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Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffverteilerleise mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Bei Kraftstoffverteilersystemen für Brennkraftmaschinen sind die Druckerzeugung und die Kraftstoffeinspritzung voneinander entkoppelt. Eine Kraftstoffpumpe erzeugt kontinuierlich Druck. Dieser unabhängig von der Einspritzfolge aufgebaute Druck steht im Kraftstoffverteiler, welcher als Speicher fungiert, zur Verfügung. Hierzu wird der komprimierte Kraftstoff in einem Verteilerrohr gespeichert und über Abzweigleitungen verteilt den Injektoren bzw. Einspritzventilen einer Zylinderbank zur Verfügung gestellt.
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Die Herstellung von bekannten Kraftstoffverteilern ist aufwendig und kostenintensiv, was sich insbesondere für die Produktion der Kraftstoffverteiler in Großserien als besonders nachteilig darstellt. Ferner sind aufgrund des hohen Betriebsdrucks bei üblichen Einspritzsystemen die Anforderungen an das Leitungssystem, insbesondere an den als Druckspeicher fungierenden Kraftstoffverteiler, bezüglich der Materialfestigkeit sehr hoch.
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Um diese Anforderungen zu erfüllen, wird bislang verbreitet der Kraftstoffverteiler aus einem Schmiedestück und danach durch Zerspannungstechnik hergestellt.
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Aus den Dokumenten
DE 102 47 524 A1 und
DE 10 2010 029 052 A1 sind Kraftstoffverteiler bekannt, welche insbesondere durch Urformen im Gussverfahren hergestellt werden. Derartige Kraftstoffverteiler sind im Gegensatz zu den bisher aus dem Stand der Technik bekannten, als sogenannte Schmiederails beziehungsweise Schweißrails ausgebildete Kraftstoffverteiler für Common-Rail-Systeme relativ preisgünstig herstellbar.
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Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen, die Kraftstoffverteilersysteme einteilig als Gussteile oder Schmiedeteile herzustellen, stellt sich das Problem einer kostengünstigen Produktion für die Großserie.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kraftstoffverteilereinrichtung bereitzustellen, die einfach und kostengünstig herstellbar ist, sowie den hohen Belastungsansprüchen gerecht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine modular aufgebaute Kraftstoffverteilerleiste mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen charakterisiert.
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Erfindungsgemäß wird eine Kraftstoffverteilerleiste für eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem Zylinder, umfassend einen Druckspeicherraum, wenigstens einen Kraftstoffinjektoranschluss und einen Anschluss für einer Kraftstoffversorgungsquelle bereitgestellt. Die Kraftstoffverteilerleiste umfasst zumindest ein erstes Modulelement mit einem ersten Abschnitt des Druckspeicherraums und dem Anschluss für die Kraftstoffversorgungsquelle und ein zweites Modulelement mit einem zweiten Abschnitt des Druckspeicherraums und wenigstens einen Kraftstoffinjektoranschluss, wobei das erste Modulelement eine Verbindungsstelle aufweist, welche zu einer Verbindungsstelle des zweiten Modulelements korrespondiert, so dass das erste Modulelement mit dem zweiten Modulelement unmittelbar benachbart verbindbar ist und die in den Modulelementen enthaltenen jeweiligen Abschnitte des Druckspeicherraums über die Verbindungsstelle zum Druckspeicherraum miteinander verbinden.
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Die erfindungsgemäße Kraftstoffverteilerleiste umfasst einen aus den Modulelementen zusammengesetzten Druckspeicherraum, in dem Kraftstoff komprimiert wird und nach Bedarf über einen Injektor der Brennkammer zur Verfügung gestellt wird. Eine durchgehende Öffnung durch den Druckspeicherraum wird in einem Spritzvorgang, insbesondere einem Pulverspritzvorgang abgeformt, danach entbindert und gesintert. Beim Entbindern handelt es sich um einen Verfahrensschritt des Fertigungsverfahrens, konkret des Pulverspritzgießens, bei dem ein vollständiges Herauslösen einen Binders ohne Beeinflussung von der Bauteilgeometrie oder der chemischen Reinheit des Werkstoffs erfolgt. Auf der Kraftstoffeinlassseite ist die Kraftstoffverteilerleiste mit einer Pumpe verbunden. Auf der gegenüberliegenden Seite kann optional eine Öffnung für einen Druckaufnehmer zur Überwachung des komprimierten Druckes vorgesehen werden.
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Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Kraftstoffverteilerleiste besteht in der einfacheren Herstellungsart und Montage. Es ist keine oder nur geringe Justierung oder Anheften notwendig. Ferner ist die Herstellungsart für die erfindungsgemäße Kraftstoffverteilerleiste kostengünstiger und flexibler im Vergleich zu den herkömmlichen Herstellungsarten für Kraftstoffverteilerleisten. Die erfindungsgemäße Kraftstoffverteilerleiste reduziert die Anzahl der Bauteile von Kraftstoffverteilersystemen. Es lassen sich bei deren Herstellung alle Form- und Maßtoleranzen einhalten und sind gut im jeweiligen Herstellungsverfahren reproduzierbar. Ferner ist bei der erfindungsgemäßen Kraftstoffverteilerleiste die höhere Festigkeit, besonders Steifigkeit, durch den modularen Aufbau gegen hohe Drücke im Druckspeicherraum gegenüber einer einteiligen Bauweise gewährleistet.
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Bevorzugt ist eine Ausführungsform der modular aufgebauten Kraftstoffverteilerleiste, bei der die korrespondierende Verbindungsstelle einen Formschluss mit einem benachbarten Modulelement bildet. Der Formschluss kann durch einen Umgriffsabschnitt und einen in diesen eingreifenden Eingriffsabschnitt bewirkt werden, welche die Profilabschnitte zusätzlich relativ zueinander fixieren. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist ein Modulelement Ausnehmungen und das benachbarte Modulelement Vorsätze auf, wodurch der Formschluss zwischen dem Modulelementen ausgebildet wird. Zur Ausbildung des Formschlusses greifen die Vorsätze in die komplementären Ausnehmungen ein. Die Ausrichtung der Modulelemente kann auch über ein geometrisches Formelement, beispielsweise durch eine Gabelanbindung, Nut-Feder, Zahnflanken oder dergleichen, erfolgen. Die einzelnen benachbarten Modulelemente können beispielsweise durch Zusammenstecken miteinander verbunden werden.
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In bevorzugter Ausführungsform kann an einem Erstreckungsende der modular aufgebauten Kraftstoffverteilerleiste zumindest ein Abschlussmodul angeordnet sein.
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Das Abschlussmodul ist ein Modulelement, das an einem Erstreckungsende der erfindungsgemäßen Kraftstoffverteilerleiste angeordnet. Das Abschlussmodul weist in der Erstreckungsrichtung an einem Ende eine Anschlussstelle für eine Hochdruckpumpe oder einen Druckaufnehmer die und an seinem gegenüberliegenden Ende ein Formelement für die Verbindung mit dem korrespondierenden benachbarten Basis- oder Abschlussmodul. Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Kraftstoffverteilerleiste zwei Modulelemente auf, die als Abschlussmodule ausgebildet sind. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Kraftstoffverteilerleiste ein Basismodul umfassen, an dessen beiden Erstreckungsenden jeweils ein Abschlussmodul angeordnet ist. Ein Basismodul weist einen Druckspeicherraum und eine mit dem Druckspeicher verbundene Bohrung auf, die mit einer Kraftstoffversorgungsquelle verbunden ist. An beiden Enden des Basismoduls befinden sich Formelemente, die einen Formschluss mit den korrespondierenden benachbarten Basis oder Abschlusselementen.
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Eine dreiteilig modular aufgebaute Kraftstoffverteilerleiste besteht aus drei Modulelementen: zwei Abschlussmodulen und einem in der Mitte platzierten Basismodul. Die Abschlussmodule werden am Ende der Kraftstoffverteilerleiste positioniert. Die Abschlussmodule können im Wesentlichen spiegelbildlich zueinander ausgebildet und angeordnet sein.
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Erfindungsgemäß kann das Modulelement optional ein Filterelement umfassen. Bei dem Filterelement kann es sich um ein Sieb handeln, das beispielsweise in einem Pulverspritzvorgang abgeformt wird. Durch die Integration eines Siebes werden Schmutzsammlungen von Verschleiß oder diversen Verunreinigen an der Injektoreinlassseite verhindert. Dadurch werden Injektoren geschützt. Die Entfernung der Verunreinigung kann vereinfacht und ohne großen Aufwand beispielsweise durch Spülen des Druckspeicherraums durchführt werden. Injektoren werden durch die Reinigung nicht betroffen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die benachbarten Modulelemente an der Verbindungsstelle eine Fügeverbindung auf. Erfindungsgemäß kann die Fügeverbindung eine Löt- und/oder Schweißverbindung sein.
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Weiterhin kann der Kraftstoffverteiler zumindest teilweise wenigstens aus einem Werkstoff der folgenden Werkstoffgruppen gebildet sein: Metall Metalllegierung, Keramik.
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Die erfindungsgemäße Kraftstoffverteilerleiste kann bevorzugt für Motoren mit Direkteinspritzung (DI – direct injection) verwendet werden. Ferner ist es möglich, die erfindungsgemäße Kraftstoffverteilerleiste auch für MPI-Motoren (multi-point-injection) zu verwenden. Hierzu kann die Kraftstoffversorgung durch ein Common Rail (CR) erfolgen, bei dem die Kraftstoffpumpe den mit dem hohen Druck beaufschlagten Kraftstoff in ein Common-Rail zuführt, der anschließend durch die Einspritzventile der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Der Raildruck (der Druck im Druckspeicher) von zurzeit beispielsweise bis zu 300 MPa (3000 bar) kann für sehr hohe Einspritzdrücke genutzt werden.
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Die erfindungsgemäße Kraftstoffverteilerleiste kann vorteilhafterweise im Rahmen eines Spritzgießverfahrens, insbesondere eines Pulverspritzgießverfahrens, angefertigt werden. Bei metallischen Werkstoffen zur Herstellung erfindungsgemäßen modularen Kraftstoffverteilerleisten wird das Metallspritzgießen (Metal Injection Moulding) und bei keramischen Werkstoffen das Keramikspritzgießen (Ceramic Injection Moulding) angewendet. Durch dieses Verfahren werden die Bauteile der erfindungsgemäßen Kraftstoffverteilerleiste wie beispielsweise Anbindung für Sensoreinheiten, Anbindungselementen für Injektoren, Befestigung an dem Motorblock, Siebeinheiten direkt an Anbindungsflansche für Injektoren in einem Fertigungsvorgang hergestellt.
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Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
- • Zusammenmischen von Pulver und Binder,
- • Granulieren der homogenisierten Masse (Feedstock-Herstellung),
- • Herstellung eines Grünteils durch Spritzgießen des Feedstocks,
- • Entbindern, d.h. die Entfernung des Bindermittels durch katalytisches und/oder Lösungsmittel- und /oder thermisches Verfahren,
- • Sintern der zumindest, teilweise und nach einer entsprechenden Sinterprofiles vollständig (binderfrei) entbinderten Teils,
- • Optional wird eine Entgratung oder Nachbearbeitung der Verbindungsfläche, quasi Fügstellen durchgeführt. Hierzu kann beispielsweise Gleitschleißen (Trowalisieren) oder Zerspannungstechnologie verwendet werden, abhängig davon welche Genauigkeit notwendig ist.
- • Optional kann nach dem Sintern eine Wärmebehandlung, wie beispielsweise Härten, Anlassen, Vergüten, folgen oder ein heißisostatisches Pressen (HIP) angewendet werden, um die höchste Festigkeit der Bauteile zu erreichen. Heißisostatisches Pressen (HIP) ist ebenfalls ein Wärmebehandlungsverfahren zum Verdichten von gesinterten Teilen in einem Ofen unter hohem Gasdruck (Argon oder Stickstoff) und unter hoher Temperatur. Der Gasdruck wirkt in jeder Richtung und sorgt für isotrope Eigenschaften und eine besonders hohe, im besten Fall 100%ige Verdichtung. Eine weitere Nachbearbeitung durch die Zerspannung ist als optional zu betrachten. Die Schritte der Nachbehandlung bzw. Nachbearbeitung können in beliebigen Kombinationen durchgeführt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann eine Brennkraftmaschine mit bestimmter Anzahl an Zylinder bereitgestellt werden, der die erfindungsgemäße Kraftstoffverteilerleiste zugeordnet ist, wobei die Anzahl der Modulelemente der Kraftstoffverteilerleiste der Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine entspricht. Erfindungsgemäß kann somit pro Zylinder der Brennkraftmaschine ein Modulelement, bevorzugt ein Basismodul, mit einer Kraftstoffinjektoraufnahme zur Verfügung gestellt werden.
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Eine besonders vorteilhafte Anordnung kann darin bestehen, dass die erfindungsgemäße Kraftstoffverteilerleiste in ein Kraftfahrzeug eingebaut ist. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug beinhaltet demnach eine erfindungsgemäße Kraftstoffverteilerleiste, die zumindest zwei Modulelemente umfasst. Das Kraftfahrzeug kann ein schienenloses Radfahrzeug sein.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt. Es zeigt im Einzelnen:
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1 (a bis f) ist eine Ausführungsform einer modular aufgebauten zweiteiligen Kraftstoffverteilerleise in zweiteiliger Ausführung,
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2 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen modular aufgebauten Kraftstoffverteilerleiste in dreiteiliger Ausführung,
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3 (a und b) ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kraftstoffverteilerleiste.
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4 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kraftstoffverteilerleiste.
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In der 1 ist ein Ausführungsbeispiel der modular aufgebauten Kraftstoffverteilerleiste dargestellt, die aus zwei Modulelementen besteht.
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Die erfindungsgemäße Kraftstoffverteilerleiste 10 besteht aus einem Druckspeicherraum 7, in dem Kraftstoff komprimiert wird und nach Bedarf über einen Injektor der Brennkammer zur Verfügung gestellt wird. Auf der Kraftstoffeinlassseite 7 ist die Kraftstoffverteilerleiste 10 mit einer Pumpe verbunden. Auf der gegenüberliegenden Seite 4 kann optional eine Öffnung 8 für einen Druckaufnehmer zur Überwachung des komprimierten Druckes vorgesehen werden. Das Innengewinde 19 oder Außengewinde 20 (1a) kann durch oben beschriebenes Verfahren abgebildet oder eventuell nachträglich nachgefertigt werden. Die Gestaltung der Anschlüsse ist frei wählbar und kann für beliebige Ausführungen und deren Kombinationen anwendbar sein. 1b zeigt drei unterschiedliche Gestaltungen vom Kraftstoffinjektoranschluss 5. Eine der Ausführungen hat im Innenraum zwei Führungen 14, die in Pulverspritzvorgang abgebildet werden.
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Für den Kraftstoffinjektoranschluss 5 ist ein Filterelement 6 vorgesehen, das durch einen Pulverspritzvorgang abgeformt beziehungsweise nachträglich entbindert und gesintert wird. Das Filterelement, bevorzugt ein Sieb, hat die Aufgabe eine Verstopfung (Schmutzsammlungen von Verschleiß oder diversen Verunreinigen) an der Injektoreinlassseite zu verhindern. Eine Reinigung des verunreinigten Filterelementes 6 kann durch einfache Zerlegung der Kraftstoffverteilerleiste 10 erfolgen. Querschnittsform des Siebes kann unterschiedlich gestaltet werden. 1c zeigt beispielsweise zwei unterschiedliche Ausführungen. Entlang der Längsachse 1d der erfindungsgemäßen Kraftstoffverteilerleiste sind Befestigungsstellen 11 (Kraftstoffverteilerleiste-Zylinderblock) vorgesehen. Die Befestigungsstellen 11 können unterschiedlich gestaltet werden. Diese Stellen 11 (eine oder mehrere) werden im gleichen Fertigungsvorgang hergestellt. Eine Befestigung 11 kann beispielsweise durch eine Schraube hergestellt werden (Gewinde Zylinderkopf-Bohrung Kraftstoffverteiler). Die Schraube-Aufnahme ist in der 1d dargestellt. Sie wird im SPulverspritzvorgang abgebildet und dann an den Zylinderblock mit einer kompatiblen Anbindung (Gewinde) verbunden. Eine weitere Ausführung ist anhand der 1e ist zu erkennen. Die Führungen 12 können die Positionierung bei Montage erleichtern. Eine weitere mögliche Ausführung der Befestigungsstellen zeigt die 1f. Eine durchgehende Öffnung 13 durch den Druckspeicherraum 4 wird in einem Pulverspritzvorgang abgeformt, danach entbindert und gesintert.
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Nach dem Sintern des ersten Modulelements 1 und des zweiten Modulelements 2 ist bevorzugt und in vorteilhafter Weise keine spezielle Nachbearbeitung von Kontaktflächen 4 notwendig. Für den Zusammenbau der Kraftstoffverteilerleiste werden einzelnen Teile 1 und 2 zusammengesteckt 3 und danach gefügt (Löten oder Schweißen). Die Kraftstoffverteilerleiste 10 soll direkt dem nachfolgenden Prozess (Fügen) unterzogen werden. Abhängig von dem Fügeverfahren werden die entsprechenden Toleranzen der Passung von zwei Teilen durch den Aufmaßfaktor der Werkzeugfertigung (Schwindung nach dem Sintern) berücksichtigt. Der Formschluss kann durch einen Umgriffsabschnitt 21 und einen in diesen eingreifenden Eingriffsabschnitt 22 bewirkt werden, welche die Profilabschnitte zusätzlich relativ zueinander fixieren. Eine mögliche Ausführungsform des Eingriffs- 18 und Umgriffsabschnittes 17 ist in der 2 dargestellt. Der Umgriffsabschnitt 21kann als eine Ausnehmung und der Eingriffsabschnitt 22 kann als Vorsatz ausgebildet werden, wodurch der Formschluss zwischen den Modulelementen entsteht. Zur Ausbildung des Formschlusses greifen die Vorsätze 22 in die komplementären Ausnehmungen 21 ein. In der 2 ist eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform der modular aufgebauten Kraftstoffverteilerleiste dargestellt. Die Kraftstoffverteilerleiste ist dreiteilig ausgeführt. Es gelten die gleichen konstruktiven Merkmale wie für die vorherigen Ausführungsformen. Nach dem Sintern werden die einzelnen Teile 1, 2 und 15 zusammengesteckt 3 und danach gefügt (Löten oder Schweißen). Es ist keine spezielle Nachbearbeitung von Kontaktflächen notwendig. Abhängig von dem Fügeverfahren werden die entsprechenden Toleranzen der Passung von beiden Verbindungen durch den Aufmaßfaktor der Werkzeugfertigung berücksichtigt.
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In der 3 ist eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform der Kraftstoffverteilerleiste dargestellt. Der Unterschied zu vorherigen Ausführungsformen ist, dass die einzelnen Teile (1, 2, 15) der Kraftstoffleiste durch die Verbindungsknoten 16 als Zwischenstück (zur Erhöhung von Steifigkeit), hergestellt mittels MIM Verfahrens modular zusammengebaut sind. Nach dem Sintern von einzelnen Modulen werden die einzelnen Teile 1, 2 und 15 mit Verbindungsknoten 16 zusammengesteckt und danach gefügt (Löten oder Schweißen). Die Teile 1 und 2 einer Kraftstoffverteilerleiste können symmetrisch aber auch unsymmetrisch sein. Die Position 5 ist als Sitz des Einspritzventils vorgesehen.
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Die 3a und 3b zeigen einen Verbindungsknoten 16 mit zwei einzelnen Modulelementen 1 und 2 einer Kraftstoffverteilerleiste 10. In dem Verbindungsknoten 16 sind auf beiden Seiten zwei Öffnungen vorhanden, durch die der Kraftstoff von dem Einlass zu allen Injektoren fließen kann. Die Pfeile zeigen die Kraftstromströmungsrichtung 9 während des Fahrzeugbetriebes. In der Verbindungsknote 16 ist eine Bohrung 17 vorhanden, mit der sich die Kraftstoffleiste mit dem Motorgehäuse beispielweise durch Schrauben verbinden lassen kann.
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Die 4 zeigt eine weitere Ausführungsform mit modularem Aufbau der erfindungsgemäßen Kraftstoffverteilerleiste. Es gelten die gleichen konstruktiven Merkmale wie für die vorherigen Ausführungsformen. Im Unterschied zu vorherigen Ausführungsform, werden die Verbindungsknoten 16 und der Basismodul 2 in einem Pulverspritzvorgang mit Hilfe eines verlorenen Kerns 18 abgebildet. Unter verlorenen Kern 16 versteht man einen Einlegeteil der im Spritzgießwerkzeug positioniert wird und sich mit einem Feedstock umspritzt. Während der Entbinderung wird der Kern, der beispielsweise aus einem geeignetem Wachs oder einem geeignetem Polymertyp besteht herausgelöst. Nach dem Sintern werden die einzelnen Teile 1, 2 und 15 zusammengesteckt 3 und danach gefügt (Löten oder Schweißen).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Erstes Modulelement
- 2
- Zweites Modulelement
- 3
- Verbindungsstelle
- 4
- Druckspeicherraum
- 5
- Kraftstoffinjektoranschluss
- 6
- Filterelement
- 7
- Kraftstoffeinlassseite
- 8
- Gegenüberliegende Seite zur Kraftstoffeinlassseite
- 9
- Kraftstoffflussrichtung, inklusive Öffnung
- 10
- Kraftstoffverteilerleiste
- 11
- Befestigungsstelle
- 12
- Führung
- 13
- Befestigungsöffnung
- 14
- Führung für Kraftstoffinjektoranschluss
- 15
- Abschlussmodul
- 16
- Verbindungsknoten
- 17
- Bohrung zur Befestigung
- 18
- Kern (verlorene Form)
- 19
- Innengewinde
- 20
- Außengewinde
- 21
- Umgriffsabschnitt / Ausnehmung
- 22
- Eingriffsabschnitt /Vorsatz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10247524 A1 [0005]
- DE 102010029052 A1 [0005]
