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Querverweis auf verwandte Anmeldungen
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Vorteil der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/221 232, welche am 29. Juni 2009 eingereicht wurde.
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Federn, und insbesondere eine Zweiphasenfeder, welche zwei unterschiedliche Federkonstanten aus einer einzigen Federkomponente liefert. Noch spezieller gesagt, betrifft die Erfindung eine Zweiphasenfeder-Unterlegscheibe, welche geeignet ist zum Gebrauch bei einer Hochdruck-Brennstoffeinspritzdüse, um eine weichere Feder bei niedrigem Druck zur besseren Geräuschsteuerung und eine steifere Feder bei höherem Druck bereitzustellen.
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Hintergrund der Erfindung
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Es ist bekannt, Brennstoffeinspritzdüsen in einer Einspritzdüsenbohrung eines Motorkopfes unter Verwendung eines C-Clips und eines Ausrichtungsringes in einer im wesentlichen steifen Anordnung zu installieren. Der C-Clip hält den Ausrichtungsring an der Brennstoffeinspritzdüse. Es ist bekannt, dass der C-Clip ein gespaltener Ring ist, welcher über einen Höcker am Brennstoffeinspritzdüsenkörper angebracht ist, um den Ausrichtungsring an der Brennstoffeinspritzdüse zu halten. Der Ausrichtungsring weist eine abgewinkelte Oberfläche auf, welche mit einer abgewinkelten Oberfläche an der Kraftstoffeinspritzdüse zusammenwirkt, um die Einspritzdüse in einer vertikalen Position in der Einspritzdüsenbohrung zu halten, was wiederum sicherzustellen hilft, dass eine Dichtung an der Einspritzdüsenspitze richtig funktioniert. Der äußere Rand des C-Clips wirkt auf den inneren Rand des Ausrichtungsringes, und der innere Rand des C-Clips wirkt auf einen Vorsprung am Brennstoffeinspritzdüsenkörper. Der C-Clip liefert ein steifes Einbausystem des C-Clips, des Ausrichtungsringes und der Einspritzdüse in der Einspritzdüsenbohrung des Motorkopfes.
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C-Clip- und Ausrichtungsringeinrichtungen von Brennstoffeinspritzdüsen haben aus Sicht einer Brennstoffsystemfunktion gut gearbeitet, jedoch sind die Einrichtungen nicht ohne Nachteile. Die steife Ausrichtung ermöglicht keine Bewegung über den gesamten Motorlastbereich, was zu einer schlechten Geräuscheigenschaft bei Motorleerlaufbedingungen führt. Das Ermöglichen einer geringfügigen Bewegung unter Leerlauf- oder Niederlastbedingungen kann die Geräuscheigenschaften verbessern. Es ist jedoch für eine Einspritzdüsenspitzendichtungsleistung eine begrenztere Bewegung bei Hochlast-Motorbetriebsbedingungen erwünscht.
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Folglich ist es wünschenswert, eine Zweiphasenfeder bereitzustellen, welche nützlich ist zum Einbau einer Hochdruck-Brennstoffeinspritzdüse in einem Motor, um eine begrenzte, gesteuerte Bewegung der Einspritzdüse bei geringen Motorgeschwindigkeiten bereitzustellen, mit einer steiferen Performance der Feder bei hohen Motorgeschwindigkeiten.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es wird eine ringförmige Zweiphasenfeder-Unterlegscheibe bereitgestellt, welche eine erste Federkonstante bei einer anfänglichen Durchbiegung der ringförmigen Feder und einer zweiten Federkonstante bei einer weiteren Durchbiegung der ringförmigen Feder aufweist. Die Feder kann unterhalb eines Ausrichtungsrings in einem Brennstoffeinspritzdüsensystem platziert werden und ist selbsthaltend an der Einspritzdüse durch Eingriff des ringförmigen Federkörpers auf der Einspritzdüse.
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In einer Form davon ist eine Zweiphasenfeder mit einem ringförmigen Körper mit einer wellenförmigen Konfiguration versehen, wobei eine erste Mehrzahl von ersten Wellen im Körper eine erste Wellenhöhe hat, welche eine erste Federkonstante gegen Abflachung liefert, und eine zweite Mehrzahl von zweiten Wellen im Körper eine zweite Wellenhöhe hat, welche eine zweite Federkonstante Liefert, welche einer Abflachung widersteht, welche unterschiedlich ist zur ersten Wellenhöhe und der ersten Federkonstante.
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Bei einer anderen Form ist eine Mehrphasenfeder mit einem ringförmigen Körper vorgesehen, wobei eine erste Mehrzahl von Wellen in dem Körper eine erste Federkonstante gegen Abflachung hat, und eine zweite Mehrzahl von Wellen in dem Körper eine zweite Federkonstante hat, welche einer Abflachung widersteht und unterschiedlich ist zur ersten Federkonstante.
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Bei noch einer anderen hier offenbarten Form ist eine Brennstoffeinspritzdüseneinrichtung bei einem Motorkopf vorgesehen, welcher eine Brennstoffeinspritzdüsenbohrung hat, welche eine Schulter aufweist, wobei eine Brennstoffeinspritzdüse in der Brennstoffeinspritzdüsenbohrung angeordnet ist, und eine Zweiphasenfeder eine Schnittstelle zwischen der Schulter und der Brennstoffeinspritzdüse bietet.
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Ein Vorteil einer Form einer Zweiphasenfeder ist das Bereitstellen einer leicht herzustellenden Feder mit unterschiedlichen Federkonstanten unter unterschiedlichen Bedingungen.
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Ein anderer Vorteil einer Form einer Zweiphasenfeder ist das Bereitstellen einer Feder, welche zum Halten eines Ausrichtungsringes auf einer Brennstoffeinspritzdüse geeignet ist und eine begrenzte gesteuerte Bewegung der Brennstoffeinspritzdüse in einer Brennstoffeinspritzdüsenbohrung liefert.
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Noch andere Vorteile einer Form einer Zweiphasenfeder ist das Bereitstellen einer Feder, welche geeignet ist zum Montieren einer Hochdruck-Brennstoffeinspritzdüse, um Geräuscheigenschaften zu verringern.
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Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden einem Fachmann offensichtlich bei der Durchsicht der folgenden detaillierten Beschreibung, der Ansprüche und der Zeichnungen, in welchen gleiche Zahlen zur Bezeichnung gleicher Merkmale verwendet werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine perspektivische Ansicht einer Zweiphasenfeder, wie hier offenbart;
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2 ist eine wettere perspektivische Ansicht der Zweiphasenfeder, unter einem unterschiedlichen Winkel dargestellt;
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3 ist eine Seitenansicht der Zweiphasenfeder;
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4 ist eine Querschnittsansicht einer Brennstoffeinspritzdüseneinrichtung in einem Motor unter Verwendung einer Zweiphasenfeder wie hier offenbart;
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5 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht einer eingebauten Zweiphasenfeder in einem ersten Lastzustand;
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6 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht ähnlich wie 5, welche aber die installierte Zweiphasenfeder in einem zweiten Lastzustand zeigt;
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7 ist eine Querschnittsansicht einer Brennstoffeinspritzdüse, welche mit einer Zweiphasenfeder wie hier offenbart eingebaut ist;
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8 ist ein Schaubild einer Geräuscheigenschaftskennlinie eines steif installierten Brennstoffeinspritzdüsensystems und einer Brennstoffeinspritzdüse, welche mit der Zweiphasenfeder wie hier offenbart installiert ist; und
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9 ist ein Schaubild eines Zweiphasenfederverhaltens.
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Bevor die Ausführungsformen der Erfindung detailliert erläutert werden, sollte es klar sein, dass die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die Konstruktionsdetails und die Anordnung der in der folgenden Beschreibung dargelegten oder in den Zeichnungen dargestellten Komponenten beschränkt ist. Vielmehr ist die Erfindung zu anderen Ausführungsformen und dazu auf verschiedene Arten ausgeübt oder ausgeführt zu werden, in der Lage. Es sollte auch klar sein, dass die hier verwendete Ausdrucksweise und Terminologie zum Zweck der Beschreibung ist und nicht als beschränkend betrachtet werden sollte. Die Verwendung hier von ”enthaltend” und ”aufweisend” und Variationen davon bedeuten, dass die danach aufgeführten Gegenstände und Äquivalente davon sowie zusätzliche Gegenstände und Äquivalente davon umfasst werden.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Mit Bezug auf die Zeichnungen und insbesondere auf 1 bis 3, ist eine Zweiphasenfeder 10 dargestellt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform einer Zweiphasenfeder 10 ist die Feder ein im wesentlichen ringförmiger Körper aus Stahl und kann in einem Stanzverfahren hergestellt werden. Viele Materialien sind geeignet, je nach Verwendung. Zum Beispiel und nicht als Beschränkung, ist ein 17-7 rostfreier Stahl ein geeignetes Material für eine Zweiphasenfeder 10, welche in einer Brennstoffeinspritzdüseneinrichtung verwendet werden soll, wenn der Brennstoffeinspritzdüsenkörper aus rostfreiem Stahl ist. Bei solch einer Einrichtung vermeidet die Verwendung des zuvor genannten rostfreien Stahls für die Feder 10 Korrosionsprobleme im Laufe der Zeit. Kohlenstoffstahl mit einer geeigneten Beschichtung zur Verhinderung von Korrosionsproblemen kann auch verwendet werden. Es sollte klar sein, dass eine Zweiphasenfeder 10 für andere Zwecke und in anderen Installationen als Brennstoffeinspritzdüseneinrichtungen verwendet werden kann. Materialien, die für eine Zweiphasenfeder 10 geeignet sind, können ausgewählt werden aus der Umgebung und der Anwendung, in welcher die Feder arbeiten wird, und können aus Metallen, Kunststoffen oder anderen Materialien für solche andere Installationen ausgewählt werden.
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Eine Zweiphasenfeder 10 ist ein ringförmiger, gewellter federunterlegscheibenartiger Körper mit einem inneren Rand 12 und einem äußeren Rand 14. Die allgemein wellenförmige Konfiguration der Feder 10 schließt eine erste Mehrzahl von ersten Wellen 16 und eine zweite Mehrzahl von zweiten Wellen 18 ein. Bei der beispielhaften Ausführungsform, welche hier dargestellt und beschrieben ist, sind erste Wellen 16 und zweite Wellen 18 abwechselnd miteinander in der Zweiphasenfeder 10 so angeordnet, dass jede erste Welle 16 von einer nächsten benachbarten ersten Welle 16 durch eine zweite Welle 18 getrennt ist, und jede zweite Welle 18 von der nächsten benachbarten zweiten Welle 18 durch eine erste Welle 16 getrennt ist. Es sollte jedoch klar sein, dass andere Anordnungen für erste Wellen 16 und zweite Wellen 18 auch verwendet werden können, wenn sie für eine bestimmte Anwendung und Gebrauch der Zweiphasenfeder geeignet sind.
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Erste Wellen 16 haben eine erste Wellenhöhe 20 und eine erste Wellenlänge 22. Zweite Wellen 18 haben eine zweite Wellenhöhe 24 und eine zweite Wellenlänge 26. Die erste Wellenhöhe 20 ist größer als die zweite Wellenhöhe 24, und die erste Wellenlänge 22 ist größer als die zweite Wellenlänge 26. Folglich liefern die ersten Wellen 16 eine erste Federkonstante, welche geringer ist als eine zweite Federkonstante, welche durch die zweiten Wellen geliefert wird. Anders gesagt, die ersten Wellen 16 liefern ein weicheres Federverhalten als das Federverhalten der zweiten Wellen 18. Die zweiten Wellen 18 sind steifer als die ersten Wellen 16. Die Zweiphasenfeder 10 liefert zwei deutlich unterschiedliche Federkonstanten, um eine Isolierung bei geringen Belastungen und eine beschränkte Bewegung bei hohen Belastungen zu liefern. Die größeren ”weicheren” ersten Wellen 16 sind die ersten, die von an die Flächen der Feder 10 angelegter Kraft belastet werden. Bei einer weiteren Komprimierung der Feder 10 werden die kürzeren steiferen zweiten Wellen 18 kontaktiert, so dass die effektive Federkonstante die kombinierte Eigenschaft der ersten Wellen 16 und der zweiten Wellen 18 ist.
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4 zeigt den Einbau der Zweiphasenfeder 10 in einen Motor 30 mit einem Motorkopf 32, welcher eine Brennstoffeinspritzdüsenbohrung 34 mit einer darin installierten Einspritzdüse 36 begrenzt. Eine Schulter 38 ist in der Bohrung 34 vorgesehen. Die Zweiphasenfeder 10 wirkt mit einem Ausrichtungsring 40 mit einer abgewinkelten Fläche 42 zusammen, welche mit einer abgewinkelten Fläche 44 der Brennstoffeinspritzdüse 36 zusammenarbeitet, um die Brennstoffeinspritzdüse 36 richtig mit Bezug auf die Brennstoffeinspritzdüsenbohrung 34 zu positionieren. Die Anordnung der Zweiphasenfeder 10, des Ausrichtungsrings 40 und der Brennstoffeinspritzdüse 36 wird auf der Schulter 38 gehalten, wobei die Feder 10 zwei deutlich unterschiedliche Federkonstanten liefert, als eine Schnittstelle zwischen der Schulter 38 und der Brennstoffeinspritzdüse 36. Die Zweiphasenfeder 10 liefert eine Isolierung der Brennstoffeinspritzdüse 36 bei geringen Belastungen und eine beschränktere Bewegung der Brennstoffeinspritzdüse 36 bei hohen Belastungen.
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Die hier beschriebene Zweiphasenfeder 10 richtet, wenn installiert, eine anfängliche Bezugshöhe ein, während sie eine begrenzte Bewegung zwischen den leichteren und steiferen Federverhaltenspositionen ermöglicht. Bei einer Brennstoffeinspritzdüseneinrichtung übersteigt die Gesamtbewegung sobald sie im Motorleerlaufzustand belastet wird, typischerweise nicht ungefähr 50 μm (0,050 mm), während sie eine leichtere Federkonstante bei Leerlaufbelastung bietet, um das Geräusch- und Vibrationsverhalten gegenüber bekannten steifen Systemen zu verbessern. Die Zweiphasenfeder liefert auch einen steiferen Widerstand, wenn der Motor über den Leerlauf hinausgeht, um so eine übermäßige Bewegung zu beseitigen. Die Zweiphasenfeder kann über den Einspritzdüsenkörper eingepresst werden, anstelle von bekannten C-Clips, welche in Zusammenarbeit mit dem Ausrichtungsring wirken, um das vertikale Positionieren der Brennstoffeinspritzdüse auszuführen.
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7 zeigt eine Konfiguration, bei welcher leicht nach innen gerichtete Vorsprünge 46 vom inneren Rand 12 der Zweiphasenfeder 10 eine Presspassung mit Vorsprüngen 48 der Brennstoffeinspritzdüse 36 liefern. Folglich sichert das Einpressen der Zweiphasenfeder 10 über die Vorsprünge 48 der Einspritzdüse 36 den Ausrichtungsring 40 auf der Brennstoffeinspritzdüse 36. Die Zweiphasenfeder 10 liefert eine zweifache Funktion der federähnlichen Elastizität und das Sichern des Ausrichtungsringes an seinem Platz, Folglich ist ein separater C-Clip zur Befestigung des Ausrichtungsrings an der Brennstoffeinspritzdüse nicht erforderlich.
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5 und 6 zeigen eine Zweiphasenfeder 10 im Betrieb zwischen einer ersten Komponente 50, welche zum Beispiel der zuvor genannte Ausrichtungsring 40 sein kann, und einer zweiten Komponente 52, welche zum Beispiel die zuvor beschriebene Schulter 38 des Motorkopfes 32 sein kann. Die Zweiphasenfeder 10 ist ein aktiver Teil des Systems. Wenn das System unter geringem Druck steht (wie z. B. Motorleerlauf bei einer Brennstoffeinspritzdüseneinrichtung), wird ein geringer Kraftbetrag an die Feder 10 angelegt. Bei dieser geringen Kraft, wird die Feder nur minimal komprimiert und bleibt im leichten Federkonstantenbereich, wobei nur die erste Mehrzahl von ersten Wellen 16 mit der ersten Komponente 50 und der zweiten Komponente 52 in Kontakt ist. Wie in 5 dargestellt, sind die zweiten Wellen 18 von der ersten Komponente 50 beabstandet und bieten dadurch keinen Widerstand gegen relative Bewegung zwischen den ersten und zweiten Komponenten 50, 52. Wenn das System unter hohem Druck steht (wie z. B. das Hochdrehen des Motors bei einer Brennstoffeinspritzdüseneinrichtung), wird die Kraft, welche die Zweiphasenfeder 10 erfährt, erhöht (bis zum fünf- oder sechsfachen, was bei einem Motorleerlauf bei einer Brennstoffeinspritzdüseneinrichtung erfahren wird). Wenn das System zu ausreichend höheren Belastungen geht, biegt sich die Zweiphasenfeder 10 um eine zusätzliche Strecke, bis sowohl die Mehrzahl der ersten Wellen 16 als auch der zweiten Wellen 18 mit den gegenüberliegenden ersten und zweiten Komponenten 50, 52 in Kontakt ist. Wenn alte der ersten und zweiten Wellen 18 mit den ersten und zweiten Komponenten 50, 52 in Kontakt sind, wird eine steifere Federkonstante angewendet, um die Systembewegung zu begrenzen. Wie in 6 dargestellt, sind die zweiten Wellen 18 mit der ersten Komponente 50 zusammen mit den ersten Wellen 16 in Kontakt. Folglich wird ein abruptes Ansteigen des Federwiderstandes erfahren, um einer weiteren Durchbiegung über die in 6 dargestellte hinaus zu widerstehen.
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Wenn das System von dem höheren Druck zu einem niedrigeren Druck zurückkehrt (wie z. B. wenn ein Motor in den Leerlauf zurückkehrt bei einer Einrichtung der Zweiphasenfeder für eine Brennstoffeinspritzdüse), entspannt sich die Feder 10 zu dem in 5 dargestellten Belastungszustand, in welchem nur die Mehrzahl der ersten Wellen 16 mit den gegenüberliegenden ersten und zweiten Komponenten 50, 52 in Kontakt ist.
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Der Unterschied zwischen der ersten Wellenhöhe 20 und der zweiten Wellenhöhe 24 bestimmt den Betrag der Durchbiegung, welcher erforderlich ist zum Übergang von der ersten leichteren Federwirkung, wie in 5 dargestellt, bei welcher nur die ersten Wellen 16 zwischen den ersten und zweiten Komponenten 50, 52 in Kontakt sind, und der zweiten steiferen Federwirkung, wie in 6 dargestellt, wobei die ersten Wellen 16 und die zweiten Wellen 18 zwischen den ersten und zweiten Komponenten 50, 52 in Kontakt sind. Die zeitliche Koordinierung der Federkonstantenänderung von einer leichteren zu einer steiferen Federkonstanten und von der steiferen Federkonstante zurück zur leichteren Federkonstanten, kann dadurch gesteuert werden.
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8 zeigt einen Probengeräusch- und -vibrationstest, welcher Testergebnisse eines Zweiphasenfederprototyps wie hier beschrieben, als Kurvenlinie 60 dargestellt, mit Testergebnissen eines bekannten steifen Designs, welches als Kurvenlinie 62 dargestellt ist, vergleicht. Auf der Kurve von 8 kennzeichnet eine untere Kurvenposition, dass weniger Energie auf den Motorkopf übertragen wird und deshalb weniger Geräusch, was zu einem ruhigeren System führt. Diese grafische Darstellung zeigt, dass die hier beschriebene Zweiphasenfeder zu einem ruhigeren System führt. Wie man es zu schätzen wissen wird, sind Geräusche und Vibrationen aus der Perspektive eines Fahrzeuginsassen unerwünscht. Im allgemeinen liefert die geringere Mobilität ruhigere Ergebnisse. Wie die Testergebnisse zeigen, ist das frühere steife Design für einen Frequenzbereich unter ungefähr 4000 Hz nicht notwendigerweise inakzeptabel, jedoch können Peaks im niedrigeren Frequenzbereich, wie sie von den Zweiphasenfedern erhalten werden, leichter mit Geräuschbehandlung maskiert werden. Frequenzpeaks bei höheren Frequenzen sind schwieriger zu überdecken oder zu maskieren. Das Verschieben des Peaks zu einer niedrigeren Frequenz ist vorteilhaft, indem der Isolationsbereich früher beginnt. Ab 4000 Hz und darüber hinaus bietet eine Zweiphasenfeder wie hier beschrieben eine deutliche Verbesserung über den gesamten Frequenzbereich. Die Zweiphasenfeder wie hier beschrieben hat einen niedrigeren Durchschnitt über den Bereich. Folglich ist zu sehen, dass die Zweiphasenfeder die Isolierung und ein verbessertes Geräuschverhalten fördert.
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9 zeigt eine Federkonstantendarstellung für eine Zweiphasenfeder wie hier beschrieben. Die grafische Darstellung zeigt, dass die Federkonstante einen dramatischen Übergang von leicht zu steif in dem Moment hat, in dem alle Wellen der Feder mit zusammenpassenden Elementen in Kontakt kommen, 9 zeigt den gleichen Teil, aufgezeichnet auf zwei unterschiedlichen Achsen, welche Belastung und Steifigkeit zeigen. Die Kurvenlinie 64 ist eine Kurve der Belastung aufgetragen gegen die Durchbiegung, und die Kurvenlinie 66 zeigt die Steifigkeit aufgetragen gegen die Durchbiegung. Die Kurve zeigt einen scharfen Anstieg der Steifigkeit. Die hier beschriebene Zweiphasenfeder liefert ein hohes Steifigkeitsverhalten bei hoher Belastung und eine geringere Steifigkeit bei geringeren Belastungen. Bei der grafischen Angabe steht „WOD” für „weit offene Drossel”, was der Zustand ist, in welchem die für eine Brennstoffeinspritzdüseneinrichtung verwendete Feder die größte Last erfahren würde. Die Darstellung zeigt das Federverhalten, wenn die Feder eine hohe vertikale Last von oben erfährt, wie z. B. erhöhten Druck in der Einspritzdüse bei WOD-Bedingungen.
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Die Zweiphasenfeder 10 stellt eine effektive Schnittstelle zwischen zwei Komponenten dar, während sie unterschiedliche Federkonstanten unter unterschiedlichen Bedingungen bereitstellt.
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Variationen und Modifikationen des Vorstehenden liegen im Rahmen der vorlegenden Erfindung. Es sollte klar sein, dass die hier offenbarte und definierte Erfindung sich auf alternative Kombinationen von zwei oder mehr der einzelnen Merkmale erstreckt, welche hier erwähnt wurden oder aus dem Text und/oder den Zeichnungen offensichtlich sind. Alle diese unterschiedlichen Kombinationen stellen verschiedene alternative Aspekte der vorliegenden Erfindung dar. Die hier beschriebenen Ausführungsformen erläutern die besten Arten, welche zur Ausübung der Erfindung bekannt sind, und versetzen andere in die Lage, die Erfindung zu verwenden. Die Ansprüche sollen so ausgelegt werden, dass sie alternative Ausführungsformen in dem durch den Stand der Technik erlaubten Ausmaß einschließen.
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Verschiedene Merkmale der Erfindung sind in den folgenden Ansprüchen dargelegt.
