Steuerelemente für Hochdruckhydraulikanlagen

Abstract

 Die Erfindung betrifft Steuerelemente für Hochdruckhydraulikanlagen, insbesondere Ventilnadeln und Ventilsteuerkolben von Injektoren für Common-Rail-Einspritzsysteme, mit stationären und bewegbaren Führungsflächen (4,8), zwischen denen ein Dichtspalt vorgesehen ist.
Die Leckage zwischen den Führungsflächen (4,8) wird dadurch minimiert, dass vorzugsweise die bewegbaren Führungsflächen (4,8) eine die Strömung im Dichtspalt beeinflussende Strukturierung (5) aufweisen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft Steuerelemente für Hochdruckhydraulikanlagen, insbesondere nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] Bei Common-Rail-Einspritzsystemen liegt im Gegensatz zu konventionellen Einspritzsystemen ein quasi stationärer, hoher Druck am Injektor an, der dem Spitzendruck konventioneller Einspritzsysteme entspricht. Erschwerend kommt hinzu, dass beim Injektor der Common-Rail-Einspritzsysteme zusätzlich zur Ventilnadel des Einspritzventils ein Ventilsteuerkolben zur Steuerung der Ventilnadel hinzu kommt, die beide durch eine Spaltdichtung gegenüber einem Leckageraum abgedichtet sind. Konstanter hoher Druck auf die doppelte Anzahl von Spaltdichtungen haben hohe Leckagemengen zur Folge, die sich negativ auf den Gesamtwirkungsgrad des Common-Rail-Einspritzsystems auswirken. Bisher wird diese Leckage durch ein möglichst kleines Führungsspiel von 1,5 bis 2,5 µm zwischen Ventilnadel und Ventilkörper bzw. Ventilsteuerkolben und Injektorkörper und durch eine möglichst große Führungslänge (> 10 mm) der Führung von Ventilnadel und Ventilsteuerkolben bekämpft. Das Führungsspiel ist jedoch durch Fertigungsgrenzen und durch Erfordernisse der Schmierung und die Führungslänge durch die Abmessungen des Injektors begrenzt.

[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Leckage des Injektors eines Common-Rail-Einspritzsystems zu minimieren.

[0004] Die Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Die Strukturierung, die aus Fertigungsgründen in erster Linie auf die bewegten Führungsflächen appliziert wird, bewirkt eine turbulente Strömung im Dichtspalt, die einen verstärkten Druckabfall in demselben und damit eine verringerte Leckage zur Folge hat. Zusätzlich wird durch die Strukturierung die Strömungslänge, die der Leckagestrom durchströmen muss, deutlich erhöht. Auf diese Weise wird die effektive Spaltlänge größer als die Führungslänge, so dass die Leckage reduziert ist.

[0005] Wenn als Strukturierung parallele Umfangsnuten vorgesehen sind, bilden sich durch die im Dichtspalt vorhandene, axiale Strömung innerhalb der Umfangsnuten kräftige Wirbel, die die Energie der Spaltströmung vermindern und den erwünschten Druckabfall bewirken.

[0006] Dieser Effekt tritt besonders dann ein, wenn die Strukturierung als flachgängiges Gewinde ausgebildet ist. Dann wird die axiale Strömung des Dichtspalts durch eine umfangsgerichtete Strömung des Gewindes überlagert und die Turbulenzen und somit der Druckabfall im Dichtspalt vergrößert. Dabei ist der lokale Druckabfall im Gewindegang selbst relativ gering, er wird jedoch durch die große Länge des Gewindegangs ausgeglichen. Weiterhin folgt ein Großteil der Strömung dem Gewinde, so dass die Strömungsstrecke im Dichtspalt verlängert ist.

[0007] Ein weiterer Vorteil des flachgängigen Gewindes ist seine einfache Fertigung.

[0008] Durch die Ausdehnung der Strukturierung auf die gesamte Führungslänge wird der oben beschriebene Effekt maximal genutzt.

[0009] Von Vorteil ist auch, dass zumindest die bewegten Führungsflächen eine Kohlenstoffbeschichtung aufweisen, mit deren selektiver Aufbringung zugleich die Strukturierung der bewegten Führungsflächen erfolgt. Die Kohlenstoffschicht vermindert Reibung und Verschleiß der aufeinandergleitenden Führungsflächen. Durch entsprechende Masken kann der Kohlenstoff gezielt auf die Führungsflächen aufgebracht werden. Die nicht beschichteten Flächen bilden dann die gewünschte Struktur, die ohne Mehraufwand auf den Führungsflächen abgebildet wird.

[0010] Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft erläutert.

[0011] Es zeigen:

Fig. 1 eine Ventilnadel mit einer strukturierten Führungsfläche;

Fig. 1A einen vergrößerten Ausschnitt Y aus der Führungsfläche von Fig. 1.

[0012] Die Fig. 1 zeigt eine Ventilnadel 1 mit einer Nadelführung 2 und einem Nadelsitz 3. Die Nadelführung 2 weist eine Führungsfläche 4 mit einer Strukturierung auf. Die Ventilnadel 1 ist von einer zweiten, unbeweglichen Führungsfläche 8 geführt, die am Gehäuse des Einspritzventils ausgebildet ist.

[0013] Aus Fig. 1A, die einen vergrößerten Ausschnitt Y aus der Führungsfläche 4 darstellt, ist ersichtlich, dass es sich bei der Strukturierung um ein flachgängiges Gewinde 5 handelt. Dieses erstreckt sich über die gesamte Länge der Führungsfläche 4.

[0014] Die erfindungsgemäße Strukturierung wirkt folgendermaßen:
Der auf eine Schulter 6 der Ventilnadel 1 wirkende Kraftstoffdruck verursacht im Dichtspalt eine axiale Leckölströmung entlang der Nadelführung 2. Diese trifft in den Gängen des flachgängigen Gewindes 5 auf eine umfangsgerichtete Querströmung. Die dabei auftretende turbulente Strömung führt zu einem erhöhten Druckabfall im Dichtspalt und dadurch zu einer verringerten Leckölströmung.

[0015] In einer vorteilhaften Ausführungsform weist mindestens teilweise eine Führungsfläche eine Beschichtung auf, die beispielsweise die Reibung und/oder den Abrieb reduziert. Vorzugsweise ist die Strukturierung mindestens teilweise aus der Beschichtung aufgebaut.

[0016] In einer Ausführungsform sind beispielsweise nur die Stege zwischen den Nuten aus der Beschichtung gefertigt. Jedoch kann auch die gesamte Führungsfläche 4, 8 mit der Beschichtung bedeckt sein. Als Beschichtung wird beispielsweise ein Material verwendet, das mindestens teilweise aus Kohlenstoff besteht.

[0017] Vorzugsweise ist die Führungsfläche 4 mit einer Kohlenstoffschicht 7 beschichtet. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Strukturierung als Kohlenstoffschicht ausgebildet, so dass die Strukturierung beim Aufbringen der Kohlenstoffschicht auf die Führungsfläche 4 aufgebracht ist.

[0018] Die Strukturierung mit der Kohlenstoffschicht kann auch auf der unbeweglichen Führungsfläche 8 aufgebracht sein, die der beweglichen Führungsfläche 4 zugeordnet ist.

[0019] In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Strukturierungen auf der beweglichen und der unbeweglichen Führungsfläche 4, 8 ausgebildet.

[0020] In einer einfachen Ausführungsform kann die Strukturierung auch in Form von Ausnehmungen beliebiger Fläche und/oder Tiefe und Anzahl ausgebildet sein. Die Strukturierung hat nur die Aufgabe zu erfüllen, dass ein Leckagestrom, der zwischen der ersten und zweiten Führungsfläche 4, 8 entlangströmt eine längeren Strömungsweg und/oder einen turbulenteren Strömungsweg als bei planen Führungsflächen zurücklegen muss.

Ansprüche

1. Steuerelemente für Hochdruckhydraulikanlagen, insbesondere Ventilnadeln und Ventilsteuerkolben von Injektoren für Common-Rail-Einspritzsysteme, mit einer stationären und bewegbaren, vorzugsweise kreiszylinderförmigen Führung bzw. Führungsfläche, zwischen denen ein Dichtspalt vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise die bewegbare Führungsfläche (4) eine Strukturierung (5) aufweist.

2. Steuerelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Strukturierung parallele Umfangsnuten vorgesehen sind.

3. Steuerelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung als flachgängiges Gewinde (5) ausgebildet ist.

4. Steuerelemente nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Strukturierung vorzugsweise über die gesamte Länge der Führungsfläche (4) erstreckt.

5. Steuerelemente nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die bewegte Führungsfläche (4) eine Beschichtung aufweist, wobei die Strukturierung mindestens teilweise aus der Beschichtung aufgebracht ist.

6. Steuerelemente nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung Kohlenstoff aufweist.

7. Steuerelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung in Form von Ausnehmungen ausgebildet ist.

Zeichnung