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Stand der Technik
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Die
Erfindung bezieht sich auf die Verbindung eines Gehäuses einer
Hochdruckeinheit mit einem Gehäuse
einer Niederdruckeinheit eines Einspritzsystems einer Brennkraftmaschine
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Verbindung
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 11.
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Bei
Speichereinspritzsystemen von Brennkraftmaschinen, die auch unter
dem Namen Common-Rail-Systeme bekannt sind, sind die Druckzeugung
und die Einspritzung des Kraftstoffes voneinander entkoppelt. Der
Kraftstoff wird hierbei durch eine Niederdruckkraftstoffpumpe mit
einem Basisvordruck von ungefähr
0,3 bis 0,7 MPa bzw. 3 bis 7 bar vom Kraftstoffbehälter stetig
zu einer Hochdruckpumpe gefördert,
die den Kraftstoff unter einem hohen Druck von bis zu 200 MPa bzw.
2000 bar in ein als Hochdruckspeicher dienendes Rohrleitungssystem,
dem so genannten „Rail”, fördert. In
Abhängigkeit
der Steuersignale einer Steuereinheit wird der Kraftstoff vom Hochdruckspeicher
aus über
Injektoren in die Brennräume
der Zylinder eingespritzt. Die Aufgabe des Hochdruckspeichers liegt
hierbei im Speichern des mit Hochdruck beaufschlagten Kraftstoffes.
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Das
Speichereinspritzsystem setzt sich somit aus einem Niederdruckteil
und einem Hochdruckteil zusammen, wobei das Niederdruckteil den
Hochdruckteil mit Kraftstoff versorgt, der mit einem Basisvordruck
beaufschlagt ist. Das Niederdruckteil umfasst hierzu einen Kraftstoffbehälter, einen
Vorfilter, eventuell eine Kraftstoffheizung, einen Kraftstofffilter, eine
Niederdruckkraftstoffpumpe, eine Kraftstoffmengenregelungseinheit
oder ein Kraftstoffdruckregelventil und Kraftstoff-Niederdruckleitungen,
wohingegen sich das Hochdruckteil aus der Hoch druckpumpe, Kraftstoff-Hochdruckleitungen,
dem Hochdruckspeicher mit Druckregelventil, Raildrucksensoren und
Durchflussbegrenzer sowie den Injektoren zusammen setzt.
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Um
den erforderlichen Bauraum für
das Einspritzsystem zu verringern, kann es vorgesehen sein, dass
Einheiten des Niederdruckteils an die Hochdruckpumpe angebaut sind.
So ist es beispielsweise bekannt, die Kraftstoffmengenregelungseinheit
oder ein Kraftstoffdruckregelventil an die Hochdruckpumpe anzuflanschen,
wobei die Gehäuse
der Niederdruckeinheiten mit dem Gehäuse der Hochdruckpumpe verschraubt
sind. Die Gehäuse
der Niederdruckeinheiten weisen hierzu einen Flansch mit Durchgangslöchern auf,
durch den sich die Schrauben hindurch erstrecken, wobei im Gehäuse der Hochdruckpumpe
entsprechende Bohrungen vorgesehen sind, in die die Schrauben eingreifen.
Die Anordnung der aufwendig herzustellenden Bohrungen und Durchgangslöcher an
den einzelnen Gehäusen sind
hierbei aufeinander abzustimmen.
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Aufgrund
der Verschraubung des Gehäuses der
Niederdruckeinheit am Gehäuse
der Hochdruckpumpe ist es für
die Montage erforderlich, dass die Schrauben für ein Montagewerkzeug zugänglich sind.
Weiterhin ist die Ausrichtung der Niederdruckeinheit gegenüber der
Hochdruckeinheit durch die Anordnung der an den jeweiligen Gehäusen vorgesehenen
Durchgangslöcher
und Bohrungen festgelegt.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Befestigung des Gehäuses einer
Niederdruckeinheit an einem Gehäuse
einer Hochdruckeinheit, insbesondere einer Hochdruckpumpe, zu verbessern und
ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem sich eine Niederdruckeinheit
auf einfache Weise an einer Hochdruckeinheit befestigen lässt.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 und
des Patentanspruchs 11 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination
miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zur
Verbindung einer Hochdruckeinheit mit einer Niederdruckeinheit eines
Speichereinspritzsystems einer Brennkraftmaschine weisen die Gehäuse der
Hochdruckeinheit und der Niederdruckeinheit Fügestellen auf, über welche
die Gehäuse
miteinander verbunden sind. Bei der Hochdruckeinheit handelt es sich
vorzugsweise um eine Hochdruckpumpe des Speichereinspritzsystems,
die als Radialkolbenpumpe oder Reihenkolbenpumpe ausgeführt ist.
Die mit der Hochdruckeinheit verbundene Niederdruckeinheit kann
dabei ein stufenlos regelbares Kraftstoffdruckregelventil umfassen,
welches strömungsmäßig auf
der Zulauf- bzw. Saugseite der Hochdruckpumpe angeordnet ist und
den Basisvordruck des Kraftstoffs reguliert, welcher der Hochdruckeinheit vom
Niederdruckteil her bereit gestellt wird. Neben der Ausführung der
Niederdruckeinheit als ein Kraftstoffdruckregelventil kann die Niederdruckeinheit auch
eine Kraftstoffmengenregelungseinheit bzw. Zumesseinheit sein, welche
die Kraftstoffmenge steuert, die der Hochdruckeinheit vom Niederdruckteil
des Speichereinspritzsystem zugeführt wird.
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Gemäß der Erfindung
ist im Bereich der Fügestelle
des Gehäuses
der Hochdruckeinheit ein ringförmiger
Kragen vorgesehen, der mit einem ringförmigen Steg unter Formschluss
zusammenwirkt, der im Bereich der Fügestelle des Gehäuses der
Niederdruckeinheit angeordnet ist. Der am Gehäuse der Niederdruckeinheit
vorgesehene Steg umschließt dabei
zumindest abschnittsweise den am Gehäuse der Hochdruckeinheit angeordneten
Kragen, wodurch die Niederdruckeinheit an der Hochdruckeinheit befestigt,
insbesondere fixiert ist. Der Steg der Niederdruckeinheit und der
Kragen der Hochdruckeinheit stellen hierbei vorzugsweise eine druckdichte Verbindung
zwischen der Fügestellen
der Niederdruckeinheit und der Fügestelle
der Hochdruckeinheit her.
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Durch
die formschlüssige
Verbindung des Kragen und des Stegs kann auf eine Schraubverbindung
zwischen der Niederdruckeinheit und der Hochdruckeinheit verzichtet
werden, so dass in dem Gehäuse
der Niederdruckeinheit und dem Gehäuse der Hochdruckeinheit keine
Bohrungen vorzusehen sind. Hierdurch verringert sich der Aufwand,
welcher für die
Herstellung der Fügestellen
der Hochdruckeinheit und der Niederdruckeinheit notwendig ist, erheblich, wobei
durch den Wegfall der Schraubverbindung sich gleichzeitig der für die Verbindung
erforderliche Bauraum minimiert. Durch die erfindungsgemäße Fügeverbindung
ergibt sich zudem der Vorteil, dass die Niederdruckeinheit beliebig
in Bezug zur Längsachse des
ringförmigen
Kragens der Hochdruckeinheit ausgerichtet sein kann.
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Nach
einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Verbindung
weist der Kragen der Fügestelle
der Hochdruckeinheit eine Ringnut auf, in welche der Steg der Niederdruckeinheit
wenigstens abschnittsweise eingreift. Die Ringnut erstreckt sich
dabei wenigstens abschnittsweise in Umfangsrichtung des Kragens.
Durch die Anordnung einer Ringnut am Kragen und das Eingreifen des
Stegs in die Ringnut ergibt sich eine zugfeste Verbindung zwischen
den Fügestellen
der Niederdruckeinheit und der Hochdruckeinheit.
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Gemäß der Erfindung
kann der Steg der Niederdruckeinheit an seinem der Fügestelle
der Hochdruckeinheit zugewandten Ende in einzelne Laschen unterteilt
sein. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Ringnut
dabei in einzelne Taschen unterteilt, in welche die einzelnen Laschen
des Stegs eingreifen.
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Die
formschlüssige
Verbindung zwischen den Fügestellen
der Niederdruckeinheit und der Hochdruckeinheit wird gemäß der Erfindung
durch Verformen wenigstens eines Abschnitts des Stegs der Niederdruckeinheit
hergestellt. Zur Bereitstellung eines einteiligen Gehäuses mit
einem im Bereich der Fügestelle
vorgesehenen Steg besteht das Gehäuse der Niederdruckeinheit
vorzugsweise aus einem duktilen Werkstoff. Nach einer besonders
vorteilhaften Ausführungsform
ist das Gehäuse
der Niederdruckeinheit als ein Kunststoffspritzgussteil oder ein
pulvermetallurgisches Spritzgussteil ausgeführt, bei welchem wenigstens
ein Anschlussstutzen mit eingespritzt ist. Bei dem wenigstens einen
Anschlussstutzen kann es sich beispielsweise um einen Zulaufanschlussstutzen
zur Zufuhr von Kraftstoff, einen Ablaufanschlussstutzen oder eine
elektrische Steckverbindung handeln. Durch das Einspritzen des wenigstens
einen Anschlussstutzen muss dieser bei der Herstellung der Niederdruckeinheit
nicht mittels eines Einpress- oder Schraubprozesse in das Gehäuse eingefügt werden,
wodurch sich die Herstellung der Niederdruckeinheit um wenigstens
einen Verfahrensschritt vereinfacht. Das Gehäuse der Niederdruckeinheit
weist bei der Verwendung eines Kunststoffes oder eines Leichtmetalls
als Werkstoff in vorteilhafter Weise ein geringes Gewicht auf, wobei
ein Kunststoffgehäuse
zusätzlich
noch hoch korrosionsbeständig
ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist auf der Innenseite des Stegs ein tellerförmiger Bund
vorgesehen, der sich entlang des Innenumfangs des Stegs erstreckt.
Der tellerförmige Bund
der Niederdruckeinheit wirkt hierbei wenigstens abschnittsweise
mit dem Kragen der Hochdruckeinheit zusammen, wodurch die erfindungsgemäße Fügeverbindung
zusätzlich
abgedichtet wird. Zur Verbesserung der Dichtwirkung kann es gemäß der Erfindung
weiterhin vorgesehen sein, dass der tellerförmige Bund elastisch verformbar
ist und beim Zusammenwirken mit einem Abschnitt des Kragens der Hochdruckeinheit
wie eine Tellerfeder wirkt, die sich beim Abstützen auf einem Abschnitt des
Kragens verformt. Bei einer am Kragen der Hochdruckeinheit vorgesehenen
Ringnut ergibt sich weiterhin der Vorteil, dass die Fügestellen
der Niederdruckeinheit und der Hochdruckeinheit durch den elastisch
verformbaren Bund innerhalb des Stegs spielfrei miteinander verbunden
sind. Hierzu greift der Steg wenigstens abschnittsweise in die Ringnut
des Kragens ein, wobei der in die Ringnut eingreifende Stegabschnitt durch
die Federwirkung des sich auf den Kragen abstützenden tellerförmigen Bunds
in axialer Richtung des Kragens vorgespannt wird.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist
der Kragen der Hochdruckeinheit an seinem Außenumfang einen der Niederdruckeinheit
zugewandten kegelförmigen
Abschnitt auf, der in einen zylindrischen mittleren Abschnitt übergeht.
An den zylindrischen mittleren Abschnitt schließt sich ein trichterförmiger Abschnitt
an, der auf der der Niederdruckeinheit abgewandten Seite am Außenumfang
des Kragens angeordnet ist. Der tellerförmige Bund des Stegs stützt sich
hierbei auf dem kegelförmigen
Abschnitt des Kragens ab, wobei der Steg selbst wenigstens den zylindrischen
Abschnitt und den trichterförmigen
Abschnitt umschließt.
Der trichterförmige
Abschnitt des Kragens ist hierbei der Ringnut zugeordnet, so dass
der Steg mit seinem der Hochdruckeinheit zugewandten Ende sich über den
trichterförmigen
Abschnitt bis zum Nutgrund der Ringnut erstrecken kann. Hierdurch
ergibt sich eine nahezu unlösbare
formschlüssige
Verbindung zwischen den Fügestellen
der Niederdruckeinheit und der Hochdruckeinheit, die auch hohen
dynamischen Belastungen stand hält.
Bevorzugt entspricht der Außendurchmesser
des zylindrischen Abschnitts des Kragens im Wesentlichen dem Innendurchmesser
des Stegs, so dass der Steg den zylindrischen Abschnitt des Kragens
nahezu passgenau umschließt.
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Zur
Herstellung einer erfindungsgemäßen Verbindung
zwischen der Fügestelle
einer Hochdruckeinheit und der Fügestelle
einer Niederdruckeinheit kann es gemäß eines erfindungsgemäßen Verfahrens
vorgesehen sein, dass in einem ersten Verfahrensschritt der Steg
der Niederdruckeinheit über
den Kragen der Hochdruckeinheit geschoben wird. Der Steg weist hierbei
einen auf der Innenseite angeordneten tellerförmigen Bund und der Kragen eine
Ringnut auf, die sich in Richtung des Außenumfangs des Kragens erstreckt.
Nach Aufliegen des tellerförmigen
Bunds des Stegs auf wenigstens einem Abschnitt des Kragens wird
in einem zweiten Verfahrensschritt eine Vorspannkraft auf die Niederdruckeinheit
aufgebracht, so dass der tellerförmige
Bund durch einen Abschnitt des Kragens elastisch verformt wird.
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Im
Anschluss an die elastische Verformung des tellerförmigen Bunds
wird der Steg wenigstens abschnittsweise in radialer Richtung verformt,
so dass der Steg zumindest abschnittsweise in die Ringnut eingreift.
Nach der Herstellung des Formschlusses zwischen Steg und Kragen
wird in einem vierten Verfahrensschritt die Niederdruckeinheit von
der auf sie wirkenden Vorspannkraft entlastet, so dass der tellerförmige Bund
elastisch zurückfedert
und den in die Ringnut eingreifenden Stegabschnitt in axialer Richtung
der Fügeverbindnung
verspannt, wodurch sich eine spielfreie Verbindung zwischen dem
Gehäuse
der Hochdruckeinheit und dem Gehäuse
der Niederdruckeinheit ergibt.
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Bei
der Verwendung eines thermoplastischen Kunststoffs für das Gehäuse der
Niederdruckeinheit erfolgt das Verformen des Stegs bevorzugt mit
einem Umformwerkzeug, welches vor der Verformung des Stegs erhitzt
wird.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnungen anhand
von bevorzugten Ausführungsformen
beschrieben.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 einen
schematischen Längsschnitt durch
ein Zylinderkopfgehäuse
einer Hochdruckeinheit und ein Gehäuse einer Niederdruckeinheit,
die über
eine erfindungsgemäße Fügeverbindung
miteinander verbunden sind;
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2 eine
schematische Darstellung der Gehäuse
einer Hochdruckeinheit und einer Niederdruckeinheit in einem Längsschnitt
vor dem Herstellen der erfindungsgemäßen Verbindung; sowie
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3 eine
räumliche
Ansicht eines Zylinderkopfgehäuses
einer Hochdruckeinheit, welches erfindungsgemäß mit dem Gehäuse einer
Niederdruckeinheit verbunden ist.
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In
der 1 ist ein Längsschnitt
durch eine Hochdruckeinheit 2 und eine Niederdruckeinheit 4 dargestellt,
deren Gehäuse 6, 8 über eine
erfindungsgemäße Fügeverbindung 1 miteinander
verbunden sind. Bei der Hochdruckeinheit 2 handelt es sich
um eine Hochdruckpumpe, insbesondere eine innenabgestützte Radialkolbenpumpe,
eines in 1 nicht weiter dargestellten
Speichereinspritzsystems einer Brennkraftmaschine. Die Niederdruckeinheit 4,
die in 1 lediglich schematisch dargestellt ist, kann
beispielsweise ein Druckregelventil oder eine Kraftstoffmengenregelungseinheit
sein, die in den Niederdruckteil des Einspritzsystems eingebunden
ist und somit nur von mit Niederdruck beaufschlagten Kraftstoff
beansprucht wird, der von der in 1 nicht
dargestellten Niederdruckkraftstoffpumpe zur Niederdruckeinheit 4 gefördert wird.
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Die
Hochdruckpumpe 2 umfasst ein ausschließlich mit Niederdruck beaufschlagtes
Grundgehäuse,
in welches das in 1 dargestellte Zylinderkopfgehäuse 6 mit
integriertem Hochdruckanschluss 10 eingefügt ist.
Das in 1 nicht gezeigte Grundgehäuse besteht hierbei vorzugsweise
aus einer Aluminiumlegierung, wohingegen das mit Hochdruck beaufschlagte
Gehäuse 6 des
Zylinderkopfs vorzugsweise aus einem hochdruckfesten Stahl besteht.
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In
dem Gehäuse 6 des
Zylinderkopfs ist ein Saugventil 12 enthalten, das auf
der Saugseite eines Pumpenkolbens 16 angeordnet ist. Der
Pumpenkolben 16 und das Saugventil 12 sind dabei
in einer Axialausnehmung 18 des Zylinderkopfgehäuses 6 angeordnet,
wobei der Pumpenkolben 16 in einem Bohrungsabschnitt der
Axialausnehmung 18 in axialer Richtung verschieblich geführt ist.
Das Saugventil 12 und das obere Ende des Pumpenkolbens 16 begrenzen
hierbei den Arbeitsraum 20 des Pumpenkolbens 16.
Das oberhalb des Arbeitsraums 20 des Pumpenkolbens 16 angeordnete
Saugventil 12 umfasst eine Ventilplatte 26, die
von einem in die Axialausnehmung 18 des Zylinderkopfgehäuses 6 eingefügtem Druckstück 14 in
Einbaulage gehalten wird. Der Arbeitsraum 20 des Pumpen kolbens 16 ist
hierbei über
das Saugventil 12 verschließbar, so dass das Saugventil 12 als
Einlassventil zur Zufuhr von Kraftstoff in den Arbeitsraum 20 des
Pumpenkolbens 16 dient.
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Der
Hochdruckanschluss 10 des Zylinderkopfgehäuses 6 weist
einen Auslasskanal 26 auf, der mit dem Arbeitsraum 20 des
Pumpenkolbens 16 hydraulisch verbunden ist und zu einem
Rückschlagventil 24 des
Hochdruckanschlusses 10 führt. Der Hochdruckanschluss 10 ist über nicht
weiter dargestellte Hochdruckleitungen mit dem Hochdruckspeicher
des Speichereinspritzsystems verbunden, so dass der Kraftstoff,
der in dem Arbeitsraum 20 des Pumpenkolbens 16 mit
Hochdruck beaufschlagt wird, zu dem Hochdruckspeicher des Speichereinspritzsystems
weiter geleitet werden kann.
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An
dem Ende der Axialausnehmung 18, welche dem Pumpenkolben 16 abgewandt
ist, weist das Gehäuse 6 des
Zylinderkopfes einen ringförmigen Kragen 28 auf,
der von einem ringförmigen
Steg 38 des Gehäuses 8 der
Niederdruckeinheit 4 umschlossen wird. Der mit dem ringförmigen Kragen 28 des Zylinderkopfgehäuses 6 zusammenwirkende
ringförmige
Steg 38 ist hierbei einteilig mit dem Gehäuse 8 der
Niederdruckeinheit 4 verbunden und weist an seinen Innenumfang
einen tellerförmigen
Bund 40 auf.
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Zur
besseren Veranschaulichung sind in 2 der ringförmige Kragen 28 des
Zylinderkopfgehäuses 6 der
Hochdruckeinheit 2 und der ringförmige Steg 30 des
Gehäuses 8 der
Niederdruckeinheit 4 vor dem Herstellen der in 1 dargestellten
erfindungsgemäßen Fügeverbindung 1 gezeigt.
Aus der Darstellung in 2 geht hervor, dass der ringförmige Kragen 28 an
seinem Außenumfang
in einen kegelförmigen
Abschnitt 30, einen zylindrischen Abschnitt 32 sowie
in einen trichterförmigen
Abschnitt 34 unterteilt ist, wobei der kegelförmige Abschnitt 30 der
Niederdruckeinheit 4 zugewandt ist und der trichterförmige Abschnitt 34 einer
Ringnut 36 zugeordnet ist, die sich in Umfangsrichtung
des Kragen 28 erstreckt.
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Für die Herstellung
der in 1 gezeigten erfindungsgemäßen Fügeverbindung wird der in 2 gezeigte
ringförmige
Steg 38 über
den ringförmigen
Kragen 28 geschoben. Da der Außendurchmesser des zylindrischen
Abschnitts 32 des ringförmigen
Kragens 28 im Wesentlichen dem Innendurchmesser des ringförmigen Stegs 38 entspricht,
ist der ringförmige
Steg 38 nahezu passgenau über den Kragen 28 verschiebbar.
Sobald der tellerförmige Bund 40 des
Stegs 38 auf dem kegelförmigen
Abschnitt 30 des Kragens 28 aufliegt, wird eine
Vorspannkraft auf die Niederdruckeinheit 4 aufgebracht, so
dass der tellerförmige
Bund 40 des Stegs 38 vom kegelförmigen Abschnitt 30 des
Kragens 28 elastisch verbogen wird. Unter Einhaltung der
Vorspannung des tellerförmigen
Bunds 40 wird im Anschluss daran der dem Zylinderkopfgehäuse 6 zugewandte
Endabschnitt 46 des Stegs 38 mit Hilfe eines nicht
dargestellten Umformwerkzeuges derart plastisch in radialer Richtung
verformt, so dass der verformte Endabschnitt 46 des Stegs 38 am
trichterförmigen
Abschnitt 34 des Kragens 28 anliegt und somit
in die Ringnut 36 des Kragens 28 eingreift. Nach
dem zumindest abschnittsweisen Verformen des ringförmigen Stegs 38 wird
der tellerförmige
Bund 40 von der Vorspannung entlastet, so dass sich dieser
in Richtung seiner ursprünglichen
Form zurück
verformt. Durch das Zurückfedern
des tellerförmigen
Bunds 40 wird der verformte Endabschnitt 46 des
ringförmigen Stegs 38 gegen
den trichterförmigen
Abschnitt 34 des Kragens 28 verspannt, wodurch
das Gehäuse 8 der
Niederdruckeinheit 4 und das Zylinderkopfgehäuse 6 der
Hochdruckeinheit 2 über
die in 1 dargestellte Fügeverbindung 1 spielfrei
miteinander verbunden sind.
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3 zeigt
eine erfindungsgemäße Fügeverbindung 1 eines
Gehäuses 8 einer
Niederdruckeinheit 4 mit einem Zylinderkopfgehäuses 6 einer Hochdruckpumpe 2 in
einer räumlichen
Ansicht. Nachdem die Hochdruckpumpe 2 ohne das zugehörige Grundgehäuse dargestellt
ist, in welchem unter anderen die Antriebswelle der Hochdruckpumpe
aufgenommen ist, ist in 3 die Kolbenfeder 42 gezeigt,
welche um den Pumpenkolben 16 der Hochdruckpumpe 2 angeordnet
ist. Die an dem Zylinderkopfgehäuse 6 befestigte
Niederdruckeinheit 4 weist zwei Anschlussstutzen 44 auf,
die in dem Gehäuse 8 der
Niederdruckeinheit 4 integriert sind. Das Gehäuse 8 der
Niederdruckeinheit 4 ist hierzu mittels eines Kunststoffspritzgussverfahren
oder pulvermetallurgischen Spritzgussverfahren hergestellt, wobei
die Anschlussstutzen 44 mit eingespritzt worden sind.