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Die Erfindung betrifft einen Niederdruckkreis für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Bei Common-Rail-Einspritzsystemen wird eine Hochdruckpumpe zur Druckerzeugung eingesetzt. Die Versorgung der Hochdruckpumpe mit Kraftstoff erfolgt mittels einer Vorförderpumpe, die beispielsweise als Zahnradpumpe ausgebildet sein kann. Zwischen der Hochdruckpumpe und der Vorförderpumpe ist zur Sicherstellung einer ausreichenden Kraftstoffqualität in der Regel ein Kraftstofffilter angeordnet. Der Kraftstofffilter befindet sich somit auf der Druckseite der Vorförderpumpe. Aufgrund Partikelbeladung und äußeren Einflüssen, wie beispielsweise Versulzen bei niedrigen Temperaturen, kann jedoch der Druck im Kraftstofffilter stark abfallen. Um einen zu großen Druckabfall zu verhindern, weist das System ein Sicherheitsventil in Form eines Überströmventils auf, welches ein Kurzschließen des Vorförderpumpenrücklaufs mit dem -zulauf ermöglicht.
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Messungen haben jedoch gezeigt, dass bei geöffnetem Überströmventil hohe Druckspitzen im Bereich des Pumpenaustritts und des Kraftstofffilters auftreten, die zu Problemen im System führen können. Beispielsweise kann es aufgrund der Druckspitzen zu Leitungsbrüchen im Niederdruckkreis kommen. Die Druckspitzen liegen darin begründet, dass das hydraulische System im Bereich zwischen der Vorförderpumpe und der Hochdruckpumpe beim Öffnen des Überströmventils zu Schwingungen angeregt wird. Denn über das Öffnen des Überströmventils wird der Förderbereich der Vorförderpumpe mit dem Saugbereich verbunden, so dass ein Druckabbau vor dem Kraftstofffilter erfolgt. Fällt der Druck dabei unter den Öffnungsdruck des Überströmventils, beginnt dieses wieder zu schließen. Steigt daraufhin der Druck vor dem Kraftstofffilter wieder an, wiederholt sich der Vorgang und das Überströmventil beginnt zu schwingen. Dies wiederum führt zur Druckschwingungsanregung des hydraulischen Systems, insbesondere, wenn das Überströmventil mit der Eigenfrequenz des hydraulischen Systems schwingt.
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Aus dem Dokument
DE 198 38 812 C1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einstellen eines Druckes zwischen einer Vorförderpumpe und einer Hochdruckpumpe eines Einspritzsystems bekannt, wobei ein Volumenstromregelventil vorgesehen ist, welches den Volumenstrom zur Haochdruckpumpe vorgibt.
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Aus dem Dokument
DE 10 2008 044 363 A1 ist ein Kraftstoffzuführsystem mit einem stromabwärts einer Förderpumpe installierten Kraftstofffilter bekannt. Das Kraftstoffzuführsystem hat eine Anfüllpumpe, eine Förderpumpe, einen stromabwärts der Förderpumpe angeordneten Kraftstofffilter, einen Rückfuhrpfad und ein Rückfuhrventil.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Niederdruckkreis der eingangs genannten Art anzugeben, welcher die vorstehend genannten Probleme nicht oder zumindest in deutlich reduziertem Maße aufweist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Niederdruckkreis mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Der vorgeschlagene Niederdruckkreis umfasst eine Vorförderpumpe, mittels welcher Kraftstoff aus einem Kraftstofftank über Kraftstoffleitungen einer Hochdruckpumpe zuführbar ist, und einen zwischen Vorförderpumpe und Hochdruckpumpe angeordneten Kraftstofffilter, wobei die Vorförderpumpe einen Zulauf und einen Rücklauf besitzt, welche mittels eines Überströmventils verbindbar sind. Erfindungsgemäß weist das Überströmventil eine progressive Öffnungscharakteristik auf, so dass mit zunehmendem Hub eines axial verschiebbaren Ventilgliedes ein zunehmender Öffnungsquerschnitt freigebbar ist. Eine derart modifizierte Öffnungscharakteristik des Überströmventils bewirkt, dass insbesondere bei kleinen Hüben des Ventilgliedes, das heißt - wie Messungen ergeben haben - im besonders kritischen Bereich, die Druckschwingungsanregung des hydraulischen Systems verringert wird.
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Um eine solche progressive Öffnungscharakteristik zu erzielen, wird weiterhin vorgeschlagen, dass das Überströmventil Auslassbohrungen aufweist, die axial versetzt zueinander angeordnet sind. Mit zunehmendem Hub des axial verschiebbaren Ventilgliedes wird demnach ein größerer Abströmquerschnitt freigegeben. Die axial versetzt zueinander angeordneten Auslassbohrungen können zudem unterschiedliche Öffnungsquerschnitte aufweisen, wobei der Öffnungsquerschnitt vorzugsweise ebenfalls mit fortschreitendem Hub des Ventilgliedes zunimmt.
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Ergänzend kann vorgesehen sein, dass die Kraftstoffleitungen aufgrund der Werkstoffwahl und/oder der Querschnittsform eine erhöhte Steifigkeit besitzen. Da hierdurch die Eigenfrequenz des hydraulischen Systems verändert wird, kann auf diese Weise Einfluss auf das Schwingungsverhalten des hydraulischen Systems genommen werden.
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Alternativ oder ergänzend kann der Niederdruckkreis eine oder mehrere Drosselstellen aufweisen. Diese Maßnahme hilft, Druckwellen zu dämpfen, so dass es gar nicht erst zur Schwingungsanregung des hydraulischen Systems kommt.
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Vorteilhaft wirkt sich ferner die Anordnung eines Masse-Feder-Systems im Niederdruckkreis aus. Beispielsweise kann im Niederdruckkreis ein Helmholtz-Resonator zur Absorption von Schwingungen eingesetzt werden.
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Nicht nur die Veränderung der Steifigkeit der Kraftstoffleitungen trägt zur Verstimmung des hydraulischen Systems bei. Weiterhin kann sich eine Veränderung der Leitungslänge und/oder des Totvolumens positiv auswirken.
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Weitere Maßnahmen zur Reduzierung der Druckschwingungsanregung können die Auslegung des Überströmventils betreffen und eine Veränderung der Masse und/oder der Federsteifigkeit des Überströmventils umfassen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einem erfindungsgemäßen Niederdruckkreis,
- 2 einen Längsschnitt durch ein Überströmventil eines erfindungsgemäßen Niederdruckkreises,
- 3 ein Diagramm zur Darstellung des Überströmquerschnittverlaufs in Abhängigkeit vom Hub des Überströmventils,
- 4 ein Diagramm zur Darstellungen der Reduktion der Druckspitzen bei Verwendung von Kraftstoffleitungen mit erhöhter Steifigkeit und
- 5 ein Diagramm zur Darstellungen der Reduktion der Druckspitzen bei Einsatz eines Überströmventils mit progressiver Öffnungscharakteristik entsprechend 2.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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In der 1 ist ein erfindungsgemäßer Niederdruckkreis als Bestandteil eines Kraftstoffeinspritzsystems dargestellt. Der Niederdruckkreis umfasst eine Vorförderpumpe 1, welche Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 2 über Kraftstoffleitungen 4 einer Hochdruckpumpe 3 zuführt. In der Hochdruckpumpe 3 wird der Kraftstoff auf Hochdruck gefördert und einem Hochdruckspeicher 14 zugeführt. Der Hochdruckspeicher 14 weist mehrere Anschlüsse 15 für Kraftstoffinjektoren (nicht dargestellt) auf, mittels welcher der Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) einspritzbar ist. Zur Mengenregelung ist der Hochdruckpumpe 3 eine Zumesseinheit 13 vorgeschaltet.
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Zwischen der Vorförderpumpe 1 und der Hochdruckpumpe 3 ist ein Kraftstofffilter 5 angeordnet, dessen Aufgabe es ist, im Kraftstoff enthaltene Partikel zum Schutz der Hochdruckpumpe 3 heraus zu filtern. Im Betrieb des Einspritzsystems kann es insbesondere aufgrund der Partikelbeladung des Kraftstofffilters 5 vor dem Filter zu einem Druckanstieg kommen. Um einen zu großen Druckanstieg zu verhindern, ist ein Rücklauf 7 vorgesehen, welcher mittels eines Überströmventils 8 mit einem Zulauf 6 der Vorförderpumpe 1 verbindbar ist. Mit Öffnen des Überströmventils 8 fällt der Druck vor dem Kraftstofffilter 5 ab. Das Überströmventil 8 schließt, sobald dessen Öffnungsdruck wieder unterschritten wird. Erfolgt das Öffnen und Schließen des Überströmventils 8 zeitlich dicht hintereinander, wird das hydraulische System des Niederdruckkreises aufgrund der Druckänderungen zu Schwingungen angeregt, welche den Bruch der Kraftstoffleitungen 4 zur Folge haben können. Dem wird vorliegend jedoch dadurch entgegen gewirkt, dass das Überströmventil 8 eine progressive Öffnungscharakteristik aufweist.
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Ein Überströmventil 8 mit einer progressiven Öffnungscharakteristik ist der 2 zu entnehmen. Progressive Öffnungscharakteristik soll bedeuten, dass mit zunehmendem Hub eines axial verschiebbaren Ventilgliedes 9 ein zunehmender Öffnungsquerschnitt freigegeben wird. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Überströmventil 8 hierzu mehrere Auslassbohrungen 10, 11 auf, die axial versetzt zueinander angeordnet sind, so dass in Abhängigkeit vom Hub des Ventilgliedes 9 eine, zwei oder mehr als zwei Auslassbohrungen 10, 11 als Abströmquerschnitt freigegeben werden. Darüber hinaus sind die Auslassbohrungen 10, 11 derart ausgebildet, dass mit zunehmendem Hub des Ventilgliedes 9 der Öffnungsquerschnitt der jeweiligen Auslassbohrung 10, 11 selbst größer wird. Der Öffnungsdruck des Überströmventils 8 wird über die Federsteifigkeit einer das Ventilglied 9 beaufschlagenden Feder 12 eingestellt.
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Das Diagramm der 3 zeigt technisch mögliche Querschnittsverläufe des Überströmventils in Abhängigkeit vom Hub des Überströmventils. Üblicherweise ergibt sich bei einem herkömmlichen Überströmventil ein annähernd linearer Verlauf des Überströmquerschnitts. Ein degressiver Verlauf wie in 3(A) führt schon bei kleinen Hüben zu großen Überströmquerschnitten und demzufolge zu einem instabilen Betriebsverhalten. Ein progressiver Verlauf wie in 3(B) ermöglicht durch die Freigabe eines relativ kleinen Querschnitts auch bei größeren Hüben ein stabileres Betriebsverhalten.
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Der Einfluss von Öffnungscharakteristik des Überströmventils 8 und Steifigkeit der Kraftstoffleitungen 4 auf die Druckschwingungsanregung des hydraulischen Systems ist ferner den Diagrammen der 4 und 5 zu entnehmen.
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Das Diagramm der 4 zeigt im oberen Teil die Reduktion von Druckschwingungen durch Verwendung steiferer Leitungen, das heißt Leitungen mit einem erhöhten Elastizitätsmodul. Die äußere, weit ausschlagende Kurve gehört einer Kraftstoffleitung 4 mit einem E-Modul von etwa 5000bar, während die am weitesten innen liegende Kurve mit deutlich geringeren Ausschlägen zu einer Kraftstoffleitung 4 mit einem E-Modul von etwa 50000bar gehört.
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Das Diagramm der 5 illustriert im oberen Teil, dass eine Reduktion der Druckspitzen dadurch erreicht werden kann, dass bei geringem Hub nur ein geringer Öffnungsquerschnitt freigegeben wird und bei großem Hub der Öffnungsquerschnitt progressiv zunimmt. Durch eine derartige Öffnungscharakteristik des Überströmventils 8 kann selbst bei ungünstiger Steifigkeit der Kraftstoffleitungen 4 eine Reduktion der Druckspitzen auf unter 20bar erzielt werden.
