DE112017004046T5

DE112017004046T5 - Vorkammeranordnung für Kraftstoffinjektor

Info

Publication number: DE112017004046T5
Application number: DE112017004046.9T
Authority: DE
Inventors: Curtis J. Graham; Daniel Cavanaugh; Kevin P. Reardon
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2016-09-23
Filing date: 2017-08-29
Publication date: 2019-04-25
Also published as: CN109690046A; US20190353090A1; WO2018057249A1; CN109690046B; GB2569507A; GB2569507B; US11333062B2; US10641159B2; US20180087447A1; GB201905331D0

Abstract

Eine Vorkammer (120) für einen Kraftstoffinjektor (112) wird offenbart. Die Vorkammer (120) beinhaltet ein zylindrisches Körperelement (140), das sich axial von einem ersten Endabschnitt (146) zu einem zweiten Endabschnitt (148) gegenüber dem ersten Endabschnitt (146) erstreckt. Die Vorkammer (120) beinhaltet ferner eine Bodenplatte (142), die sich proximal zum ersten Endabschnitt (146) des zylindrischen Körperelements (140) befindet. Die Vorkammer (120) beinhaltet außerdem ein Opferelement (144), das sich axial nach außen vom zweiten Endabschnitt (148) des zylindrischen Körperelements (140) erstreckt.

Description

Gebiet der Technik
Die vorliegende Offenbarung betrifft Kraftstoffinjektoren von Verbrennungsmotoren, und insbesondere eine Vorkammeranordnung für einen Kraftstoffinjektor eines Verbrennungsmotors.
Stand der Technik
Um die Ausnutzung von Kraftstoff zu verbessern, wird eine Vorkammeranordnung in einem Kraftstoffinjektor eines Motors bereitgestellt. Die Vorkammeranordnung beinhaltet einen Körperabschnitt und eine Vorkammer. Die Vorkammeranordnung ist mit dem Zylinderkopf gekoppelt und in Fluidverbindung mit einer Brennkammer des Motors. Der Körperabschnitt ist bevorzugt aus einem Material wie Gusseisen hergestellt und die Vorkammer ist bevorzugt mithilfe von Material wie einer Eisenlegierung hergestellt. Allgemein wird die Vorkammer am Körperabschnitt über einen Schweißprozess wie Laserschweißen angebracht. Das Laserschweißen verursacht höhere Kosten und erfordert ferner eine komplizierte Fertigungseinrichtung. Außerdem beinhaltet das Laserschweißen das Ausbilden einer Schweißnaht mithilfe eines dritten Materials, das sich vom Material des Körperabschnitts und der Vorkammer unterscheidet, zum Kuppeln der Vorkammer an den Körperabschnitt. US-Patentpublikation Nr. US2014/225497 (Patentpublikation '497) offenbart ein Vorkammermodul für eine Laserzündkerze. Das Vorkammermodul hat eine Befestigungsregion für das lösbare Befestigen des Vorkammermoduls an der Laserzündkerze. Das Vorkammermodul beinhaltet eine Membrananordnung in einer Endregion, die von der Brennkammer weg weist. Die Membrananordnung grenzt an eine Innenkammer des Vorkammermoduls in die axiale Richtung. Die Membrananordnung hat eine Öffnung für die Einstrahlung der Laserstrahlung von der Laserzündkerze in die Innenkammer des Vorkammermoduls. Die Patentpublikation '497 kann jedoch die Kosten und Effizienz des Herstellungsprozesses der Vorkammeranordnung nicht verringern.
Kurzdarstellung der Offenbarung
In einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Vorkammer für einen Kraftstoffinjektor bereitgestellt. Die Vorkammer beinhaltet ein zylindrisches Körperelement, das sich axial von einem ersten Endabschnitt zu einem zweiten Endabschnitt gegenüber dem ersten Endabschnitt erstreckt. Die Vorkammer beinhaltet ferner eine Bodenplatte, die sich proximal zum ersten Endabschnitt des zylindrischen Körperelements befindet. Die Vorkammer beinhaltet ferner ein Opferelement, das sich axial nach außen vom zweiten Endabschnitt des zylindrischen Körperelements erstreckt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Kraftstoffinjektor für einen Motor bereitgestellt. Der Kraftstoffinjektor beinhaltet einen Körperabschnitt, der eine untere Fläche aufweist, die so angepasst ist, dass sie Kraftstoff von einem Kraftstoffzufuhrsystem des Motors empfängt. Der Kraftstoffinjektor beinhaltet ferner eine Vorkammer, die an der unteren Fläche des Körperabschnitts angebracht ist. Die Vorkammer beinhaltet ein zylindrisches Körperelement, das sich axial von einem ersten Endabschnitt zu einem zweiten Endabschnitt gegenüber dem ersten Endabschnitt erstreckt. Die Vorkammer beinhaltet ferner eine Bodenplatte, die sich proximal zum ersten Endabschnitt des zylindrischen Körperelements befindet. Die Vorkammer beinhaltet außerdem ein Opferelement, das sich axial nach außen vom zweiten Endabschnitt des zylindrischen Körperelements erstreckt.
In noch einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Verbinden eines Körperabschnitts des Kraftstoffinjektors mit einer Vorkammer bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet das Ausrichten des Körperabschnitts mit der Vorkammer. Das Verfahren beinhaltet das Anwenden einer axialen Kraft auf den Körperabschnitt und die Vorkammer. Das Verfahren beinhaltet ferner das Schmelzen eines Opferabschnitts der Vorkammer zum Verbinden des Körperabschnitts mit der Vorkammer.
Andere Merkmale und Aspekte dieser Offenbarung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist eine Schnittansicht eines Abschnitts eines Motors mit einer Vorkammeranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
2 ist eine Explosionsansicht der Vorkammeranordnung des Motors von 1, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
3 ist eine vergrößerte Ansicht der Vorkammer von 2;
4 ist eine Explosionsansicht der Vorkammeranordnung des Motors von 1, gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
5 ist eine schematische Ansicht einer exemplarischen Einrichtung zur Herstellung der Vorkammeranordnung über Widerstandsschweißen gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
6 ist eine schematische Ansicht einer exemplarischen Einrichtung zur Herstellung der Vorkammeranordnung über Reibschweißen gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; und
7 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Verbinden eines Körperabschnitts des Kraftstoffinjektors mit der Vorkammer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.

Detaillierte Beschreibung
Soweit wie möglich werden die gleichen Bezugszeichen in den Zeichnungen zum Bezeichnen gleicher oder ähnlicher Teile verwendet. 1 veranschaulicht eine Schnittansicht eines Abschnitts eines Verbrennungsmotors 100. Der Verbrennungsmotor 100, auch aus „Motor 100“ bezeichnet, kann einen Dieselmotor, einen Ottomotor oder jedwede Art von Verbrennungsmotor verkörpern, der Fachleuten auf dem Gebiet bekannt ist. Der Motor 100 kann in verschiedenen Anwendungen verwendet werden, wie zum Beispiel, jedoch nicht beschränkt auf, Transport, z. B. geländegängige Lastkraftwagen, erdbewegende Maschinen oder zur Energieerzeugung, zum Beispiel wenn diese mit einem Generatorsatz gekoppelt sind, oder zum Antreiben von Turbomaschinen oder anderer Ausrüstung wie Pumpen, Kompressoren und anderen Vorrichtungen, die im Stand der Technik bekannt sind.
Der Motor 100 beinhaltet ein Motorgehäuse 102. Das Motorgehäuse 102 beinhaltet einen Zylinderkopf 104 und einen Zylinderblock 106, an dem der Zylinderkopf 104 positioniert ist. Der Zylinderblock 106 kann eine Anzahl an Zylindern (nicht dargestellt) beinhalten. Jede der Anzahl an Zylindern, im Folgenden als der Zylinder bezeichnet, definiert eine Hauptbrennkammer 108 zum Aufnehmen eines Luft-Kraftstoff-Gemischs zur Verbrennung. Ein Kolben (nicht dargestellt) mit einem Kolbenkopf (nicht dargestellt) ist im Zylinder angeordnet, um sich darin hin- und herzubewegen. Normalerweise bewegt sich der Kolben in mehreren Zyklen von einer unteren Totpunktlage (BDC) zu einer oberen Totpunktlage (TDC). Ein Volumen zwischen der TDC und der BDC definiert ein Hubvolumen, das ein Volumen angibt, das für die Belegung durch eine verbrannte Ladung verfügbar ist. Demgemäß fungiert, wenn sich der Kolben an der TDC befindet, Volumen, das zwischen dem Kolbenkopf und einem inneren Abschnitt des Zylinderkopfes 104 verfügbar ist, als Hauptbrennkammer 108. Auch wenn nicht dargestellt, kann der Motor 100 außerdem anderen Komponenten beinhalten, wie zum Beispiel eine Kurbelwelle, ein Einlassventil, ein Auslassventil, einen Abgaskrümmer und ein Nachbehandlungssystem. In einer Ausführungsform definiert der Zylinderkopf 104 eine Kühlmitteldurchgang 110. Der Kühlmitteldurchgang 110 ist so angepasst, dass er Kühlmittel für das Ableiten von Wärme aufnimmt, die während des Betriebs des Motors 100 erzeugt wird.
Der Zylinderkopf 104 ist mit einem Kraftstoffinjektor 112 ausgestattet. Der Kraftstoffinjektor 112 beinhaltet eine Vorkammeranordnung 114. Die Vorkammeranordnung 114 ist eine Hilfsvorrichtung, die eine zweite Kammer (nicht dargestellt) beherbergt, und sie wird im Zylinderkopf 104 bereitgestellt, um das Volumen der Hauptbrennkammer 108 zu erhöhen. Die Vorkammeranordnung 114 erleichtert eine Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Hauptbrennkammer 108. Die Vorkammeranordnung 114 ist in einem Rücksprung 116 angeordnet, der im Zylinderkopf 104 definiert ist. In einem Beispiel kann sich die Vorkammeranordnung 114 in die Hauptbrennkammer 108 erstrecken. In einem anderen Beispiel kann die Vorkammeranordnung 114 als eine mit dem Zylinderkopf 104 integrierte Vorrichtung ausgebildet sein. In noch einem anderen Beispiel kann die Vorkammeranordnung 114 eine getrennte Vorrichtung sein, die so konfiguriert ist, dass sie in den Zylinderkopf 104 passt. Es ist selbstverständlich, dass die Vorkammeranordnung 114 am Zylinderkopf 104 durch jedwede andere Weise montiert sein kann, die Fachleuten auf dem Gebiet bekannt ist.
Die Vorkammeranordnung 114 beinhaltet einen Körperabschnitt 118 und eine Vorkammer 120. Der Körperabschnitt 118 wird im Rücksprung 116 des Zylinderkopfes 104 aufgenommen. Der Körperabschnitt 118 definiert eine Längsachse X-X' entlang einer Länge des Körperabschnitts 118. Der Körperabschnitt 118 beinhaltet eine Innenfläche 119 und eine Außenfläche 121. In einem Beispiel kann der Körperabschnitt 118 aus Gusseisen hergestellt sein. In alternativen Beispielen kann der Körperabschnitt 118 aus Aluminiumlegierungen oder jedwedem anderen geeigneten Material hergestellt sein, das im Stand der Technik bekannt ist.
2 veranschaulicht eine Explosionsansicht der Vorkammeranordnung 114, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Bezugnehmend auf 1 und 2 beinhaltet der Körperabschnitt 118 einen oberen Endabschnitt 122, einen unteren Endabschnitt 124, der vom oberen Endabschnitt 122 beabstandet ist, und einen Zwischenabschnitt 126, der zwischen dem oberen Endabschnitt 122 und dem unteren Endabschnitt 124 angeordnet ist. Der obere Endabschnitt 122 ist durch Befestigungsvorrichtungen (nicht dargestellt) mit dem Zylinderkopf 104 des Motors 100 gekoppelt.
Der Zwischenabschnitt 126 erstreckt sich entlang der Längsachse X-X' vom oberen Endabschnitt 122 in Richtung der Hauptbrennkammer 108. Der Zwischenabschnitt 126 beinhaltet einen Kraftstoffdurchgang 128, um Kraftstoff kontrollierbar in die Vorkammer 120 einzuspritzen. Der Kraftstoffdurchgang 128 ist in Fluidverbindung mit einem Kraftstoffzufuhrsystem (nicht dargestellt) des Motors 100. Fachleute auf dem Gebiet werden verstehen, dass die Kraftstoffeinspritzung durch eine Kraftstoffpumpe, einen Kraftstoffspeicher, einen Kraftstofffilter und einen Kraftstoffverteiler unterstützt werden kann.
Der Zwischenabschnitt 126 beinhaltet ferner eine ventilaufnehmende Bohrung 130 (in 1 dargestellt), die so angepasst ist, dass sie ein Kraftstoffeinlassventil 132 (in 1 dargestellt) aufnimmt. Das Kraftstoffeinlassventil 132 ist mit einem Gewindebereich (nicht dargestellt) des Zwischenabschnitts 126 im Eingriff, sodass das Kraftstoffeinlassventil 132 in der ventilaufnehmenden Bohrung 130 gehalten wird. Das Kraftstoffeinlassventil 132 ist in Fluidverbindung mit dem Kraftstoffdurchgang 128, um den Kraftstofffluss durch den Kraftstoffdurchgang 128 zu kontrollieren. Ferner ist das Kraftstoffeinlassventil 132 in operativer Verbindung mit einer Steuerung (nicht abgebildet). Der Zwischenabschnitt 126 ist außerdem in Kontakt mit dem Kühlmittel, das über den Kühlmitteldurchgang 110 fließt. Der Zwischenabschnitt 126 beinhaltet außerdem vier ringförmige Nuten (nicht abgebildet), die an der Außenfläche 121 des Körperabschnitts 118 definiert sind. Die ringförmigen Nuten können voneinander entlang der Längsachse X-X' des Körperabschnitts 118 axial beabstandet sein. Die ringförmigen Nuten sind so konfiguriert, dass sie vier O-Ring-Elemente 134A, 134B, 134C bzw. 134D aufnehmen, um Auslaufen des Kühlmittels aus dem Kühlmitteldurchgang 110 zu verhindern.
Der untere Endabschnitt 124 wird im Rücksprung 116, der im Zylinderkopf 104 definiert ist, teilweise aufgenommen. Der untere Endabschnitt 124 des Körperabschnitts 118 erstreckt sich entlang der Längsachse X-X' des Körperabschnitts 118 vom Zwischenabschnitt 126 in Richtung der Hauptbrennkammer 108. Der untere Endabschnitt 124 beinhaltet eine untere Fläche 136 (dargestellt in 3) des Körperabschnitts 118. Die Vorkammer 120 der Vorkammeranordnung 114 erstreckt sich axial von der unteren Fläche 136 des Körperabschnitts 118. Ein Auslass 138 des Kraftstoffeinlassventils 132 ist an der unteren Fläche 136 des Körperabschnitts 118 für Zuführung von Kraftstoff zur Vorkammer 120 angeordnet. Die Vorkammer 120 ist in Fluidverbindung mit der Hauptbrennkammer 108.
Bezugnehmend auf 3 ist eine vergrößerte Ansicht der Vorkammer 120 veranschaulicht. In alternativen Beispielen kann der Körperabschnitt 120 aus Gusseisen, Aluminiumlegierungen oder jedwedem anderen Material hergestellt sein, das im Stand der Technik bekannt ist. Die Vorkammer 120 beinhaltet ein zylindrisches Körperelement 140, eine Bodenplatte 142 und ein Opferelement 144. Das zylindrische Körperelement 140 ist entlang der Längsachse X-X' des Körperabschnitts 118 der Vorkammeranordnung 114 koaxial angeordnet. Das zylindrische Körperelement 140 beinhaltet einen ersten Endabschnitt 146 und einen zweiten Endabschnitt 148 gegenüber dem ersten Endabschnitt 146. Der zweite Endabschnitt 148 erstreckt sich axial vom ersten Endabschnitt 146 zum zweiten Endabschnitt 148. Der erste Endabschnitt 146 kann als eine Region proximal zur Hauptbrennkammer 108 verstanden werden. Der zweite Endabschnitt 148 kann als eine Region proximal zum Körperabschnitt 118 verstanden werden. Der zweite Endabschnitt 148 beinhaltet eine zweite Endfläche 150. Eine Wand 152 des zylindrischen Körperelements 140 wird zwischen einer Innenfläche 151 und einer Außenfläche 153 des zylindrischen Körperelements 140 definiert. Ein Abstand zwischen der Innenfläche 151 und der Außenfläche 153 definiert eine Dicke des zylindrischen Körperelements 140. Ein Loch 154 ist in der Wand 152 des zylindrischen Körperabschnitts 140, proximal zum ersten Endabschnitt 146 der Vorkammer 120 zum Aufnehmen einer Zündkerze darin bereitgestellt. Das Loch 154 kann Gewinde zum Befestigen der Zündkerze darin beinhalten. Die Zündkerze ist so in der Vorkammer 120 positioniert, dass eine Spitze der Zündkerze proximal zum ersten Endabschnitt 146 der Vorkammer 120 ist. Für den Zweck der Zuführung des Luft-Kraftstoff-Gemischs zur Hauptbrennkammer 108 sind mehrere Öffnungen 156 am ersten Endabschnitt 146 des zylindrischen Körperelements 140 bereitgestellt. Mit anderen Worten, die Öffnungen 156 sind in der Wand 152 des zylindrischen Körperelements 140 ausgebildet.
Die Bodenplatte 142 (in 2 dargestellt) befindet sich proximal zum ersten Endabschnitt 146 des zylindrischen Körperelements 140. In einem Beispiel bestätigt ein Durchmesser der Bodenplatte 142 einen Außendurchmesser des zylindrischen Körperelements 140. In einem Beispiel ist die Bodenplatte 142 am ersten Endabschnitt 146 des zylindrischen Körperelements 140 angebracht. Es ist selbstverständlich, dass die Bodenplatte 142 am ersten Endabschnitt 146 des zylindrischen Körperelements 140 durch jedwede andere Weise angebracht sein kann, die Fachleuten auf dem Gebiet bekannt ist.
Das Opferelement 144 erstreckt sich entlang der Längsachse X-X' von der zweiten Endfläche 150 des zylindrischen Körperelements 140. Insbesondere erstreckt sich das Opferelement 144 vom zweiten Endabschnitt 148 des zylindrischen Körperelements 140 axial nach außen. In einem Beispiel kann das Opferelement 144 als ein mit dem zylindrischen Körperelement 140 integriertes Teil ausgebildet sein. In einem anderen Beispiel kann das Opferelement 144 ein getrenntes Element sein, das so konfiguriert ist, dass es an den zweiten Endabschnitt 148 des zylindrischen Körperelements 140 passt. In einer Ausführungsform ist ein Außendurchmesser des Opferelements 144 kleiner als ein Außendurchmesser des zylindrischen Körperelements 140. In einem anderen Beispiel ist der Außendurchmesser des Opferelements 144 gleich dem Außendurchmesser des zylindrischen Körperelements 140.
Das Opferelement 144 beinhaltet eine Vielzahl von Opferlaschen 158. Jede der Opferlaschen 158 ist an der zweiten Endfläche 150 des zylindrischen Körperelements 140 in einem Abstand voneinander beabstandet. In einem Beispiel sind die Opferlaschen 158 an der zweiten Endfläche 150 des zylindrischen Körperelements 144 in einem gleichen Abstand beabstandet. Die Opferlaschen 158 haben im Wesentlichen eine Halbkreisform. Fachleute auf dem Gebiet werden jedoch verstehen, dass die Opferlaschen 158 verschiedene Formen haben können, wie zum Beispiel rechteckige Form, dreieckige Form und gekrümmte Form. Die Opferlaschen 158 haben dimensionale Eigenschaften, die eine vordefinierte Höhe und eine vordefinierte Dicke beinhalten, jedoch nicht darauf beschränkt sind. In einer Ausführungsform kann die vordefinierte Dicke des Opferelements 158 kleiner sein als die Dicke des zylindrischen Körperelements 140. Die vordefinierte Höhe und die vordefinierte Dicke der Opferlaschen 158 können auf Basis von Faktoren definiert werden, die das Material der Vorkammer 120 und das Material des Körperabschnitts 118 beinhalten, jedoch nicht darauf beschränkt sind, wie in Bezug auf 5 und 6 näher beschrieben.
In der vorliegenden Offenbarung sind die Opferlaschen 158 an der unteren Fläche 136 des Körperabschnitts 118 der Vorkammeranordnung 114 angebracht. Um die Vorkammer 120 an der unteren Fläche 136 des Körperabschnitts 118 anzubringen, werden die Opferlaschen 158 mit einer vordefinierten Temperatur geschmolzen. Die vordefinierte Temperatur kann auf Basis des Materials der Vorkammer 120 definiert werden. Die aus Aluminiumlegierungen wie zum Beispiel Inconel hergestellte Vorkammer 120 kann einen Schmelzpunkt zum Beispiel einen Schmelzpunkt aufweisen, der von 500 °C bis 750 °C reicht. Die vordefinierte Temperatur kann ebenfalls auf Basis der vordefinierten Höhe und der vordefinierten Dicke der Opferlaschen 158 variieren. In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung sind die Opferlaschen 158 so konfiguriert, dass sie durch mindestens eines von Widerstandsschweißen und Reibschweißen angebracht werden, um an der unteren Fläche 136 des Körperabschnitts 118 der Vorkammeranordnung 114 angebracht zu werden.
In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, wie in 4 veranschaulicht, kann ein Opferelement 160 an der unteren Fläche 136 des Körperabschnitts 118 vorhanden sein. 4 veranschaulicht eine Explosionsansicht der Vorkammeranordnung 114 des Motors 100 von 1, gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Aus Gründen der Kürze werden die Aspekte der vorliegenden Offenbarung, die in der Beschreibung von 2 und 3 bereits genau erklärt werden, in Bezug auf die Beschreibung von 4 nicht genau erklärt. Das Opferelement 160 erstreckt sich von der unteren Fläche 136 des Körperabschnitts 118 axial nach unten. Insbesondere erstreckt sich das Opferelement 160 entlang der Längsachse X-X' des Körperabschnitts 118. In einem Beispiel kann das Opferelement 160 als ein mit dem Körperabschnitt 118 integriertes Teil ausgebildet sein. In einem anderen Beispiel kann das Opferelement 160 ein getrenntes Element sein, das so konfiguriert ist, dass es an die untere Fläche 136 des Körperabschnitts 118 passt. In einer Ausführungsform ist ein Außendurchmesser des Opferelements 160 kleiner als ein Außendurchmesser des Körperabschnitts 118.
Das Opferelement 160 beinhaltet eine Vielzahl von Opferlaschen 162. Die Opferlaschen 162 haben im Wesentlichen eine Halbkreisform. Fachleute auf dem Gebiet werden jedoch verstehen, dass die Opferlaschen 162 verschiedene Formen haben können, wie zum Beispiel rechteckige Form, dreieckige Form und gekrümmte Form, ohne den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu beschränken. Die Opferlaschen 162 sind an der unteren Fläche 136 des Körperabschnitts 118 in einem gleichen Abstand beabstandet. Die Opferlaschen 162 haben eine vordefinierte Höhe und eine vordefinierte Dicke. Die vordefinierte Höhe und die vordefinierte Dicke der Opferlaschen 162 können auf Basis von Faktoren definiert werden, die das Material der Vorkammer 120 und das Material des Körperabschnitts 118 beinhalten, jedoch nicht darauf beschränkt sind.
In der vorliegenden Offenbarung sind die Opferlaschen 162 so konfiguriert, dass sie an der zweiten Endfläche 150 des zylindrischen Körperabschnitts 140 der Vorkammer 120 angebracht sind. Zum Anbringen an der zweiten Endfläche 150 des zylindrischen Körperabschnitts 140 sind die Opferlaschen 162 so konfiguriert, dass sie bei einer vordefinierten Temperatur schmelzen. Die vordefinierte Temperatur kann auf Basis des Materials der Vorkammer 120 definiert werden. Die vordefinierte Temperatur kann ebenfalls auf Basis der vordefinierten Höhe und der vordefinierten Dicke der Opferlaschen 162 variieren. In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung sind die Opferlaschen 162 so konfiguriert, dass sie durch mindestens eines von Widerstandsschweißen und Reibschweißen schmelzen, um an den Opferlaschen 162 des Körperabschnitts 118 angebracht zu werden. In einer anderen Ausführungsform können die Opferlaschen 162 an der unteren Fläche 136 des Körperabschnitts 118 und der zweiten Endfläche 150 des zylindrischen Körperelements 140 vorhanden sein.
Bezugnehmend auf 5 ist ein exemplarisches System 164 zur Herstellung der Vorkammeranordnung 114 über Widerstandsschweißen dargestellt. Das System 164 ist mit dem Körperabschnitt 118 und der Vorkammer 120 verbunden. Aus Gründen der Kürze wird die vorliegende Offenbarung in Verbindung mit den Opferlaschen 158 der Vorkammer 120 beschrieben, auch wenn selbstverständlich ist, dass die vorliegende Offenbarung auch auf die Opferlaschen 162 des Körperabschnitts 118 angewandt werden kann.
Das System 164 beinhaltet eine Stromquelle 166 und eine erste Elektrode 168 und eine zweite Elektrode 169. Die ersten und zweiten Elektroden 168, 169 sind mit der Stromquelle 166 verbunden. Die Stromquelle 166 wird bereitgestellt, um den Opferlaschen 158 einen vorher festgelegten elektrischen Strom über die ersten und zweiten Elektroden 168, 169 zuzuführen. Die Stromquelle 166 beinhaltet eine erste Klemme 170 und eine zweite Klemme 172. Die erste Klemme 170 ist mit der ersten Elektrode 168, 169 über eine erste Klemmenverbindung 174 verbunden. Die zweite Klemme 172 ist mit der zweiten Elektrode 168, 169 über eine zweite Klemmenverbindung 176 verbunden. Die erste Elektrode 168 ist am Körperabschnitt 118 positioniert. Die zweite Elektrode 169 ist an der Vorkammer 120 positioniert. In einem Beispiel kann die Elektrode 168 aus Kupfer oder jedwedem anderen Material hergestellt sein, das im Stand der Technik bekannt ist. Betriebseigenschaften, wie Elektrodenmaterial, Form, Größe, Spitzenprofil und Kühlung, der ersten und zweiten Elektroden 168, 169 können sich auf Basis eines Materials der Vorkammer 120 und eines Materials des Körperabschnitts 118 unterscheiden.
Das System 164 ist so konfiguriert, dass es die Vorkammer 120 und die untere Fläche 136 des Körperabschnitts 118 verbindet. Insbesondere wird das System 164 zum Durchführen eines Schweißprozesses, wie zum Beispiel Widerstandsschweißen, bereitgestellt, um die Opferlaschen 158 mit dem unteren Endabschnitt 124 des Körperabschnitts 118 zu verschmelzen. Eine vorher festgelegte axiale Kraft und der vorher festgelegte elektrische Strom werden zum Schmelzen der Opferlaschen 158 auf die Vorkammer 120 angewandt, um die Vorkammer 120 mit dem Körperabschnitt 118 zu verbinden.
Um den Schweißprozess durchzuführen, werden die Vorkammer 120 und der Körperabschnitt 118 entlang der Längsachse X-X' ausgerichtet. Ferner ist das System 164 so konfiguriert, dass es eine vorher festgelegte axiale Kraft anwendet. Insbesondere kann das System 164 eine vorher festgelegte axiale Kraft F1 auf den Körperabschnitt 118 in der Vorkammer 120 entlang der Längsachse X-X' des Körperabschnitts 118 anwenden. Das System 164 kann eine vorher festgelegte axiale Kraft ‚F2‘ in eine Richtung, die der vorher festgelegten axialen Kraft ‚F 1‘ entgegengesetzt ist, in Richtung Körperabschnitt 118 anwenden. Die vorher festgelegte axiale Kraft ‚F2‘ wird der Längsachse X-X' des Körperabschnitts 118 gegenüber angewandt. In einem Beispiel kann die vorher festgelegte axiale Kraft mechanisch durch das System 164 auf die Vorkammer 120 angewandt werden. In einem anderen Beispiel kann die vorher festgelegte axiale Kraft hydraulisch durch das System 164 auf die Vorkammer 120 angewandt werden. In noch einem anderen Beispiel kann die vorher festgelegte axiale Kraft pneumatisch durch das System 164 auf die Vorkammer 120 angewandt werden. Die vorher festgelegte axiale Kraft, die auf die Vorkammer 120 angewandt wird, wird auf Basis der dimensionalen Eigenschaften der Opferlaschen 158 bestimmt, wie zum Beispiel der vordefinierten Höhe und der vordefinierten Dicke der Opferlaschen 158. Die vorher festgelegte axiale Kraft, die auf die Vorkammer 120 angewandt wird, wird außerdem auf Basis des vorher festgelegten elektrischen Stroms bestimmt, der auf die Vorkammer 120 angewandt wird. In einem Beispiel kann die vorher festgelegte axiale Kraft in Form von Druck sein, der auf die Vorkammer 120 angewandt wird.
Der vorher festgelegte elektrische Strom ‚I‘ wird auf die Vorkammer 120 angewandt und der Körperabschnitt 118 erzeugt Wärme gemäß der folgenden Gleichung: $Q = I^{2} R t K$
wobei Q die Wärme ist, die während des Widerstandsschweißprozesses erzeugt wird. Die Wärme „Q“ wird erzeugt, wenn der vorher festgelegte Strom „I“ durch die Opferlasche 158 und den Körperabschnitt 118 mit einem Widerstand „R“ und einer thermischen Konstante „K“ für eine vorher festgelegte Zeit „t“ fließt. Der Widerstand „R“ kann von den dimensionalen Eigenschaften der Opferlaschen 158 abhängen. Der Widerstand „R“ kann außerdem von einem Zustand der unteren Fläche des Körperabschnitts 118 und/oder der Opferlaschen 158 abhängen, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, Oberflächenrauheit, Reinheit der Oberfläche, Oxidation der Oberfläche und Plattierung der Oberfläche. Die erzeugte Wärme erhöht die Temperatur der Opferlaschen 158. Sobald die Vorkammer 120 auf die vorher festgelegte Temperatur erwärmt wurde, schmelzen die Opferlaschen 158, um eine Schweißnaht zwischen der unteren Fläche 136 des Körperabschnitts 118 und der zweiten Endfläche 150 der Vorkammer 120 auszubilden. Das Schmelzen der Opferlaschen 158 führt zum Anbringen der unteren Fläche 136 des Körperabschnitts 118 an der zweiten Endfläche 150 der Vorkammer 120. In einem Beispiel ist die vorher festgelegte Temperatur der Schmelzpunkt des Materials der Vorkammer 120. Die vorher festgelegte Temperatur kann von der vordefinierten Höhe und der vordefinierten Dicke der Opferlaschen 158 abhängen. Der vorher festgelegte elektrische Strom, der auf die Opferlaschen 158 angewandt wird, wird auf Basis des Materials der Opferlaschen 158 und des Materials des Körperabschnitts 118 bestimmt. In einem Beispiel kann der vorher festgelegte elektrische Strom in einem Bereich von 10 Ampere bis 100.000 Ampere sein.
Bezugnehmend auf 6 ist ein exemplarisches System 178 zur Herstellung der Vorkammeranordnung 114 über Reibschweißen dargestellt. Aus Gründen der Kürze wird die vorliegende Offenbarung in Verbindung mit den Opferlaschen 158 der Vorkammer 120 beschreiben, auch wenn selbstverständlich ist, dass die vorliegende Offenbarung auch auf die Opferlaschen 162 angewandt werden kann, die am Körperabschnitt 118 vorhanden sind, wie in 4 beschrieben.
Das System 178 beinhaltet ein erstes Halteelement 180 zum Halten der Vorkammer 120. Das erste Halteelement 180 hat eine Hülse 182 zum Halten der Vorkammer 120 entlang der Längsachse X-X'. Die Hülse 182 ist an einem länglichen Abschnitt 184 angebracht. Der längliche Abschnitt 184 ist mit einem Motor 186 für die Bereitstellung einer Drehbewegung drehbar gekoppelt, wie in 6 veranschaulicht. Der Motor 186 stellt dem ersten Halteelement 180 eine Drehbewegung mit einer vorher festgelegten Drehzahl (Umdrehungen pro Minute) bereit. Es ist für Fachleute auf dem Gebiet jedoch selbstverständlich, dass der längliche Abschnitt 184 mit jedweder Vorrichtung gekoppelt sein kann, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, ein Schwungrad, das das vorher festgelegte Drehmoment zum ersten Halteelement 180 weitergeben kann.
Das System 178 beinhaltet ferner ein zweites Halteelement 188. Das zweite Halteelement 188 hat eine Hülse 190 zum Halten des Körperabschnitts 118 entlang der Längsachse X-X'. Die Hülse 190 ist an einem länglichen Abschnitt 192 angebracht, der mit dem zweiten Halteelement 188 starr gekoppelt ist. Das zweite Halteelement 188 kann an einem Hydrauliksystem 194 für das unbewegliche Halten des Körperabschnitts 118 angebracht sein. In einem anderen Beispiel kann das zweite Halteelement 188 an einem Pneumatiksystem (nicht dargestellt) für das unbewegliche Halten des Körperabschnitts 118 angebracht sein. In einer anderen Ausführungsform ist der Motor 186 mit dem zweiten Halteelement 188 verbunden und das Hydrauliksystem 194 ist mit dem ersten Halteelement 180 verbunden.
Das System 178 ist so angepasst, dass es die Opferlaschen 158, die Vorkammer 120 und die untere Fläche 136 des Körperabschnitts 118 verbindet. Insbesondere wird das System 178 zum Durchführen eines Schweißprozesses, wie zum Beispiel Reibschweißen, bereitgestellt, um die Opferlaschen 158 mit der unteren Fläche 136 des Körperabschnitts 118 zu verschmelzen. Um den Schweißprozess durchzuführen, werden die Vorkammer 120 und der Körperabschnitt 118 entlang der Längsachse X-X' ausgerichtet. Ferner ist das System 178 so konfiguriert, dass es eine vorher festgelegte axiale Kraft auf die Vorkammer 120 und den Körperabschnitt 118 entlang der Längsachse X-X' anwendet, um einen Druck zwischen dem Körperabschnitt 118 und der Vorkammer 120 zu bewirken. Insbesondere kann das System 178 eine vorher festgelegte axiale Kraft F3 in Richtung des Körperabschnitts 118 gegenüber einer Richtung der Längsachse X-X' anwenden. Das System 178 kann eine vorher festgelegte axiale Kraft ‚F4‘ in eine Richtung, die vorher festgelegten axialen Kraft ‚F3‘ entgegengesetzt ist, am Körperabschnitt 118 in Richtung der Vorkammer 120 entlang der Längsachse X-X' anwenden.
Während eines Schweißprozesses wird die Vorkammer 120 mit der vorher festgelegten Drehzahl durch den Motor 186 gedreht, der mit dem ersten Halteelement 180 verbunden ist. Die vorher festgelegte Drehzahl basiert auf den dimensionalen Eigenschaften der Opferlaschen 158, wie zum Beispiel die vordefinierte Höhe und die vordefinierte Dicke der Opferlaschen 158. Die vorher festgelegte Drehzahl wird auf die Opferlaschen 158 in einer vordefinierten Richtung 196 durch den Motor 186 angewandt. Die vordefinierte Richtung 196 wird auf Basis verschiedener Parameter ausgewählt. Die verschiedenen Parameter können dimensionale Eigenschaften, wie zum Beispiel die Form, die vordefinierte Dicke und die vordefinierte Höhe, der Opferlaschen 158 beinhalten, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Die vorher festgelegte Drehzahl und die vorher festgelegte axiale Kraft werden auf die Opferlaschen 158 angewandt, um beim Schmelzen der Opferlaschen 158 zu helfen. In einem Beispiel dreht das zweite Halteelement 188 die Vorkammer 120 mit einem bestimmten Drehmoment, sodass die Opferlaschen 158 bei einer Temperatur schmelzen, die durch eine Reibungskraft erzeugt wird, die aufgrund der vorher festgelegten axialen Kraft und der Drehung der Vorkammer 120 entwickelt wird. Die geschmolzenen Opferlaschen 158 bilden eine Schweißnaht zwischen der unteren Fläche 136 des Körperabschnitts 118 und der zweiten Endfläche 150 der Vorkammer 120 aus. Es ist selbstverständlich, dass die Vorkammer 120 am Körperabschnitt 118 durch jedwede Art von Reibschweißprozess angebracht sein kann, die Fachleuten auf dem Gebiet bekannt ist.
Es ist selbstverständlich, dass der Körperabschnitt 118 mit dem ersten Halteelement 180 verbunden sein kann, wenn die Haltelaschen 162 an der unteren Fläche 136 des Körperabschnitts 118 vorhanden sind. In einem solchen Szenario wird die Vorkammer 120 durch das zweite Halteelement 188 gehalten. Der Körperabschnitt 118 wird mit der vorher festgelegten Drehzahl gedreht, um die Opferlaschen 162 des Körperabschnitts 118 zum Anbringen an der zweiten Endfläche 150 der Vorkammer 120 zu verschmelzen.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die Vorkammeranordnung 114 und ein Verfahren 198 zum Verbinden des Körperabschnitts 118 des Kraftstoffinjektors 112 mit der Vorkammer 120 114 werden offenbart. Die Vorkammer 120 beinhaltet Opferlaschen 158, die an der zweiten Endfläche 150 des zylindrischen Körperelements 140 angeordnet sind. Die Opferlaschen 158 sind so konfiguriert, dass sie schmelzen, um die Vorkammer 120 durch mindestens eines von Widerstandsschweißen und Reibschweißen am Körperabschnitt 118 anzubringen. Die Opferlaschen 158 schmelzen und bilden eine Schweißnaht zwischen der unteren Fläche 136 des Körperabschnitts 118 und der zweiten Endfläche 150 der Vorkammer 120 aus. Um die Opferlaschen 158 zu schmelzen, wird ein Schmelzpunkt des Materials der Opferlaschen 158 identifiziert und die Opferlaschen 158 werden mit dem System 164, 178 zur Durchführung des Widerstandsschweißens und/oder Reibschweißens verbunden. Die vorliegende Offenbarung bietet ein einfaches, effektives und wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung der Vorkammeranordnung 114. Insbesondere bietet die vorliegende Offenbarung ein effektives und wirtschaftliches Verfahren zum Verbinden der Vorkammer 120 mit dem Körperabschnitt 118. Die an die untere Fläche 136 des Körperabschnitts 118 geschweißten Opferlaschen 158 stellen eine effektive Abdichtung zwischen dem Körperabschnitt 118 und der Vorkammer 120 bereit. Somit beseitigt die Schweißnaht, die zwischen der Vorkammer 120 und dem Körperabschnitt 118 ausgebildet wird, Auslaufen des Luft-Kraftstoff-Gemischs zu anderen Abschnitten des Zylinderblocks 106. Die Opferlaschen 158 haben dasselbe Material des zylindrischen Körperelements 140 und der unteren Platte 142 der Vorkammer 120 und somit eine Anforderungen eines dritten Materials, wenn die Schweißnaht verworfen wird, wodurch erhöhte Festigkeit der Verbindung zwischen der Vorkammer 120 und dem Körperabschnitt 118 bereitgestellt wird.
7 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren 198 zum Verbinden des Körperabschnitts 118 des Kraftstoffinjektors 112 mit der Vorkammer 120 veranschaulicht. Aus Gründen der Kürze werden die Aspekte der vorliegenden Offenbarung, die in der Beschreibung von 1, 2, 3 und 4 bereits genau erklärt werden, in Bezug auf die Beschreibung von Verfahren 198 nicht genau erklärt.
Bei Schritt 200 beinhaltet das Verfahren 198 zum Verbinden des Körperabschnitts 118 des Kraftstoffinjektors 112 mit der Vorkammer 120 das Ausrichten des Körperabschnitts 118 mit der Vorkammer 120 entlang der Längsachse X-X'. Der untere Endabschnitt 124 des Körperabschnitts 118 wird in die Nähe der Opferlaschen 158 der Vorkammer 120 gebracht.
Bei Schritt 202 beinhaltet das Verfahren 198 das Anwenden vorher festgelegter axialer Kräfte F1 auf den Körperabschnitt 118 und der vorher festgelegten axialen Kräfte F2 auf die Vorkammer 120. Die vorher festgelegte axiale Kraft kann entlang der Längsachse X-X' für das Einführen des Drucks am Kontakt zwischen der unteren Fläche 136 des Körperabschnitts 118 und den Opferlaschen 158 der Vorkammer 120 angewandt werden.
Bei Schritt 204 beinhaltet das Verfahren 198 das Schmelzen der Opferlasche 160 der Vorkammer 120, um die Vorkammer 120 am Körperabschnitt 118 zu befestigen. In einer Ausführungsform wird der Widerstandsschweißprozess zum Verbinden der Vorkammer 120 mit dem Körperabschnitt 118 durch Schmelzen des Opferelements 144 verwendet. Der Widerstandsschweißprozess beinhaltet das Anwenden des vordefinierten elektrischen Stroms auf den Körperabschnitt 118 und die Vorkammer 120 über die vordefinierte Zeit, wie in Bezug auf 5 genau erklärt. In einer anderen Ausführungsform wird der Reibschweißprozess zum Verbinden der Vorkammer 120 mit dem Körperabschnitt 118 durch Schmelzen des Opferelements 144 verwendet. Der Reibschweißprozess beinhaltet das Drehen mindestens eines des Körperabschnitts 118 und der Vorkammer 120, wie in Bezug auf 6 genau erklärt. Während Aspekte der vorliegenden Offenbarung insbesondere unter Bezugnahme auf die vorstehenden Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurden, ist es für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich, dass durch die Modifikation der offenbarten Maschinen, Systeme und Verfahren verschiedene zusätzliche Ausführungsformen erwogen werden können, ohne vom Sinn und Umfang des Offenbarten abzuweichen. Diese Aus führungs formen sollen als in den Umfang der vorliegenden Offenbarung fallend verstanden werden, wie sie basierend auf den Ansprüchen und jeglichen Entsprechungen davon bestimmt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2014225497 [0002]

Claims

Vorkammer (120) für einen Kraftstoffinjektor (112), die Vorkammer (120) umfassend: ein zylindrisches Körperelement (140), das sich axial von einem ersten Endabschnitt (146) zu einem zweiten Endabschnitt (148) gegenüber dem ersten Endabschnitt (146) erstreckt; eine Bodenplatte (142), die sich proximal zum ersten Endabschnitt (146) des zylindrischen Körperelements (140) befindet; und ein Opferelement (144), das sich vom zweiten Endabschnitt (148) des zylindrischen Körperelements (140) axial nach außen erstreckt.
Vorkammer (120) nach Anspruch 1, wobei das Opferelement (144) so konfiguriert ist, dass es zum Anbringen an einer unteren Fläche (136) eines Körperabschnitts (118) einer Vorkammerbaugruppe (114) bei einer vordefinierten Temperatur schmilzt.
Vorkammer (120) nach Anspruch 1, wobei das Opferelement (144) eine vordefinierte Höhe und eine vordefinierte Dicke hat.
Vorkammer (120) nach Anspruch 1, wobei das Opferelement (144) eine Vielzahl von Opferlaschen (158) umfasst.
Vorkammer (120) nach Anspruch 2, wobei das Opferelement (144) so konfiguriert, dass es durch mindestens eines von Widerstandsschweißen und Reibschweißen schmilzt, um an der unteren Fläche (136) des Körperabschnitts (118) der Vorkammeranordnung (114) angebracht zu werden.
Kraftstoffinjektor (112) für einen Motor (100), der Kraftstoffinjektor (112) umfassend: einen Körperabschnitt (118), der so angepasst ist, dass er Kraftstoff von einem Kraftstoffzufuhrsystem des Motors (100) aufnimmt, wobei der Körperabschnitt (118) eine untere Fläche (136) hat; und eine Vorkammer (120), die an der unteren Fläche (136) des Körperabschnitts (118) angebracht ist, wobei die Vorkammer (120) Folgendes umfasst: ein zylindrisches Körperelement (140), das sich axial von einem ersten Endabschnitt (146) zu einem zweiten Endabschnitt (148) gegenüber dem ersten Endabschnitt (146) erstreckt; eine Bodenplatte (142), die sich proximal zum ersten Endabschnitt (146) des zylindrischen Körperelements (140) befindet; und ein Opferelement (144), das sich vom zweiten Endabschnitt (148) des zylindrischen Körperelements (140) axial nach außen erstreckt.
Kraftstoffinjektor (112) nach Anspruch 6, wobei das Opferelement (144) so konfiguriert ist, dass es zum Anbringen an der unteren Fläche (136) des Körperabschnitts (118) bei einer vordefinierten Temperatur schmilzt.
Kraftstoffinjektor (112) nach Anspruch 6, wobei das Opferelement (144) eine vordefinierte Höhe und eine vordefinierte Dicke hat.
Kraftstoffinjektor (112) nach Anspruch 6, wobei das Opferelement (144) eine Vielzahl von Opferlaschen (158) umfasst.
Kraftstoffinjektor (112) nach Anspruch 7, wobei das Opferelement (144) so konfiguriert, dass es durch mindestens eines von Widerstandsschweißen und Reibschweißen schmilzt, um an der unteren Fläche (136) des Körperabschnitts (118) der Vorkammeranordnung (114) angebracht zu werden.