DE102018221198A1

DE102018221198A1 - Komponente, insbesondere Brennstoffleitung oder Brennstoffverteiler, und Brennstoffeinspritzanlage

Info

Publication number: DE102018221198A1
Application number: DE102018221198.1A
Authority: DE
Inventors: Andreas Rehwald; Ralf Weber
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-12-07
Filing date: 2018-12-07
Publication date: 2020-06-10
Also published as: EP3891378A1; US20220003195A1; US11408385B2; CN113167199A; WO2020114650A1

Abstract

Eine Komponente (3), die als Brennstoffleitung (5) oder Brennstoffverteiler (2) ausgebildet sein kann, dient für eine Brennstoffeinspritzanlage (1), welche zum Einspritzen von Brennstoff oder eines Gemisches aus Brennstoff und Wasser mit einem veränderbaren Wasseranteil dient. Die Komponente (3) weist einen Grundkörper (14; 60) auf, an dem ein Hochdruckeingang (15; 63) und zumindest ein Hochdruckausgang (16 - 19; 64) vorgesehen sind, wobei der Brennstoff beziehungsweise das Gemisch von dem Hochdruckeingang (15; 63) durch einen Innenraum (24; 65) des Grundkörpers (14; 60) zu dem zumindest einen Hochdruckausgang (16 - 19; 64) führbar ist und wobei in dem Innenraum (24; 65) ein Einlegekörper (25) angeordnet ist. Der Einlegekörper (25) ist zumindest teilweise aus zumindest einem Werkstoff gebildet ist, der einen Kompressionsmodul (K) aufweist, der zumindest im Wesentlichen entsprechend oder kleiner als ein Kompressionsmodul des Brennstoffs beziehungsweise des Gemisches und/oder kleiner als 30 GPa vorgegeben ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Komponente, insbesondere eine Brennstoffleitung oder einen Brennstoffverteiler, für eine Brennstoffeinspritzanlage. Ferner betrifft die Erfindung einer Brennstoffeinspritzanlage, die vorzugsweise als Brennstoffeinspritzanlage für gemischverdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschinen dient. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der Brennstoffeinspritzanlagen von Kraftfahrzeugen, bei denen eine direkte Einspritzung von Brennstoff in Brennräume einer Brennkraftmaschine erfolgt.
Aus der DE 10 2014 205 179 A1 ist eine Kraftstoffverteilerleiste für eine Brennkraftmaschine bekannt. Hierbei kann zwischen zwei Betriebsmodi mit und ohne Wasserzumischung gewechselt werden. Die bekannte Kraftstoffverteilerleiste weist ein längliches Gehäuse mit einem Hohlraum, einen Kraftstoffzufluss in den Hohlraum und zumindest zwei Kraftstoffabflüsse aus dem Hohlraum heraus für jeweils einen Kraftstoffinjektor auf. Dabei ist in dem Hohlraum ein Einlegekörper angeordnet, der eine Nut, welche die zwei Kraftstoffabflüsse miteinander verbindet, und im Bereich des Kraftstoffzuflusses eine radial um den Körper umlaufende Nut aufweist. Der Einlegekörper mit den zwei Nuten dient als Einsatz, mit dem ein direkter Zufluss des Kraftstoffs von einer Pumpe zu den Injektoren gewährleistet ist. Dadurch ergibt sich eine kurze Verzugszeit bis zur Einspritzung, wenn zwischen den Betriebsmodi mit und ohne Wasserzumischung gewechselt wird. Der Einlegekörper kann ein inneres Volumen besitzen, das zur Dämpfung dient, sich aber nicht im direkten Kraftstofffluss befindet.
Die aus der DE 10 2014 205 179 A1 bekannte Kraftstoffverteilerleiste hat den Nachteil, dass der Einleger das mit Brennstoff füllbare Volumen in dem Hohlraum des Gehäuses verringert, was in Bezug auf die benötigte Baugröße die erzielbare Dämpfung verringert. Außerdem kann sich im Betrieb auch in dem inneren Volumen des Einlegekörpers Brennstoff mit einem nicht unerheblichen Wasseranteil ansammeln, der nur schwer wieder reduziert werden kann. Beim Abschalten des Motors kann es dann zu einer unerwünschten Entmischung kommen. Ferner besteht die Gefahr von Frostschäden.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Komponente mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 12 haben den Vorteil, dass eine verbesserte Ausgestaltung und Funktionsweise ermöglicht sind. Insbesondere kann eine verbesserte Einspritzung mit einer kurzen Verzugszeit und einem guten Dämpfungsverhalten bei einer zuverlässigen Funktionsweise realisieren werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Komponente und der im Anspruch 12 angegebenen Brennstoffeinspritzanlage möglich.
Der obere Grenzwert von 30 GPa entspricht zum Beispiel einem Kunststoff mit sehr hohem Glasfaseranteil.
Die vorgeschlagene Brennstoffeinspritzanlage dient zur Einspritzung eines Gemisches, wobei die Gemischzusammensetzung im Betrieb variierbar sein soll. Insbesondere kann eine direkte Wassereinspritzung realisiert werden, bei der Wasser in einer Emulsion mit zumindest einem Brennstoff, insbesondere Benzin, in Brennräume einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Hierbei kann das Wasser vor oder in einer Hochdruckpumpe dem Brennstoff zugeführt und zusammen mit diesem über den Brennstoffverteiler zu Hochdruckeinspritzventilen gefördert werden.
Die Zusammensetzung des Gemisches, insbesondere einer Emulsion aus Benzin und Wasser, kann hierbei im Betrieb in gewünschter Weise variiert werden. Beispielsweise kann die Zusetzung von Wasser nur in einem bestimmten Kennfeldbereich erforderlich bzw. gewünscht sein. Beispielsweise kann Wasser beziehungsweise ein größerer Wasseranteil bei hoher Drehzahl und/oder hoher Last gewünscht sein. Wenn dieser Kennfeldbereich verlassen wird, beispielsweise bei einer Schubabschaltung, dann ist es vorteilhaft, wenn der eingespritzte Wasseranteil schnell reduziert werden kann und insbesondere wieder schnell gegen Null geht. Hierfür ist eine kurze Verzugszeit zwischen der Zugabe des Wassers vor oder in der Hochdruckpumpe und dessen Einspritzung über die Hochdruckeinspritzventile erforderlich. Das Volumen der durchflossenen Komponente, insbesondere einer Brennstoffleitung oder einem Brennstoffverteiler, wirkt sich prinzipiell erhöhend auf diese Verzugszeit aus. Durch die Anordnung des Einlegekörpers in dem Innenraum des Grundkörpers wird eine Verkürzung der Verzugszeit ermöglicht. Durch den vorgeschlagenen Einlegekörper kann hierbei trotz des reduzierten hydraulischen Volumens eine ausreichende Kompressibilität gewährleistet werden. Dadurch ergibt sich trotz des reduzierten hydraulischen Volumens eine weiter bestehende Dämpfung, insbesondere eine Dämpfung von Druckpulsationen.
In vorteilhafter Weise kann eine Reduktion des hydraulischen Volumens im Innenraum des Grundkörpers der Komponente durch das Einbringen des Einlegekörpers ermöglicht und gleichzeitig eine ausreichende Kompressibilität sichergestellt werden. Zugleich können Toträume vermieden werden, in denen ein Gemisch mit einem hohen Wasseranteil verbleiben könnte, nachdem der Betrieb bereits wieder mit einem niedrigen Wasseranteil erfolgt. Ferner kann der vorgeschlagene Einlegekörper beispielsweise auch in einen geschmiedeten Grundkörper, wie er bei Schmiederails vorteilhaft ist, eingesetzt werden. Solch ein Grundkörper kann mit einem Verschlussstopfen verschlossen werden und muss bei der Herstellung keinen Hochtemperaturprozess, wie Löten oder Schweißen, durchlaufen. Der Verschlussstopfen ermöglicht dann eine druck- und gasdichte Abdichtung des Innenraums. Kompression beschreibt ein allseitiges Zusammendrücken eines Körpers, die das Volumen des Körpers verringert beziehungsweise die Dichte des Körpers erhöht. Der Kompressionsmodul K kann wie folgt definiert werden: $K = - dp / (dV / V) .$
Der Kompressionsmodul K ist hierbei ein Maß für die infinitesimale Druckänderung dp, die bei einer infinitesimalen Volumenänderung dV eines Volumens V auftritt. Eine Verringerung des Volumens wird hierbei durch eine negative Volumenänderung dV beschrieben, die sich in einer positiven Druckänderung dp auswirkt. Der Kompressionsmodul K hat somit einen positiven Wert und die Einheit Pascal. Der Kompressionsmodul K von Wasser liegt je nach Druck beispielsweise im Bereich zwischen 2 und 2,7 GPa. Ein typischer Brennstoff kann je nach Temperatur und Druck beispielsweise einen Kompressionsmodul von etwa 1 GPa aufweisen. Je nach Wasseranteil ergibt sich dann ein Kompressionsmodul eines Gemisches aus Brennstoff und Wasser, das beispielsweise im Bereich von etwa 1 bis etwa 2 GPa liegt.
Der Werkstoff des Einlegekörpers ist so gewählt, dass sein Kompressionsmodul zumindest im Wesentlichen entsprechend oder kleiner als ein Kompressionsmodul des Gemisches vorgegeben ist. Beispielsweise kann eine Obergrenze für den Wasseranteil des Gemisches vorgegeben sein. In Bezug auf den maximalen Betriebsdruck ergibt sich dann für den verwendeten Brennstoff eine Obergrenze für den Bereich, in dem der Kompressionsmodul der im Betrieb zum Einsatz kommenden Gemische liegt.
Es hat sich gezeigt, dass der Einlegekörper in vorteilhafter Weise entsprechend einer Weiterbildung nach Anspruch 2 oder 3 ausgebildet werden kann. Hierbei kann beispielsweise ein Kompressionsmodul K von etwa 1 GPa erzielt werden. Je nach Anwendungsfall kann durch eine vorteilhafte Weiterbildung nach Anspruch 4 eine Erhöhung des Kompressionsmoduls K erzielt werden. Beispielsweise kann ein auf Polytetrafluorethylen basierender Kunststoff mit Glasfasern gefüllt werden. Beispielsweise kann der Kompressionsmodul K durch einen Anteil der Glasfasern von 25 % von etwa 1 GPa auf etwa 2 GPa erhöht werden.
Je nach Ausgestaltung des Einlegekörpers kann sich hierbei ein Temperatur- und/oder druckabhängiges Verhalten ergeben. So berechnet sich der Kompressionsmodul eines elastischen, isotropen Körpers aus seinem E-Modul E und der Querkontraktionszahl v entsprechend: $K = E / (3 - 6 v) .$
Da der E-Modul E für thermoplastische Kunststoffe für höhere Temperaturen sinkt, während die Querkontraktionszahl v typischerweise leicht zunimmt, kann der Kompressionsmodul abnehmen (die Kompressibilität also ansteigen). Gegebenenfalls kann der Kompressionsmodul K hierbei auch kleiner als ein Kompressionsmodul eines typischen Brennstoffs werden. Je nach Auslegung beziehungsweise dem kritischen Betriebspunkt kann dann das hydraulische Volumen im Innenraum des Grundkörpers gegebenenfalls noch weiter reduziert werden, wobei insbesondere eine Reduzierung des Volumens des Innenraums und somit kleinere geometrische Abmessungen des Grundkörpers möglich sind, was sich vorteilhaft auf den benötigten Einbauraum auswirkt. Eine bevorzugte Begrenzung des Kompressionsmodul K ist in Anspruch 5 angegeben. Ein größerer Kompressionsmodul K kann durch den Anteil und die Auswahl der Zuschlagstoffe erzielt werden. Vorzugsweise wird der Kompressionsmodul K allerdings nicht wesentlich größer als der von Wasser eingestellt, wie es in Anspruch 6 angegeben ist. Somit ergibt sich gegenüber einem typischen auf Stahl basierenden Werkstoff, aus dem ein herkömmlicher Einlegekörper ausgestaltet sein kann, bei dem vorgeschlagenen Einlegekörper ein erheblich niedrigerer Kompressionsmodul, da der Kompressionsmodul von Stahl beispielsweise 160 GPa beträgt. Glasbestandteile können je nach Zusammensetzung beispielsweise einen Kompressionsmodul aus einem Bereich von 35 bis 55 GPa aufweisen.
Neben den elastischen Eigenschaften des Einlegekörpers, die gegebenenfalls durch Zuschlagstoffe, insbesondere Füllstoffe, und die Wahl des Matrixwerkstoffes angepasst werden können, haben Kunststoffe den Vorteil, dass eine viskoelastische Verformung realisiert werden kann. Durch die viskoelastische Verformung ergibt sich nicht nur eine elastische Kompressibilität, sondern auch ein zeitabhängiges Verformungsverhalten. Dieses zeitabhängige Verformungsverhalten kann genutzt werden, um eine geeignete Phasenverschiebung zwischen der anregenden Belastung und der inneren Spannung zu erzielen, was in Bezug auf auftretende Druckpulsationen eine weitere Verbesserung der Dämpfung ermöglichen kann.
Polytetrafluorethylen (PTFE) zeichnet sich als Vertreter der thermoplastischen Kunststoffe durch eine große Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit aus. Es hat sich gezeigt, dass Polytetrafluorethylen insbesondere für die Benzineinspritzung geeignet ist. Ferner hat sich gezeigt, dass Polytetrafluorethylen eine ausreichend geringe Wasseraufnahme zeigt, die insbesondere geringer als die von Polyamid ist. Ferner hat sich gezeigt, dass die bei lokalen Druckunterschieden im System vorliegenden mechanischen Spannungen in der Regel ohne Probleme ertragbar sind, da sie den hydrostatischen Spannungszustand nur minimal stören, und die Funktion des Systems zudem nicht prinzipiell gefährdet ist, selbst wenn es lokal zu kleinen plastischen Deformationen des Werkstoffs kommt.
Auch andere Kunststoffe, die ähnliche Eigenschaften wie PTFE haben, können zum Einsatz kommen, zum Beispiel Perfluoralkoxy-Polymere. Ferner eignen sich beispielsweise auch Fluorethylenpropylen, Polyvenylidenfluorid, Tetrafluorethylen, Hexafluorpropylen, Vinylidenfluorid und Polychlortrifluorethylen. Falls dies zweckmäßig ist, können auch Werkstoffkombinationen zum Einsatz kommen.
Ein weiterer Vorteil des thermoplastischen Kunststoffs ist seine geringe Dichte. Diese ist zwar höher als die des verdrängten flüssigen Volumens, führt jedoch in Bezug auf die Gesamtmasse der Brennstoffeinspritzanlage, die beispielsweise durch Stahlkomponenten bestimmt ist, nur zu einer geringen relativen Erhöhung. Dadurch ergibt sich auch keine wesentliche Beeinflussung schwingungstechnischer Eigenschaften im montierten Zustand.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Einlegekörpers ist gemäß Anspruch 7 möglich. Hierbei ist ausgehend von der Grundform des Einlegekörpers eine Anpassung an die im Innenraum des Grundkörpers vorgegebene Geometrie möglich, da der Einlegekörper verformbar ausgestaltet werden kann.
Eine mögliche Ausgestaltung zur Positionierung des Einlegekörpers in dem Innenraum des Grundkörpers ist in Anspruch 8 angegeben. Insbesondere können hierbei zwei gebogene Abschnitte des Grundkörpers vorgesehen sein, zwischen denen der Einlegekörper angeordnet ist. Hierdurch ist über die Lebensdauer der Brennstoffeinspritzanlage eine zuverlässige Sicherung des Einlegekörpers in dem Innenraum möglich, die insbesondere bei einer als Brennstoffleitung ausgebildeten Komponente zum Einsatz kommen kann. Eine weitere Möglichkeit zur Befestigung des Einlegekörpers ist nach Anspruch 9 möglich.
Bei Festkörpern spielt der Kompressionsmodul K dann eine Rolle, wenn ein hydrostatischer Spannungszustand vorliegt. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Festkörper allseitig druckbeaufschlagt ist. Ein solcher Belastungszustand liegt also vor, wenn der Einlegekörper so in dem Innenraum angeordnet wird, dass er dort allseitig mit dem vorherrschenden Druck belastet wird. Der hydrostatische Spannungszustand kann bei Festkörpern durch einen Spannungstensor beschrieben werden, bei dem nur die Hauptdiagonale mit gleich großen Werten, nämlich dem negativen anliegenden Druck -p, besetzt ist. Nach der klassischen Plastizitätstheorie führt ein solcher Spannungszustand nie zu bleibenden Verformungen und kann deshalb auch nicht zum Versagen führen, was insbesondere für Metalle experimentell bestätigt ist. Mittels einer Finite-Elemente-Methode beziehungsweise einer Finite-Elemente-Analyse kann die Wirkung bei einem Einlegekörper im Rahmen einer Simulation analysiert werden. Solch eine Simulation kann darauf abzielen, dass die Misesspannung, also nach klassischer Elastizitätstheorie die Spannung, die für das plastische Deformieren von Körpern und damit einhergehenden Schädigungen bei insbesondere zyklischer Beanspruchung maßgeblich ist, zumindest im Wesentlichen verschwindet.
Wesentlich ist somit insbesondere, dass der Einlegekörper möglichst allseitig mit dem Hochdruck beaufschlagt wird, damit ein hydrostatischer Spannungszustand vorliegt. Da der Einlegekörper ein hydraulisches Volumen verdrängt beziehungsweise reduziert, liegt ein solcher Zustand abgesehen von lokalen Druckschwankungen aufgrund der Dynamik näherungsweise vor. Hierdurch kann erreicht werden, dass die Anforderungen an die Festigkeit des Werkstoffs erheblich reduziert sind und somit in Bezug auf die anderen relevanten Eigenschaften eine geeignete Werkstoffklasse für den Einlegekörper ausgewählt werden kann.
Somit ist insbesondere eine Weiterbildung nach Anspruch 10 vorteilhaft, da durch ein oder mehrere Distanzelemente sichergestellt werden kann, dass ein hydrostatischer Spannungszustand vorliegt. Die Weiterbildung nach Anspruch 11 hat hierbei den Vorteil, dass der Einlegekörper auch umfänglich von einem Distanzelement umschlossen sein kann. Der Brennstofffluss kann dann über die Durchgangsbohrung beziehungsweise die nutförmige Vertiefung erzielt werden. Somit können die Distanzelemente insbesondere auch ringförmig ausgestaltet werden.
Figurenliste
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigen:

1A eine Brennstoffeinspritzanlage mit einer als Brennstoffverteiler ausgebildeten Komponente in einer schematischen Darstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
1B einen Schnitt durch die in 1A dargestellte Komponente der Brennstoffeinspritzanlage entlang der mit IB bezeichneten Schnittlinie;
2 eine als Brennstoffverteiler ausgebildete Komponente für die in 1 gezeigte Brennstoffeinspritzanlage in einer schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel;
3A eine als Brennstoffverteiler ausgebildete Komponente für die in 1 gezeigte Brennstoffeinspritzanlage in einer schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel;
3B einen Schnitt durch die in 3A dargestellte Komponente der Brennstoffeinspritzanlage entlang der mit IIIB bezeichneten Schnittlinie;
4 eine als Brennstoffverteiler ausgebildete Komponente für die in 1 gezeigte Brennstoffeinspritzanlage in einer schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem vierten Ausführungsbeispiel;
5 eine als Brennstoffverteiler ausgebildete Komponente für die in 1 gezeigte Brennstoffeinspritzanlage in einer schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem fünften Ausführungsbeispiel;
6 eine als Brennstoffverteiler ausgebildete Komponente für die in 1 gezeigte Brennstoffeinspritzanlage in einer schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem sechsten Ausführungsbeispiel;
7 eine als Brennstoffleitung ausgebildet Komponente in einer schematischen Schnittdarstellung entsprechen einem siebten Ausführungsbeispiel;
8 eine als Brennstoffleitung ausgebildet Komponente in einer schematischen Schnittdarstellung entsprechen einem achten Ausführungsbeispiel;
9A eine als Brennstoffleitung ausgebildet Komponente in einer schematischen Schnittdarstellung entsprechen einem neunten Ausführungsbeispiel und
9B einen Schnitt durch die in 9A dargestellte Komponente entlang der mit IXB bezeichneten Schnittlinie.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Brennstoffeinspritzanlage 1 mit einem Brennstoffverteiler 2 in einer schematischen Darstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Brennstoffverteiler 2 der Brennstoffeinspritzanlage 1 um eine entsprechend der Erfindung ausgebildete Komponente 3. Ferner ist eine Hochdruckpumpe 4 vorgesehen. Die Hochdruckpumpe 4 ist über eine Brennstoffleitung mit dem Brennstoffverteiler 2 verbunden. An einem Eingang 6 der Hochdruckpumpe 4 wird ein Gemisch aus Brennstoff und Wasser zugeführt. Der Anteil an Wasser ist veränderbar und kann insbesondere auch bis auf Null reduziert werden.
Der Brennstoffverteiler 2 dient zum Speichern und Verteilen von Brennstoff auf Brennstoffeinspritzventile 7 bis 10 und verringert dadurch die Druckschwankungen bzw. Pulsationen. Der Brennstoffverteiler 2 kann auch zum Dämpfen von Druckpulsationen, die beim Schalten der Brennstoffeinspritzventile 7 bis 10 auftreten können, dienen. Der Brennstoffverteiler 2 ist so ausgestaltet, dass beim Ändern des Wasseranteils eine kurze Verzugszeit in Bezug auf der Zugabe des Gemisches am Eingang 6 der Hochdruckpumpe 4 bis zur Einspritzung des Gemisches mit dem geänderten Wasseranteil über die Brennstoffeinspritzventile 7 bis 10 erreicht ist.
Der Brennstoffverteiler 2 weist einen rohrförmigen Grundkörper 14 auf, der beispielsweise durch Schmieden hergestellt sein kann. Der rohrförmige Grundkörper 14 weist einen Hochdruckeingang 15 und mehrere Hochdruckausgänge 16 bis 19 auf. Ferner ist an dem rohrförmigen Grundkörper 14 ein Hochdruckanschluss 20 vorgesehen. Die Brennstoffleitung 5 ist mit dem Hochdruckeingang 15 verbunden. Die Brennstoffeinspritzventile 7 bis 10 sind jeweils an den Hochdruckausgängen 16 bis 19 angeschlossen. Ferner ist ein Drucksensor 21 vorgesehen, der an dem Hochdruckanschluss 20 montiert ist. An einem Ende 22 ist der rohrförmige Grundkörper 14 durch einen als Verschlussschraube 23 ausgebildeten Verschluss 23 verschlossen.
In dem rohrförmigen Grundkörper 14 ist ein Innenraum 24 ausgebildet. Über den Innenraum 24 kann das an dem Hochdruckeingang 15 zugeführte Gemisch auf die an den Hochdruckausgängen 16 bis 19 angeschlossenen Brennstoffeinspritzventile 7 bis 10 verteilt werden. In dem Innenraum 24 ist ein Einlegekörper 25 angeordnet, der das hydraulische Volumen des Innenraums 24 reduziert. Hierdurch wird eine Verzugszeit zwischen der Änderung des Wasseranteils des Gemisches am Eingang 6 und der Zumessung durch die Brennstoffeinspritzventile 7 bis 10 verringert.
Der Einlegekörper 25 ist aus einem Werkstoff gebildet, der einen Kompressionsmodul K aufweist, der zumindest im Wesentlichen entsprechend oder kleiner als ein Kompressionsmodul des durch den Innenraum 24 geführten Gemisches vorgegeben ist. Vorzugsweise ist der Einlegekörper 25 aus einem thermoplastischen Kunststoff, insbesondere Polytetrafluorethylen, gebildet. Ferner ist es möglich, dass Zuschlagstoffe, insbesondere Füllstoffe wie Glasfasern, vorgesehen sind, um den Kompressionsmodul K des Einlegekörpers 25 zu erhöhen, wenn dies im jeweiligen Anwendungsfall sinnvoll ist. Beispielsweise kann der Kompressionsmodul K des Werkstoffs, aus dem der Einlegekörper 25 gebildet ist, 2 GPa betragen. Vorzugsweise beträgt der Kompressionsmodul K des Werkstoffs nicht mehr als 3 GPa.
In diesem Ausführungsbeispiel basiert der Einlegekörper 25 auf einer zylindrischen Grundform 26. Hierbei sind an der zylindrischen Grundform 26 mehrere Vertiefungen 27, 28, 29 (1B) ausgebildet, von denen in den 1A und 1B exemplarisch die Vertiefungen 27 bis 29 dargestellt sind. Die Vertiefungen 27 bis 29 sind in diesem Ausführungsbeispiel nutförmig ausgestaltet.
Der Einlegekörper 25 ist über Distanzelemente 30, 31 in dem Innenraum 24 positioniert. Hierdurch wird ein Abstand 40 zwischen einer Außenseite 41 des Einlegekörpers 25 und einer Innenwand 42 des rohrförmigen Grundkörpers 14 gewährleistet. Dies gewährleistet, dass der Einlegekörper 25 von allen Seiten mit dem Druck p des Gemisches, das durch den Innenraum 24 geführt wird, beaufschlagt ist. Druckänderungen dp führen dann zu Volumenänderungen dV des Volumen V des Einlegekörpers 25, die gemäß der Formel (1) über den vorgegebenen Kompressionsmodul K miteinander zusammenhängen. Da der Kompressionsmodul K im Vergleich zu beispielsweise Stahl sehr klein ist, kann der Einlegekörper 25 erheblich zur Dämpfung beitragen. Insbesondere kann der Werkstoff des Einlegekörpers 25 so gewählt sein, dass der Kompressionsmodul K nicht größer als der Kompressionsmodul des durch den Innenraum 24 geführten Gemisches ist. Dann bedingt der Einlegekörper 25 nur eine Verringerung des hydraulischen Volumens, was die Verzugszeit verkürzt, aber keine Verringerung des Dämpfungsverhaltens in Bezug auf den ungefüllten Innenraum 24, also das gesamte Volumen des Innenraums 24.
Die Distanzelemente 30, 31 können insbesondere als ringförmige Distanzelemente 30, 31 ausgestaltet sein. Die Distanzelemente 30, 31 verhindern hierbei eine Bewegung des Einlegekörpers 25 im Innenraum 24. Außerdem ermöglichen diese über den gewährleisteten Abstand 40 eine Kompensation bei thermischen Ausdeh nu ngsuntersch ieden.
1B zeigt einen Schnitt durch den in 1A dargestellten Brennstoffverteiler 2 der Brennstoffeinspritzanlage 1 entlang der mit IB bezeichneten Schnittlinie. Im Bereich des Distanzelements 30 sind an der zylindrischen Grundform 26 des Einlegekörpers 25 die nutförmigen Vertiefungen 27, 29 ausgebildet. Dadurch ist ein Durchfluss des Gemisches entlang einer Längsachse 43 (1A) des rohrförmigen Grundkörpers 14 möglich.
2 zeigt den Brennstoffverteiler 2 der in 1 dargestellten Brennstoffeinspritzanlage 1 in einer schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel ist an der zylindrischen Grundform 26 des Einlegekörpers 25 eine Vertiefung 27 ausgestaltet, die sich entlang der Längsachse 43 über die gesamte Länge der zylindrischen Grundform 26 erstreckt. Der in der 2 mit IB gezeigte Schnitt ergibt sich in unveränderter Darstellung entsprechend der 1B, auch wenn die Ausführungsform abgewandelt ist. Eine weitere Vertiefung 29 liegt somit der Vertiefung 27 bezüglich der Längsachse 43 symmetrisch gegenüber. Diese Ausgestaltung ist besonders geeignet, wenn eine größere Anzahl an ringförmigen Distanzelementen 30 bis 34 vorgesehen ist, wie es in der 2 veranschaulicht ist. Die Distanzelemente 30, 34 können dann insbesondere als O-Ringe ausgestaltet sein.
Die Anzahl der in den 1A, 1B und 2 veranschaulichten Vertiefungen 27 bis 29 kann in Bezug auf den jeweiligen Anwendungsfall variieren. Somit wird durch die Distanzelemente 30 bis 34 eine zuverlässige Positionierung des Einlegekörpers 25 im Innenraum 24 gewährleistet. Der Abstand 40 ermöglicht dann zum einen eine zuverlässige Durchströmung des verbleibenden hydraulischen Volumens im Innenraum 24 mit dem Gemisch. Zum anderen wird auch bei beispielsweise temperaturbedingten Längenänderungen, die für den Einlegekörper 25 und den rohrförmigen Grundkörper 14 unterschiedlich ausfallen können, gewährleistet, dass ein gewisser Abstand 40 erhalten bleibt und insbesondere ein flächiges Anliegen des Anlegekörpers 25 an der Innenwand 42 des rohrförmigen Grundkörpers 14 verhindert ist.
Wenn Distanzelemente 30 bis 34 vorgesehen sind, dann können diese so in einer Anzahl und Ausgestaltung sowie in einer Anordnung mit entsprechenden Abständen vorgesehen sein, dass sich hohe Eigenfrequenzen ergeben.
3A zeigt einen Brennstoffverteiler 2 für die in 1 gezeigte Brennstoffeinspritzanlage 1 in einer schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Einlegekörper 25 eine Durchgangsbohrung 45 auf, die sich in diesem Ausführungsbeispiel axial durch die zylindrische Grundform 26 erstreckt. Ferner weist der Einlegekörper 25 zumindest eine Querbohrung 46 auf. Die Querbohrung 46 verbindet die Durchgangsbohrung 45 mit dem hydraulischen Volumen des Innenraums 24. Hierdurch wird ermöglicht, dass der hydrostatische Druck p überall am Einlegekörper 25 anliegt und die Distanzelemente 30, 31, die als O-Ringe 30, 31 ausgestaltet sein können, keine unbeabsichtigte Dichtfunktion übernehmen, die sich negativ auf Druckschwankungen auswirken könnte. Bei einer abgewandelten Ausgestaltung können auch mehrere Durchgangsbohrungen 45 vorgesehen sein. Ein weiterer Vorteil zumindest einer Durchgangsbohrung 45 sowie gegebenenfalls zumindest einer Querbohrung 46 besteht darin, dass eine Wärmeabfuhr zur Kühlung des Werkstoffs des Einlegekörpers 25 ermöglicht wird. Hierdurch kann im jeweiligen Anwendungsfall die durch viskoelastische Verformung infolge von Druckschwankungen im Betrieb auftretende Erwärmung des Werkstoffs des Einlegekörpers 25 in verbesserter Weise abgeführt werden. Speziell in diesem Fall kann die Querbohrung 46 dem Hochdruckeingang 15 zugeordnet sein, um das Durchströmen des Einlegekörpers 25 zu verstärken.
3B zeigt einen Schnitt durch den in 3A dargestellten Brennstoffverteiler 2 entlang der mit 3B bezeichneten Schnittlinie. Im Unterschied zu der anhand der 1B veranschaulichten Ausgestaltung sind in diesem Ausführungsbeispiel keine Vertiefungen 27 bis 29 in der zylindrischen Grundform 26 erforderlich, so dass diese entfallen können.
4 zeigt einen Brennstoffverteiler 2 für die in 1 gezeigte Brennstoffeinspritzanlage 1 in einer schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem vierten Ausführungsbeispiel.
In diesem Ausführungsbeispiel sind an den axialen Enden des Einlegekörpers 25 Distanzelemente 50, 51 vorgesehen, um den Einlegekörper 25 im Innenraum 24 des rohrförmigen Grundkörpers 14 zu positionieren. Die Distanzelemente 50, 51 können hierbei als elastisch verformbare Distanzelemente 50, 51 ausgebildet sein. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Distanzelemente 50, 51 als Federelemente 50, 51 ausgebildet, um Unterschiede in der thermischen Ausdehnung und Relativbewegungen zwischen dem Einlegekörper 25 und dem rohrförmigen Grundkörper 14 auszugleichen. Hierbei können auch mechanische Relativbewegungen ausgeglichen werden.
5 zeigt einen Brennstoffverteiler 2 für die in 1 gezeigte Brennstoffeinspritzanlage 1 in einer schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem fünften Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu dem anhand der 4 beschriebenen Ausführungsbeispiel weist der Einlegekörper 25 eine axiale Durchgangsbohrung 45 auf. Durch eine geeignete Ausgestaltung der Federelemente 50, 51, beispielsweise in Form von Spiralfedern 50, 51, wird eine Durchströmung der Durchgangsbohrung 45 ermöglicht. Hierbei kann auch eine Querbohrung 46 (3A) vorgesehen sein.
6 zeigt einen Brennstoffverteiler 2 für die in 1 gezeigte Brennstoffeinspritzanlage 1 in einer schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem sechsten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel sind an die zylindrische Grundform 26 Distanzelemente 52, 53, 54 angeformt. Die Distanzelemente 52 bis 54 können beispielsweise an die zylindrische Grundform 26 angespritzt sein. Die Distanzelemente 52 bis 54 sind in diesem Ausführungsbeispiel ärmchenförmig ausgestaltet. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Einlegekörpers 25 aus einem geeigneten Kunststoff können die Distanzelemente 52 bis 54 gegebenenfalls auch direkt bei der Ausformung mit angespritzt werden. Je nach Formgebung und Flexibilität erlauben diese angespritzten Distanzelemente 52 bis 54 einen Ausgleich von Temperatur- und Relativbewegungen. Hierbei ist eine geeignete Anzahl an solchen Distanzelementen 52 bis 54 vorgesehen, um die erforderliche beziehungsweise gewünschte Anzahl an Auflagerpunkten an der Innenwand 42 des rohrförmigen Grundkörpers 14 zu ermöglichen.
7 zeigt eine als Brennstoffleitung 5 ausgebildete Komponente 3 für die in 1 dargestellte Brennstoffeinspritzanlage 1 entsprechend einem siebten Ausführungsbeispiel. Die Brennstoffleitung 5 weist einen rohrförmigen Grundkörper 60 auf. An den Enden 61, 62 des rohrförmigen Grundkörpers 60 sind auf geeignete Weise ein Hochdruckeingang 63 und ein Hochdruckausgang 64 realisiert. Je nach Ausgestaltung ist es auch denkbar, dass der Hochdruckeingang 63 und der Hochdruckausgang 64 vertauscht werden können. Im montierten Zustand der Brennstoffeinspritzanlage 1 befindet sich der Hochdruckeingang 63 allerdings an der Hochdruckpumpe 4, und der Hochdruckausgang 64 ermöglicht die Verbindung mit dem Brennstoffverteiler 2, wie es in der 1A schematisch dargestellt ist.
Die als Brennstoffleitung 5 ausgebildete Komponente 3 ist nun in entsprechender Weise ausgebildet. In einem Innenraum 65 ist der Einlegekörper 25 angeordnet. Zwischen der Außenseite 41 der zylindrischen Grundform 26 des Einlegekörpers 25 und einer Innenwand 66 des rohrförmigen Grundkörpers 60 ist ein Abstand 40 durch Distanzelemente 30, 31 gewährleistet. Der Durchfluss des Gemisches in einer Durchflussrichtung 67 durch den Innenraum 65 ist durch Vertiefungen 27, 28 gewährleistet. Hierbei können in entsprechender Weise weitere Vertiefungen vorgesehen sein.
Bei der Herstellung der Brennstoffleitung 5 kann der Einlegekörper 25 zunächst in einen mittleren Abschnitt 68 des rohrförmigen Grundkörpers 60 eingefügt werden. Dann kann der rohrförmige Grundkörper 60 geeignet gebogen werden, wobei in diesem Ausführungsbeispiel zwei gebogene Abschnitte 69, 70 vorgesehen sind, zwischen denen der Einlegekörper 25 positioniert ist. Der Einlegekörper 25 kann beispielsweise vor dem Biegen des rohförmigen Grundkörpers 60 mit einer Lehre in den mittleren Abschnitt 68 eingeführt werden, der nach dem Biegen gerade bleibt.
8 zeigt eine Brennstoffleitung 5 in einer schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem achten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Einlegekörper 25 eine als zylindrische Bohrung ausgestaltete Durchgangsbohrung 45 auf. Hierbei ergibt sich ebenfalls ein hydrostatischer Zustand. Durch die Dimensionierung der Durchgangsbohrung 45, die im Betrieb von dem Gemisch in der Durchflussrichtung 67 durchströmt wird, kann auch eine Drossel- oder Blendenwirkung erzielt werden. Je nach Ausgestaltung der Distanzelemente 52, 53, 54, 55 kann auch der Raum zwischen der Außenseite 41 des Einlegekörpers 25 und der Innenwand 42 des rohrförmigen Grundkörpers 60 von dem Gemisch durchströmt werden. Beispielsweise können die Distanzelemente 52 bis 55 wie bei dem anhand der 6 beschriebenen Ausführungsbeispiel ärmchenförmig ausgestaltet sein. Durch die Vorgabe des Abstands 40 und/oder die Dimensionierung der Durchgangsbohrung 45 kann somit eine gezielte Drossel- oder Blendenwirkung erzielt werden.
9A zeigt eine Brennstoffleitung 5 in einer schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem neunten Ausführungsbeispiel. Ferner zeigt 9B einen Schnitt durch die in 9A dargestellte Brennstoffleitung 5 entlang der mit IXB bezeichneten Schnittlinie. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Einlegekörper 25 aus einem Werkstoff gebildet, der gut formbar ist. Insbesondere kann ein gut formbarer Kunststoff als Werkstoff zum Einsatz kommen. Der Einlegekörper 25 ist in dem gebogenen Abschnitt 69 des rohrförmigen Grundkörpers 60 angeordnet. Hierbei kann der Einlegekörper 25 bei der Herstellung in einen zunächst geraden rohrförmigen Grundkörper 60 eingefügt und anschließend mit dem rohrförmigen Grundkörper 60 gebogen werden. Der gebogene Abschnitt 69 fixiert dann den Einlegekörper 25. Um zwischen der Außenseite 41 des Einlegekörpers 25 und der Innenwand 42 des rohrförmigen Grundkörpers 60 einen Abstand 40 zu gewährleisten, sind in diesem Ausführungsbeispiel als Distanzrippen beziehungsweise Längserhebungen ausgebildete Distanzelemente 52 bis 55 vorgesehen. Die Distanzelemente 52 bis 55 sind hierbei vorzugsweise über die gesamte Länge des Einlegekörpers 25 an der Außenseite 41 des Einlegekörpers 25 ausgestaltet. Hierdurch wird gewährleistet, dass der hydrostatische Druck p im Wesentlichen an der ganzen Außenseite 41 des Einlegekörpers 25 wirkt. Hierdurch kann auch in diesem Ausführungsbeispiel ein hydrostatischer Belastungszustand gewährleistet werden. Die Distanzelemente 52 bis 55 verhindern hierbei ein flächiges Anliegen des Einlegekörpers 25 an der Innenwand 42 des rohrförmigen Grundkörpers 60.
Neben den beschriebenen Ausführungsbeispielen können auch andere Innenräume einer Brennstoffeinspritzanlage 1 entsprechend teilweise bezüglich ihres hydraulischen Volumens reduziert werden. Das reduzierte hydraulische Volumen bei gleichzeitig hoher Kompressibilität und Dämpfung aufgrund viskoelastischer Effekte erlaubt einen schnelleren Druckaufbau im Unterschied zu herkömmlichen Systemen. Insbesondere wenn der Kompressionsmodul K kleiner und die innere Dämpfung des Einlegekörpers 25 größer als die des Gemisches ist, dann wird auch eine Reduzierung der Bauräume ermöglicht. Ferner können Druckpulsationen und damit hydraulische Anregungen vermindert werden, was verkürzte Reaktionszeiten speziell bei Brennstoffeinspritzanlagen 1 zur direkten Wassereinspritzung ermöglicht. Somit ist auch eine vorteilhafte Anwendung allgemein bei Brennstoffeinspritzanlagen 1 zum Einspritzen von Brennstoff denkbar, was insbesondere Anwendungen zur direkten Brennstoffeinspritzung betrifft.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014205179 A1 [0002, 0003]

Claims

Komponente (3), insbesondere Brennstoffleitung (5) oder Brennstoffverteiler (2), für eine Brennstoffeinspritzanlage (1), die zum Einspritzen von Brennstoff oder eines Gemisches aus Brennstoff und Wasser mit einem veränderbaren Wasseranteil dient, mit einem Grundkörper (14 ; 60), an dem ein Hochdruckeingang (15; 63) und zumindest ein Hochdruckausgang (16 - 19; 64) vorgesehen sind, wobei der Brennstoff beziehungsweise das Gemisch von dem Hochdruckeingang (15; 63) durch einen Innenraum (24; 65) des Grundkörpers (14; 60) zu dem zumindest einen Hochdruckausgang (16 - 19; 64) führbar ist und wobei in dem Innenraum (24; 65) ein Einlegekörper (25) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlegekörper (25) aus zumindest einem Werkstoff gebildet ist, der einen Kompressionsmodul (K) aufweist, der zumindest im Wesentlichen entsprechend oder kleiner als ein Kompressionsmodul des Brennstoffs beziehungsweise des Gemisches und/oder kleiner als 30 GPa vorgegeben ist.
Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlegekörper (25) zumindest teilweise aus einem Kunststoff, insbesondere einem thermoplastischen Kunststoff, gebildet ist.
Komponente nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlegekörper (25) zumindest teilweise aus einem auf Polytetrafluorethylen, zumindest einem Perfluoralkoxy-Polymer, Fluorethylenpropylen, Polyvenylidenfluorid, Tetrafluorethylen, Hexafluorpropylen, Vinylidenfluorid oder Polychlortrifluorethylen basierenden Kunststoff gebildet ist.
Komponente nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff mit Zuschlagstoffen versehen ist.
Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil der Zuschlagstoffe so vorgegeben ist, dass ein Kompressionsmodul (K) des Werkstoffes nicht größer als etwa 2 GPa ist.
Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressionsmodul (K) des Werkstoffes nicht größer als etwa 3 GPa ist.
Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlegekörper (25) auf einer zumindest näherungsweise zylindrischen Grundform (26) basiert.
Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (60) zumindest einen gebogenen Abschnitt (69, 70) aufweist und dass eine Verschiebung des Einlegekörpers (25) in dem Innenraum (65) durch den gebogenen Abschnitt (69, 70) begrenzt ist.
Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (60) zumindest einen gebogenen Abschnitt (69) aufweist und dass der Einlegekörper (25) zumindest teilweise in dem gebogenen Abschnitt (69) angeordnet und gebogen ist.
Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Distanzelement (30 - 34; 50 - 55) vorgesehen ist, durch das ein flächiges Anliegen des Einlegekörpers (25) an einer Innenwand (42) des Grundkörpers (14; 60) verhindert ist.
Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlegekörper (25) zumindest eine Durchgangsbohrung (45) aufweist und/oder dass der Einlegekörper (25) an seiner Außenseite zumindest eine nutförmige Vertiefung (27 - 29) aufweist.
Brennstoffeinspritzanlage (1), die zum Einspritzen von Brennstoff oder eines Gemisches aus Brennstoff und Wasser mit einem veränderbaren Wasseranteil dient, mit zumindest einer Komponente (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.