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Stand der Technik
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
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Bei
zeitlich dicht hintereinander stattfindenden Kraftstoffeinspritzungen
wird die jeweils folgende Einspritzung durch Druckwellen in Injektor
und Leitung beeinflusst, die von vorangegangenen Einspritzungen
herrühren.
Dadurch entstehen Abweichungen in der Einspritzmenge. Um die Amplitude
der Druckschwingungen im Hochdrucksystem nicht zu groß werden
zu lassen, ist es bekannt, Drosseln am railseitigen (oberen) Ende
der vom Hochdruckspeicher (Common Rail) zum Injektor führenden
Hochdruckleitung anzuordnen.
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Die
bekannten Drosseln dampfen zwar die Amplitude der Druckschwingungen,
setzen aber auch den Durchfluss herab, so dass – insbesondere bei vergleichsweise
langer Dauer des Ansteuervorgangs des Injektors – die jeweilige Kraftstoff-Einspritzmenge
im Vergleich zu einem ungedrosselten System sinkt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine deutliche Dämpfung der unerwünschten
Druckschwingungen in der Hochdruckleitung zu bewirken, ohne hierfür eine – nachteilige – Durchflussreduzierung
in Kauf nehmen zu müssen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Gemäß der Erfindung
wird die Aufgabe bei einer Anordnung der eingangs bezeichneten Gattung durch
die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen des Grundgedankens der Erfindung können den
Patentansprüchen
2 bis 10 entnommen werden.
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Das
erfindungsgemäße Rückströmdrosselventil
hat den vorteilhaften Effekt, dass in Strömungsrichtung zum Injektor
ein großer
Strömungsquerschnitt
freigegeben wird. Dadurch erfolgt keinerlei Behinderung des Kraftstoffdurchflusses
in Richtung zum Düsenaustritt
des Injektors. In umgekehrter Richtung indessen gibt das erfindungsgemäße Rückströmdrosselventil
für die
rücklaufende
Druckwelle nur einen kleinen Drosselquerschnitt frei, wodurch vorteilhafterweise
rücklaufende
Druckwellen gedämpft
werden.
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In
Ausgestaltung des Grundgedankens der Erfindung ist es zunächst denkbar,
das Rückströmdrosselventil
am hochdruckspeicherseitigen (oberen) Ende der zum Injektor führenden
Hochdruckleitung anzuordnen. Infolge der Zeit, die Druckwellen im
Leitungssystem für
ihre Ausbreitung benötigen,
werden allerdings Dämpfungsmaßnahmen
am railseitigen Ende der Hochdruckleitung erst ab einem gewissen zeitlichen
Abstand je zweier aufeinander folgender Kraftstoffeinspritzungen
wirksam. Moderne Motorapplikationen erfordern jedoch sehr genau
dosierte Einspritzungen in zeitlich kurzen Abständen. Eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung sieht deshalb vor, das Rückströmdrosselventil am Fuß (unteren
Ende) der Steigleitung innerhalb des Injektorkörpers anzuordnen. Das Rückströmdrosselventil wird
also in den Injektor selbst integriert. Diese Maßnahme erbringt den wesentlichen
Vorteil, dass die Druckwellen bereits nahe dem Ort ihrer Entstehung, nämlich unmittelbar
oberhalb des Düsenaustritts,
gedämpft
werden, so dass die hydraulische Dämpfung auch bei kurzen zeitlichen
Abständen
der Einspritzungen voll wirksam ist. Aufdiese Weise wird die Kraftstoff-Zumessgenauigkeit
bei sog. Kombipunkten erheblich verbessert. Es besteht hierdurch
sogar das Potenzial zum Entfall einer (bislang erforderlichen) Druckwellenkompensation.
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Das
große
Potenzial der Erfindung bezüglich einer
Verbesserung von Kraftstoff-Zumessgenauigkeit
und Glätteng
des Leitungsdruckverlaufes lässt sich
unschwer anhand von kommerziell erhältlicher Simulationssoftware,
die für
Hydrauliksimulationen verwendet wird, verdeutlichen.
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Zeichnung
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In
der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der
Erfindung dargestellt, die im Folgenden detailliert beschrieben
werden. Im Einzelnen zeigt:
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1 – in schematisierter
(teilweiser) Darstellung – ein
Common-Rail-Einspritzsystem,
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2 – ebenfalls
schematisiert – eine
Ausführungsform
eines Rückströmdrosselventils,
in gegenüber 1 vergrößerter Darstellung,
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3 – im vertikalen
Längsschnitt – eine andere
Ausführungsform
eines Rückströmdrosselventils,
in gegenüber 1 bzw. 2 stark
vergrößerter Darstellung,
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4 – in Diagrammdarstellung – den Hub eines
in einen Injektor integrierten Rückströmdrosselventils
(unteres Diagramm) und die Einspritzrate des betreffenden Injektors
(oberes Diagramm), jeweils aufgetragen über der Zeit,
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5 die
Charakteristiken eines Injektors mit und ohne Rückströmdrosselventil in der Steigleitung,
wobei -jeweils über
der Zeit – in
einem oberen Diagramm die Einspritzrate und in einem unteren Diagramm
der Druck in der Verbindungsleitung Hochdruckspeicher (Common Rail)/Injektor
aufgetragen ist, und
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6 – in Diagrammdarstellung – die Kraftstoffeinspritzmenge
während
der Haupteinspritzung, aufgetragen über dem zeitlichen („elektrischen") Abstand vom Ende
der Voreinspritzung bis zum Beginn der Haupteinspritzung.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 bezeichnet 10 einen
Hochdruckspeicher (sog. Common Rail) und 11 einen Injektor eines
Kraftstoff-Einspritzsystems, insbesondere für Dieselmotoren. Der Hochdruckspeicher 10 ist
Fiber eine insgesamt mit 12 bezifferte Hochdruckleitung mit
dem Injektor 11 verbunden, der den zugeführten Kraftstoff
in bekannter und deshalb hier nicht detailliert geschilderter Weise einem
Düsenaustritt 13 mit Düsennadel
betätigten
Spritzlöchern
(nicht gezeigt) zuleitet. Ein hierzu innerhalb des Injektors 11 verlaufender
Abschnitt 14 der Hochdruck-Verbindungsleitung 12 soll
im Folgenden als „Steigleitung" bezeichnet werden.
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Wie 1 des
weiteren erkennen lässt,
ist in der Steigleitung 14, an deren düsenaustrittsseitigem (unterem)
Ende ein Rückströmdrosselventil 15 angeordnet,
dessen Wirkungsweise im Wesentlichen aus 2 hervorgeht
(vergleiche aber insbesondere auch die Ausführungsform nach 3).
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Zur
Einleitung der Voreinspritzung öffnet
die (nicht dargestellte) Düsennadel
des Injektors. Daraufhin strömt
Kraftstoff in der Hochruck-Verbindungsleitung 12 bzw. in
der Steigleitung 14 in Richtung Düsenaustritt 13 (Pfeil 16 in 1 und 2).
Ein durch eine Druckfeder 17 in Pfeilrichtung 20 (also
entgegen der Strömungsrichtung 16)
beaufschlagter – bei
der Ausführungsform
nach 2 kugelförmig
ausgebildeter – Ventilkörper 18 wird,
entgegen der Federkraft, in Pfeilrichtung 16 bewegt und
gibt daraufhin einen Drosselventilsitz 19 frei, so dass
Kraftstoff (nahezu ohne Drosselwirkung) zum Düsenaustritt 13 gelangen
kann. Sobald die Düsennadel
zur Beendigung des Voreinspritzvorgangs schließt, entsteht in der Steigleitung 14 eine
in Pfeilrichtung 20 gerichtete Druckwelle, die den Ventilkörper 18 des
Rückströmdrosselventils 15 in
den Drosselventilsitz 19 drückt, so dass dieser nurmehr
einen engen Drosselquerschnitt freigibt. Dadurch wird weiterhin
zurückfließender Kraftstoff
stark durch das Rückströmdrosselventil 15 gedrosselt.
In der Steigleitung 14 bzw. in der Hochdruck-Verbindungsleitung 12 können somit
keine großen
Druckschwankungen auftreten; das System bleibt „ruhig" (s. hierzu 5 und die
zugehörige Beschreibung
weiter unten).
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Ähnlich geht
der Vorgang der Haupteinspritzung vonstatten. Da von der Voreinspritzung
her kaum noch Druckwellen im System sind, liegt ein reproduzierbarer
Ausgangszustand vor, der nicht vorn zeitlichen Abstand zur Voreinspritzung
abhängt.
(Vgl. hierzu auch 6 und die unten folgende Beschreibung.)
Zu Beginn des Einspritzvorgangs fließt Kraftstoff in Richtung Düsenaustritt.
Das Rückströmdrosselventil 15 öffnet, und
der Kraftstoff wird auf dem Weg zum Düsenaustritt 13 nicht
nennenswert gedrosselt. Nach Beendigung des Haupteinspritzvorgangs
werden die Austrittsdüsen
durch die Düsennadel
geschlossen. Dadurch tritt am Düsenaustritt 13 eine
Druckerhöhung
auf. Zurückströmender Kraftstoff
schließt
das Rückströmdrosselventil 15.
Dadurch wird weiterhin zurückfließender Kraftstoff
stark gedrosselt. Infolge dessen unterbleiben in Steigleitung 14 und
Hochdruck-Verbindungsleitung 12 große Druckschwankungen; das System
bleibt wiederum „ruhig".
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Bei
den vorstehend geschilderten Vorgängen Voreinspritzung-Haupteinspritzung
handelt es sich nur um Beispiele. Das erfindungsgemäße Rückströmdrosselventil 15 entfaltet
seine Wirkung in entsprechender Weise z.B. auch bei einer Doppel-Voreinspritzung
und/oder einer Haupteinspritzung-Nacheinspritzung.
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Die
Wirkungsweise der aus 3 ersichtlichen, insgesamt mit 15a bezeichneten
Variante eines Rückströmdrosselventils
entspricht im Wesentlichen derjenigen des Rückströmdrosselventils 15 nach 2,
wie im Vorstehenden beschrieben. Unterschiede bestehen indessen
in der konstruktiven Ausgestaltung. Das Rückströmdrosselventil 15a besitzt einen
eine abgesetzte Innenbohrung 21 aufweisenden Ventilkolben 22,
der in einem Ventilgehäuse 23 axial
verschieblich geführt
ist. Die Führungsfunktion für den Ventilkolben 22 kann
auch unmittelbar von dem – in 1 mit 24 bezifferten – Injektorkörper übernommen
werden. Der Ventilkolben 22 verfügt über eine ballige Stirnfläche 25,
die mit einem konischen Ventilsitz 26 zusammenwirkt. 3 zeigt
das Rückströmdrosselventil 15a in
seiner geschlossenen Stellung (unmittelbar nach Beendigung eines
Voreinspritz- oder Haupteinspritzvorgangs), in die der Ventilkolben 22 durch
die vom Düsenaustritt
(13, 1) zurücklaufende Druckwelle gelangt
ist. Unterstützt wird
der Schließvorgang
des Rückströmdrosselventils 15a hierbei
durch eine in der abgesetzten Bohrung 21 des Ventilkolbens 22 angeordnete
Druckfeder 27, die sich rückseitig an einem in das Ventilgehäuse 23 eingepressten
Anschlagteil 28 mit durchgehender, zur abgesetzten Bohrung 21 des
Ventilkolbens 22 koaxialer Bohrung 29 abstützt. Der
maximale Verschiebeweg s des Ventilkolbens 22 in dessen Öffnungsstellung,
in der der Ventilkolben 22 mit seiner rückseitigen Stirnfläche an dem
Anschlagteil 28 zur Anlage kommt, wird einerseits durch
die Länge des
Ventilkolbens 22, andererseits durch die Montageposition
des Anschlagteils 28 bestimmt. Der Verschiebeweg s kann
(circa) 0,75 mm betragen.
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Wie
weiterhin aus 3 hervorgeht, besitzt der Ventilkolben 22 an
seinem ventilsitzseitigen (oberen) Ende 25 eine Drosselbohrung 30,
die einerseits mit der abgesetzten Bohrung 21 im Ventilkolben 22, andererseits
mit einer hierzu koaxialen Bohrung 31 des Ventilgehäuses 23 hydraulisch
verbunden ist. Der aufgrund der Druckwelle (nach Schließung der Spritzlöcher im
Düsenaustritt 13, 1)
in Pfeilrichtung 20 zurückströmende Kraftstoff
gelangt durch die Bohrungen 29 und 21 in die Drosselbohrung 20 des Ventilkolbens 22,
wo die Druckwelle infolge der Drosselwirkung eine starke Dämpfung erfährt. Erst
dann kann der Kraftstoff durch die Gehäusebohrung 31 weiter
in die Steigleitung (z.B. 14, 1 und 2) des
betreffenden Injektors (z.B. 11 1) gelangen.
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Während eines
Kraftstoffeinspritzvorgangs (wobei es sich um die Voreinspritzung
oder die Haupteinspritzung oder auch um eine Nacheinspritzung handeln
kann) wird der Ventilkolben 22 durch den in Pfeilrichtung 16 strömenden Kraftstoff
entgegen dem Widerstand der Druckfeder 27 um den Verschiebeweg
s gegen das Anschlagteil 28 gedrückt und gibt hierbei am Ventilsitz 26 einen
entsprechenden Durchströmquerschnitt
frei. Der Kraftstoff wird nun – ungedrosselt – in einen
zwischen der Außenwandung
des Ventilkolbens 22 und der Innenwandung des Ventilgehäuses 23 ausgebildeten
Ringraum 32 und von dort durch radiale Bohrungen 33, 34 in
die abgesetzte Bohrung 21 des Ventilkolbens 22 geleitet. Über die
Bohrung 29 des Anschlagteils 28 gelangt der Kraftstoff
schließlich
zu den Spritzlöchern
des Düsenaustritts
(13, 1).
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Die
aus 4 ersichtlichen Charakteristika wurden an einem
Injektor mit Rückströmdrosselventil (z.B. 15 bzw. 15a, 2 bzw. 3)
in der Steigleitung (z.B. 14, 1 und 2)
ermittelt. Bei der insgesamt mit 35 bezeichneten Kurve
des oberen Diagramms markiert ein Kurvenabschnitt 36 den
Voreinspritzvorgang und ein Kurvenabschnitt 37 den Haupteinspritzvorgang
des betreffenden Injektors. Die Voreinspritzung erstreckt sich über eine
Zeitspanne von (circa) 0,15 ms, während für die Haupteinspritzung (circa)
20 ms vorgesehen sind. Die Einspritzrate ist bei der Voreinspritzung – mit ca.
30 mm3/ms – etwas geringer als die bei
der Haupteinspritzung erzielte Einspritzrate, ca. 45 mm3/ms.
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Eine
im unteren Diagramm von 4 mit 38 bezeichnete
Kurve beschreibt den Kolbenhub eines in der Steigleitung (z.B. 14, 1 und 2)
angeordneten Rückströmdrosselventils
(z.B. 15, 15a, 2 bzw. 3).
Die Kurve 38 zeigt, dass das Rückströmdrosselventil während des
Voreinspritzvorgangs – Kurvenabschnitt 39 – und während des Haupteinspritzvorgangs – Kurvenabschnitt 40 – (im Wesentlichen)
geöffnet
ist und während
der dazwischen liegenden Zeitspannen – Kurvenabschnitte 41 und 42 – dagegen
eine Drosselstellung (Schließstellung
mit Drosselöffnung)
einnimmt.
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Das
obere Diagramm in 5 zeigt den Einspritzratenverlauf – Kurve 43 – bei einem
Injektor (z.B. 11 1) mit Rückströmdrosselventil
(z.B. 15, 15a, 2 bzw. 3)
in der Steigleitung (z.B. 14, 1 und 2)
im Vergleich zum Einspritzratenverlauf – Kurve 44 – eines
Injektors ohne Rückströmdrosselventil
in der Steigleitung. Die weitgehende Überdeckung der beiden Kurven 43 und 44 macht deutlich,
dass ein Rückströmdrosselventil
in der Steigleitung nahezu keinen (nachteiligen) Einfluss auf die
Einspritzrate des betreffenden Injektors ausübt.
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In
dem unteren Diagramm von 5 veranschaulichen Kurven 45 bis 48 den
Druckverlauf in der Hochdruck-Verbindungsleitung (12) zwischen
Hochdruckspeicher (10) und Injektor (11). Der
Druck wurde bei Kurve 45 in der Nähe des Hochdruckspeichers (10)
und bei Kurve 46 Injektornah gemessen. Die nahezu vollständige Überdeckung
der Kurven 45, 46 und deren nahezu horizontal/geradliniger
Verlauf belegt, dass der Druck auf der gesamten Länge der Hochdruck-Verbindungsleitung
(12) praktisch identisch und nahezu konstant bleibt, sofern
in der Steigleitung (14) des Injektors (11) ein
Rückströmdrosselventil
(15, 15a) eingebaut ist. Leitungsdruckwellen werden
weggedämpft.
Der Leitungsdruck zeigt nur eine leichte Abnahme aufgrund der Mengenentnahme
des Injektors, keine „Überschwinger" mehr. Das führt zu einem
ruhigeren Raildruckverlauf und damit zu Vorteilen für die Raildruckregelung.
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Die
Kurven 47 und 48 illustrieren dagegen den Druckverlauf
in der Hochdruck-Verbindungsleitung
(12) bei einem Injektor ohne Rückströmdrosselventil in der Steigleitung.
In beiden Fällen
ist ein nicht konstanter Druckverlauf zu konstatieren. Stärkere Druckausschläge ergeben
sich bei injektornaher Druckmessung (Kurve 48), während sich
die Druckausschläge
bei railnaher Messung (Kurve 47) abschwächen. Die Druckausschläge sind
die Folge der bei Schließung
der Spritzlöcher
am Düsenaustritt (13, 1)
auftretenden Druckwelle, die sich wegen Fehlens eines Rückströmdrosselventils
ungedrosselt in die Hochdruck-Verbindungsleitung
(12) ausbreiten kann.
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6 zeigt
die bei der Haupteinspritzung anfallende Einspritzmenge (am Düsenaustritt 13)
in Abhängigkeit
vom zeitlichen Abstand des Beginns der Haupteinspritzung vom Ende
der Voreinspritzung. Der Raildruck (im Hochdruckspeicher 10)
beträgt
jeweils 1800 bar. Die Einspritzmenge der Voreinspritzung beläuft sich
auf 2 mm3. Die Länge der Hochdruck-Verbindungsleitung
(12) bemisst sich auf 150 mm, ihr Durchmesser auf 3 mm.
Hierbei repräsentiert Kurve 49 die
Einspritzmenge-Hochdruckeinspritzung bei einem Injektor ohne Rückströmdrosselventil,
jedoch mit Drossel am railseitigen Ende der Hochdruck-Verbindungsleitung
(12), und Kurve 50 die Einspritzmenge-Haupteinspritzung
bei einem Injektor mit Rückströmdrosselventil
(15, 15a, 2 bzw. 3)
in der Steigleitung (14). Wie ein Vergleich der Kurven 49 und 50 zeigt,
ist die „Mengenwelle" (Kurve 49)
durch die Maßnahme,
in der Steigleitung (14) ein Rückströmdrosselventil (15, 15a)
anzuordnen, im Wesentlichen zu einer geraden Linie (Kurve 50)
geworden. D. h. bei Änderung
des Abstandes zwischen Ende der Voreinspritzung und Beginn der Haupteinspritzung
tritt keine Mengenänderung
der zweiten Einspritzung mehr auf. Die aus der Kurve 50 ablesbaren,
nurmehr sehr kleinen Einspritzmengenänderungen bei Abstandsvariation
liegen im Rahmen der Hub-Hub-Streuung, sogar bei dicht aufeinander
folgenden Einspritzungen. Dieses vorteilhafte Ergebnis macht eine
Druckwellenkompensation (DWK), wie sie nach dem bisherigen Stand
der Technik erforderlich war, entbehrlich.
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Der
Vergleich der beiden Kurven 49, 50 macht überdies
deutlich, dass bei Anordnung eines Rückströmdrosselventils (15, 15a)
in der Steigleitung (14) bei gleicher Ansteuerdauer (Kurve 50)
die Einspritzmenge sogar größer als
bei Fehlen eines Rückströmdrosselventils
(Kurve 49) ist. Eine Mengenabnahme aufgrund (zusätzlicher)
Drosselung ist somit nicht zu befürchten.