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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor, insbesondere einen Common-Rail-Injektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein derartiger Kraftstoffinjektor ist aus der
DE 10 2008 001 597 A1 der Anmelderin bekannt. Der bekannte Kraftstoffinjektor weist einen im Längsschnitt hutförmigen Magnetanker zur mittelbaren Betätigung eines Einspritzglieds in Form einer Düsennadel auf. Der Magnetanker ist im Bereich einer Innenbohrung des Magnetankers von einem stiftförmigen Fortsatz einer Drosselplatte radial geführt. In dem Fortsatz ist weiterhin eine Längsbohrung ausgebildet, die im Bereich eines Steuerraums mündet, dessen hydraulischer Druck auf das Einspritzglied wirkt. Um das Einspritzglied aus einer abgesenkten Position, in der kein Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine abgegeben wird, in eine angehobene Position zum Freigeben von Einspritzöffnungen zu bewegen, wirkt der Magnetanker mit einem beispielsweise kugelförmigen Ventilglied zusammen, das einen an dem Magnetanker ausgebildeten Ventilsitz, über den ein Abfluss von Kraftstoff aus dem Steuerraum in einen Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors möglich ist, verschließt. Bei einer Bestromung einer Magnetspule hebt der Magnetanker mit seinem Ventilsitz von dem Ventilglied ab, so dass Kraftstoff über den angesprochenen Ventilsitz aus dem Steuerraum in den Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors abströmen kann. Dadurch wird der hydraulische Druck in dem Steuerraum reduziert, um das Einspritzglied aus seiner Schließstellung in Richtung einer Öffnungsstellung zu bewegen. Sobald die Bestromung der Magnetspule gestoppt wird, drückt eine Schließfeder den Magnetanker wieder gegen das Ventilglied. Aufgrund beispielsweise von unsymmetrischen Abströmverhältnissen, aufgrund von Bauteilungenauigkeiten oder sonstiger Umstände kann es vorkommen, dass der Magnetanker nicht exakt einer den Mittelpunkt des Ventilglieds bzw. der Ventilkugel schneidenden Verstellachse des Magnetankers bewegt wird, sondern beim Schließen des Ventilsitzes asymmetrisch auf das Ventilglied auftrifft. Dies kann beispielsweise zu einem erhöhten einseitigen Verschleiß im Bereich des Dichtsitzes des Magnetankers und somit, insbesondere über die Lebensdauer des Kraftstoffinjektors betrachtet, zu Leckageverlusten bzw. Undichtigkeiten führen. Daher ist es aus der genannten Schrift bekannt, dass das Ventilglied auf der dem Magnetanker abgewandten Seite mit einem Zusatzelement zusammenwirkt, welches es ermöglicht, dass das Ventilglied in einer quer bzw. senkrecht zur Verstellachse des Magnetankers verlaufenden Bewegung verstell- bzw. verschiebbar ist. Hierzu ist es erforderlich, eine zwischen dem Zusatzelement auf der dem Ventilglied abgewandten Seite und einem ortsfesten Gehäusebauteil wirkende Reibung zu überwinden. Insbesondere bei lediglich relativ geringen Ungenauigkeiten bei der Bewegung des Magnetankers zur idealen Verstellachse treten beim Auftreffen des Magnetankers auf das Ventilglied nur relativ geringe, für die Verschiebung des Zusatzelements relevante Querkräfte auf, so dass die angesprochenen Reibkräfte ggf. nicht in gewünschter Art und Weise überwunden werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass bereits geringere Kräfte des Ventilglieds auf das Zusatzelement genügen, um eine Zentrierung bzw. Verstellung des Zusatzelements zum Ventilglied im Sinne einer Zentrierung des Ventilglieds zu einem Ventilsitz zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass durch ein Kippen des Zusatzelements anstelle einer Linearbewegung, wie dies beim oben erwähnten Stand der Technik bekannt ist, die für die Bewegung des Zusatzelements benötigten Kräfte reduziert werden können. Dabei ist das Zusatzelement in Art eines Kardangelenks beweglich angeordnet, insbesondere um einen auf der dem Ventilglied abgewandten Seite angeordneten Endbereich des Zusatzelements.
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Im Gegensatz zum Stand der Technik müssen somit zur Erzeugung der Bewegung des Zusatzelements nicht relativ hohe Reibkräfte durch eine flächige Anlage des Zusatzelements an einem ortsfesten Element des Kraftstoffinjektors überwunden werden. Vielmehr genügen durch die insbesondere punktförmige Anlage des Zusatzelements an einem ortsfesten Element des Kraftstoffinjektors bereits geringe Querkräfte, um das Zusatzelement im Bereich des Ventilglieds zu bewegen bzw. zu kippen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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In einer ersten konstruktiv bevorzugten Anordnung des Zusatzelements ist es vorgesehen, dass dieses zwischen dem Ventilglied und dem Verstellelement angeordnet ist. Eine derartige Anordnung ist besonders vorteilhaft bei Kraftstoffinjektoren, bei denen der Ventilsitz, über den Kraftstoff aus dem Steuerraum in den Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors abströmen kann, im Bereich eines ortsfesten Elements des Kraftstoffinjektors angeordnet ist.
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In einer Weiterbildung des zuletzt genannten Vorschlags ist es zur Erzielung der Kippbarkeit des Zusatzelements vorgesehen, dass das wenigstens eine Zusatzelement auf der dem Ventilglied abgewandten Seite einen Endabschnitt aufweist, der zumindest bereichsweise ballig, insbesondere kugelabschnittsförmig ausgebildet ist, und dass das Verstellelement auf der dem Endabschnitt zugewandten Seite eine Anlagefläche zur Anlage an dem Endabschnitt aufweist, wobei die Anlagefläche konkav ausgebildet ist und zumindest in einem Anlagebereich an dem Endabschnitt eine Wölbung aufweist, die geringer ist als die Wölbung des wenigstens einen Zusatzelements.
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In konstruktiv alternativer Gestaltung hierzu kann es vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Zusatzelement auf der dem Ventilglied abgewandten Seite einen Endabschnitt mit einer Vertiefung aufweist, wobei die Vertiefung zumindest bereichsweise konkav, insbesondere kugelschalenförmig ausgebildet ist, und dass das Verstellelement auf der dem Endabschnitt zugewandten Seite eine Anlagefläche zur Anlage an den Endabschnitt aufweist, wobei die Anlagefläche konvex ausgebildet ist und zumindest in einem Anlagebereich an dem Endabschnitt eine Wölbung aufweist, die geringer ist als die Wölbung des wenigstens einen Zusatzelements.
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Während bei den beiden oben genannten konstruktiven Ausbildungen jeweils nur ein einziges Zusatzelement vorgesehen ist, kann es in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass wenigstens zwei Zusatzelemente zwischen dem Verstellelement und dem Ventilglied angeordnet sind. Um beim Vorsehen von zwei Zusatzelementen in vorteilhafter Art und Weise eine Kippbarkeit der zwei Zusatzelemente ausbilden zu können, und gleichzeitig in unbelastetem Zustand bzw. im belasteten Zustand der zwei Zusatzelemente eine drehwinkelrichtige Ausrichtung der beiden Zusatzelemente zueinander zu ermöglichen, ist es vorgesehen, ein erstes Zusatzelement vorzusehen, das mit dem Verstellelement in Wirkverbindung angeordnet ist, sowie ein zweites Zusatzelement, das mit dem Ventilglied in Wirkverbindung angeordnet ist, wobei das erste Zusatzelement auf der dem Verstellelement und dem zweiten Zusatzelement zugewandten Seite eine erste und eine zweite strukturierte Kontaktfläche aufweist, die mit einer dritten und vierten gegengleichen Kontaktfläche an dem Verstellelement und dem zweiten Zusatzelement zusammenwirkt, wobei die Kontaktflächen eine Zentrierung der zwei Zusatzelemente ausbildet.
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In Weiterbildung des zuletzt genannten Vorschlags zur Ausbildung einer zusätzlichen (linearen) Verstellbarkeit eines Zusatzelements kann es vorgesehen sein, dass das erste Zusatzelement aus zwei, senkrecht zur Verstellachse beweglichen Teilelementen besteht.
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Um beispielsweise die Montage des Kraftstoffinjektors zu vereinfachen und/oder einen Kippwinkel in seiner Größe zu begrenzen, kann es vorgesehen sein, dass das Verstellelement einen sich in Richtung der Verstellachse erstreckenden Führungsabschnitt in Form eines Bohrungsabschnitts aufweist, der das wenigstens eine Zusatzelement mit radialem Spiel über einen Teilbereich seiner axialen Länge umschließt, und dass der Führungsabschnitt einen Kippanschlag zur Begrenzung des Kippwinkels des wenigstens einen Zusatzelements ausbildet.
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Auch hinsichtlich des Ventilglieds können unterschiedliche konstruktive Gestaltungen des Ventilglieds zur Anwendung kommen. Diesen unterschiedlichen Ventilgliedern ist gemeinsam, dass diese auf der dem Ventilsitz zugewandten Seite kugelförmig ausgebildet sind. Dadurch lässt sich insbesondere auf besonders einfache Art und Weise eine gute Dichtwirkung des Ventilglieds mit dem Dichtsitz ermöglichen.
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Ganz besonders bevorzugt ist eine konstruktive Ausgestaltung, bei der das Ventilglied als Ventilkugel ausgebildet ist, wobei das wenigstens eine Zusatzelement eine konkav geformte Aufnahme für die Ventilkugel aufweist, in der die Ventilkugel zumindest in einer senkrecht zur Verstellachse verlaufenden Richtung beweglich und in der Verstellachse zentriert gelagert ist. Dadurch wird die Verwendung einer standardisierten, gehärteten Stahlkugel als Ventilglied ermöglicht.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in:
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1 schematisch einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor im Längsschnitt,
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2 ein Detail der 1 im Bereich eines Zusatzelements in vergrößerter Darstellung,
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3 ein Detail entsprechend der 2 bei einer abgewandelten Ausführungsform des Zusatzelements,
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4 bis 6 weitere, alternativ ausgebildete Zusatzelemente in einem Ausschnitt entsprechend der 2 und
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7 einen Ausschnitt gemäß 2 bei Verwendung von zwei Zusatzelementen.
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist ausschnittsweise ein Kraftstoffinjektor 10 gezeigt, wie er zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer nicht gezeigten Brennkraftmaschine dient. Insbesondere ist der Kraftstoffinjektor 10 als sogenannter Common-Rail-Injektor ausgebildet und Bestandteil eines Kraftstoffeinspritzsystems einer selbstzündenden Brennkraftmaschine.
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Der Kraftstoffinjektor 10 weist einen Injektorkörper 11 auf, der mittels einer Überwurfmutter 12 unter Zwischenlage einer Drosselplatte 13 axial mit einem Düsenkörper 15 verspannt ist. Der Düsenkörper 15 bildet einen Druckraum 16 aus, der von der Drosselplatte 13 begrenzt ist. Innerhalb des Druckraums 16 ist eine als Einspritzglied wirkende Düsennadel 20 entlang einer Längsachse 21 hubbeweglich angeordnet. An dem der Drosselplatte 13 abgewandten Endbereich des Düsenkörpers 15 sind insbesondere mehrere Einspritzöffnungen 22 ausgebildet, die zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine dienen, indem unter Hochdruck stehender Kraftstoff aus dem Druckraum 16 über die Einspritzöffnungen 22 in den Brennraum eingespritzt wird.
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In der in der 1 dargestellten Schließstellung der Düsennadel 20 sind die Einspritzöffnungen 22 durch Anlage einer Düsennadelspitze 23 im Bereich eines Sitzes 24 des Düsenkörpers 15 zumindest mittelbar verschlossen, so dass der Zufluss von Kraftstoff in den Bereich der Einspritzöffnungen 22 verhindert wird. Der der Düsennadelspitze 23 abgewandte andere Endbereich 25 der Düsennadel 20 taucht in eine Steuerraumhülse 26 ein, die einen Steuerraum 28 begrenzt. Der Steuerraum 28 ist über einen Zuströmkanal 29 mit integrierter Zuströmdrossel 30 hydraulisch mit dem Druckraum 16 verbunden. Eine Druckfeder 32, die sich zwischen der der Drosselplatte 13 abgewandten Stirnfläche und einem Bund 33 an der Düsennadel 20 axial abstützt, beaufschlagt die Düsennadel 20 in die in der 1 dargestellte Schließstellung.
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Der Druckraum 16 ist über einen in dem Injektorkörper 11 und der Drosselplatte 13 ausgebildeten Zuströmkanal 34 mit einem unter Hochdruck stehenden Kraftstoffspeicher 35 (Rail) verbunden. In der Drosselplatte 13 ist konzentrisch zur Längsachse 21 ein Abströmkanal 36 ausgebildet, der den Steuerraum 28 hydraulisch mit einem Abströmraum 37 verbindet. Der Abströmraum 37 ist wiederum in nicht gezeigter, weil nicht erfindungswesentlicher Art und Weise mit einem Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors 10 oder einer Rücklaufleitung hydraulisch verbunden. Der Abströmkanal 36 weist auf der dem Steuerraum 28 abgewandten Seite einen Ventilsitz 38 auf, der mit einem kugelförmigen Ventilglied 40 in Form einer Ventilkugel 41 zusammenwirkt, um den Abfluss von Kraftstoff aus dem Steuerraum 28 in den Abströmraum 37 bzw. den Niederdruckbereich zu steuern. Das Ventilglied 40 ist Bestandteil eines hydraulischen Ventils 43. Hierzu wirkt das Ventilglied 40 mittelbar mit einem stößelförmigen Verstellelement 42 zusammen, das mit einem Magnetanker 45 verbunden ist. Der Magnetanker 45 ist Bestandteil eines Aktuators 46 zur Betätigung des Ventilglieds 40, um auf an sich bekannte Art und Weise die Bewegung der Düsennadel 20 zu steuern. Hierzu wirkt der Magnetanker 45 mit einer Magnetspule 47 zusammen. Das Verstellelement 42 ist von der Druckkraft einer Druckfeder 48 in Richtung des Ventilglieds 40 kraftbeaufschlagt, und der Magnetanker 45 ist von der Druckkraft einer weiteren Druckfeder 49 in Richtung der Magnetspule 47 kraftbeaufschlagt, wobei die Federkraft der Druckfeder 48 größer ist als die der weiteren Druckfeder 49.
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Das Verstellelement 42 wirkt unter Zwischenlage eines ersten Zusatzelements 50 mit dem Ventilglied 40 zusammen. Wie insbesondere aus einer Zusammenschau der 1 und 2 erkennbar ist, ist hierzu der dem ersten Zusatzelement 50 zugewandte Endbereich des Verstellelements 42 mit einem balligen bzw. kugelabschnittsförmigen Endbereich 51 ausgebildet. Der Endbereich 51 wirkt mit einer konkav ausgebildeten Aufnahme 52 an dem ersten Zusatzelement 50 zusammen, wobei die Wölbung bzw. der Radius R der Aufnahme 52 größer ist als die Wölbung bzw. der Radius r des Endbereichs 51. Dadurch wird zwischen dem Endbereich 51 und der Aufnahme 52, im Ausführungsbeispiel fluchtend zur Längsachse 21, eine Verstellachse 55 des Ventilglieds 40 ausbildet, entlang derer das Ventilglied 40, das Zusatzelement 50 und das Verstellelement 42 hubbeweglich sind. Weiterhin ist zwischen dem Endbereich 51 und der Aufnahme 52 eine punktförmige Anlagefläche 53 ausgebildet.
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Auf der dem Endbereich 51 des Verstellelements 52 gegenüberliegenden Seite weist das ansonsten vorzugsweise zylindrisch ausgebildete erste Zusatzelement 50 eine weitere Aufnahme 54 auf, die ebenfalls konkav ausgebildet ist. In dieser weiteren Aufnahme 54 ist das Ventilglied 40 bzw. die Ventilkugel 41 zentriert und senkrecht zu der Verstellachse 55 beweglich angeordnet, wobei die Wölbung bzw. der Radius der weiteren Aufnahme 54 größer ist als der Radius des Ventilglieds 40 bzw. der Ventilkugel 41, so dass zwischen der weiteren Aufnahme 54 und der Ventilkugel 41 ebenfalls eine punktförmige Anlagefläche 60 ausgebildet ist.
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Bei einer Bestromung der Magnetspule 47 wird auf den Magnetanker 45 eine anziehende Kraft ausgeübt, die den Magnetanker 45 in Richtung der Magnetspule 47 entgegen der Federkraft der Druckfeder 48 bewegt. Aufgrund des in dem Steuerraum 28 bzw. dem Abströmkanal 36 herrschenden Überdrucks hebt dabei das Ventilglied 40 von dem Ventilsitz 38 an der Drosselplatte 13 ab, um den Steuerraum 28 hydraulisch zu entlasten und damit eine Hubbewegung der Düsennadel 20 zu erzeugen. Dadurch werden die Einspritzöffnungen 22 freigegeben, um Kraftstoff aus dem Druckraum 16 in den Brennraum der Brennkraftmaschine einzuspritzen. Zum Beenden des Einspritzens wird die Bestromung der Magnetspule 47 unterbrochen. Dadurch wird der Magnetanker 45 zusammen mit dem Verstellelement 42 durch die Federkraft der Druckfeder 48 in Richtung der Drosselplatte 13 bzw. des Ventilsitzes 38 bewegt.
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Beispielsweise aufgrund unsymmetrischer hydraulischer Abströmverhältnisse aus dem Abströmkanal 36 in den Abströmraum 37 oder aufgrund von Bauteiltoleranzen kann es vorkommen, dass bei der Abwärtsbewegung der Ventilkugel 41 in Richtung des Ventilsitzes 38 die Verstellachse 55 des Ventilglieds 40 nicht mit der Längsachse 21 des Absrömkanals 37 bzw. dem Ventilsitz 38 fluchtet. Um unmittelbar nach dem Aufsitzen des Ventilglieds 40 auf den Ventilsitz 38 eine zentrische Anordnung der Ventilkugel 41 bzw. des Ventilglieds 40 zum Ventilsitz 38 zu gewährleisten, ermöglicht es das erste Zusatzelement 50 den Versatz zwischen der Längsachse 21 und der Verstellachse 55 durch Kippen des ersten Zusatzelements 50 auszugleichen.
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Dabei wälzt einerseits das Ventilglied 40 innerhalb der weiteren Aufnahme 54 und andererseits der Endbereich 51 des Verstellelements 42 in der Aufnahme 52 ab, so dass das Zusatzelement 50 um einen in der 2 erkennbaren, zwischen den beiden Anlageflächen 53, 60 angeordneten Punkt 56 kippt.
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In der 3 ist ein gegenüber den 1 und 2 modifiziertes erstes Zusatzelement 50a erkennbar. Das erste Zusatzelement 50a weist auf der dem Verstellelement 42a zugewandten Seite ein beispielhaft halbkugelförmig ausgebildetes Ende 39 auf, das unter punktförmiger Anlage in einer konkav ausgebildeten Aufnahme 57 des Verstellelements 42a anliegt. Auf der der Drosselplatte 13 zugewandten Seite weist das erste Zusatzelement 50a eine ebene Fläche 58 auf, an der das kugelabschnittsförmig ausgebildete Ventilglied 40a anliegt, wobei das Ventilglied 40a in der Ebene der Fläche 58, d.h. senkrecht zur Verstellachse 55 verschiebbar ist, was durch den Doppelpfeil 61 angedeutet ist.
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Das in der 4 dargestellte erste Zusatzelement 50b weist einen ballig bzw. kugelabschnittsförmig ausgebildeten Endbereich 62 auf, der mit einer konkav ausgebildeten Aufnahme 63 am Verstellelement 42b zusammenwirkt. Auf der dem Verstellelement 42b abgewandten Seite weist das erste Zusatzelement 50b eine konkav ausgebildete Aufnahme 64 auf, in der das Ventilglied 40 bzw. die Ventilkugel 41 angeordnet ist.
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Das in der 5 dargestellte erste Zusatzelement 50b ist zumindest im Wesentlichen identisch zum ersten Zusatzelement 50b gemäß der 4 ausgebildet. Jedoch weist das Verstellelement 42c eine Aufnahme 65 auf, die am Grund eines zylindrisch ausgebildeten Bohrungsabschnitts 66 ausgebildet ist. An der Aufnahme 65 liegt der Endbereich 62 des ersten Zusatzelements 50b punktförmig an. Dadurch bildet der Bohrungsabschnitt 66 im Mündungsbereich eine Kante 68 aus, die den Kippwinkel des ersten Zusatzelements 50b innerhalb des Bohrungsabschnitts 66 begrenzt.
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Das in der 6 dargestellte erste Zusatzelement 50c weist einen im Durchmesser bzw. in der Größe vergrößerten Endbereich 69 auf, der in einen Aufnahmeraum 70 des Verstellelements 42d hineinragt. Beispielsweise durch einen spanlosen Umformprozess wird eine radial umlaufende Kante 71 radial nach innen verformt, um ein Verlieren des ersten Zusatzelements 50c aus dem Aufnahmeraum 70 zu verhindern.
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Zuletzt ist in der 7 eine Anordnung unter Verwendung von zwei Zusatzelementen 80, 81 gezeigt. Dabei wirkt das erste Zusatzelement 80 auf der dem Verstellelement 42e zugewandten Seite mit dem Verstellelement 42e und auf der dem Ventilglied 40e zugewandten Seite mit dem zweiten Zusatzelement 81 zusammen. Das erste Zusatzelement 80 weist auf der dem Verstellelement 42e zugewandten Seite eine strukturierte Form bzw. Kontaktfläche 82 (im dargestellten Beispiel in Wellenform) auf, die mit einer gegengleichen strukturierten Kontaktfläche 83 bzw. Form an dem Verstellelement 42e zusammenwirkt. Weiterhin weist das erste Zusatzelement 80 auf der dem zweiten Zusatzelement 81 zugewandten Seite ebenfalls eine strukturierte Kontaktfläche 84 auf, die mit einer gegengleichen strukturieren Kontaktfläche 85 an dem zweiten Zusatzelement 81 zusammenwirkt. Auch ist das erste Zusatzelement 80 zweiteilig ausgebildet, indem es zwei Teilelemente 88, 89 aufweist. Die beiden Teilelemente 88, 89 liegen an einander zugewandten, ebenen Flächen im Bereich einer Kontaktebene 90 aneinander an und sind senkrecht zur Verstellachse 55 verschiebbar angeordnet.
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Der soweit beschriebene Kraftstoffinjektor 100 sowie die Zusatzelemente 50; 50a bis 50c, 80, 81 können in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008001597 A1 [0002]
