-
Die
Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffinjektor
mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
-
Der
heutige Stand der Technik für Otto- und Diesel Commonrail-Systeme
beinhaltet eine schaltungstechnische Funktionstrennung von Hydraulik und
Mechanik am Kraftstoffinjektor. Dies bedeutet, dass bei heutigen
Systemen die geometrische Festlegung der Kraftstoffinjektoren durch
eine Anordnung erfolgt, bei welcher eine stark vorgespannte Feder das
Ventil mit einer ventileigenen Kontaktstelle auf eine zylinderkopfseitige
Kontaktstelle drückt. Die Anpresskraft muss mindestens
so hoch gewählt werden, dass der Kraftstoffinjektor nicht
durch Kräfte auf den Kraftstoffinjektor, welche sich einerseits
aus Brennraumkräften und andererseits aus dynamischen Kräften
zusammensetzen, so weit bewegt wird, dass der Kontakt zum Zylinderkopf
verloren geht. Gemäß dem Stand der Technik kann
zwischen ventileigener Kontaktstelle und zylinderkopfeigener Kontaktstelle
ein zusätzliches Element angeordnet sein, welches zur Entkopplung
von Körperschall geeignet ist. Die Feder stützt
sich hierbei auf der dem Kraftstoffinjektor abgewandten Seite an
einem fest mit dem Zylinderkopf verbundenen Bauteil ab. Dieses Bauteil
kann ein Halter oder auch eine Vorrichtung sein.
-
Weiterhin
erfolgt die hydraulische Anbindung von Kraftstoffinjektoren durch
eine weitere Anordnung, welche gemäß dem Stand
der Technik durch entweder die Anordnung eines, bzw. mehrerer O-Ringe
oder elastischer Dichtelemente erfolgt, welche jeweils zwischen
zylindrischen oder zylinderähnli chen Flächen zwischen
dem Kraftstoffinjektor und dem hochdruckführenden System
(hier Kraftstoffrail genannt) geklemmt werden.
-
Nachteilig
an einem solchen System ist eine mangelnde Dichtheit des Systems,
d. h. es können Kohlenwasserstoffe entweichen und zukünftige
Umweltauflagen können nicht erfüllt werden.
Oder:
Durch
ein elastisches Zwischenstück, z. B. eine Kraftstoffleitung,
welche beiderseits an Kraftstoffrail und Kraftstoffinjektor derart
verschraubt ist, dass eine Dichtheit gegen Austritt von Kraftstoff
unter hohem Druck erzielt wird. Gemäß dem Stand
der Technik besteht eine solche Verschraubung zweckmäßigerweise
aus einer balligen Kontur auf der einen Seite und einer kegligen
Kontur auf der anderen Seite, welche durch eine Zugmutter zusammengepresst
werden. Die ballige Kontur kann in diesem Fall auch eine Kugelfläche
sein.
-
Nachteilig
an einer derartigen Ausgestaltung ist es, dass zusätzliche
Kraftstoffleitungen benötigt werden.
-
Weiter
ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2004 053 040 A1 ,
von der die vorliegende Erfindung ausgeht, ebenfalls eine gattungsgemäße
Brennkraftmaschine mit einem Kurbelgehäuse und mit einem
Kraftstoffinjektor bekannt. Die Brennkraftmaschine verfügt
im Kurbelgehäuse über einen, von einem Zylinderkopf
nach oben abgeschlossenen Brennraum, wobei an den Zylinderkopf ein
Kraftstoffinjektor zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum
gelagert ist. Der Kraftstoffinjektor weist in einem Gehäuse
einen Aktuator sowie ein Ventilelement auf. Zur Geräuschminimierung
wird vorgeschlagen zwischen dem Gehäuse des Kraftstoffinjektors und
dem Zylinderkopf ein Dämpfungselement, insbesondere ein
metallisches Formpressteil zur Schwingungsdämpfung anzuordnen.
Andernends ist der Kraftstoffinjektor in eine Bohrung in einem Kraftstoffrail
eingeschoben und über O-Ringe ist die Kraftstoffzuführleitung
gegenüber der Umwelt abgedichtet.
-
Nachteilig
an dieser beschriebenen Ausgestaltung ist es, dass aufgrund der
hohen Kraftstoffdrücke, die in dem Kraftstoffrail vorherrschen,
Kraftstoffdampf durch die O-Ringdichtung diffundieren kann, wodurch
strengste Emissionsnormen nicht mehr eingehalten werden können.
-
Daher
liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anbindung
eines Kraftstoffinjektors an ein Kraftstoffrail aufzuzeigen, die
dauerhaft Kraftstoffemissionen verhindert und gleichzeitig einen
Toleranzausgleich bei der Montage des Kraftstoffinjektors an das
Kraftstoffrail zulässt.
-
Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
1 gelöst.
-
Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine direkte
Abdichtung ohne O-Ring-Dichtung erreicht werden und es werden in
vorteilhafter Weise darüber hinaus keine teuren und montageaufwendigen
Einzelleitungen benötigt. Da nach dem Verbau des Kraftstoffinjektors
an das Kraftstoffrail eine feste Verbindung entsteht und der Kraftstoffinjektor
keinen axialen Formschluss zum Zylinderkopf besitzt, kann auf Akustikentkopplungselemente
verzichtet werden. Darüber hinaus werden in ebenfalls vorteilhafter
Weise keine Niederhalter und/oder Federelemente benötigt.
-
Die
Ausgestaltungen gemäß den Unteransprüchen
sind besonders bevorzugte Ausführungsvarianten.
-
Im
Folgenden ist die Erfindung anhand von drei Ausführungsbeispielen
in drei Figuren näher erläutert:
-
1 zeigt
einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel,
-
2 zeigt
einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel und
-
3 zeigt
einen Schnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel.
-
In
den 1 bis 3 gelten für gleiche Bauelemente
die gleichen Bezugsziffern.
-
1 zeigt
einen Schnitt durch einen Kraftstoffinjektor 1 zur Einspritzung
von Kraftstoff direkt in einen Brennraum einer nicht dargestellten
Brennkraftmaschine. Der Kraftstoffinjektor 1 ist mit seinem nicht
dargestellten Einspritzende an einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine
anorden- und befestigbar und an einem dargestellten Befüllende 1' an
die Kraftstoffleitung 2 in einem Kraftstoffrail 3 befestigt. Die
Kraftstoffleitung 2 ist im Wesentlichen eine Bohrung in
dem Kraftstoffrail 3 mit einer nicht bezifferten Abzweigbohrung
zum Kraftstoffinjektor 1. In der Kraftstoffleitung 3 zeigt
ein Pfeil schematisch die Förderrichtung des Kraftstoffes
an. Das Befüllende 1' berührt das Kraftstoffrail 2 mit
einer Kontaktfläche 4 gegen eine Kontaktfläche 5 am
Kraftstoffrail 2. Unter Kraftstoff werden alle flüssigen
oder gasförmigen Brennstoffe, wie z. B. Benzin, Diesel,
Erdgas, Wasserstoff etc. verstanden.
-
Damit
der Kraftstoffinjektor 1 an das Kraftstoffrail 2 montiert
werden kann, weist der Kraftstoffinjektor 1 an seinem Befüllende 1' einen
kugelförmigen Bereich 6 auf. Über diesen
kugelförmigen Bereich 6 erstreckt sich ein Spannelement 7,
im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit 2 Gewinden 8,
die es ermöglichen, das Spannelement 7 mittels
zweier Schrauben 11 gegen das Kraftstoffrail 2 zu
verspannen bzw. zu ziehen. Auch ist es möglich, anstelle
der Schrauben 11 Klemmelemente zu verwenden. Weiter weist
das Spannelement 7 einen zu dem kugelförmigen
Bereich 6 komplementären kegelförmigen
Bereich 9 auf. In einem anderen Ausführungsbeispiel können
die kegelförmigen Bereiche 9 auch kugelförmig
ausgebildet sein. Auch können die kugelförmigen
Bereiche 6 kegelförmig ausgebildet sein.
-
Erfindungsgemäß weisen
das Befüllende 1' und das Kraftstoffrail 3 an
ihren Kontaktflächen 4, 5 zueinander
konkav-konvexe Ausformungen auf, so dass von den Kontaktflächen 4, 5 nach
einer Montage des Kraftstoffinjektors 1 an das Kraftstoffrail 3 eine ringförmig
geschlossene Linienpressung ausgebildet wird. Diese Linienpressung
kann, abhängig von den Radien oder Kegelwinkeln auch als
eine ringförmige Flächenpressung angesehen werden.
Hierbei gestatten der kugelförmige Bereich 6 sowie
der komplementäre kegelförmige Bereich 9 eine
leichte kegelförmige Verwinkelung des Kraftstoffinjektors 1 bezüglich
des Kraftstoffrails 2. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist die Kontaktfläche 4 des Kraftstoffrails 2 kegelförmig
und die Kontaktfläche 5 des Kraftstoffinjektors 1 kugelförmig
ausgebildet. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist es
auch möglich, dass die Kontaktfläche 5 des
Befüllendes 1' des Kraftstoffinjektors 1 kegelförmig
ausgebildet ist, wobei die Kontaktfläche 4 des
Kraftstoffrails 2 kugelförmig ausgebildet sein
kann. Auch zwei kugelförmige oder kegelförmige
Kontaktflächen sind denkbar, wobei sich dann die Radien
bzw. die Kegelwinkel derart voneinander unterscheiden müssen,
dass immer eine ringförmig geschlossene Linienpressung
ausgebildet wird. In diesem ersten Ausführungsbeispiel
ist der kugelförmige Bereich 6 mit dem Kraftstoffinjektor
verschraubt ausgebildet. Auch eine einstückige und materialeinheitliche
Ausführung ist möglich.
-
2 zeigt
einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel für
eine erfindungsgemäße Ausgestaltung. 2 unterscheidet
sich von 1 dadurch, dass das Befüllende 1' des
Kraftstoffinjektors 1 komplett kugelförmig ausgebildet
und somit Dichtwirkung und der kegelförmiger Toleranzausgleich
wie in 1 gleichzeitig, bei vereinfachter Fertigung erzielt
werden.
-
3 zeigt
einen Schnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel für
eine erfindungsgemäße Ausgestaltung. 3 unterscheidet
sich von den Ausführungsbeispielen in den 1 und 2 dadurch,
dass der kugelförmige Bereich 6 nicht einstückig
mit dem Befüllende 1' des Kraftstoffinjektors 1 ist,
sondern als separates Bauteil mit Hilfe eines Sicherungsringes 10 an
das Befüllende montierbar ist.
-
In
einem anderen Ausführungsbeispiel ist es auch möglich,
dass das Spannelement 7 ein zentrales Gewinde aufweist,
mit dem es direkt an das Kraftstoffrail 2 zur Befestigung
des Kraftstoffinjektors 1 anschraubbar ist. Diese Ausführungsvariante
entspricht dann beispielsweise einer Überwurfmutter.
-
In
einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel
kann zwischen die Kontaktflächen auch ein weiches, metallisches
Dichtelement, beispielsweise aus Kupfer vorgesehen werden. Auch
ist es möglich, dass die Kontaktfläche 4 über
einen nicht dargestellten Stutzen von dem Kraftstoffrail 2 beabstandet
ist, wobei der Stutzen keine „Weichheit” wie eine
Kraftstoffleitung aufweist. Auch ist es möglich, dass der
Zylinderkopf und ein Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine
einstückig ausgeführt sind.
-
Damit
ein funktionierendes Dichtungssystem durch die formschlüssige
(linienförmige) Kraftverbindung entstehen kann (zwischen
den Kontaktflächen 4, 5) ist es erforderlich,
eine klar definierte Montagereihenfolge einzuhalten: Zuerst werden
die Kraftstoffinjektoren 1 (bei einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine)
mit dem toleranzausgleichenden Verbindungselement, dem Spannelement 7 „handfest” am Kraftstoffrail 2 vormontiert.
Die Kraftstoffinjektoren 1 bleiben dabei am Kraftstoffrail 2 fixiert,
beweglich gelagert und können innerhalb eines kegelstumpfförmigen
Volumens zum Toleranzausgleich relativ zum Kraftstoffrail 2 bewegt
werden. Damit ist es im nächsten Schritt möglich,
eine passgerechte Montage der Kraftstoffrail 2/Kraftstoffinjektor 1 Kombination
zum Zylinderkopf vorzunehmen. Nach der passgerechten Montage der
Injektoren 1 am oder auch im Zylinderkopf wird dann die
toleranzausgleichende Verbindung zwischen Kraftstoffrail 2 und
Kraftstoffinjektor 1 fixiert und über eine definierte,
von den verwendeten Materialien definierte Montagevorspannkraft
die notwendige Dichtheit erreicht. Danach wird dann das Kraftstoffrail 2 am
Zylinderkopf fixiert, wobei vorzugsweise radial außen am
Kraftstoffinjektor 1 elastische Dichtelemente zu einer
Bohrung im Zylinderkopf angeordnet sind, die eine geringe radiale
Beweglichkeit erlauben. Da der Kraftstoffinjektor 1 fest
an dem Kraftstoffrail 2 fixiert ist, ist eine axiale Anbindung
des Kraftstoffinjektors 1 am Zylinderkopf nicht nötig,
wodurch in vorteilhafter Weise eine statische Bestimmtheit erzielt
ist, d. h. eine statische Überbestimmung ist vermieden.
Da der Kraftstoffinjektor 1 quasi „weich” an
den Zylinderkopf angekoppelt ist, können akustische Dämpfungselemente
entfallen. Hierdurch werden durch die erfindungsgemäße
Ausgestaltung die hydraulischen und mechanischen Funktionen an der
Kontaktstelle von Kraftstoffinjektor 1 und Kraftstoffrail 2 vereint.
-
Ebenso
ist es vorstellbar, dass zuerst die Einzelkraftstoffinjektoren 1 am
Zylinderkopf positioniert und danach das Kraftstoffrail 2 wieder
mit den toleranzausgleichenden Elementen, den Spannelementen 7,
an den Kraftstoffinjektoren 1 montiert werden. Hierbei
werden dann die ausgleichenden Toleranzen beim Fügevorgang
Kraftstoffinjektor 1 zu Kraftstoffrail 2 aufgenommen.
Eine Selbstzentrierung der Kraftstoffinjektoren 1 und der
formschlüssigen Verbindungselemente am Kraftstoffrail 2 muss
dabei zugelassen werden.
-
Mit
anderen Worten ausgedrückt:
Erfindungsgemäß besteht
die vorgeschlagene Anordnung aus jeweils einem schaltungstechnischen Kugelgelenk
zwischen Kraftstoffinjektor 1 und Kraftstoffrail 2 und
jeweils einem schaltungstechnisch axial verschieblichen Kugelgelenk
zwischen Zylinderkopf und Kraftstoffeinspritzventil 1,
womit als einziger Freiheitsgrad des Kraftstoffventils 1 unter
der Annahme, dass das Kraftstoffrail 2 nach der Montage
eine feste Position 2 zum Zylinderkopf hat, die Drehung um
die Kraftstoffinjektorachse verbleibt. Dies ist notwendig, um die
radiale Ausrichtung des Kraftstoffinjektors 1 im Brennraum
zu justieren. Die Justage kann beispielsweise über Einstellungen über
eine Justierhilfe (z. B. eine Nut in Verbindung mit einer Nase)
erfolgen. Nach Vormontage des Systems wird durch Verschrauben der
Hochdruckverbindungsstelle zwischen Kraftstoffrail 2 und
Kraftstoffinjektor 1 auch dieser Freiheitsgrad „gefesselt”.
Somit ist der Kraftstoffinjektor genau justiert an das Kraftstoffsystem
verspannungsfrei montiert.
-
Die
erfindungsgemäße Ausgestaltung kann selbstverständlich
für Brennkraftmaschinen mit beliebiger Zylinderzahl verwendet
werden.
-
Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Gesamtkonzeptes
ergeben sich gegenüber dem Stand der Technik folgende Vorteile:
- – Niederhalter, Leitungen und Federelemente können
entfallen, was die Kosten wesentlich senkt.
- – Akustische Entkopplungselemente können ebenfalls
entfallen, wodurch die Herstellkosten nochmals reduziert werden.
- – Es ergeben sich deutliche Bauraumvorteile durch die
Positioniermöglichkeit des Kraftstoffrails 2 nahe
dem Kraftstoffinjektor 1, wodurch ein besseres Package
erzielt wird.
- – Verspannungen bei der Montage werden vermieden, was
die Qualität des Endproduktes wesentlich erhöht.
- – Es wird eine dauerhafte Kraftstoffdichtheit erzielt.
- – Fertigungstoleranzen können einfach ausgeglichen
werden.
-
- 1
- Kraftstoffinjektor
- 1'
- Befüllende
- 2
- Kraftstoffrail
- 3
- Kraftstoffleitung
- 4
- Kontaktfläche
- 5
- Kontaktfläche
- 6
- kugel-
oder kegelförmiger Bereich
- 7
- Spannelement
- 8
- Gewinde
- 9
- komplementärer
kugel- oder kegelförmiger Bereich
- 10
- Sicherungsring
- 11
- Schraube
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102004053040
A1 [0006]