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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf eine Hochdruckdichtungsanordnung und insbesondere auf eine sich nicht drehende Hochdruckdichtungsanordnung zur Verwendung bei Hochdruckbrennstoffleitungen bzw. Hochdruckbrennstoff-Rails, Verbindungsblöcken, Pumpenköpfen bzw. Pumpendeckeln oder anderen Hochdruckkomponenten, die eine Abdichtung von Hochdruckströmungsmittel erfordern.
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Hintergrund
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Motoren, welche Dieselmotoren, Benzinmotoren, Erdgasmotoren und andere in der Technik bekannte Motoren miteinschließen, stoßen eine komplexe Mischung von mit der Verbrennung in Beziehung stehenden Bestandteilen aus. Diese Bestandteile können gasförmiges und festes Material sein, was Stickoxyde (NOx) und Partikelstoffe miteinschließt. Auf Grund gesteigerter Rücksichtnahme auf die Umwelt sind Abgasemissionsstandards immer strenger geworden, und die Menge an NOx und Partikelstoffen, die aus einem Motor ausgestoßen werden kann, kann abhängig von der Art des Motors, von der Größe des Motors und/oder von der Klasse des Motors geregelt sein.
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Ingenieure haben erkannt, dass ein Weg zum Erfüllen der strengen Standards bezüglich NOx- und Partikelemissionen das Vorsehen von gesteigerten Brennstoffeinspritzdrücken sein kann. Es ist nicht ungewöhnlich, dass moderne Common-Rail-Brennstoffsysteme bzw. Brennstoffsysteme mit gemeinsamer Druckleitung Einspritzdrücke über 250 MPa (2500 Bar) erreichen. Brennstoffsystemkomponenten, welche Common-Rails bzw. gemeinsame Druckleitungen und Dichtungen miteinschließen, müssen sicher diesen gesteigerten Drücken Widerstand bieten können.
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Common-Rails sind gewöhnlicher Weise unter Verwendung einer Drehschneidkantendichtung mit einem Kontakt von Metall-zu-Metall abgedichtet worden. Diese Dichtungen werden in ihre Position gedreht, wo sie eine Abdichtung erzeugen. Beispielsweise zeigt das
US-Patent 6,129,359 von Haas eine Dichtung mit äußeren Gewindegängen mit einer Messer- oder Schneidkante am äußeren Ende. Wenn die Dichtung an die Position bzw. in die Endlage gedreht wird, kann eine Dichtung von Metall-zu-Metall erzeugt werden. Jedoch ist bei Brennstoffsystemen mit gesteigerten Drücken das Risiko des Erzeugens eines Leckpfades auf Grund einer Drehung der Schneidkante gegen das damit zusammenwirkende Teil beträchtlich höher.
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Die offenbarte Dichtungsanordnung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.
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Zusammenfassung der Offenbarung
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Gemäß einem Aspekt wird eine Dichtung offenbart, welche eine Stecker- bzw. Verschlusskomponente mit einer Dichtungsfläche und einer Lastaufnahmefläche aufweist. Weiterhin ist eine Belastungskomponente vorgesehen, die eine Belastungsfläche hat, die konfiguriert ist, um mit einer Last aufnehmenden Oberfläche in Eingriff zu kommen, so dass die Belastungskomponente eine Axialkraft auf die Verschlusskomponente aufbringt und die Drehkraft minimiert, die auf die Verschlusskomponente aufgebracht wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Brennstoffsystem für einen Verbrennungsmotor offenbart, welches eine Brennstoffquelle aufweist. Ebenfalls ist zumindest eine Brennstoffpumpe in Strömungsmittelverbindung mit der Brennstoffquelle vorgesehen, welche konfiguriert ist, um Brennstoff unter Druck zu setzen. Weiterhin ist eine gemeinsame Druckleitung bzw. Common-Rail in Strömungsmittelverbindung mit der mindestens einen Brennstoffpumpe vorgesehen. Die Common-Rail weist auch eine Dichtung mit einer Verschlusskomponente mit einer Dichtungsfläche und einer Last aufnehmenden Fläche auf. Die Dichtung weist auch eine Belastungskomponente mit einer Belastungsfläche auf, die konfigurier ist, um mit der Last aufnehmenden Fläche in Eingriff zu kommen, so dass die Belastungskomponente eine Axialkraft auf die Verschlusskomponente aufbringt und die Drehkraft minimiert, die auf die Verschlusskomponente aufgebracht wird. Das Brennstoffsystem weist auch mindestens eine Brennstoffeinspritzvorrichtung in Strömungsmittelverbindung mit der Common-Rail auf, die konfiguriert ist, um Brennstoff in einen Zylinder des Verbrennungsmotors einzuspritzen.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Abdichten eines Bereiches offenbart, welches einen Schritt des Vorsehens einer Verschlusskomponente mit einer Dichtfläche und einer Last aufnehmenden Fläche aufweist. Weiterhin ist der Schritt des Positionierens der Verschlusskomponente derart, dass die Dichtungsfläche den Bereich abdeckt, vorgesehen. Das Verfahren weist auch den Schritt auf, eine Belastungskomponente mit einer Belastungsfläche vorzusehen, die konfiguriert ist, um mit der Last aufnehmenden Oberfläche in Eingriff zu kommen. Weiterhin ist der Schritt vorgesehen, eine Drehkraft auf die Belastungskomponente aufzubringen, so dass eine Axialkraft auf die Verschlusskomponente aufgebracht wird und die Drehkraft, welche auf die Verschlusskomponente aufgebracht wird, minimiert wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine diagrammartige schematische Darstellung eines Brennstoffsystems mit einer Common-Rail und der offenbarten Dichtungsanordnung;
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2 ist eine detaillierte Querschnittsdarstellung eines Teils einer Common-Rail und der offenbarten Dichtungsanordnung;
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3 ist eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der offenbarten Dichtungsanordnung; und
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4 ist eine Querschnittsdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der offenbarten Dichtungsanordnung
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Detaillierte Beschreibung
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Mit Bezug auf 1 ist ein Brennstoffsystem gezeigt, welches eine Common-Rail-Brennstoffeinspritzvorrichtung 22 verwendet. Ein Reservoir 10 enthält Brennstoff mit Umgebungsdruck. Eine Transferpumpe 12 zieht Niederdruckbrennstoff durch die Brennstoffversorgungsleitung 13 und liefert ihn zu einer Hochdruckpumpe 14. Die Hochdruckpumpe 14 bringt dann den Brennstoff auf die erwünschten Brennstoffeinspritzdruckniveaus und liefert den Brennstoff zur Brennstoffdruckleitung bzw. Brennstoff-Rail 16. Die Brennstoff-Rail 16 kann zumindest eine Dichtungsanordnung 30 aufweisen. Der Druck in der Brennstoff-Rail 16 wird teilweise durch ein Sicherheitsventil 18 gesteuert, welches Brennstoff zu einer Brennstoffrückleitung 20 überlaufen lässt, wenn der Druck in der Brennstoff-Rail 16 über einem erwünschten Druck ist. Die Brennstoffrückleitung 20 bringt den Brennstoff zurück zum Reservoir 10.
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Die Brennstoffeinspritzvorrichtung 22 zieht Brennstoff aus der Brennstoff-Rail 16 und spritzt ihn in einen Verbrennungszylinder des (nicht gezeigten) Motors. Brennstoff, der nicht von der Brennstoffeinspritzvorrichtung 22 eingespritzt wird, wird zur Brennstoffrückleitung 20 abgeleitet. Ein elektronisches Steuermodul (ECM = electronic control module) 24 sieht eine allgemeine Steuerung für das System vor. Das elektronische Steuermodul 24 nimmt verschiedene Eingangssignale auf, wie beispielsweise von einem Drucksensor 26 und einem Temperatursensor 28, die mit der Brennstoff-Rail 16 verbunden sind, um Betriebsbedingungen zu bestimmen. Das elektronische Steuermodul 24 sendet dann verschiedene Steuersignale zu verschiedenen Komponenten aus, einschließlich der Transferpumpe 12, der Hochdruckpumpe 14 und der Brennstoffeinspritzvorrichtung 22.
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Ein erstes Ausführungsbeispiel der offenbarten Dichtungsanordnung 30 ist in den 2 und 3 gezeigt. 2 zeigt eine detaillierte Querschnittsdarstellung der offenbarten Dichtungsanordnung 30 und eines Teils einer Brennstoff-Rail 16, und 3 zeigt eine perspektivische Ansicht der Dichtungsanordnung 30. Die Dichtungsanordnung 30 weist eine Verschlusskomponente 32 mit einer Dichtungsfläche 34 und einer Last aufnehmenden Oberfläche 36 auf. Die Dichtungsfläche 34 kann weiter einen oder mehrere Vorsprünge 35 aufweisen, welche die Wirkung der Dichtungsfläche verbessern. In 3 kann der Vorsprung 35 derart gesehen werden, dass er in Form eines Rings ist, was als „Messerkante” oder „Schneidkante” bekannt ist. Die Brennstoff-Rail 16 kann eine Bohrung 38 definieren, die einen inneren Teil 40 hat, der konfiguriert ist, um unter Druck gesetzten Brennstoff anzusammeln bzw. aufzunehmen. Die Bohrung 38 kann auch einen erweiterten Teil 42 in Richtung eines Endes der Brennstoff-Rail aufweisen. An der Schnittstelle, wo der innere Teil 40 und der erweiterte Teil 42 sich treffen, definiert die Brennstoff-Rail 16 eine Schulter bzw. einen Absatz 44. Die Verschlusskomponente 32 wird in den erweiterten Teil 42 eingeführt, so dass die Dichtungsfläche 34 mit der Schulter 44 in Eingriff kommt. Wenn die Dichtungsfläche 34 mit der Schulter 44 in Eingriff kommt, wird eine Strömungsmittelverbindung zwischen dem inneren Teil 40 und dem erweiterten Teil 42 verhindert. Genauer gesagt, wenn der Vorsprung 35 mit der Schulter in Eingriff kommt, wird eine Dichtung 45 geformt.
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Die Dichtungsanordnung 30 weist auch eine Belastungskomponente 46 auf. Die Belastungskomponente 46 weist mindestens eine Belastungsfläche 48 auf. Die Belastungskomponente 46 kann weiter äußere Gewindegänge 50 aufweisen. Die äußeren Gewindegänge 50 können konfiguriert sein, um mit dazu passenden Gewindegängen 52 in Eingriff zu kommen, die im erweiterten Teil 42 der Bohrung 38 gelegen sind. Wie in 2 gezeigt, kann die Belastungskomponente weiter Werkzeugeingriffsflächen 54 aufweisen. Die Werkzeugeingriffsflächen 54 können von einem (nicht gezeigten) Schraubenschlüssel oder einem ähnlichen Werkzeug ergriffen werden, welches verwendet wird, um die Belastungskomponente 46 zu drehen. Wenn die Belastungskomponente 46 gedreht wird, kommen die äußeren Gewindegänge 50 und die dazu passenden Gewindegänge 52 in Eingriff, so dass die Belastungskomponente 46 sich axial in den erweiterten Teil 42 bewegt. Die Belastungskomponente 46 bringt somit eine Axialkraft auf die Verschlusskomponente 32 auf. Insbesondere kommt die Belastungsfläche 48 der Belastungskomponente 46 in Eingriff mit der Last aufnehmenden Oberfläche 36 der Verschlusskomponente 32 und bringt dadurch eine Axialkraft auf. Je größer die Axialkraft ist, welche auf die Last aufnehmende Fläche 36 der Verschlusskomponente 32 aufgebracht wird, desto größer bzw. stärker ist die Abdichtung, die durch einen Eingriff des Vorsprungs 35 und der Schulter 44 bewirkt wird.
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Obwohl die Axialkraft, die auf die Verschlusskomponente 32 aufgebracht wird, durch Drehen der Belastungskomponente 46 an ihrem Platz bzw. ihre Endposition aufgebracht wird, wird die Drehkraft, die auf die Verschlusskomponente 32 aufgebracht wird, wegen einer Schnittstelle 56 mit einem Null-Moment zwischen der Belastungsfläche 48 und der Last aufnehmenden Fläche 36 minimiert. Beispielsweise weist die Last aufnehmende Fläche 36 in dem in 2–3 gezeigten Ausführungsbeispiel zumindest einen Teil auf, der zumindest teilweise konkav oder kugelförmig ist, während die Belastungsfläche 48 im Wesentlichen flach ist. Wenn somit die Belastungskomponente 46 an ihren Platz bzw. ihre Endposition gedreht wird, wird eine Schnittstelle 56 mit einem Null-Moment bzw. eine drehmomentfreie Schnittstelle zwischen der Belastungsfläche 48 und der Last aufnehmenden Fläche 36 gebildet. Bei der Schnittstelle 56 mit Null-Moment wird ein Oberflächenkontakt zwischen der Belastungsfläche 48 und der Last aufnehmenden Fläche 36 minimiert. Daher wird auch die Reibung an der Schnittstelle mit Null-Moment bzw. der drehmomentfreien Schnittstelle minimiert. Wegen der verringerten Reibung an der Schnittstelle 56 mit Null-Moment wird die Axialkraft von der Belastungskomponente 46 auf die Verschlusskomponente 32 übertragen, während die Drehkraft minimiert wird.
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4 bildet ein zweites Ausführungsbeispiel der offenbarten Dichtungsanordnung 130 ab. In diesem zweiten Ausführungsbeispiel weist die Dichtungsanordnung 130 eine Verschlusskomponente 132 mit einer Dichtungsfläche 134 und einer Last aufnehmenden Fläche 136 auf. Die Dichtungsfläche 134 kann weiter einen oder mehrere Vorsprünge 135 aufweisen, welche die Wirkung der Dichtungsfläche 134 verbessern. Die Dichtungsanordnung 130 weist auch eine Belastungskomponente 146 auf. Die Belastungskomponente 146 weist mindestens eine Belastungsfläche 148 auf. Die Belastungskomponente 146 kann weiter Außengewindegänge 150 aufweisen. Die Belastungskomponente 146 kann weiter Werkzeugeingriffsflächen 154 aufweisen. Die Werkzeugeingriffsflächen 154 können von einem (nicht gezeigten) Schraubenschlüssel oder einem ähnlichen Werkzeug ergriffen werden, welches verwendet wird, um die Belastungskomponente 146 zu drehen.
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Im Betrieb arbeitet das zweite Ausführungsbeispiel der offenbarten Dichtungsanordnung 130 ähnlich wie das erste Ausführungsbeispiel. Die Belastungskomponente 146 wird zu einer Position gedreht, wobei die äußeren Gewindegänge 150 mit (nicht gezeigten) dazu passenden Gewindegängen in Eingriff stehen, wodurch eine Axialkraft auf die Verschlusskomponente 132 aufgebracht wird. In ähnlicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel wird die Drehkraft, die auf die Verschlusskomponente 132 aufgebracht wird, wegen einer Schnittstelle 156 mit Null-Moment minimiert, obwohl die Axialkraft, die auf die Verschlusskomponente 132 aufgebracht wird, durch das Drehen der Belastungskomponente 146 an ihren Platz bzw. ihre Endposition erreicht wird. Hierin liegt der hauptsächliche Unterschied zwischen den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen. Beim ersten Ausführungsbeispiel wird die Schnittstelle 56 mit Null-Moment durch eine im Wesentlichen flache Belastungsfläche 48 und eine zumindest teilweise konkave oder kugelförmige Last aufnehmende Fläche 36 erreicht. Beim zweiten Ausführungsbeispiel ist es umgekehrt. Die Schnittstelle 146 mit Null-Moment wird durch eine Belastungsfläche 148 gebildet, die zumindest einen Teil aufweist, der konkav oder kugelförmig ist, und durch eine Last aufnehmende Fläche 136, die im Wesentlichen flach ist. Ähnlich wie im ersten Ausführungsbeispiel wird bei der Schnittstelle 156 mit Null-Moment des zweiten Ausführungsbeispiels die Kontaktfläche zwischen der Belastungsfläche 148 und der Last aufnehmenden Fläche 136 minimiert. Daher wird auch die Reibung bei der Schnittstelle 156 mit Null-Moment bzw. an der drehmomentfreien Schnittstelle minimiert. Wegen der verringerten Reibung an der Schnittstelle 156 mit Null-Moment wird eine Axialkraft von der Belastungskomponente 146 auf die Verschlusskomponente 132 übertragen, während die Drehkraft minimiert wird.
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Der Fachmann wird leicht erkennen, dass andere Ausführungsbeispiele existieren, die nicht vom Kern oder Umfang der vorliegenden Offenbarung abweichen. Der wichtige Punkt ist, dass die Oberfläche bei der drehmomentfreien Schnittstelle bzw. Schnittstelle mit Null-Moment minimiert wird. Dies könnte erreicht werden, wenn die Last aufnehmende Fläche und/oder die Belastungsflächen konkav, kugelförmig oder auch konisch sind.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Moderne Common-Rail-Brennstoffsysteme arbeiten mit immer weiter steigenden Drücken. Wenn diese Drücke zunehmen, muss auch die Qualität der Dichtungen mit Kontakt von Metall-zu-Metall für die Brennstoff-Rails zunehmen. Traditionell sind Kugelverschluss oder Drehschneidkantendichtungen verwendet worden. Kugelverschlüsse bieten gute Abdichtungen bis zu gewissen minimalen Brennstoffdrücken (beispielsweise > 190 MPa). Kugelverschlüsse können oft nicht diese höheren Drücke überschreiten, weil sie keine tatsächliche Dichtung mit Kontakt von Metall-zu-Metall erzeugen. Dichtungen mit sich drehender Schneidkante können im Allgemeinen bis zu höheren Drücken abdichten, weil die Schneidkante eine tatsächliche Dichtung mit Kontakt von Metall-zu-Metall erzeugt. Jedoch können Drehschneidkantenverschlüsse andere Probleme verursachen. Das Drehen einer Verschlusskomponente zu einer Abdichtungsposition bzw. Endposition kann die Integrität der Dichtung beeinträchtigen, da es Leckpfade im Dichtungssteg erzeugen kann. Bei gesteigerten Drücken treten diese Leckpfade hervor.
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Die Dichtungsanordnung der vorliegenden Offenbarung ist eine zweiteilige Anordnung mit sowohl einer Verschlusskomponente als auch einer Belastungskomponente. Die Verschlusskomponente weist einen Vorsprung oder eine Schneidkante auf, die eine Dichtung mit Kontakt von Metall-zu-Metall erzeugen kann. Die Belastungskomponente ist konfiguriert, um an eine Position derart gedreht zu werden, dass sie eine Axialkraft auf die Verschlusskomponente vorsieht und die Qualität der Dichtung von Metall-zu-Metall steigert. Eine Drehkraft von der Belastungskomponente wird wegen einer drehmomentfreien Schnittstelle nicht auf die Verschlusskomponente übertragen. Die drehmomentfreie Schnittstell bzw. Schnittstelle mit Null-Moment zwischen der Verschlusskomponente und der Belastungskomponente wird gebildet, da die Oberfläche zwischen den zwei Komponenten minimiert wird. Durch Minimieren der Oberfläche wird die Reibung minimiert. Das Minimieren der Reibung minimiert auch die in Drehrichtung übertragenen Kräfte.
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Somit dichtet die vorliegende Dichtungsanordnung bei hohen Drücken und vermeidet gleichzeitig die Erzeugung von Leckpfaden im Dichtungssteg.
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Der Fachmann wird erkennen, dass die offenbarte Dichtungsanordnung verwendet werden kann, um Hochdruckbrennstoff-Rails abzudichten: Zusätzlich zu Hochdruckbrennstoff-Rails kann die offenbarte Anordnung auch verwendet werden, um Verbindungsblöcke, Pumpenköpfe bzw. Pumpendeckel oder irgendwelche anderen Hochdruckkomponenten abzudichten, die eine Abdichtung eines Hochdruckströmungsmittels erfordern.
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Die obige Beschreibung ist nur zu veranschaulichenden Zwecken vorgesehen und soll nicht den Umfang der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Weise einschränken. Somit wird der Fachmann verschiedene Modifikationen und Anwendungen für die veranschaulichten Ausführungsbeispiele erkennen, ohne vom Kern und Umfang der Offenbarung abzuweichen, der durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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