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Die
Erfindung betrifft ein Druckverstärkungssystem für
mindestens einen Kraftstoffinjektor einer Brennkraftmaschine mit
einem hydraulischen Druckverstärker nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Ein
Kraftstoffeinspritzsystem mit Druckverstärkung, bei dem
für alle Kraftstoffinjektoren ein zentraler hydraulischer
Druckverstärker vorgesehen ist, ist aus
EP 1 125 046 B1 bekannt.
Dabei wird der mittels einer Hochdruckpumpe geförderte
Kraftstoff einem zentralen Druckspeicher (erstes Common-Rail) zugeführt.
Der zentrale Druckverstärker ist dem zentralen Druckspeicher
in Förderrichtung des Kraftstoffs nachgeschaltet und führt
den druckverstärkten Kraftstoff einem weiteren Druckspeicher
(zweites Common-Rail) zu, von dem aus mehrere, der Anzahl der Injektoren
entsprechende Druckleitungen zu den einzelnen Kraftstoffinjektoren
abführen. Der in
EP
1 125 046 B1 beschriebene zentrale Druckverstärker, aber
auch die weiterhin bekannten, in Kraftstoffinjektoren integrierte
Druckverstärker (z. B.
DE 103 25620 A1 ), weisen einen Druckverstärkerkolben
auf, der einen ersten Kolbenabschnitt mit einem ersten Druckverstärkerkolbenteil
mit einem größeren Durchmesser und einen zweiten
Kolbenabschnitt mit einem zweiten Druckverstärkerkolbenteil
mit einem kleinen Durchmesser D22 besitzt. Der eine Druckverstärkerkolbenteil
wirkt dabei zur Druckverstärkung auf einen Hochdruckraum
und der andere Druckverstärkerkolbenteil auf einen von
einem Schaltventil ansteuerbaren Steuerraum bzw. Differenzdruckraum
ein. Dabei ist der Druckverstärkerkolben innerhalb eines
Grundkörpers axial beweglich geführt. Dem Druckverstärkerkolben
ist an dem Druckverstärkerkolbenteil mit dem größeren
Durchmesser an der gegenüberliegenden Stirnseite eine Druckfläche
zugeordnet, die einem Arbeitsraum ausgesetzt ist, der als hydraulischer
Speicherraum wirkt und der mit dem Systemdruck des ersten Common-Rails
beaufschlagt ist.
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Nachteilig
bei den bekannten Druckverstärkungssystem ist die relativ
große Steuermenge zur Ansteuerung des Druckverstärkers.
Wird für Mehrfacheinspritzungen kleiner Einspritzmengen
ein übersetzter Einspritzdruck benötigt, ist der
Steuerraum bzw. Differenz druckraum des Druckverstärkers mit
jeder Einspritzung zu entlasten. Dadurch ergibt sich eine große
abzusteuernde Steuermenge, die somit der Verlustmenge im Einspritzsystem
zuzurechnen ist. Mehrfacheinspritzungen im Rahmen einer Zylinderhubbewegung
sind zeitlich auch nur innerhalb eines eng bemessenen Fensters möglich,
da sich mit jeder Ansteuerung des Druckverstärkers dessen
Differenzdruckraum wieder mit Kraftstoff füllen muss. Darüber
hinaus erhöht sich mit steigenden Einspritzdrücken
die Verlustmenge proportional zur vierten Potenz über die
Spaltbreite in der Führung des Druckverstärkerkolbens,
was den hydraulischen Wirkungsgrad derartiger Kraftstoffeinspritzsysteme negativ
beeinflusst.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, die aufgrund von Leckagen an
Führungsspalten auftretenden Verlustmengen zu minimieren,
um somit den Wirkungsgrad der Druckverstärkung des Kraftstoffeinspritzsystems
zu erhöhen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung wird mit den kennzeichnenden Maßnahmen
des Anspruchs 1 gelöst. Der eingesetzte hydraulische Druckverstärker weist
einen am Grundkörper ausgebildeten Kobenführungskörper
für mindestens einen der Druckverstärkerkolbenteile
auf, welcher zumindest teilweise von einem Ringraum umgeben ist,
der wiederum Teil des hydraulischen Speicherraums ist. Im Ringraum herrscht
somit der gleiche Druck wie im hydraulischen Speicherraum. Durch
den umgebenden Ringraum erhält insbesondere im Zustand
der Druckübersetzung der Kobenführungskörper
einen von außen einwirkenden Stützdruck, wodurch
innenliegende Kolbenführungen weniger weit öffnen
bzw. aufgeweitet werden. Folglich werden die Führungsspalte reduziert
und die Leckagemenge minimiert. Außerdem wird dadurch eine
im Führungskörper induzierte Bauteilbelastung
auf den Differenzdruck zwischen Speichervolumen und Hochdruckvolumen
reduziert, so dass der Aufwand hinsichtlich einer hochdruckfesten
Auslegung und Ausführung des gesamten hydraulischen Druckverstärkers
verringert werden kann. Das erfindungsgemäße Druckverstärkungssystem
ist außerdem seitens des Bauraumbedarfs für einzelne
Systemkomponenten optimiert. Insgesamt wird eine erhebliche Steigerung
des Gesamtwirkungsgrades des Druckverstärkungssystems erreicht.
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Durch
die Maßnahmen der Unteransprüche sind vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung möglich.
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Eine
erste zweckmäßige Ausführungsform besteht
darin, dass der erste Druckverstärkerkolbenteil mit dem
größeren Durchmesser D21 auf
den zur Druckverstärkung vorgesehe nen Hochdruckraum und
der zweite Druckverstärkerkolbenteil mit dem kleineren
Durchmesser D22 auf den Steuerraum einwirkt,
und dass der erste Druckverstärkerkolbenteil mit dem größeren
Durchmesser D21 an den hydraulischen Speicherraum
angrenzt. Gemäß einer Ausführungsvariante
ist der Hochdruckraum innerhalb des Kolbenführungskörpers
angeordnet. Gemäß einer anderen Ausführungsvariante
ist der Hochdruckraum von einer federbeaufschlagten Hochdruckhülse
begrenzt, die an dem Druckverstärkerkolben axial beweglich
geführt und an einer Dichtstelle an den Kolbenführungskörper
angestellt ist. Der Durchmesser der Dichtstelle ist dabei kleiner
oder gleich einem Durchmesser D21 des ersten
Druckverstärkerkolbenteiles des Druckverstärkerkolbens.
Bei diesen Ausführungsformen ist der Steuerraum des Druckverstärkers
innerhalb des Kolbenführungskörpers ausgeführt
und vom zweiten Druckverstärkerkolbenteil mit dem kleineren
Durchmesser D22 druckbeaufschlagt.
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Eine
zweite Ausführungsform sieht vor, die Anordnung von Steuerraum
und Hochdruckraum umzukehren, wobei dann der zweite Druckverstärkerkolbenteil
mit dem kleineren Durchmesser D22 auf den zur
Druckverstärkung vorgesehenen Hochdruckraum und der erste
Druckverstärkerkolbenteil mit dem größeren
Durchmesser D21 auf den Steuerraum einwirkt. Der
Hochdruckraum ist dabei innerhalb des Kolbenführungskörpers
ausgebildet. Der Steuerraum, auf den der Druckverstärkerkolbenteil
mit dem größeren Durchmesser D21 einwirkt,
grenzt dann an den hydraulischen Speicherraum an.
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Weiterhin
ist bei allen Ausführungsformen eine Befüllleitung
vorgesehen, welche vom hydraulischen Speicherraum abzweigt und über
welche der Steuerraum und/oder der Hochdruckraum nach der Druckübersetzungsphase
wiederbefüllt werden.
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Besonders
vorteilhaft ist es, dass der Druckverstärker zentral für
mehrere Kraftstoffinjektoren vorgesehen und zwischen einer Hochdruckpumpe und
einem Hochdruckspeicher angeordnet ist. Bedingt durch einen modularen
Aufbau von Hochdruckpumpe, Druckverstärker, Hochdruckspeicher
und Kraftstoffinjektor lässt sich ein derart zentraler
Druckverstarker an allen bekannten Bauräumen von Brennkraftmaschinen
einsetzen. Durch die Anordnung des zentralen hydraulischen Druckverstärkers zwischen
Hochdruckpumpe und Hochdruckspeicher (Common-Rail) ist der zentrale
Druckverstärker pro Einspritzzyklus eines Kraftstoffinjektors
nur einmal anzusteuern. Dadurch wird die Steuermenge und die Leckagemenge
in Abhängigkeit von der Anzahl der Einspritzungen erheblich
reduziert. Aufgrund dieses Umstandes kann auch die Hochdruckpumpe
kleiner dimensioniert ausgeführt werden, da weniger Kraftstoff
zu fördern ist, da die Anzahl der Wiederbefüllphasen
des Steuerraumes des zentralen hydraulischen Druckverstärkers
erheblich reduziert ist. Der zentrale Druckverstärker kann
dadurch in seiner Hochdruckfördermenge auf die maximal
mögliche Einspritzmenge mindestens eines Kraftstoffinjektors ausgelegt
werden.
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Zweckmäßig
ist weiterhin, wenn der hydraulische Speicherraum von der Hochdruckpumpe über einen
Hochdruckzulauf direkt mit Kraftstoff befüllt wird. Der
Grundkörper, in dem der hydraulische Speicherraum ausgebildet
ist, kann ein- oder mehrteilig aufgebaut sein. Das Volumen des hydraulischen Speicherraums
ist dabei so auszulegen, dass der Druckabfall bei Kraftstoffentnahme
reduziert wird und die Druckschwingungen aus der Pumpenförderung auf
ein für die Druckverstärkung tolerables Maß gedämpft
werden.
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Vom
Hochdruckraum des zentralen Druckverstärkers führt
mindestens eine Bohrung zu mindestens einem Füllventil.
Das Füllventil ist seinerseits über eine Bohrung
mit dem hydraulischen Speicherraum verbunden. Vom Speicherraum verläuft
mindestens eine Verbindungsbohrung zu einem Ventil und von dort
zum Steuerraum. Aus dem Hochdruckraum heraus besteht mindestens
eine hydraulische Verbindung zu einem Hochdruckventil, von wo mindestens
ein Ablauf zum Hochdruckspeicher verläuft.
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Der
Druckverstärkerkolben ist durch eine Rückstellfeder
beaufschlagt, die diesen in dessen Ausgangslage zurückbewegt,
so dass dieser mit einem Ende an einer Anschlagsbegrenzung anliegt. Die
Federkraft der Rückstellfeder ist derart ausgelegt, dass
der Hochdruckkolben des zentralen Druckverstärkers nach
der Druckverstärkung mit ausreichend hoher Geschwindigkeit
wieder in seine Ausgangsstellung an der Anschlagsbegrenzung gebracht
wird.
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Bei
Einspritzdrücken unterhalb des maximalen Förderdrucks
der Hochdruckpumpe wird in einer ersten Schaltstellung eines Schaltventils
der Druck im Speicherraum von der Hochdruckpumpe über den Zulauf
weiter durch Rückschlagventile über den Hochdruckablauf
zum Hochdruckspeicher aufgebaut. Von dort gelangt der Kraftstoff
zu den Kraftstoffinjektoren. Während dieses Betriebs ist
der Druckverstärker nicht angesteuert, so dass der von
der Hochdruckpumpe geförderte Kraftstoff im Bypassbetrieb
des Druckverstärkers zum Hochdruckspeicher (Common-Rail)
gelangt.
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Sind
Einspritzdrücke gefordert, die über dem Maximalförderdruck
der Hochdruckpumpe liegen, wird der Duckverstärker anzusteuern.
Dazu wird das Schaltventil, bei dem es sich um ein 3/2-Wege-Ventil handelt,
elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch betätigt in eine
zweite Schaltstellung gebracht. In dieser zweiten Schaltstellung
wird der Steuerraum des Druckverstärkers zur Druckentlastung über
das Schaltventil mit einem Druckverstärkerrücklauf
verbunden.
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Ausführungsbeispiele
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 eine
Systemaufbau eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einem zentralen
hydraulischen Druckverstärker,
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2 ein
erstes Ausführungsbeispiel eines hydraulischen Druckverstärkers,
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3.1 die Ausgangsstellung des hydraulischen Druckverstärkers
gemäß 2,
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3.2 die Druckübersetzungsphase des hydraulischen
Druckverstärkers gemäß Figur 2,
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3.3 eine Wiederbefüllphase des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
hydraulischen Druckverstärkers gemäß 2,
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3.4 die Ausgangsstellung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
hydraulischen Druckverstärkers gemäß 2,
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4 ein
zweites Ausführungsbeispiel des hydraulischen Druckverstärkers,
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5 eine
drittes Ausführungsbeispiel des hydraulischen Druckverstärkers
und
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6 eine
viertes Ausführungsbeispiel des hydraulischen Druckverstärkers.
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Das
in 1 dargestellte Kraftstoffeinspritzsystem zeigt
eine modulare Bauweise eines Hochdruckeinspritzsystems 10,
das beispielsweise an allen Bauräumen von Brennkraftmaschinen
appliziert werden kann. Das Hochdruckeinspritzsystem 10 umfasst
einen Kraftstofftank 12, aus welchem über eine Hochdruckpumpe 14 Kraftstoff
gefördert wird, der einem hydraulischen Druckverstärker 16 zugeleitet wird.
Der hydraulische Druckverstarker 16 ist über einen
Druckverstärkerzulauf 44 einerseits mit der bereits
erwähnten Hochdruckpumpe 14 verbunden und beaufschlagt
andererseits einen Hochdruckspeicher 18 (Common-Rail).
Im Hochdruckspeicher 18 befinden sich in einer der mit
unter Systemdruck stehendem Kraftstoff zu versorgenden Anzahl von
Kraftstoffinjektoren entsprechenden Anzahl Anschlussleitungen zu
Kraftstoffinjektoren 20, die in der Darstellung gemäß 1 nur
schematisch angedeutet sind. Der zentrale hydraulische Druckverstärker 16 versorgt
gemäß 1 somit alle Kraftstoffinjektoren 20 mit
druckübersetzten Kraftstoff. Es ist aber auch denkbar,
die nachfolgend beschriebenen hydraulischen Druckverstärker 16 dezentral
in den jeweiligen Kraftstoffinjektor 20 zu integrieren.
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Am
brennraumseitigen Ende der Kraftstoffinjektoren wird der unter hohem
Druck stehende Kraftstoff – angedeutet durch die Pfeile – in
den Brennraum einer selbstzündenden Bennkraftmaschine eingespritzt.
Rücklaufseitig befindet sich am Kraftstoffinjektor 20 ein
Injektorrücklauf 22, in welchen ein Druckverstärkerrücklauf 24,
der an einem Schaltventil 26, beispielsweise ein 3/2-Wege-Ventil
angeschlossen ist, mündet. Sowohl der Druckverstärkerrücklauf 24 als
auch der Injektorrücklauf 22 stellen die Niederdruckseite
des Kraftstoffeinspritzsystems gemäß der Darstellung
in 1 dar, in welchen die abgesteuerte Menge, sei
es Steuermenge oder Leckagemenge, in den Kraftstofftank 12 zurückgefördert
wird.
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Bedingt
durch die Anordnung des zentralen Druckverstärkers 16 zwischen
der Hochdruckpumpe 14 und dem Hochdruckspeicher 18 ist
der Druckverstärker 16 pro Einspritzzyklus eines
Kraftstoffinjektors 20 nur einmal mit dem Schaltventil 26 anzusteuern.
Dadurch wird die Steuer- oder Leckagemenge in Abhängigkeit
von der Anzahl der Einspritzungen erheblich reduziert. Die Hochdruckpumpe 14 hat
weniger Kraftstoff zu fördern und kann kleiner dimensioniert
werden. Der Druckverstärker 16 ist in seiner Hochdruckfördermenge
auf die maximal mögliche Einspritzmenge von mindestens
einem der Kraftstoffinjektoren 20 auszulegen.
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Der
hydraulische Druckverstärker 16 gemäß 2 umfasst
einen Grundkörper 30, der ein- oder mehrteilig
aufgebaut sein kann. Im Grundkörper 30 ist ein
hydraulischer Speicherraum 48 integriert. Der hydraulische
Speicherraum 48 wird über den Druckverstärkerzulauf 44 von
der Hochdruckpumpe 14 mit Kraftstoff beaufschlagt. Das
Speichervolumen des hydraulischen Speicherraums 48 ist
so ausgelegt, dass der Druckabfall reduziert wird und sich Druckschwingungen,
die sich aus der Förderung der Hochdruckpumpe 14 ergeben,
auf ein für die Druckverstärkung erträgliches
Maß dämpfen lassen.
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Der
zentrale Druckverstärker 16 umfasst weiterhin
einen Druckverstärkerkolben 32. Dieser wiederum
umfasst einen ersten Kolbenabschnitt mit einem ersten Druckverstärkerkolbenteil 54,
ausgelegt im Durchmesser D21, sowie einen
zweiten Kolbenabschnitt mit einem zweiten Druckverstärkerkolbenteil 56,
ausgelegt im Durchmesser D22. Der Druckverstärker 16 umfasst
außerdem einen Hochdruckraum 50 zur Druckverstärkung
bzw. Druckübersetzung sowie einen Steuerraum 52,
wobei letzterer auch als Differenzdruckraum bezeichnet wird. Am Grundkörper 30 ist
ein Kolbenführungskörper 36 ausgebildet,
der von einem Ringraum 49 umgeben ist. Im Kolbenführungskörper 36 ist
beim Ausführungsbeispiel gemäß 2 der
erste Druckverstärkerkolbenteil 54 mit dem Durchmesser
D21 und der zweite Druckverstärkerkolbenteil 56 mit
dem Durchmesser D22 axial beweglich geführt.
Der Ringraum 49 ist Teil des hydraulischen Speicherraums 48 und
erstreckt sich in axialer Richtung über die Führungslänge
für den Druckverstärkerkolben 32 innerhalb
des Grundkörpers 30. Dadurch wirkt der im hydraulischen
Speicherraum 48 anliegende Druck von außen auf
den Kolbenführungskörper 36. Der Druck,
der im hydraulischen Speicherraum 48 anliegt und von der
Hochdruckpumpe 14 bereitgestellt wird, stellt einen Mitteldruck
dar im Vergleich zu dem verstärkten Druck im Hochdruckraum 50 und
dem im Steuerraum 52 herrschenden Niederdruck, der sich
bei Ansteuern des Steuerraums 52 aufgrund des Ableitens
der Steuermenge über den Druckverstärkungsrücklauf 24 einstellt.
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Das
Druckübersetzungsverhältnis i des Druckverstärkers 16 gemäß der
in 2 dargestellten Prinzipskizze ergibt sich zu: i = D21 2/(D21 2 – D22 2)
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Bei
den Ausführungsbeispielen in 1 und 2 sowie 5 und 6 wirkt
der Druckverstärkerkolben 32 mit einer ersten
Druckfläche am ersten Duckverstärkerkolbenteil 54 mit
dem größeren Durchmesser D21 auf
den Hochdruckraum 50 und mit einer zweiten Druckfläche
am zweiten Druckverstärkerkolbenteil 56 mit dem
kleineren Durchmesser D22 auf den Steuerraum 52 ein.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist
es umgekehrt. Dort wirkt der Druckverstärkerkolben 32 mit
der ersten Druckfläche am ersten Duckverstärkerkolbenteil 54 mit
dem größeren Durchmesser D21 auf
den Steuerraum 52 und mit einer zweiten Druckfläche
am zweiten Druckverstärkerkolbenteil 56 mit dem
kleineren Durchmesser D22 auf den Hochdruckraum 52 ein.
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Der
Druckverstärkerkolben 32 ist durch eine Rückstellfeder 34 beaufschlagt,
die sich am Kolbenführungskörper 36 einerseits
und einem am Druckverstärkerkolbenteil 56 ausgebildeten
Bund 33 andererseits abstützt. Der Druckverstärkerkolben 32,
die Rückstellfeder 34 und der Kolbenführungskörper 36 sind
ihrerseits so im Speicherraum 48 angeordnet, dass dieser
den Kolbenführungskörper 36 im Bereich der
Führung des Druckverstärkerkolbens 32 umgibt, zweckmäßigerweise
im Bereich des mit Durchmesser D21 ausgebildeten
ersten Druckverstärkerkolbenteils 54. Durch diese
Maßnahme sind die Führungen des Druckverstärkerkolbens 32 von
außen zum Zeitpunkt der Druckverstärkung durch
einen Stützdruck beaufschlagt. Dieser Stützdruck
von außen bewirkt, dass sich aufgrund des im Inneren des
Druckverstärkers 16 herrschenden Druckes vergrößerte
Führungsspiel weniger aufweitet, was andernfalls zu einem
unerwünschten Abströmen von Führungsleckage
führen würde, was wiederum den hydraulischen Wirkungsgrad
des Druckverstärkers 16 negativ beeinflussen würde.
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Vom
Hochdruckraum 50 zweigt ein Hochdruckablauf 46 ab,
der sich zum Hochdruckspeicher 18 (Common-Rail) erstreckt.
Im Hochdruckablauf 46 befindet sich ein Hochdruckven til 40,
welches als Rückschlagventil ausgebildet ist und ein Rückströmen
von Kraftstoff zum Druckverstärker 16 verhindert.
Vom Hochdruckraum 50 des Hochdruckverstärkers 16 erstreckt
sich weiterhin eine Leitung zum Schaltventil 26, in der
ein Füllventil 38 aufgenommen ist, über
welches der Hochdruckraum 50 über eine Befüllleitung 58 ausgehend
vom Speicherraum 48 wieder mit Kraftstoff befüllt
wird. Eine weitere Leitung verbindet einen weiteren Anschluss des
Schaltventils 26 mit dem Steuerraum 52. Die Wiederbefüllung
des Steuerraumes 52 nach dessen Druckentlastung bei Betätigung
des Schaltventils 26 erfolgt über die weitere
Leitung gemäß der in 2 dargestellten
Schaltstellung des Schaltventils 26, auch über
die Befüllleitung 58 vom Speicherraum 48 ausgehend.
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Die
Rückstellfeder 34, die zwischen dem Führungskörper 36 und
einem Bund 33 am Druckverstärkerkolben 32 angeordnet
ist, drückt den Druckverstärkerkolben 32 in
dessen Ausgangslage, so dass dieser mit einer Anschlagsbegrenzung 42 am Grundkörper 30 anliegt.
Die Federkraft der Rückstellfeder 34 ist so ausgelegt,
dass der Druckverstärkerkolben 32 nach der Druckverstärkung
mit ausreichend hoher Geschwindigkeit wieder in die Ausgangsstellung
an der Anschlagsbegrenzung 42 gebracht wird.
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Bei
Einspritzdrücken unterhalb des maximalen Förderdruckes
der Hochdruckpumpe 14 wird in der in 1 und 2 dargestellten
ersten Schaltstellung des Schaltventils 26 der Druck der
Hochdruckpumpe 14 über den Druckverstärkerzulauf 44 in den
Speicherraum 48 und von dort weiter über die als Rückschlagventile
ausgebildeten Hochdruckventile 38, 40 über
den Hochdruckablauf 46 zum Hochdruckspeicher 18 gefördert.
Von dort aus gelangt der Kraftstoff zu den mit unter Systemdruck
stehendem Kraftstoff zu versorgenden Kraftstoffinjektoren 20.
Der von der Hochdruckpumpe 14 verdichtete Kraftstoff gelangt
somit im so genannten Bypassbetrieb von der Hochdruckpumpe 14 direkt
zum Hochdruckspeicher 18 (Common-Rail), d. h. der Druckverstärker 16 ist
in diesem Betriebsmodus nicht aktiv.
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Um
Einspritzdrücke über dem Maximalförderdruck
der Hochdruckpumpe 14 zu erreichen, ist der Druckverstärker 16 anzusteuern.
Dazu wird das Schaltventil 26 elektrisch, hydraulisch oder
pneumatisch in eine zweite Schaltstellung gebracht. In dieser Schaltstellung
des Schaltventils 26 wird der Steuerraum 52 mit
dem Druckverstärkerrücklauf 24 verbunden.
Kraftstoff strömt aus dem druckentlasteten Steuerraum 52 über
das Schaltventil 26 in den Druckverstärkerrücklauf 24 ab
und von dort in den in 1 dargestellten Niederdruckbereich
des Kraftstoffeinspritzsystems zurück in den Kraftstofftank 12.
Aufgrund der Druckabsenkung im Steuerraum 52 wird der Druckverstärkerkolben 32 entgegen
der Federkraft der Rückstellfeder 34 axial bewegt,
so dass das erste Druckverstärkerkolbenteil 54,
ausgebildet im Durchmesser D21, in den Hochdruckraum 50 drückt und
dort den Druck erhöht. Das Füllventil 38 wiederum
ist dabei in Richtung des Druckverstärkerrücklaufs 24 geschlossen.
Steigt der Druck dabei im Hochdruckraum 50 über
den Druck auf der Seite des Hochdruckablaufes 46 hin an,
wird der verdichtete Kraftstoff durch das Hochdruckventil 40 weiter
in den Hochdruckspeicher 18 (Common-Rail) gefördert.
Der Hochdruckspeicher 18 wird somit mit dem erhöhten Druck
aus dem Hochdruckraum 50 befüllt. Von dort werden
dann die Kraftstoffinjektoren 20 mit dem erhöhten
Kraftstoffdruck beaufschlagt, so dass die Einspritzung über
die Kraftstoffinjektoren mit dem über dem Förderdruck
der Hochdruckpumpe 14 liegenden Kraftstoffdruck erfolgt.
Der Druck im Hochdruckraum 50 steigt so lange an, bis sich
erneut ein Kräftegleichgewicht am Druckverstärkerkolben 32 einstellt.
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Bei
Deaktivierung des Schaltventils 26 wird der Steuerraum 52 wieder
mit dem Speicherraum 48 hydraulisch verbunden. Aufgrund
dieser hydraulischen Verbindung steigt der Druck im Steuerraum 52 an
und der Druckverstärkerkolben 32 beendet den Vorgang
der Druckübersetzung gemäß des Druckübersetzungsverhältnisses
i im Hochdruckraum 50. Gleichzeitig schließt sich
auch das Hochdruckventil 40 aufgrund der anstehenden Druckdifferenz.
Die Federkraft der Rückstellfeder 34 drückt
nun den Druckverstärkerkolben 32 mit der Anschlagsbegrenzung 42 an
den Grundkörper 30 des Druckverstärkers 16. Während
dieser Zeitspanne wird Kraftstoff aus dem Speicherraum 48 über
das Füllventil 38 in den Hochdruckraum 50 angesaugt.
Ist der Druckverstärkerkolben 32 an der Anschlagsbegrenzung 42 angelangt, kann
das Schaltventil 26 zur erneuten Druckübersetzung
angesteuert werden. Vor Erreichen der Anschlagsbegrenzung 42 ist
zwar eine erneute Ansteuerung möglich, aber aufgrund der
dann noch unbestimmten Rückstellposition des einen ersten
Druckverstärkerkolbenteil 54 und einen zweiten
Druckverstärkerkolbenteil 56 aufweisenden Druckverstärkerkolbens 32 nicht
sinnvoll.
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Die
Figurensequenz der 3.1 bis 3.4 zeigt
die Betriebsphasen des Druckverstärkers 16 gemäß 2,
nämlich Ausgangsstellung, Druckübersetzung, Wiederbefüllphase
sowie erneut die Ausgangsstellung. Bei 3.1 ist
der Speicherraum 48 im Grundkörper 30 über
den Druckverstärkerzulauf 44 mit unter Druck stehendem
Kraftstoff beaufschlagt. Der Druck, der im Speicherraum 48 herrscht, steht über
die Befüllleitung 58 sowohl im Steuerraum 52 als
auch über das Füllventil 38 im Hochdruckraum 50 an.
In der in 3.1 dargestellten Ausgangsstellung
ist der Druckverstärker 16 durch das Schaltventil 26 nicht
aktiviert. Wie aus 3.1 hervorgeht, sind aufgrund
der Schaltstellung des Schaltventils 26 der Speicherraum 48 und
der Steuerraum 52 kurzgeschlossen.
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3.2 zeigt die sich einstellende Aktivierung des
Druckverstärkers 16 während eines Druckübersetzungsvorgangs.
Dazu wird das Schaltventil 26 bestromt und der Steuerraum 52 mit
dem Druckverstärkerrücklauf 24, d. h.
dem Niederdruckbereich des Kraftstoffeinspritzsystems 10 verbunden.
Aufgrund der Druckentlastung des Steuerraumes 52 fährt
der zweite Druckverstärkerkolbenteil 56 in den Steuerraum 52 ein,
so dass der im Hochdruckraum 50 bevorratete Kraftstoff
durch weiteres Einfahren des Druckverstärkerkolbens 32,
insbesondere des ersten Druckverstärkerkolbenteiles 54,
komprimiert wird. Der im Hochdruckraum 50 herrschende Höchstdruck
wird über das Hochdruckventil 40 in den Hochdruckablauf 46 abgeleitet
und gelangt von dort zum in 3.2 nicht
dargestellten Hochdruckspeicher 18 (Common-Rail). Ein Abströmen
des Kraftstoffes aus dem Hochdruckraum 50 ist entgegen
der Wirkrichtung des Füllventils 38 nicht möglich.
Dieses sperrt in Richtung Mitteldruck ab, die in 3.2 dargestellte Anschlussgeometrie am Schaltventil 26 zum
Niederdruck.
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3.3 zeigt demgegenüber eine Wiederbefüllungsphase
des Druckverstärkers, wobei das Schaltventil 26 wieder
in seine in 3.1 dargestellte Schaltstellung
zurückgeschaltet ist. Aus 3.3 geht hervor,
dass der Speicherraum 48 über den Druckverstärkerzulauf 44 kontinuierlich
mit unter Druck stehendem, entsprechend des Druckniveaus der Hochdruckpumpe 14 vorverdichteten
Kraftstoff beaufschlagt ist. Der in dem Speicherraum 48 bevorratete Kraftstoff
strömt über die Befüllleitung 58 und über das
Schaltventil 26 sowohl dem Steuerraum 52 zu und
befüllt diesen, als auch dem Hochdruckraum über
das Füllventil 38 zu, so dass in diesem ebenfalls wieder
Kraftstoff eingefüllt wird. Aufgrund der Wirkung der Rückstellfeder 34,
die sich einerseits am Kolbenführungskörper 36 und
andererseits am Bund 33 des Druckverstärkerkolbens 32 abstützt,
fährt der Druckverstärkerkolben 32 mit
seinem ersten Druckverstärkerkolbenteil 54 und
seinem zweiten Druckverstärkerkolbenteil 56 wieder
in seine Ausgangslage gemäß 3.4 zurück, in der die Anschlagbegrenzung 42 die
Innenseite des Grundkörpers 30 berührt.
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In
der in 3.4 dargestellten Ausgangsstellung
herrschen dieselben Druck- und Hubverhältnisse wie bereits
im Zusammenhang mit der in 3.1 dargestellten
Ausgangsstellung des Druckverstärkers 16 beschrieben,
so dass sich weitere Ausführungen dazu erübrigen.
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Der
Darstellung gemäß 4 ist eine
Ausführungsform mit vertauschtem Steuer- und Hochdruckraum
zu entnehmen. 4 zeigt, dass gemäß dieser
Ausführungsform der Druckverstärker 16 den Grundkörper 30 umfasst,
in dem der Kolbenführungskörper 36 ausgebildet
ist. Im Grundkörper 30 ist der Speicherraum 48 ausgebildet,
der über den Druckverstärkerzulauf 44 von
der in 1 dargestellten Hochdruckpumpe 14 mit
unter deren Höchstdruckniveau stehendem Druck beaufschlagt
wird. Im Speicherraum 48 befindet sich darüber
hinaus der Druckverstärkerkolben 32, an dem der
Bund 33 ausgeführt ist, an dem sich die Rückstellfeder 34 abstützt.
Die Rückstellfeder 34 stützt sich andererseits an
einer Ringfläche des Kolbenführungskörpers 36 ab.
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Im
Unterschied zur in 2 dargestellten Ausführungsform
des Druckverstärkers 16 wird in der Ausführungsform
gemäß 4 der Hochdruckraum 50 durch
den zweiten Druckverstärkerkolbenteil 56 mit dem
kleinen Durchmesser D22 begrenzt, während der
Steuerraum 52 durch den ersten Druckverstärkerkolbenteil 54 des
Druckverstärkerkolbens 32 mit dem größeren
Durchmesser D21 begrenzt wird. Durch diese Änderung
im Vergleich zur Ausführungsform gemäß 2 ergibt
sich ein geändertes Druckübersetzungsverhältnis
i gemäß nachfolgender Beziehung: i
= (D21/D22)2
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Bei
dieser Ausführungsform ist die Anzahl der Leckagestellen
zum Niederdruck am Druckverstärkerkolben 32 höher.
Zum Zeitpunkt der Druckverstärkung, wie in 3.2 dargestellt, liegen an den Führungen
zwei Leckagestellen von Hochdruck und Mitteldruck auf Rücklaufdruckniveau
vor.
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Bei
dieser Ausführungsform des Druckverstärkers mit
vertauschtem Steuer- und Hochdruckraum 52 beziehungsweise 50,
jeweils bezogen auf die Ausführungsform gemäß 2,
erfolgt eine Wiederbefüllung des Steuerraumes 52 durch
den Speicherraum 48, die Befüllleitung 58,
den Kurzschluss am Schaltventil 26, während eine
Wiederbefüllung des durch Bezugszeichen 50 bezeichneten
Hochdruckraumes durch das Füllventil 38 vom Speicherraum 48 aus
erfolgt. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt,
dass auch gemäß dieser Ausführungsform des
Druckverstärkers 16 der Hochdruckablauf durch Bezugszeichen 46 gekennzeichnet
ist und der dem Schaltventil 26 zugeordnete Druckverstärkerrücklauf mit
Bezugszeichen 24 bezeichnet ist.
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5 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel des Druckverstärkers 16,
bei dem der Hochdruckraum 50 durch eine Hochdruckhülse 60 begrenzt
ist. Im Unterschied zu den in den 2 und 4 dargestellten
Ausführungsformen des Druckverstärkers 16,
bei denen der Hochdruckraum 50 durch den Kolbenführungskörper 36 begrenzt
ist, wird in der in 5 dargestellten Ausführungsform
des Druckverstärkers 16 der Hochdruckraum 50 durch
eine am ersten Druckverstärkerkolbenteil 54 aufgenommene Hochdruckhülse 60 begrenzt.
Die Hochdruckhülse 60 ist durch eine Vorspannfeder 64 beaufschlagt. Diese
stützt sich ebenso wie die Rückstellfeder 34 am
Bund 33 des ersten Druckverstärkerkolbenteiles 54 des
Druckverstärkerkolbens 32 ab. Durch die Wirkung
der Vorspannfeder 64 ist eine Beißkante der Hochdruckhülse 60,
eine Dichtstelle 62 bildend, gegen den Kolben führungskörper 36 angestellt.
Die Rückstellfeder 34, die sich am Bund 33 des
ersten Druckverstärkerkolbenteiles 54 abstützt,
durchzieht den gesamten Speicherraum 48 und stützt
sich am Grundkörper 30 ab. Der zweite Druckverstärkerkolbenteil 56 des
Druckverstärkerkolbens 32 ragt in den Kolbenführungskörper 36 hinein.
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Bei
dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel übernimmt
die Hochdruckhülse 60 zusätzlich zur
Abdichtung des Hochdruckraumes 50 über die Dichtstelle 62 die
Befüllfunktion des Hochdruckraumes 50. Ein konstruktiver
Vorteil dieser Variante ist der Umstand, dass die Hochdruckhülse 60 durch
den Druckverstärkerkolben 32 geführt
ist. Dazu muss der Dichtdurchmesser an der Dichtstelle 62 stets
kleiner oder maximal gleich groß sein wie der Kolbendurchmesser
des ersten Druckverstärkerkolbenteiles 54, d.
h. D21. Damit die Hochdruckhülse 60 stets
in einer definierten Ausgangsstellung gehalten wird, ist diese durch
die Vorspannfeder 64 beaufschlagt. Die Auslegung der Federkraft
für die Vorspannfeder 64 ist in Abhängigkeit
von der Federkraft der Rückstellfeder 34 und der
verbleibenden Ringfläche zwischen der Dichtstelle 62 und
dem Kolbendurchmesser des zweiten Druckverstärkerkolbenteiles 56 D22 auszulegen. Je kleiner diese verbleibende
Ringfläche bei gleichbleibender Federkraft der Rückstellfeder 34 wird,
umso geringer darf die Federkraft sein, die durch die Vorspannkraft 64 auf
die Hochdruckhülse 60 ausgeübt wird.
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Die
Wiederbefüllung des Steuerraums 52 kann in dieser
Ausführungsform prinzipiell über den Hochdruckraum 50,
die eine Befüllleitung 66 sowie unter Nutzung
der Kurzschlussschaltstellung des Schaltventils 26, wie
in 5 dargestellt, erfolgen. Bedingt durch die Hubbewegung
der Hochdruckhülse 60 bei Wiederbefüllung
des Hochdruckraumes 50, kann diese unkontrollierte Öffnungs-
und Schließbewegungen ausführen. Ohne geeignete
Gegenmaßnahmen würde dies zu einem hohen Verschleiß an der
Dichtstelle 62 und an der Führung des Druckverstärkerkolbens 32 führen,
die die Funktion der Ausführungsform des Druckverstärkers 16 negativ
beeinflussten. Mit einer geeigneten Abstimmung von Sitzgeometrie
und Druckstufe ist eine saubere Schaltfunktion gesichert.
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Der
Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass in den
Hochdruckablauf 46, der sich zum in 5 nicht
dargestellten Hochdruckspeicher 18 erstreckt, das Hochdruckventil 40 aufgenommen
ist, welches in dieser Ausführungsform als Rückschlagventil
ausgebildet ist.
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Bei
dem in 6 gezeigten weiteren Ausführungsbeispiel
des Druckverstärkers 16 wird zur Begrenzung des
Hochdruckraumes 50 ebenfalls die Hochdruckhülse 60 eingesetzt.
Diese umfasst eine äußere Eindrehung, in welche
ein Hubanschlagelement 70, welches am Kolbenführungskörper 36 fixiert ist,
eingreift und somit den maximalen Axialhub 68 der Hochdruckhülse 60 relativ
zum Kolbenführungskörper 36 definiert.
Hat die Hoch druckhülse 60 ihren maximal zulässigen
Hub 68 durchfahren, begrenzt das Hubanschlagelement 70 weitere
Hubbewegungen. Dazu ist das Hubanschlagelement 70 zwischen der
Rückstellfeder 34 und dem Kolbenführungskörper 36 angeordnet.
Die Vorspannkraft der Rückstellfeder 34 verhindert
dabei ein Abheben des Hubanschlagelementes 70 von dessen
Auflagefläche am Kolbenführungskörper 36,
der Teil des Grundkörpers 30 dieser Ausführungsform
des Druckverstärkers 16 ist.
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Damit
die Wiederbefüllung des Hochdruckraumes 50 während
des Hubanschlages der Hochdruckhülse 60 am Hubanschlagelement 70 nicht
unterbrochen wird, befindet sich am Kolbenführungskörper 36 ein
Bypass 72 zwischen dem Speicherraum 48 und dem
Arbeitsraum der Hochdruckhülse 60. In der in 6 dargestellten
Ausführungsform des Druckverstärkers 16 verläuft
die Anbindung des Speicherraums 48 an den Steuerraum 52 über
das bevorzugt als 3/2-Wege-Ventil ausgebildete Schaltventil 26.
Dieses verschließt den niederdruckseitigen Druckverstärkerrücklauf 24 in
der in 6 dargestellten Schaltstellung und gibt diesen
bei Betätigung zum Beispiel eines Elektromagneten frei,
wodurch der Steuerraum 52 druckentlastet wird, der erste Druckverstärkerkolbenteil 54 in
den Hochdruckraum 50 einfährt und das dort bevorratete
Kraftstoffvolumen über das Hochdruckventil 40 über
den Hochdruckablauf 46 in den Hochdruckspeicher 18 (Common-Rail)
drückt.
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Auch
in der in 6 dargestellten Ausführungsform
des Druckverstärkers 16 stützen sich
die Vorspannfeder 64 und die Rückstellfeder 34 am
Bund 33 des ersten Druckverstärkerkolbenteiles 54 ab.
Der Speicherraum 48, welcher den Führungskörper 36 mit
einem von außen wirkenden Stützdruck beaufschlagt,
um die Leckagemengen gering zu halten, wird analog zu den vorstehend
beschriebenen Ausführungsformen des Druckverstärkers 16 über
den Druckverstärkerzulauf 44 von der Hochdruckpumpe 14 (vergleiche
Darstellung gemäß 1) beaufschlagt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1125046
B1 [0002, 0002]
- - DE 10325620 A1 [0002]