DE10226004A1 - Fuel injection system with a solid-state damping element - Google Patents
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Abstract
Bei einem Kraftstoffeinspritzsystem (1) ist ein im Hochdruckbereich zur Druckkompensation des Kraftstoffs angeordnetes Dämpfungselement (6, 7, 8) massiv und aus einem Festkörpermaterial gebildet, dessen Elastiziktätskonstante und Schallgeschwindigkeit höher als die des Kraftstoffs sind. Durch die größere Elastizität bewirkt eine Druckänderung im Dämpfungselement eine größere Volumenänderung als im Kraftstoff. Die Druckkompensation erfolgt nicht mehr ausschließlich durch den Kraftstoff, sondern durch eine Kopplung an das Dämpfungselement.In a fuel injection system (1), a damping element (6, 7, 8) arranged in the high pressure area for pressure compensation of the fuel is solid and formed from a solid material, the elasticity constant and speed of sound of which are higher than that of the fuel. Due to the greater elasticity, a pressure change in the damping element causes a greater volume change than in the fuel. The pressure compensation is no longer done exclusively by the fuel, but by a coupling to the damping element.
Description
Die Erfindung geht aus von einem Kraftstoffeinspritzsystem nach der Gattung des Patentanspruchs 1.The invention is based on one Fuel injection system according to the preamble of patent claim 1.
Der Hochdruckbereich eines Common Rail Systems erstreckt sich von der Pumpe (durch das Rail und die Zuleitungen) bis zum Ventilsitz im Injektor. Der Dieselkraftstoff wird in diesem Bereich einem Druck von bis zu und über 1350 bar ausgesetzt. Beim Injektionsvorgang, also Öffnen und Schließen des Ventils, entstehen Druckeinbrüche und -überhöhungen, die sich als Druckwellen im Hochdrucksystem ausbreiten. Durch Reflexionen und Überlagerungen treten deutliche Abweichungen vom mittleren Raildruck auf. Bei 1350 bar Raildruck sind Druckabsenkungen von bis zu 180 bar und Drucküberhöhungen von bis zu 250 bar in verschiedenen, derzeit in Serie eingesetzten Systemen gemessen worden. Das Hochdrucksystem (z.B. Railvolumen, Verhältnis von Raildurchmesser zu Zuleitungsdurchmesser) und die Komponenten (z.B. die Materialstärken der Bauteile für die Dauerfestigkeit) werden derzeit so ausgelegt, dass die Druckwellen das System nicht schädigen bzw. die Funktionalität durch die Druckwellen nicht beeinträchtigt wird.The high pressure area of a common Rail Systems extends from the pump (through the rail and the Supply lines) to the valve seat in the injector. The diesel fuel pressure in this area is up to and above 1350 exposed to bar. During the injection process, i.e. opening and closing the valve, pressure drops occur and exaggerations, which spread as pressure waves in the high pressure system. Through reflections and overlays occur significant deviations from the mean rail pressure. At 1350 bar Rail pressure are pressure drops of up to 180 bar and pressure increases of up to 250 bar in various systems currently in series production been measured. The high pressure system (e.g. rail volume, ratio of rail diameter to supply diameter) and the components (e.g. the material thicknesses of the Components for fatigue strength) are currently designed so that the pressure waves do not damage the system or the functionality is not affected by the pressure waves.
Das Rail reflektiert und dämpft die Druckwellen, die vom Injektor durch den Injektionsvorgang ausgelöst werden. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Druckwellen nur mit stark reduzierter Amplitude zur Hochdruckpumpe und den anderen Injektoren gelangen. Weiterhin begrenzt das Rail den Druckabfall nach dem Ausgleich aller Druckschwingungen. Durch den Injektionsvorgang wird dem Hochdrucksystem Kraftstoff entnommen, wodurch der Druck im System abnimmt. Durch das große Kraftstoffvolumen im Rail ist die relative Mengenänderung klein, so dass auch die relative Druckänderung klein ist. Die Druckamplituden nehmen mit steigendem Raildruck wegen der abnehmenden Kompressibilität des Kraftstoffs zu, so dass in zukünftigen Systemen mit höheren Raildrücken mit zunehmenden Schwierigkeiten durch die Druckschwingungen zu rechnen ist.The rail reflects and dampens the Pressure waves triggered by the injector during the injection process. This ensures that the pressure waves are only strong reduced amplitude to the high pressure pump and the other injectors reach. The rail also limits the pressure drop after compensation all pressure vibrations. Through the injection process, the high pressure system Fuel removed, causing the pressure in the system to decrease. By the large volume of fuel in the rail is the relative change in quantity small, so that the relative pressure change is also small. The pressure amplitudes decrease with increasing rail pressure due to the decreasing compressibility of the fuel too, so in future systems with higher Rail Press with increasing difficulties due to the pressure vibrations is.
Bei einem bekannten Kraftstoffeinspritzsystem
der eingangs genannten Art (
Bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystem ist ein zusätzlicher Festkörper mit einer größeren Elastizitätskonstanten als die des Kraftstoffs im Rail oder den Zuleitungen oder in den Hochdruckbereich des Injektors eingeführt. Durch die größere Elastizität des Festkörpers wird der Druckeinbruch erheblich reduziert, und die Funktionsweisen der Ausbreitung und der Kompensation werden verändert. Gerade durch den geänderten Kompensationsmechanismus bewirkt bereits ein kleiner Festkörper völlig andere Eigenschaften des Gesamtsystems und ist wesentlich effizienter als das große Kraftstoffvolumen im Rail. Mit dem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystem ergeben sich insbesondere die folgenden Vorteile:
- – das Rail wird erheblich kleiner, leichter und billiger;
- – der Druck an der Spitze der Injektordüse, welcher für die momentan injizierte Kraftstoffmenge entscheidend ist, kann auf einem durchgehend höheren Niveau gehalten werden, d.h., der Druckeinbruch an der Injektordüse wird verringert;
- – der Einspritzverlauf wird zeitlich stabiler, da der Kraftstoffdruck an der Injektordüse, welcher für die momentan injizierte Kraftstoffmenge entscheidend ist, geringere Schwankungen aufweist;
- – die Komponenten können bei höheren Raildrücken betrieben werden, da bisher die Auslegung für die kritischen Spitzendrücke erfolgen musste, um die Laufzeit zu garantieren;
- – die Beeinflussung der Haupteinspritzung durch die bei der Voreinspritzung entstandenen Druckwellen wird reduziert bzw. vermindert.
- - The rail is significantly smaller, lighter and cheaper;
- The pressure at the tip of the injector nozzle, which is decisive for the currently injected fuel quantity, can be kept at a consistently higher level, ie the pressure drop at the injector nozzle is reduced;
- - The course of the injection becomes more stable over time because the fuel pressure at the injector nozzle, which is decisive for the amount of fuel currently injected, has fewer fluctuations;
- - The components can be operated at higher rail pressures, as previously the critical peak pressures had to be designed to guarantee the running time;
- - The influence of the main injection by the pressure waves generated during the pre-injection is reduced or reduced.
Das Festkörpermaterial des Dämpfungselements sollte weiterhin auch die nachfolgenden speziellen Eigenschaften aufweisen:
- – ein Kompressionsmodul (Elastizitätskonstante), das in einem spezifizierten Größenbereich über große Druck- und Temperaturbereiche liegt;
- – eine schnelle Reaktionszeit (dynamisches Kompressionsmodul);
- – eine Schallgeschwindigkeit höher als die des Kraftstoffs;
- – diese Eigenschaften soll das Material über die Lebensdauer des Injektors beibehalten.
- - A compression module (elastic constant), which is in a specified size range over large pressure and temperature ranges;
- - a fast response time (dynamic compression module);
- - a speed of sound higher than that of the fuel;
- - These properties should keep the material over the life of the injector.
Insbesondere geeignet ist Aluminium, dessen Kompressionsmodul bei 99.9%-Reinheit mehr als zehnmal über dem von Dieselkraftstoff liegt. Das Kompressionsmodul kann durch Legierungen (z.B. bis zu 1,5% Mangan oder Magnesium) auf das Doppelte von Dieselkraftstoff reduziert werden. Die Schallgeschwindigkeit von Aluminium beträgt mit über 5000 m/s mehr als das Dreifache von Dieselkraftstoff unter gleichen Bedingungen, was auch auf eine schnelle Dynamik hindeutet. Es besteht dadurch die Möglichkeit, die Materialeigenschaften gezielt einzustellen bzw. vorzugeben. Spezielle Oberflächengeometrien des Dämpfungselements bieten weiteres Optimierungspotential, z.B. ein Vollzylinder, mehrere Stäbchen, Plättchen oder Kugeln, welche symmetrisch bezüglich der Belastung bzw. Beanspruchung sind.Aluminum is particularly suitable, its compression modulus at 99.9% purity is more than ten times that of diesel fuel. The compression module can be reduced to twice that of diesel fuel by alloys (e.g. up to 1.5% manganese or magnesium). At 5000 m / s, the speed of sound of aluminum is more than three times that of diesel fuel under the same conditions, which also indicates rapid dynamics. This makes it possible to selectively set or specify the material properties. Special surface geometries of the damping element offer further optimization potential, e.g. a full cylinder, several rods, platelets or balls, which are symmetrical with regard to the load.
Das Einfügen des Festkörpers verändert die Ausbreitung der Druckschwingungen bzw. die Verteilung der Druckdifferenz über das Gesamtsystem. Hierfür sind drei verschiedene Faktoren verantwortlich:Inserting the solid changes the spread the pressure fluctuations or the distribution of the pressure difference over the Overall system. Therefor three different factors are responsible:
- – Die Schallgeschwindigkeit in Festkörpern ist erheblich größer als die in Flüssigkeiten (für Aluminium und Eisen ca. um den Faktor 3). Hierdurch wird eine Druckänderung mit zwei verschiedenen Geschwindigkeiten im System verteilt, was zu einer schnelleren Angleichung führt. Wenn ein langer Stab (z.B. in der Zuleitung zum Injektor oder im Rail) an seinem einen Ende einen Druckabfall erfährt, dann entspannt er sich an diesem Ort des Stabes in die Richtung des geringeren Drucks. Dadurch werden die benachbarten Bereiche in diese Richtung des Stabes entspannt, d.h., der Stab verformt sich in diese Richtung und zieht sich in den beiden anderen Raumrichtungen etwas zusammen, da dort noch der ursprüngliche Druck des Kraftstoffs wirkt (der Druckabfall des Kraftstoffunterdrucks hat diesen Ort noch nicht erreicht). Der Kraftstoff, der den Stab dort umgibt, hat etwas mehr Volumen, entspannt sich und senkt den Druck ab. Die „fehlende" Kraftstoffmenge wird daher schneller über weitere Volumenbereiche verteilt. Die Unterdruckwelle im Kraftstoff wird in ihrer Amplitude verringert, da der vorausgehende Bereich bereits einen kleinen Druck hat. Dieser Mechanismus wirkt auf alle Druckwellen, also auch für reflektierte Überdruck- oder Unterdruckwellen. Die bisherige Ausbreitung der "fehlenden" Kraftstoffmenge mit einer Geschwindigkeit und der daraus folgenden schlechten Verteilung wird erheblich verbessert.- The Velocity of sound in solids is significantly larger than those in liquids (for aluminum and iron by a factor of 3). This will cause a change in pressure distributed at two different speeds in the system what leads to faster alignment. If a long stick (e.g. in the supply line to the injector or in the rail) at one end experiences a pressure drop, then he relaxes in that direction at that location of the stick of the lower pressure. This will make the neighboring areas relaxed in this direction of the rod, i.e. the rod deforms in this direction and extends in the other two spatial directions something together because there is still the original pressure of the fuel acts (the pressure drop in the fuel vacuum has this location not reached yet). The fuel that surrounds the rod there has a little more volume, relaxes and lowers the pressure. The "missing" amount of fuel is therefore over faster further volume areas distributed. The vacuum wave in the fuel will reduced in amplitude since the previous area already has a little pressure. This mechanism acts on all pressure waves, so also for reflected overpressure or vacuum waves. The previous spread of the "missing" amount of fuel with a speed and the resulting poor distribution is significantly improved.
- – Das Anbringen eines Festkörpers im Bereich der Zuleitungen oder im Injektor entspricht einer Verschiebung von Railvolumen näher an den Ort der ursprünglichen Massenentnahme. Die „fehlende" Kraftstoffmenge wird dadurch schneller auf mehr Volumen verteilt, was den anfänglichen Druckabfall (Druckunterschied) reduziert bzw. gar nicht erst entstehen lässt.- The Attach a solid in the area of the supply lines or in the injector corresponds to a shift of rail volume closer to the place of the original Mass removal. The "missing" amount of fuel it will spread to more volume faster, causing the initial pressure drop (Pressure difference) reduced or not at all.
- – Im bisherigen Stand der Technik wird ein Kraftstoffvolumenelement nur dann zum Nachliefern der "fehlenden" Kraftstoffmenge beschleunigt, wenn es eine Druckdifferenz erfährt. Da sich die Druckwelle mit Schallgeschwindigkeit ausbreitet, wirken die Beschleunigungskräfte nur für die sehr kurzen Zeiten, in denen der Druck steigt oder fällt. Der Festkörper wird sich jedoch auch bei einem von allen Seiten konstant niedrigeren Druck, solange er noch nicht seinen endgültigen Zustand erreicht hat ausdehnen, da er durch seine Kompression die "Information" über den vorherigen Zustand (hoher Druck) selbst beinhaltet.- In the prior art is a fuel volume element only then to deliver the "missing" amount of fuel accelerates when it experiences a pressure difference. Because the blast propagates at the speed of sound, the acceleration forces only act for the very short times when the pressure rises or falls. The solid will, however, also be lower on all sides Pressure as long as it has not yet reached its final state because it compresses the "information" about the previous state (high pressure) itself.
Durch obige Effekte werden die Druckamplituden, die vom Injektor ausgehen, reduziert. Dadurch sind weitere Verbesserungen am Hochdrucksystem möglich, z.B. kann das Reflexionsvermögen am Raileingang reduziert werden, was die Verteilung im restlichen System beschleunigt.Due to the above effects, the pressure amplitudes, from the injector are reduced. This means further improvements possible on the high pressure system, e.g. can reflectivity be reduced at the rail entrance, which is the distribution in the rest System speeds up.
Das Dämpfungselement kann auch als durchgehende innere Beschichtung der Hochdruckzulaufleitungen und/oder des Rails mit dem Festkörpermaterial eingebracht werden.The damping element can also be used as a continuous inner coating of the high pressure supply lines and / or the rail with the solid material be introduced.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.Other advantages and beneficial Embodiments of the object of the invention are the description, the drawing and the claims removable.
Verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in der , Zeichnung schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Different embodiments of the device according to the invention are shown schematically in the drawing and in the following Description closer explained. Show it:
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
Das in
Das im Hochdruckrail
Durch das in der Hochdruckzulaufleitung
Durch das stabförmige Dämpfungselement
Bei dem in
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