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Stand der Technik
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DE 10 2006 003 639 A1 bezieht sich auf einen Hochdruckspeicherkörper mit integriertem Verteilerblock. Gemäß dieser Lösung wird ein Kraftstoffeinspritzsystem vorgeschlagen für eine mehrzylindrische Verbrennungskraftmaschine mit einem ersten Hochdruckspeicher und einem zweiten Hochdruckspeicher. Ferner ist eine Hochdruckspeicherpumpe vorgesehen, wobei der erste und der zweite Hochdruckspeicher eine der Anzahl der Zylinder der Verbrennungskraftmaschine entsprechende Anzahl von Anschlüssen für Injektorzuleitungen aufweisen. Es ist ein Dämpfungsvolumen zur Dämpfung von Druckpulsationen zwischen den Hochdruckspeichern und zwischen den Hochdruckspeichern und der Hochdruckpumpe in einem der Hochdruckspeicher integriert.
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DE 298 14 934 A1 bezieht sich auf ein Kraftstoffeinspritzventil zu 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 dieses schließen sich stromabwärts Einspritzöffnungen an, welche das Ventilglied unter Vorspannung mit einer Ventildichtfläche in Anlage halten. Ferner ist ein in den Druckraum mündender Kraftstoffvorlauf 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 zusammenwirkenden Gegenschlagfläche 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 stehendem 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/Stopp-Systeme zum Einsatz. Mit diesen Start/Stopp-Systemen werden bei längeren Rotphasen 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 Hochdruckspeichereinspritzsystem (common rail), das Startvermögen nach solchen erzwungenen Stopps verbesserungsfähig ist.
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DE 10 2009 028 238.6 bezieht sich auf einen volumenreduzierten Hochdruckspeicher. Gemäß dieser Lösung weist der Hochdruckspeicher eine Anzahl von Anschlüssen zur Versorgung von Kraftstoffinjektoren mit Kraftstoff auf. Der Hochdruckspeicher umfasst ein erstes Volumen und eine zweites Volumen, die durch ein Rückschlagventil voneinander getrennt sind.
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Die Motor-Start/Stopp-Funktion ist eine heutzutage gängige Methode zur Kraftstoffverbrauchsredzierung bei Fahrzeugen. Für das Starten bei einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine, so z. B. eines Dieselmotors, ist es erforderlich, einen bestimmten Druck im Hochdrucksammelraum (Common-Rail) aufzubauen, der ca. 120 bar beträgt. Bei diesem Druckniveau ist eine sichere Einspritzung absetzbar. Der Druckaufbauvorgang beeinflusst die Zeit, die zum Motorstart benötigt wird, maßgeblich. Ziel ist es, die Wieder-Start-Zeit des Motors nach einem erzwungenen Stopp so gering wie möglich zu halten. Die maßgeblichen Faktoren, die sich auf die Druckaufbauzeit auswirken, sind einerseits das Hochdruckvolumen des Systems, die Fördermenge der Hochdruckpumpe sowie die Temperatur des Kraftstoffs.
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Darstellung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, das Volumen des Hochdrucksammelraumes während des Startvorgangs zu reduzieren, um so einen möglichst schnellen Druckaufbau auf Systemdruckniveau im Hochdrucksammelraum (Common-Rail) zu gewährleisten, und andererseits während des normalen Betriebes der Verbrennungskraftmaschine ein Volumen im Hochdrucksammelraum bereit zu stellen, welches einen Normalbetrieb der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine während des Motorlaufens ermöglicht, um auftretende Druckschwingungen gering zu halten und insbesondere eine hohe Dynamik, so z. B. ein sehr gutes Ansprechverhalten der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine, sicherzustellen.
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In vorteilhafter Weise wird ein zum Starten der Verbrennungskraftmaschine dienender Hochdruckspeicherkörper, welches im Folgenden auch als Start-Rail bezeichnet wird, im Kraftstoffeinspritzsystem integriert, an welches die Injektoren und die Hochdruckpumpe angeschlossen sind. Dieses Start-Rail wird mit einem sehr kleinen Speichervolumen ausgelegt. Dieser Hochdruckspeicherraum, d. h. das Start-Rail mit Injektoranschlüssen, ist durch ein Hochdruckförderaggregat beaufschlagt und weist ein äußerst geringes kleines Speichervolumen auf. An dieses Start-Rail mit geringem Speichervolumen, wird ein weiterer zweiter Hochdruckspeicherraum hydraulisch angeschlossen, wobei dieser weitere zweite Hochdruckspeicherraum an das Start-Rail mit einem möglichst großen Leitungsquerschnitt hydraulisch verbunden wird.
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Für den Fall, dass ein Start der Verbrennungskraftmaschine im Rahmen einer Motor-Start/Stopp-Funktion erfolgt, ist ein Ventil, welches bevorzugt als federbeaufschlagtes Ventil angeordnet ist, welches sich zwischen dem ersten Hochdruckspeicherraum, d. h. dem Start-Rail mit den Injektoranschlüssen und dem zweiten Hochdruckspeicherraum befindet, geschlossen. Unterhalb eines Injektoreinspritzfreigabedruckes, der in der Größenordnung zwischen 80 und 180 MPa, bevorzugt zwischen 100 MPa und 150 MPa, besonders bevorzugt bei etwa 120 MPa liegt, ist das Ventil zwischen dem ersten Hochdruckspeicherraum, d. h. dem Start-Rail, und dem zweiten Hochdruckspeicherraum geschlossen. Somit ist das im ersten Hochdruckspeicherraum, von dem die Injektoranschlüsse abzweigen, bevorratete Systemvolumen sehr klein und kann bereits durch eine geringe Fördermenge der mit dem Start-Rail, d. h. dem ersten Hochdruckspeicherraum hydraulisch verbundenen Hochdruckförderaggregat auf einen Druck angehoben werden, der zumindest dem Injektoreinspritzfreigabedruck entspricht.
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Aufgrund des geringen Volumens des Hochdruckspeicherraumes, d. h. des Start-Rails, ist zum Druckaufbau eine minimale Zeitspanne nötig.
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Nach dem Start der Verbrennungskraftmaschine und einer Erhöhung des Systemdrucks auf den normalerweise herrschenden Leerlaufdruck öffnet das Ventil, welches zwischen dem ersten Hochdruckspeicherraum, d. h. dem Start-Rail, und dem zweiten Hochdruckspeicherraum vorgesehen ist. Der Öffnungsdruck wird durch die von einer Schließfeder, die das Ventil lädt, des federbeaufschlagten Ventils beaufschlagt, definiert. Nach dem Öffnen des Ventils vergrößert sich das Systemhochdruckvolumen, d. h. die Hochdruckpumpe beaufschlagt nun lediglich das Start-Rail mit seinem geringen Volumen, sondern darüber hinaus auch das nach Öffnen des Ventils mit dem Start-Rail verbundene Volumen des zweiten Hochdruckspeicherraumes. So lässt sich während des normalen Betriebes der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine während des Motorlaufs ein Abbau von Druckpulsationen bzw. eine Vermeidung von Druckschwingungen realisieren und gleichzeitig eine hohe Dynamik der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine sicherstellen.
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Wird die selbstzündende Verbrennungskraftmaschine abgestellt und der Systemdruck sinkt unter den Injektoreinspritzfreigabedruck ab, so wird aufgrund der Wirkung der Ventilfeder, das Ventilglied des Ventils im zweiten Hochdruckspeicherraum wieder vom ersten Hochdruckspeicherraum getrennt.
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Das Spiel, mit welchem das Ventilglied im Führungskörper geführt ist, ist so ausgelegt, dass die Leckagemenge minimal ist. Die dennoch unvermeidlich entstehende Leckagemenge wird z. B. über einen Leckageanschluss geleitet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigt:
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1 das erfindungsgemäß vorgeschlagene Hochdruckspeichereinspritzsystem mit erstem Hochdruckspeicherraum und zweitem Hochdruckspeicherraum, über eine Verbindungsleitung miteinander verbunden und
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2 einen bei geöffnetem ventilverschlossenen Dichtsitz am Führungskörper, in dem das Ventilglied geführt ist.
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Ausführungsvarianten
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Der Darstellung gemäß 1 sind die Komponenten des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Hochdruckeinspritzsystems im Einzelnen zu entnehmen.
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Die Darstellung gemäß 1 zeigt ein Hochdruckeinspritzsystem 10, welches einen ersten Hochdruckspeicherraum 12 umfasst. Der erste Hochdruckspeicherraum 12 ist mit einem geringen Speichervolumen 14 ausgebildet und durch ein, in der Regel als Hochdruckpumpe beschaffenes Hochdruckförderaggregat, mit Systemdruck beaufschlagt. Vom ersten Hochdruckspeicherraum zweigt eine Anzahl von Injektoranschlüssen 18 ab, welche der Anzahl der mit Kraftstoff zu versorgenden Injektoren der Verbrennungskraftmaschine entspricht.
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Der erste Hochdruckspeicherraum 12 (Common-Rail) steht über eine, mit einem relativ großen Leitungsquerschnitt dimensionierte Verbindungsleitung 22 mit einem weiteren zweiten Hochdruckspeicherraum 20 in Verbindung. Der weitere zweite Hochdruckspeicherraum 20 hat im Vergleich zum ersten Hochdruckspeicherraum 12 ein um ein vielfaches größeres Speichervolumen.
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Das Volumen des ersten Hochdruckspeicherraumes 12 ist vom Volumen des zweiten Hochdruckspeicherraumes 20 durch ein Ventil 24 getrennt. Das Ventil 24 ist in vorteilhafter Weise, unter Verminderung der benötigten Bauteile, als federbeaufschlagtes Ventil ausgebildet, und umfasst ein stößelartig ausgebildetes Ventilglied 26. Das Ventilglied 26 umfasst einerseits einen beispielsweise kugelförmig ausgebildeten Ventilkopf 28 und ist andererseits durch eine Schließfeder 40, die innerhalb eines Führungskörpers 32 knicksicher geführt ist, beaufschlagt.
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Wie aus der Darstellung gemäß 1 hervorgeht, ist der Führungskörper 32 Teil des Gehäuses des zweiten Hochdruckspeicherraumes 20, der im Vergleich mit dem geringen Speichervolumen 14 des ersten Hochdruckspeicherraumes 12 ein um ein vielfaches größeres Speichervolumen aufweist.
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Aus der Darstellung gemäß 1 geht hervor, dass das Ventilglied 26 mit seinem Ventilglied 28 in einer Fließstellung in einen Ventilsitz 30 gestellt ist, was einer ersten Stellung 46 des Ventils 24 entspricht. In der ersten Stellung 46 des Ventils 24 ist die Verbindungsleitung 22 zwischen dem ersten Hochdruckspeicherraum 12 und dem zweiten Hochdruckspeicherraum 20 verschlossen, so dass ein Fluidaustausch zwischen den beiden Volumina nicht möglich ist.
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Aus 1 geht des Weiteren hervor, dass das stößelartig ausgebildete Ventilglied 26 mit Spiel 34 im Führungskörper 32 geführt ist. Das Spiel 34 ist minimal, so dass eine Leckageabführung am Führungskörper 32 in Gestalt eines Leckageanschlusses 42, ein minimales Leckagevolumen aus dem zweiten Hochdruckspeicherraum auf die Niederdruckseite des Hochdruckeinspritzsystems 10 abführt.
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Am Führungskörper 32, der Teil des Gehäuses des zweiten Hochdruckspeicherraumes 20 sein kann, ist ein Dichtsitz 44 ausgebildet, der aus der Darstellung gemäß 2 eingehender hervorgeht.
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2 zeigt, das Ventilglied des Ventiles in einer Stellung, in der der Ventilsitz geöffnet und ein Dichtsitz am Führungskörper verschlossen ist.
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Der Darstellung gemäß 2 ist zu entnehmen, dass das stößelartig ausgebildete Ventil 26 den Ventilkopf 28, beispielsweise ausgebildet in Kugelform, aufweist. Bei geöffnetem Ventil 24, d. h. freigegebenen Ventilsitz 30 gemäß der Darstellung in 1, verschließt der Ventilkopf 28 des Ventilgliedes 26 einen konisch ausgebildeten Dichtsitz 44, der an der unteren Stirnseite des Führungskörpers 32 ausgebildet ist. Dadurch ist bei geöffnetem Ventil 24, d. h. in einer zweiten Stellung 48 des Ventilgliedes 26 des Ventiles 24, die hydraulische Verbindung über die Verbindungsleitung 22 zwischen dem ersten Hochdruckspeicherraum 12 und dem zweiten Hochdruckspeicherraum 20 freigegeben, jedoch der Leckageabfluss 42 auf die Niederrückseite des Hochdruckeinspritzsystemes 10 verschlossen.
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Die Wirkungsweise des Ventiles 24 wird nachfolgend eingehender beschrieben: Die das stößelartig ausgebildete Ventil 26 beaufschlagende Schließfeder 40 bestimmt einen Druck, ab dessen Erreichen die Verbindung zwischen den Volumina des ersten Hochdruckspeicherraumes 12 und des zweiten Hochdruckspeicherraumes 20 geschlossen bzw. freigegeben wird. In der Praxis hat sich herausgestellt, dass ein Einspritzfreigabedruck, bei dem eine sichere Absetzung eines Einspritzvorganges gewährleistet ist, in der Größenordnung zwischen 80 und 180 MPa, bevorzugt zwischen 100 und 150 MPa und besonders bevorzugt bei etwa 120 MPa liegt.
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Wird nun bei einem erzwungenen Motorstart im Rahmen der Motor-Start/Stopp-Funktionalität nach einem Motorstillstand der Start der Verbrennungskraftmaschine durch Antippen des Gaspedals gewünscht, so erfolgt bei einem Systemdruckniveau, welches unterhalb des Einspritzfreigabedruckes für die Injektoren in der Größenordnung von ca. 120 MPa liegt, das Schließen des Ventiles 24. In diesem der ersten Stellung 46 entsprechenden Position des stößelartig ausgebildeten Ventilgliedes 26 ist der Ventilkopf 28 in den Ventilsitz 30 gestellt, so dass eine hydraulische Verbindung zwischen dem Volumen des ersten Hochdruckspeicherraumes 12 und dem des zweiten Hochdruckspeicherraumes 20 unterbunden ist. Aufgrund des geschlossenen Ventiles 24 beaufschlagt die Hochdruckpumpe 16 ausschließlich den ersten Hochdruckspeicherraum 12 mit Systemdruck, der ein geringes Speichervolumen 14 aufweist. Durch eine geringe Fördermenge des Hochdruckförderaggregats 16 wird bei Antippen des Gaspedals in einem minimalen Zeitraum ein Erreichen des Systemdruckes im geringen Volumen 14 des ersten Hochdruckspeicherraumes 12 erreicht. Dadurch kann der Druck im ersten Hochdruckspeicherraum 12 über das Einspritzfreigabedruckniveau angehoben werden. Dadurch erfolgt nach einer minimalen Zeitspanne ein Start der Verbrennungskraftmaschine, das Druckniveau im Hochdruckeinspritzsystem 10 gemäß der vorgeschlagenen Erfindung, ist nun auf das Leerlaufniveau angehoben. Nach dem Start der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine und einer Erhöhung des Systemdrucks auf den normalerweise herrschenden Leerlaufdruck öffnet das Ventil 24, d. h. der Ventilkopf 28 fährt aus dem Ventilsitz 30 aus, so dass eine hydraulische Verbindung über die Verbindungsleitung 22 zwischen dem ersten Hochdruckspeicherraum 12 und dem zweiten Hochdruckspeicherraum 20 vorliegt. Dadurch vergrößert sich das unter Systemdruck stehende Volumen des Hochdruckspeichereinspritzsystems entsprechend den Volumina des ersten Hochdruckspeicherraumes 12, d. h. des Start-Rails und dem weiteren zweiten Hochdruckspeicherraumes 20. In diesem Falle wird ein Volumen bereitgestellt, welches während des Normalbetriebes der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine das Auftreten von Druckpulsationen im Hochdruckeinspritzsystem 10 in idealer Weise vermeidet und erheblich dämpft und gleichzeitig eine sehr hohe Dynamik der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine gewährleistet. Wird die selbstzündende Verbrennungskraftmaschine abgestellt und das Systemdruckniveau sinkt unter das Injektorfreigabedruckniveau ab, schließt das Ventil 24 wieder, d. h. der Ventilkopf 28 fährt in den Ventilsitz 39 ein, und trennt auf diese Weise das größere Volumen des zweiten Hochdruckspeicherraumes 20 vom relativ kleinen Volumen 14 des ersten Hochdruckspeicherraumes 12.
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Ein unerwünschter Systemdruckverlust im zweiten Hochdruckspeicherraum 20 des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Hochdruckeinspritzsystems 10 wird dadurch vermieden, dass bei geöffnetem Ventil 24 und freigegebenen Ventilsitz 30 in Verbindungsleitung 22 der beispielsweise kugelförmig ausgebildete Ventilkopf 28 einen beispielsweise konisch ausgebildeten Dichtsitz 44 verschließt, der an der Stirnseite des Führungskörpers 32 ausgebildet ist, der in das Innere des zweiten Hochdruckspeicherraumes 20 hineinragt. In diesem Falle, bei geöffnetem Ventil 24, stehen beide Volumina beider Hochdruckspeicherräume 12, 20 hydraulisch miteinander in Verbindung, und durch den geschlossenen Dichtsitz 44 wird ein unerwünschter Systemdruckabbau im zweiten Hochdruckspeicherraum 20 vermieden. Aufgrund des geringen Spiels 34, welches zwischen dem stößelartig ausgebildeten Ventilglied 26 und einer Innenbohrung des Führungskörpers 32 herrscht, ist der Leckageabfluss in den Leckageanschluss 46 minimal.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006003639 A1 [0001]
- DE 29814934 A1 [0002]
- DE 10114219 [0003]
- DE 102009028238 [0004]
