Kraftstoff hochdrucksystem für Brennkraftmaschinen

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffhochdrucksystem für Brennkraftmaschinen mit einem ersten Hochdruckkörper, einem zweiten Hochdruckkörper und einer Dichtscheibe.

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einem Kraftstoffhochdrucksystem für Brennkraftmaschinen aus, wie es aus der Offenlegungsschrift EP 1 245 826 AI bekannt ist. Bei einem solchen Kraftstoffhochdrucksystem, wie es in dieser Schrift auch in Form eines Kraftstoffeinspritzventils vorliegt, sind ein erster Hochdruckkörper und ein zweiter Hochdruckkörper durch eine Spannvorrichtung gegeneinander gepresst. Durch die Anlageflächen der beiden Hochdruckkörper tritt ein Hochdruckkanal hindurch. Um die Dichtheit des Hochdruckkanals beim Durchtritt durch die Anlageflächen der beiden Körper zu gewährleisten, ist eine Dichtscheibe zwischen den Anlageflächen der beiden Hochdruckkörper angeordnet.

Mit zunehmenden Anforderungen an derartige Dichtscheiben, insbesondere mit zunehmendem abzudichtendem Druck im Hochdruckkanal, ist eine Weiterbildung der Dichtscheibe erforderlich, um die Dichtheit zu gewährleisten.

Offenbarung

Das erfindungsgemäße Kraftstoffhochdrucksystem für Brennkraftmaschinen weist den Vorteil auf, dass es höhere Drücke im Hochdruckkanal zwischen den beiden Hochdruckkörpern abdichten kann. Dadurch kann das gesamte Kraftstoffhochdrucksystem effizienter und schadstoffärmer ausgeführt werden. Dazu weist das Kraftstoffhochdrucksystem ein Gehäuse auf, das einen ersten Hochdruckkörper mit einer ersten Anlagefläche und einen zweiten Hochdruckkörper mit einer zweiten Anlagefläche umfasst. Die erste Anlagefläche und die zweite Anlagefläche liegen unter Zwischenlage einer Dichtscheibe aneinander an und werden durch eine Spannvorrichtung gegeneinander gepresst. Das Gehäuse weist außerdem einen in den Hochdruckkörpern ausgebildeten Hochdruckkanal zur Befüllung mit Kraftstoff unter hohem Druck auf. Der Hochdruckkanal tritt durch die erste Anlagefläche und durch die zweite Anlagefläche hindurch. Die Dichtscheibe umgibt zumindest den Durchtritt des Hochdruckkanals durch die erste Anlagefläche und durch die zweite Anlagefläche. Die Dichtscheibe umfasst einen Kern und zumindest eine Dichtschicht, wobei die Dichtschicht mit der ersten Anlagefläche zusammenwirkt. Der Kern besitzt eine höhere Fließgrenze als die Dichtschicht.

Dadurch ist die Dichtschicht unter der Vorspannkraft durch die Spannvorrichtung plastisch verformbar, während der Kern lediglich elastisch verformt wird. Die Dichtschicht gleicht sich durch die plastische Verformung sehr gut an die erste Anlagefläche an und kann dadurch auch Toleranzen, Rauheiten und Welligkeiten der beteiligten Kontaktpartner ausgleichen. Der Kern gewährleistet demgegenüber die benötigte Steifigkeit, Festigkeit und Stabilität der Dichtscheibe über ihre gesamte Lebensdauer und kann Ausdehnungen aufgrund von Temperaturschwankungen im Kraftstoffhochdrucksystem ausgleichen.

In vorteilhaften Ausführungen der Erfindung besteht der Kern aus Stahl, vorzugsweise aus C60 oder C70. Diese Stähle zeichnen sich durch eine hohe Festigkeit, eine hohe Fließgrenze und ein gute Eignung für Wärmebehandlungen aus.

In vorteilhaften Weiterbildungen besteht die Dichtschicht aus Aluminium, Zinn, Kunststoff oder Lack. Diese Materialien haben eine geringere Festigkeit bzw. Fließgrenze als Stahl und sind gleichzeitig plastisch gut verformbar. Dadurch ist die Dichtungswirkung zum Hochdruckkörper sehr gut.

In alternativen vorteilhaften Weiterbildungen ist die Dichtschicht oberflächenentkohlt. Dadurch wird der C-Gehalt der Dichtschicht reduziert und mit ihm die Festigkeit bzw. die Fließgrenze verringert. Die Dichtschicht kann dementsprechend auch aus dem gleichen Material sein wie der Kern; durch die gezielte Wärmebe- handlung werden jedoch unterschiedliche Materialeigenschaften von Kern und Dichtschicht erzielt.

Vorteilhafterweise weist die Dichtschicht eine Höhe von 50 μηι bis 200 μηι auf. Hierdurch können die Dichtwirkung und die Fließeigenschaften der Dichtschicht beim Verspannen der beiden Hochdruckkörper gegeneinander optimal auf die gewünschte Dichtheit abgestimmt werden.

In vorteilhaften Weiterbildungen umfasst die Dichtscheibe eine der Dichtschicht gegenüberliegende weitere Dichtschicht. Die weitere Dichtschicht wirkt mit der zweiten Anlagefläche zusammen. Der Kern weist eine höhere Fließgrenze auf als die weitere Dichtschicht. Dadurch ist auch die weitere Dichtschicht unter der Vorspannkraft durch die Spannvorrichtung plastisch verformbar, während der Kern lediglich elastisch verformt wird. Analog zur Dichtschicht gleicht sich auch die weitere Dichtschicht durch ihre plastische Verformung sehr gut an ihren Kontaktpartner - nämlich die zweite Anlagefläche - an. So werden Toleranzen, Rauheiten und Welligkeiten ausgeglichen. Der Kern gewährleistet demgegenüber die benötigte Steifigkeit, Festigkeit und Stabilität der Dichtscheibe über ihre gesamte Lebensdauer und kann Ausdehnungen aufgrund von Temperaturschwankungen im Kraftstoffhochdrucksystem ausgleichen.

In vorteilhaften Weiterbildungen besteht die weitere Dichtschicht aus Aluminium, Zinn, Kunststoff oder Lack. Diese Materialien haben eine geringere Festigkeit bzw. Fließgrenze als Stahl und sind gleichzeitig plastisch gut verformbar. Dadurch ist die Abdichtung zum Hochdruckkörper sehr gut.

In alternativen vorteilhaften Weiterbildungen ist die weitere Dichtschicht oberflächenentkohlt. Dadurch wird der C-Gehalt der weiteren Dichtschicht reduziert und mit ihm die Festigkeit bzw. Fließgrenze verringert. Die weitere Dichtschicht kann dementsprechend auch aus dem gleichen Material sein wie der Kern, durch die gezielte Wärmebehandlung werden jedoch unterschiedliche Materialeigenschaften von Kern und weiterer Dichtschicht erzielt.

Vorteilhafterweise sind die Dichtschicht und die weitere Dichtschicht aus dem gleichen Material ausgeführt und wurden mit der gleichen Wärmebehandlung behandelt. Vorteilhafterweise weist die weitere Dichtschicht eine Höhe von 50 μηι bis 200 μηι auf. Hierdurch können die Dichtwirkung und die Fließeigenschaften der weiteren Dichtschicht beim Verspannen der beiden Hochdruckkörper gegeneinander optimal auf die gewünschte Dichtheit abgestimmt werden.

In vorteilhaften Ausführungen weisen die erste Anlagefläche und/oder die zweite Anlagefläche eine Rauheit zwischen Rz 5 μηι und Rz 10 μηι auf. Diese Rauheiten können von der Dichtschicht bzw. von der weiteren Dichtschicht sehr gut abgedichtet werden und sind gleichzeitig kostengünstig fertigbar.

Besonders vorteilhaft ist die Anordnung der erfindungsgemäßen Dichtscheibe in einem Kraftstoffeinspritzventil, bei dem die Dichtscheibe die dort herrschenden sehr hohen Drücke im Hochdruckkanal abdichtet.

Vorteilhafterweise ist einer der Hochdruckkörper ein Ventilkörper, in dem eine Ventilnadel längsverschiebbar angeordnet ist. Die Ventilnadel öffnet und schließt durch ihre Längsbewegung im Ventilkörper ausgebildete Einspritzöffnungen, die in den Brennraum einer Brennkraftmaschine münden. Insbesondere bei Einspritzsystemen, die mit einem konstant anliegenden Druck im Ventilkörper arbeiten, sogenannten Common Rail-Systemen, kann so mit einfachen Mitteln eine gute Dichtheit des Hochdruckkanals, der durch die Dichtflächen der beiden Anlageflächen hindurch zum Ventilkörper verläuft, erreicht werden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der andere Hochdruckkörper ein Ventilhaltekörper, in dem Mittel vorhanden sind, die eine Schließkraft auf die Ventilnadel ausüben. Die Mittel zur Ausübung der Schließkraft - beispielsweise Piezoaktor, Druckübersetzer, Schließfeder oder Magnetventil - können so auf einfache Art und Weise bei der Montage der beiden Hochdruckkörper mit montiert werden und gegebenenfalls ebenso mit einer Vorspannkraft beaufschlagt werden.

In einer vorteilhaften Ausführung weisen der Ventilhaltekörper und der Ventilkörper jeweils zumindest eine Zentrierstiftbohrung, vorzugsweise jeweils zwei Zentrierstiftbohrungen, auf. Die Zentrierstiftbohrungen sind in Richtung der Dichtscheibe ausgebildet und jeweils von Ventilhaltekörper zu Ventilkörper gegenüberliegend angeordnet. Zumindest ein Zentrierstift ist in den Zentrierstiftbohrungen so angeordnet, dass eine präzise Ausrichtung vom Ventilhaltekörper zum Ventilkörper ermöglicht wird. Die Dichtscheibe weist zumindest eine entsprechende Ausnehmung auf, durch welche der zumindest eine Zentrierstift führt bzw. ragt. Der Zentrierstift bzw. vorzugsweise die zwei Zentrierstifte positionieren so den Ventilkörper koaxial zum Ventilhaltekörper.

Vorteilhafterweise ist der zumindest eine Zentrierstift in die zumindest eine Ausnehmung der Dichtscheibe eingepresst. Dies ist besonders für die Montage des Kraftstoffhochdrucksystems sehr vorteilhaft, da die Dichtscheibe so schon als Positionierungshilfe dient.

Zeichnungen In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdrucksystems dargestellt. Es zeigen

Figur 1 ein Kraftstoffhochdrucksystem im Längsschnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,

Figur 2 eine Schnittdarstellung einer Dichtscheibe eines Kraftstoffhochdruck- Systems,

Figur 3 eine Draufsicht einer Dichtscheibe eines Kraftstoffhochdrucksystems und

Figur 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kraftstoffhochdrucksystems im Längsschnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Figur 1 zeigt ein Kraftstoffhochdrucksystem für Brennkraftmaschinen im Längs- schnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Das Kraftstoffhochdrucksystem weist ein Gehäuse auf, wobei das Gehäuse einen ersten Hochdruckkörper 1 mit einer ersten Anlagefläche 101 und einen zweiten Hochdruckkörper 10 mit einer zweiten Anlagefläche 110 umfasst. Die erste Anlagefläche 101 und die zweite Anlagefläche 110 sind einander zugewandt und werden unter Zwischenlage einer Dichtscheibe 35 durch eine Spannmutter 12 gegenei- nander gepresst. Die beiden Hochdruckkörper 1, 10 sind durch zumindest einen Zentrierstift 30 zueinander positioniert.

In den beiden Hochdruckkörpern 1, 10 verlaufen ein nicht dargestellter Hoch- druckkanal und Führungsbohrungen la, 10a. In den Führungsbohrungen la, 10a können beispielsweise eine Düsennadel oder ein Ventilkolben angeordnet sein. Der Hochdruckkanal führt Kraftstoff unter hohem Druck und tritt durch die erste Anlagefläche 101 und durch die zweite Anlagefläche 110 hindurch. Die Dichtscheibe 35 umgibt zumindest den Durchtritt des Hochdruckkanals durch die erste Anlagefläche 101 und durch die zweite Anlagefläche 110 und dichtet so den

Hochdruckkanal an der Verbindung von dem ersten Hochdruckkörper 1 zu dem zweiten Hochdruckkörper 10 ab.

Erfindungsgemäß weist die Dichtscheibe 35 einen Kern 40 und zumindest eine Dichtschicht 41 auf, in der Ausführungsform der Figur 1 noch eine weitere Dichtschicht 42. Die Dichtschicht 41 wirkt mit der ersten Anlagefläche 101 zusammen und die weitere Dichtschicht 42 mit der zweiten Anlagefläche 110.

Die Dichtschicht 41 und die weitere Dichtschicht 42 besitzen eine niedrigere Fließgrenze als der Kern 40, so dass die Dichtschicht 41 und die weitere Dichtschicht 42 sich ab einer gewissen Belastung bzw. Vorspannkraft plastisch verformen, während der Kern 40 sich lediglich elastisch verformt. Durch die plastische Verformung der Dichtschicht 41 und der weiteren Dichtschicht 42 gleicht sich die Dichtscheibe 35 sehr gut an die erste Anlagefläche 101 und an die zweite Anla- gefläche 110 an und erzielt dementsprechend eine sehr gute Dichtwirkung. Der vergleichsweise feste Kern 40 sorgt gleichzeitig für die nötige Festigkeit und Steifigkeit der Dichtscheibe 35.

In Figur 2 ist eine Ausführungsform der Dichtscheibe 35 im Schnitt dargestellt. Die flache, zylinderförmige Dichtscheibe 35 umfasst den Kern 40 und an ihren jeweiligen Stirnflächen die Dichtschicht 41 und die weitere Dichtschicht 42. In der Dichtscheibe 35 sind der Hochdruckkanal 20 und eine Bohrung 37 ausgebildet. Durch die Bohrung 37 kann beispielsweise eine Düsennadel oder ein Ventilkolben längsbeweglich angeordnet sein. Vorzugsweise besitzt die Dichtscheibe 35 eine Dicke von 0,6 mm bis 2,0 mm, wobei der Kern 0,2 mm bis 1,9 mm und die Dichtschicht 41 und die weitere Dichtschicht 42 jeweils 0,05 mm bis 0,2 mm dick sind.

Figur 3 zeigt die Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Dichtscheibe 35. In der Dichtscheibe 35 sind die Bohrung 37 und zwei Zentrierstiftbohrungen

30a ausgebildet. Die beiden Zentrierstiftbohrungen 30a sind als Ausnehmungen ausgeführt, da sie den Umfang der Dichtscheibe 35 durchdringen. Die beiden Zentrierstiftbohrungen 30a sind nicht symmetrisch zur Achse der Dichtscheibe 35 angeordnet, so dass sie eine Montagehilfe darstellen. Die Bohrung 37 kann in diesem Ausführungsbeispiel auch als Hochdruckkanal ausgebildet sein.

In Figur 4 ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Kraftstoffhochdrucksystems im Längsschnitt dargestellt. Das Kraftstoffhochdrucksystem ist hier ein Kraftstoffeinspritzventil, das ein Gehäuse aufweist, das zwei Hochdruckkör- per, nämlich einen Ventilhaltekörper 1 und einen Ventilkörper 10 umfasst. Hierbei ist der Ventilkörper 10 mittels der Spannmutter 12 gegen den Ventilhaltekörper 1 axial unter Zwischenlage der Dichtscheibe 35 verspannt.

Im Ventilkörper 10 ist eine Bohrung 8 ausgebildet, in der eine kolbenförmige Ven- tilnadel 16 längsverschiebbar angeordnet ist. Die Ventilnadel 16 weist an ihrem brennraumzugewandten Ende eine Ventildichtfläche 25 auf, die mit einem am brennraumzugewandten Ende der Bohrung 8 ausgebildeten Ventilsitz 23 zusammenwirkt und so über ihre Längsbewegung die Öffnung wenigstens einer Einspritzöffnung 27 steuert, die am Ventilsitz 23 ausgebildet ist. Die Ventilnadel 16 weist eine Druckschulter 13 auf, die auf den Brennraum zu gerichtet ist und die von einem Druckraum 11 umgeben ist, der durch eine radiale Erweiterung der Bohrung 8 im Ventilkörper 10 ausgebildet ist. Der Druckraum 11 ist über den im Ventilkörper 10 und im Ventilhaltekörper 1 ausgebildeten Hochdruckkanal 20 mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Kraftstoffhochdruckquelle - beispiels- weise einem Common Rail - verbunden, so dass der Druckraum 11 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt werden kann.

An ihrem brennraumabgewandten Ende geht die Ventilnadel 16 in einen Druckbolzen 7 über, der in einem im Ventilhaltekörper 1 ausgebildeten Federraum 3 koaxial zur Ventilnadel 16 längsverschiebbar angeordnet ist. Im Federraum 3 sind

Mittel zur Erzeugung einer Schließkraft auf die Ventilnadel 16 angeordnet, die hier in Form einer Schließfeder 5 vorliegen, welche zwischen dem Druckbolzen 7 und dem brennraumabgewandten Ende des Federraums 3 unter Druckvorspannung angeordnet ist, so dass die Ventilnadel 16 durch die Schließfeder 5 in Schließrichtung beaufschlagt ist. Brennraumabgewandt geht der Druckbolzen 7 in einen Ventilkolben 18 über, der in einer im Ventilhaltekörper 1 ausgebildeten Kolbenbohrung 17 längsverschiebbar angeordnet ist und über den durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte Vorrichtung - beispielsweise einen Piezoaktor oder ein Magnetventil - eine Schließkraft auf die Ventilnadel 16 ausgeübt werden kann. Je nach Größe dieser Schließkraft wird die Ventilnadel 16 durch den Druck im Druckraum 11 und die damit verbundene hydraulische Kraft auf die Druckschulter

13 in Öffnungsrichtung, d.h. vom Brennraum weg, bewegt oder durch die Schließkraft des Ventilkolbens 18 mit der Ventildichtfläche 25 auf den Ventilsitz 23 ge- presst, so dass die dortigen Einspritzöffnungen 27 verschlossen werden.

Der als Hochdruckkörper ausgebildete Ventilhaltekörper 1 liegt mit der ersten Anlagefläche 101 an der Dichtschicht 41 der Dichtscheibe 35 an. Und der Ventilkörper 10 liegt mit der zweiten Anlagefläche 110 an der weiteren Dichtschicht 42 der Dichtscheibe 35 an. Weiterhin sind im Ventilhaltekörper 1 und im Ventilkörper 10 Zentrierstiftbohrungen 32 ausgebildet. In den Zentrierstiftbohrungen 32 sind Zentrierstifte 30 angeordnet, die sowohl in den Ventilhaltekörper 1 als auch in den Ventilkörper 10 ragen und so eine präzise Ausrichtung dieser beiden Hochdruckkörper gegeneinander ermöglichen. Vorzugsweise sind dabei zwei oder drei Zentrierstifte 30 angeordnet. Die Dichtscheibe 35 weist entsprechende Ausnehmungen auf, durch die die Zentrierstifte 30 führen.

Vorteilhafterweise sind die Zentrierstifte 30 bereits während der Montage in die Ausnehmungen der Dichtscheibe 35 eingepresst. So wird der Montageprozess, insbesondere die koaxiale Positionierung von Ventilhaltekörper 1, Dichtscheibe 35 und Ventilkörper 10 vereinfacht.

Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Dichtscheibe 35 ist wie folgt:

Die Dichtschicht 41 und die weitere Dichtschicht 42 sind unter Vorspannkraft gut verformbar, vorteilhafterweise plastisch verformbar, und dichten so den ersten Hochdruckkörper 1 und den zweiten Hochdruckkörper 10 gut gegeneinander ab, so dass die durch die Dichtscheibe 35 verlaufenden kraftstoffführenden Bohrun- gen, insbesondere Hochdruckbohrungen, mediendicht abgedichtet werden. Der Kern 40 gewährleistet die nötige Festigkeit und Stabilität der Dichtscheibe 35 und ist im montierten Zustand vorteilhafterweise nur elastisch verformt. Derart aufgebaute Dichtscheiben 35 können Drücke von über 3000 bar abdichten und sind daher besonders gut für die Verwendung in Kraftstoffhochdrucksystemen geeignet.