WO2005026529A1 - Spannhülse mit temperaturkompensation - Google Patents

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WO2005026529A1
WO2005026529A1 PCT/DE2004/001650 DE2004001650W WO2005026529A1 WO 2005026529 A1 WO2005026529 A1 WO 2005026529A1 DE 2004001650 W DE2004001650 W DE 2004001650W WO 2005026529 A1 WO2005026529 A1 WO 2005026529A1
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WO
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component
clamping sleeve
temperature
pressure
injector
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PCT/DE2004/001650
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English (en)
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Inventor
Hrvoje Lalic
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication of WO2005026529A1 publication Critical patent/WO2005026529A1/de

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/14—Arrangements of injectors with respect to engines; Mounting of injectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/167—Means for compensating clearance or thermal expansion

Definitions

  • Temperature range for example from -40 ° C to + 140 ° C must be within certain limits.
  • a case in which this problem can arise relates to the bracing of an injector or an injection valve with the cylinder head of an internal combustion engine.
  • the cylinder heads of modern internal combustion engines are usually made of aluminum, while the injectors or injection valves are made of steel.
  • the temperature expansion coefficient OCAI of aluminum is about 23.8 x 10 ⁇ 6 1 / K while the temperature expansion coefficient of st of steel is about 11.5 x 10 "6 1 / K. If only injectors are used in connection with the invention, this also means injection valves, nozzle holders but also other temperature-carrying components. The description of the invention is only for the sake of
  • Thermal expansion coefficient of the component but also on its effective length. The longer a component is, the greater the thermal expansion and vice versa.
  • a clamping sleeve which is supported at one end on the injector and at the other end is subjected to compressive stress from a clamping claw, for bracing an injector with a cylinder head.
  • the clamping claw is connected to the cylinder head and pretensioned, for example via a stud bolt and a nut.
  • the adapter sleeves used to date, like the injectors, are made of steel.
  • Thermal expansion coefficients of the first material and second material are different, one Contact surface of the first component on the second component and a location of the introduction of the biasing force into the second component in the direction of a longitudinal axis of the first component have an offset and wherein the offset is at least partially bridged by an adapter sleeve, the invention provides that an effective temperature expansion coefficient
  • the clamping sleeve is chosen so that the different effective temperature expansions of the first component and the second component are essentially compensated for.
  • the clamping sleeve consists of n pressure tubes, with n greater than or equal to 1, and n-1 draw tubes, and that the coefficient of thermal expansion of the pressure tubes is different from the coefficient of thermal expansion of the draw tubes.
  • n 1
  • the adapter sleeve only consists of a pressure tube and has no draw tube.
  • the adapter sleeve consists of a cylindrical piece of pipe.
  • the effective coefficient of thermal expansion corresponds to that Coefficient of thermal expansion of the material from which the clamping sleeve is made.
  • a complete temperature compensation can be achieved by choosing a suitable material for the clamping sleeve.
  • a steel injector is to be braced with an aluminum cylinder head, this means that the coefficient of thermal expansion of the clamping sleeve must be greater than the coefficient of thermal expansion of the cylinder head in order to achieve a complete compensation of the thermal expansion.
  • OC H coefficient of thermal expansion of the clamping sleeve.
  • clamping sleeve consists of more than one pressure tube and a corresponding number of draw tubes, there are further degrees of freedom in the design of the bracing between the injector and the cylinder head.
  • Temperature expansions of the pressure pipe and the section of the first component under pressure, and possibly existing other components that are subjected to pressure are equal to the sum of the thermal expansions of the section of the second component that is subjected to tension.
  • the clamping sleeve according to the invention can be used particularly advantageously when clamping an injector, an injection nozzle or a nozzle holder, which is referred to in connection with the invention as the first component, and a cylinder head of an internal combustion engine, which is referred to in connection with the invention as a second component.
  • Figure 1 shows a first embodiment of an adapter sleeve according to the invention
  • Figure 2 shows a second embodiment of an adapter sleeve according to the invention
  • Figure 3 is a schematic representation of an internal combustion engine with injectors according to the invention.
  • FIG. 1 shows an installation situation of an injector 1 in a cylinder head 3 of an internal combustion engine, which is known per se from the prior art, in section.
  • the injector 1 is inserted into a stepped bore 5 of the cylinder head 3 such that a tip 7 of the injector 1 is not shown
  • Spray holes protrude into a combustion chamber 9 of the cylinder head 3.
  • a sealing washer 13 which can be made of brass, for example.
  • the injector 1 in turn is supported with a shoulder 15 on the sealing disk 13.
  • the clamping claw 17 has at its end facing the injector 1 a fork-shaped configuration with two prongs, of which only one prong 21 is visible in FIG. 1. At its end opposite the tines 21, the clamping claw 17 rests on an upper edge 23 of the cylinder head 3. Approximately in the middle of the clamping claw 17, this has a through bore 25 through which a stud bolt 27, which is screwed to the cylinder head 3, projects. By tightening a nut 29 which is screwed onto the stud bolt 27, the necessary contact pressure can be built up between the clamping claw 17 and the clamping sleeve 19.
  • the clamping sleeve 19 is supported indirectly on the injector 1 and thus transmits the contact pressure introduced by the clamping claw 17 into the clamping sleeve 19 to the injector 1.
  • a circumferential groove 31 is formed in the injector 1, in which a wire ring 33 is inserted.
  • the depth of the circumferential groove 31 is matched to the diameter of the wire ring 33 in such a way that a part of the wire ring 33 projects beyond the injector 1 in the radial direction and thus enables the clamping sleeve 19 to be supported on the wire ring 33.
  • the configuration of the clamping sleeve 19 at its end facing the wire ring 33 in the form of a quarter radius ensures that the wire ring 33 cannot jump out of the circumferential groove 31.
  • the invention is not limited to this type of introduction of the clamping force into the clamping sleeve by means of a claw 17 and the transmission of this clamping force with the aid of a circumferential groove 31 and a wire ring 33 into the injector 1.
  • injector 1 and cylinder head 3 are clamped together during engine assembly at room temperature by tightening nut 29.
  • this sealing connection should be used at all operating temperatures that occur in practice, i.e. from about -40 ° C to + 140 ° C, be gas-tight.
  • This requirement is easily met by an inventive design of the clamping sleeve 19, namely if the different temperature expansions of the cylinder head 3, the injector 1 and the clamping sleeve 19, and the sealing ring 13 are coordinated with one another in a suitable manner.
  • ⁇ T temperature change of the component.
  • ' Thermal expansion coefficient of the component (fabric size).
  • ⁇ zyimderopf coefficient of thermal expansion of the cylinder head 3.
  • IDS thickness of the sealing washer 13
  • the sum of the temperature expansions of the components that are subjected to tension (here: cylinder head 3) and the sum of the Temperature expansions of the components subjected to pressure (here: clamping sleeve 19, injector 1 in the area between the circumferential groove 31 and the shoulder 15 and sealing washer 13) are the same. If this condition is met, then the preload force F v between the injector 1, the sealing washer 13 and the shoulder 11 of the cylinder head 3 is independent of the component temperature. From the equation described above it also follows that, depending on the materials used for the cylinder head 3, the injector 5, the clamping sleeve 19, the sealing washer 13 and the length 1 overall, 1H, In j etor, IDS, it is possible to fulfill this equation.
  • the preload force F v can also be more or less overcompensated depending on the temperature of the injector 1, the cylinder head 3, the clamping sleeve 19 and the sealing washer 13 if this is desired in a specific application. This overcompensation or undercompensation is also borne by the claimed inventive concept.
  • a clamping sleeve 19 which consists of two pressure pipes 37 and 39 and a pull pipe 41 arranged between them.
  • the pressure pipes 37 and 39 as well as the pull pipe 41 are arranged so that they are not at the upper end of the
  • the clamping claw 17 shown in the pressure tube 37 has the pretensioning force Fv that has the meandering force flow indicated by an arrow 43 in the left half of the figure until the pretensioning force F v is finally introduced into the injector 1 via the wire ring 33 (not shown) (see also FIG 1) .
  • the arrow 43 also shows that the pressure tubes 37 and 39 are subjected to pressure, while the pull tube 41 is subjected to tension. So that the tension tube 41 can transmit a tension force F v from the pressure tube 37 to the pressure tube 39, the tension tube 41 has at its lower end in FIG. 2 a first radially outwardly directed shoulder 45. The force transmission of the prestressing force F v from the draw tube 41 to the second pressure tube 39 takes place at the upper end of the draw tube 41 through a radially inwardly directed shoulder 47.
  • the pressure pipes 37 and 39 made of one material with another
  • Thermal expansion coefficient cc as the draw tube 41 is produced, the same length 1H, the total of the clamping sleeve 19, the ability to compensate for temperature-related changes in the biasing force F v to increase. If, in particular, the clamping sleeve 19 according to FIG. 2 is installed instead of the clamping sleeve 19 shown in FIG. 1 and the coefficient of thermal expansion of the pressure pipes 37 and 39 is greater than the coefficient of thermal expansion of the draw tube 41, then, based on the length 1 H, the clamping sleeve 19 results an effective one
  • Effective temperature expansion coefficient c which can be calculated according to the following equation. 1H X CCeffective - 137 X pressure tube 37 + I39 X OC pressure tube 39 _ 1 4 1 X OC pull tube 41 •
  • the temperature compensation can also be influenced by changing the lengths 1 39 , 1 3 and I41.
  • the contact pressure increases even slightly with increasing temperature.
  • FIG. 3 explains how an injector 1 is integrated into a fuel injection system 102 of an internal combustion engine.
  • Fuel injection system 102 comprises a fuel tank 104, from which fuel 106 is conveyed by an electrical or mechanical fuel pump 108.
  • the fuel 106 is conveyed to a high-pressure fuel pump 111 via a low-pressure fuel line 110.
  • the fuel 106 reaches a common rail 114 via a high-pressure fuel line 112.
  • a plurality of injectors 1 are connected to the common rail and inject the fuel 106 directly into combustion chambers 118 of an internal combustion engine (not shown).

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Abstract

Es wird eine Spannhülse (19) vorgeschlagen, bei der durch geeignete Werkstoffwahl und eine günstige geometrische Ausgestaltung der Spannhülse (19) die Temperaturabhängigkeit einer Vorspannkraft Fv zwischen einem Injektor (1) und einem Zylinderkopf (3) weitgehend oder sogar vollständig kompensiert werden kann.

Description

Spannhülse mit Temperaturkompensation
Stand der Technik
Bei vielen temperaturführenden Bauteilen, die miteinander verspannt sind, stellt sich das Problem ungleicher Temperaturdehnungen, wenn die miteinander verspannten Bauteile aus Materialien mit verschiedenen Temperaturausdehnungskoeffizienten hergestellt werden.
Infolge dessen ist die Kraft mit der die zwei gegeneinander verspannten Bauteile gegeneinandergepresst werden abhängig von der Temperatur dieser Bauteile. Diese Änderung der Anpresskraft ist in vielen Fällen unerwünscht, insbesondere dort, wo die Anpresskraft über einen großen
Temperaturbereich, beispielsweise von -40°C bis +140°C innerhalb gewisser Grenzen liegen muss.
Ein Fall, bei dem dieses Problem auftauchen kann betrifft die Verspannung eines Injektors oder eines Einspritzventils mit dem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine. Üblicherweise werden die Zylinderköpfe von modernen Brennkraftmaschinen aus Aluminium gefertigt, während die Injektoren oder Einspitzventile aus Stahl hergestellt werden. Der Temperaturausdehnungskoeffizient OCAI von Aluminium beträgt etwa 23,8 x 10~6 1/K während der Temperaturausdehnungskoeffizient von st von Stahl etwa 11,5 x 10"6 1/K beträgt. Wenn im Zusammenhang mit der Erfindung stets nur von Injektoren gesprochen wird, so sind damit auch Einspritzventile, Düsenhalter aber auch andere temperaturführende Bauteile gemeint. Die Beschreibung der Erfindung erfolgt lediglich aus Gründen der
Übersichtlichkeit am Beispiel der Befestigung eines Injektors an einem Zylinderkopf, wobei es für den Fachmann klar ist, dass die im Zusammenhang mit der Erfindung beschriebene technische Lehre auch ohne weiteres auf andere ähnlich gelagerte Anwendungsfälle übertragbar ist.
Selbstverständlich hängt die Temperaturdehnung von temperaturführenden Bauteilen nicht nur vom
Temperaturausdehnungskoeffizient des Bauteils, sondern auch von dessen wirksamer Länge ab. Je länger ein Bauteil ist, desto größer ist die Temperaturdehnung und umgekehrt.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt,^ eine Spannhülse, die sich einenends an dem Injektor stützt und anderenends von einer Spannpratze mit einer Druckspannung beaufschlagt wird, zur Verspannung eines Injektors mit einem Zylinderkopf vorzusehen. Die Spannpratze wird beispielsweise über einen Stehbolzen und eine Mutter mit dem Zylinderkopf verbunden und vorgespannt. Die bislang eingesetzten Spannhülsen bestehen, ebenso wie die Injektoren, aus Stahl.
Vorteile der Erfindung
Bei einer Spannhülse zum Verspannen eines ersten Bauteils aus einem ersten Werkstoff mit einem zweiten Bauteil aus einem zweiten Werkstoff, wobei die
Temperaturausdehnungskoeffizienten von erstem Werkstoff und zweitem Werkstoff verschieden sind, wobei eine Auflagefläche des ersten Bauteils auf dem zweiten Bauteil und einen Ort der Krafteinleitung der Vorspannkraft in das zweite Bauteil in Richtung einer Längsachse des ersten Bauteils einen Versatz aufweisen und wobei der Versatz mindestens teilweise durch eine Spannhülse überbrückt wird, wird erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein wirksamer Temperaturausdehnungskoeffizient der Spannhülse so gewählt wird, dass die unterschiedlichen wirksamen Temperaturausdehnungen von erstem Bauteil und zweitem Bauteil im wesentlichen kompensiert werden.
Dadurch ist es möglich, die Anpresskraft des ersten Bauteils auf dem zweiten Bauteil unabhängig von der Temperatur beider Bauteile konstant zu halten, so dass sich über den gesamten Betriebsbereich konstante
Anpressbedingungen ergeben. Dadurch ist gewährleistet, dass einerseits keines der Bauteile überlastet wird und andererseits auch stets eine ausreichende Anpresskraft zwischen erstem Bauteil und zweitem Bauteil vorhanden ist. Infolge dessen ist die Dichtheit zwischen Injektor und Zylinderkopf unabhängig von der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine stets gewährleistet.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass die Spannhülse aus n Druckohren besteht, mit n größer oder gleich 1, und n-1 Zugrohren besteht, und dass der Temperaturausdehnungskoeffizient der Druckrohre von dem Temperaturausdehnungskoeffizient der Zugrohre verschieden ist .
Wenn n = 1 ist, besteht eine solche Spannhülse lediglich aus einem Druckrohr und hat kein Zugrohr. In anderen Worten: Die Spannhülse besteht aus einem zylindrischen Rohrstück. In diesem Fall entspricht der wirksame Temperaturausdehnungskoeffizient dem Temperaturausdehnungskoeffizient des Werkstoffs, aus dem die Spannhulse gefertigt ist.
Wenn nun beispielsweise der Versatz zwischen der Auflageflache des ersten Bauteils auf dem zweiten Bauteil und der Ort der Krafteinleitung der Vorspannkraft in das zweite Bauteil in Richtung der Langsachse des ersten Bauteils um eine Lange lgesamt versetzt ist und gleichzeitig die Lange der Spannhulse 1H kleiner als die Lange lgesamt ist, dann kann durch die Wahl eines geeigneten Werkstoffs der Spannhulse ein vollständiger Temperaturausgleich erzielt werden. Im bereits weiter oben angesprochenen Fall, dass ein Injektor aus Stahl mit einem Zylinderkopf aus Aluminium verspannt werden soll, bedeutet dies, dass der Temperaturausdehnungskoeffizient der Spannhulse großer als der Temperaturausdehnungskoeffizient des Zylinderkopfs sein muss, um einen vollständigen Ausgleich der Temperaturausdehnungen zu erreichen. Ein vollständiger Temperaturausgleich ist dann gegeben, wenn folgende Bedingung erfüllt ist: lgesamt X 01A1 = l lnj ektor X OCSt + 1H X CCH •
Mit
lgesamt: Versatz zwischen der Auflageflache des ersten Bauteils auf dem zweiten Bauteil und dem Ort der Einleitung der Vorspannkraft in das zweite Bauteil in Richtung einer Langsachse des ersten Bauteils.
(AI: Temperaturausdehnungskoeffizient des Werkstoffs (hier: Aluminium) des zweiten Bauteils, nämlich des Zylinderkopfs. liretor : Lange des Abschnitts der zweiten Bauteils (hier: Injektor), dessen Temperaturausdehnung zur Änderung der Vorspannkraft beitragt. st Temperaturausdehnungskoeffizient des ersten Bauteils .
1H : Lange der Spannhulse und
OCH: Temperaturausdehnungskoeffizient der Spannhulse.
Aus der obigen Gleichung ergibt sich, dass es durch eine geeignete Dimensionierung des ersten Bauteils, des zweiten Bauteils und der Spannhulse sowie einer darauf abgestimmten Werkstoffwahl dieser Bauteile möglich ist, die temperaturausdehnungsbedingten Änderungen der Vorspannkraft zwischen dem Injektor und einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine auszugleichen. Es ist auch möglich, die Änderungen nicht ganz zu kompensieren oder, wenn es gewünscht wird, sogar zu uberkompensieren.
Die tatsachliche Auslegung einer Verspannung zwischen einem Injektor und einem Zylinderkopf kann je nach Anwendungsfall unter Zugrundelegung der oben genannten Gleichung von einem Fachmann ohne weiteres erfolgen.
Wenn die Spannhulse aus mehr als einem Druckrohr und einer entsprechenden Zahl von Zugrohren besteht, ergeben sich weitere Freiheitsgrade bei der Auslegung der Verspannung zwischen Injektor und Zylinderkopf.
Eine vollständige Kompensation der Temperaturausdehnungen wird dann erreicht, wenn die Summe der
Temperaturausdehnungen der in Druckrohre und des auf Druck belasteten Abschnitts des ersten Bauteils sowie eventuell vorhandener weiterer auf Druck beanspruchter Bauteile gleich der Summe der Temperaturdehnungen des auf Zug beanspruchten Abschnittes des zweiten Bauteils ist.
Eine nur teilweise Kompensation der Temperaturausdehnung wird beispielsweise dann erreicht, wenn das einzige Druckrohr der Spannhülse aus dem gleichen Werkstoff wie das zweite Bauteil hergestellt wird.
Die erfindungsgemäße Spannhülse kann besonders vorteilhaft beim Verspannen eines Injektors, einer Einspitzdüse oder eines Düsenhalters, welches im Zusammenhang mit der Erfindung als erstes Bauteil bezeichnet wird, und einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine, welcher im Zusammenhang mit der Erfindung als zweites Bauteil bezeichnet wird, eingesetzt werden.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle dort genannten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Zeichnung
Es zeigen:
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Spannhülse und
Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Spannhülse Figur 3: eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit erfindungsgemäßen Injektoren .
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist eine an sich aus dem Stand der Technik bekannte Einbausituation eines Injektors 1 in einem Zylinderkopf 3 einer Brennkraftmaschine im Schnitt dargestellt .
Wie aus Figur 1 ersichtlich, wird der Injektor 1 so in eine Stufenbohrung 5 des Zylinderkopfs 3 eingeführt, dass eine Spitze 7 des Injektors 1 mit nicht dargestellten
Spritzlöchern in einen Brennraum 9 des Zylinderkopfs 3 ragt .
Auf einem Absatz 11 der Stufenbohrung 5 liegt eine Dichtscheibe 13, welche beispielsweise aus Messing hergestellt sein kann. Der Injektor 1 wiederum stützt sich mit einem Absatz 15 auf der Dichtscheibe 13 ab.
Damit eine gasdichte Verbindung zwischen dem Absatz 11 des Zylinderkopfs 3, der Dichtscheibe 13 und dem Absatz 15 des Injektors 1 entsteht, ist es notwendig, den Injektor 1 mit dem Zylinderkopf 3 zu verspannen. Dies geschieht, wie bereits aus dem Stand der Technik bekannt, durch eine Spannpratze 17 und eine Spannhülse 19.
Die Spannpratze 17 weist an ihrem dem Injektor 1 zugewandten Ende eine gabelförmige Ausgestaltung mit zwei Zinken auf, von denen nur eine Zinke 21 in Figur 1 sichtbar ist . An ihrem den Zinken 21 entgegengesetzten Ende liegt die Spannpratze 17 auf einer Oberkante 23 des Zylinderkopfs 3 auf. Etwa in der Mitte der Spannpratze 17 weist diese eine Durchgangsbohrung 25 auf, durch die ein mit dem Zylinderkopf 3 verschraubter Stehbolzen 27 ragt. Durch Anziehen einer Mutter 29, die auf den Stehbolzen 27 aufgeschraubt ist, kann die notwendige Anpresskraft zwischen der Spannpratze 17 und der Spannhülse 19 aufgebaut werden.
An ihrem der Spannpratze 17 abgewandten Ende stützt sich die Spannhülse 19 mittelbar an dem Injektor 1 ab und überträgt so die von der Spannpratze 17 in die Spannhülse 19 eingeleitete Anpresskraft auf den Injektor 1. Um eine platzsparende und gleichzeitig einfache Kraftübertragung der Vorspannkraft von der Spannhülse 19 auf den Injektor 1 zu gewährleisten, ist im Injektor 1 eine Umfangsnut 31 ausgebildet, in die ein Drahtring 33 eingelegt wird. Die Tiefe der Umfangsnut 31 ist so mit dem Durchmesser des Drahtrings 33 abgestimmt, dass ein Teil des Drahtrings 33 in radialer Richtung über den Injektor 1 hinausragt und so ein Abstützen der Spannhülse 19 auf dem Drahtring 33 ermöglicht .
Durch die Ausgestaltung der Spannhülse 19 an ihrem dem Drahtring 33 zugewandten Ende in Form eines Viertel Radiusses (siehe Figur 2) ist gewährleistet, dass der Drahtring 33 nicht aus der Umfangsnut 31 springen kann. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf diese Art der Einleitung der Spannkraft in die Spannhülse durch eine Pratze 17 und die Weiterleitung dieser Spannkraft mit Hilfe einer Umfangsnut 31 und eines Drahtrings 33 in den Injektor 1 beschränkt. Üblicherweise werden Injektor 1 und Zylinderkopf 3 wahrend der Motorenmontage bei Raumtemperatur durch Anziehen der Mutter 29 miteinander verspannt. Dabei wird eine solche Spannkraft aufgebaut, dass zwischen der Dichtscheibe 13 und den Absatzen 11 des Zylinderkopfs sowie dem Absatz 15 des Injektors 1 trotz der im Brennraum 9 herrschenden hohen Drucke eine gasdichte Abdichtung zwischen Injektor 1 und Zylinderkopf 3 hergestellt wird.
Selbstverständlich soll diese Dichtverbindung bei allen in der Praxis vorkommenden Betriebstemperaturen, d.h. von etwa -40°C bis +140°C, gasdicht sein. Diese Forderung wird durch eine erfindungsgemaße Ausgestaltung der Spannhulse 19 ohne weiteres erfüllt, wenn nämlich die unterschiedlichen Temperaturausdehnungen des Zylinderkopfs 3, des Injektors 1 und der Spannhulse 19, sowie des Dichtrings 13 in geeigneter Weise aufeinander abgestimmt werden.
Grundsatzlich bemisst sich die Temperaturausdehnung eines Bauteils nach der Formel Δl = Δτ x α x 1 •
Mit:
Δl : Temperaturbedingte Langenanderung des Bauteils,
ΔT: Temperaturanderung des Bauteils. '. Temperaturausdehnungskoeffizient des Bauteils (Stoffgroße) .
1: Wirksame Lange des Bauteils.
Unter der Annahme, dass sowohl der Injektor 1, der Zylinderkopf 3, die Spannhulse 19 und die Dichtscheibe 13 stets die gleichen Temperaturen haben, ist somit eine vollständige Kompensation der temperaturbedingten Änderung der Spannkraft Fv gegeben, wenn folgende Gleichung erfüllt ist :
αzylindrkopf lgesamt = OCH 1H + OCInj ektor X l ln3 ektor + IDS X OCDS •
Mit:
lgesamt: Axialer Versatz zwischen dem Absatz 11 der Sacklochbohrung 5 und der Oberkante 13 des Zylinderkopfs 3.
αzyimderopf : Temperaturausdehnungskoeffizient des Zylinderkopfs 3.
1H : Länge der Spannhülse 19.
ocspannhuise : Wirksamer Temperaturausdehnungskoeffizient der Spannhulse 19.
liroetor: Wirksame Länge des Injektors 1.
αir etor Temperaturausdehnungskoeffizient des Injektors 1.
IDS: Dicke der Dichtscheibe 13 und
CXDS : Temperaturausdehnungskoeffizient der Dichtscheibe 13.
Allgemein ausgedrückt muss die Summe der Temperaturdehnungen der auf Zug beanspruchten Bauteile (hier: Zylinderkopf 3) und die Summe der Temperaturausdehnungen der auf Druck beanspruchten Bauteile (hier: Spannhulse 19, Injektor 1 in dem Bereich zwischen der Umfangsnut 31 und dem Absatz 15 sowie Dichtscheibe 13) gleich sein. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, dann ist die Vorspannkraft Fv zwischen dem Injektor 1, der Dichtscheibe 13 und dem Absatz 11 des Zylinderkopfs 3 unabhängig von der Bauteiltemperatur. Aus der oben beschriebenen Gleichung ergibt sich weiter, dass abhangig von den verwendeten Materialien für den Zylinderkopf 3, den Injektor 5, die Spannhulse 19, die Dichtscheibe 13 sowie den Langen lgesamt, 1H, Injetor, IDS die Erfüllung dieser Gleichung möglich ist. Es ist für einen Fachmann auf dem Gebiet der Motorenkonstruktion ohne weiteres möglich aus dem zuvor Gesagten eine erfindungsgemaße temperaturkompensierte Verspannung zwischen Injektor 1 und Zylinderkopf 3 herzustellen, wenn ihm die für einen konkreten Anwendungsfall vorgegebenen Randbedingungen, insbesondere Abmessungen der Bauteile und die zur Verfugung stehenden Materialien bekannt sind.
Wenn es gewünscht wird, kann die Vorspannkraft Fv in Abhängigkeit der Temperatur des Injektors 1, des Zylinderkopfs 3, der Spannhulse 19 und der Dichtscheibe 13 auch mehr oder weniger uberkompensiert werden, wenn dies in einem konkreten Anwendungsfall gewünscht wird. Diese Uber- oder Unterkompensation wird ebenfalls von dem beanspruchten Erfindungsgedanken getragen.
Nachfolgend wird ein Ausfuhrungsbeispiel einer erfindungsgemaßen Spannhulse 19 beschrieben, das aus zwei Druckrohren 37 und 39 und einem dazwischen angeordneten Zugrohr 41 besteht.
Die Druckrohre 37 und 39 sowie das Zugrohr 41 sind so angeordnet, dass die am oberen Ende von der nicht dargestellten Spannpratze 17 in das Druckrohr 37 eingeleitete Vorspannkraft Fv den in Figur 2 auf der linken Bildhalfte den durch einen Pfeil 43 angedeuteten maanderformigen Kraftfluss hat, bis die Vorspannkraft Fv schließlich über den nicht dargestellten Drahtring 33 in den Injektor 1 eingeleitet wird (siehe auch Figur 1) .
Anhand des Pfeiles 43 wird auch deutlich, dass die Druckrohre 37 und 39 auf Druck beansprucht werden, wahrend das Zugrohr 41 auf Zug beansprucht wird. Damit das Zugrohr 41 eine Spannkraft Fv vom Druckrohr 37 auf das Druckrohr 39 ubertagen kann, weist das Zugrohr 41 an seinem in Figur 2 unteren Ende einen ersten radial nach außen gerichteten Absatz 45 auf. Die Kraftübertragung der Vorspannkraft Fv vom Zugrohr 41 auf das zweite Druckrohr 39 erfolgt am oberen Ende des Zugrohrs 41 durch einen radial nach innen gerichteten zweiten Absatz 47.
Wenn nun, wie erfindungsgemaß vorgesehen, die Druckrohre 37 und 39 aus einem Material mit einem anderen
Temperaturausdehnungskoeffizienten cc als das Zugrohr 41 hergestellt wird, kann bei gleicher Baulange 1H,gesamt der Spannhulse 19 die Fähigkeit zur Kompensation temperaturbedingter Änderungen der Vorspannkraft Fv zu kompensieren, zunehmen. Wenn namlich, die erfindungsgemaße Spannhulse 19 gemäß Figur 2 anstelle der in Figur 1 gezeichneten Spannhulse 19 eingebaut wird und der Temperaturausdehnungskoeffizient der Druckrohre 37 und 39 großer ist als der Temperaturausdehnungskoeffizient des Zugrohrs 41, dann ergibt sich, bezogen auf die Lange 1H der Spannhulse 19 ein wirksamer
Temperaturausdehnungskoeffizient cwirksam, der sich nach folgender Gleichung berechnen lasst. 1H X CCwirksam — 137 X Druckrohr 37 + I39 X OCDruckrohr 39 _ 141 X OCZugrohr 41 •
Mit 1H Länge der Spannhülse 19. ccwirksam effektiver Temperaturausdehnungskoeffizient 13 Länge des ersten Druckrohrs 37 αDrucrohr 37 Temperaturausdehnungskoeffizient des Druckrohr 37 I39: Länge des zweiten Druckrohrs 39 αDrucrohr 39: Temperaturausdehnungskoeffizient des zweiten Druckrohrs 39 l ι: Länge des Zugrohrs 41 αzugroh 4i: Temperaturausdehnungskoeffizient des Zugrohrs.
Durch Betrachten der oben genannten Formel wird deutlich, dass der effektive oder wirksame
Temperaturausdehnungskoeffizient αwirksam um so größer ist, je größer die Differenz zwischen den Temperaturausdehnungskoeffizienten αDruckohr 37 und αDruckrohr 39 einerseits und des Temperaturausdehnungskoeffizienten αzugrohr 41 andererseits ist. Selbstverständlich kann auch durch die Änderung der Längen 139, 13 und I41 die Temperaturkompensation beeinflusst werden.
Nachfolgend werden drei vereinfachte Berechnungsbeispiele (ohne Schrauben, ohne Spannpratze) basierend auf den Ausführungsbeispielen gemäß Figur 1 und 2 dargestellt:
lgesamt- 100 mm
1H = 60 mm l lnj ektor 38 mm hDs= 2 mm (Material: Messing) αcuzn= 18,5*10-6 1/K
OAI= 23,8*10-6 1/K αst= 11,5*10-6 1/K
ΔT= 100 K (Temperaturanderung)
1. Langenanderung fz in Folge einer Temperaturanderung ΔT von 100 K des Zylinderkopfs 3, des Injektors 1, der Spannhulse 19 aus Stahl und der Dichtscheibe (DS) 13 bei einer Ausfuhrung nach Figur 1:
fz= Δlzyl.Kopf- (Δlln3/St+Δlspannhulse+ΔlDs) fz= 0,238 mm - 0,045 mm - 0, 0712 mm = 0,1216 mm
2. Wie Beispiel 1, aber mit einer Spannhulse 19 aus Aluminium:
fz= Δlzyl.Kopf- (ΔlH,Al+Δllr ,St+Δ Ds) fz= 0,238 mm - 0,1428 mm - 0,0437 mm - 0,0479 mm = 0,048 mm
Das heißt durch die Verwendung einer Spannhulse aus Aluminium ergibt sich eine Reduzierung des Setzbetrags fz um ca. 60%.
3. Langenanderung fz in Folge einer Temperaturanderung ΔT von 100 K bei einer Ausfuhrung nach Figur 2 mit zwei Druckrohren 37 und 39 und einem Zugrohr 41:
Figure imgf000016_0001
fz— Δlzyl . Kopf- ( ΔlH, gesamt+Δllnj , St+ΔhDs )
ΔlH, gesamt= [ ( 1H, 37 + 1H, 39 ) *OA1 - 1H, 41 *ttSt ] *Δ = 0 , 2038 mm fz= 0,238 mm - (0,2038 mm + 0,047 mm) = -0,0132 mm
D. h. bei diesem Ausführungsbeispiel erhöht sich die Anpresskraft bei zunehmender Temperatur sogar leicht.
Durch eine Anpassung der Geometrie oder Werkstoffauswahl kann der Einfluss der Temperatur auf die Anpresskraft und der Abfall der Anpresskraft durch Fließvorgänge in den Trennfugen zu 100% kompensiert werden.
Anhand der Figur 3 wird nachfolgend erläutert, wie ein Injektor 1 in eine Kraftstoffeinspritzanlage 102 einer Brennkraftmaschine integriert ist. Die
Kraftstoffeinspritzanlage 102 umfasst einen Kraftstoffbehälter 104, aus dem Kraftstoff 106 durch eine elektrische oder mechanische Kraftstoffpumpe 108 gefördert wird. Über eine Niederdruck-Kraftstoffleitung 110 wird der Kraftstoff 106 zu einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe 111 gefördert. Von der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 111 gelangt der Kraftstoff 106 über eine Hochdruck-Kraftstoffleitung 112 zu einem Common-Rail 114. An dem Common-Rail sind mehrere Injektoren 1 angeschlossen, die den Kraftstoff 106 direkt in Brennräume 118 einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine einspritzen.

Claims

Ansprüche
1. Spannhulse zum Verspannen eines ersten Bauteils (1) aus einem ersten Werkstoff (St) mit einem zweiten Bauteil (3) aus einem zweiten Werkstoff (AI), wobei die Temperaturausdehnungskoeffizienten (α) von erstem Werkstoff (St) und zweitem Werkstoff (AI) verschieden sind, wobei eine Auflageflache (15) des ersten Bauteils (1) auf dem zweiten Bauteil (3) und ein Ort (23) der Krafteinleitung der Vorspannkraftkraft in das zweite Bauteil (3) in Richtung einer Langsachse des ersten Bauteils (1) einen Versatz (lgesamt) aufweisen, und wobei der Versatz (lgesamt) mindestens teilweise durch eine Spannhulse (19) überbrückt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein wirksamer
Temperaturausdehnungskoeffizient (αwιrksam) der Spannhulse (19) so gewählt wird, dass die unterschiedlichen Temperaturdehnungen von erstem Bauteil (1) und zweitem Bauteil (3) im Wesentlichen kompensiert werden.
2. Spannhulse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannhulse (19) aus n Druckrohren (37, 39) besteht, mit n großer oder gleich 1, und n-1 Zugrohren (41) besteht, und dass der Temperaturausdehnungskoeffizient (αA1) der Druckrohre (37, 39) von dem Temperaturausdehnungskoeffizient (o;st) des oder der Zugrohre (41) verschieden ist.
3. Spannhulse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Temperaturdehnungen der n Druckrohre (37, 39) und des auf Druck belasteten Abschnitts des ersten Bauteils (1) sowie eventuell vorhandener weiterer auf Druck beanspruchter Bauteile (13) im wesentlichen gleich der Summe der Temperaturdehnungen eines auf Zug beanspruchten Abschnittes (lgesamt) des zweiten Bauteils (3) ist.
4. Spannhülse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wirksame Temperaturkoeffizient (ofwirksam) der Spannhülse (19) aus den Längen (13 139) der Druckrohre (37, 39) und den wirksamen Längen des oder der Zugrohre (41) sowie deren Temperaturausdehnungskoeffizienten ermittelt wird.
5. Spannhülse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckrohr (37, 39) der Spannhülse (19) aus dem gleichen Werkstoff wie das zweite Bauteil (3) hergestellt werden.
6. Spannhülse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil ein Injektor (1), eine Einspritzdüse oder ein Düsenhalter einer Brennkraftmaschine ist.
7. Spannhülse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil ein Zylinderkopf (3) einer Brennkraftmaschine ist.
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