DE102011117533A1

DE102011117533A1 - Druckspeicher sowie Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit einem solchen

Info

Publication number: DE102011117533A1
Application number: DE102011117533A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Schneider; Holmer Slocinski; Markus Kalenborn
Original assignee: LOrange GmbH
Current assignee: Woodward LOrange GmbH
Priority date: 2011-11-03
Filing date: 2011-11-03
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2031-11-04
Also published as: DE102011117533B4

Abstract

Druckspeicher (5) mit einem elastischen, mit wenigstens einem Medium (11) befüllten Membranelement (10), wobei der Druckspeicher (5) eine Heizvorrichtung (12) aufweist, mittels derer das wenigstens eine Medium (11) selektiv erwärmbar ist. Vorgeschlagen wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung (1) mit einem derartigen Druckspeicher (5).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckspeicher gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 12.
Im gattungsgemäßen Stand der Technik sind Kraftstoffeinspritzeinrichtungen bekannt, insbesondere Common-Rail-Systeme, welche zur Pulsationsdämpfung im Rahmen von Einspritzvorgängen Druckspeicher mit einer elastischen Membran verwenden, insbesondere eine flüssigkeitsgefüllte Membran. Eine derartige Kraftstoffeinspritzeinrichtung zeigt zum Beispiel die Druckschrift DE 196 35 450 C1 .
Nachteilig ist hierbei, dass der verwendete Druckspeicher keine Einstellung seiner Federhärte bzw. Dämpfungscharakteristik zur Anpassung an verschiedene Einsatzumgebungen, insbesondere in einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung, ermöglicht. Auch die in der Druckschrift DE 103 27 181 A1 vorgeschlagene Lösung kann dies nicht leisten.
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Druckspeicher sowie eine damit gebildete Kraftstoffeinspritzeinrichtung vorzuschlagen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwinden, wobei der Druckspeicher an variierende Einsatzerfordernisse auf einfache Weise adaptierbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzeinrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß ein Druckspeicher (bzw. Hydrospeicher), welcher ein elastisches, mit wenigstens einem Medium befülltes Membranelement aufweist. Das wenigstens eine Medium ist hierbei im Inneren des Membranelements, d. h. dessen Volumen befüllend, angeordnet. Das Membranelement, welches im Inneren des Druckspeichers angeordnet ist, d. h. in einem Volumen desselben, ist auf bekannte Weise unter Druckbeaufschlagung des Druckspeichervolumens kompressibel und bei Druckabnahme innerhalb desselben dekompressibel. Derart kann das Membranelement bzw. der Druckspeicher im Zuge eines Druckausgleichs pulsationsdämpfend wirken. Der Druckspeicher kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Einzeldruckspeicher sein, z. B. in einen Injektor integriert sein, oder ein Druckspeicher für eine Vielzahl von Kraftstoffabgabevorrichtungen sein, z. B. ein Verteiler in einem Common-Rail-System.
Um den Druckspeicher an variierende Einsatzerfordernisse, insbesondere bei Verwendung in einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung, adaptieren zu können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Druckspeicher eine Heizvorrichtung zur selektiven Erwärmung des wenigstens einen Mediums bzw. Befüllmediums aufweist, welche insbesondere mittels wenigstens eines Heizelements gebildet ist. Das wenigstens eine Medium ist hierbei insbesondere ein Medium, dessen Steifigkeit bzw. Dichte temperaturabhängig variiert, insbesondere einstellbar, d. h. welches ein reproduzierbares Temperaturverhalten zeigt.
Durch das Erwärmen bzw. Abkühlen eines derartigen Mediums mittels einer selektiven Aktivierung der Heizvorrichtung können unterschiedliche Federeigenschaften bzw. Dämpfungseigenschaften des Membranelements und somit des Druckspeichers auf vorteilhaft einfache Weise eingestellt werden.
Der Druckspeicher weist bevorzugt ein elastisches Membranelement in Form eines elastischen Hohlkörpers auf, wie z. B. einen Schlauch, eine Blase, ein Balgelement, insbesondere einen Metall- oder Kunststofffaltenbalg, welcher robust ausbildbar ist oder ein davon verschiedenes Membranelement.
Vorgeschlagen wird hierbei, dass sich die Heizvorrichtung in das Innere des Membranelements erstreckt, insbesondere ein Heizelement der Heizvorrichtung, d. h. derart, dass es von dem wenigstens einen Medium umgeben werden kann und/oder das wenigstens eine Medium umgeben kann. Hierdurch kann das im Inneren des Membranelements aufgenommene, wenigstens eine Medium unmittelbar bzw. direkt erwärmt werden, bevorzugt durch Einbringen bzw. Eintauchen wenigstens eines Heizelements in das Medium. Hierdurch kann auch der Energiebedarf für eine Erwärmung gering gehalten werden. Bei einer derartigen Anordnung kann das Membranelement eine Einführöffnung für die Heizvorrichtung aufweisen, welche geeignet abdichtbar bzw. abgedichtet ist, insbesondere druckfest und mediendicht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Heizelement der Heizvorrichtung eine Glühkerze, eine Heizwendel oder ein Heizstab. Derartige Heizelemente bauen klein, sind zügig erwärmbar und ermöglichen eine einfache Abdichtung am Membranelement. Daneben sind weitere Heizelemente denkbar, z. B. in Form eines oder mehrerer Flächenheizelemente, z. B. eine Heizmatte oder eine Heizbeschichtung, welche z. B. auf die Innenseite des Membranelements aufgebracht ist.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Druckspeicher dazu ausgebildet ist, mittels der Heizvorrichtung das wenigstens eine Befüllmedium des Membranelements unmittelbar und/oder mittelbar zu erwärmen. Neben einem sich in das Innere des Membranelements erstreckenden Heizelement oder alternativ dazu kann z. B. vorgesehen sein, dass die Heizvorrichtung das Membranelement von außen erwärmt. Hierzu kann die Heizvorrichtung die elastische Membran zumindest teilweise umfangend gebildet sein, insbesondere ein Heizelement derselben, z. B. eine Heizwendel. Vorgesehen kann auch sein, dass das Membranelement die Heizvorrichtung bildet.
Besonders bevorzugt wird vorgesehen, dass das wenigstens eine Befüllmedium zu einem temperaturabhängigen Phasenübergang in der Lage ist, insbesondere zu einem Phasenübergang zwischen einer festen und einer flüssigen Phase und/oder zu einem Phasenübergang zwischen einer flüssigen und einer gasförmigen Phase. Durch Hin- und Herschalten zwischen den Phasen als auch in einer Mischphase kann eine Variabilität der Steifigkeit des wenigstens einen Mediums im Zuge einer selektiven Erwärmung erzielt werden.
Insbesondere für den Start einer Brennkraftmaschine kann der Phasenübergang des Mediums vorteilhaft ausgenutzt werden, wobei das Medium während des Starts der Brennkraftmaschine z. B. unbeheizt ist. Es befindet sich in seiner z. B. festen Phase. Dadurch ist das Medium sehr steif, das heißt, der Startdruck des Injektors wird sehr schnell erreicht. Erst wenn die Brennkraftmaschine angesprungen ist, wird das Medium beheizt, so dass das Medium im Membranelement von seiner z. B. festen Phase in seine flüssige Phase übergeht. Dadurch wird die Steifigkeit des Mediums geändert, die Elastizität des Membranelements für den Betrieb der Brennkraftmaschine erhöht, der Druckabfall bei der Entnahme der Einspritzmenge verringert.
Geeignete Medien zur Befüllung des Membranelements, insbesondere für einen Einsatz des Druckspeichers in einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung, sind insbesondere Glykol, Silikonöl, Paraffin, Hartwachs oder eine Wachs-Glykol-Emulsion. Insbesondere bei Wachsen ist die Nutzung des Phasenübergangs von fest nach flüssig und umgekehrt vorgesehen.
Vorgeschlagen wird auch, dass wenigstens ein weiteres Befüllmedium in Form eines Feststoffs, einer Flüssigkeit oder eines Gases innerhalb der elastischen Membran angeordnet ist. Möglich sind hierbei zur Befüllung der Membran z. B. ein schwersiedendes neben einem leicht siedenden Medium, wobei z. B. der Übergang von der Gas- zur Flüssigphase und umgekehrt durch selektive Erwärmung genutzt werden kann. Denkbar sind als weitere Befüllmedien insbesondere Gasblasen, insbesondere Luft oder Stickstoff oder Argon/Helium, Metallschaumkugeln, insbesondere mit Gasporen, oder leicht siedende Flüssigkeit, insbesondere als Emulsion.
Vorgesehen ist bevorzugt, zur Befüllung des Membranelements ein Medium mit einem möglichst geringen Kompressionsmodul zu verwenden, damit möglichst viel Energie gespeichert werden kann. In einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung kann somit der Druckabfall bei Entnahme der Einspritzmenge gering gehalten werden. Ein weiteres Medium kann z. B. eine geringe Steifigkeit aufweisen, so dass eine Anordnung korrespondierend mit einer Reihenschaltung zweier Federn unterschiedlicher Federhärte erzielbar ist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung für eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen, wobei die Kraftstoffeinspritzeinrichtung eine Kraftstoffabgabevorrichtung aufweist sowie einen stromaufwärts der Kraftstoffabgabevorrichtung angeordneten, wie vorstehend beschrieben Druckspeicher, welcher von mittels der Kraftstoffabgabevorrichtung abzugebendem Kraftstoff durchströmbar ist (i. e. dessen Volumen, innerhalb dessen das Membranelement angeordnet ist).
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 exemplarisch und schematisch eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit einem Druckspeicher gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung;
2 exemplarisch und schematisch eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit einem Druckspeicher gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung;
3 eine Schnittansicht eines Druckspeichers gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform.
In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen entsprechen gleichen Bezugszeichen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
Die 1 zeigt exemplarisch und schematisch eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1 für eine Brennkraftmaschine, wobei die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1 eine Kraftstoffabgabevorrichtung 2 in Form einer Einspritzdüse aufweist, welche Bestandteil eines Injektors 3 der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1 ist.
Stromaufwärts der Kraftstoffabgabevorrichtung 2 ist in einem Kraftstoffströmungweg 4 zur Kraftstoffabgabevorrichtung 2 ein Hydrospeicher bzw. Druckspeicher 5 angeordnet, welcher von dem der Kraftstoffabgabevorrichtung 2 zuzuführenden Kraftstoff durchströmbar ist, i. e. über einen Kraftstoffeinlass 6 sowie einen Kraftstoffauslass 7 des Druckspeichers 5. Der den Druckspeicher 5 durchströmende Kraftstoff, welcher über den Kraftstoffeinlass 6 zugefördert wird, ist mittels einer Hochdruckpumpe 8 der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1 hochdruckbeaufschlagt. Als Kraftstoff sind z. B. Diesel oder Schweröl vorgesehen.
In dem Volumen des Druckspeichers 5, welches innerhalb eines Gehäuses 9 des Druckspeichers 5 gebildet ist, ist ein elastisches, insbesondere kompressibles, mit einem Medium 11 gefülltes Membranelement 10 angeordnet. Das Membranelement 10 ist im Inneren des Druckspeichers 5 ortsfest angeordnet, insbesondere an dem Gehäuse 9.
Wie 1 zu entnehmen ist, weist der Druckspeicher, welcher hierbei als Einzeldruckspeicher gebildet ist, eine Heizvorrichtung 12 auf, welche dazu vorgesehen ist, das Befüllmedium 11 des Membranelements 10 selektiv zu erwärmen, via Einschalten bzw. Ausschalten der Heizvorrichtung 12. Ein Heizelement 13 der Heizvorrichtung 12 erstreckt sich hierbei in das Membranelement 10 hinein, i. e. in das Befüllmedium 11 desselben. Die dauerhafte Anordnung der Heizvorrichtung 12 am Druckspeicher 5 ist – bei gleichzeitiger mediendichter Abdichtung – über eine Gewindebohrung 14 im Gehäuse 9 sowie ein korrespondierendes Schraubgewinde der Anschlussfassung 15 des Heizelements 13 ermöglicht, wobei die Heizvorrichtung 12 über eine elektrische Anschlussleitung 16 mit Energie versorgbar ist.
Über die selektive Erwärmung des insbesondere geeignet gewählten Befüllmediums 11 des Membranelements 10 kann dessen Dichte bzw. Steifigkeit an die Einsatzerfordernisse bei Betrieb der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1 adaptiert werden, i. e. die Dämpfungseigenschaften des Druckspeichers 5 vorteilhaft verändert werden. Dies kann z. B. im Zuge variierender Kraftstoffzusammensetzungen vorgesehen sein. Das Befüllmedium ist z. B. eine Wachs-Glykol-Emulsion.
Insbesondere vor einem Start der Brennkraftmaschine kann mittels der Beheizung in dem Membranelement 10 durch Erwärmung des wenigstens einen Mediums 11 ein Vordruck erzeugt werden, so dass ein schnellerer Startdruckaufbau ermöglicht wird, die Brennkraftmaschine folglich früher anspringt. Ein Vordruck bestimmt den Aktivierungsdruck des Membranelements 10, ab dem sich das Membranelement 10 komprimieren lässt. Ein hoher Vordruck ermöglicht, den Startdruck des Injektors 3 schneller zu erreichen, reduziert aber zugleich die Elastizität des Membranelements 10.
2 zeigt eine Ausführungsform einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1 mit einem Druckspeicher 5, welcher mittels eines Membranelements 10 in Form eines Schlauches gebildet ist, wobei das Heizelement 13 durch eine Heizbeschichtung gebildet ist, welche an der Innenseite des Membranelements 10 das Medium 11 umgebend gebildet ist. Die Heizbeschichtung, welche hierbei Kohlenstoffnanotubes aufweist, kann mit Niederspannung betrieben werden, d. h. das Medium 11 erwärmen, wobei deren Versorgungsanschluss 15 wiederum über eine Bohrung 14 in das Gehäuse 9, i. e. zum Heizelement 13, geführt ist. Bei dieser Anordnung wird das Befüllmedium 11, welches im Inneren des Schlauches 10 dauerhaft aufgenommen ist, ebenfalls unmittelbar beheizt bzw. erwärmt.
Im Unterschied zu 1 ist der Druckspeicher 5 hierbei mit einer Mehrzahl von Kraftstoffabgabevorrichtungen 2 bzw. Injektoren 3 der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1 über jeweils Kraftstoffauslässe 7 verbunden (Common Rail), wobei zudem eine Befüllung oder Nachbefüllung des Membranelements 10 über einen am Gehäuse 9 festgelegten Zulauf bzw. Einfüllstutzen 17 ermöglicht ist.
3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Druckspeichers 5, mittels welchem eine erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1 bildbar ist, und bei welchem das Membranelement 10 als Balgmembran, insbesondere als Faltenbalgmembran bzw. Metallbalgmembran gebildet ist, d. h. äußerst robust. Die Faltenbalgmembran 10 ist in ihrer Kompressionsrichtung A elastisch kompressibel. Mit der Faltenbalgmembran 10 verbunden oder davon getrennt kann optional ein Kolbenelement 18 im Druckspeicher 5 aufgenommen sein, insbesondere um über darin ausgeführte Drosselbohrungen (nicht gezeigt) eine zusätzliche Dämpfung zu erzielen. Die Faltenbalgmembran 10 ist mit einem Ende 10a an einem verschraubbaren Verschlussstopfen 19 des Druckspeichers 5 am Gehäuse 9 festgelegt, wobei durch dieses Ende 10a sowie den Verschlussstopfen 19 hindurch auch die Durchtrittsöffnung 14 für die Heizvorrichtung 12 gebildet ist.
In der Durchtrittsöffnung 14 des Verschlussstopfens 19 ist die Heizvorrichtung 12 verschraubt, so dass ein einteiliges Bauelement bestehend aus Faltenbalgmembran 10, Verschlussstopfen 19, (ggf. auch Kolben 18) und der Heizvorrichtung 12 zur vorteilhaft gemeinsamen Montage gebildet werden kann, wobei der Innenraum des Membranelements 10 gegenüber der Außenumgebung des Membranelements 10 abgedichtet ist, so dass kein Befüllmedium 11 entweichen kann, z. B. über die Durchtrittsöffnung 14. Das Heizelement 13 der Heizvorrichtung 12 ist hierbei als Glühkerze gebildet, welche sich in das Innere des Membranelements 10 bzw. das Medium 11 erstreckt.
Bei der gezeigten Ausführungsform sind hierbei zwei unterschiedliche Befüllmedien 11 in dem Membranelement 10 aufgenommen, welche via das Heizelement 12 selektiv erwärmt werden können. Neben einer Grundfüllung mit einem flüssigen Medium 11 in Form von Glykol, welches einen sehr niedrigen Kompressionsmodul aufweist, sind als zweites Medium 11 zusätzliche Komponenten eingebracht, welche die Federkennlinie des Membranelements 10 mitbestimmen bzw. beeinflussen, insbesondere Metallschaumkugeln 20 mit Gasporen (alternativ kann das Membranelement 10 mit alternativen, insbesondere eingangs erwähnten Medien 11 befüllt sein, z. B. mit mehr als zwei Medien 11 oder nur einem Medium 11). Bei einer selektiven Erwärmung mittels der Heizvorrichtung 12, z. B. gesteuert von einer übergeordneten Steuerung, kann die Steifigkeit bzw. Dichte der im Membranelement 10 eingeschlossenen Medien 11 in beabsichtigter Weise eingestellt werden.
Bezugszeichenliste

1: Kraftstoffeinspritzeinrichtung
2: Kraftstoffabgabevorrichtung
3: Injektor
4: Kraftstoffströmungsweg
5: Druckspeicher
6: Kraftstoffeinlass
7: Kraftstoffauslass
8: Hochdruckpumpe
9: Gehäuse
10: Membranelement
10a: Ende 10
11: Befüllmedium
12: Heizvorrichtung
13: Heizelement
14: Druchtrittsöffnung
15: Anschluss bzw. Fassung
16: Zuleitung
17: Einfüllvorrichtung
18: Kolbenelement
19: Verschluss
20: zweites Medium

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19635450 C1 [0002]
DE 10327181 A1 [0003]

Claims

Druckspeicher (5) mit einem elastischen, mit wenigstens einem Medium (11) befüllten Membranelement (10), dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicher (5) eine Heizvorrichtung (12) aufweist, mittels derer das wenigstens eine Medium (11) selektiv erwärmbar ist.
Druckspeicher (5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Medium (11) ein Medium ist, dessen Steifigkeit bzw. Dichte temperaturabhängig variiert, insbesondere einstellbar.
Druckspeicher (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Heizvorrichtung (12) in das Innere des Membranelements (10) erstreckt, insbesondere ein Heizelement (13) derselben.
Druckspeicher (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Heizelement (13) der Heizvorrichtung (12) eine Glühkerze, eine Heizwendel, ein Heizstab und/oder eine Heizbeschichtung ist.
Druckspeicher (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicher (5) dazu ausgebildet ist, mittels der Heizvorrichtung (12) das wenigstens eine Befüllmedium (11) des Membranelements (10) unmittelbar und/oder mittelbar selektiv zu erwärmen.
Druckspeicher (5) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (12) das elastische Membranelement (10) zumindest teilweise umfangend gebildet ist und/oder durch das Membranelement (10) gebildet ist.
Druckspeicher (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Befüllmedium (11) zu einem temperaturabhängigen Phasenübergang in der Lage ist, insbesondere zu einem Phasenübergang zwischen einer festen und einer flüssigen Phase und/oder zu einem Phasenübergang zwischen einer flüssigen und einer gasförmigen Phase.
Druckspeicher (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicher (5) als Membranelement (10) eine Balgmembran aufweist, insbesondere eine Faltenbalgmembran.
Druckspeicher (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Befüllmedium (11) eines aus Glykol, Silikonöl, Paraffin, Hartwachs oder eine Wachs-Glykol-Emulsion ist.
Druckspeicher (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein weiteres bzw. zweites Befüllmedium (11) innerhalb des elastischen Membranelements (10) aufgenommen ist.
Druckspeicher (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein weiteres Befüllmedium (11) eines aus Gasblasen, insbesondere Luft oder Stickstoff oder Argon/Helium, Metallschaumkugeln (17), insbesondere mit Gasporen, oder leicht siedende Flüssigkeit ist, insbesondere eine Emulsion.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung (1) für eine Brennkraftmaschine, wobei die Kraftstoffeinspritzeinrichtung (1) eine Kraftstoffabgabevorrichtung (2) aufweist sowie einen stromaufwärts der Kraftstoffabgabevorrichtung (2) angeordneten Druckspeicher (5), gekennzeichnet durch einen Druckspeicher (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druckspeicher (5) von mittels der Kraftstoffabgabevorrichtung (2) abzugebendem Kraftstoff durchströmbar ist.