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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen
mit einem Hochdruckbereich, aus dem mit Hochdruck beaufschlagter
Kraftstoff eingespritzt wird.
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Kraftstoffeinspritzsysteme
dienen dazu, die Kraftstoffversorgung einer Brennkraftmaschine sicherzustellen.
Ein vorab beschriebenes Kraftstoffeinspritzsystem umfasst einen
Niederdruck- und einen Hochdruckbereich. Der Niederdruckbereich
umfasst beispielsweise einen Kraftstoffbehälter, aus dem mit Hilfe einer
Kraftstoffförderpumpe
Kraftstoff zu einer Hochdruckpumpe gefördert wird, deren Ausgangsseite
dem Hochdruckbereich zuzuordnen ist. In der Hochdruckpumpe wird
der zum Einspritzen benötigte Kraftstoffhochdruck
erzeugt. Der mit Hochdruck beaufschlagte Kraftstoff wird mit Hilfe
von Kraftstoffeinspritzventilen, die ebenfalls dem Hochdruckbereich zuzuordnen
sind, in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.
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In
Speichereinspritzsystemen, die auch als Common Rail Einspritzsysteme
bezeichnet werden, wird der Einspritzdruck in einer gemeinsamen
Verteilerleiste, dem sogenannten Common Rail, bereitgestellt. Die
zur Einspritzung benötigte
Kraftstoffmenge wird über
Einspritzventile, die auch als Injektoren bezeichnet werden, entnommen.
Durch die Entnahme der jeweiligen Einspritzmenge werden Druckschwingungen
im Hochdruckbereich angeregt, die den Betrieb der Brennkraftmaschine,
insbesondere bei einer definierten Vor- und/oder Nacheinspritzung, stören können.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein Kraftstoffeinspritzsystem der eingangs
geschilderten Art zu schaffen, durch das im Betrieb, insbesondere beim
Einspritzen, auftretende Druckschwingungen und/oder Druckstöße reduziert
werden können.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
Aufgabe ist bei einem Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen
mit einem Hochdruckbereich, aus dem mit Hochdruck beaufschlagter
Kraftstoff eingespritzt wird, dadurch gelöst, dass ein kompressibles
Medium, das einen kleineren Kompressionsmodul als der mit Hochdruck
beaufschlagte Kraftstoff aufweist, so im Hochdruckbereich angeordnet
ist, dass es mit Hochdruck beaufschlagt wird. Das in den Hochdruckbereich
eingebrachte kompressible Medium dient dazu, das durch die Einspritzung
entnommene Kraftstoffvolumen auszugleichen und somit den Druck im
Hochdruckbereich auf einem konstanten Niveau zu halten. Dadurch
kann das Auftreten von Druckschwingungen beim Einspritzen verhindert
oder zumindest stark reduziert werden. Da die Einspritzmenge sehr
stark von dem im Hochdruckbereich herrschenden Druck abhängt, ermöglicht die
Einbringung des kompressiblen Mediums reproduzierbare und genau
dosierte Vor- und/oder Nacheinspritzungen. Schließlich werden durch
das kompressible Medium im Betrieb auftretende Druckspitzen kompensiert,
wodurch eine dauerfeste Auslegung des Kraftstoffeinspritzsystems
erheblich vereinfacht wird.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Kraftstoffeinspritzsystems ist dadurch gekennzeichnet, dass
das Medium eine Querkontraktionszahl aufweist, die kleiner, insbesondere
deutlich kleiner, als 0,5 ist. Mit derartigen Medien wurden bei
im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführten Untersuchungen die besten
Ergebnisse erzielt.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Kraftstoffeinspritzsystems ist dadurch gekennzeichnet, dass
der Elastizitätsmodul
des Mediums möglichst
klein ist. Je kleiner der Elastizitätsmodul ist, desto kleiner
ist auch der zugehörige
Kompressionsmodul.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Kraftstoffeinspritzsystems ist dadurch gekennzeichnet, dass
das Medium aus Kunststoff gebildet ist. Anstelle von Kunststoffen
können
aber auch zum Beispiel Filze oder Verbundwerkstoffe eingesetzt werden,
die den gewünschten
Kompressionsmodul aufweisen.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Kraftstoffeinspritzsystems ist dadurch gekennzeichnet, dass
das Medium aus einem thermoplastischen oder elastomeren Kunststoff
gebildet ist. Mit derartigen Kunststoffen, wie zum Beispiel Polyethylen,
wurden bei im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführten Untersuchungen
die besten Ergebnisse erzielt.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Kraftstoffeinspritzsystems ist dadurch gekennzeichnet, dass
das Medium aus einem geschäumten
Material gebildet ist. Die in dem geschäumten Material enthaltenen
Gase sind sehr kompressibel und daher sehr gut geeignet, um Druckschwingungen
im Hochdruckbereich zu reduzieren.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Kraftstoffeinspritzsystems ist dadurch gekennzeichnet, dass
das Medium in Form eines separaten Bauelements im Hochdruckbereich
angeordnet ist. Form und Größe des Bauelements
sind vorzugsweise an den zugehörigen
Aufnahmeraum im Hochdruckbereich angepasst.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Kraftstoffeinspritzsystems ist dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauelement im Wesentlichen die Gestalt eines Kreiszylinders
aufweist, der in einer komplementären Ausnehmung, insbesondere einer
Bohrung, eines Gehäuses
angeordnet ist. Diese Lösung
hat den Vorteil, dass sie unter fertigungstechnischen Gesichtspunkten
einfach und kostengünstig
realisierbar ist.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Kraftstoffeinspritzsystems ist dadurch gekennzeichnet, dass
das Medium in Form einer Beschichtung auf eine druckbeaufschlagte
Oberfläche im
Hochdruckbereich aufgebracht ist. Diese Lösung hat den Vorteil, dass
eine aufwendige mechanische Bearbeitung der mit Hochdruck beaufschlagten
Bauteile unterbleiben kann. Es ist sogar möglich, herkömmliche Bauteile aus dem Hochdruckbereich
mit einer Beschichtung aus einem kompressiblen Medium zu versehen.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Kraftstoffeinspritzsystems ist dadurch gekennzeichnet, dass
das Medium in einem Kraftstoffeinspritzventil angeordnet ist. Das
liefert den Vorteil, dass eine durch die Einspritzung erfolgte Volumenänderung
direkt am Ort der Entnahme ausgeglichen werden kann. Dadurch wird
eine Fortpflanzung unerwünschter
Druckschwingungen verhindert.
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Zeichnung
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung
ein Ausführungsbeispiel
im Einzelnen beschrieben ist.
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Die
beiliegende Figur zeigt eine schematische, ausschnittsweise Darstellung
eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems
mit einer im Längsschnitt
dargestellten Injektorbaugruppe.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Ein
Speichereinspritzsystem, das auch als Common Rail Einspritzsystem
bezeichnet wird, umfasst eine Druckquelle, zum Beispiel eine Hochdruckpumpe,
die vorzugsweise Dieselkraftstoff unter einem hohen Druck von beispielsweise
mehr als 1500 bar in ein Verteilerrohr beziehungsweise Rail einspeist.
Von dem Verteilerrohr gehen mehrere Kraftstoffzufuhrleitungen ab,
die zur Kraftstoffversorgung je einer in einen Brennraum einer mehrzylindrigen Verbrennungsmaschine,
beispielsweise eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors, ragenden Einspritzdüse 1 dienen.
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Die
Einspritzdüse 1 ist
Teil einer allgemein mit 2 bezeichneten Injektorbaugruppe,
die als vormontierte Baueinheit in einen Zylinderblock der Verbrennungsmaschine
einsetzbar ist. Die Injektorbaugruppe 2 umfasst ein Gehäuse 3,
das in der Praxis aus fertigungstechnischen Gründen meist mehrteilig, als
Gehäusebaugruppe
ausgebildet ist. In dem Gehäuse 3 ist
eine längs
einer Gehäuseachse 4 verlaufende
Führungsbohrung 5 ausgebildet,
in der eine längliche
Düsennadel 6 axial
beweglich geführt
ist. An einer Nadelspitze 8 weist die Düsennadel 6 eine Schließfläche 10 auf,
mit welcher sie in dichter Anlage an einen an dem Düsengehäuse 3 ausgebildeten Nadelsitz 12 bringbar
ist.
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Wenn
die Düsennadel 6 am
Nadelsitz 12 anliegt, das heißt sich in Nadelschließstellung
befindet, ist der Kraftstoffaustritt aus einer Düsenlochanordnung 14 an
dem in den Brennraum ragenden Ende des Düsengehäuses 3 gesperrt. Ist
die Düsennadel 6 dagegen
vom Nadelsitz 12 abgehoben, das heißt in der Nadelöffnungsstellung,
kann Kraftstoff aus einem zwischen der Düsennadel 6 und dem
Umfangsmantel in der Führungsbohrung 5 gebildeten
Ringraum 16 an dem Nadelsitz 12 vorbei zu der
Düsenlochanordnung 14 strömen und
dort in den Brennraum gespritzt werden.
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Die
Düsennadel 6 ist
durch eine Vorspannfeder 20 in Richtung auf ihre Schließstellung
vorgespannt. Die Vorspannfeder 20 ist in einem in dem Düsengehäuse 3 ausgebildeten
Federraum 22 untergebracht. Sie stützt sich einerseits unter Zwischenschaltung
eines ersten Federtellers 23 an einer Hülse 24 ab, die das
brennraumferne Ende der Düsennadel 6 dichtend,
jedoch axial beweglich, aufnimmt und sich mit einer Beißkante dichtend
in das Gehäuse 3 eingräbt. Andererseits
stützt
sich die Vorspannfeder 20 über einen auf die Düsennadel 6 aufgesteckten zweiten
Federteller 25 an der Düsennadel
ab. In den Federraum 22, der als Ringraum ausgebildet ist, mündet eine
in dem Gehäuse 3 ausgebildete
Hochdruckbohrung 28, in die über eine (nicht dargestellte) Kraftstoffzufuhrleitung
unter Hochdruck stehender Kraftstoff eingeleitet wird. Aus dem Federraum 22 gelangt
der Kraftstoff über
in die Düsennadel 6 eingearbeitete
Abflachungen 30, oder alternativ über einen (nicht dargestellten)
Kanal, in den Ringraum 16.
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Zwischen
einer brennraumfernen Stirnfläche 32 der
Düsennadel 6,
der Hülse 24 und
dem Ventilgehäuse 3 ist
eine Ventilsteuerkammer 33 begrenzt, in die ein als Drossel
ausgebildeter Zulaufkanal 35 mündet. Durch die Zulaufdrossel 35 kann
Kraftstoff aus dem Federraum 22 in die Ventilsteuerkammer 33 einströmen. Über einen
eine Ablaufdrossel 37 enthaltenden Ablaufkanal 38 kann
Kraftstoff aus der Ventilsteuerkammer 33 in einen Entlastungsraum 40 abfließen. Durch
einen Pfeil 41 ist angedeutet, dass der Entlastungsraum 40 mit
dem (nicht dargestellten) Niederdruckbereich des Kraftstoffeinspritzsystems
in Verbindung steht. Durch einen Pfeil 29 ist angedeutet,
dass die Hochdruckbohrung 28 mit dem (nicht dargestellten)
Verteilerrohr in Verbindung steht.
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Ein
Piezoaktor 42 ist über
einen hydraulischen Koppler 43 mit einem Absperrventil 44 gekoppelt,
das eine Absperrventilkugel 45 aufweist, welche die Verbindung
zwischen der Ventilsteuerkammer 33 und dem Entlastungsraum 40 verschließen kann. Das
durch den Piezoaktor 42 betätigbare Absperrventil 44 dient
also dazu, den Kraftstoff abfluss zu dem Entlastungsraum 40 zu
sperren. Statt des piezoelektrischen Aktuators 42 kann
gegebenenfalls selbstverständlich
auch ein elektromagnetischer Aktuator verwendet werden.
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Durch
die Vorspannfeder 20 und die Einwirkung des in der Ventilsteuerkammer 33 herrschenden
Drucks auf die Nadelstirnfläche 32 wird
eine axial zum Brennraum hin gerichtete Schließkraft auf die Düsennadel 6 ausgeübt. Dieser
Schließkraft
wirkt axial eine Öffnungskraft
entgegen, die infolge der Einwirkung des in dem Ringraum 16 herrschenden Drucks
auf eine an der Düsennadel 6 ausgebildete Stufenfläche 46 auf
die Düsennadel 6 ausgeübt wird. Befindet
sich das Absperrventil 44 in seiner Sperrstellung und ist
der Kraftstoffabfluss durch den Ablaufkanal 38 somit gesperrt,
ist im stationären
Zustand die Schließkraft
größer als
die Öffnungskraft, weshalb
die Düsennadel 6 dann
ihre Schließstellung einnimmt.
Wird das Absperrventil 44 daraufhin geöffnet, fließt Kraftstoff aus der Ventilsteuerkammer 33 ab.
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Die
Durchflussquerschnitte der stets offenen Zulaufdrossel 35 und
der Ablaufdrossel 37 sind dabei so aufeinander abgestimmt,
dass der Zufluss durch die Zulaufdrossel 35 geringer als
der Abfluss durch den Ablaufkanal 38 ist und demnach ein
Nettoabfluss von Kraftstoff resultiert. Der folgende Druckabfall
in der Ventilsteuerkammer 33 bewirkt, dass die Schließkraft unter
die Öffnungskraft
sinkt und die Düsennadel 6 vom
Nadelsitz 12 nach innen abhebt.
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Soll
die Einspritzung beendet werden, wird das Absperrventil 44 wieder
in seine Sperrstellung gebracht. Dies sperrt den Kraftstoffabfluss
durch den Ablaufkanal 38. Durch die Zulaufdrossel 35 fließt weiterhin
Kraftstoff aus dem Federraum 22 in die Ventilsteuerkammer 33,
und der Druck in der Ventilsteuerkammer 33 steigt wieder
an. Sobald der Druck in der Ventilsteuerkammer 33 ein Niveau
erreicht, bei dem die Schließkraft
größer als
die Öffnungskraft
ist, geht die Düsennadel 6 in
ihre Schließstellung,
was den Kraftstoffaustritt aus der Düsenlochanordnung 14 stoppt.
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Um
schnelle Nadelschließgeschwindigkeiten zu
erreichen, muss für
einen raschen Druckanstieg in der Ventilsteuerkammer 33 nach
Sperrung des Absperrventils 44 und während der Schließbewegung der
Düsennadel 6 für genügend Durchfluss
gesorgt werden. Der Durchfluss durch die Zulaufdrossel 35 ist
vergleichsweise gering. Eine Vergrößerung des Durchflussquerschnitts
der Zulaufdrossel 35 kommt aber nur in sehr engen Grenzen
in Betracht, weil ansonsten die Gefahr besteht, dass bei geöffnetem
Absperrventil 44 der Nettoabfluss an Kraftstoff nicht mehr
ausreicht, um die Düsennadel 6 zu öffnen.
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Es
ist deshalb ein Hilfskanal 48 vorgesehen, mittels dessen
bei gesperrtem Absperrventil 44 ein zusätzlicher Kraftstoffzufluss
in die Ventilsteuerkammer 33 erzielt wird. Der Hilfskanal 48 zweigt
von der Hochdruckbohrung 28 ab und wird genauso wie die Zulaufdrossel 35 mit
Kraftstoff gespeist, der im Wesentlichen unter dem Raildruck steht.
Der zusätzliche Kraftstofffluss
durch den Hilfskanal 48 lässt nach Sperrung des Absperrventils 44 den
Druck in der Ventilsteuerkammer 33 schneller als bei alleiniger Befüllung durch
die Zulaufdrossel 35 wieder auf das Niveau ansteigen, das
nötig ist,
um die Düsennadel 6 aus
ihrer Öffnungs-
in ihre Schließstellung
zu überführen. Letztlich
kann so die in den Brennraum eingespritzte Kraftstoffmenge feiner
dosiert werden.
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Von
dem Federraum 22 geht ein Kanal 50 ab, der in
ein Sackloch 51 mündet.
In dem Sackloch 51 ist ein Körper 54 aus einem
kompressiblen Medium aufgenommen. Das kompressible Medium hat einen
deutlich kleineren Kompressionsmodul als der mit Hochdruck beaufschlagte
Kraftstoff. Durch den Kanal 50 wird sichergestellt, dass
der Körper 54 mit dem
Injektordruck beaufschlagt wird.
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Darüber hinaus
ist die Hochdruckbohrung 28 mit einer Beschichtung 56 aus
einem kompressiblen Medium ausgestattet, dessen Kompressionsmodul ebenfalls
deutlich kleiner als der des Kraftstoffs ist. Der als Ringraum ausgebildete
Federraum 22 ist radial innen bei 60 und radial
außen
bei 61 mit einer Beschichtung aus den gleichen kompressiblen
Medium ausgestattet. Die Vorspannfeder 20 ist ebenfalls
mit einer Beschichtung 64 aus dem gleichen kompressiblen
Medium ausgestattet. Die Düsennadel 6 ist
im Bereich der Abflachungen 30 ebenfalls mit einer Beschichtung 66 aus
dem gleichen kompressiblen Medium versehen. Außerdem ist die Düsennadel 6 im Bereich
des Ringraums 16 mit einer Beschichtung 68 aus
dem gleichen kompressiblen Medium versehen. Schließlich ist
die Hülse 24 an
ihrer äußeren Mantelfläche ebenfalls
mit einer Beschichtung 70 aus dem gleichen kompressiblen
Medium versehen.
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Durch
den Körper 54 und
die Beschichtungen aus kompressiblen Medien können die im Betrieb des Injektors
auftretenden Druckschwingungen stark reduziert werden. Dadurch wird
die Einspritzgenauigkeit erhöht.
Durch die Reduktion der Druckschwingungen können kombinierte Einspritzungen besser
appliziert werden. Der Einspritzdruck bleibt unabhängig von
der Lage der Vor- und Nacheinspritzungen konstant. Zudem sinkt die
Materialbelastung deutlich, weil Druckspitzen im Hochdruckbereich
vermindert werden, was die Dauerfestigkeit erhöht und die Gefahr von Ermüdungsbrüchen reduziert.
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Der
Körper 54 oder
die Beschichtungen aus stark kompressiblen Medien können das
durch die Einspritzung entnommene Kraftstoffvolumen ausgleichen,
indem sie sich ausdehnen und somit den Druck auf einem konstanten
Niveau halten. Durch die vorliegende Erfindung kann das herkömmliche
Rail deutlich verkleinert werden. Unter Umständen kann das Rail sogar ganz
entfallen, insofern genug kompressibles Medium im Hochdruckbereich
des Injektors eingebracht wird.
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Als
Materialen für
das kompressible Medium kommen Stoffe in Frage, die eine Querkontraktionszahl μ kleiner,
als 0,5 aufweisen, das heißt
kompressibel sind, und deren Elastizitätsmodul andererseits möglichst
niedrig liegt. Entscheidend ist der sogenannte Kompressionsmodul,
der sowohl von dem Elastizitätsmodul
als auch von der Querkontraktionszahl abhängt. Der Kompressionsmodul
sollte möglichst
klein sein.
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Eine
Minderung der Druckspitzen und Verkleinerung des erforderlichen
Kraftstoffvolumens erfolgt dann, wenn der Kompressionsmodul des
eingebachten Materials niedriger als der des Kraftstoffs ist.