Kraftstoffinjektor mit einem Bauteilverband

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Ein gattungsgemäßer Kraftstoffinjektor mit einem Bauteilverband umfasst ein erstes Bauteil, das über eine Spannmutter gegen ein zweites Bauteil axial verspannt ist. Zur Erzielung einer axialen Vorspannkraft ist das erste Bauteil unmittelbar oder mittelbar an der Spannmutter axial abgestützt und die Spannmutter mit dem zweiten Bauteil über eine Schraubverbindung verbunden.

Stand der Technik

Ein Kraftstoffinjektor mit einem Bauteilverband der vorstehend genannten Art geht beispielhaft aus der Offenlegungsschrift DE 10 2009 029 398 AI hervor. Das erste Bauteil des Bauteilverbandes wird durch einen Düsenkörper mit einer zentralen Kraftstoffzuführung gebildet, welcher mit einer brennraumfernen Stirnfläche hochdruckdicht an einer brennraumnahen Stirnfläche eines Gehäusekörpers anliegt und gegen diesen mit Hilfe einer Spannhülse verspannt ist. Um die Hochdruckabdichtung zwischen dem Gehäusekörper und dem Düsenkörper zu verbessern, weist mindestens eine der Stirnflächen eine Beißkante auf. Die Beißkante soll beim Verspannen der Bauteile eine besonders günstige Flächenpressungsverteilung im Bereich der Hochdruckabdichtung bewirken, wobei sich die Beißkante in die Stirnfläche des jeweils anderen Körpers eingräbt. Die erforderliche Axialvorspannkraft, aus welcher die Flächenpressung resultiert, wird mittels Winkelanzugs- oder Momentanzugsmethode eingeleitet. Als vorteilhaft erweist sich dabei eine geringe Reibung und eine geringe Streuung der resultierenden Axialkraft. Um dies zu erreichen, werden an die Schraubpartner hohe Anforderungen hinsichtlich ihrer geometrischen Genauigkeit und ihrer Oberflächenqualität gestellt. Form-, Maß- und/oder Lagetoleranzen führen jedoch regelmäßig dazu, dass die zu verspannenden Bauteile gegeneinander verkippen, so dass die Flächenpressung nicht gleichmäßig ist. Im Extremfall führt dies zu einer partiell überhöhten Belastung, welche eine bleibende Verformung zur Folge haben kann. An anderer Stelle wird dagegen eine nicht mehr ausreichende Flächenpressung erzielt, so dass die Hochdruckdichtigkeit nicht mehr gewährleistet werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor mit einem Bauteilverband anzugeben, welcher weniger sensibel gegenüber Form-, Maß- und/oder Lagetoleranzen ist und demzufolge einen hochdruckdichten Verband gewährleistet.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Offenbarung der Erfindung

Der vorgeschlagene Kraftstoffinjektor weist einen Bauteilverband auf, umfassend ein erstes Bauteil, das über eine Spannmutter gegen ein zweites Bauteil axial verspannt ist. Zur Erzielung einer axialen Vorspannkraft ist das erste Bauteil unmittelbar oder mittelbar an der Spannmutter axial abgestützt und die Spannmutter mit dem zweiten Bauteil über eine Klemm-, Rast- und/oder Schraubverbindung verbunden. Erfindungsgemäß bildet das erste Bauteil zumindest mit einem weiteren Bauteil, über welches bzw. über welche das erste Bauteil an der Spannmutter mittelbar abgestützt ist, ein Gelenk aus, das eine Kompensierung etwaiger Form-, Maß- und/oder Lagetoleranzen ermöglicht. Das Gelenk sollte demnach bevorzugt sowohl eine Kippbewegung, als auch eine Drehbewegung der gelenkbildenden Bauteile zueinander zulassen. Etwaige Parallelitätsfehler können somit in einfacher Weise ausgeglichen werden. Vorteilhafterweise umfasst das Gelenk eine Gelenkkugel, welche mit wenigstens einer zumindest teilweise konkav oder konisch geformten Stirnfläche des ersten Bauteils und/oder des weiteren Bauteils gelenkbildend zusammenwirkt. Das Gelenk ist demnach bevorzugt als Kugelgelenk ausgebildet. Um die Reibung im Bereich des Gelenkes bei einer Bewegung der gelenkbildenden Bauteile zueinander zu verringern, wird als Gegenpart der Gelenkkugel ein Konus bzw. eine konisch geformte Stirnfläche des gegenüberliegenden Bauteils bevorzugt. Denn Konus und Kugel weisen lediglich eine ringförmige Kontaktfläche auf. Die verringerte Reibung hat unter anderem zu Folge, dass beim Aufschrauben der Spannmutter auf das zweite Bauteil lediglich das unmittelbar an der Spannmutter abgestützte gelenkbildende Bauteil mitgeführt wird, da das Gelenk eine Übertragung des Drehmoments auf das weitere gelenkbildende Bauteil nicht oder nur in deutlich verringertem Maße zulässt. Das weitere gelenkbildende Bauteil erfährt somit keine Verdrehung gegenüber dem hieran anschließenden Bauteil, so dass der zwischen diesen Bauteilen ausgebildete Dichtbereich bzw. die den Dichtbereich ausbildenden jeweiligen Kontaktflächen der Bauteile einer deutlich geringeren Beanspruchung unterliegt bzw. unterliegen. Auf diese Weise wird auch eine Beschädigung etwaiger im Dichtbereich ausgebildeter Beißkanten vermieden.

Ferner bevorzugt ist die Gelenkkugel als separates Bauteil ausgeführt und wirkt mit zumindest teilweise konisch geformten Stirnflächen am ersten und am weiteren Bauteil zusammen. Jedes Bauteil weist somit eine ringförmige Kontaktfläche mit der Gelenkkugel auf.

Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Gelenkkugel Bestandteil des ersten oder des weiteren Bauteils. Zur Ausbildung der Gelenkkugel ist weiterhin bevorzugt die Stirnfläche des ersten Bauteils oder die Stirnfläche des weiteren Bauteils zumindest teilweise sphärisch geformt. Auf diese Weise kann die Anzahl der Bauteile beschränkt und das Konzept vereinfacht werden.

Sofern keine separate Gelenkkugel vorgesehen ist und ein Stirnfläche eines gelenkbildenden Bauteils zumindest teilweise sphärisch geformt ist, ist weiterhin bevorzugt die gegenüberliegende Stirnfläche des jeweils anderen Bauteils zumindest teilweise konisch geformt. Die Konusform ist durch einen spezifischen Konuswinkel α gekennzeichnet, welcher über die beaufschlagte Kraft und die daraus resultierende Hertz'sche Pressung definiert wird. Bevorzugt beträgt der Konuswinkel α einer zumindest teilweise konisch geformten Stirnfläche 170°-90°, vorzugsweise 160°-100°, weiterhin vorzugsweise 150°-110°. Im Falle, dass die Stirnflächen beider Bauteile zur Aufnahme einer separaten Gelenkkugel zumindest teilweise konisch geformt sind, wird der jeweilige Konuswinkel bevorzugt entsprechend gewählt. Ein flacher Konuswinkel α in Kombination mit einem großen Gelenkkugeldurchmesser wird als besonders vorteilhaft angesehen, da diese Ausgestaltung die Übertragung einer hohen Axialkraft begünstigt. Allerdings steigt mit zunehmendem Gelenkkugeldurchmesser auch das übertragende Moment an, was nicht erwünscht ist. Weitere Einflussfaktoren stellen diesbezüglich die Materialhärte und die Oberflächengüte der gelenkbildenden Bauteile dar, die demnach den Anforderungen entsprechend zu wählen sind.

Sofern die sich gegenüberliegenden Stirnflächen des ersten und des weiteren Bauteils jeweils einen Konus zur Aufnahme einer separaten Gelenkkugel aufweisen, ist ferner bevorzugt der Konuswinkel α der zumindest teilweise konisch geformten Stirnfläche des ersten Bauteils gleich dem Konuswinkel α der zumindest teilweise konisch geformten Stirnfläche des weiteren Bauteils gewählt. Dadurch ist eine gleichmäßige Belastung der gelenkbildenden Bauteile sichergestellt. Zudem kann die Herstellung der Bauteile vereinfacht werden. Es ist jedoch nicht zwingend erforderlich, dass die Konuswinkel α der Konen der gegenüberliegenden Stirnflächen gleich gewählt sind. Das heißt, dass auch solche Ausführungsformen von der Erfindung umfasst sein sollen, bei welchen die sich gegenüberliegenden Stirnflächen jeweils einen Konus mit einem anderen Konuswinkel α ausbilden.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das erste Bauteil, das zweite Bauteil und/oder das weitere Bauteil von einer zentralen Durchgangsbohrung durchsetzt ist bzw. sind. Die Durchgangsbohrung dient der Durchleitung einer Kraftstoffmenge, die druckbeaufschlagt, insbesondere hochdruckbeaufschlagt, ist. Über die den Dichtbereich ausbildenden Kontaktflächen am ersten und am zweiten Bauteil, die gegeneinander mittels der Spannmutter verspannt sind, ist dabei eine hochdruckdichte Abdichtung sichergestellt. Alternativ oder ergänzend kann die Druckanbindung auch durch wenigstens eine außermittig im Bauteil angeordnete Bohrung realisiert sein. Vorteilhafterweise wird die Durchgangsbohrung des ersten Bauteils und/oder des zweiten Bauteils von einer Stirnfläche mit einer Beißkante begrenzt. Über die Beißkante kann die Flächenpressung im Dichtbereich erhöht werden, so dass eine hochdruckdichte Abdichtung gewährleistet ist. Da über das erfindungsgemäß vorgesehene Gelenk etwaige Form-, Maß- und/oder Lagetoleranzen der Bauteile des Bauteilverbandes ausgleichbar sind, ist einerseits eine reduzierte, andererseits eine gleichmäßige Belastung bzw. Beanspruchung der Beißkante sichergestellt. Eine ungleichmäßige plastische und/oder elastische Verformung der Beißkante beim Verspannen der Bauteile sowie hieraus resultierende Undichtigkeiten werden somit vermieden.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Spannmutter eine im Wesentlichen radial verlaufende Bohrung aufweist. Die Bohrung dient vorzugsweise als Entlastungsbohrung und ermöglicht das Abführen einer ggf. anfallenden

Leckagemenge. Die Bohrung ist lediglich optional und demnach nicht zwingend zur Verwirklichung der Erfindung erforderlich.

Des Weiteren bevorzugt ist das erste Bauteil des Bauteilverbandes des Kraftstoffinjektors eine Scheibe und das zweite Bauteil ein hülsenförmiges Gehäuseteil. Das mit dem ersten Bauteil als Gelenk zusammenwirkende weitere Bauteil kann ebenfalls eine in der Spannmutter aufgenommene Scheibe sein. Darüber hinaus kann auch ein Düsenkörper des Kraftstoffinjektors als weiteres Bauteil dienen. Die brennraumferne Stirnfläche des Düsenkörpers ist in diesem Fall zumindest teilweise konvex, konkav oder konisch ausgebildet, um die Ausbildung des Gelenks zu ermöglichen.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor im Bereich eines Bauteilverbandes,

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch einen weiteren erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor im Bereich eines Bauteilverbandes,

Fig. 3 eine Explosionsdarstellung der Bauteile des Bauteilverbandes der Figur 2, Fig. 4a+b jeweils eine Schnittdarstellung durch ein Gelenk eines Bauteilverbandes eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors ohne Durchgangsbohrung,

Fig. 5a+b jeweils eine Schnittdarstellung durch ein Gelenk eines Bauteilverbandes eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors mit Durchgangsbohrung und

Fig. 6a-d jeweils eine Schnittdarstellung durch ein Bauteil eines Bauteilverbandes eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors zur Darstellung unterschiedlicher Beißkantenausbildungen.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Der in der Fig. 1 dargestellte Bauteilverband eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors umfasst ein scheibenförmiges erstes Bauteil 1, das eine planebene erste Stirnfläche 11 und eine zumindest teilweise konisch geformte zweite Stirnfläche 8 aufweist. Mit der planebenen Stirnfläche 11 liegt das erste Bauteil 1 an einem zweiten Bauteil 2 an, das hülsenförmig ausgebildet ist und von einer zentralen Durchgangsbohrung 10 durchsetzt wird. Mittels einer Spannmutter 3 ist das erste Bauteil 1 gegen das zweite Bauteil 2 verspannt. Die axiale Vorspannkraft wird mittels einer Schraubverbindung 4 der Spannmutter 3 mit dem zweiten Bauteil 2 bewirkt.

Zum Aufbringen der axialen Vorspannkraft ist das erste Bauteil 1 mittelbar über weitere Bauteile 5, 6 an der Spannmutter 3 axial abgestützt. Ein weiteres Bauteil 5 wird durch einen Düsenkörper gebildet, welcher mit seiner Stirnfläche 17 unmittelbar an einem radial verlaufenden Absatz 16 der Spannmutter 3 anliegt. Die dem ersten Bauteil 1 zugewandte Stirnfläche 9 des Düsenkörpers ist zumindest teilweise konisch geformt, wobei der Konus 15 der Stirnfläche 9 des Düsenkörpers dem Konus 15 der Stirnfläche 8 des ersten Bauteils 1 gegenüber liegt. Der Konuswinkel α der beiden Konen 15 ist gleich gewählt. Die Konen 15 dienen der Aufnahme einer Gelenkkugel 6, so dass das erste Bauteil 1, der Düsenkörper 5 und die Gelenkkugel 6 gemeinsam ein Gelenk 7 ausbilden, das sowohl eine Kipp- als auch eine Drehbewegung der Bauteile 1 und 5 zueinander ermöglicht. Etwaige Form-, Maß- und/oder Lagetoleranzen der Bauteile können demnach über das Gelenk 7 ausgeglichen werden, so dass Querkräfte bzw. eine asymmetrische Krafteinleitung vermieden werden. Des Weiteren werden die Drehbewegungen der ersten Bauteils 1 gegenüber dem zweiten Bauteil 2 minimiert, so dass die Reibbeanspruchung der Bauteile 1, 2 im Bereich ihrer aneinander liegenden Stirnflächen 11, 12 ebenfalls verringert wird.

Das zweite Bauteil 2 weist im Bereich seiner Stirnfläche 12, die ringförmig ist, eine Beißkante 13 auf, welche radial innen liegend angeordnet ist und die Durchgangsbohrung 10 radial begrenzt (analog Fig. 3). Beim Aufbringen der axialen Vorspannkraft zum Verspannen des ersten und zweiten Bauteils 1, 2 erfährt die Beißkante 13 eine teilweise plastische Verformung, welche auf eine erhöhte Flächenpressung zurückzuführen ist. Durch die erhöhte Flächenpressung im Bereich der Beißkante 13 ist wiederum eine hochdruckfeste Abdichtung im Dichtbereich der beiden Bauteile 1 und 2 gewährleistet. Zudem bewirkt der erfindungsgemäße Ausgleich etwaiger Form-, Maß- und/oder Lagetoleranzen über das Gelenk 7 eine umlaufend gleichmäßige Flächenpressung bzw. eine gleichmäßige Verformung der Beißkante 13. Eine partielle Überbeanspruchung der Beißkante 13 wird somit vermieden. Das in der Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem der Fig.

1 dadurch, dass das weitere Bauteil 5 als separate Scheibe ausgebildet ist.

Der Explosionsdarstellung der Fig. 3 sind die Bauteile 1, 2, 3 und 6 zu entnehmen. Das weitere Bauteil 5 ist der Einfachheit halber nicht dargestellt. Das erste Bauteil 1 ist wie- derum scheibenförmig mit einer planebenen und einer teilweise konisch geformten

Stirnfläche 11, 8 ausgebildet. Mit der planebenen Stirnfläche 11 kann das erste Bauteil 1 an die Stirnfläche 12 bzw. die Beißkante 13 der Stirnfläche 12 angelegt werden. Der Konus 15 der Stirnfläche 8 dient der Aufnahme der Gelenkkugel 6. Das nicht dargestellte weitere Bauteil 5 weist einen identisch ausgebildeten Konus 15 auf, so dass ein Gelenk 7 ausgebildet wird. Die Bauteile 1, 5 und 6 des Gelenks 7 werden in die

Spannmutter 3 eingesetzt und diese dann mit dem zweiten Bauteil 2 über die Schraubverbindung 4 verschraubt. An der Spannmutter 3 ist hierzu ein Innengewinde und an dem zweiten Bauteil 2 ein Außengewinde -vorliegend in der Form eines metrischen Feingewindes- ausgebildet. Wie der Fig. 3 ferner zu entnehmen ist, weist die Spann- mutter 3 zudem eine radial verlaufende Bohrung 14 auf, welche als Entlastungsbohrung bei einer Hochdruckbeaufschlagung des Bauteilverbandes dient.

Die Fig. 4a und b zeigen eine weitere Ausführungsform eines Bauteilverbandes eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors, wobei hier jeweils nur die abgewandelten Bauteile 1 und 5 dargestellt sind. Zur Ausbildung eines Gelenks 7 weist bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4a das erste Bauteil 1 eine teilweise sphärisch geformte Stirnfläche 8 auf, welche mit einer teilweise konisch geformten Stirnfläche 9 des weiteren Bauteils 5 gelenkbildend zusammenwirkt. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4b verhält es sich umgekehrt. Indem die Gelenkkugel 6 Teil des ersten Bauteils 1 oder des weiteren Bauteils 5 ist, kann auf eine separate Gelenkkugel 6 verzichtet werden. Dies gilt analog für die in den Fig. 5a und b dargestellten Ausführungsbeispiele, welche sich von denen der Fig. 4a und b lediglich dadurch unterscheiden, dass hier die Bauteile 1 und 5 jeweils von einer Durchgangsbohrung 10 durchsetzt sind und auf diese Weise das Hindurchströmen einer druckbeaufschlagten Kraftstoffmenge ermöglichen.

Den Fig. 6a-d sind verschiedene Ausführungsformen einer Beißkante 13 zu entnehmen. In den Beispielen der Fig. 6a und b ist die Beißkante 13 jeweils radial innen liegend und in den Beispielen der Fig. 6c und d jeweils radial außen liegend angeordnet. Ferner kann die Beißkante 13 eine eben ausgebildete Aufstandsfläche (Fig. 6b und d) oder eine auf eine Ringkante beschränkte Aufstandsfläche (Fig. 6a und c) besitzen. Zur Ausbildung der Ringkante ist bevorzugt wenigstens eine Flanke der Beißkante 13 um einen Winkel ß gegenüber der Ebene der Aufstandsfläche geneigt angeordnet (siehe Fig. 6a). Ergänzend zu den dargestellten Ausführungsformen können aber auch Beißkanten 13 mit einer eben ausgebildeten Aufstandsfläche geneigte Flanken aufweisen. Zudem ist es nicht zwingend erforderlich, dass die Beißkante 13 an der Stirnfläche 12 des zweiten Bauteils 2 ausgebildet ist. Die Beißkante 13 kann alternativ oder ergänzend auch an der Stirnfläche 11 des ersten Bauteils 1 ausgebildet sein. Hinsichtlich der Positionierung und Ausbildung der Beißkante gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, die hier nicht alle erwähnt werden können, jedoch von der Erfindung umfasst sein sol- Ferner ist die Anzahl der Bauteile eines Bauteilverbandes eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors nicht festgelegt, so dass diesbezüglich ebenfalls Abwandlungen möglich sind. Ein Bauteilverband eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors erweist sich nicht nur als weniger sensibel gegenüber Form-, Maß- und/oder Lagetoleranzen, da diese durch die vorgeschlagene Gelenkausbildung ausgleichbar sind, sondern ferner als besonders hochruckdicht. Denn eine Beanspruchung der Dichtflächen auf Reibung und ein damit einhergehender Verschleiß im Bereich der Dichtflächen werden weitgehend dadurch vermieden, dass relative Verschiebungen und/oder Verdrehungen der Komponenten zueinander vorrangig im Bereich des Gelenkes erfolgen.