Düsenbohrung 17. Ist die Düsenbohrung 17 beispielsweise aufgrund von Lagetoleranzen nicht exakt koaxial zur Führungsbohrung 30 angeordnet, so entsteht zwangsläufig ein Verkippen des Einspritzventilglieds 18 zum Ventilstück 22. Die konvexe Ausgestaltung der Führungsfläche 18a ist dann besonders vorteilhaft.