DE102011102768B4 - Druckspeichereinrichtung für eine Kraftstoffversorgungseinrichtung - Google Patents

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Abstract

Druckspeichereinrichtung (100, 200) für eine Kraftstoffversorgungseinrichtung einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine aufweisend eine Druckspeicherwand (108, 208) aus Kunststoff mit einem Kraftstoffeinlass (106, 206) und wenigstens einem Kraftstoffauslass (112, 212), dadurch gekennzeichnet, dass die Druckspeichereinrichtung (100, 200) eine Druckmessöffnung (120) und eine an der Druckmessöffnung (120) angeordnete Drucksensoreinrichtung (104, 204) aufweist, wobei die Druckmessöffnung (120) einen stufig profilierten umlaufenden Rand (122) aufweist, wobei die Drucksensoreinrichtung (104, 204) einen Sensorabschnitt (124, 224) mit einem Sensorelement aufweist, das in einem an das Sensorelement angespritzten Sensorgehäuse aus Kunststoff angeordnet ist, wobei der Sensorabschnitt (124, 224) einen radial innenseitig in die Druckmessöffnung (120) eingreifenden inneren Ringabschnitt (130) und einen die Druckmessöffnung (120) radial außenseitig umgreifenden äußeren Ringabschnitt (132) aufweist, und wobei das Sensorgehäuse an der Druckmessöffnung (120) mit der Druckspeicherwand (108, 208) durch Reibschweißen verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Druckspeichereinrichtung für eine Kraftstoffversorgungseinrichtung einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine aufweisend eine Druckspeicherwand aus Kunststoff mit einem Kraftstoffeinlass und wenigstens einem Kraftstoffauslass.
  • Aus der DE 603 01 073 T2 ist ein Hochdrucksensor bekannt, der aus rostfreiem Stahl aufgebaut und in die Wand einer Kunststoffdruckkammer integriert ist. Ein Druck-Port aus rostfreiem Stahl ist in die Druckkammerwand derart einsatzgespritzt, dass ein freies Ende des Druck-Ports über die Druckkammer vorsteht. An dieses freie Ende ist ein Drucksensorelement aus rostfreiem Stahl angeschweißt. Der Hochdrucksensors muss während der Herstellung der Kunststoffdruckkammer in diese integriert werden. Es ist nicht möglich, diese Kunststoffdruckkammer und diesen Hochdrucksensor zunächst gesondert herzustellen und nachfolgend zu verbinden.
  • Aus der US 5,834,638 A ist ein Kraftstoffsensor bekannt, der einen Durchgang mit einem Einlass und einem Auslass sowie einen Drucksensor aufweist, der mit dem Durchgang druckaufnehmend verbunden ist. Der Kraftstoffsensor ist mit seinem Einlass an eine Kraftstoffzuführleitung und mit seinem Auslass an den Einlass eines Kraftstoffverteilerrohrs angeschlossen. Der Kraftstoffsensor weist einen Anschlussflansch mit Schraubenlöchern und Rohrstutzen auf, der mit einem korrespondierenden Anschlussflansch des Kraftstoffverteilerrohrs verbunden werden kann. Diese Verbindung muss mit einem Dichtmittel abgedichtet und dicht montiert werden. Die Anschlussflansche beanspruchen einen beträchtlichen Bauraum.
  • Aus der WO 2009/062934 A1 ist eine Kraftstoffverteilerleistenanordnung bekannt mit einem Kraftstoffverteilerleistenhauptrohr, das ein geschlossenes und ein offenes Ende aufweist, und einem aus Kunststoff hergestellten Kraftstoffeinlassrohr. Das Kraftstoffeinlassrohr ist mit dem offenen Ende des Kraftstoffverteilerleistenhauptrohrs durch Ultraschallschweißen oder Rotationsreibschweißen unmittelbar verbunden.
  • Aus der DE 103 41 501 A1 ist ein Verfahren bekannt zur Herstellung von Kunststoffeilen mit integrierten Leiterbahnen, die ein als Leiterbahnen dienendes Stanzgitter und einen Deckel umfassen, wobei in einem ersten Schritt das Stanzgitter in ein Spritzgusswerkzeug eingelegt wird, in einem zweiten Schritt das Unterteil aus einem ersten thermoplastischen Kunststoffmaterial gegossen wird und in einem dritten Schritt der Deckel auf das einseitig freigelegte Stanzgitter aus einem zweiten thermoplastischen Kunststoffmaterial auf das Kunststoffmaterial aus dem zweiten Schritt aufgespritzt wird.
  • Aus der EP 0 984 258 A2 ist ein Drucksensor bekannt mit einem Gehäuse, welches ein Haltemittel zum Fixieren des Drucksensors an einem an einer Öffnung angrenzenden Randbereich einer Behälterwand, insbesondere eines Kraftstoffbehälters, aufweist, bei dem das Haltemittel einen für eine Reibschweißverbindung vorgesehenen, außenseitig an dem Gehäuse angeordneten und gegenüber diesem hervortretenden Rand hat.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Druckspeichereinrichtung, bereitzustellen, mit der Herstellkosten, Montagezeiten und Variantenanzahl reduziert werden können und die eine Funktionsintegration ermöglicht.
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einer Druckspeichereinrichtung für eine Kraftstoffversorgungseinrichtung einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine aufweisend eine Druckspeicherwand aus Kunststoff mit einem Kraftstoffeinlass und wenigstens einem Kraftstoffauslass, wobei die Druckspeichereinrichtung eine Druckmessöffnung und eine an der Druckmessöffnung angeordnete Drucksensoreinrichtung aufweist, wobei die Druckmessöffnung einen stufig profilierten umlaufenden Rand aufweist, wobei die Drucksensoreinrichtung einen Sensorabschnitt mit einem Sensorelement aufweist, das in einem an das Sensorelement angespritzten Sensorgehäuse aus Kunststoff angeordnet ist, wobei der Sensorabschnitt einen radial innenseitig in die Druckmessöffnung eingreifenden inneren Ringabschnitt und einen die Druckmessöffnung radial außenseitig umgreifenden äußeren Ringabschnitt aufweist, und wobei das Sensorgehäuse an der Druckmessöffnung mit der Druckspeicherwand durch Reibschweißen verbunden ist. Damit kann die Drucksensoreinrichtung als Baugruppe vorgefertigt werden. Die Drucksensoreinrichtung weist einen besonders kompakten Aufbau auf. Es kann eine Drucksensoreinrichtung für unterschiedliche Druckspeicher verwendet werden. Die Funktion der Bestimmung des Drucks eines in dem Druckspeicher vorhandenen Kraftstoffs kann in die Druckspeichereinrichtung integriert werden. Eine Wärmeeinflusszone ist besondere klein. In einer Fügezone kann eine Bildung von Schmelze vermieden werden. Die Materialeigenschaften im Verbindungsbereich werden damit gegenüber den Eigenschaften der Kunststoffdruckspeicherwand und des Kunststoffsensorgehäuses, wenn überhaupt, nur minimal verändert. Eine Festigkeit wird nicht negativ beeinflusst. Es können eine Vielzahl von Kunststoffen miteinander verschweißt werden.
  • Die Drucksensoreinrichtung kann einen Anschlussabschnitt mit Steckverbindern aufweisen, die in einem mit dem Sensorgehäuse verbundenen Anschlussgehäuse angeordnet sind. Damit sind auch die Steckverbinder in die Druckspeichereinrichtung integriert.
  • Die Druckspeicherwand kann eine zylinderartige Form mit Grundflächenabschnitt und Deckflächenabschnitt aufweisen und die Drucksensoreinrichtung kann an dem Grundflächenabschnitt oder an dem Deckflächenabschnitt angeordnet sein. Damit kann ein gesonderter Anschlussstutzen für die Druckmessöffnung entfallen. Die Druckspeichereinrichtung kann besonders einfach hergestellt werden. Die Druckspeichereinrichtung weist einen besonders bauraumoptimierten Aufbau auf. Die Druckspeichereinrichtung weist eine besonders druckstabile Konstruktion auf. Die Druckmessöffnung kann in ihren Abmessungen zumindest annähernd dem Grundflächenabschnitt oder dem Deckflächenabschnitt entsprechen. Damit kann ein Wandabschnitt zur Bildung des Grundflächenabschnitts oder des Deckflächenabschnitts zumindest teilweise entfallen.
  • Das Sensorgehäuse kann mit der Druckspeicherwand durch Rotationsreibschweißen, Ultraschallschweißen, Orbitalreibschweißen oder Rührreibschweißen verbunden sein. Insbesondere das Ultraschallschweißen eignet sich gut zum Fügen von thermoplastischen Kunststoffen. Es werden sehr geringe Schweißzeiten und eine hohe Wirtschaftlichkeit erreicht.
  • Die Drucksensoreinrichtung kann als Baugruppe vorgefertigt werden. Die Drucksensoreinrichtung weist einen besonders kompakten Aufbau auf. Es kann eine Drucksensoreinrichtung für unterschiedliche Druckspeicher verwendet werden. Das Sensorelement kann gegebenenfalls zusammen mit weiteren elektronischen Bauelementen und/oder Leitungen und/oder einer Platine in dem an das Sensorelement angespritzten Sensorgehäuse aus Kunststoff angeordnet sein. Das Sensorelement und/oder die weiteren elektronischen Bauelemente und/oder die Leitungen und/oder die Platine ist vor unerwünschtem Einfluss von Medien, wie Kraftstoff, geschützt.
  • Zur Herstellung einer derartigen Druckspeichereinrichtung wird die zunächst baulich gesonderte Drucksensoreinrichtung mit ihrem Sensorgehäuse an der Druckmessöffnung mit der Druckspeicherwand durch Reibschweißen, insbesondere durch Rotationsreibschweißen, Ultraschallschweißen, Orbitalreibschweißen oder Rührreibschweißen, verbunden. Insbesondere das Ultraschallschweißen eignet sich gut zum Fügen von thermoplastischen Kunststoffen. Es werden sehr geringe Schweißzeiten und eine hohe Wirtschaftlichkeit erreicht.
  • Zusammenfassend und mit anderen Worten dargestellt ergibt sich somit durch die Erfindung ein kunststoffumspritzter Drucksensor als verschweißtes Bauteil, der nicht mehr aus Edelstahl ausgeführt ist oder zumindest einen reduzierten Edelstahlanteil, insbesondere in einem Gehäusebereich, aufweist, bei dem eine Funktionsintegration der Sensorfunktion direkt in das Rail ermöglicht ist und der als verschweißbares Einzelteil ausgeführt ist. Es ergeben sich insbesondere eine erhebliche Kostenreduzierung, eine erhebliche Montagezeitreduzierung, eine Variantenreduzierung und eine Funktionsintegration.
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher beschrieben. Aus dieser Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile. Konkrete Merkmale dieses Ausführungsbeispiels können allgemeine Merkmale der Erfindung darstellen. Mit anderen Merkmalen verbundene Merkmale dieses Ausführungsbeispiels können auch einzelne Merkmale der Erfindung darstellen.
  • Es zeigen schematisch und beispielhaft:
    • 1 eine Druckspeichereinrichtung für eine Kraftstoffversorgungseinrichtung einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine mit Druckspeicher und Drucksensoreinrichtung in Baugruppendarstellung und
    • 2 eine Druckspeichereinrichtung für eine Kraftstoffversorgungseinrichtung einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine mit Druckspeicher und Drucksensoreinrichtung in zusammengebautem Zustand.
  • 1 zeigt eine Druckspeichereinrichtung 100 für eine ansonsten nicht näher dargestellte Kraftstoffversorgungseinrichtung einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine mit Druckspeicher 102 und Drucksensoreinrichtung 104 in Baugruppendarstellung, eine Darstellung der Druckspeichereinrichtung 200 in zusammengebautem Zustand ist in 2 gezeigt.
  • Bei Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschinen kann es erforderlich sein, Kraftstoff unter erhöhtem Druck zur Verfügung zu stellen. Insbesondere Kraftstoffversorgungseinrichtungen von Dieselmotoren oder Kraftstoffversorgungseinrichtungen von Ottomotoren mit Direkteinspritzung erfordern einen erhöhten Kraftstoffdruck. Um Kraftstoff unter hohem Druck zu speichern und Druckschwingungen, die einerseits von einer Kraftstoffpumpe und andererseits von Injektoren, mithilfe derer der Kraftstoff in Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt wird, eingeleitet werden, möglichst effektiv zu dämpfen, wird regelmäßig ein gemeinsamer Druckspeicher 102, 202 für Kraftstoff (common rail) verwendet. Dieser Druckspeicher 102, 202 weist Anschlüsse 112, 212 für Injektorleitungen, mithilfe derer der Kraftstoff von dem Druckspeicher 102, 202 den Injektoren zugeführt werden kann, sowie eine Drucksensoreinrichtung 104, 204 auf.
  • Das Volumen des Druckspeichers 102, 202 ist im Wesentlichen abhängig von dem Hubvolumen der Brennkraftmaschine, für die die Druckspeichereinrichtung 100, 200 genutzt wird. Beispielsweise kann das Volumen des Druckspeichers 102, 202 für eine übliche 2-I-Brennkraftmaschine ca. 15-30 cm3, insbesondere ca. 20 cm3, betragen. Zur Verwendung mit einer V-Brennkraftmaschine kann aus Bauraumgründen und/oder zur Erzielung möglichst kurzer Injektorleitungen vom Druckspeicher 102, 202 zu den Injektoren für jede Zylinderbank ein gesonderter Druckspeicher 102, 202 verwendet werden.
  • Der Druckspeicher 102, 202 weist eine rohrartige Form mit einer Druckspeicherachse und einer Druckspeicherwand 108, 208 auf. Die Druckspeicherwand 108, 208 kann außenseitig mit einer Verstärkungsstruktur 110, 210 versehen sein, beispielsweise mit Verstärkungsrippen, die sich längs der Druckspeicherwand 108, 208 erstrecken und/oder mit umlaufenden Verstärkungsrippen.
  • Zur Zuführung von Kraftstoff zu dem Druckspeicher 102, 202 ist ein Kraftstoffeinlass 106, 206 vorgesehen. Der Kraftstoffeinlass 106, 206 weist eine rohrstutzenartige Form mit zur Druckspeicherachse zumindest annähernd rechtwinklig angeordneter Achse auf. Bei einer anderen Ausführung kann die Achse des Kraftstoffeinlasses 106, 206 zur Druckspeicherachse schräg angeordnet sein. Der Kraftstoff wird von einer Kraftstoffpumpe aus zugeführt. Die Kraftstoffpumpe ist insbesondere eine Hochdruckpumpe, wie Radial- oder Axialkolbenpumpe, die ausgehend von einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine antreibbar ist. Mit dem Kraftstoffeinlass 106, 206 kann eine Kraftstoffleitung verbunden werden, zu deren Befestigung eine Verbindungskontur 116, 216 vorgesehen ist.
  • Zur Zuführung von Kraftstoff von dem Druckspeicher 102, 202 zu den Injektoren sind Kraftstoffauslässe vorgesehen, von denen in der ausschnittsweisen Darstellung der 1 und 2 nur ein Kraftstoffauslass 112, 212 ersichtlich ist. Der Kraftstoffauslass 112, 212 weist eine rohrstutzenartige Form mit zur Druckspeicherachse schräg angeordneter Achse auf. Bei einer anderen Ausführung kann die Achse des Kraftstoffauslasses 112, 212 zur Druckspeicherachse zumindest annähernd rechtwinklig angeordnet sein. Mit dem Kraftstoffauslass 112, 212 kann eine Injektorleitung verbunden werden, zu deren Befestigung der Kraftstoffauslass 112, 212 eine konturierte Oberfläche 114, 214 aufweist.
  • Der Kraftstoffeinlass 106, 206 und die Kraftstoffauslässe, wie der Kraftstoffauslass 112, 212, sind in die Druckspeicherwand 108, 208 integriert. Die Druckspeicherwand 108, 208 geht in den Kraftstoffeinlass 106, 206 und die Kraftstoffauslässe, wie der Kraftstoffauslass 112, 212, über. Druckspeicherwand 108, 208, Kraftstoffauslass 112, 212 und Kraftstoffauslässe, wie Kraftstoffauslass 112, 212, sind gemeinsam als ein einziges Bauteil hergestellt.
  • Der rohrartig geformte Druckspeicher 102, 202 weist endseitig einen Grundflächenabschnitt 118 auf, der vorliegend durch eine Druckmessöffnung 120 gebildet ist. Gegebenenfalls kann die Druckmessöffnung 120 auch nur einen Teil des Grundflächenabschnitts 118 bilden. Die Druckmessöffnung 120 weist einen stufig profilierten umlaufenden Rand 122 auf.
  • Der Druckspeicher 102, 202 besteht im Wesentlichen aus einem thermoplastischen Kunststoff. Insbesondere besteht der Rand 122 der Druckmessöffnung 120 aus einem thermoplastischen Kunststoff. Der thermoplastische Kunststoff kann ein Polyamid (PA) sein. Der thermoplastische Kunststoff kann PA 66 oder PA 6.6 sein. Der thermoplastische Kunststoff kann gefüllt sein. Der thermoplastische Kunststoff kann eine Glasfaserfüllung aufweisen. Die Glasfaserfüllung kann 10-50 Gew.-%, insbesondere ca. 30 Gew. %, betragen.
  • Die Drucksensoreinrichtung 104, 204 weist einen Sensorabschnitt 124, 224 und einen Anschlussabschnitt 126, 226 auf. Der Sensorabschnitt 124, 224 umfasst ein hier nicht sichtbares Sensorelement, das in einem Sensorgehäuse eingespritzt ist. Dazu wird das Sensorelement in einer Kavität eines Spritzgießwerkzeugs angeordnet und teilweise mit einem Kunststoff umspritzt. Das Sensorgehäuse besteht im Wesentlichen aus einem thermoplastischen Kunststoff. Dieser thermoplastische Kunststoff ist zu dem thermoplastischen Kunststoff des Druckspeichers 102, 202 so kompatibel, dass eine Verbindung durch Reibschweißen erfolgen kann. Insbesondere kann der thermoplastische Kunststoff des Sensorabschnitts 124, 224 ein Polyamid sein. Der thermoplastische Kunststoff kann PA 66 oder PA 6:6 sein. Der thermoplastische Kunststoff kann gefüllt sein. Der thermoplastische Kunststoff kann eine Glasfaserfüllung aufweisen. Die Glasfaserfüllung kann 10-50 Gew.-%, insbesondere ca. 30 Gew. %, betragen.
  • Eine Anschlussgeometrie des dem Druckspeicher 102, 202 zugewandten Ende des Sensorabschnitts 124, 224 korrespondiert mit dem Rand 122 der Druckmessöffnung 120. Der Sensorabschnitt 124, 224 weist eine Öffnung 128 auf, über die das Sensorelement mit der Druckmessöffnung 120 des Druckspeichers 102, 202 kommunizieren kann, um einen Druck in dem Druckspeicher 102, 202 zu bestimmen. Ein innerer Ringabschnitt 130 des Sensorabschnitts 124, 224 rgreift adial innenseitig in die Druckmessöffnung 120 ein. Ein äußerer Ringabschnitt 132 des Sensorabschnitts 124, 224 umgreift kann die Druckmessöffnung 120 radial außenseitig. Um eine Montage und eine gewünschte Ausrichtung der Drucksensoreinrichtung 104, 204 an dem Druckspeicher 102, 202 zu erleichtern, weist der äußere Ringabschnitt 132 des Sensorabschnitts 124, 224 eine Angriffs- und Anzeigegeometrie 134, 234, auf. Die Angriffs- und Anzeigegeometrie 134, 234 kann durch zwei diametral gegenüberliegende Vorsprünge gebildet sein.
  • Der Anschlussabschnitt 126, 226 der Drucksensoreinrichtung 104, 204 umfasst hier nicht sichtbare Steckverbinder für einen elektrischen Anschluss der Drucksensoreinrichtung 104, 204 und ein mit dem Sensorgehäuse verbundenes Anschlussgehäuse. Sensorgehäuse und Anschlussgehäuse können einstückig oder baulich zunächst gesondert und nachfolgend verbunden ausgebildet sein. Zur Verbindung mit einem mit dem Steckverbinder korrespondierenden Gegensteckverbinder weist das Anschlussgehäuse eine Verbindungsgeometrie 236 auf.
  • Die Drucksensoreinrichtung 104, 204 ist mit dem Druckspeicher 102, 202 durch Reibschweißen verbunden. Insbesondere ist das Sensorgehäuse der Drucksensoreinrichtung 104, 204 mit dem Rand 122 der Druckmessöffnung 120 des Druckspeichers 102, 202 durch Reibschweißen verbunden. Die Verbindung ist in 2 mit 238 bezeichnet. Dazu werden das Sensorgehäuse und der Rand 122 der Druckmessöffnung 120 relativ zueinander bewegt, wobei sich das Sensorgehäuse und der Rand 122 der Druckmessöffnung 120 an den Kontaktflächen berühren. Durch die entstehende Reibung kommt es zur Erwärmung und Plastifizierung des Kunststoffs. Am Ende des Reibvorganges werden das Sensorgehäuse und der Rand 122 der Druckmessöffnung 120 richtig zueinander positioniert und es wird einen erhöhter Anpressdruck ausgeübt. Die Reibung wird vorliegend durch eine hochfrequente mechanische Schwingung erreicht, welche zwischen Sensorgehäuse und dem Rand 122 der Druckmessöffnung 120 durch Molekular- und Grenzflächenreibung entsteht.

Claims (4)

  1. Druckspeichereinrichtung (100, 200) für eine Kraftstoffversorgungseinrichtung einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine aufweisend eine Druckspeicherwand (108, 208) aus Kunststoff mit einem Kraftstoffeinlass (106, 206) und wenigstens einem Kraftstoffauslass (112, 212), dadurch gekennzeichnet, dass die Druckspeichereinrichtung (100, 200) eine Druckmessöffnung (120) und eine an der Druckmessöffnung (120) angeordnete Drucksensoreinrichtung (104, 204) aufweist, wobei die Druckmessöffnung (120) einen stufig profilierten umlaufenden Rand (122) aufweist, wobei die Drucksensoreinrichtung (104, 204) einen Sensorabschnitt (124, 224) mit einem Sensorelement aufweist, das in einem an das Sensorelement angespritzten Sensorgehäuse aus Kunststoff angeordnet ist, wobei der Sensorabschnitt (124, 224) einen radial innenseitig in die Druckmessöffnung (120) eingreifenden inneren Ringabschnitt (130) und einen die Druckmessöffnung (120) radial außenseitig umgreifenden äußeren Ringabschnitt (132) aufweist, und wobei das Sensorgehäuse an der Druckmessöffnung (120) mit der Druckspeicherwand (108, 208) durch Reibschweißen verbunden ist.
  2. Druckspeichereinrichtung (100, 200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drucksensoreinrichtung (104, 204) einen Anschlussabschnitt (126, 226) mit Steckverbindern aufweist, die in einem mit dem Sensorgehäuse verbundenen Anschlussgehäuse angeordnet sind.
  3. Druckspeichereinrichtung (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckspeicherwand (108, 208) eine zylinderartige Form mit Grundflächenabschnitt (118) und Deckflächenabschnitt aufweist und die Drucksensoreinrichtung (104, 204) an dem Grundflächenabschnitt (118) oder an dem Deckflächenabschnitt angeordnet ist.
  4. Druckspeichereinrichtung (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorgehäuse mit der Druckspeicherwand (108, 208) durch Rotationsreibschweißen, Ultraschallschweißen, Orbitalreibschweißen oder Rührreibschweißen verbunden ist.
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