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Stand der Technik
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Zum
Einspritzen von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff kommen Kraftstoffinjektoren
zum Einsatz, die über ein Verteilerrohr vor einem Hochdrucksammelraum
(Common Rail) mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagt
werden. Durch die im Kraftstoffeinspritzsystem auftretenden hohen
Drücke in der Größenordnung von 1600
bar und mehr, liegt das Spitzendruckniveau im Kraftstoffeinspritzsystemen
auf einem sehr hohen Niveau, was dessen Dauerfestigkeit mit zunehmender
Lebensdauer beeinträchtigt.
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Stand der Technik
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DE 298 14 934 A1 bezieht
sich auf ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen.
Ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen ist mittels
einer Spannmutter axial gegen einen Ventilhaltekörper verspannt,
in dem ein kolbenförmiges Ventilglied in einer Führungsbohrung
axial verschiebbar geführt ist. Die Führungsbohrung
weist einen radial erweiterten Druckraum auf, der durch einen zwischen
der Wandung der Führungsbohrung und dem Ventilglied gebildeten
Spalt mittels einer konisch einwärts gerichteten Ventilsitzfläche
verbunden ist. An diese schließen sich stromabwärts
Einspritzöffnungen an, welche das Ventilglied unter Vorspannung mit
einer Ventildichtfläche in Anlage halten. Ferner ist ein
in den Druckraum mündender Kraftstoffzulauf vorgesehen,
der über eine Einspritzleitung ständig mit einem
sämtliche Einspritzventile der zu versorgenden Verbrennungskraftmaschine
gemeinsamen Hochdruckspeicherraum (Common Rail) verbunden ist. Eine
den Ventilkörper hintergreifende Anlagefläche
der Spannmutter und eine mit dieser zusammenwirkende Gegenanschlagfläche
sind am Ventilkörper derart konisch ausgebildet, dass neben
der axialen Vorspannung eine radiale Spannungskomponente auf den
Ventilkörper übertragen wird.
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DE 101 14 219.6 bezieht
sich auf einen Kraftstoffinjektor mit vorgeordnetem Speichervolumen. Der
Kraftstoffinjektor ist Teil eines Kraftstoffeinspritzsystems zur
Versorgung der Brennräume einer Verbrennungskraftmaschine
mit Kraftstoff. Das Kraftstoffeinspritzsystem umfasst eine Hochdruckpumpe. Über
die Hochdruckpumpe wird eine Anzahl von Kraftstoffinjektoren mit
unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagt. Den einzelnen
Kraftstoffinjektoren ist jeweils ein Speichervolumen zugeordnet,
welches über eine Hochdruckzuleitung von der Hochdruckpumpe
direkt beaufschlagt ist. Aus Gründen des Umweltschutzes
und der Minimierung der Emissionen kommen heute bei Kraftfahrzeugen, seien
sie mit selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen, seien
sie mit fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschinen ausgestattet,
Start/Stop-Systeme zum Einsatz. Mit diesen Start/Stop-Systemen werden
bei längeren Rotphasen von Verkehrsampeln oder bei geschlossenen
Bahnschranken, um Beispiele zu nennen, Aggregate der Verbrennungskraftmaschine
automatisch abgeschaltet. Bei derartigen Systemen erfolgt ein Neustart
der zuvor abgeschalteten Verbrennungskraftmaschine lediglich durch
Antippen des Gaspedals. Es hat sich erwiesen, dass insbesondere
bei selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen mit Hochdruckspeichereinspritzsystemen
(Common Rail) das Startvermögen nach solchen erzwungenen
Stopps verbesserungsfähig ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird
vorgeschlagen, einen Hochdruckspeicher so auszugestalten, dass dieser zwei
voneinander zum Beispiel durch ein Rückschlagventil getrennte
Volumina umfasst. Im Hochdruckspeicherkörper wird in einer
ersten Ausführungsvariante beispielsweise ein erstes Volumen
geschaffen, welches zum Beispiel durch eine Durchgangsbohrung gegeben
sein kann. Des Weiteren befindet sich im Inneren des Hochdruckspeichers
ein weiteres größeres Volumen. Das weitere zweite
größere Volumen übersteigt das eingangs
genannte erste Volumen um ein Vielfaches, so zum Beispiel 1- bis 10-fache.
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Das
erste Volumen, welches zum Beispiel durch eine Durchgangsbohrung
innerhalb des Hochdruckspeichers gegeben sein kann, wird von einem Druckbegrenzungsventil
einerseits und von einem Rückschlagventil andererseits
begrenzt.
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Das
erste Volumen liegt bevorzugt in dem Bereich, in dem vom Hochdruckspeicher
aus die Anschlüsse zum Anschluss der mit Kraftstoff zu
versorgenden Kraftstoffinjektoren abzweigen. Dies hat den Vorteil,
dass in dem ersten Volumen in der Startphase der Verbrennungskraftmaschine
durch ein den Hochdruckspeicher beaufschlagendes Förderaggregat
der Systemdruck um ein Vielfaches schneller aufgebaut werden kann
als in dem weiteren zweiten Volumen, welches stromab des Rückschlagventils dient.
Bevorzugt ist der Öffnungsdruck des Rückschlagventils
so abgestimmt, dass dieser geringfügig größer
ist als der Öffnungsdruck, der mit Kraftstoff über
die Anschlüsse zu versorgenden Kraftstoffinjektoren. Das
Förderaggregat, welches den Hochdruckspeicher beaufschlagt,
baut demnach zuerst den Druck in dem kleineren Volumen auf, bevor
das Rückschlagventil bei Erreichen beziehungsweise Überschreiten
seines Öffnungsdrucks öffnet und beide Volumina
mit Systemdruck beaufschlagt werden, was im Normalbetrieb der selbstzündenden
Verbrennungskraftmaschine erfolgt. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Lösung kann das Starten beschleunigt werden, da das Volumen,
welches unter Systemdruck zu setzen ist, beim Start klein bleibt.
Im Normalbetrieb hingegen kann das größere beziehungsweise
können beide Volumina dem Druckaufbau ausgesetzt werden,
um die Druckschwingungen nicht zu stark ansteigen zu lassen.
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Der Öffnungsdruck
des Rückschlagventils zwischen dem ersten und dem zweiten
Volumen innerhalb des Hochdruckspeichers liegt geringfügig oberhalb
des Öffnungsdrucks der Kraftstoffinjektoren, der im Bereich
zwischen 80 bar und 120 bar liegt. Beim Start der Verbrennungskraftmaschine
ist das Rückschlagventil geschlossen, so dass die Versorgung
der Kraftstoffinjektoren ausschließlich über das
kleinere der beiden Volumina erfolgt, indem der Systemdruck bei
Start/Stop-Betrieb der Verbrennungskraftmaschine wesentlich schneller
aufgebaut werden kann. Das Volumen des kleinen Volumens liegt in
der Größenordnung zwischen 2 mm3 bis
5 mm3, während das zweite Volumen
dieses Volumen um das 10-, 15- oder auch 20-fache übersteigt.
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In
einer weiteren zweiten Ausführungsvariante kann anstelle
des durch eine Durchgangsbohrung gegebenen kleinen Volumens dieses
auch durch einen Hohlraum eines Anschlusskörpers dargestellt
sein. In dieser zweiten Ausführungsvariante des der Erfindung
zugrunde liegenden Gedankens wird der Anschlusskörper zum
Beispiel mit dem Hochdruckspeicher, in dem das größere
der beiden Volumina ausgebildet ist, über eine druckdichte
Verschraubung verbunden. In der zweiten Ausführungsvariante
der der Erfindung zugrunde liegenden Lösung können
die Anschlüsse in Ringform um den Umfang beziehungsweise
an der Außenseite des Anschlussstücks angeordnet
werden. Auch in dieser Ausführungsvariante ist sichergestellt,
dass der Druckaufbau in dem kleinen Volumen zuerst erfolgt, bevor
das auch in dieser Ausführungsvariante über ein
Rückschlagventil vom kleineren Volumen getrennte zweite
Volumen mit Systemdruck beaufschlagt wird.
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Die
erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung
erlaubt einen schnellen Druckaufbau in Startphasen von selbstzündenden
Verbrennungskraftmaschinen und bei kurzfristigen Starts sowie dem
normalen Betrieb mit den Vorteilen des Hochdruckspeichersystems
(Common Rail).
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand
der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben:
Es
zeigt:
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1 eine
erste Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Hochdruckspeichers mit einem ersten und einem zweiten Volumen und
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2 eine
weitere Ausführungsvariante des der Erfindung zugrunde
liegenden Gedankens mit einem Anschlusskörper, der über
eine Verschraubung mit dem Hochdruckspeicher verbunden ist.
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Ausführungsvarianten
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1 ist
eine erste Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung eines Hochdruckspeichers mit zwei unterschiedlich
großen Volumina zu entnehmen.
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1 zeigt
einen Hochdruckspeicher 10, wie er als Komponente eines
Hochdruckspeichereinspritzsystems (Common Rail) eingesetzt wird.
Der Hochdruckspeicher 10 gemäß der Darstellung
in 1 ist an einem Druckbegrenzungsventil 14 mit
einem hier nicht näher dargestellten Hochdruckförderaggregat
verbunden, welches im Hochdruckspeicher 10 ein Systemdruckniveau
erzeugt. Dieses Systemdruckniveau liegt in der Größenordnung
zwischen 1800 bar und 2000 bar.
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Aus
der Darstellung gemäß 1 geht hervor,
dass der Hochdruckspeicher 10 von einer Wand 12 begrenzt
ist und an seiner Mangelfläche jeweils drei Anschlüsse 16 aufweist.
An den Anschlüssen 16 an der Außenumfangsfläche
des in der Regel zylindrisch ausgeführten Hochdruckspeichers 10 werden entsprechend
der Anzahl der Anschlüsse 16 die mit unter Systemdruck
stehenden Kraftstoff zu versorgenden Kraftstoffinjektoren angeschlossen,
die in der Darstellung gemäß 1 ebenso
wenig wie die den Hochdruckspeicher 10 beaufschlagenden
Förderpumpen dargestellt sind. Die Anschlüsse 16 weisen zum
druckdichten Anschließen von Hochdruckleitungen jeweils
Außengewinde 18 auf. Ein jeder der Anschlüsse 16 ist
von einer Bohrung 20 durchzogen, die in der Darstellung
gemäß 1 von einer Durchgangsbohrung 22 des
Hochdruckspeichers 10 abzweigt. Der Durchmesser der Durchgangsbohrung 22 im
Hochdruckspeicher 10 ist mit Bezugszeichen 24 bezeichnet.
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Im
Inneren des Hochdruckspeichers 10 gemäß der
Darstellung in 1 befindet sich ein erstes Volumen 26,
welches von einem zweiten Volumen 38 durch ein Rückschlagventil 30 getrennt
ist. In der Ausführungsvariante gemäß 1 wird
das zweite Volumen 38 durch die Durchgangsbohrung 22 gebildet.
Die Durchgangsbohrung 22 ist symmetrisch zur Achse 28.
Die Durchgangsbohrung 22 ist einerseits von einem Kugelkörper 34 des
Rückschlagventils 30 und andererseits vom Druckbegrenzungsventil 14 begrenzt.
Anstelle eines Stopfens 40 kann der Hochdruckspeicher 10 bzw.
dessen Durchgangsbohrung 22 durch einen Raildrucksensor
oder das besagte Druckbegrenzungsventil 14 verschlossen
sein.
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Das
das erste Volumen 26 vom zweiten Volumen 38 trennende
Rückschlagventil 30 umfasst einen Kugelkörper 34,
der durch ein Federelement 36 beaufschlagt wird. Über
das Federelement 36 ist der Kugelkörper 34 entgegen
der Förderrichtung des Kraftstoffs in einen Sitz 32 gestellt,
der in der Wand 12 des Hochdruckspeichers 10 zwischen
dem ersten Volumen 26 und dem zweiten Volumen 38 ausgebildet
ist.
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Das
erste Volumen 26 im Hochdruckspeicher 10 ist durch
einen Stopfen 40 verschlossen, der mittels eines Gewindes 42 in
ein dazu korrespondierend ausgebildetes Innengewinde des Hochdruckspeichers
eingeschraubt ist. Der Stopfen 40 bildet eine Stirnseite 44 des
Hochdruckspeichers 10 gemäß der in 1 dargestellten
ersten Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung.
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In
vorteilhafter Weise trägt das erste Volumen 26 das
10-, 15- oder gar 20-fache des zweiten Volumens 38. Das
zweite Volumen 38, welches durch die Durchgangsbohrung 22 in
der in 1 dargestellten Ausführungsvariante dargestellt
ist, liegt in der Größenordnung zwischen 2 mm3 bis zu 5 mm3. Da die
Anschlüsse 16 allesamt über die Bohrungen 20 mit
dem zweiten Volumen 38 in Verbindung stehen, wird bei einem
Start der Verbrennungskraftmaschine in diesen zweiten Volumen 38 von
wenigen Kubikmillimetern schneller Systemdruck erzeugt als dies
in dem das 10-, 15 oder gar 20-fache betragenden ersten Volumen 26 stromab
des Rückschlagventils 30. Aufgrund des Umstandes,
dass sich in diesem kleineren zweiten Volumen 38 wesentlich
schneller Systemdruck einstellt, ist auch ein Start der Verbrennungskraftmaschine
im Start/Stop-Modus der Verbrennungskraftmaschine wesentlich schneller
möglich, da das Volumen, in dem Systemdruck zu erzeugen
ist, deutlich verringert ist.
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Das
Rückschlagventil 30, dessen Öffnungsdruck
geringfügig größer gewählt dimensioniert
ist als der Öffnungsdruck der an den Anschlüssen 16 angeschlossenen
Kraftstoffinjektoren, gibt bei weiterem Druckaufbau im zweiten Volumen 38 des
Hochdruckspeichers 10 den Durchfluss in das erste Volumen 26 stromab
des Rückschlagventils 30 frei. Dies bedeutet,
dass im Normalbetrieb das gesamte Volumen, das heißt das
erste Volumen 26 und das zweite Volumen 38 miteinander
in Verbindung stehen, so dass im Normalbetrieb auftretende Druckschwingungen
aufgrund von Druckspitzen im Hochdruckspeicher 10 gedämpft
werden. Der Öffnungsdruck des Rückschlagventils 30 gemäß der
in 1 dargestellten ersten Ausführungsvariante
der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung
liegt in der Größenordnung zwischen 80 bar und
120 bar.
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In
Abwandlung der in 1 dargestellten Ausführungsvariante
besteht die Möglichkeit, den Hochdruckspeicher 10 auch
unmittelbar in ein Hochdruckaggregat zu integrieren und diesen nicht – wie in 1 graphisch
dargestellt – als separates Bauteil auszugestalten.
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Der
Darstellung gemäß 2 ist eine
weitere Ausführungsvariante eines Hochdruckspeichers zu
entnehmen, der zwei unterschiedliche Volumina enthält.
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Aus
der Darstellung gemäß 2 geht hervor,
dass der dort dargestellte Hochdruckspeicher 10 analog
zum Hochdruckspeicher in 1 das erste Volumen 26 aufnimmt.
Das erste Volumen 26 ist durch die Wand 12 des
Hochdruckspeichers 10 und den Stopfen 40 begrenzt.
Im Unterschied zur Darstellung gemäß 1 ist
in dieser Ausführungsvariante das zweite, erheblich geringere
Volumen 38 nicht durch eine Durchgangsbohrung 22,
wie in der Darstellung in 1 gezeigt,
gebildet, sondern das zweite Volumen 38 des Hochdruckspeichers 10 wird durch
die Kavität beziehungsweise eine Hohlraum eines Anschlusskörpers 50 dargestellt.
Dieser Anschlusskörper 50 ist druckdicht an einer
Verschraubung 52 in das Material des Hochdruckspeichers 10, das
heißt in dessen Wand 12, eingeschraubt. Auch zwischen
dem zweiten Volumen 38 im Anschlusskörper 50 und
dem ersten Volumen 26 des Hochdruckspeichers 10 befindet
sich das Rückschlagventil 30. Dessen Öffnungsdruck
ist ähnlich dimensioniert wie der Öffnungsdruck
des in der Ausführungsvariante gemäß 1 eingesetzten
Rückschlagventils 30 zwischen dem ersten Volumen 26 und
dem zweiten Volumen 38 des Hochdruckspeichers 10.
Im Unterschied zur Darstellung gemäß 1 ist
am Anschlusskörper 50 eine in Ringform vorgenommene Verteilung 54 der
Anschlüsse 16 an der Außenseite des Anschlusskörpers 50 verwirklicht.
Dadurch baut der in 2 dargestellte Hochdruckspeicher 10 im Vergleich
zur rohrförmigen Ausführungsvariante des Hochdruckspeichers 10 in 1 entsprechend
kürzer. Die Anschlüsse 16 sind, wie aus
der Darstellung gemäß 2 hervorgeht,
in Halbkreisform 54 um das zweite Volumen 38 angeordnet.
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Wir
die Verbrennungskraftmaschine gestartet und erfolgt durch das in
der Darstellung gemäß 2 ebenfalls
nicht dargestellte Förderaggregat ein Druckaufbau auf Systemdruckniveau,
so erfolgt dieser Druckaufbau zunächst im zweiten Volumen 38 innerhalb
des Anschlusskörpers 50, der mit der Verschraubung 52 mit
dem Hochdruckspeicher 10 verbunden ist. An der Startphase
erfolgt ein rascher Druckaufbau im zweiten Volumen 38,
so dass der Start bei Start/Stopp-Betriebsmodus erheblich beschleunigt
werden kann. Bei erreichen des Öffnungsdruckniveaus des
Rückschlagventils 30 öffnet diese das
gesamte Volumen, das heißt das erste Volumen 26 und
das zweite Volumen 38 stehen unter Systemdruck. Sinkt der
Druck im Hochdruckspeicher 10 unter dem Öffnungsdruck
des Rückschlagventils 30, wird dieses geschlossen.
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Mit
der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung
kann ein beschleunigter Start der Verbrennungskraftmaschine im Start/Stop-Betriebsmodus, wie
er im Stadtverkehr häufig vorkommt, erreicht werden. Das
gesamte Volumen, das heißt das erste Volumen 26 sowie
das zweite Volumen 38, wird bei geöffnetem Rückschlagventil 30 im
Normalbetrieb der Verbrennungskraftmaschine mit Systemdruck beaufschlagt,
so dass beiden Betriebsmodi Rechnung getragen werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 29814934
A1 [0002]
- - DE 10114219 [0003]
