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Die
Erfindung geht aus von einer Kraftstoff-Einspritzanordnung nach
der Gattung des Patentanspruchs 1.
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Bei
neueren Einspritzsystemen für
Verbrennungsmotoren wird der einzuspritzende Kraftstoff in einem
Sammelbehälter
oder Druckspeicher (Common Rail) unter Hochdruck gespeichert. Mit
dem Hochdruckspeicher sind über
einzelne Hochdruckleitungen Kraftstoffeinspritzventile, im speziellen
Fall Injektoren verbunden. Jeder Injektor verfügt über eine Zumesseinheit, z.B.
ein Magnetventil, das einen Ventilkolben (auch Düsennadel genannt) direkt oder
indirekt steuert. Durch Öffnen
und Schließen
des Ventilkolbens wird ein Einspritzquerschnitt freigegeben bzw.
geschlossen, so dass Kraftstoff in den Brennraum des Motors eingespritzt
wird.
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Beim Öffnen des
Einspritzventils fällt
der Druck im Injektor ab, weil Kraftstoff aus dem Injektor in den
Brennraum eingespritzt wird, wobei der Kraftstoff jedoch nur mit
einer Zeitverzögerung
aus dem Hochdruckspeicher in den Injektor nachgefördert werden
kann. Dieser Druckabfall induziert eine Verdünnungswelle, die vom Injektor
durch die Hochdruckleitung zum Druckspeicher läuft. Dort findet eine Reflexion
statt. Dies wird genauer später
erläutert.
Die hierdurch entstehenden Druckschwingungen können die Dauerhaltbarkeit des
Injektors verringen und zu Störungen
der genauen Kraftstoffbemessung bei den Einspritzungen führen. Die
erste vom Druckspeicher her beim Injektor eintreffende Druckwelle
wird häufig
zum Erhöhen
der Einspritzrate des noch offenen Einspritzventils ausgenutzt.
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Um
bei einem Defekt an einem Injektor eine stetige Einspritzung (Dauereinspritzung)
zu verhindern, ist es bekannt, ein Durchflussbegrenzungsventil (
DE 198 19 694 A1 )
in einer Hochdruckleitung vom Druckspeicher zum Injektor vorzusehen.
Es handelt sich um ein Ventil, das bis zu einem vorgegebenen Maximalwert
der Strömung
geöffnet
ist und beim Überschreiten
dieses Maximalwerts geschlossen wird. Bei normalen Einspritzungen
(ohne gleichzeitiges Vorhandensein eines Lecks) gelangt dieses Durchflussbegrenzungsventil
nicht in den Sperrzustand. Das Ventil weist ein durch eine Feder
in Öffnungsrichtung
vorgespanntes bewegliches Ventilteil auf, das eine zentrale Bohrung
hat, die in eine zentrale Sackbohrung mir kleinerem Durchmesser übergeht.
Von der Sackbohrung führen
radiale Bohrungen, die jeweils eine Drossel oder Staustelle bilden, durch
das Ventilteil hindurch. Der Kraftstoff tritt durch die erstgenannte
zentrale Bohrung ein und fließt über die
Drosseln zum Ausgang des Ventils und von dort zum Injektor. Die
Drosseln bewirken einen Druckabfall, der zu einer Bewegung des beweglichen
Ventilteils in Schließrichtung
(Sperr-Richtung) führt.
Bei einem Leck stromabwärts
des Ventils schließt
das Ventil.
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Es
ist bekannt (
EP 0780
569 B1 ,
13B), am Druckspeicher
ein Ventil in die Hochdruckleitung zum Injektor einzuschalten, das
ein durch eine Feder vorgespanntes kugelförmiges bewegliches Ventilglied
aufweist. Dieses öffnet
bei einer Strömung
von Kraftstoff zum Injektor und schließt fast vollständig, wenn
kein Kraftstoff strömt.
Ein vollständiges
Schließen
ist dadurch verhindert, dass der im Querschnitt kreisförmige Ablauf
hinter dem Ventilsitz durch in Längsrichtung
verlaufende Nuten radial erweitert ist, die von dem beweglichen
Ventilteil nicht abgedeckt werden. Bei geschlossenem Ventil bildet
das Ventil somit eine Drossel, die, wie man unter Heranziehen des
Fachwissens erkennt, geeignet ist, die erste vom Injektor her eintreffende
Druckwelle zu dämpfen,
und die daher auch die Entstehung weiterer Druckschwankungen verhindern
kann.
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Es
wäre wünschenswert,
die Druckschwingungen am Injektor nach der ersten häufig erwünschten
Druckwelle möglichst
schnell zu dämpfen
und gleichzeitig eine Durchflussbegrenzung durch ein einziges Bauelement
(Gerät)
zu erreichen.
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Vorteile der Erfindung
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Die
Kraftstoff-Einspritzanordnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs
1 hat den Vorteil, dass sie in einem einzigen Bauelement einen Durchflussbegrenzer
und für
eine Schwingungsdämpfung
bei bestimmten Betriebszuständen
geeignete technische Merkmale in sich vereinigt. Hierdurch ergibt
sich insbesondere ein technisch einfacher und zuverlässiger sowie
preisgünstiger
Aufbau. Der die Dämpfung
ausführende
Teil mag dabei wie in der zitierten EP0780569 ausgebildet sein.
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Bei
der Ausführungsform
nach Anspruch 2 besteht der Vorteil einer kurzen Baulänge.
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Bei
der Ausführungsform
nach Anspruch 3 können
durch Auswahl eines geeigneten Dämpfungsventilteils
bei der Montage Eigenschaften des Ventils festgelegt werden, da
die Drossel ausschließlich
im genannten beweglichen Ventilteil vorgesehen ist, das seinerseits
mit dem zugeordneten Ventilsitz dicht schließend zusammenwirkt.
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Bei
der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzanordnung
nach Anspruch 5 ist das genannte Ventil an einer für seine
Funktion geeigneten Stelle, nämlich
nahe am Hochdruckspeicher, montiert und schützt dadurch den zugeordneten
Injektor vor Druckwellen, die nach der ersten Druckwelle beim Injektor
eintreffen könnten.
Die Anlage ist nicht auf den Einsatz des gezeigten Ventils beschränkt.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung
sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
eines Ventils und einer erfindungsgemäßen Einspritzanlage, die unter Verwendung
des genannten Ventils aufgebaut ist, ist in der Zeichnung dargestellt
und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 das
Ventil im Längsschnitt
in einem von rechts nach links durchströmten Zustand, und
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2 eine
Darstellung der wichtigsten Teile einer Kraftstoff-Einspritzanordnung
eines Verbrennungsmotors mit dem Ventil der 1 in der
erforderlichen Einbaulage.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Zum
besseren Verständnis
wird folgendes vorausgeschickt:
Beim Öffnen der Düsennadel (Ventilkolben) eines
Injektors, der mit einer Hochdruckleitung für den Kraftstoff mit dem Druckspeicher
verbunden ist, fällt
der Druck am Injektor ab, weil Kraftstoff aus dem Injektor in den
Brennraum eingespritzt wird, dieser Kraftstoff jedoch nur mit einer
Zeitverzögerung
aus dem Druckspeicher in den Injektor nachgefördert wird. Dieser Druckabfall
induziert eine Verdünnungswelle,
die vom Injektor durch die Hochdruckleitung zum Druckspeicher läuft, dort
als Verdichtungswelle reflektiert wird und im Injektor eine Druckspitze
erzeugt. Dies ist bekannt und wird in bestimmten Fällen in
der Weise ausgenutzt, dass man den Injektor für einen Einspritzvorgang für so lange
Zeit offen lässt,
bis die Verdichtungswelle am Injektor eingetroffen ist und dadurch
eine Vergrößerung der
Einspritzrate für
den Kraftstoff bewirkt.
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Die
Reflekion einer Druckwelle an einem Leitungsende hängt davon
ab, ob das Leitungsende offen oder geschlossen ist. Von einem offenen
Leitungsende spricht man, wenn sich an die Leitung ein großer Behälter anschließt, z.B.
ein Rail oder Druckspeicher, wie oben erwähnt. Das Gegenteil ist ein vollständig geschlossenes
Leitungsende, durch das hindurch keine Strömung von Kraftstoff erfolgen kann.
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An
einem offenen Leitungsende werden Verdünnungswellen als Verdichtungswellen
reflektiert, und Verdichtungswellen werden als Verdünnungswellen
reflektiert. So wird die beim Öffnen
des Injektors (also beim Beginn einer Einspritzung) durch den Druckabfall
am Injektor entstehende Verdünnungswelle
am Druckspeicher (ohne dort vorgesehenen besondere Maßnahmen)
als Verdichtungswelle reflektiert und erzeugt eine Druckspitze im
Injektor, wie oben bereits erwähnt.
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Im
Gegensatz dazu werden an einem geschlossenen Leitungsende Verdünnungswellen
als Verdünnungswellen
reflektiert, und Verdichtungswellen werden als Verdichtungswellen
reflektiert. Die vom Druckspeicher her zum Injektor kommende erste
Verdichtungswelle oder Druckwelle wird daher am Injektor als Verdichtungswelle
zum Druckspeicher hin reflektiert.
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Weiter
gilt: Befindet sich am Leitungsende eine Drossel, so ist die entstehende
Reflexion eine Überlagerung
der zwei soeben beschriebenen Grenzfälle (nämlich der geschlossenen Leitung
und der offenen Leitung). Das heißt, dass die Verdichtungswelle
an der Drossel beim Hochdruckspeicher teilweise als Verdichtungswelle
und teilweise als Verdünnungswelle
reflektiert wird, wodurch sich die Wellen im Idealfall kompensieren,
so dass keinerlei Welle reflektiert wird.
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Das
bekannte Durchflussbegrenzungsventil weist zwar, wenn man es mit
der Erfindung vergleicht, ein bewegliches Ventilteil auf, in dem
sich eine Drossel befindet; dieses bekannte Begrenzungsventil kann
jedoch nicht als Schwingungsdämpfer
verwendet werden, weil das bewegliche Ventilteil sich zumindest
dann, wenn eine Strömung von
Kraftstoff aus dem Druckspeicher heraus zum Injektor erfolgt, in
einer Zwischenstellung zwischen zwei Anschlägen und somit entgegen der
Kraft einer Feder und vom Druck des Kraftstoffs beaufschlagt in einer
Lage befindet, in der es Bewegungen des Kraftstoffs frei folgen
kann. Für
eine Schwingungsdämpfung
wäre aber
eine ortsfeste Anordnung der Drossel erforderlich. Daher ist das
bekannte Durchflussbegrenzungsventil für Zwecke der Schwingungsdämpfung ungeeignet.
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Bei
dem bevorzugten, in 1 gezeigten Beispiel einer Ventilanordnung 1 mit
Begrenzungsfunktion und Dämpfungsfunktion
ist in einem Gehäuse 2 ein
erstes bewegliches Ventilteil 3 (Begrenzungsventilteil),
das auf einem Teil seiner Länge
außen
kreiszylindrisch ist und somit als Ventilkolben ausgebildet ist,
in einer zentralen Bohrung 4 des Gehäuses 2 verschiebbar
geführt.
Die Bohrung 4 ist von einer Zuflussseite 5 des
Gehäuses 2 her
eingebracht.
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Das
erste Ventilteil 3 hat eine zur Zuflussseite 5 hin
offene zentrale Bohrung 6, von der aus Drosselbohrungen 7 den
Raum 50 der Bohrung 6 mit einem Raum 51 verbinden.
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An
der der Zuflussseite 5 abgewandten Endseite des Gehäuses, der
Abflussseite 9, ist das Gehäuse 2 zu einem Ventilsitz 10 für das erste
Ventilteil 3 verengt. Dort stützt sich eine erste Feder 11 ab,
die das erste Ventilteil 3 in Richtung seiner offenen Stellung
vorgespannt (in 1 nach rechts, zur Zuflussseite 5 hin).
Die erste Feder 11 ist in dem Raum 51 zwischen
der Wand der Bohrung 4 und dem dünneren Teil des ersten Ventilteils 3 angeordnet.
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Im
Gehäuse 2 ist
ein zweites bewegliches Ventilteil 15 angeordnet, das durch
eine zweite Feder 16 zur Zuflussseite hin in Richtung auf
seinen Sitz 17 vorgespannt ist, wo es bei Anlage an seinem äußeren Umfang
vollständig
abdichtet. Die zweite Feder 16 ist zwischen dem ersten
Ventilteil 3 und dem zweiten Ventilteil 15 eingeschaltet.
Wenn Kraftstoff zum Injektor fließt, wie in 1 angenommen,
ist das zweite Ventilteil 15 von seinem Sitz abgehoben
und ein Schlitz 18 im hohlzylindrischen Teil des ersten Ventilteils 3 gestattet
den freien Durchgang des Kraftstoffs zu den Drosselbohrungen 7.
Wenn eine gewisse Zeit lang kein Kraftstoff fließt (z.B. Motor ist aus), liegt
das Ventilteil 3 an einem seinen Hub begrenzenden Hubanschlag 22 an,
und das Ventilteil 15 liegt an dem Sitz 17 an,
wobei beide Anschläge
an einer einzigen Platte vorgesehen sind.
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Das
außen
kreiszylindrische zweite Ventilteil 15 hat eine zentrale
Bohrung 19, die zur Zuflussseite 5 hin in eine
dünnere
zentrale Drosselbohrung 21 übergeht, durch die hindurch
bei Sperrstellung eine Flüssigkeitsverbindung
(Fluidverbindung) besteht, die eine Dämpfung von Schwingungen ermöglicht. Das
zweite Ventilteil 15 ist in der Bohrung 6 des
ersten Ventilteils 3 angeordnet. Es ist nach Art eines
Kolbens in der Bohrung 6 verschiebbar. Die zweite Feder 16 ist
ebenfalls in der Bohrung 6 angeordnet und stützt sich
an einer Schulterfläche
dieser Bohrung ab. Es können
mehrere zweite Ventilteile (Dämpfungsventilteile)
mit unterschiedlichen Drosseln zwecks einfacher Montage unterschiedlicher
Geräte
bereit gehalten werden. Das erste Ventilteil 3 wird im
nicht durchströmten
Zustand im Beispiel von der ersten Feder 11 so stark in Öffnungsrichtung
beaufschlagt, dass es an der den Hubanschlag 22 bildenden
Platte anliegt, also an einem starren Anschlag zur Anlage kommt.
Der Hub des Ventilteils 3 ergibt die zulässige Einspritzmenge
je Einspritzung.
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2 zeigt
einen Druckspeicher 40 (Common Rail), in dem im Betrieb
Kraftstoff unter Druck bereit gehalten wird. Die Brennkraftmaschine
hat sechs Zylinder und daher sechs Injektoren, von denen zur Vereinfachung
nur ein Injektor 42 gezeigt ist, der über eine Hochdruckleitung 44 mit
dem Druckspeicher 40 verbunden ist. Dabei ist für jede Hochdruckleitung 44 eine
Ventilanordnung 1 nach 1 vorgesehen
und am Druckspeicher 40 zwischen diesem und der Hochdruckleitung 44 eingeschaltet, wobei
Einzelheiten der Befestigung nicht gezeigt sind. Die Zuflussseite 5 weist
zum Druckspeicher 40.
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Wenn
eine beim Beginn der Einspritzung im Injektor induzierte Verdünnungswelle
(Druckabsenkung) vom Injektor 42 her an dem erfindungsgemäßen Gerät 1 nahe
am Druckspeicher 40 ankommt, bewegt sich das erste Ventilteil 3 (Kolben
des Durchflussbegrenzungsventils) etwas mit dem Kraftstoff in Richtung
zur Abflussseite 9 mit. Etwa gleichzeitig öffnet das
zweite Ventilteil 15 (Dämpfungsventilteil).
Somit besteht bezüglich
Reflexionen ein offenes Ende im Bereich des Dämpfungsventilteils. Die eintreffende
Verdünnungswelle
wird daher am Druckspeicher als Verdichtungswelle reflektiert. Am
Injektor 42 wird die Verdichtungswelle als Verdichtungswelle
zum Druckspeicher hin reflektiert (wie oben erläutert). Das Dämpfungsventil
schließt
beim Eintreffen der Verdichtungswelle und an der Drossel 21 des
Dämpfungsventils
wird die Verdichtungswelle im Idealfall ausgelöscht, zumindest wird sie abgeschwächt. Nach
dem Ende der Einspritzung wird der Kolben des Durchflussbegrenzungsventils
durch die erste Feder 11 wieder in Richtung des Anschlags
(Sitz 17) bewegt. Die Geschwindigkeit dieser Bewegung wird über die
Drossel im Kolben des Durchflussbegrenzers beeinflusst. Wird dem
Druckspeicher zu viel Kraftstoff entnommen, so geht das Durchflussbegrenzungsventilteil
in seinen Sitz 10 und die Verbindung zwischen dem Druckspeicher
und der Hochdruckleitung zum Injektor wird dadurch gesperrt.
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Die
Drosseln der Ventilanordnung 1 müssen an den jeweiligen Leitungsdurchmesser
angepasst sein, da die Funktion von dem Flächenverhältnis zwischen Leitungsquerschnitt,
Drossel und Einspritzrate abhängt.
Aufgrund der sich mit dem Druck ändernden
Schallgeschwindigkeit im Kraftstoff (diese ändert sich wegen der Kompressibilität des Kraftstoffs)
hat auch der maximale Raildruck (Druck im Druckspeicher) einen geringen
Einfluss auf den zu wählenden Drosselquerschnitt.
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Bei
ausreichend großem Öffnungsquerschnitt
der Ventilanordnung 1 hat die Abstimmung aber keinen Einfluss
auf die Einspritzrate, und die Drucküberhöhung bleibt erhalten.
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Kern
der Erfindung ist es, die beim Öffnen des
Einspritzventils entstehende Reflektion der Saugwelle als Druckwelle
am Druckspeicher zuzulassen, aber die am Injektor reflektierte Druckwelle auszulöschen.
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Vorteile
der Erfindung sind die Reduktion der Bauteilbelastung durch den
Wegfall der Druckschwingungen nach dem Ende der Einspritzung bei einer
Beibehaltung der Drucküberhöhung während der
Einspritzung, welche die Leistungsfähigkeit des vorhandenen Common-Rail-Systems
beibehält.
Das Einspritzmengenkennfeld wird nicht verändert, daher sind Änderungen
an einem bestehenden Steuerungs- oder Regelsystem nicht erforderlich.
Die durch die Voreinspritzung erzeugte Druckschwingung wird gedämpft und
dadurch der Einfluss von der Voreinspritzung auf die Haupteinspritzung
verringert. Das Ventil zur Druckschwingungsdämpfung kann sehr kostengünstig in
den Durchflussbegrenzer integriert werden. Der Durchflussbegrenzer
verhindert eine Dauereinspritzung am Injektor. Durch den Durchflussbegrenzer
können
Motorschäden
bei einem defekten Injektor verhindert werden. Die Integration der
Schwingungsdämpfungsfunktion
ermöglicht
eine kostenund platzsparende Ausführung.