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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Brennstoffeinspritzvorrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs.
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In der 1 ist beispielhaft eine aus dem Stand der Technik bekannte Brennstoffeinspritzvorrichtung gezeigt, bei der an einem in einer Aufnahmebohrung eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine eingebauten Brennstoffeinspritzventil ein flaches Zwischenelement vorgesehen ist. In bekannter Weise werden solche Zwischenelemente als Abstützelemente in Form einer Unterlegscheibe auf einer Schulter der Aufnahmebohrung des Zylinderkopfes abgelegt. Mit Hilfe solcher Zwischenelemente werden Fertigungs- und Montagetoleranzen ausgeglichen und eine querkraftfreie Lagerung auch bei leichter Schiefstellung des Brennstoffeinspritzventils sichergestellt. Die Brennstoffeinspritzvorrichtung eignet sich besonders für den Einsatz in Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden fremdgezündeten Brennkraftmaschinen.
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Eine andere Art eines einfachen Zwischenelements für eine Brennstoffeinspritzvorrichtung ist bereits aus der
DE 101 08 466 A1 bekannt. Bei dem Zwischenelement handelt es ich um einen Unterlegring mit einem kreisförmigen Querschnitt, der in einem Bereich, in dem sowohl das Brennstoffeinspritzventil als auch die Wandung der Aufnahmebohrung im Zylinderkopf kegelstumpfförmig verlaufen, angeordnet ist und als Ausgleichselement zur Lagerung und Stützung des Brennstoffeinspritzventils dient.
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Als Sicherungsmaßnahme gegen ein axiales Verschieben des Brennstoffeinspritzventils in der Aufnahmebohrung des Zylinderkopfes in jedem Betriebszustand, inklusive einem Notlaufbetrieb bei Ausfall der Hochdruckpumpe ist es bekannt, einen Niederhalter einzusetzen, der gegen die Brennstoffverteilerleitung abgestützt das Brennstoffeinspritzventil stets in die Aufnahmebohrung des Zylinderkopfes niederdrückt, wie dies
1 verdeutlicht. Beispielhaft sei auch die
DE 10 2005 020 380 A1 genannt, in der verschiedene Ausführungsformen von Niederhaltern beschrieben sind.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass in einfacher und leicht montierbarer Art und Weise ein unzulässiges axiales Verschieben des Brennstoffeinspritzventils in der Aufnahmebohrung des Zylinderkopfes in jedem Betriebszustand, inklusive einem Notlaufbetrieb bei Ausfall der Hochdruckpumpe unter Verzicht auf einen Niederhalter verhindert wird. In vorteilhafter Weise wird deshalb am Außenumfang des Brennstoffeinspritzventils eine Nut eingeformt, in die ein erfindungsgemäßer Sicherungsring eingebracht ist, der im montierten Zustand des Brennstoffeinspritzventils eine solche Vorspannkraft und Reibkraft auf die Wandung der Aufnahmeöffnung des Anschlussstutzens der Brennstoffverteilerleitung oder der Aufnahmebohrung des Zylinderkopfes ausübt, so dass das Brennstoffeinspritzventil gegen unzulässiges axiales Verschieben in jedem Betriebszustand gesichert ist. Die Reibkraft des Sicherungsrings muss dazu so groß sein, dass das Brennstoffeinspritzventil immer sicher gegen die Kraft durch den Brennraumdruck abgestützt ist.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Brennstoffeinspritzvorrichtung möglich.
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In vorteilhafter Weise besitzt der Sicherungsring eine speziell bearbeitete Außenseite. Zur Erhöhung des Reibkoeffizienten µ sind beispielsweise Strukturen am Außenumfang des Sicherungsrings, wie Rändelungen, Kreuzrändelungen, zur Erhöhung des Reibkoeffizienten µ vorgesehen. In besonders vorteilhafter Weise können auch Maßnahmen wie Strahlbehandlungen, Feuerverzinken oder Beschichtungen, z.B. eine Alkali-Silikat-Zinkstaubbeschichtung, an der Außenseite des Sicherungsrings für eine Erhöhung des Reibkoeffizienten µ sorgen.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
- 1 eine teilweise dargestellte Brennstoffeinspritzvorrichtung in einer bekannten Ausführung eines Niederhalters,
- 2 eine Brennstoffeinspritzvorrichtung in Schnittdarstellung mit einem erfindungsgemäßen Sicherungsring in der Aufnahmeöffnung des Anschlussstutzens einer Brennstoffverteilerleitung,
- 3 einen vergrößerten Ausschnitt III aus der 2 in einer Einbausituation mit dem erfindungsgemäßen Sicherungsring,
- 4 eine erste Ausführungsform eines Sicherungsrings in Draufsicht und Schnitt,
- 5 eine zweite Ausführungsform eines Sicherungsrings in Draufsicht und Schnitt,
- 6 eine dritte Ausführungsform eines Sicherungsrings in Draufsicht und Schnitt,
- 7 eine vierte Ausführungsform eines Sicherungsrings in Draufsicht und Schnitt,
- 8 eine fünfte Ausführungsform eines Sicherungsrings in Draufsicht und Schnitt,
- 9 eine Brennstoffeinspritzvorrichtung in Schnittdarstellung mit einem erfindungsgemäßen Sicherungsring in der Aufnahmebohrung eines Zylinderkopfes,
- 10 einen vergrößerten Ausschnitt X aus der 9 in einer Einbausituation mit dem erfindungsgemäßen Sicherungsring und
- 11 eine alternative Ausführung in einer Darstellung analog dem vergrößerten Ausschnitt gemäß 3 in einer Einbausituation mit dem erfindungsgemäßen Sicherungsring.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Zum Verständnis der Erfindung wird im Folgenden anhand der 1 eine bekannte Ausführungsform einer Brennstoffeinspritzvorrichtung näher beschrieben. In der 1 ist als ein Ausführungsbeispiel ein Ventil in der Form eines Einspritzventils 1 für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden fremdgezündeten Brennkraftmaschinen in einer Seitenansicht dargestellt. Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist Teil der Brennstoffeinspritzvorrichtung. Mit einem stromabwärtigen Ende ist das Brennstoffeinspritzventil 1, das in Form eines direkt einspritzenden Einspritzventils zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum 25 der Brennkraftmaschine ausgeführt ist, in eine Aufnahmebohrung 20 eines Zylinderkopfes 9 eingebaut. Ein Dichtring 2, insbesondere aus Teflon ®, sorgt für eine optimale Abdichtung des Brennstoffeinspritzventils 1 gegenüber der Wandung der Aufnahmebohrung 20 des Zylinderkopfes 9.
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Zwischen einem Absatz 21 eines Ventilgehäuses 22 (nicht gezeigt) oder einer unteren Stirnseite 21 eines Abstützelements 19 (1) und einer z.B. rechtwinklig zur Längserstreckung der Aufnahmebohrung 20 verlaufenden Schulter 23 der Aufnahmebohrung 20 ist ein flaches Zwischenelement 24 eingelegt, das in Form einer Unterlegscheibe ausgeführt ist. Mit Hilfe eines solchen Zwischenelements 24 bzw. zusammen mit einem steifen Abstützelement 19, das z.B. zum Brennstoffeinspritzventil 1 hin nach innen eine gewölbte Berührungsfläche besitzt, werden Fertigungs- und Montagetoleranzen ausgeglichen und eine querkraftfreie Lagerung auch bei leichter Schiefstellung des Brennstoffeinspritzventils 1 sichergestellt.
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Das Brennstoffeinspritzventil 1 weist an seinem zulaufseitigen Ende 3 eine Steckverbindung zu einer Brennstoffverteilerleitung (Fuel Rail) 4 auf, die durch einen Dichtring 5 zwischen einem Anschlussstutzen 6 der Brennstoffverteilerleitung 4, der im Schnitt dargestellt ist, und einem Zulaufstutzen 7 des Brennstoffeinspritzventils 1 abgedichtet ist. Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist in eine Aufnahmeöffnung 12 des Anschlussstutzens 6 der Brennstoffverteilerleitung 4 eingeschoben. Der Anschlussstutzen 6 geht dabei z.B. einteilig aus der eigentlichen Brennstoffverteilerleitung 4 hervor und besitzt stromaufwärts der Aufnahmeöffnung 12 eine durchmesserkleinere Strömungsöffnung 15, über die die Anströmung des Brennstoffeinspritzventils 1 erfolgt. Das Brennstoffeinspritzventil 1 verfügt über einen elektrischen Anschlussstecker 8 für die elektrische Kontaktierung zur Betätigung des Brennstoffeinspritzventils 1.
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Um das Brennstoffeinspritzventil 1 und die Brennstoffverteilerleitung 4 weitgehend radialkraftfrei voneinander zu beabstanden und das Brennstoffeinspritzventil 1 sicher in der Aufnahmebohrung des Zylinderkopfes 9 niederzuhalten, ist ein Niederhalter 10 zwischen dem Brennstoffeinspritzventil 1 und dem Anschlussstutzen 6 vorgesehen. Der Niederhalter 10 ist als bügelförmiges Bauteil ausgeführt, z.B. als Stanz-BiegeTeil. Der Niederhalter 10 weist ein teilringförmiges Grundelement 11 auf, von dem aus abgebogen ein Niederhaltebügel 13 verläuft, der an einer stromabwärtigen Endfläche 14 des Anschlussstutzens 6 an der Brennstoffverteilerleitung 4 im eingebauten Zustand anliegt.
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Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine sichere und zuverlässige Niederhaltung des Brennstoffeinspritzventils 1 auch ohne einen Niederhalter 10 in der bekannten Form in allen Betriebszuständen inkl. einem Notlaufbetrieb bei Ausfall der Hochdruckpumpe zu gewährleisten. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass ein in einer Nut 41, 51 des Brennstoffeinspritzventils 1 eingebrachter Sicherungsring 40 im montierten Zustand des Brennstoffeinspritzventils 1 eine solche Vorspannkraft FV und Reibkraft FR auf die Wandung der Aufnahmeöffnung 12 des Anschlussstutzens 6 oder der Aufnahmebohrung 20 des Zylinderkopfes 9 ausübt, dass das Brennstoffeinspritzventil 1 gegen unzulässiges axiales Verschieben in jedem Betriebszustand gesichert ist.
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In der 2 ist eine Brennstoffeinspritzvorrichtung in Schnittdarstellung mit einem erfindungsgemäßen, an dem Brennstoffeinspritzventil 1 angebrachten Sicherungsring 40 in der Aufnahmeöffnung 12 des Anschlussstutzens 6 der Brennstoffverteilerleitung 4 gezeigt.
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An der Schulter 23 des Zylinderkopfes 9 liegt das Brennstoffeinspritzventil 1 über ein Entkopplungselement 240 mittelbar an. Das Entkopplungselement 240 weist eine napf- bzw. tellerförmige Gestalt auf. Mit dieser Ausgestaltung wird der in der Aufnahmebohrung 20 des Zylinderkopfes 9 typischerweise nur geringe Bauraum zugunsten eines möglichst günstigen konstanten Hebelarmes optimal genutzt. In bekannter Weise ist das Entkopplungselements 240 mittels einer Sicherungsscheibe 39 gesichert. Zur Verliersicherung des Entkopplungselements 240 am Brennstoffeinspritzventil 1 vor der Montage in der Aufnahmebohrung 20 wird diese bekannte Sicherungsscheibe 39 auf dem Ventilgehäuse 22 aufgepresst oder stoffschlüssig gefügt. Die Sicherungsscheibe 39 besitzt dazu einen radial äußeren Auflagebereich für das Entkopplungselement 240 sowie einen radial inneren Befestigungsbereich, der z.B. aus sich am Ventilgehäuse 22 verkrallenden oder verhakenden, umfänglich gezähnten Teilbereichen bestehen kann.
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Bei dieser Ausführung der Brennstoffeinspritzvorrichtung handelt es sich um ein System für die Benzindirekteinspritzung mit Brennstoffeinspritzventilen 1, die, wie gezeigt, mit einem elektromagnetischen Aktuator, aber auch mit Piezoaktoren betrieben und z.B. in einem Konstantdrucksystem eingesetzt werden.
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Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist über den Dichtring 2 zum Brennraum 25 hin abgedichtet. Durch den Brennraumdruck ergibt sich eine axial gerichtete Kraft F1 auf das Brennstoffeinspritzventil 1 an seinem abströmseitigen Ende. An seinem zuströmseitigen Ende ist das Brennstoffeinspritzventil 1 über den Dichtring 5 zur Brennstoffverteilerleitung 4 abgedichtet. Durch den Brennstoffdruck des zuströmenden Brennstoffs ergibt sich auf dieser gegenüberliegenden Seite eine ebenfalls axial gerichtete Gegenkraft F2. In allen üblichen und normalen Betriebszuständen gilt F2 > F1, so dass das Brennstoffeinspritzventil 1 „automatisch“ aufgrund der vorherrschenden Drücke in der Aufnahmebohrung 20 des Zylinderkopfes 9 ohne axiales Verrutschen verbleibt und über das Entkopplungselement 240 an der Schulter 23 des Zylinderkopfes 9 abgestützt ist.
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Anders stellt sich jedoch die Situation in einem Notlaufbetrieb dar, in dem der zuvor beschriebene bekannte Niederhalter 10 wirksam das Brennstoffeinspritzventil 1 in der Aufnahmebohrung 20 des Zylinderkopfes 9 niederhält. Der Notlaufbetrieb kann bei Ausfall der Hochdruckpumpe eintreten, wenn alleinig nur noch eine Niederdruckförderpumpe den Brennstoff fördert. In einem solchen Notlaufbetrieb beträgt der Brennraumdruck z.B. ca. 70 bar, während der Brennstoffdruck des zuströmenden Brennstoffs nur noch ca. 5 bar beträgt, was bedeutet, dass F2 < F1 gilt, was zu einem unerwünschten „Abheben“ des Brennstoffeinspritzventils 1 ohne Niederhalter 10 führen würde. Die Kraft F1 beträgt im Notlaufbetrieb immerhin zwischen ca. 200 N und 350 N.
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Alternativ zu einem mit einer komplexen Struktur ausgestalteten und im Einbau schwierig handhabbaren Niederhalter 10 soll nun erfindungsgemäß ein Sicherungsring 40 diese Funktion insbesondere im Notlaufbetrieb übernehmen.
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3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt III aus der 2 in einer Einbausituation mit dem erfindungsgemäßen Sicherungsring 40. Der Sicherungsring 40 wird in eine am äußeren Umfang des Zulaufstutzens 7 des Brennstoffeinspritzventils 1 eingeformte Nut 41 vor der Montage des Brennstoffeinspritzventils 1 an der Brennstoffverteilerleitung 4 eingelegt. Dabei besitzt der Sicherungsring 40 grundsätzlich ein radiales Spiel auf seiner Innenseite zum Nutgrund der Nut 41. Dagegen ist die Außenseite des Sicherungsrings 40 in seinem Durchmesser sowie der Oberflächenbeschaffenheit bzw. Rauheit derart ausgestaltet, dass eine ausreichend große radial wirkende Vorspannkraft FV und axial wirkende Reibkraft FR auf die Wandung der Aufnahmeöffnung 12 des Anschlussstutzens 6 ausgeübt wird. Der Reibkoeffizient µ des Sicherungsrings 40 muss so hoch sein, dass FR > F1 - F2 gilt. Allerdings sollte FR einen Betrag von ca. 500 N je nach Durchmesser der abspritzseitigen Ventilkuppe nicht überschreiten, da ansonsten das Entkopplungselement 240 zu stark vorgespannt würde und die Montage und Demontage des Brennstoffeinspritzventils 1 nicht mehr einfach ermöglicht wären.
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Bei der Montage des Brennstoffeinspritzventils 1 in der Aufnahmeöffnung 12 des Anschlussstutzens 6 findet eine gewisse Axialbewegung des Sicherungsrings 40 statt, wobei der Sicherungsring 40 in der Endposition des Brennstoffeinspritzventils 1 nach der Montage des Brennstoffeinspritzventils 1 im Zylinderkopf 9 an der unteren Nutflanke der Nut 41 aufsitzt. Neben dem radialen Spiel auf seiner Innenseite hat der Sicherungsring 40 deshalb auch ein axiales Spiel in der Nut 41 zur oberen Nutflanke hin, das mit dem Maß s1 gekennzeichnet ist. Im Betrieb unter Raildruck und erhöhten Temperaturen kann sich der Sicherungsring 40 in Richtung zur oberen Nutflanke verschieben. Das Maß s1 sollte jedoch so ausgelegt werden, dass der Sicherungsring 40 unter allen Betriebsbedingungen nicht an der oberen Nutflanke anstößt.
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In den 4 bis 8 sind verschiedene Ausführungsformen von Sicherungsringen 40 jeweils in Draufsicht und Schnitt dargestellt. Die Sicherungsringe 40 sind grundsätzlich so ausgeführt, dass sie in die Nut 41, 51 am Brennstoffeinspritzventil 1 vor der Montage des Brennstoffeinspritzventils 1 in der Aufnahmeöffnung 12 des Anschlussstutzens 6 bzw. in der Aufnahmebohrung 20 des Zylinderkopfes 9 einbringbar sind, entweder durch spezielle Formgebung oder Schlitzung. 4 zeigt einen geschlitzten Sicherungsring 40 mit einem rechteckigen Querschnitt; 5 zeigt einen geschlitzten Sicherungsring 40 mit einem runden Querschnitt ähnlich einem Sprengring; 6 zeigt einen geschlossenen Sicherungsring 40 in einer ovalen Grundgeometrie mit einem rechteckigen Querschnitt; 7 zeigt einen geschlossenen Sicherungsring 40 in einer unrunden Grundgeometrie mit einem rechteckigen Querschnitt, wobei die Geometrie so gewählt ist, dass der Sicherungsring 40 in die Nut 41, 51 eindehnbar ist und letztlich eine Anlage in der Aufnahmeöffnung 12 bzw. in der Aufnahmebohrung 20 an drei Umfangsbereichen ermöglicht ist; 8 zeigt einen geschlitzten Sicherungsring 40 mit einem rechteckigen Querschnitt, der aus zwei Teillagen bzw. Ringteilen zusammengesetzt ist.
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Der Reibkoeffizient µ des Sicherungsrings 40 kann z.B. durch Feuerverzinken (µ = ca. 0,46) oder durch Alkali-Silikat-Zinkstaubbeschichtung (µ = ca. 0,62) erhöht werden. Andere denkbare Maßnahmen zur Erhöhung des Reibkoeffizienten µ sind das Anbringen von speziellen Strukturen am Außenumfang des Sicherungsrings 40, wie z.B. Rändelungen, Kreuzrändelungen, Strahlbehandlungen. Diese Maßnahmen sind auch miteinander kombinierbar. Ein typischer Werkstoff für den Sicherungsring 40 könnte ein korrosionsbeständiger Federstahl, wie 1.4310 sein.
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9 zeigt eine Brennstoffeinspritzvorrichtung in Schnittdarstellung mit einem erfindungsgemäßen, an dem Brennstoffeinspritzventil 1 angebrachten Sicherungsring 40 in der Aufnahmebohrung 20 eines Zylinderkopfes 9. In der 10 ist ein vergrößerter Ausschnitt X aus der 9 in einer Einbausituation mit dem erfindungsgemäßen Sicherungsring 40 dargestellt. Der Sicherungsring 40 wird in eine am äußeren Umfang des Ventilgehäuses 22 des Brennstoffeinspritzventils 1 eingeformte Nut 51 vor der Montage des Brennstoffeinspritzventils 1 im Zylinderkopf 9 eingelegt. Dabei besitzt der Sicherungsring 40 grundsätzlich ein radiales Spiel auf seiner Innenseite zum Nutgrund der Nut 51. Dagegen ist die Außenseite des Sicherungsrings 40 in seinem Durchmesser sowie der Oberflächenbeschaffenheit bzw. Rauheit derart ausgestaltet, dass eine ausreichend große radial wirkende Vorspannkraft FV und axial wirkende Reibkraft FR auf die Wandung der Aufnahmebohrung 20 des Zylinderkopfes 9 ausgeübt wird. Der Reibkoeffizient µ des Sicherungsrings 40 muss so hoch sein, dass FR > F1 - F2 gilt. Allerdings sollte FR einen Betrag von ca. 500 N je nach Durchmesser der abspritzseitigen Ventilkuppe nicht überschreiten, da ansonsten das Entkopplungselement 240 zu stark vorgespannt würde und die Montage und Demontage des Brennstoffeinspritzventils 1 nicht mehr einfach ermöglicht wären.
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Bei der Montage des Brennstoffeinspritzventils 1 in der Aufnahmebohrung 20 des Zylinderkopfes 9 findet eine gewisse Axialbewegung des Sicherungsrings 40 mit statt, wobei der Sicherungsring 40 in der Endposition des Brennstoffeinspritzventils 1 nach der Montage des Brennstoffeinspritzventils 1 im Zylinderkopf 9 an der oberen Nutflanke der Nut 51 anliegt. Neben dem radialen Spiel auf seiner Innenseite hat der Sicherungsring 40 deshalb auch ein axiales Spiel in der Nut 51 zur unteren Nutflanke hin, das mit dem Maß s2 gekennzeichnet ist. Das Maß s2 sollte so ausgelegt werden, dass sich das Brennstoffeinspritzventil 1 unter allen Betriebsbedingungen nicht mehr als 0,3 mm, auf keinen Fall aber nicht mehr als 0,5 mm in axialer Richtung bewegen kann.
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In der 11 ist eine alternative Ausführung in einer Darstellung analog dem vergrößerten Ausschnitt gemäß 3 in einer Einbausituation mit dem erfindungsgemäßen Sicherungsring 40 dargestellt. Dabei ist beispielhaft ausgeführt, dass die Nutflanken der Nut 41 nicht unbedingt unter einem rechten Winkel zur Ventillängsachse verlaufen müssen, sondern auch unter Winkeln α, β in einer Größenordnung von 0° bis 45° verlaufen können. Dadurch können die Reibkräfte FR und somit die Aufpress- und Abzugskräfte vom Sicherungsring 40 erhöht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10108466 A1 [0003]
- DE 102005020380 A1 [0004]