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Dokumentenidentifikation DE19950330B4 27.10.2005
Titel Feder mit nichtlinearer Konstante für einen Kraftstoffinjektor
Anmelder Cummins Inc., Columbus, Ind., US
Erfinder Orloff, Weston F., Columbus, Ind., US;
Yates, Calvin, Columbus, Ind., US
Vertreter WUESTHOFF & WUESTHOFF Patent- und Rechtsanwälte, 81541 München
DE-Anmeldedatum 19.10.1999
DE-Aktenzeichen 19950330
Offenlegungstag 27.04.2000
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 27.10.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.10.2005
IPC-Hauptklasse F02M 57/02
IPC-Nebenklasse F02M 59/10   F02M 59/32   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Kraftstoffinjektoren für Motoren sowie eine Rückstellfeder, die ein Bauteil der meisten Kraftstoffinjektorkonstruktionen darstellt. Ein solcher Kraftstoffinjektor ist beispielsweise aus der DE 42 37 469 A1 bekannt.

Typischerweise umfassten Kraftstoffinjektorkonstruktionen der letzten Jahre ein Schraubenfederbauteil, das als Rückstellfeder für einen Stößel wirkt. Derartige Federn waren so ausgeführt, dass sie die geplante Lebensdauer des Kraftstoffinjektors hielten, so dass ein Versagen der Feder nicht die Ursache für ein Versagen des Injektors sein konnte.

In jüngerer Zeit wurden einige Dieselmotoren mit hydraulischen Motorbremsen ausgestattet, die einen Hydraulikkreis mit Kolben, Fluidleitungen und einer direkten Grenzfläche zu den Auslassventilen des Motors umfassen. Die Bauweise einer Motorbremse soll den Motor durch Offenhalten der Auslassventile (ungefähr 0,007 Zoll (0,178 mm)) während des Verdichtungshubs des Motors abbremsen.

Es hat sich gezeigt, dass Kraftstoffinjektoren, die Teil von Dieselmotoren mit Motorbremsen sind, aufgrund von ausgefallenen (gebrochenen) Rückstellfedern vorzeitig versagen. Nachdem diese Daten erzeugt und festgehalten wurden, versuchte man, das Problem des Versagens von Rückstellfedern (d.h. die merkliche Erhöhung der Versagensrate) zu lösen, das auf Dieselmotoren, begrenzt zu sein scheint, die mit hydraulischen Motorbremsen ausgestattet sind. Alle bisherigen Versuche, dieses Problem des Federversagens zu lösen, waren auf eine Erhöhung der Lebensdauer der Feder gerichtet, d.h. im Grunde darauf, eine stärkere Feder mit einem größeren Sicherheitsfaktor herzustellen. Demnach waren diese bisherigen Versuche auf eine Herabsetzung des Belastungspegels innerhalb der Feder gerichtet, wobei sich diese Lösungsversuche jedoch größtenteils als wirkungslos erwiesen haben.

Aus der DE 43 01 835 C1 ist eine Motorbremse für einen Dieselmotor bekannt, der mindestens ein Einlassventil und ein Auslassventil pro Zylinder aufweist. Der Dieselmotor umfasst ferner eine Dekompressions-Betätigungsvorrichtung mit einem Hydraulikkolben sowie mit einer Einspritzleitung, die eine Hochdruckpumpe und eine Einspritzdüse verbindet. Im Gehäuseinneren des Dieselmotors integriert befindet sich eine Wegesteuerung, die in die Einspritzleitung zwischengeschaltet ist und durch die der Hydraulikkolben und ein mit diesem zusammenwirkendes, von dem Auslassventil räumlich getrenntes Dekompressionsventil betätigbar ist.

Aus dem Standardwerk Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 15. Auflage, Springer-Verlag 1983, Seite 396 sind allgemein progressive Schraubendruckfedern bekannt, die aus beiderseitig konisch verjüngten Stäben mit veränderlichem Wickelabstand hergestellt werden können. Während des Einfederns wird ein Teil der Windungen kontinuierlich zunehmend auf Block gesetzt und dadurch vorzeitig als Federungselement ausgeschaltet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor für einen Dieselmotor bereitzustellen, der mit einer durch einen Hydraulikkreis gesteuerten Motorbremse ausgerüstet ist, dessen Ausfallwahrscheinlickeit durch vorzeitiges Versagen der Rückstellfeder drastisch reduziert ist.

Dieses Problem ist erfindungsgemäß durch einen Kraftstoffinjektor gelöst, der die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.

Demnach löst die vorliegende Erfindung das Problem des Rückstellfederversagens aufgrund von Materialermüdung durch Ersetzen der herkömmlichen Injektorrückstellfeder durch eine Feder mit einer nichtlinearen Konstante. Die nichtlineare Konstante wird durch Verringern oder Verändern der Ganghöhe der Schraubenwindungen nahe dem/den Ende(n) der Feder erzeugt. Wenn es zur Resonanz mit einer harmonischen Schwingung kommt, nähern sich die Schraubenwindungen am Ende der Feder einander an, wodurch die Eigenfrequenz der Feder verändert wird, um sie außer Resonanz geraten zu lassen. Genauer gesagt, nähern sich die Schraubenwindungen im Endbereich der Feder einander zunächst an und entfernen sich dann wieder voneinander, wodurch die Eigenfrequenz der Feder periodisch verändert wird, so dass eine Eigenfrequenzschwingung der Feder nicht mehr auftreten kann.

Untersuchungen des Problems des Federversagens durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben nämlich gezeigt, dass die Rückstellfeder des Kraftstoffinjektors heftig mit ihrer Eigenfrequenz schwang, wenn die hydraulische Motorbremse betätigt wurde. Die Amplitude dieser Schwingung war hoch genug, den Belastungsbereich der Feder zu erhöhen und schließlich ein Versagen durch Materialermüdung zu verursachen. Die Rückstellfeder arbeitete während des Motorbremsvorgangs tatsächlich außerhalb ihrer Konstruktionsgrenzen. Die Feder wurde aufgrund einer Wechselwirkung mit der Motorbremse auf oder über ihre Eigenfrequenz hinaus erregt. Während des Motorbremszyklus wurden die Öffnungs- und Schließvorgänge der Auslassventile über den hydraulischen Motorbremskreis und die Stoßstange des Injektors direkt auf den Injektor übertragen. Die übertragenen Kräfte und Vibrationen sind ausreichend, um die Feder auf oder über ihre Eigenfrequenz hinaus zu erregen.

Zwar ist die Verwendung einer Feder mit unterschiedlicher Ganghöhe (d.h. nichtlinearer Konstante) im Zusammenhang mit den Ventilen von Verbrennungsmotoren bekannt, jedoch wurde nie versucht, dieses Konzept zur Lösung des Problems des vorzeitigen Versagens von Injektorfedern bei Vorhandensein eines hydraulischen Motorbremskreises anzuwenden.

Ein Kraftstoffinjektor zur Verwendung in einem Dieselmotor, der mit einer Motorbremse ausgestattet ist, die durch einen Hydraulikkreis gesteuert wird, umfasst gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einen Injektorkörper mit einem hohlen Innenraum, einen im Injektorkörper befindlichen Druckkolben, eine im Injektorkörper angeordnete, bewegliche Kupplung, eine Düse zur Kraftstoffabgabe sowie eine Rückstellfeder mit nichtlinearer Konstante, die so zwischen dem Injektorkörper und der beweglichen Kupplung angeordnet ist, dass eine Bewegung der Kupplung in den hohlen Innenraum des Injektorkörpers die Rückstellfeder mit nichtlinearer Konstante zusammendrückt.

Damit zusammenhängende Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren deutlich. Es zeigt:

1 eine schematische, perspektivische Ansicht einer Motorbremse, die durch einen Hydraulikkreis gesteuert wird und den Hintergrund der vorliegenden Erfindung darstellt;

2 einen Längsschnitt eines Kraftstoffinjektors, der eine Rückstellfeder mit nichtlinearer Konstante gemäß einer typischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst;

3 einen Schnitt des in 2 gezeigten Kraftstoffinjektors und der Rückstellfeder mit nichtlinearer Konstante in einer anderen Schnittebene;

4 eine Ansicht einer Rückstellfeder mit nichtlinearer Konstante, die zur Verwendung in dem in 2 gezeigten erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor geeignet ist.

In 1 ist schematisch eine Motorbremse 20 für einen Dieselmotor dargestellt, der einen mit der Motorbremse zusammenwirkenden und steuernden Hydraulikkreis umfasst. Die Motorbremse 20 verwendet eine hydraulische Verbindung (Motoröl) zwischen dem Kipphebel 21 des Injektors und den Auslassventilen 22 und 23. Die Aufwärtsbewegung des auf den Kipphebel 21 des Injektors wirkenden Hauptkolbens erzeugt Hochdruck in einer geschlossenen Ölleitung. Ein Nebenkolben 24 befindet sich am anderen Ende dieser Leitung und wird durch Hydraulikdruck auf die Auslassventilverbindungsplatte 25 gedrückt, wodurch die Auslassventile 22 und 23 während des Verdichtungshubes des entsprechenden Dieselmotors (nicht gezeigt) ca. 0,007 Zoll (0,178 mm) weit offen gehalten werden. Die Hauptbestandteile der Zeichnung gemäß 1 umfassen einen Nocken 26 einer herkömmlichen Nockenwelle, den Nockenstößel 27, die Stoßstange 28, den Hauptzylinder 29, den Kipphebel 21 des Injektors, den Nebenkolben 24, die Verbindungsplatte 25, die Auslassventile 22 und 23 und den Zylinder 30. Des Weiteren sind andere hydraulische Bauteile dargestellt, die mit der Motorbremse zusammenwirken. Ferner sind ein Elektromagnetventil 31, das den Ölstrom in den und aus dem Hydraulikkreis steuert, sowie ein Steuerventil 32 dargestellt, das die Ölzufuhr zur Ölleitung 33, die die zwei Kolben verbindet, regelt.

In den 2 und 3 ist ein Kraftstoffinjektor 35 für einen Dieselmotor gezeigt, der eine erfindungsgemäß ausgeführte Rückstellfeder 36 mit nichtlinearer Konstante (siehe 4) aufweist. Der Kraftstoffinjektor 35 umfasst zusätzlich zur Rückstellfeder 36 eine Düse 37, eine Halteeinrichtung 38, den Injektorkörper 39, ein Steuerventil 40, einen Druckkolben 41, ein Verbindungsglied 42, eine Feder 43, einen Abstandhalter 44, eine Kupplung 45 und eine Schutzabdeckung 46.

Der Kraftstoffinjektor 35 umfasst eine Reihe anderer Merkmale und Bauteile. Die Bau- und Betriebsweisen dieses Typs eines Kraftstoffinjektors sind jedoch hinreichend bekannt und die spezifischen Konstruktionsmerkmale, mit Ausnahme der Feder 36, sind nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung. In den 2 und 3 ist ein Kraftstoffinjektor dargestellt, der einen Injektorkörper 39 umfasst, der einen hohlen Innenraum begrenzt. Der Druckkolben 41 ist in dem hohlen Innenraum angeordnet und durch ein Verbindungsglied 42 bewegbar. Die bewegliche Kupplung 45 ist ebenfalls in den hohlen Innenraum des Injektorkörpers 39 eingepasst und kann relativ zum Injektorkörper 39 bewegt werden.

In 2 ist die Rückstellfeder 36 mit nichtlinearer Konstante auf ihre oder nahezu auf ihre freie Länge ausgedehnt und zwischen der beweglichen Kupplung 45 und dem Injektorkörper 39 angeordnet. Wenn das Verbindungsglied 42 in den hohlen Innenraum gedrückt wird, wirkt es auf den Druckkolben 41 und drückt nach unten auf die Kupplung, wobei diese weiter in den hohlen Innenraum des Injektorkörpers bewegt wird. Wenn sich die Kupplung bewegt, wirkt sie auf das obere Ende der Feder 36, wodurch die Feder in die in 3 gezeigte Stellung zusammengedrückt wird. Wenn das Verbindungsglied freigegeben wird, um in seine Ausgangsstellung zurückzukehren, führt die Feder 36 die Rückstellfunktion durch.

Es wurde festgestellt, dass die Ventilöffnungs- und -schließvorgänge während des Motorbremszyklus über den hydraulischen Motorbremskreis und die Stoßstange des Injektors direkt auf den Kraftstoffinjektor 35 übertragen werden. Die Belastungsspitzen, die aufgrund der Ventilöffnungs- und -schließvorgänge übertragen werden, reichen dazu aus, bei einer herkömmlichen Rückstellfeder (nicht gezeigt) eine Eigenfrequenzschwingung zu verursachen. Wenn eine derartige herkömmliche Rückstellfeder durch eine erfindungsgemäße Feder 36 mit nichtlinearer Konstante ersetzt wird, verändert sich beim Zusammendrücken der Feder die Eigenfrequenz der Feder. Die Feder 36 ist mit unterschiedlichen Abständen zwischen den Federwindungen ausgeführt, wobei die Ganghöhe der Windungen nahe den Enden der Feder im Vergleich zu den Windungen in der Mitte reduziert ist. Jede dennoch auftretende, durch die Motorbremse verursachte Schwingung wird rasch abgedämpft, da sich die Eigenfrequenz der Feder ändert. Daraus ergibt sich, dass das durch die Motorbremse verursachte Federversagen aufgrund von Materialermüdung wirksam beseitigt ist, wodurch eine erhöhte Zuverlässigkeit und eine höhere Lebensdauer des Injektors erreicht ist.

In 4 ist die Rückstellfeder 36 als typische Schraubenfeder mit einem gleichmäßigen Drahtdurchmesser, jedoch mit einer spezifischen Konfiguration hinsichtlich des Abstands zwischen den Windungen dargestellt, so dass die Ganghöhe der einzelnen Windungen vom Zentrum der Feder zu jedem ihrer Enden hin unterschiedlich ist. Die Ganghöhe ist, wie gezeigt, an oder nahe dem/den Ende(n) reduziert. Alternativ können nur an einem Ende der Feder Windungen mit reduzierter Ganghöhe vorhanden sein. In diesem Fall muß die Feder beim Einbau in den Injektor mit den Windungen reduzierter Ganghöhe an dem nicht-beweglichen Ende der Feder eingebaut werden.

Der Drahtdurchmesser der Feder 36 beträgt ungefähr 4,3 mm. Der Außendurchmesser beträgt ungefähr 31,96 mm und der Innendurchmesser ungefähr 23,36 mm. Die freie Länge der Feder 36 beträgt ungefähr 56,27 mm.

Obwohl Abwandlungen der Länge, des Windungsdurchmessers, des Drahtdurchmessers und der Windungsganghöhe je nach Bauweise des Injektors und den Vorgaben der Motorbremse sowie des Hydraulikkreises möglich sind, liegt der Schwerpunkt auf der Verwendung einer Feder mit nichtlinearer Konstante. Wenn diese Feder mit einem Kraftstoffinjektor kombiniert wird, wie er bei Dieselmotoren mit Motorbremse verwendet wird, werden die schädlichen Eigenfrequenzschwingungen der Feder beseitigt. Dies behebt wiederum das vorzeitige Versagen durch Materialermüdung, das sonst bei Rückstellfedern mit linearer Federkonstante auftritt.

Obwohl die Erfindung in den Zeichnungen und der vorstehenden Beschreibung detailliert dargestellt und erläutert wurde, sind diese nur illustrativ und nicht als begrenzend zu verstehen, wobei es sich versteht, dass nur das bevorzugte Ausführungsbeispiel gezeigt und beschrieben wurde und dass alle Veränderungen und Abwandlungen, die im Rahmen der Erfindung liegen, auch geschützt werden sollen.


Anspruch[de]
  1. Kraftstoffinjektor (35) zur Verwendung in einem Motor, mit

    – einem Injektorkörper (39) mit einem hohlen Innenraum,

    – einem im Injektorkörper befindlichen Druckkolben,

    – einer im Injektorkörper (39) angeordneten, beweglichen Kupplung (45),

    – einer Düse (37) zur Kraftstoffabgabe, und

    – einer Rückstellfeder (36), die so zwischen dem Injektorkörper (39) und der beweglichen Kupplung (45) angeordnet ist, dass eine Bewegung der Kupplung (45) in den hohlen Innenraum des Injektorkörpers (39) die Rückstellfeder (36) zusammendrückt,

    dadurch gekennzeichnet, dass

    – der Motor mit einer Motorbremse (20) ausgestattet ist, die auf wenigstens ein Auslassventil (22, 23) des Motors wirkt, und dass

    – die Rückstellfeder (36) eine nichtlineare Federkonstante aufweist.
  2. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtlineare Federkonstante der Rückstellfeder (36) durch unterschiedliche Ganghöhen zwischen benachbarten Federwindungen der Rückstellfeder (36) realisiert ist.
  3. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellfeder (36) mit nichtlinearer Federkonstante einen Drahtdurchmesser zwischen 2,0 mm und 6,0 mm aufweist.
  4. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellfeder (36) mit nichtlinearer Federkonstante eine freie Länge zwischen 50 mm und 63 mm hat.
  5. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorbremse (20) durch einen Hydraulikkreis gesteuert ist.
  6. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor ein Dieselmotor ist.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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