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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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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. Dem Stand der Technik entsprechend 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.
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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 zylinderähnlichen Flächen zwischen dem Kraftstoffinjektor und dem hochdruckführenden System (hier Kraftstoffrail genannt) geklemmt werden.
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Einem solchen System mangelt es an Dichtheit, d. h. es können Kohlenwasserstoffe entweichen und zukünftige Umweltauflagen können nicht erfüllt werden.
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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. Dem Stand der Technik entsprechend 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.
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Bei einer derartigen Ausgestaltung werden zusätzliche Kraftstoffleitungen benötigt.
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Aus der
EP 0 921 303 A2 ist ein Common Rail Einspritzsystem für Brennkraftmaschinen bekannt. Hierbei sind jeweilige Kontakflächen eines Injektors und eines Speichers des Common Rail Einspritzsystems voneinander beabstandet.
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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.
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Bei der beschriebenen Ausgestaltung kann aufgrund der hohen Kraftstoffdrücke, die in dem Kraftstoffrail vorherrschen, Kraftstoffdampf durch die O-Ringdichtung diffundieren, wodurch strengste Emissionsnormen nicht mehr eingehalten werden können.
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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.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
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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. Darüberhinaus werden in ebenfalls vorteilhafter Weise keine Niederhalter und/oder Federelemente benötigt.
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Die Ausgestaltungen gemäß den Unteransprüchen sind besonders bevorzugte Ausführungsvarianten.
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Im Folgenden ist die Erfindung anhand von drei Ausführungsbeispielen in drei Figuren näher erläutert:
- 1 zeigt eine Schnittansicht gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels,
- 2 zeigt eine Schnittansicht gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels und
- 3 zeigt eine Schnittansicht gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels.
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In den 1 bis 3 gelten für gleiche Bauelemente die gleichen Bezugsziffern.
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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 3 in einem Kraftstoffrail 2 befestigt. Die Kraftstoffleitung 3 ist im Wesentlichen eine Bohrung in dem Kraftstoffrail 2 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 verstanden.
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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 komplementären kegelförmigen Bereich auf. In einem anderen Ausführungsbeispiel können die kegelförmigen Bereiche auch kugelförmig ausgebildet sein. Alternativ können die kugelförmigen Bereiche kegelförmig ausgebildet sein.
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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.
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2 zeigt eine Schnittansicht gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels. 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.
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3 zeigt eine Schnittansicht gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels. 3 unterscheidet sich von 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.
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Alternativ 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.
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In einer weiteren, nicht dargestellten Alternative 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.
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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. Nach einer passgerechten Montage der Injektoren 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 „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.
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Ebenso ist es vorstellbar, dass zuerst die einzelnen Kraftstoffinjektoren 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.
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Mit anderen Worten ausgedrückt:
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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 Kraftstoffinjektor 1, womit als einziger Freiheitsgrad des Kraftstoffventils 1 unter der Annahme, dass das Kraftstoffrail 2 nach der Montage eine feste Position 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.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann selbstverständlich für Brennkraftmaschinen mit beliebiger Zylinderzahl verwendet werden.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 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
