DE102005006818A1

DE102005006818A1 - Dichtungseinrichtung für einen Kraftstoffinjektor sowie Verfahren zum Abdichten

Info

Publication number: DE102005006818A1
Application number: DE102005006818A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Dr. Kronberger; Hartmut Stehr; Roman Brauneis; Dejan Jovovic
Original assignee: Volkswagen Mechatronic GmbH and Co KG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2005-02-15
Filing date: 2005-02-15
Publication date: 2006-08-17
Also published as: US20080156298A1; US7559312B2; CN101146994A; EP1848891B1; EP1848891A1; JP2008530427A; JP4664990B2; WO2006087186A1; DE502006006694D1; ATE464473T1; CN101146994B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dichtungseinrichtung für einen Kraftstoffinjektor, insbesondere für eine Düsenspannmutter (10) des Kraftstoffinjektors, zum Fluiddichten gegenüber einem Dichtsitzrand (422), insbesondere einem Zylinderkopf (40), mit einem Dichtbereich (12), wobei der Dichtbereich (12) einen Konkavbereich (122) mit einer radial umlaufenden konkaven Außenkontur (124) aufweist, die am Dichtsitzrand (422) dichtend zur Anlage bringbar ist. DOLLAR A Ferner betrifft die Erfindung Verfahren zum Zentrieren und dauerhaften, hochdrucksicheren Fluiddichten eines ersten Bauteils (10) eines Kraftstoffinjektors, mit einem Dichtbereich eines zweiten Bauteils (40), bevorzugt einem Zylinderkopf (40).

Description

Die Erfindung betrifft eine Dichtungseinrichtung für einen Kraftstoffinjektor, insbesondere eine Dichtungseinrichtung für eine Düsenspannmutter des Kraftstoffinjektors, zur Sicherstellung einer fluiddichten Verbindung zwischen dem Kraftstoffinjektor und einem Zylinderkopf. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Fluiddichten eines Bauteils eines Kraftstoffinjektors mit einem Zylinderkopf.

Eine Düsenspannmutter hält die beiden Hauptkomponenten eines Kraftstoffinjektors – eine Einspritzdüse und einen Ventilkörper – fest zusammen. Die Einspritzdüse ragt im montierten Zustand des Kraftstoffinjektors im Zylinderkopf in einen Brennraum eines Kraftfahrzeugmotors hinein, wobei der darüber angeordnete Ventilkörper die Einspritzdüse betätigt. Hierbei ist es notwendig, den Kraftstoffinjektor gegenüber dem Brennraum am Zylinderkopf abzudichten. Dies geschieht durch eine entsprechende Gestaltung der Düsenspannmutter, die mit einer entsprechenden Einrichtung, einem Dichtsitz, im Zylinderkopf zusammenwirkt.

An eine solche Dichtanordnung sind hohe Anforderungen gestellt. Einerseits ist die Dichtanordnung hohen thermischen Belastungen ausgesetzt (–40°C bei Kaltstart im Winter, bis über +150°C bei Betriebsbedingungen) und andererseits ist die Dichteinrichtung hohen mechanischen, insbesondere Vibrationsbelastungen, ausgesetzt. Darüber hinaus muss die Dichtanordnung einen langanhaltenden Belastungen, dauerhaften Dichtzustand zwischen Kraftstoffinjektor und Zylinderkopf gewährleisten.

Hierfür wird im Stand der Technik z. B. an der Düsenspannmutter ein horizontaler Rand ausgebildet, welcher an einem in der Injektorbohrung vorgesehenen, ebenfalls horizontalen Rand ansitzt, und die Düsenspannmutter bzw. der Kraftstoffinjektor wird mit einer großen statischen Kraft gegen den Zylinderkopf gepresst. Durch das Vorsehen einer großen flächenmäßigen Überdeckung der beiden Ränder soll eine dauerhaft fluiddichte Verbindung geschaffen werden.

Bei einer solchen Anordnung müssen beide Dichtflächen sehr genau bearbeitet werden, um die Verbindung überhaupt dauerfluiddicht zu bekommen. Aufgrund des vorzusehenden seitlichen Spiels zwischen Kraftstoffinjektor und Injektorbohrung ist mit dieser Ausgestaltung keine Zentrierung zwischen Kraftstoffinjektor und Injektorbohrung möglich, sodass diese mittels anderer Ein- oder Vorrichtungen geschehen muss.

In der DE 101 02 192 A1 weist eine Düsenspannmutter an einem freien Ende einen kegelstumpfförmigen Bereich auf, welcher in einen entsprechenden kegelstumpfförmigen Injektorbohrungsabschnitt einsetzbar ist. Im vormontierten Zustand, also wenn der Kraftstoffinjektor mit Düsenspannmutter in die kegelstumpfförmige Injektorbohrung eingesetzt ist, besteht zwischen Kegelstumpf an der Düsenspannmutter und der Kegelstumpfbohrung im Zylinderkopf eine umlaufende Winkeldifferenz von 2° bis max. 5°. Hierdurch ist eine Zentrierung des Kraftstoffinjektors in der Injektorbohrung sichergestellt, wobei anschließend der Kraftstoffinjektor mit einer großen statischen Kraft in die Bohrung gedrückt wird und sich zwischen dem Kegelstumpf an der Düsenspannmutter und der Kegelbohrung im Zylinderkopf eine gemeinsame Dichtfläche ausbildet.

Dadurch, dass die Winkeldifferenz zwischen dem Kegelstumpf an der Düsenspannmutter und der Kegelstumpfbohrung im Zylinderkopf nur 2° bis 5° beträgt, existiert im vormontierten Zustand eine große flächenmäßige Überdeckung der beiden Dichtflächen, sodass sich aufgrund einer Klemmwirkung zwischen den beiden Dichtflächen eine Selbstzentrierung nur unzufrieden ausbildet. Diesem Problem wird im Stand der Technik dadurch begegnet, dass die entsprechenden Oberflächen, insbesondere die der Düsenspannmutter oberflächenbeschichtet wird, um den Gleitreibungskoeffizienten zwischen Düsenspannmutter und Injektorbohrung herabzusetzen.

Trotz Verbesserung der Gleitreibung zwischen Kraftstoffinjektor und Injektorbohrung ist die Winkeldifferenz von 2° bis 5° zu gering, um ein Klemmen zu verhindern und ein Selbstzentrieren zu gewährleisten. Durch eine Erhöhung der Winkeldifferenz zwischen dem Kegelstumpf an der Düsenspannmutter und der Kegelbohrung im Zylinderkopf auf über 5° würden Abstriche an der späteren Dichtungsqualität gemacht werden, was zu Undichtigkeiten beim Betrieb des Kraftstoffinjektors führen kann.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Kraftstoffinjektor zur Verfügung zu stellen. Insbesondere sollte der Kraftstoffinjektor bei der Montage des Kraftstoffinjektors im Zylinderkopf eine gute Eigenzentrierung aufweisen und im Zusammenwirken mit dem Zylinderkopf eine dauerhaft fluiddichte Verbindung zwischen Kraftstoffinjektor und Zylinderkopf herstellen.

Die Aufgabe der Erfindung wird mittels einer Dichtungseinrichtung bzw. Dichtungsanordnung für einen Zylinderkopf und einen Kraftstoffinjektor, insbesondere für eine Düsenspannmutter des Kraftstoffinjektors und den Zylinderkopf gelöst, wobei das eine Bauteil ein radial bevorzugt vollständig umlaufendes, sich in eine Längsrichtung erstreckendes, konkaves Querschnittprofil aufweist, welches an/in eine Dichtfläche bzw. Dichtkante eines zweiten Bauteils fluiddichtend ansetzbar/einpressbar ist. Bevorzugt ist hierbei die Düsenspannmutter des Kraftstoffinjektors mit einer radialen und vollständig umlaufenden Konkavfase ausgestaltet. Ein Dichtsitzrand ist innerhalb einer gestuften Injektorbohrung horizontal verlaufend oder mit einem Winkel konisch ausgebildet.

Hierbei wirken die Konkavfase und die Dichtkante des Dichtsitzrands in besonderer Weise zusammen. In einem Vormontage- bzw. Zentrierzustand wird der Kraftstoffinjektor mit seiner Düsenspannmutter in die Injektorbohrung eingesetzt, ohne dass künstliche Kräfte auf den Kraftstoffinjektor wirken. Hierbei sind die Abmessungen der Düsenspannmutter und der Injektorbohrung derart gewählt, dass der Konkavbereich bzw. die Konkavfase der Düsenspannmutter an der Dichtkante des Dichtsitzrands der Injektorbohrung ansitzt. Eine kinematische Umkehr, also Injektorbohrung mit Konkavfase und Düsenspannmutter mit bevorzugt kegelstumpfförmigem Dichtsitzrand, sind natürlich ebenso möglich. Unter Umständen sind hierbei auch die Materialien, aus welchen die Bauteile hergestellt sind, gegenseitig zu vertauschen bzw. man muss sich Gedanken über deren Auswahl machen. Die Konkavfase der Düsenspannmutter sitzt nur mit einem Kreis bzw. einem dünnen Kreisring (Zentrierzustand) an der Kante des Dichtsitzrands auf, wodurch sich die Düsenspannmutter nicht in der Injektorbohrung verklemmen kann. Aufgrund einer geringen Reibung zwischen Düsenspannmutter und Zylinderkopf richtet sich der Kraftstoffinjektor selbstzentrierend in der Injektorbohrung ein. Bevorzugt hat hierbei die Konkavfase einen möglichst geringen Haft- und/oder Gleitreibungskoeffizienten, wodurch eine Selbstzentrierung weiterhin begünstigt ist.

Darauffolgend kann der Dichtzustand zwischen Kraftstoffinjektor und Zylinderkopf eingenommen werden. Hierbei wird der Kraftstoffinjektor mit einer großen statischen Kraft in die Injektorbohrung bzw. dem Dichtsitz, der in der Bohrung ausgebildet ist, gedrückt, wodurch der bevorzugt gegenüber dem Zylinderkopf härtere konkave Bereich den Dichtsitzrand bevorzugt plastisch verformt und derart in den Dichtsitzrand eingepresst wird, dass eine fluiddichte Verbindung zwischen Düsenspannmutter und Zylinderkopf hergestellt wird.

Aufgrund der Deformation des Dichtsitzrands der Injektorbohrung wird ein flächiger Dichtungsabschnitt zwischen Düsenspannmutter und Zylinderkopf ausgebildet, wobei aufgrund der plastischen Verformung des Dichtsitzrands sich dieser an die Konkavfase anpasst und bei hoher Flächenpressung eine dauer hafte Fluiddichtheit zwischen Kraftstoffinjektor und Zylinderkopf herstellt. Ferner ist es dadurch möglich Unebenheiten bzw. kleine Ausnehmungen in den Oberflächen zu kompensieren. Solche Anordnungen sind gegenüber Druckunterwanderungen dauerhaft widerstandsfähig, sodass eine thermisch und mechanisch hochbelastbare Dichtungsanordnung bei gleichzeitiger Dauerdichtheit realisiert ist.

Erfindungsgemäß ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Winkel im Zentrierzustand zwischen einer Tangente an einen Berührpunkt zwischen Dichtsitzrand und Konkavfase, mit dem sich radial nach außen erstreckenden Dichtsitzrand ca. 10°, wodurch sich eine gute Eigenzentrierung des Kraftstoffinjektors im Zylinderkopf ergibt. Während des Festsetzens des Kraftstoffinjektors im Zylinderkopf, wobei eine Deformation des Dichtsitzrands geschieht, ändert sich ein Tangentenwinkel eines radial äußeren Berührpunkts zwischen Konkavfase und Dichtsitzrand zu den im Stand der Technik üblichen 2° bis 5°. Der Zylinderkopf bzw. der Dichtsitzrand sind hierbei meist aus Aluminium oder aus Magnesium hergestellt.

Durch eine zusätzliche Oberflächenbehandlung der Konkavfase ergeben sich in diesem Bereich verbesserte Gleiteigenschaften der Düsenspannmutter gegenüber des Dichtsitzrands bzw. dessen Kante, sodass sich der Kraftstoffinjektor gegenüber dem Zylinderkopf in einfacher Weise schnell und richtig orientiert positioniert.

Aufgrund des Vorsehens der Konkavfase ergibt sich insbesondere im weiter innen liegenden Radialbereich des Dichtsitzrands eine erhöhte spezifische Flächenpressung, wodurch die Abdichtung zwischen Kraftstoffinjektor und Zylinderkopf gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist. Die höchste Flächenpressung tritt am inneren Bereich des Dichtsitzrands auf, an welchem auch der Innendruck des Brennraums anliegt; was besonders vorteilhaft ist, da einer Druckunterwanderung wirksam begegnet werden kann. Ferner ist beim Einprägen der Konkavfase in den Dichtsitzrand der Injektorbohrung gegenüber dem Stand der Technik der Spannungsverlauf im Zylinderkopf günstiger, wodurch weniger Risse im Zylinderkopf entstehen, was die Dauerhaltbarkeit des Zylinderkopfs erhöht. Ferner ist umgekehrt die Krafteinleitung in die Düsenspannmutter gegenüber dem Stand der Technik optimiert, was ebenfalls einen günstigeren Spannungsverlauf innerhalb der Düsenspannmutter zur Folge hat.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schließt eine Verbindungsgerade, die im Zentrierzustand durch den Berührpunkt der Konkavfase mit dem Dichtsitzrand und durch einen Umfangspunkt auf dem Außendurchmesser des konkaven Bereichs geht (hierbei liegen die beiden Punkte der Gerade sowie eine Längsachse der Düsenspannmutter in einer Ebene) mit einer entsprechenden diametral gegenüberliegenden Gerade einen Winkel von bevorzugt ca. 108° oder ca. 110° ein. Der Radius der bevorzugt teilkreisförmigen Konkavfase beträgt hierbei 55mm ± 20mm, insbesondere 55mm ± 5mm.

Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, einen Motor oder einen Zylinderkopf mit einem erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor bzw. einem Kraftstoffinjektor mit einer erfindungsgemäßen Düsenspannmutter.

Darüber hinaus wird die Aufgabe der Erfindung mittels eines Verfahrens zum Zentrieren und Fluiddichten zweier Bauteile, insbesondere zum Zentrieren und Fluiddichten eines Kraftstoffinjektors oder einer Düsenspannmutter gegenüber einem Zylinderkopf, gelöst. Hierbei weist das erste Bauteil einen radialen und bevorzugt vollständig umlaufenden Konkavbereich auf, welcher für einen Vormontagezustand an einen Dichtsitzrand des zweiten Bauteils zum Zentrieren der beiden Bauteile zueinander angesetzt wird. Beim Überführen der beiden Bauteile in einen Montagezustand bewegt sich der Konkavbereich unter einer elastischen, jedoch bevorzugt plastischen, Verformung des Materials des Dichtsitzrands in das zweite Bauteil derart hinein, dass zwischen Konkavbereich und Dichtsitzrand eine gemeinsame Dichtfläche aufgrund einer Flächenpressung entsteht, die auch bei hohen Innendrücken fluiddicht ist.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1a eine erfindungsgemäße Dichtungsanordnung im vormontierten Zustand;
1b die Dichtungsanordnung aus 1a im montierten Zustand;
2 eine Düsenspannmutter mit einer erfindungsgemäßen Dichtungseinrichtung;
3a die erfindungsgemäße Dichtungseinrichtung aus 2 in einem Zentrierzustand mit einem Zylinderkopf im Teilschnitt;
3b die erfindungsgemäße Dichtungseinrichtung aus 2 im Dichtzustand mit dem Zylinderkopf;
4 den erfindungsgemäßen Dichtbereich der Düsenspannmutter aus 2 in vergrößerter Darstellung, sowie eine zusätzliche Detaildarstellung im Schnitt;
5a eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dichtungseinrichtung im Zentrierzustand im Teilschnitt; und
5b die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dichtungseinrichtung aus 5a im Dichtzustand.
Werden im Folgenden Lageangaben wie „oben" oder „unten" bzw. „rechts" oder „links" gemacht, so beziehen sich diese auf 2, in welcher eine Düsenspannmutter 10 rechts geschnitten und links nicht geschnitten dargestellt ist, wobei die Düsenspannmutter 10 eine unten angeordnete Einspritzdüse 20 mit einem oben angeordneten Ventilkörper 30 verspannt.
Die 1a und 1b zeigen eine erfindungsgemäße Dichtungsanordnung, insbesondere zum dauerhaften und hochdrucksicheren Fluiddichten zweier Bauteile 10 und 40, z. B. einer Düsenspannmutter 10 und einem Zylinderkopf 40.
Die 1a stellt einen vormontierten Zustand der beiden Bauteile 10, 40 dar, wobei sich das Bauteil 10 gegenüber dem Bauteil 40 bevorzugt selbst zentriert, daher wird dieser Vormontagezustand auch Zentrierzustand genannt. Ein Selbstzentrieren der beiden Bauteile 10, 40 zueinander ist für die Erfindung jedoch nicht zwingend notwendig; es genügt wenn das erste Bauteil 10 an das zweite Bauteil 40 ansetzbar ist, ohne einer gegenseitigen Selbstzentrierung. Ist jedoch eine gegenseitige Zentrierung notwendig, ein Selbstzentrieren aber nicht möglich, so sollte diese mit externen Mitteln erfolgen.
Für das Zentrieren und Abdichten weist das erste Bauteil 10 einen Konkavbereich 122, und das zweite Bauteil 40 einen Dichtsitzrand 422 auf. Im Vormontagezustand der beiden Bauteile 10, 40 sitzt der Konkavbereich 122 mit einem Mittenabschnitt an der Kante 424 des Dichtsitzrands 422 an. In den 1a und 1b ist der Mittenabschnitt des Konkavbereichs 122 nur als ein Punkt bzw. kleiner Bereich zu sehen (Berührpunkt zwischen Konkavbereich 122 und Dichtsitzrand 422), für das bevorzugt rotationssymmetrische Bauteil 10 ist dies jedoch idealisiert ein Kreis bzw. ein dünner Kreisring. Ein Aufsitzen des kleinsten Durchmessers des Konkavbereichs 122 (untere Kante am Bauteil 10) auf dem Dichtsitzrand 422 (s. dazu auch 5a und b) ist ebenso möglich (weitere Ausführungsform).
In einem Dichtzustand der beiden Bauteile 10, 40, der in 1b dargestellt ist, ist ein Abschnitt des Konkavbereichs 122, durch eine wenigstens elastische, bevorzugt plastische Verformung des Materials des zweiten Bauteils 40 in den Dichtsitzrand 422 eingeprägt bzw. eingepresst. Das Eindrücken des ersten Bauteils 10 in das zweite Bauteil 40 geschieht dabei in einen Abschnitt von der Kante 424 des Dichtsitzrands 422 radial nach außen von einer Längsachse L der Dichtungsanord nung weg. Die Verformung des zweiten Bauteils 40 ist mittels einer gestrichelte Linie in 1b angedeutet. Mittels dieses sich oben entlang des Konkavbereichs 122 radial nach innen stülpenden Wulstes wird zusätzlich die Dichtfläche zwischen den beiden Bauteilen 10, 40 vergrößert, was die Fluiddichtheit der beiden Bauteile 10, 40 erhöht.
Die 2 bis 4 zeigen eine erste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung, wobei die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung an einer Düsenspannmutter 10 und einem ihr zugeordneten Zylinderkopf 40 eingerichtet ist. Die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung dient dazu einen Kraftstoffinjektor 1 bevorzugt über dessen Düsenspannmutter 10 in einer Injektorbohrung 42 des Zylinderkopfs 40 gegenüber einem Brennraum eines Verbrennungsmotors abzudichten.
Eine erfindungsgemäße Dichtungseinrichtung befindet sich bevorzugt am unteren freien Ende der Düsenspannmutter 10, die eine Einspritzdüse 20 mit einem Ventilkörper 30 zusammenspannt und zu einem Kraftstoffinjektor 1 vereint (s. 2); die erfindungsgemäße Dichtungseinrichtung kann jedoch auch am Kraftstoffinjektor 1 selbst vorgesehen sein, wobei die Düsenspannmutter 10 dann keine oder nur andere Dichtungsaufgaben für den Kraftstoffinjektor 1 übernimmt. Diese erste Ausführungsform der Dichtungseinrichtung an der Düsenspannmutter 10 kommt mit einem Dichtsitz in der Injektorbohrung 42 (3a und 3b) zur Anlage, wobei Dichtungseinrichtung und Dichtsitz zusammen nach dem Prinzip der Erfindung gemäß den 1a und 1b zusammenwirken.
Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform ist ein Dicht- bzw. Zentrierbereich 12 der Düsenspannmutter 10 bevorzugt zweiteilig aufgebaut. Hierbei schließt sich bei der Düsenspannmutter 10 von unten kommend an einen Konkavbereich 122 ein Kegelstumpfbereich 126 an. Konkavbereich 122 sowie Kegelstumpfbereich 126 dienen dazu die Düsenspannmutter 10 bzw. den Kraftstoffinjektor 1 in die Injektorbohrung 42 (3a und 3b) einzusetzen, wobei der Konkavbereich 122 dazu ausgelegt ist, die Düsenspannmutter 10 an einem Dichtsitzrand 422 der Injektorbohrung 42 im Zentrier- bzw. Vormontagezustand zu zentrieren. Bevorzugt ist die Düsenspannmutter 10 radialsymmetrisch aufgebaut, wobei der Konkavbereich 122 eine sich radial erstreckende und vollständig umlaufende Konkavfase 124 aufweist, die sich mit ihrem Querschnittsprofil in Längs- bzw. Axialrichtung L der Düsenspannmutter 10 nach oben erstreckt. Die Düsenspannmutter 10 kann jedoch auch so aufgebaut sein, dass der Kegelstumpfbereich 126 fehlt und am unteren, im Wesentlichen konischen Abschnitt der Düsenspannmutter 10 nur der Konkavbereich 122 vorhanden ist. An den Dichtbereich 12 der Düsenspannmutter 10 schließt sich oben ein Zylinderbereich 14 der Düsenspannmutter 10 an, in welchem hauptsächlich der Ventilkörper 30 aufgenommen ist.
Im Zentrierzustand der Düsenspannmutter 10 bzw. des Kraftstoffinjektors 1, welcher in 3a dargestellt ist, sitzt die Konkavfase 124 bzw. der Konkavbereich 122 auf einer Kante 424 eines Dichtsitzrands 422 auf. Die Kante 424 des Dichtsitzrands 422 beschreibt im Wesentlichen einen Kreis bzw. einen dünnen Kreisring auf der Konkavfase 124. Je kreisförmiger (in einer Ebene gedacht) dieser Abschnitt auf der Konkavfase 124 ist, desto zentrierter sitzt die Düsenspannmutter 10 in der Injektorbohrung 42 des Zylinderkopfs 40.
Die Injektorbohrung 42 ist bevorzugt eine gestufte Kreiszylinderbohrung, deren unterer Abschnitt mit kleinerem Durchmesser einen Abschnitt der Einspritzdüse 20 und deren oberer durchmessergrößerer Abschnitt die Düsenspannmutter 10 des Kraftstoffinjektors 1 aufnimmt. Beide Bereiche sind bevorzugt über einen Konus bzw. eine Kreisringschräge (im Folgenden als Kegelstumpfbereich 426 bezeichnet) verbunden; möglich ist jedoch auch eine horizontaler Stufe, die mit dem jeweiligen Abschnitt der Injektorbohrung 42 einen rechten Winkel einschließt.
Im Zentrierzustand befindet sich der Berührpunkt M (Schnittdarstellung der 3a) bzw. der Berührkreis(ring) M (Real situation bei in der Injektorbohrung 42 zentriertem Kraftstoffinjektor 1) von Kante 424 und Konkavfase 124 zwischen einem Umfangspunkt/Umfangskreis(ring) I mit dem (unteren) Innendurchmesser D_I (4) der Konkavfase 124 und einem Umfangspunkt/Umfangskreis(ring) A mit dem (oberen) Außendurchmesser D_A der Konkavfase 124, wobei bevorzugt der Berührpunkt M innerhalb des ersten Drittels bzw. innerhalb der ersten Hälfte des Wegs vom Umfangspunkt I zum Umfangspunkt A liegt.
Im Folgenden ist nur noch von den Punkten M, I und A, und nicht mehr von den entsprechenden Kreisen bzw. Kreisringen die Rede, es sollen damit jedoch auch die Kreise bzw. Berührkreisringe gemeint sein. Ferner beziehen sich im Folgenden geometrische Angaben, wie z. B. Winkelangaben und Angaben zu Lagen von Geraden, auf Ebenen in denen die Längs- bzw. Axialachse L der Düsenspannmutter 10 enthalten ist, insbesondere fällt eine zu betrachtende Ebene mit der Zeichenebene der 4 zusammen.
Der Dichtsitzrand 422 der Injektorbohrung 42 ist bevorzugt ein innerer Abschnitt des Kegelstumpfbereichs 426 der Injektorbohrung 42, wobei der Kegelstumpfbereich 426 mit dem Kegelstumpfbereich 126 der Düsenspannmutter 10 einen umlaufenden Öffnungswinkel von ca. 0,5° bis 5° hat (idealer Zentrierzustand – der von allen Punkten M gebildete Kreis ist senkrecht zu L). Weitere Winkelbeziehungen wie in 3a dargestellt, werden im Rahmen der Erläuterung von 4 gegeben.
Die 3b zeigt einen Dichtzustand von Düsenspannmutter 10 und Zylinderkopf 40, wobei die Düsenspannmutter 10 in den Dichtsitzrand 422 der Injektorbohrung 42 unter einer bevorzugt plastischen Verformung des Dichtsitzrands 422 eingepresst ist. Hierbei findet wiederum bevorzugt eine Verformung des inneren Dichtsitzrands 422 nach innen statt (siehe hierzu Beschreibung der 1b). Idealerweise richtet sich eine kreisringförmige Flächenpressung mit möglicht hoher, gleichmäßiger Kreisringdicke und möglichst hoher Flächenpressung aus, die keine Unstetigkeitsstellen bei der Pressung aufweist. Bevorzugt taucht die Außendurchmesserkante (A) der Konkavfase 124 nicht bzw. gerade nicht in den Kegelstumpfbereich 426 bzw. den Dichtsitzrand 422 ein.
4 zeigt den Dichtbereich 12 der Düsenspannmutter 10 der in Kegelstumpfbereich 126 und Konkavbereich 122 aufgeteilt ist im Detail. Hierbei haben der Kegelstumpfbereich 126 und der Konkavbereich 122 einen gemeinsamen Kreis der in der 4 unter anderem im Punkt A zu sehen ist. Dies ist gleichzeitig ein Umfangskreispunkt A des größten Außendurchmessers D_A des Konkavbereichs 122. Folgt man nun vom Punkt A der Konkavfase 124 dem Konkavbereich 122 nach unten (und nach innen zu L hin) so bewegt man sich auf der Konkavfase 124 über den Berührpunkt M von Konkavfase 124 und Kante 424 (im Zentrierzustand) zum Umfangskreispunkt I auf den kleinsten Innendurchmesser D_I des Konkavbereichs 122. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt D_A = 13mm, wobei im Zentrierzustand der Durchmesser D_M eines vom Punkt M gebildeten Kreises ca. 10,9mm beträgt. Hierbei befindet sich, wie oben schon gesagt der Punkt M auf dem ersten Drittel bzw. der ersten Hälfte des Wegs vom Punkt I nach Punkt A.
Die Konkavfase 124 ist bevorzugt teilkreisförmig ausgebildet, wobei deren Radius R zwischen 20mm und 100mm variieren kann. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt der Radius der Konkavfase 124 55 ± 5mm. Entsprechend andere Radien stellen sich ein, wenn man die erfinderische Idee auf andere Bauteile anwendet; prinzipiell ist wichtig, dass es sich um eine konkave Kontur handelt. Nicht teilkreisförmige Konturen, die sich von einem einfachen Kegelstumpf unterscheiden, sind erfindungsgemäß ebenso möglich. Insbesondere stetige Übergänge an den Kanten der Konkavfase bei I und A in die anderen Bereiche der Düsenspannmutter 10 sind vorteilhaft, da der Spannungsverlauf in der Düsenspannmutter 10 bzw. die Krafteinleitung an den Kanten (I, A) der Konusfase 124 in den Kegelstumpfbereich 426 günstiger sind und sich nicht so abrupt ändern, wofür sich z. B, eine Klotoide eignet.
Die folgenden Winkelangaben für die erfindungsgemäße Dichtungseinrichtung beziehen sich auf einen Innenöffnungswinkel eines Kegels, der von einer um die Längsachse L der Düsenspannmutter 10 rotierenden Geraden gebildet wird. Hierbei ist eine solche Gerade T_M die Tangente an den Punkt M im Zentrierzustand der Düsenspannmutter 10, wobei der Öffnungswinkel α_M des Kegels im Zentrierzustand bevorzugt zwischen 104° und 110° je nach Radius R der Konkavfase 124 beträgt. Ein entsprechender Winkel α_A der Tangente T_A an den Punkt A beträgt bevorzugt zwischen 107° und 113°, wiederum je nach Radius R der Konkavfase 124. Ein Winkel β einer Verbindungsgeraden MA der Punkte M und A beträgt bevorzugt 106° bis 112°. Alle diese Angaben sind auf einen Punkt M bezogen, der sich im Zentrierzustand der Düsenspannmutter 10 einstellt. Der Punkt M beginnt beim Einpressen der Düsenspannmutter 10 in den Zylinderkopf 40 entlang der Konkavfase 124. in Richtung des Punkts A (und natürlich auch linear entlang des Dichtsitzrands 422) zu wandern (Punkt Mn), wobei sich eine Gerade MnA der Tangente T_A immer mehr annähert. Dies wird in der Schnittdarstellung im Detail der 4 verdeutlicht. Mn ist dabei ein radial äußerster Berührpunkt zwischen Konkavfase 124 und Dichtsitzrand 422
Weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen, die sich an obige anlehnen, sind in der Tabelle durch folgende Parameter gegeben:
Hierbei beziehen sich die Variablen auf die 4, wobei mit Mn = 12,0mm exemplarisch ein Wert beim Bewegen von M nach A zwischen M und A auf der Konkavfase 124 in der Tabelle aufgeführt ist.
Die 5a zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dichtungseinrichtung für den Kraftstoffinjektor 1 bzw. die Düsenspannmutter 10, wobei sich nicht die Konkavfase 124 an der Kante 424 des Dichtsitzrands 422 zentriert, sondern die Unterkante am Dichtsitzrand 422. Dies hat den Vorteil, das die Injektorbohrung 42 im Durchmesser geringer ausgestaltet werden kann und näher an die Einspritzdüse 20 des Kraftstoffinjektors 1 heranreichen kann. Optional kann auch die Oberkante der Konkavfase 124 alleine am Dichtsitzrand 422 ansitzen (Kreis(-ring) A, größter Durchmesser der Konkavfase 124). Ferner ist es auch möglich, dass im Zentrierzustand beide Kreiskanten I und A auf dem Dichtsitzrand 422 aufliegen, was den Vorteil mit sich bringt, dass eine Zentrierposition der beiden Bauteile derart überprüfbar ist, dass die Zentrierposition nur dann eingenommen ist, wenn beide Kreiskanten I und A vollständig am Dichtsitzrand 422 anliegen.
Den Dichtzustand zeigt 5b, wobei die beiden Kreise bzw. Kreisringkanten I und A in den Dichtsitzrand 422 des Zylinderkopfs 40 eingepresst sind und im dargestellten Fall zwei Dichtbereiche ausbilden. Je fester die Düsenspannmutter 10 in den Zylinderkopf 40 eingepresst wird, desto geringer wird der verbleibende Zwischenraum zwischen Düsenspannmutter 10 und Zylinderkopf 40. Möglich sind auch andere Konfigurationen des Dichtzustands, bei welchen sich z. B. nur die unterste Kreiskante I oder nur die oberste Kreiskante A in den Dichtsitzrand 422 einprägen.
Bevorzugt befindet sich zwischen der Düsenspannmutter 10 und dem Zylinderkopf 40 kein Hohlraum. Bei der Realisierung einer solchen Dichtungsanordnung kann es notwendig sein eine Entlüftung des zunächst vorhandenen Hohlraums vorzusehen. Bevorzugt schließt sich diese Entlüftung selbsttätig durch das Einpressen der Düsenspannmutter 10 in den Zylinderkopf 40. Dies kann z. B. durch eine Nut im Zylinderkopf 40 oder in der Düsenspannmutter 10 geschehen, in welche Material der Düsenspannmutter 10 bzw. Material des Zylinderkopfs 40 beim Einpressen eindringt. Ferner eignen sich Bohrungen die auf eine ebensolche Art verschließbar sind.
Die vorangegangenen Ausführungen, die sich auf die Düsenspannmutter 10 beziehen, sollen auch für den Kraftstoffinjektor 1 gelten, der nicht mittels seiner Düsenspannmutter 10 gegenüber dem Zylinderkopf 40 abgedichtet ist, sondern der die erfindungsgemäße Einrichtung an einem anderen Abschnitt aufweist. Die erfindungsgemäße Einrichtung am Kraftstoffinjektor 1 und ein entsprechender Dichtsitz am oder im Zylinderkopf bilden dann zusammen die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung.

1: Kraftstoffinjektor, erstes Bauteil
10: Düsenspannmutter, erstes Bauteil
12: Dicht- bzw. Zentrierbereich
122: Konkavbereich des Dichtbereichs 12
124: Konkavfase
126: Kegelstumpfbereich des Dichtbereichs 12
14: Zylinderbereich
L: Längsachse der Düsenspannmutter 10 bzw. des Injektors 1;
: Axialrichtung
R: Radius der Konkavfase 124
D_I: Innendurchmesser des Konkavbereichs 122 (kleinster Kreis
: des Konkavbereichs 122)
D_M: Mittendurchmesser
D_A: Außendurchmesser des Konkavbereichs 122 (größter Kreis
: des Konkavbereichs 122)
I: Umfangspunkt auf dem kleinsten Innendurchmesser D_I des
: Konkavbereichs 122
M: Umfangspunkt auf einem Mittendurchmesser D_M des Konkav
: bereichs 122, Berührpunkt zwischen Konkavfase 124 und
: Kante 424/Dichtsitzrand 422 im Zentrierzustand
Mn: Umfangspunkt der Konkavfase 124 zwischen M und A
A: Umfangspunkt auf dem Außendurchmesser D_A des Konkavbe
: reichs 122
T_M: Tangente an den Punkt M
T_A: Tangente an den Punkt A
MA: Gerade durch die Punkte M und A
α_M: (doppelter) Öffnungswinkel von T_M (bzgl. L)
α_A: (doppelter) Öffnungswinkel von T_A (bzgl. L)
β: (doppelter) Öffnungswinkel der Verbindungsgeraden von M
: und A (bzgl. L)
20: Einspritzdüse
30: Ventilkörper
40: Zylinderkopf, zweites Bauteil
42: Injektorbohrung, Bohrung
422: Dichtsitzrand der Bohrung 42
424: Kante des Dichtsitzrands 422, Dichtkante
426: Kegelstumpfbereich der Bohrung 42

Claims

Dichtungseinrichtung für einen Kraftstoffinjektor (1), insbesondere für eine Düsenspannmutter (10) des Kraftstoffinjektors (1), zum Fluiddichten gegenüber einem Dichtsitzrand (422), insbesondere einem Zylinderkopf (40), mit einem Dichtbereich (12), wobei der Dichtbereich (12) einen Konkavbereich (122) mit einer radialen, umlaufenden, konkaven Außenkontur (124) aufweist, die am Dichtsitzrand (422) dichtend zur Anlage bringbar ist.
Dichtungseinrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Konkavbereich (122) mit einer vollständig umlaufenden Konkavfase (124) ausgestaltet ist und sich an den Konkavbereich (122) ein in radialer Richtung verlaufender Kegelstumpfbereich (126) anschließt.
Dichtungseinrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei in einem Zentrierzustand der Konkavbereich (122) auf den Dichtsitzrand (422) gesetzt ist und ein umlaufender Kreisabschnitt der Konkavfase (124) auf einer Kante (424) des Dichtsitzrands (422) aufsitzt.
Dichtungseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in einem Dichtzustand der Konkavbereich (122) mit dem Dichtsitzrand (422) festsitzend verbunden ist, wobei der Konkavbereich (122) durch eine wenigstens elastische, bevorzugt plastische, Verformung des Dichtsitzrands (422), in den Dichtsitzrand (422) eingepresst ist.
Dichtungseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Konkavfase (124) an einer Dichtfläche der Düsenspannmutter (10) radial und umlaufend ausgebildet ist, die zur Anlage an einem Dichtsitzrand (422) einer Injektorbohrung (42) des Zylinderkopfs (40) ansitzt.
Dichtungseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei im Zentrierzustand der Winkel zwischen Dichtsitzrand (422) und einer Tangente an einen Berührpunkt (M) von Konkavfase (124) und Kante (424) 14 ± 2°, bevorzugt 10 ± 1°, insbesondere bevorzugt 7 ± 1° beträgt.
Dichtungseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei wenigstens ein sich in Längsrichtung (L) des Kraftstoffinjektors (1) erstreckender Abschnitt des Konkavbereichs (122) im Dichtzustand mit dem Dichtsitzrand (422) der Injektorbohrung (42) derart zusammenwirkt, dass der Kraftstoffinjektor (1) gegenüber dem Zylinderkopf (40) fluiddicht festgelegt ist.
Dichtungseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei im Dichtzustand der Winkel zwischen der Tangente (T_M) an einen radial äußersten Berührpunkt (M) zwischen Konkavfase (124) und Dichtsitzrand (422) 7 ± 1°, bevorzugt 4 ± 1°, insbesondere bevorzugt 2 ± 0,5° beträgt.
Dichtungseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Dichtsitzrand (422) als kegelstumpfförmiger Konusrand ausgebildet ist, dessen Öffnungswinkel größer als ein Winkel ist, den der Kegelstumpfbereich (126) einschließt, wobei der Öffnungswinkel zwischen beiden 0,5° bis 5°, insbesondere 1° bis 4°, bevorzugt 2 ± 0,5° beträgt.
Dichtungseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei im Zentrierzustand ein Berührpunkt (M) von Konkavfase (124) und Kante (424) und ein Außendurchmesserpunkt (A) der Konkavfase (124) eine Verbindungsgerade (MA) bilden, die mit der Längsachse (L) des Kraftstoffinjektors (1) einen Winkel von 50° bis 60°, insbesondere von 52° bis 58°, bevorzugt von 53° bis 56° und insbesondere bevorzugt von 54° bis 55° einnimmt.
Dichtungseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei ein Profil der Konkavfase (122) teilkreisförmig ist und einen Radius (R) von 30mm bis 90mm, insbesondere von 45mm bis 65mm, bevorzugt von 50mm bis 60mm und insbesondere bevorzugt von 55 ± 2,5mm hat.
Dichtungseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Fläche der Konkavfase (122) poliert ist, bevorzugt mittels eines Kugelstrahlverfahrens.
Dichtungseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Material des Dichtsitzrands (422), bevorzugt Aluminium, weicher ist, als das Material des Konkavbereichs (122), der bevorzugt aus Stahl hergestellt ist.
Dichtungseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die der Konkavfase (122) des Kraftstoffinjektors (1) oder der Düsenspannmutter (10) gegenüberliegende Innenkontur konvex ausgebildet ist.
Kraftstoffinjektor, insbesondere Dieselinjektor, bevorzugt Pumpe-Düse-Injektor, mit einer Dichtungseinrichtung an einer Düsenspannmutter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
Kraftfahrzeug, Motor oder Zylinderkopf mit einem Kraftstoffinjektor (1) gemäß Anspruch 15, wobei der Konkavbereich (122) der Düsenspannmutter (10) an der Kante (424) des Dichtsitzrands (422) der Zylinderkopfbohrung (42) sitzt.
Verfahren zum Zentrieren und dauerhaften, hochdrucksicheren Fluiddichten eines ersten Bauteils (10) eines Kraftstoffinjektors (1), mit einem Dichtbereich eines zweiten Bauteils (40), bevorzugt einem Zylinderkopf (40), wobei das erste Bauteil (1, 10) einen Konkavbereich (122) und das zweite Bauteil (40) einen Dichtsitzrand (422) aufweist, und für einen Vormontagezustand der beiden Bauteile (1, 10; 40), der Konkavbereich (122) zum Zentrieren der beiden Bau teile (1, 10; 40) zueinander, an den Dichtsitzrand (422) gesetzt wird, und beim Überführen der beiden Bauteile (1, 10; 40) in einen Montagezustand, wenigstens ein Abschnitt des Konkavbereichs (122), durch eine wenigstens elastische, bevorzugt plastische, Verformung des Materials des zweiten Bauteils (40), in den Dichtsitzrand (422) eingeprägt wird und so die beiden Bauteile (1, 10; 40) fluidabgedichtet sind.