-
Die
Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzsystem mit Druckverstärkung
für Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
-
Stand der Technik
-
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.
-
Aus
EP 1 123 463 B1 ist
ein weiteres Kraftstoffeinspritzsystem mit Druckverstärkung
bekannt. Ein zentraler hydraulischer Druckverstärker für
alle Kraftstoffinjektoren ist in einer Bypassleitung parallel zu
einer Druckleitung angeordnet, die von der Hochdruckpumpe zu einer
Verteilereinrichtung führt, die wiederum den Kraftstoff
auf die einzelnen Kraftstoffinjektoren verteilt. Die Verteilereinrichtung
besitzt jedoch keine Druckspeicherfunktion. Der parallel geschaltet
zentrale Druckverstärker ist dabei zwischen Hochdruckpumpe
und Verteileinrichtung geschaltet.
-
Nachteilig
bei den bekannten Druckverstärkungssystemen ist der hohe
Bauteilteilbedarf sowie die relativ große Steuermenge zur
Ansteuerung der Druckverstärkers. Wird für Mehrfacheinspritzungen kleiner
Einspritzmengen ein übersetzter Einspritzdruck benötigt,
ist der Steuerraum bzw. Differenzdruckraum 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
Differenzdruck raum 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 Kraftstoffinjektoren negativ
beeinflusst.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, den Bauteil- und Bauraumbedarf
sowie die Steuermenge zur Ansteuerung des Druckverstärkers
zu minimieren, um somit den Wirkungsgrad der Druckverstärkung
des Kraftstoffeinspritzsystems zu erhöhen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die
Aufgabe der Erfindung wird mit den kennzeichnenden Maßnahmen
des Anspruchs 1 gelöst. Das erfindungsgemäße
Kraftstoffeinspritzsystem ist seitens des Bauraumbedarfs für
einzelne Systemkomponenten optimiert. Bedingt durch einen modularen
Aufbau von Hochdruckpumpe, Druckverstärker, Hochdruckspeicher
und Kraftstoffinjektor lässt sich das erfindungsgemäße
Kraftstoffeinspritzsystem an allen bekannten Bauräumen
von Brennkraftmaschinen beispielsweise im Zylinderkopfbereich 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.
-
Durch
die Maßnahmen der Unteransprüche sind vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung möglich.
-
Ein
kompakter Bauraum wird vorteilhafterweise dadurch erzielt, wenn
der zentrale hydraulische Druckverstärker einen Grundkörper
aufweist, in dem ein hydraulischer Speicherraum ausgebildet ist, und
wenn der hydraulische Speicherraum über einen Druckverstärkerzulauf
direkt mit der Hochdruckpumpe hydraulisch verbunden ist. Dazu ist
im Grundkörper ein Hochdruckraum und ein Steuerraum ausgebildet
und ein Druckverstärkerkolben axial beweglich geführt.
Der Druckverstärkerkolben wirkt auf den Hochdruckraum zur
Druckverstärkung und auf den Steuerraum zu Ansteuerung
des Druckverstärkers ein. Der hydraulische Speicherraum
wird direkt von der Hochdruckpumpe befüllt. Das Volumen
des hydraulischen Speicherraums ist dabei so auszulegen, dass der
Druckabfall reduziert wird und die Druckschwingungen aus der Pumpenförderung
auf ein für die Druckverstärkung tolerables Maß gedämpft
werden.
-
Weiterhin
ist vorgesehen, dass vom Hochdruckraum eine erste hydraulische Verbindung
als Hochdruckablauf zum Hochdruckspeicher und eine zweite hydraulische
Verbindung in den hydraulischen Speicherraum führt, dass
die erste hydraulische Verbindung mit dem Hochdruckablauf ein erstes
Rückschlagventil und die zweite hydraulische Verbindung ein
zweites Rückschlagventil aufweist, und dass das erste Rückschlagventil
ein Rückströmung vom Hochdruckspeicher in den
Hochdruckraum und das zweite Rückschlagventil eine Zuströmung
des druckübersetzten Kraftstoffs aus dem Hochdruckraum
in den hydraulischen Speicherraum sperrt.
-
Die
Leckageverluste, die sich über die mit Hochdruck beaufschlagten
Führungsspalte am Druckübersetzerkolben einstellen,
lassen sich dadurch verringern, wenn der zentrale hydraulische Druckverstärker,
dessen Druckverstärkerkolben mit einem ersten Druckverstärkerkolbenteil
mit einem größeren Durchmesser D21 und
mit einem zweiten Druckverstärkerkolbenteil mit einem kleineren
Durchmesser D22 ausgeführt ist,
mit mindestens einen der Druckverstärkerkolbenteile in
einem am Grundkörper ausgebildeten Kolbenführungskörper
geführt ist. Der Kolbenführungskörper
ist zumindest teilweise von einem Ringraum umgeben, welcher Teil
des hydraulischen Speicherraums ist. Dadurch ist ebenfalls mindesten
ein Druckverstärkerkolbenteil vom Druck im hydraulischen
Speicherraum umgeben. Durch diese Maßnahme sind die Führungen
des Druckverstärkerkolbens von außen zum Zeitpunkt
der Druckverstärkung durch einen Stützdruck beaufschlagt,
so dass sich das Führungsspiel aufgrund des hohen Innendruckes,
der innerhalb des Hochdruckraumes herrscht, weniger stark aufgeweitet.
Am zweckmäßigsten ist, wenn der Hochdruckraum
mit seinem Führungsspalt für den Druckverstärkerkolben
unmittelbar an den hydraulischen Speicherraum angrenzt. Dadurch
ist der Leckageverlust aus dem Hochdruckraum in den auf Mitteldruck
stehenden hydraulischen Speicherraum gering, denn der Mitteldruck
ist der von der Hochdruckpumpe gelieferte Kraftstoffdruck.
-
Zweckmäßigerweise
ist dem zentralen hydraulischen Druckverstärker das Schaltventil
zugeordnet, wobei das Schaltventil auch in den Grundkörper
integriert sein kann. Weiterhin ist eine Befüllleitung
vorgesehen, welche vom hydraulischen Speicherraum abzweigt und über
welche der Steuerraum und/oder der Hochdruckraum nach der Druckübersetzungsphase
wiederbefüllt werden.
-
Bei
Einspritzdrücken unterhalb des maximalen Förderdrucks
der Hochdruckpumpe wird in einer ersten Schaltstellung des Schaltventils
der Druck im Speicherraum von der Hochdruckpumpe über den Zulauf
weiter durch Rückschlagventile über den Hochdruckablauf
zum Hochdruckspeicher gefördert. Von dort gelangt der Kraftstoff
zu den Kraftstoffinjektoren. Während dieses Betriebs ist
der zentrale Druckverstärker nicht angesteuert, so dass
der von der Hochdruckpumpe geförderte Kraftstoff im Bypassbetrieb
des Druckverstärkers zum Hochdruckspeicher (Common-Rail)
gelangt.
-
Sind
Einspritzdrücke gefordert, die über dem Maximalförderdruck
der Hochdruckpumpe liegen, ist der zentrale 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.
-
Ausführungsbeispiel
-
Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
-
Es
zeigen:
-
1 einen
Systemaufbau des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Kraftstoffeinspritzsystems und
-
2 einen
prinzipiellen Aufbau eines hydraulischen Druckverstärkers.
-
Das
in 1 dargestellte Kraftstoffeinspritzsystem umfasst
einen Kraftstofftank 12, aus welchem über eine
Hochdruckpumpe 14 Kraftstoff gefördert wird, der
einem zentralen hydraulischen Druckverstärker 10 zugeleitet
wird. Der zentrale Druckverstärker 10 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. Am brennraumseitigen Ende der Kraftstoffinjektoren
wird der unter hohem Druck stehende Kraftstoff – angedeutet
durch die Pfeile – in den Brennraum einer selbstzündenden
Verbrennungskraftmaschine eingespritzt. Rücklaufseitig
be findet sich am Kraftstoffinjektor 20 ein Injektorrücklauf 22,
in welchen ein Druckverstärkerrücklauf 24, der
an einem Schaltventil 26 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.
-
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.
-
Der
zentrale 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.
-
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. Das Druckübersetzungsverhältnis
i des Druckverstärkers 16 gemäß der
in 2 dargestellten Prinzipskizze ergibt sich zu: i = D21 2/(D21 2 – D22 2)
-
Der
zentrale Druckverstärker 10 umfasst außerdem
einen Hochdruckraum 50 zur Druckverstärkung bzw.
Druckübersetzung sowie einen Steuerraum 52 zum
Ansteuern des Druckverstärkers 16. Der Druckverstärkerkolben 32 ist
mit einer zweiten Druckfläche am zweiten Druckverstärkerkolbenteil 56 mit
dem kleineren Durchmesser D22 dem Steuer raum 52 und
mit einer ersten Druckfläche am ersten Duckverstärkerkolbenteil 54 mit
dem größeren Durchmesser D21 dem
Hochdruckraum 50 ausgesetzt.
-
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 dem Durchmesser D21 ausgebildeten
ersten Druckverstärkerkolbenteiles 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
Drucks vergrößerte Führungsspiel weniger
weit aufweitet, was andernfalls zu einem unerwünschten
Abströmen von Führungsleckage führen
würde, was wiederum den hydraulischen Wirkungsgrad des
Druckverstärkers 16 negativ beeinflussen würde.
-
Vom
Hochdruckraum 50 zweigt eine erste hydraulische Leitung
als Hochdruckablauf 46 ab, der sich zum Hochdruckspeicher 18 (Common-Rail)
erstreckt. Im Hochdruckablauf 46 befindet sich ein erstes
Rückschlagventil 40. Vom Hochdruckraum 50 erstreckt
sich weiterhin eine zweite hydraulische Leitung mit einem zweiten
Rückschlagventil 38, die über eine Befüllleitung 58 in
den hydraulischen Speicherraum 48 führt. Das Rückschlagventil 38 dient
dabei als Füllventil. Das erste Rückschlagventil 40 sperrt eine
Rückströmung von Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher 18 in
den Hochdruckraum 50. Das zweite Rückschlagventil 38 sperrt
eine Zuströmung des druckübersetzten Kraftstoffs
aus dem Hochdruckraum 50 in den hydraulischen Speicherraum 48.
Von der zweiten hydraulischen Leitung zweigt eine weitere hydraulische
Leitung ab, die zum Schaltventil 26 führt. Eine
weitere hydraulische Leitung verbindet einen weiteren Anschluss
des Schaltventils 26 mit dem Steuerraum 52. Über
diese hydraulischen Leitungen wird der Hochdruckraum 50 und
der Steuerraum 52 ausgehend vom Speicherraum 48 wieder mit
Kraftstoff befüllt, wobei die Wiederbefüllung
des Steuerraumes 52 nach dessen Druckentlastung bei Betätigung
des Schaltventils 26 über die weitere Leitung
in der dargestellten Schaltstellung des Schaltventils 26 auch über
die Befüllleitung 58 vom Speicherraum 48 ausgehend
erfolgt.
-
Die
Rückstellfeder 34, die zwischen dem Führungskörper 36 und
einer Stufe 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.
-
Bei
Einspritzdrücken unterhalb des maximalen Förderdruckes
der Hochdruckpumpe 14 wird gemäß einer
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 das als Rückschlagventil
ausgebildete Hochdruckventil 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.
-
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 die 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 Rückschlagventil 38 wiederum
ist dabei in Richtung des Druckverstärkerrücklaufs 24 geschlossen.
Steigt der Druck 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.
-
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 Rückschlagventil 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.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 1125046
B1 [0002]
- - EP 1123463 B1 [0003]