AT524427B1

AT524427B1 - Druckkammeranordnung

Info

Publication number: AT524427B1
Application number: ATA50192/2021A
Authority: AT
Inventors: Altendorfer Ing Michael; Altendorfer Dipl -Ing Helmut; Resch Dipl -Ing Bernhard (Fh); Hartwig Dipl -Ing Siegfried
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2021-03-22
Filing date: 2021-03-22
Publication date: 2022-06-15
Also published as: AT524427A4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Druckkammeranordnung (100) mit einem von einem Gehäuse (101) zumindest teilweise umschlossenen, die Druckkammer bildenden Hochdruckbereich (HD), wobei das Gehäuse (101) zumindest eine Öffnung (102) mit einer normal zu einer Öffnungsebene (1022) verlaufenden Öffnungsachse (102a) aufweist, in der zumindest ein in einer Flanschvorrichtung (9) aufgenommenes Sichtglaselement (2) angeordnet ist, wobei das Sichtglaselement (2) auf einer dem Hochdruckbereich (HD) zugewandten Seite eine Druckoberfläche (3), gegenüberliegend eine einem Niederdruckbereich (ND) zugewandte Außenoberfläche (4) und eine die Druckoberfläche (3) und die Außenoberfläche (4) verbindende Randfläche (5) aufweist, wobei die Flanschvorrichtung (9) zumindest die Randfläche (5) des Sichtglaselements (2) zumindest teilweise umfassend ausgebildet ist. Erfindungsgemäß weist die Flanschvorrichtung (9) eine Flanschwandung (12) und einen Flanschabsatz (13) auf, wobei die dem Hochdruckbereich (HD) zugewandte Seite des Flanschabsatzes (13) zumindest abschnittsweise mit einem zur Öffnungsachse (102a) geneigten Verlauf ausgeführt ist, so dass ein hinsichtlich der Öffnungsachse (102a) in radialer Richtung außenliegender Bereich (131) weiter vom Hochdruckbereich (HD) entfernt ist als ein hinsichtlich der Öffnungsachse (102a) innenliegender Bereich (132).

Description

Beschreibung

DRUCKKAMMERANORDNUNG

[0001] Die Erfindung betrifft eine Druckkammeranordnung mit einem von einem Gehäuse zumindest teilweise umschlossenen, die Druckkammer bildenden Hochdruckbereich, wobei das Gehäuse zumindest eine Öffnung mit einer normal zu einer Öffnungsebene verlaufenden Öffnungsachse aufweist, in der zumindest ein in einer Flanschvorrichtung aufgenommenes Sichtglaselement angeordnet ist, wobei das Sichtglaselement auf einer dem Hochdruckbereich zugewandten Seite eine Druckoberfläche, auf einer der Druckoberfläche gegenüberliegenden Seite eine einem Niederdruckbereich zugewandte Außenoberfläche und eine die Druckoberfläche und die Außenoberfläche verbindende Randfläche aufweist, wobei die Flanschvorrichtung zumindest die Randfläche des Sichtglaselements zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig umfassend ausgebildet ist.

[0002] Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennkraftmaschine mit einer derartigen Druckkammeranordnung.

[0003] In vielen technischen Bereichen ist es notwendig, Prozesse oder Situationen zu beobachten, die unter einem im Vergleich zur Umgebung erhöhten Druck ablaufen. Insbesondere ist dies beispielsweise bei Entwicklung, Betrieb und Optimierung von Brennkraftmaschinen hinsichtlich motorischer Verbrennungsprozesse und chemischer Prozesse der Fall. Zur Überwachung und Kontrolle muss hier eine optische Zugänglichkeit gewährleistet sein, was aber oft dadurch erschwert wird, dass die unter hohem Druck ablaufenden Prozesse in einem Druckbehälter bzw. einer Druckkammeranordnung stattfinden, die durch die auftretenden Druckkräfte und hohen Temperaturen stark gefordert werden.

[0004] Im Stand der Technik ist es daher bekannt, das Gehäuse einer Druckkammeranordnung zumindest teilweise aus einem optisch durchlässigen Material auszuführen, das als Sichtglaselement fungiert.

[0005] Derartige Lösungen zeigen unter anderem CN 110987447 A, CN 211085689 U, CN 109459244 A und JP H04347364 A.

[0006] Beispielsweise beschreibt die DE 10 2010 024 767 A1 eine Verbrennungskraftmaschine, deren Brennraum bereichsweise durch einen aus Glas ausgebildeten Zylinder umgeben ist, der Einblick in den Brennraum und das Beobachten, Analysieren und Aufzeichnen mit einer optischen Erfassungseinrichtung ermöglicht. Der Glaszylinder wird dabei zusammen mit einem im Wesentlichen aus Metall hergestellten Zylinder gegen einen Zylinderkopf verspannt. Um die Krafteinleitung in den Glaszylinder zu reduzieren wird dieser in axialer Richtung hinsichtlich des Brennraums mit Weichstoff-Beilagen in Position gehalten, während in radialer Richtung Dichtungselemente zum Abdichten des Brennraums gegen die Umgebung angeordnet sind. Dadurch kann die Vorspannkraft vergleichsweise gering gewählt werden. Dennoch kommt es bei hohen Drücken innerhalb des Brennraums zu einer Zugbeanspruchung an den Rändern des Glaszylinders, was zu Schäden führen kann.

[0007] Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Druckkammeranordnung mit einem Sichtglaselement bzw. eine entsprechende Brennkraftmaschine bereit zu stellen, die hohen Druckund Zugkräften sowie thermischer Belastung widerstehen kann.

[0008] Diese Aufgabe wird durch eine eingangs genannte Druckkammeranordnung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Flanschvorrichtung an einer dem Hochdruckbereich zugewandten Seite eine Flanschwandung und auf der vom Hochdruckbereich abgewandten Seite der Flanschwandung an diese anschließend einen Flanschabsatz aufweist, wobei ein maximaler Flanschabsatz-Innendurchmesser geringer ist als ein maximaler Flanschwandung-Innendurchmesser, so dass das Sichtglaselement mit seiner Außenoberfläche zumindest teilweise an der dem Hochdruckbereich zugewandten Seite des Flanschabsatzes anliegt und die Flanschwandung die Randfläche des Sichtglaselements zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig um-

fasst, wobei die dem Hochdruckbereich zugewandte Seite des Flanschabsatzes zumindest abschnittsweise mit einem zur Öffnungsachse geneigten Verlauf ausgeführt ist , so dass ein hinsichtlich der Öffnungsachse in radialer Richtung außenliegender Bereich weiter vom Hochdruckbereich entfernt ist als ein hinsichtlich der Offnungsachse innenliegender Bereich.

[0009] Auf diese Weise lässt sich eine verbesserte Druckbelastung der Außenoberfläche des Sichtglaselements erreichen und das Risiko von Belastungsschäden reduzieren. Die Innenseite des Flanschabsatzes übt aufgrund der erfindungsgemäßen Lösung eine stärkere Kraft auf die Außenoberfläche des Sichtglaselements aus als der hinsichtlich der Offnungsachse radial äußere Bereich. Der Gegendruck, der sich durch das Anpressen des Sichtglaselements an den Flanschabsatz ergibt, wandert gegenüber Lösungen aus dem Stand der Technik stärker in Richtung der Mitte des Sichtglaselements nahe der Öffnungsachse, wodurch sich ein geringeres Biegemoment und geringere Zugspannung an der Außenoberfläche ergibt. Die Flanschvorrichtung dient also als Gegenlager für die Druckkraft, die aus dem Hochdruckbereich auf das Sichtglaselement wirkt und dieses in Richtung des Niederdruckbereichs drückt.

[0010] In einer Variante der Erfindung ist an die Öffnung anschließend ein ebener Flanschabsatzbereich vorgesehen, der im Wesentlichen normal zur OÖffnungsachse verlaufend ausgeführt ist und an den in radialer Richtung der innenliegende Bereich des zur Offnungsachse geneigt ausgeführten Flanschabsatzbereichs der dem Hochdruckbereich zugewandten Seite des Flanschabsatzes anschließt. Dadurch ergibt sich eine noch bessere Kraftverteilung an der Außenoberfläche des Sichtglaselements.

[0011] Um etwaige Belastungen der Randfläche des Sichtglaselements zu verhindern und eine Montage der Flanschvorrichtung zu erleichtern ist es von Vorteil, wenn die Innenseite der Flanschwandung in vom Hochdruckbereich wegführender Richtung konisch zusammenlaufend ausgeführt ist.

[0012] Um einerseits beim Verspannen der Flanschvorrichtung gegen das Sichtglaselement eine Beschädigung der Außenoberfläche des Sichtglaselements zu verhindern und andererseits dem aufgrund der Druckverhältnisse im Hochdruckbereich nach außen drückenden Sichtglaselement entgegenzuwirken ist in einer weiteren Variante der Erfindung vorgesehen, dass zwischen der Außenoberfläche des Sichtglaselements und zumindest einem Teil - vorzugsweise der gesamten - der dem Hochdruckraum zugewandten Seite des Flanschabsatzes ein Dichtungselement vorgesehen ist. Das Dichtungselement kann dabei als einzelnes Element oder Dichtungspaket mit mehreren Elementen ausgeführt sein. Bei der Verwendung eines Dichtungspakets können auch Elemente aus verschiedenen Materialien kombiniert werden. Das Dichtungselement weist entweder eine konstante Dicke auf oder ist in einem Ausführungsbeispiel im zur Öffnungsachse geneigten Bereich der dem Hochdruckraum zugewandten Seite des Flanschabsatzes mit in radialer Richtung nach außen zunehmender Dicke ausgeführt.

[0013] Dabei kann es sich beispielsweise um eine Graphitdichtung oder eine andere WeichstoffBeilage handeln. Vorzugsweise ist auch auf der dem Hochdruckbereich zugewandten Seite des Sichtglaselements bzw. an dessen Druckoberfläche ein vergleichbares Dichtungselement vorgesehen.

[0014] Um eine gute Positionierung und Montage des Sichtglaselements in der Öffnung zu erreichen, ist gegebenenfalls an der dem Hochdruckbereich zugewandten Seite der Flanschvorrichtung, vorzugsweise anschließend an die Flanschwandung, zur Fixierung des Sichtglaselements innerhalb der Flanschvorrichtung zumindest eine Halterungsvorrichtung vorgesehen.

[0015] In einer Variante der Erfindung ist zumindest ein in der Halterungsvorrichtung verlaufender Verbindungskanal vorgesehen, der vom Hochdruckbereich ausgeht und im die Randfläche des Sichtglaselements umfassenden Bereich der Halterungsvorrichtung mündet, so dass der Hochdruckbereich und die Randfläche des Sichtglaselements strömungsverbunden sind und die Randfläche mit einem im Hochdruckbereich herrschenden Druck beaufschlagbar ist.

[0016] Auf diese Weise wird das Sichtglaselement nicht nur auf seiner Druckoberfläche mit Druckkräften aus dem Hochdruckbereich beaufschlagt, sondern auch an der Randfläche. Durch

diese Überlagerung von Kraftvektoren unterschiedlicher Richtung kann die Beanspruchung des Sichtglaselements besser verteilt und dessen Sicherheitsfaktor erhöht werden.

[0017] In einer Variante der Erfindung weist die Halterungsvorrichtung einen benachbart zum Hochdruckbereich angeordneten Halterungsabsatz und eine auf der vom Hochdruckbereich abgewandten Seite des Halterungsabsatz an diesen anschließende Halterungswandung auf, wobei ein maximaler Halterungsabsatz-Innendurchmesser geringer ist als ein maximaler Halterungswandung-Innendurchmesser, so dass das Sichtglaselement mit seiner Druckoberfläche zumindest teilweise an der vom Hochdruckbereich abgewandten Seite des Halterungsabsatzes anliegt und die Halterungswandung die Randfläche des Sichtglaselements zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig umfasst.

[0018] Auf diese Weise ist eine sichere, reproduzierbare Positionierung des Sichtglaselements in der Halterungvorrichtung möglich. Da der Randbereich - also der Ubergang von der Druckoberfläche zur Randfläche - des Sichtglaselements nicht direkt den Druckkräften des Hochdruckbereichs ausgesetzt ist, ergibt sich eine bessere Verteilung der Druckbeanspruchung. Durch Einlegen des Sichtglaselements in die Halterungsvorrichtung, Anbringen der Flanschvorrichtung und Verspannen der Flanschvorrichtung gegen die Halterungsvorrichtung lässt sich eine einfache und stabile Montage des Sichtglaselements erzielen.

[0019] Dies kann erleichtert werden, wenn der maximale Halterungswandung-Innendurchmesser gleich groß ist wie der maximale Flanschwandung-Innendurchmesser.

[0020] Vorzugsweise ist zumindest eine Eintrittsöffnung des Verbindungskanals in einem dem Hochdruckbereich zugewandten Bereich des Halterungsabsatzes angeordnet und zumindest eine Austrittsöffnung des Verbindungskanals in einem der Randfläche des Sichtglaselements zugewandten Innenseite der Halterungswandung angeordnet.

[0021] Damit wird der Halterungsabsatz vom Verbindungskanal umgangen und der Gasdruck des Hochdruckbereichs wirkt direkt in radialer Richtung auf die Randfläche des Sichtglaselements ein.

[0022] Um eine bestmögliche Beaufschlagung der Randfläche des Sichtglaselements mit dem Gasdruck zu erreichen ist in einer Variante der Erfindung vorgesehen, dass zwischen einer der Randfläche des Sichtglaselements zugewandten Innenseite der Halterungsvorrichtung, vorzugsweise einer der Randfläche des Sichtglaselements zugewandten Innenseite der Halterungswandung, und dem Sichtglaselement zumindest ein Zentriermittel derart angeordnet ist, dass sich zwischen der Randfläche des Sichtglaselements und der Innenseite der Halterungsvorrichtung, vorzugsweise der Innenseite der Halterungswandung, zumindest abschnittsweise entlang der Randfläche des Sichtglaselements ein Randspalt ausbildet, wobei der Randspalt über den zumindest einen Verbindungskanal mit dem Hochdruckbereich strömungsverbunden ist.

[0023] Unter einem Zentriermittel ist hier insbesondere ein flexibles Element zu verstehen, beispielsweise ein O-Ring, der das Sichtglaselement in der durch die Halterungswandung gebildeten Öffnung hinsichtlich der Öffnungsachse in einer zentralen Position hält, so dass der Randspalt rund um das Sichtglaselement durchwegs gleich dimensioniert ist.

[0024] In einer weiteren Variante der Erfindung weist zumindest ein Verbindungskanal eine Eintrittsöffnung in einem dem Hochdruckbereich zugewandten Bereich der Halterungsvorrichtung auf und der Verbindungskanal mündet in einer der Randfläche des Sichtglaselements zugewandten Innenseite der Halterungsvorrichtung, vorzugsweise der Halterungswandung, über einen ersten Austrittsabschnitt in eine erste Austrittsöffnung und einen zweiten Austrittsabschnitt in eine zweite Austrittsöffnung.

[0025] Auf diese Weise lässt sich die Druckbeaufschlagung der Randfläche des Sichtglaselements zielgerichteter ausführen.

[0026] Darüber hinaus wird die Aufgabe der Erfindung durch eine eingangs genannte Brennkraftmaschine erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest eine weiter oben beschriebene Druckkammeranordnung vorgesehen ist.

[0027] In einer Variante der Erfindung weist dabei die Druckkammeranordnung eine erste Öffnung und eine zweite Öffnung mit je einem Sichtglaselement auf, wobei vorzugsweise Öffnungen einander gegenüberliegend im Gehäuse der Druckkammer angeordnet sind. Bei der gegenüberliegenden Anordnung können dann Vorgänge innerhalb der Druckkammeranordnung vermessen und dokumentiert werden, indem z.B. optische Messmethoden angewandt werden. Dabei wird durch die erste Öffnung eine Lichtquelle eingestrahlt und durch die zweite Offnung gelangt das Licht aus der Druckkammeranordnung zu einem entsprechenden Detektor bzw. einem Messgerät.

[0028] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen, die in den Figuren dargestellt sind, näher erläutert. Darin zeigen:

[0029] Fig. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine;

[0030] Fig. 2 eine Schnittansicht durch die Öffnung einer erfindungsgemäßen Druckkammeranordnung;

[0031] Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des strichlierten Kastens Ill aus Fig. 2; [0032] Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung des strichlierten Kastens IV in Fig. 2; und

[0033] Fig. 5 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Druckkammeranordnung mit zwei Öffnungen.

[0034] Eine erfindungsgemäße Druckkammeranordnung 100 kann beispielsweise als Brennraum einer Brennkraftmaschine 103 realisiert sein, wie sie schematisch in Fig. 1 dargestellt ist. Eine andere Anwendung der erfindungsgemäßen Druckkammeranordnung wird im Zusammenhang mit Fig. 5 beschrieben.

[0035] Bei der Ausführung gemäß Fig. 1 bildet der Brennraum den Hochdruckbereich HD der Druckkammer. Fig. 1 zeigt dabei einen Einzylinder, dessen Brennraum in einem Zylinderblock 105 angeordnet und nach oben durch einen Zylinderkopf 104 begrenzt ist. Natürlich ist die Erfindung auch auf Mehrzylinderanordnungen anwendbar, mit Einzel- oder Gesamtzylinderköpfen.

[0036] Das Gehäuse 101 der Druckkammeranordnung 100 wird hier durch Zylinderblock 105 und Zylinderkopf 104 gebildet, der Brennraum bildet den Hochdruckbereich HD der Druckkammer. In dem Gehäuse 101 ist dann zumindest eine Öffnung 102 vorgesehen, die in Fig. 2 in einer Schnittansicht dargestellt ist.

[0037] Die Öffnung 102 ist mehreckig, rund oder oval ausgeführt und weist eine normal zu einer Offnungsebene 1022 verlaufende Offnungsachse 102a auf, die in Fig. 2 strichpunktiert eingezeichnet ist.

[0038] In der Öffnung 102 ist ein in einer Halterungsvorrichtung 1 aufgenommenes Sichtglaselement 2 angeordnet, das aus einem transparenten und/oder transluzenten Werkstoff wie Glas, beispielsweise Quarzglas, oder Kunststoff besteht. Das Sichtglaselement 2 weist eine dem Hochdruckbereich HD zugewandte Druckoberfläche 3 und eine der Umgebung des Hochdruckbereichs HD - hier als Niederdruckbereich ND bezeichnet - zugewandte Außenoberfläche 4 auf. Druckoberfläche 3 und Außenoberfläche 4 sind damit auf gegenüberliegenden Seiten des Sichtglaselements 2 angeordnet. Die Oberflächen 3, 4 können dabei im Wesentlichen flach, also parallel zur Öffnungsebene 1022 verlaufend, oder gewölbt ausgeführt sein, wobei die Druckoberfläche 3 mit in Richtung zur OÖffnungsachse 102a gegen den Hochdruckbereich HD zunehmender Wölbung ausgeführt sein kann. Die Wölbung der Außenoberfläche 4 kann auf gleiche Weise nach außen in Richtung des Niederdruckbereichs ND ausgeführt sein. Verschiedene Kombinationen aus flacher und gewölbter Ausführung sind möglich.

[0039] Druckoberfläche 3 und Außenoberfläche 4 sind über eine Randfläche 5 miteinander verbunden. Bei Anordnung des Sichtglaselements 2 in der Halterungsvorrichtung 1 umfasst diese die Randfläche 5 zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig. Umfassen ist hier einerseits hinsichtlich des Umfangs des Sichtglaselements 2 zu verstehen, andererseits auch in einer Richtung entlang der OÖffnungsachse 102a. Die Halterungsvorrichtung 1 ist also als Hohlelement ausge-

führt, z.B. als Hohlzylinder, mit einer sich rund um die Öffnungsachse 102a erstreckenden Öffnung, in der das Sichtglaselement 2 angeordnet ist. Auf diese Weise besteht eine Sichtverbindung vom Niederdruckbereich ND durch das Sichtglaselement 2 in den Hochdruckbereich HD.

[0040] Um die im Hochdruckbereich HD herrschende Druckkraft gleichmäßig auf das Sichtglaselement 2 zu verteilen, ist erfindungsgemäß in der Halterungsvorrichtung 1 zumindest ein Verbindungskanal 6 vorgesehen, der vom Hochdruckbereich HD ausgeht und im die Randfläche 5 des Sichtglaselements 2 umfassenden Bereich der Halterungsvorrichtung 1 mündet. Auf diese Weise ergibt sich eine Strömungsverbindung zwischen dem Hochdruckbereich HD und der Randfläche 5 des Sichtglaselements 2, so dass die Druckoberfläche 3 und die Randfläche 5 gleichermaßen mit dem im Hochdruckbereich HD herrschenden Druck beaufschlagt werden.

[0041] Der Verbindungskanal 6 ist insbesondere als Bohrung ausgeführt und vorzugsweise sind mehrere, um den Umfang des Sichtglaselements 2 bzw. um den Außenumfang der Randfläche 5 verteilt angeordnete Verbindungskanäle 6 vorgesehen, um eine möglichst gleichmäßige Beaufschlagung der Randfläche 5 zu erzielen. Diese mehreren Verbindungskanäle 6 sind in Fig. 2 zu erkennen, aus Gründen der UÜbersichtlichkeit aber nicht mit Bezugszeichen versehen.

[0042] Die Halterungsvorrichtung 1 ist in Fig. 2 und auch in Fig. 3 dargestellt, wobei Fig. 3 das in Fig. 2 mit einem strichlierten Kasten Ill markierte Detail zeigt.

[0043] Die Halterungsvorrichtung 1 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel einen benachbart zum Hochdruckbereich HD angeordneten Halterungsabsatz 7 und eine auf der vom Hochdruckbereich HD abgewandten Seite des Halterungsabsatz 7 an diesen anschließende Halterungswandung 8 auf. Beide sind als Hohlelemente ausgeführt und umgeben eine rund um die Offnungsachse 102a verlaufende Ausnehmung. Halterungsabsatz 7 und Halterungswandung 8 bilden hier ein gemeinsames, einstückiges Bauteil, können aber auch als separate Elemente ausgeführt sein.

[0044] Der maximale Halterungsabsatz-Innendurchmesser 70, also der maximale Durchmesser der vom Halterungsabsatz 7 umschlossenen Ausnehmung, ist dabei geringer gewählt als der maximale Halterungswandung-Innendurchmesser 80, also der maximale Durchmesser der von der Halterungswandung 8 umschlossenen Ausnehmung. Der maximale Durchmesser des Sichtglaselements 2 liegt dabei zwischen Halterungsabsatz-Innendurchmesser 70 und Halterungswandung-Innendurchmesser 80. Das Sichtglaselement 2 liegt dadurch mit seiner Druckoberfläche 3 zumindest teilweise an der vom Hochdruckbereich HD abgewandten Seite des Halterungsabsatze 7 an und die Halterungswandung 8 umgibt die Randfläche 5 des Sichtglaselements 2 zumindest teilweise, hinsichtlich seines Umfangs vorzugsweise vollständig. Zum Schutz des Sichtglaselements 2 ist zwischen Druckoberfläche 3 und Halterungsabsatz 7 ein ringförmiges Halterungs-Dichtelement 7a, z.B. eine Graphitdichtung oder eine andere Weichstoff-Beilage. Das Halterungs-Dichtelement 7a ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Dichtungspaket realisiert und besteht aus vier Dichtkomponenten, die beispielsweise aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sein können.

[0045] Wie in Fig. 3 zu erkennen ist führt der Verbindungskanal 6 von einer Eintrittsöffnung 60, die in einem dem Hochdruckbereich HD zugewandten Bereich des Halterungsabsatzes 7 angeordnet ist, zu einer Austrittsöffnung 61, die sich in einem der Randfläche 5 des Sichtglaselements 2 zugewandten Innenseite der Halterungswandung 8 befindet.

[0046] Ein Eintrittsabschnitt 60a des Verbindungskanals 6 verläuft dabei ausgehend von der Eintrittsöffnung 60 hinsichtlich der Offnungsachse 102a schräg nach außen, während ein erster Austrittsabschnitt 61a, der in die erste Austrittsöffnung 61 mündet, in Richtung der ersten AustrittsÖffnung 61 hinsichtlich der Offnungsachse 102a schräg nach innen verläuft. Dadurch wird einerseits der Ubergang zwischen Halterungsabsatz 7 und Halterungswandung 8 umgangen, so dass an dieser Stelle keine Materialschwächung auftritt. Andererseits wird die Fertigung erleichtert, da der Eintrittsabschnitt 60a und der erste Austrittsabschnitt 61a jeweils als von der ihnen zugeordneten Offnung 60, 61 ausgehende Bohrung ausgeführt werden können, die über ihre Enden verbunden sind.

[0047] Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei der ein Eintrittsabschnitt 60a mit zwei Austrittsabschnitten 61a, 62a verbunden ist. Der Verbindungskanal 6 ist dabei über einen ersten Austrittsabschnitt 61a mit der ersten Austrittsöffnung 61 verbunden und über einen zweiten Austrittsabschnitt 62a mit einer zweiten Austrittsöffnung 62. Beide Austrittsöffnungen 61, 62 befinden sich an der Innenseite der Halterungsvorrichtung 1, bevorzugt im Bereich der Halterungswandung 8.

[0048] Die Austrittsabschnitte 61a, 62a verlaufen hier parallel und münden dementsprechend in unterschiedliche Bereiche der Randfläche 5 des Sichtglaselements 2.

[0049] Um einerseits die Positionierung des Sichtglaselements 2, andererseits die Druckbeaufschlagung der Randfläche 5 zu verbessern, ist zwischen einer der Randfläche 5 des Sichtglaselements 2 zugewandten Innenseite der Halterungsvorrichtung 1, insbesondere der Halterungswandung 8, und dem Sichtglaselement 2 ein Zentriermittel 10 angeordnet, das hier in Form eines O-Rings aus einem flexiblen Material ausgeführt ist. Das Zentriermittel 10 ist dabei in einer in der Innenseite der Halterungsvorrichtung 1 umlaufenden Nut 10a aufgenommen. In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann anstatt der Nut 10a in der Halterungsvorrichtung 1 auch eine Nut in der Randfläche 5 des Sichtglaselements 2 ausgeführt sein.

[0050] Das Zentriermittel 10 und die umlaufende Nut 10a sind dabei so ausgeführt, dass sich zwischen der Randfläche 5 des Sichtglaselements 2 und der Innenseite der Halterungsvorrichtung 1 bzw. der Halterungswandung 8 entlang der Randfläche 5 des Sichtglaselements 2 ein Randspalt 11 ausbildet.

[0051] Der bzw. die Verbindungskanäle 6 münden in diesen Randspalt 11, so dass sich eine Strömungsverbindung mit dem Hochdruckbereich HD und eine gleichmäßige Druckbeaufschlagung der Randfläche 5 des Sichtglaselements 2 ergibt.

[0052] Wie insbesondere in Fig. 3 zu erkennen ist teilt das Zentriermittel 10 den Randspalt 11 in zwei Bereiche. Ein erster Bereich befindet sich auf der dem Hochdruckbereich HD zugewandten Seite des Zentriermittels 10, ein zweiter Bereich auf der dem Niederdruckbereich ND zugewandten Seite. Die erste Austrittsöffnung 61 des Verbindungskanals 6 befindet sich im ersten Bereich und die zweite Austrittsöffnung 62 im zweiten Bereich, so dass trotz des Zentriermittels 10 eine gleichmäßige Beaufschlagung stattfindet.

[0053] Von Seiten des Niederdruckbereichs ND wird das Sichtglaselement 2 mittels einer Flanschvorrichtung 9 in Position gehalten. Die Flanschvorrichtung 9 ist an der vom Hochdruckbereich HD abgewandten Seite der Halterungsvorrichtung 1 angeordnet und schließt in Richtung entlang der OÖffnungsachse 102a an die Halterungswandung 8 an.

[0054] Dabei weist die Flanschvorrichtung 9 anschließend an die Halterungsvorrichtung 1 eine Flanschwandung 12 und einen auf der vom Hochdruckbereich HD abgewandten Seite der Flanschwandung 12 an diese anschließend einen Flanschabsatz 13 auf.

[0055] Beide sind als Hohlelemente ausgeführt und umgeben eine rund um die Öffnungsachse 102a verlaufende Ausnehmung. Flanschwandung 12 und Flanschabsatz 13 bilden hier ein gemeinsames, einstückiges Bauteil, können aber auch als separate Elemente ausgeführt sein.

[0056] Ein maximaler Flanschabsatz-Innendurchmesser 130 ist geringer als ein maximaler Flanschwandung-Innendurchmesser 120, so dass das Sichtglaselement 2 mit seiner Außenoberfläche 4 zumindest teilweise an der dem Hochdruckbereich HD zugewandten Seite des Flanschabsatzes 13 anliegt und die Flanschwandung 12 die Randfläche 5 des Sichtglaselements 2 zumindest teilweise, hinsichtlich des Umfangs des Sichtglaselements 2 vorzugsweise vollständig umgibt. Wie insbesondere Fig. 2 zeigt ist der maximale Flanschwandung-Innendurchmesser 120 gleich groß ausgeführt wie der maximale Halterungswandung-Innendurchmesser 80.

[0057] Das Sichtglaselement 2 wird damit zwischen dem Halterungsabsatz 7 und dem Flanschabsatz 13 gehalten. Der maximale Außendurchmesser des Sichtglaselements 2 ist größer als der Halterungsabsatz-Innendurchmesser 70 und der Flanschabsatz-Innendurchmesser 130. Flanschvorrichtung 9 und Halterungsvorrichtung 1 sind fest miteinander verbunden, z.B. durch Fixierschrauben 15, die durch korrespondierende Ausnehmungen in der Flanschvorrichtung 9 und der

Halterungsvorrichtung 1 geführt und in diesen verschraubt sind. Die Ausnehmung in der Flanschvorrichtung 9 ist dabei durchgehend ausgeführt, während die korrespondierende Ausnehmung in der Halterungsvorrichtung 1 als Sackloch ausgebildet ist. Der Sacklochgrund in der Halterungsvorrichtung 1 kann mit einem Gewinde ausgeführt sein, so dass die Fixierschrauben 15 eingeschraubt werden können. Zwischen der Flanschvorrichtung 9 und der Halterungsvorrichtung 1 ist ein Ubergangsdichtungselement 16 in Form eines O-Rings angeordnet, das in einer in der Halterungsvorrichtung 1 vorgesehenen Nut aufgenommen ist.

[0058] Um eine bessere Krafteinleitung vom Flanschabsatz 13 in die Außenoberfläche 4 des Sichtglaselements 2 sicherzustellen und Biegespannungen zu reduzieren ist die dem Hochdruckbereich HD zugewandte Seite des Flanschabsatzes 13 zumindest abschnittsweise mit einem zur Öffnungsachse 102a geneigten Verlauf ausgeführt. Dieses Merkmal ist insbesondere in Fig. 4 zu erkennen, wo das in Fig. 2 mit einem strichlierten Kasten IV markierte Detail dargestellt ist. Der abschnittsweise geneigte Verlauf bedeutet hier, dass ein Teil der dem Hochdruckbereich HD zugewandten Seite des Flanschabsatzes sowohl geneigt zur Offnungsachse 102a als auch geneigt zur Öffnungsebene 1022 ausgeführt ist.

[0059] Dieser geneigte Verlauf ist im Wesentlichen kreisringförmig ausgeführt. Dabei ist ein hinsichtlich der Offnungsachse 102a in radialer Richtung außenliegender Bereich 131 weiter vom Hochdruckbereich HD entfernt als ein hinsichtlich der Öffnungsachse 102a innenliegender Bereich 132. Mit anderen Worten ist am Flanschabsatz 13 auf der dem Hochdruckbereich HD zugewandten Seite ein Kreisring ausgeführt, der innen näher zum Hochdruckbereich HD angeordnet ist als außen. Das bedeutet auch, dass der Abstand zwischen der Außenoberfläche 4 des Sichtglaselements 2 und der dem Hochdruckbereich HD zugewandten Seite des Flanschabsatzes 13 in radialer Richtung hinsichtlich der Öffnungsachse 102a zunimmt.

[0060] In Fig. 4 ist zu erkennen, dass insbesondere an die Öffnung 102 bzw. an die Verlängerung der Öffnung 102 durch die Flanschvorrichtung 9 anschließend ein ebener Flanschabsatzbereich 133 vorgesehen ist, der im Wesentlichen normal zur Offnungsachse 102a verlaufend ausgeführt ist. An die Öffnung 102 anschließend ist also auf der dem Hochdruckbereich HD zugewandten Seite des Flanschabsatzes 13 ein Kreisring ausgeführt, der im Wesentlichen in einer normal zur Offnungsachse 102a bzw. parallel zur Öffnungsebene 1022 verlaufenden Ebene liegt.

[0061] In radialer Richtung nach außen hinsichtlich der Öffnungsachse 102 schließt der innenliegende Bereich 132 des zur Offnungsachse 102a geneigt ausgeführten Flanschabsatzbereichs 134 der dem Hochdruckbereich HD zugewandten Seite des Flanschabsatzes 13 an.

[0062] Zwischen der Außenoberfläche 4 des Sichtglaselements 2 und zumindest einem Teil der - vorzugsweise der gesamten - dem Hochdruckraum HD zugewandten Seite des Flanschabsatzes 13 ist ein Dichtungselement 14 vorgesehen. Dieses Dichtungselement 14 kann beispielsweise als Graphitelement oder andere Weichstoff-Beilage ausgeführt sein und nimmt die Kraft des vom Druck im Hochdruckbereich HD nach außen gedrückten Sichtglaselements 2 auf. Das Dichtungselement 14 hat damit einen selbstverriegelnden Effekt da es umso stärker komprimiert wird, je höher der Druck im Hochdruckbereich HD ist, mit dem das Sichtglaselement 2 gegen das Dichtungselement 14 gedrückt wird. Auch hier kann das Dichtungselement 14 als Paket aus mehreren Einzeldichtungen aufgebaut sein.

[0063] Das Dichtungselement 14 ist mit einer konstanten Dicke ausgeführt und wird durch die Montage zwischen Sichtglaselement 2 und Flanschabsatz 13 so verpresst, dass sich im zur Öffnungsachse 102a geneigten Bereich der dem Hochdruckraum HD zugewandten Seite des Flanschabsatzes 13 eine in radialer Richtung nach außen zunehmender Dicke ausbildet. Die Dicke bezeichnet dabei die Erstreckung in einer Richtung entlang bzw. parallel zu der Öffnungsachse 102a. Diese variable Dicke ergibt sich durch den geneigten Verlauf des Flanschabsatzes 13. Auch eine keilförmige Ausführung des Dichtungselements 14 entsprechend dem Verlauf des Flanschabsatzes 13 ist möglich.

[0064] Durch Dichtungselement 14 und den geneigten Verlauf des Flanschabsatzes 13 ergibt sich eine gute Druckverteilung am Flanschabsatz 13, dessen Innenseite stärker belastet ist als

der hinsichtlich der Öffnungsachse 102a radial äußere Bereich. Der Gegendruck, der sich durch das Anpressen des Sichtglaselements 2 an den Flanschabsatz 13 ergibt, wandert gegenüber Lösungen aus dem Stand der Technik stärker in Richtung der Mitte des Sichtglaselements 2 nahe der Öffnungsachse 102a, wodurch sich ein geringeres Biegemoment und weniger Zugspannung an der Außenoberfläche 4 ergibt. Die Innenseite der Flanschwandung 12 ist in vom Hochdruckbereich HD wegführender Richtung konisch zusammenlaufend ausgeführt. Mit anderen Worten ist der Flanschwandung-Innendurchmesser 120 entlang der OÖffnungsachse 102a in von der Halterungsvorrichtung 1 wegführender Richtung abnehmend ausgeführt. Dadurch wird sichergestellt, dass das Sichtglaselement 2 nicht mit der Flanschwandung 12 in Kontakt kommt, was zu Schäden führen könnte. Zusätzlich erlaubt diese Ausführung ein leichteres Fertigen des geneigten Bereichs am Flanschabsatz 13, z.B. durch Einführen eines Schaftfräsers.

[0065] Fig. 5 zeigt eine Druckkammeranordnung 100 in Form einer Testeinrichtung für einen Injektor 106, insbesondere einen Treibstoffinjektor z.B. für eine Brennkraftmaschine. Der Injektor 106 ist in einem Injektoradapter 107 angeordnet, so dass Einspritzvorgänge in den Hochdruckbereich HD vorgenommen werden können. Dabei sind eine erste Öffnung 102’ und eine zweite Öffnung 102" mit je einem Sichtglaselement 2 vorgesehen, wobei die Öffnungen 102’, 102” einander gegenüberliegend im Gehäuse 101 der Druckkammer angeordnet sind. Die Sichtglaselemente 2 sind in Halterungsvorrichtungen 1’, 1” und Flanschvorrichtungen 9’, 9” wie oben beschrieben angeordnet. An der ersten Öffnung 102' ist die Halterungsvorrichtung 1’ in einer Aufnahme im Gehäuse 101 angeordnet während an der zweiten Öffnung 102" die Halterungsvorrichtung 1” und die Flanschvorrichtung 9” gemeinsam mit dem Gehäuse 101 verschraubt sind.

[0066] Gegenüberliegend der zweiten Öffnung 102" ist ein Verschlusselement 108 angebracht, in dem z.B. eine Partikelsonde oder andere Messvorrichtungen angeordnet sein können.

[0067] In einer nicht dargestellten Variante kann ein Sichtglaselement 2 in der Öffnung gegenüberliegend der zweiten Öffnung 102" angebracht werden, so dass optische Versuchsanordnungen möglich sind, bei denen der Hochdruckraum HD von einer Lichtquelle durchstrahlt und das Licht auf der gegenüberliegenden Seite mit einem Detektor analysiert wird.

[0068] Die erfindungsgemäße Lösung reduziert die Belastung von Sichtglaselementen 2, die in Öffnungen 102, 102’, 102" an Hochdruckbereichen HD von Druckkammeranordnungen 100 angeordnet sind. Schäden können wirkungsvoll verhindert werden.

Claims

Patentansprüche

1. Druckkammeranordnung (100) mit einem von einem Gehäuse (101) zumindest teilweise umschlossenen, die Druckkammer bildenden Hochdruckbereich (HD), wobei das Gehäuse (101) zumindest eine Öffnung (102, 102', 102") mit einer normal zu einer Öffnungsebene (1022) verlaufenden Öffnungsachse (102a) aufweist, in der zumindest ein in einer Flanschvorrichtung (9) aufgenommenes Sichtglaselement (2) angeordnet ist, wobei das Sichtglaselement (2) auf einer dem Hochdruckbereich (HD) zugewandten Seite eine Druckoberfläche (3), auf einer der Druckoberfläche (3) gegenüberliegenden Seite eine einem Niederdruckbereich (ND) zugewandte Außenoberfläche (4) und eine die Druckoberfläche (3) und die AuBenoberfläche (4) verbindende Randfläche (5) aufweist, wobei die Flanschvorrichtung (9) zumindest die Randfläche (5) des Sichtglaselements (2) zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig umfassend ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanschvorrichtung (9) an einer dem Hochdruckbereich (HD) zugewandten Seite eine Flanschwandung (12) und auf der vom Hochdruckbereich (HD) abgewandten Seite der Flanschwandung (12) an diese anschließend einen Flanschabsatz (13) aufweist, wobei ein maximaler FlanschabsatzInnendurchmesser (130) geringer ist als ein maximaler Flanschwandung-Innendurchmesser (120), so dass das Sichtglaselement (2) mit seiner Außenoberfläche (4) zumindest teilweise an der dem Hochdruckbereich (HD) zugewandten Seite des Flanschabsatzes (13) anliegt und die Flanschwandung (12) die Randfläche (5) des Sichtglaselements (2) zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig umfasst, wobei die dem Hochdruckbereich (HD) zugewandte Seite des Flanschabsatzes (13) zumindest abschnittsweise mit einem zur OÖffnungsachse (102a) geneigten Verlauf ausgeführt ist , so dass ein hinsichtlich der Öffnungsachse (102a) in radialer Richtung außenliegender Bereich (131) weiter vom Hochdruckbereich (HD) entfernt ist als ein hinsichtlich der Offnungsachse (102a) innenliegender Bereich (132).

2. Druckkammeranordnung (100) nach Anspruch 1, wobei an die Öffnung (102) anschließend ein ebener Flanschabsatzbereich (133) vorgesehen ist, der im Wesentlichen normal zur Offnungsachse (102a) verlaufend ausgeführt ist und an den in radialer Richtung der innenliegende Bereich (132) des zur Öffnungsachse (102a) geneigt ausgeführten Flanschabsatzbereichs (134) der dem Hochdruckbereich (HD) zugewandten Seite des Flanschabsatzes (13) anschließt.

3. Druckkammeranordnung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Innenseite der Flanschwandung (12) in vom Hochdruckbereich (HD) wegführender Richtung konisch zusammenlaufend ausgeführt ist.

4. Druckkammeranordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zwischen der AuBenoberfläche (4) des Sichtglaselements (2) und zumindest einem Teil der, vorzugsweise der gesamten dem Hochdruckraum (HD) zugewandten Seite des Flanschabsatzes (13) ein Dichtungselement (14) vorgesehen ist.

5. Druckkammeranordnung (100) nach Anspruch 4, wobei das Dichtungselement (14) im zur Offnungsachse (102a) geneigten Bereich der dem Hochdruckraum (HD) zugewandten Seite des Flanschabsatzes (13) mit in radialer Richtung nach außen zunehmender Dicke ausgeführt ist.

6. Druckkammeranordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei an der dem Hochdruckbereich (HD) zugewandten Seite der Flanschvorrichtung (9), vorzugsweise anschlieBend an die Flanschwandung (12), zur Fixierung des Sichtglaselements (2) innerhalb der Flanschvorrichtung (9) zumindest eine Halterungsvorrichtung (1) vorgesehen ist.

7. Druckkammeranordnung (100) nach Anspruch 6, wobei zumindest ein in der Halterungsvorrichtung (1) verlaufender Verbindungskanal (6) vorgesehen ist, der vom Hochdruckbereich (HD) ausgeht und im die Randfläche (5) des Sichtglaselements (2) umfassenden Bereich der Halterungsvorrichtung (1) mündet, so dass der Hochdruckbereich (HD) und die Randfläche (5) des Sichtglaselements (2) strömungsverbunden sind und die Randfläche (5) mit einem im Hochdruckbereich (HD) herrschenden Druck beaufschlagbar ist.

8. Druckkammeranordnung (100) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Halterungsvorrichtung (1) einen benachbart zum Hochdruckbereich (HD) angeordneten Halterungsabsatz (7) und eine auf der vom Hochdruckbereich (HD) abgewandten Seite des Halterungsabsatz (7) an diesen anschließende Halterungswandung (8) aufweist, wobei ein maximaler Halterungsabsatz-Innendurchmesser (70) geringer ist als ein maximaler Halterungswandung-Innendurchmesser (80), so dass das Sichtglaselement (2) mit seiner Druckoberfläche (3) zumindest teilweise an der vom Hochdruckbereich (HD) abgewandten Seite des Halterungsabsatzes (7) anliegt und die Halterungswandung (8) die Randfläche (5) des Sichtglaselements (2) zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig umfasst.

9. Druckkammeranordnung (100) nach Anspruch 8, wobei der maximale HalterungswandungInnendurchmesser (80) gleich groß ist wie der maximale Flanschwandung-Innendurchmesser (120).

10. Druckkammeranordnung (100) nach Anspruch 8 oder 9, wobei zumindest eine Eintrittsöffnung (60) des Verbindungskanals (6) in einem dem Hochdruckbereich (HD) zugewandten Bereich des Halterungsabsatzes (7) angeordnet ist und zumindest eine Austrittsöffnung (61) des Verbindungskanals (6) in einem der Randfläche (5) des Sichtglaselements (2) zugewandten Innenseite der Halterungswandung (8) angeordnet ist.

11. Druckkammeranordnung (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei zwischen einer der Randfläche (5) des Sichtglaselements (2) zugewandten Innenseite der Halterungsvorrichtung (1), vorzugsweise einer der Randfläche (5) des Sichtglaselements (2) zugewandten Innenseite der Halterungswandung (8), und dem Sichtglaselement (2) zumindest ein Zentriermittel (10) derart angeordnet ist, dass sich zwischen der Randfläche (5) des Sichtglaselements (2) und der Innenseite der Halterungsvorrichtung (1), vorzugsweise der Innenseite der Halterungswandung (8), zumindest abschnittsweise entlang der Randfläche (5) des Sichtglaselements (2) ein Randspalt (11) ausbildet, wobei der Randspalt (11) über den zumindest einen Verbindungskanal (6) mit dem Hochdruckbereich (HD) strömungsverbunden ist.

12. Druckkammeranordnung (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei zumindest ein Verbindungskanal (6) eine Eintrittsöffnung (60) in einem dem Hochdruckbereich (HD) zugewandten Bereich der Halterungsvorrichtung (1) aufweist und der Verbindungskanal (6) in einer der Randfläche (5) des Sichtglaselements (2) zugewandten Innenseite der Halterungsvorrichtung (1), vorzugsweise der Halterungswandung (8), über einen ersten Austrittsabschnitt (61a) in eine erste Austrittsöffnung (61) und einen zweiten Austrittsabschnitt (62a) in eine zweite Austrittsöffnung (62) mündet.

13. Brennkraftmaschine mit zumindest einer Druckkammeranordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.

14. Brennkraftmaschine (103) nach Anspruch 13, wobei die Druckkammeranordnung (100) eine erste Öffnung (102') und eine zweite Offnung (102”) mit je einem Sichtglaselement (2) aufweist, wobei vorzugsweise Öffnungen (102', 102") einander gegenüberliegend im Gehäuse (101) der Druckkammer angeordnet sind.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen