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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Verbindungsbereich zwischen einem Hochdruckkanal und einer Hochdruckkammer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Kraftstoffkomponente, insbesondere einen Kraftstoffinjektor, mit einem erfindungsgemäßen Verbindungsbereich.
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Ein Verbindungsbereich nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der
DE 102 53 188 A1 der Anmelderin bekannt. Der bekannte Verbindungsbereich ist zwischen einem mit einer Hochdruckquelle hydraulisch verbundenen Hochdruckkanal und einer in einem Gehäuse eines Kraftstoffinjektors ausgebildeten Hochdruckkammer angeordnet. Der bekannte Verbindungsbereich zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen dem ebenfalls im Gehäuse des Kraftstoffinjektors angeordneten Hochdruckkanal und der Hochdruckkammer, die jeweils im Querschnitt kreisförmig ausgebildet sind, ein einen konstanten Querschnitt aufweisender Kanal als Verbindungsbereich vorgesehen ist. Zum Abbau von Druckspannungen aufgrund des hydraulischen Drucks ist der Mündungsbereich des Verbindungsbereichs zwischen dem Kanal und der Hochdruckkammer in die Hochdruckkammer verrundet ausgebildet.
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Eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung von Druckspannungen im Übergangsbereich zwischen einem Hochdruckkanal und einer Hochdruckkammer ist in der
DE 10 2007 018 471 A1 der Anmelderin offenbart. Dort geht der einen konstanten Querschnitt aufweisende Hochdruckkanal ohne einen Verbindungsbereich unmittelbar in eine Hochdruckkammer über, wobei die Hochdruckkammer im Mündungsbereich des Hochdruckkanals mindestens einen ebenen Bereich umfasst, der deutlich schwächer gekrümmt ist als die Hochdruckkammer außerhalb des Mündungsbereichs.
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Ziel derartiger Maßnahmen bei den bekannten Verbindungsbereichen ist es stets, die Bauteilebelastung bzw. die Druckspannungen im Übergangsbereich zwischen dem Hochdruckkanal und der Hochdruckkammer zu minimieren. Gleichzeitig sollen auch günstige Strömungseigenschaften erzielt werden, damit ggf. Strömungsverluste vermieden werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Verbindungsbereich zwischen einem Hochdruckkanal und einer Hochdruckkammer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass örtliche Spannungsspitzen im Übergangsbereich zwischen dem Hochdruckkanal und der Hochdruckkammer aufgrund hydraulischer Druckspannungen verringert werden, so dass eine erhöhte Festigkeit erzielt wird, die beispielsweise dazu führt, dass höhere Drücke eines Mediums innerhalb eines Bauteils verwendet werden können, ohne dass es zu einer Schwächung bzw. Beschädigung des Bauteils kommt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verschneidungsbereich mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass eine Zwischenquerschnittsfläche im Verbindungsbereich zwischen dem Hochdruckkanal und der Hochdruckkammer definiert wird, bei der die Zwischenquerschnittfläche größer ist als eine fiktive Zwischenquerschnittsfläche, die sich bei einem kontinuierlichen, linearen Übergang zwischen der ersten und der zweiten Querschnittsfläche im Bereich des Hochdruckkanals und der Hochdruckkammer einstellt.
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Eine derartige Ausbildung bewirkt, dass der Übergangsbereich von dem Verbindungsbereich in die Hochdruckkammer einen überproportional großen Querschnitt aufweist, der es ermöglicht, die örtlich auftretenden Spannungsspitzen auf mehrere Teilbereiche des Übergangsbereichs zu verteilen, so dass die maximale Druckbelastung, bezogen auf den Strömungsquerschnitt, gegenüber dem Stand der Technik reduziert ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verbindungsbereichs zwischen einem Hochdruckkanal und einer Hochdruckkammer sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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In einer ersten, konstruktiv bevorzugten Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass der Hochdruckkanal und der Übergangsbereich eine gemeinsame Längsachse aufweisen, dass der Hochdruckraum eine runde Querschnittsfläche mit einem Mittelpunkt aufweist, und dass die Längsachse den Mittelpunkt des Hochdruckraums schneidet und senkrecht zum Hochdruckraum zumindest im Einmündungsbereich verläuft.
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Besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung des Verbindungsbereichs, bei der die Zwischenquerschnittsfläche elliptisch ausgebildet ist.
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In konstruktiver Weiterbildung der zuletzt erwähnten geometrischen Ausbildung ist es vorgesehen, dass die erste Querschnittsfläche im Übergangsbereich zum Druckkanal zumindest annähernd kreisförmig und der zweite Querschnittsfläche im Übergangsbereich zur Druckkammer elliptisch ausgebildet ist.
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Zur weiteren Reduzierung der Radialspannungen ist es darüber hinaus vorgesehen, dass die Länge einer kurzen Achse der zweiten Querschnittsfläche in etwa dem Durchmesser des Hochdruckkanals entspricht und vorzugsweise etwas größer ist als der Durchmesser des Hochdruckkanals.
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Eine weitere geometrische Optimierung sieht vor, dass der Mündungsbereich des Übergangsbereichs in die Hochdruckkammer einen Radius aufweist, der maximal 40% der Höhe einer kurzen Achse der zweiten Querschnittsfläche entspricht.
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Alternativ zu einer elliptischen Ausbildung der Zwischenquerschnittsfläche ist es auch möglich bzw. denkbar, dass die Zwischenquerschnittsfläche und die zweite Querschnittsfläche im Mündungsbereich zur Hochdruckkammer oval ausgebildet sind.
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Der Abstand zwischen der zweiten Querschnittsfläche zur Zwischenquerschnittsfläche beträgt zwischen 30% und 70%, vorzugsweise etwa 50% des Abstands zwischen der ersten und der zweiten Querschnittsfläche.
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Herstellungstechnisch lässt sich der Verbindungsbereich besonders einfach und günstig durch einen elektrochemischen Materialabtrag im ECM-Verfahren ausbilden.
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Besonders bevorzugt ist die Verwendung eines erfindungsgemäßen Verschneidungsbereichs bei Kraftstoffeinspritzkomponenten, insbesondere bei Kraftstoffinjektoren. Bei derartigen Kraftstoffinjektoren kann der Druck des Druckmittels (Kraftstoff), der den Verbindungsbereich durchströmt, beispielsweise mehr als 2000 bar betragen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in:
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1 einen Kraftstoffinjektor einer selbstzündenden Brennkraftmaschine mit einem Verbindungsbereich zwischen einem Hochdruckkanal und einer Hochdruckkammer gemäß dem Stand der Technik,
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2 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Verbindungsbereich,
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3 bis 5 jeweils Schnitte in den Ebenen III-III bis V-V der 2 und
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6 und 7 jeweils ein Detail der 2 in vergrößerter Darstellung.
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist ein Kraftstoffinjektor 100 dargestellt, wie er als Kraftfahrzeugeinspritzkomponente ein Bestandteil eines sogenannten Common-Rail-Einspritzsystems ist. Der Kraftstoffinjektor 100 wird bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen eingesetzt, wobei der Systemdruck beispielsweise mehr als 2000 bar beträgt.
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Der Kraftstoffinjektor 100 weist ein länglich ausgebildetes Injektorgehäuse 101 auf, in dem in einer Längsachse eine Düsennadel 102 als Einspritzglied zum Freigeben bzw. Verschließen von in der 1 nicht dargestellten Einspritzöffnungen auf- und abbeweglich angeordnet ist. Die Betätigung der Düsennadel 102 erfolgt in an sich bekannter und daher nicht beschriebener, weil auch nicht erfindungswesentlicher Art und Weise über einen Magnetaktor 105, der einen Abfluss von Kraftstoff aus einem Steuerraum 106 steuert, in den die Düsennadel 102 mit ihrem einen Ende eintaucht. Der Steuerraum 106 ist innerhalb eines im Wesentlichen hülsenförmigen Ventilstücks 108 ausgebildet, das in einer gestuften Bohrung 109 im Injektorgehäuse 101 angeordnet ist. Das Ventilstück 108 taucht mit seinem Außenumfang bereichsweise in eine Hochdruckkammer 110 ein, die über einen Kraftstoffzulaufstutzen 111 mit einer nicht dargestellten Hochdruckquelle (Rail) verbunden ist, wobei die Hochdruckquelle den Systemdruck bereitstellt. Hierzu ist in dem Kraftstoffzulaufstutzen 111 ein im Wesentlichen eine runde Querschnittsfläche aufweisender Hochdruckkanal 112 angeordnet, der auf der Hochdruckkammer 110 zugewandten Seite über eine ebenfalls einen runden Querschnitt aufweisende, einen geringeren Querschnitt als der Hochdruckkanal 112 aufweisende Verbindungsbohrung 113 mit der Hochdruckkammer 110 verbunden ist.
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In den 2 bis 7 ist ein erfindungsgemäßer Verbindungsbereich 10 dargestellt, wie er anstelle der oben beschriebenen Anordnung zwischen dem Hochdruckanal 112, der Verbindungsbohrung 113 und der Hochdruckkammer 110 bei einem Kraftstoffinjektor 100 vorgesehen sein kann. Dabei ist es ohne Bedeutung, ob die in den 2 bis 7 dargestellte Hochdruckkammer 11 im Bereich des in der 1 dargestellten Ventilstücks 108 angeordnet ist, oder in einem anderen Bereich des Injektorgehäuses 101, beispielsweise im Bereich einer Düsennadel. Wesentlich ist lediglich, dass die Hochdruckkammer 11 über einen Hochdruckkanal 12 mit unter hohem Druck (Systemdruck) stehenden Kraftstoff versorgt wird, derart, dass der Kraftstoff aus dem Hochdruckkanal 12 in Richtung zur Hochdruckkammer 11 strömt.
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Der Hochdruckkanal 12 weist eine in der Darstellung der 5 erkennbare runde erste Querschnittsfläche 13 mit konstantem Durchmesser d auf. Wie am besten aus den 2, 6 und 7 erkennbar ist, ist der Hochdruckkanal 12 mittels eines Übergangsbereichs 15 mit der Hochdruckkammer 11 verbunden. Entsprechend der 2 und 3 ist der Mündungsbereich vom Übergangsbereich 15 in die Hochdruckkammer 11 mit einer zweiten Querschnittsfläche 16 versehen, die in dem in der 3 dargestellten Ausführungsbeispiel eine elliptische Form bzw. eine elliptische Querschnittsfläche mit einer kurzen Achse 17 und einer langen Achse 18 aufweist. In der Schnittebene III-III der 2 befindet sich die Ebene der zweiten Querschnittsfläche 16 innerhalb des Durchmessers D der Hochdruckkammer 11. Ferner weist die zweite Querschnittsfläche 16 einen Abstand tA von dem Mittelpunkt 20 der Hochdruckkammer 11 auf. Hierbei ist es vorgesehen, dass der Hochdruckkanal 12 und der Übergangsbereich 15 auf einer gemeinsamen Längsachse 21 angeordnet sind, die den Mittelpunkt 20 der Hochdruckkammer 11 schneidet, wobei die Längsachse 21 zusätzlich rechtwinklig zur senkrecht zur Zeichenebene der 2 verlaufenden Längsachse der Hochdruckkammer 11 verläuft.
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Der Übergang von dem Übergangsbereich 15 die Hochdruckkammer 11 ist mit einem Radius RA ausgebildet, wobei der Radius RA maximal 40% der Höhe der kurzen Achse 17 der zweiten Querschnittsfläche 16 entspricht.
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Die Länge der kurzen Achse 17 ergibt sich aus dem Durchmesser d des Hochdruckkanals 12 und ist etwas größer als dieser, sollte aber aus Festigkeitsgründen relativ klein gewählt sein, was wiederum vom Durchmesser d des Hochdruckkanals 12 bestimmt wird.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass zwischen den beiden Querschnittsflächen 13, 16 eine dritte Querschnittsfläche 23 ausgebildet ist, die in einem Abstand tB von dem Mittelpunkt 20 der Hochdruckkammer 11 angeordnet ist. Im Ausführungsbeispiel ist die dritte Querschnittsfläche 23 in etwa mittig zwischen der ersten und der zweiten Querschnittsfläche 13, 16 angeordnet. Entsprechend der Darstellung der 4 ist die dritte Querschnittsfläche 23 ebenfalls in Form einer Ellipse ausgebildet, mit einer kurzen Achse 24 und einer langen Achse 25. Erfindungswesentlich ist es, dass die eine Zwischenquerschnittsfläche ausbildende dritte Querschnittsfläche 23 eine Querschnittsfläche aufweist, die größer ist als eine (fiktive) Querschnittsfläche, die sich bei einem kontinuierlichen, das heißt stetigen und linearen Übergang zwischen den beiden Querschnittsflächen 13 und 16 in dem Abstand tB von dem Mittelpunkt 20 der Hochdruckkammer 11 ergeben würde.
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Dies hat entsprechend der Darstellung der 6 zur Folge, dass die Umfangskontur 22 des Übergangsbereichs 15 zwischen der Ebene der zweiten Querschnittsfläche 16 und der Ebene der dritten Querschnittsfläche 23 in einem Winkel α angeordnet ist, der kleiner als 90° ist, jedoch größer, als bei einer direkten Verbindung zwischen den beiden Querschnittsflächen 13, 16, wie dies durch die Kontur 26 und den Winkel α* dargestellt ist. Die Größe des Winkels α lässt sich insbesondere durch eine Variation des Abstands zwischen der zweiten Querschnittsfläche 16 und der dritten Querschnittsfläche 23 beeinflussen.
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Dadurch, dass im Bereich der zweiten Querschnittsfläche 16 diese einen elliptischen Querschnitt aufweist, wird der Effekt erzielt, dass der oberhalb und unterhalb der Mittelachse 28 (3) angeordnete Querschnitt des Übergangsbereichs 15 gegenüber einer runden Ausbildung einer zweiten Querschnittsfläche 16 verbreitert wird. Dies hat wiederum zur Folge, dass sich bei einer hydraulischen Druckbeaufschlagung entsprechend der Darstellung der 7 andere Spannungskonzentrationsstellen einstellen, als dies bei einem Übergangsbereich 15 zwischen den beiden Querschnittsflächen 13, 16 der Fall wäre, wenn ein kontinuierlicher Übergang zwischen den beiden Querschnittsflächen 13, 16 vorhanden wäre. Aus der Darstellung der 7 erkennt man insbesondere, dass sich bei einer im Querschnitt runden zweiten Querschnittsfläche 16 Spannungskonzentrationsstellen 31, 32 (die auf der gegenüberliegenden Seite parallel der Zeichnungsebene ebenfalls angeordnet sind) ergeben, die im Übergangsbereich zur Hochdruckkammer 11 sowie zum Hochdruckkanal 12 angeordnet sind. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Übergangsbereichs 15 ergeben sich nunmehr voneinander getrennte Spannungskonzentrationsstellen 33, 34, über die ein Teil der Spannung der Spannungskonzentrationsstelle 31 umgelagert wurde. Dies führt insgesamt gesehen, über den Umfang des Übergangsbereichs 15, zu einer Verringerungen punktueller Spannungsspitzen.
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Der soweit beschriebene Verbindungsbereich 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Insbesondere kann es auch vorgesehen sein, dass anstelle elliptisch ausgebildeter Querschnittsbereiche 16, 23 diese in Form von Ovalen ausgebildet sind bzw. eine ovale Querschnittsfläche aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10253188 A1 [0002]
- DE 102007018471 A1 [0003]
