Titel

Fluidverteiler für eine Einspritzanlage, insbesondere Brennstoffverteilerleiste für eine

Brennstoffeinspritzanlage für gemischverdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschinen

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Fluidverteiler für eine Einspritzanlage, insbesondere eine Brennstoffverteilerleiste für eine Brennstoffeinspritzanlage für gemischverdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschinen, sowie eine Einspritzanlage. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der Brennstoffeinspritzanlagen, die für gemischverdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschinen dienen, wobei die Brennstoffverteilerleiste beispielsweise in einem Motorraum eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist, an einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine befestigt ist und im Betrieb zur direkten Einspritzung von Brennstoff in Brennräume der Brennkraftmaschine dient.

Aus der Zusammenfassung und den Figuren der JP 2018-158372 A ist es bekannt, einen Grundkörper für eine Verteilerleiste durch Schmieden herzustellen. Hierbei wird das Material exzentrisch geschmiedet, so dass an dem geschmiedeten Grundkörper fünf Anschlusselemente, die nach dem Schmieden gebohrt werden, und auch zwei Halteelemente, die ebenfalls nach dem Schmieden noch gebohrt werden, durch das Schmieden gebildet werden.

Bei einem Grundkörper für eine Verteilerleiste, der entsprechend dem aus der Zusammenfassung und den Figuren der JP 2018-158372 A bekannten Verfahren hergestellt ist, weisen die durch das Schmieden an dem Grundkörper ausgebildeten und anschließend gebohrten Befestigungselemente eine hohe Festigkeit auf, so dass die gesamte Verteilerleiste mit geeigneten Anbauteilen zuverlässig montiert und befestigt werden kann, beispielsweise an einem Zylinderkopf in einem Motorraum.

Offenbarung der Erfindung Der erfindungsgemäße Fluidverteiler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die erfindungsgemäße Einspritzanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 10 haben den Vorteil, dass eine verbesserte Ausgestaltung und Funktionsweise ermöglicht sind. Insbesondere kann eine direkte Anbindung von Ventilen an den Hochdruckausgängen ermöglicht werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Fluidverteilers und der im Anspruch 10 angegebenen Einspritzanlage möglich.

Die vorgeschlagene Einspritzanlage kann insbesondere als Brennstoffeinspritzanlage ausgebildet sein, die zur Einspritzung eines Brennstoffes oder eines Gemisches mit zumindest einem Brennstoff dient. Ferner kann eine Einspritzanlage nicht nur für flüssige Fluide dienen, sondern gegebenenfalls auch das Einblasen von gasförmigen Fluiden, insbesondere brennbaren Gasen, ermöglichen.

In vorteilhafter Weise kann der Fluidverteiler über genau zwei Halteelemente an einem geeigneten Körper befestigt werden, was direkt oder auch mittelbar, beispielsweise über eine geeignete Haltestruktur, möglich ist. Wenn die Einspritzanlage beispielsweise als Brennstoffeinspritzanlage für Kraftfahrzeuge ausgebildet ist, dann besteht in der Regel das Erfordernis, die Einspritzanlage im Motorraum, insbesondere an einem Zylinderkopf, zu befestigen, wobei hohe Belastungen auftreten. Der Begriff Halteelement bezeichnet hier also die Elemente des Fluidverteilers, die entsprechend belastbar sind und an denen die zumindest mittelbare Befestigung des Fluidverteiler an einem geeigneten Körper, insbesondere Zylinderkopf, erfolgt.

Somit kann hier zwischen einem (hochfesten) Halteelement und, sofern vorgesehen, zumindest einem lediglich für geringe Belastungen dienenden Befestigungselement unterschieden werden, das beispielsweise zur Befestigung eines Kabelbaums dient. Die Halteelemente müssen in der Regel sehr hohen Belastungen standhalten. Wenn die Halteelemente geschmiedet an dem rohrförmigen Grundkörper ausgebildet werden, wie es bevorzugt ist, dann muss hierfür also in der Regel ein wesentlicher Materialeinsatz berücksichtigt werden.

Prinzipiell ist es allerdings auch denkbar, dass eine gelötete Ausgestaltung realisiert wird, bei der die Halteelemente durch Löten mit dem rohrförmigen Grundkörper verbunden sind. Bei einer geschmiedeten Ausgestaltung wird das Material zur Herstellung des rohrförmigen Grundkörpers und vorzugsweise auch der mit angeschmiedeten Halteelemente und Hochdruckausgänge beispielsweise von einem Rundmaterial abgelängt. Die Materialmenge ergibt sich dann mit einer gewissen Toleranz. Das abgelängte Material wird in eine Presse eingelegt, die aus einer Gesenkunterhälfte und einer Gesenkoberhälfte bestehen kann. Die Gesenkhälften geben hierbei eine Kontur für den Schmiedeprozess vor, die die geschmiedete Form des Grundkörpers definiert. Auch am unteren Toleranzende muss die Kontur beim Schmieden zu 100 % gefüllt werden können. Da die Kontur für den Grundkörper lokal variiert und beispielsweise Exzentrizitäten beziehungsweise einen lokalen Materialmehrbedarf vorsehen kann, ergibt sich in der Regel eine lokal variierende Menge des Materials, die zwischen den Gesenkhälften in einen zur Aufnahme von verdrängtem Material dienenden Spalt verdrängt wird. Dadurch kann die Schmiedekontur prozesssicher in ein oder mehreren Schmiedestufen erreicht werden. Vorteilhaft ist hierbei ein Einsatz hochqualitativer Werkstoffe, insbesondere hochqualitativer Stähle. Bevorzugt kommt zur Ausgestaltung des Grundkörpers, der Hochdruckausgänge und der Halteelemente ein Edelstahl zum Einsatz, wobei vorzugsweise eine einstückige Ausgestaltung durch Schmieden erfolgt.

Die Halteelemente des Fluidverteilers wirken im Betrieb den durch den hydraulischen Druck entstehenden Reaktionskräften der Ventile entgegen und können hierdurch in vorteilhafter Weise eine Durchbiegung des rohrförmigen Grundkörpers vermeiden; speziell kann es durch die Auflage der Ventile an einem Zylinderkopf zu Reaktionskräften kommen, die von dem Zylinderkopf zu dem Fluidverteiler gerichtet sind. Dadurch werden Bewegungen der Ventile relativ zu den Hochdruckausgängen reduziert. Dies reduziert wiederum die Belastungen, die auf Dichtungen zwischen den Ventilen und den Hochdruckausgängen wirken. Insbesondere wird ein Verschleiß von Dichtringen oder dergleichen verhindert. Andererseits ist eine gute Auflage des Fluidverteilers auf einem Zylinderkopf erforderlich, um beispielsweise Schrauben, die den rohrförmigen Grundkörper des Fluidverteilers an dem Zylinderkopf fixieren, nicht zu überlasten.

Durch eine vorgeschlagene Ausgestaltung kann insbesondere erreicht werden, dass diese Anforderungen bei drei Hochdruckausgängen mit nur zwei Halteelementen erfüllt werden können. Hierbei ist die Anordnung der Halteelemente an dem rohrförmigen Grundkörper wesentlich. Insbesondere beeinflusst die Anordnung der Halteelemente an dem rohrförmigen Grundkörper auch die Eigenfrequenz des Fluidverteilers, und unter Vibrationslasten müssen die Halteelemente und die diesbezügliche Befestigung den Fluidverteiler sicher auf beispielsweise einem Zylinderkopf in Position halten. Vorteilhafte Orientierungen beziehungsweise Anordnungen sind entsprechend Anspruch 2 und/oder Anspruch 3 möglich. Vorzugsweise werden die Halteelemente möglichst nah an der Längsachse des rohrförmigen Grundkörpers angeordnet, wie es in Anspruch 4 angegeben ist.

Durch eine vorteilhafte Ausgestaltung entsprechend Anspruch 5 ist eine weitere Optimierung möglich. Insbesondere kann hierdurch eine vergleichbare Belastung an Dichtungen, insbesondere O-Dichtringen, an den einzelnen Hochdruckausgängen erreicht werden, um eine Überlastung einer dieser Dichtungen zu verhindern. Die Positionierung der Halteelemente in Abhängigkeit von gegebenen Randbedingungen, insbesondere geometrischen Parametern, kann hierbei in vorteilhafter Weise über eine Simulation bestimmt werden. Ein wesentlicher Parameter ist hierbei der vorgegebene Abstand, der beispielsweise durch einen Zylinderabstand bei einer Brennkraftmaschine mit drei Zylindern vorgegeben ist. Besonders vorteilhafte Anordnungen der Halteelemente können entsprechend dem Anspruch 6 und/oder dem Anspruch 7 realisiert werden. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Fluidverteilers, bei der insbesondere eine einstückige Ausgestaltung durch Schmieden erfolgt, ist in Anspruch 8 angegeben. Die in Anspruch 9 angegebene vorteilhafte Ausgestaltung eignet sich besonders für Otto-Motoren beziehungsweise zur Einspritzung von Benzin und Benzingemischen.

Bei einer möglichen Ausbildung die Hochdruckausgänge als radiale Hochdruckausgänge an dem rohrförmigen Grundkörper ausgebildet. Der rohrförmige Grundkörper ist vorzugsweise aus einem korrosionsbeständigen Edelstahl, insbesondere aus einem Edelstahl mit der Werkstoffnummer 1.4301, 1.4307, 1.4462 oder 1.4362, gebildet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine als Brennstoffeinspritzanlage ausgebildete Einspritzanlage mit einem als Brennstoffverteilerleiste ausgebildeten Fluidverteiler in einer auszugsweisen, schematischen Darstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 2 den in Fig. 1 dargestellten Fluidverteiler in einer auszugsweisen, schematischen Darstellung in der mit X2 bezeichneten Blickrichtung entsprechend dem Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 3 den in Fig. 1 dargestellten Fluidverteiler entsprechend einer abgewandelten Ausgestaltung aus der mitXi bezeichneten Blickrichtung.

Ausführungsformen der Erfindung

Anhand der Figuren sind mögliche Ausgestaltungen einer Einspritzanlage 100 und eines Fluidverteilers 1 für eine Einspritzanlage 100 beschrieben. Speziell kann solch ein Fluidverteiler 1 als Brennstoffverteilerleiste 1 ausgebildet sein und für eine Brennstoffeinspritzanlage 100 dienen, bei der ein Fluid auf vorzugsweise mehrere Ventile (Einspritzventile) 101 bis 103, insbesondere Brennstoffeinspritzventile 101 bis 103 aufgeteilt wird. Hierbei ist der Fluidverteiler 1 vorzugsweise so ausgebildet, dass eine sehr hohe Belastbarkeit in Bezug auf einen Druck des Fluids gegeben ist, das innerhalb des Fluidverteilers 1 gespeichert und beispielsweise auf Brennstoffeinspritzventile 101 bis 103 verteilt wird. Der Fluidverteiler 1 ist vorzugsweise als geschmiedeter Fluidverteiler 1 realisiert, so dass hohe Belastungen in Bezug auf den Druck des Fluids möglich sind.

Daher wird hier ein Fluidverteiler 1 betrachtet, dessen rohrförmiger Grundkörper 2 geschmiedet ist. Denkbar ist es, dass der Fluidverteiler 1 noch zumindest ein weiteres Bauteil aufweist, das mit dem Grundkörper 2 verschraubt oder beispielsweise durch Schweißen oder Löten verbunden ist.

Fig. 1 zeigt eine als Brennstoffeinspritzanlage 100 ausgebildete Einspritzanlage 100 mit einem als Brennstoffverteilerleiste 1 ausgebildeten Fluidverteiler 1 in einer schematischen Darstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 2 zeigt den Fluidverteiler 1 aus der in Fig. 1 mitX2 bezeichneten Blickrichtung. Für das Schmieden kann die gewünschte Form des Grundkörpers 2 in komplexer Weise vorgegeben sein. In diesem Ausführungsbeispiel weist der rohrförmige Grundkörper 2 ein rohrförmiges Teil 3 auf, das zur Ausbildung eines Innenraums 41 noch mit einer Längsbohrung 42 entlang einer Längsachse 4 versehen wird, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Ferner weist der Grundkörper 2 Halteelemente 5, 6 auf, die hier als Exzentrizitäten geschmiedet werden. Achsen 7, 8 der Halteelemente 5, 6 sind in diesem Ausführungsbeispiel von der Längsachse 4 beabstandet. In diesem Ausführungsbeispiel sind an den Grundkörper 2 außerdem als Tassen 9 bis 11 ausgebildete Hochdruckausgänge 9 bis 11 zum Anschließen der Brennstoffeinspritzventile 101 bis 103 geschmiedet. Achsen 12 bis 14 der Hochdruckausgänge 9 bis 11 kreuzen in diesem Ausführungsbeispiel die Längsachse 4, wie es in Fig. 3 durch eine Achse 12.0 für den Hochdruckausgang 9 veranschaulicht ist.

Ferner ist zumindest ein Anschlussstutzen 15 an dem Grundkörper durch Schmieden ausgebildet, der beispielsweise zum Anschließen eines Drucksensors 16 dienen kann. An dem rohrförmigen Teil 3 ist außerdem ein axialer Hochdruckeingang 17 ausgebildet.

Zur Beschreibung der Ausgestaltung und Funktionsweise können Richtungen X1.X2.X3 entsprechend einem Rechtssystem (rechtshängiges System von drei Koordinaten) festgelegt werden. Die Richtung Xi ist hierbei entlang der Längsachse 4 orientiert. Die Richtung X2 zeigt von der Längsachse 4 des rohrförmigen Grundkörpers 2 auf einen Zylinderkopf 18 einer Brennkraftmaschine 19, wenn der Fluidverteiler 1 montiert ist. Die Achsen 7, 8 der Halteelemente 5, 6 sowie die Achsen 12 bis 14 der Hochdruckausgänge 9 bis 11 sind in diesem Ausführungsbeispiel parallel zueinander und entlang der Richtung X2 orientiert. Durch die Festlegung der Richtungen Xi und X2 ergibt sich dann die Orientierung der Richtung X3, die somit parallel zu einer Oberseite 20 des Zylinderkopfes 18 ist, wenn der Fluidverteiler 1 montiert ist. Die Befestigung des Fluidverteilers 1 an dem Zylinderkopf 18 ist schematisch durch Befestigungselemente (Schrauben) 30, 31 veranschaulicht, die jeweils an einem der Halteelemente 5, 6 angreifen und entlang der Achsen 7, 8 orientiert sind.

Die Brennkraftmaschine 19 weist drei Zylinder 21 bis 23 auf. Dadurch ist ein Abstand 24 zwischen der Achse 12 des Hochdruckausgangs 9 und der Achse 13 des Hochdruckausgangs 10 beziehungsweise zwischen der Achse 13 des Hochdruckausgangs 10 und der Achse 14 des Hochdruckausgangs 11 vorgegeben, der in diesem Ausführungsbeispiel ein Zylinderabstand 24 ist.

Im montierten Zustand stützen sich die Ventile 101 bis 103 in diesem Ausführungsbeispiel in der Richtung X2 an dem Zylinderkopf 18 ab. Im Betrieb kommt es in diesem Ausführungsbeispiel, insbesondere durch den hydraulischen Druck, zu Reaktionskräften, die die Ventile 101 bis 103 entgegen der Richtung X2 beaufschlagen, so dass elastische Verformungen des rohrförmigen Grundkörpers 2 bezüglich der Längsachse 4 auftreten. Speziell können sich hierbei Verschiebungen der Hochdruckausgänge 9 bis 11 in und entgegen der Richtung X2 ergeben, die entsprechende Dichtstellen zu den Ventilen 101 bis 103 belasten. Die beiden Halteelemente 5, 6 sind so an dem rohrförmigen Grundkörper 2 angeordnet, dass mit nur zwei Halteelementen 5, 6 eine ausreichende Befestigung ermöglicht ist, ohne dass es zu einer Überlastung der Dichtungen kommt. Wesentlich ist hierbei neben der Orientierung der Achsen 7, 8 der Halteelemente 5, 6 entlang der Richtung X2 die Positionierung entlang der Längsachse 4 des rohrförmigen Grundkörpers 2.

Entlang der Längsachse 4 betrachtet ergibt sich in diesem Ausführungsbeispiel zwischen der Achse 12 des Hochdruckausgangs 9 und der Achse 7 des Halteelements 5 ein erster Abstand 28. Entsprechend ergibt sich zwischen der Achse 14 des Hochdruckausgangs 11 und der Achse 8 des Halteelements 6 ein zweiter Abstand 29. Bei einer abgewandelten Ausgestaltung ist es auch möglich, dass zumindest einer der Abstände 28, 29 zumindest im Wesentlichen verschwindet, so dass entlang der Längsachse 4 betrachtet die Achse 7 zumindest im Wesentlichen an der Achse 12 und/oder die Achse 8 zumindest im Wesentlichen an der Achse 14 liegt.

In diesem Ausführungsbeispiel sind allerdings der erste Abstand 28 und der zweite Abstand 29 größer als Null vorgegeben. In diesem Fall liegt die Achse 7 des Halteelements 5 von der Achse 12 des Hochdruckausgangs 9 aus betrachtet stets in der Richtung Xi, während die Achse 8 des Halteelements 6 von der Achse 14 des Hochdruckausgangs 11 aus betrachtet stets entgegen der Richtung Xi liegt. Der erste Abstand 28 weist hierbei höchstens das 0,5-fache des vorgegebenen Abstands (Zylinderabstands) 24 auf. Ferner weist auch der zweite Abstand 29 höchstens das 0,5-fache des vorgegebenen Abstands 24 auf. Der erste Abstand 28 und der zweite Abstand 29 sind nicht notwendigerweise gleich groß gewählt. Vorzugsweise ist der erste Abstand 28 und/oder zweite Abstand 29 jeweils mit einem positiven Wert vorgegeben, wobei insbesondere jeweils mindestens das 0,1- fache des vorgegebenen Abstands 24 vorgegeben ist. Des Weiteren ist der erste Abstand 28 und/oder der zweite Abstand 29 jeweils vorzugsweise mit einem Wert vorgegeben, der höchstens das 0,3-fache des vorgegebenen Abstands 24 ist.

Entlang der Richtung X3 ergeben sich weitere Parameter zur möglichen Anordnung der Halteelemente 5, 6. Vorzugsweise sind die Halteelemente 5, 6 beziehungsweise die Achsen 7, 8 bezüglich der Richtung X3 auf verschiedenen Seiten der Längsachse 4 angeordnet. Ferner werden Abstände 35, 36 zwischen der Achse 7 und der Längsachse 4 beziehungsweise der Achse 8 und der Längsachse 4 vorzugsweise in Bezug auf zumindest eine erforderliche Wandstärke, insbesondere eine Wandstärke des rohrförmigen Grundkörpers 2, minimiert. Die Achsen 7, 8 der Halteelemente 5, 6 werden entlang der Längsachse 4 vorzugsweise so positioniert, dass die im Betrieb auftretenden Verformungen des rohrförmigen Grundkörpers 2 vergleichmäßigte, insbesondere betragsmäßig zumindest näherungsweise gleich große, maximale Verschiebungen der Hochdruckausgänge 9 bis 11 in und entgegen der Richtung X2 verursachen. Dadurch kommt es zu vergleichbaren Belastungen an den Dichtstellen zu den Ventilen 101 bis 103. Im Unterschied zu einer Ausgestaltung, bei der solch eine Vergleichmäßigung nicht erfolgt, ist die vergleichmäßigte Belastung dann geringer als die größte Einzelbelastung.

Die im konkreten Einzelfall gewählte Ausgestaltung kann allerdings auch unter Bezug auf weitere Randbedingungen festgelegt werden. Insbesondere ist es auch deshalb vorteilhaft, die Abstände 28, 29 positiv vorzugeben, um Massenanhäufungen entlang der Längsachse 4 zu vermeiden, was sich günstig auf den erforderlichen Materialeinsatz beim Schmieden auswirkt. Des Weiteren muss die Ausgestaltung des rohrförmigen Grundkörpers 2 nicht zwingend symmetrisch sein. Beispielsweise kann einer der Abstände 28, 29 auch das 0,3- fache des vorgegebenen Abstands 24 betragen, während der andere das 0,2-fache des vorgegebenen Abstands 24 beträgt. Auf diese Weise können beispielsweise exzentrisch angeordnete Hochdruckausgänge 9 bis 11, die also bezüglich der Richtung X3 mit ihren Achsen 12 bis 14 um einen Achsversatz (radialer Tassenversatz) 40 versetzt zu der Längsachse 4 angeordnet sind, wie es in Fig. 3 exemplarisch dargestellt ist, kompensiert werden.

Wenn solch ein positiver, also von Null verschiedener, Achsversatz 40 vorgegeben ist, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, dann kann dieser von der Längsachse 4 aus in oder entgegen der Richtung X3 orientiert sein. Ausgehend von einer Anordnung der Halteelemente 5, 6, wie sie in Fig. 1 und 2 dargestellt ist, ist für eine mögliche, hier dargestellte abgewandelte Ausgestaltung mit einem positiven Achsversatz 40 dieser Achsversatz 40 also von der Längsachse 4 aus betrachtet entgegen der Richtung X3 orientiert. Zur Veranschaulichung ist in Fig. 3 die Achse 12 bei einem verschwindenden Achsversatz 40 mit 12.0 und die Achse 12 entsprechend einem positiven Achsversatz 40 mit 12.1 gekennzeichnet.

Die Längsachse 4 und/oder die Achsen 7, 8 der Halteelemente 5, 6 und/oder die Achsen 12 bis 14 der Hochdruckausgänge 9 bis 11 können insbesondere als Bohrungsachsen geeigneter Bohrungen bestimmt sein.

Durch die geringere Anzahl an Halteelementen 5, 6 gegenüber einer herkömmlichen Ausgestaltung, also nur zwei Halteelemente 5, 6 bei drei Zylindern, beansprucht der Fluidverteiler 1 weniger Bauraum und kann leichter ausgeführt werden. Der geringere Werkstoffeinsatz kann zu einer wesentlichen Reduzierung der Herstellungskosten führen. Zum einen kann die Menge des benötigten Stabmaterials reduziert werden. Zum anderen kann insbesondere bei einer geschmiedeten Ausführung Prozessenergie zum Heizen des Stabes bis zur Schmiedetemperatur eingespart werden.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.