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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Motoren mit Common-Rail-Kraftstoffsystemen, und
betrifft insbesondere das Steuern eines stromaufwärts eines
Common-Rail angeordneten Verstärkers über ein
hydraulisch betätigtes Ventil.
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Hintergrund
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Common-Rail-Kraftstoffsysteme
sind hinlänglich bekannt und in modernen Verbrennungsmotoren
weit verbreitet. Im Allgemeinen wird ein mit Druck beaufschlagtes
Fluid einem Common-Rail zugeführt, der mehrere fluidmäßig
damit verbundene Kraftstoffinjektoren aufweist. Ein Hochdruckfluid
aus dem Common-Rail kann zum Betätigen der Injektoren für
eine Einspritzung eines Kraftstoffs in die Motorzylinder verwendet
werden. Das mit Druck beaufschlagte Fluid in dem Rail kann ein Kraftstoff
sein, der nicht nur die Injektoren betätigt, sondern auch
in die zugeordneten Zylinder eingespritzt wird, oder das Fluid in
dem Rail kann ein von dem Kraftstoff, der eingespritzt wird, separates
Betätigungsfluid sein. In vielen Anwendungen sind Common-Rail-Systeme
darauf ausgerichtet, eine überlegene Steuerung und Leistungsfähigkeit
gegenüber Strategien anzubieten, die auf einzelnen Pumpen,
von denen eine einem jeweiligen Kraftstoffinjektor zugeordnet ist,
beruhen.
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Im
Laufe der Jahre beruhten viele Verbesserungen in Bezug auf einen
Kraftstoffsystementwurf und -betrieb wenigstens teilweise auf der
Fähigkeit, einen Kraftstoff mit immer höheren
Drücken in die Motorzylinder einzuspritzen. Höhere
Drücke in dem Rail zielen darauf ab, höhere Einspritzdrücke
und auch eine relativ präzise Steuerung des Einspritzbeginns
und -endes zu ermöglichen, und verbesserten die Kraftstoffzerstäubung.
Ein Mangel des ansteigenden Rail-Drucks ist allerdings die zusätzliche
Energie, die erforderlich ist, um das dem Common-Rail zugeführte
Betätigungsfluid mit Druck zu beaufschlagen. Ferner können
Pumpen und andere Systemkomponenten bei einer geringeren als optimalen Leistungsfähigkeit
arbeiten und können sich sogar schneller abnutzen, wenn
sie betrieben werden, um relativ hohe Fluiddrücke bereitzustellen.
Ferner noch sind der während des Betriebs erzeugte Lärm
und typischerweise die resultierende Antriebsdrehmomentschwankung
umso höher, je höher der Systemdruck ist. Folglich
gibt es ausreichend Raum für eine Verbesserung gegenüber
herkömmlichen Common-Rail-Entwürfen, insbesondere
da die angeforderten Systemdruckschwellenwerte immer höher
angesetzt werden.
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Das
U.S. Patent Nr. 6,786,205 von
Stuhldreher et al. legt eine Common-Rail-Strategie dar, bei der
ein Fluid für den Rail mit hydraulischen Verstärkern,
die zwischen einer Fluidzufuhr und dem Common-Rail angeordnet sind,
mit Druck beaufschlagt wird. Stuhldreher et al. kann, wie behauptet
wird, Systeme, bei denen eine hydraulische Verstärkung
in jedem einzelnen Kraftstoffinjektor durchgeführt wird, ersetzen
und dabei die Anzahl der Bauteile reduzieren. Mag dies unter gewissen
Umständen der Fall sein, erhöht Stuhldreher tatsächlich
die Systemkomplexität an verschiedenen Stellen, die nämlich
ein relativ komplexes System an Steuerventilen für die
Verstärkungseinheiten erfordern.
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Zusammenfassung
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In
einem Aspekt beinhaltet ein Verbrennungsmotor ein mehrere Zylinder
darin aufweisendes Motorgehäuse, einen Common-Rail und
mehrere Kraftstoffinjektoren, die fluidmäßig mit
dem Common-Rail verbunden sind und jeweils einem der Zylinder zugeordnet
sind. Der Motor beinhaltet weiter eine Druckbeaufschlagungseinrichtung
für den Common-Rail, die ein Gehäuse beinhaltet,
das mehrere wenigstens teilweise darin angeordnete Verstärkerkolben, wenigstens
einen Fluideinlass und wenigstens einen mit dem Common-Rail verbundenen
Fluidauslass aufweist. Eine Zufuhr eines mit Druck beaufschlagten
Betätigungsfluids für die Verstärkerkolben
ist fluidmäßig mit dem wenigstens einen Fluideinlass
verbunden. Der Motor beinhaltet weiter ein hydraulisch betätigtes
Ventil, das sich zwischen einer ersten Position, bei der es den
wenigstens einen Fluideinlass mit einem ersten der Verstärkerkolben, nicht
aber mit einem zweiten der Verstärkerkolben, verbindet,
und einer zweiten Position bewegt, bei der es den wenigstens einen
Fluideinlass mit dem zweiten der Verstärkerkolben, nicht
aber mit dem ersten der Verstärkerkolben, verbindet.
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In
einem weiteren Aspekt beinhaltet ein Verfahren zum mit Druckbeaufschlagen
eines Common-Rail-Krafststoffsystems eines Verbrennungsmotors die
Schritte, bei denen ein erster Verstärkerkolben über
ein mit Druck beaufschlagtes Betätigungsfluid bewegt wird,
und ein zweiter Verstärkerkolben über ein mit
Druck beaufschlagtes Betätigungsfluid bewegt wird. Das
Verfahren beinhaltet ferner einen Schritt, bei dem ein Ventil zwischen
einer ersten Position, bei der es den ersten Verstärkerkolben
mit einer Quelle an mit Druck beaufschlagtem Betätigungsfluid
verbindet, den zweiten Verstärkerkolben aber von der Quelle
an mit Druck beaufschlagtem Betätigungsfluid absperrt,
und einer zweiten Position, bei der es den zweiten Verstärkerkolben
mit der Quelle an mit Druck beaufschlagtem Betätigungsfluid verbindet,
den ersten Verstärkerkolben aber von der Quelle an mit
Druck beaufschlagtem Betätigungsfluid absperrt, hydraulisch
bewegt wird. Das Verfahren beinhaltet ferner noch einen Schritt,
bei dem ein Fluid einem Common-Rail zugeführt wird, das
wenigstens teilweise durch die Schritte, bei denen der erste und zweite
Verstärkerkolben bewegt wird, mit Druck beaufschlagt ist.
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In
noch einem weiteren Aspekt beinhaltet eine Druckbeaufschlagungseinrichtung
für ein Common-Rail-Kraftstoffsystem eines Verbrennungsmotors
ein Gehäuse, das wenigstens einen Betätigungsfluideinlass und
wenigstens einen Auslass aufweist. Ein erster Verstärker,
der eine erste Betätigungskammer aufweist, und ein erster
Kolben, der wenigstens teilweise in dem Gehäuse angeordnet
ist, sind vorgesehen. Ein zweiter Verstärker ist vorgesehen
und beinhaltet eine zweite Betätigungskammer, und ein zweiter
Kolben ist vorgesehen, der wenigstens teilweise in dem Gehäuse
angeordnet ist. Die Druckbeaufschlagungseinrichtung beinhaltet ferner noch
ein Ventil, das eine erste Position, bei der der Betätigungsfluideinlass
mit der ersten Betätigungskammer, nicht aber mit der zweiten
Betätigungskammer, in Fluidverbindung steht, und eine zweite
Position aufweist, bei der der Betätigungsfluideinlass
mit der zweiten Betätigungskammer, nicht aber mit der ersten
Betätigungskammer, in Fluidverbindung steht. Das Ventil
beinhaltet ferner wenigstens eine Drucksteueroberfläche
zum Bewegen des Ventils zwischen der ersten und der zweiten Position.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Ansicht eines Motorsystems gemäß einer
Ausführungsform;
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2 ist
eine schematische Ansicht einer Druckbeaufschlagungseinrichtung
für einen Common-Rail in einer ersten Ausgestaltung;
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3 ist
eine schematische Ansicht einer Druckbeaufschlagungseinrichtung
wie in 2, die in einer weiteren Ausgestaltung gezeigt
ist;
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4 ist
eine schematische Ansicht einer Druckbeaufschlagungseinrichtung
wie in 3, die in einer weiteren Ausgestaltung gezeigt
ist;
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5 ist
eine schematische Ansicht einer Druckbeaufschlagungseinrichtung
wie in 4, die in noch einer weiteren Ausgestaltung gezeigt
ist; und
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6 ist
eine schematische Ansicht einer Druckbeaufschlagungseinrichtung
wie in 5, die in noch einer weiteren Ausgestaltung gezeigt
ist.
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Detaillierte Beschreibung
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Mit
Bezug auf 1 ist dort ein Motorsystem 10 gemäß der
vorliegenden Offenbarung gezeigt. Das Motorsystem 10 kann
ein Kompressionszündungsmotorsystem sein, wie beispielsweise
ein Dieselmotorsystem, könnte aber in gewissen Ausführungsformen
einen anderen Typ, wie beispielsweise ein Ottomotorsystem, enthalten.
Das Motorsystem 10 beinhaltet einen Motor 12,
der ein Motorgehäuse 16 mit mehreren Zylindern 18 darin
aufweist. Einer mehrerer Kolben 20 ist jeweils einem Zylinder 18 zugeordnet.
Einer mehrerer Kraftstoffinjektoren 22 ist auch jeweils
einem der Zylinder 18 zugeordnet und kann sich wenigstens
teilweise in den entsprechenden Zylinder 18 in gewissen
Ausführungsformen erstrecken. Jeder der Kraftstoffinjektoren 22 ist
fluidmäßig mit einem Common-Rail 14 verbunden
und kann einen Aktuator 38 zum Steuern einer Kraftstoffeinspritzung
auf eine herkömmliche Art und Weise darin beinhalten. Jeder
der Aktuatoren 38 kann ein piezoelektrischer Aktuator oder
irgendein anderer Typ elektrischer Aktuator sein, wie beispielsweise
ein Magnetaktuator. Jeder der Aktuatoren 38 ist elektrisch
mit einer elektronischen Steuereinheit 36, wie beispielsweise
eine Motorsteuerung, oder jeder anderen Steuereinrichtung verbunden.
Ein Drucksensor 34 kann mit dem Common-Rail 14 verbunden
sein und ausgebildet sein, eine Fluiddruckeigenschaft, wie beispielsweise
einen Fluiddruck, eine Änderung in dem Fluiddruck, einen
Betrag einer Änderung in dem Fluiddruck, etc. eines Common-Rail 14 zu
erkennen und Signale an die elektronische Steuereinheit 36 auszugeben.
Die elektronische Steuereinheit 36 kann mit einer Quelle
an mit Druck beaufschlagtem Betätigungsfluid 32,
wie beispielsweise eine Betätigungsfluidförderpumpe,
deren Bedeutsamkeit aus der nachfolgenden Beschreibung hervorgehen
wird, in Steuerverbindung sein. Eine Druckbeaufschlagungseinrichtung 40 ist
stromaufwärts des Common-Rail 14 angeordnet und
kann verwendet werden, um ein Fluid vor dem Zuführen des
Fluids zu dem Common-Rail 14, wie ferner hierin beschrieben ist,
mit Druck zu beaufschlagen. Der Entwurf und der Betrieb der Druckbeaufschlagungseinrichtung 40 ist angedacht,
Vorteile mit Bezug auf eine Leistungsfähigkeit, eine Schlichtheit
und andere Faktoren gegenüber aus dem Stand der Technik
bekannten Common-Rail-Kraftstoffsystemen vorzusehen, wie ferner hierin
beschrieben ist.
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Das
Motorsystem 10 kann ferner eine Kraftstoffzufuhr 24 und
eine damit verbundene Kraftstoffförderpumpe 26 beinhalten,
die ausgebildet ist, einen Kraftstoff einer Einrichtung 40 über
einen Einlass 46 in einem Gehäuse 42 der
Einrichtung 40 zuzuführen. In einer Ausführungsform
führt die Kraftstoffförderpumpe 26 Kraftstoff,
der durch die Einrichtung 40 mit Druck beaufschlagt werden
soll, mit einem relativ niedrigen Druck zu. Das Motorsystem 10 kann
ferner eine Ölzufuhr, wie beispielsweise einen Ölsumpf 28, und
eine Ölförderpumpe 30, die mit der Quelle 32 verbunden
ist, beinhalten. In einer Ausführungsform kann die Quelle 32 eine
Pumpe enthalten (nachfolgend als „Pumpe 32” bezeichnet),
wie beispielsweise eine veränderliche Verdrängerpumpe
oder eine veränderliche Drehzahlpumpe, deren Ausgabe von
einer elektronischen Steuereinheit 36 gesteuert wird. Insbesondere
kann die Pumpe 32 wenigstens einen Aktuator aufweisen,
um entweder die Pumpenrate oder die Verdrängung zum Variieren
der Menge und/oder des Drucks des Fluids, das von der Pumpe 32 an
die Einrichtung 40 ausgegeben wird, über die Zeit
zu steuern. Ein Überstromventil könnte in anderen
Ausführungsformen auch zwischen der Pumpe 32 und
der Einrichtung 40 angeordnet sein, um ein Variieren der
dorthin zugeführten Fluidmenge zu ermöglichen.
In einer Ausführungsform kann die Pumpe 32 ein
mit Druck beaufschlagtes Betätigungsfluid der Einrichtung 40 mit
einem mittleren Druck verglichen mit dem relativ geringen Druck
des Kraftstoffs aus der Pumpe 26 zuführen.
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In
der dargestellten Ausführungsform wird die Einrichtung 40 durch Öl
betätigt und der Kraftstoff wird durch die Einrichtung 40 mit
Druck beaufschlagt bevor der Kraftstoff dem Common-Rail 14 zugeführt wird.
Es sollte angedacht sein, dass die dargestellte Ausführungsform
lediglich beispielhaft ist, und ein Kraftstoff sowohl als das Betätigungsfluid
für die Einrichtung 40 als auch als der mit Druck
beaufschlagte Kraftstoff, der dem Common-Rail 14 zugeführt
wird, verwendet werden könnte. Alternativ könnte
ein Motoröl sowohl als das Betätigungsfluid für
die Einrichtung 40 als auch als das mit Druck beaufschlagte
Fluid, das dem Common-Rail 14, etc. zugeführt
wird, verwendet werden. Typischerweise wird die Einrichtung 40 mit
Druck beaufschlagtes Fluid dem Common-Rail 14 über
wenigstens einen Auslass 48 mit einem relativ hohen Druck
verglichen mit den Fluiddrücken aus der Pumpe 32 und
der Pumpe 26 zuführen. Noch weitere Fluide könnten
in Verbindung mit dem druckbeaufschlagenden Common-Rail 14 verwendet
werden, zum Beispiel könnte ein Getriebefluid, eine Bremsflüssigkeit,
etc. entweder als das Betätigungsfluid für die
Einrichtung 40 oder als das mit Druck beaufschlagte Fluid,
das dem Common-Rail 14 und den Kraftstoffinjektoren 22 zugeführt
wird, verwendet werden.
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Die
Verstärkungseinrichtung 40 kann einen ersten Verstärker 50,
der einen wenigstens teilweise in dem Gehäuse 42 angeordneten
ersten Verstärkerkolben 51 aufweist, und einen
zweiten Verstärker 52 beinhalten, der einen zweiten
auch wenigstens teilweise in dem Gehäuse 42 angeordneten
Verstärkerkolben 53 aufweist. Jeder der Verstärker 50 und 52 kann
eine Druckbeaufschlagungs- oder „Verstärkungs”-Kammer 54 beziehungsweise 56 beinhalten, die
Kraftstoff oder ein anderes Fluid über den Einlass 46 aus
der Förderpumpe 26 empfangen. Ein erstes Rückschlagventil 70a und
ein zweites Rückschlagventil 70b sind fluidmäßig
zwischen dem Einlass 46 und den Verstärkungskammern 54 beziehungsweise 56 in
der gezeigten Ausführungsform angeordnet. Ein drittes Rückschlagventil 72a und
ein viertes Rückschlagventil 72b sind fluidmäßig
zwischen den Kammern 54 und 56 und dem Common-Rail 14 angeordnet,
wodurch der in den Kammern 54 und 56 mit Druck
beaufschlagte Kraftstoff dem Common-Rail 14 zugeführt
werden kann, wenn der Druck in dem Common-Rail 14 geringer
als der in den Kammern 54 und 56 ist.
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Eine
Druckbeaufschlagung des Kraftstoffs über die Verstärker 50 und 52 erfolgt
durch Bewegen jedes Verstärkerkolbens 51 und 53 zwischen
einer ersten, zurückgezogenen Position und einer zweiten, angehobenen
Position. In einer Ausführungsform kann ein erstes Vorspannelement 55 einem
ersten Verstärkerkolben 51 zugeordnet sein und
ein zweites Vorspannelement 57 kann dem zweiten Verstärkerkolben 53 zugeordnet
sein. Entsprechend erfolgt die Bewegung jedes Verstärkerkolbens 51 und 53 von seiner
ersten, zurückgezogenen Position in Richtung seiner zweiten,
angehobenen Position gegen eine Vorbelastung des entsprechenden
Vorspannelements 55 und 57. Ein Zurückkehren
jedes Kolbens 51 und 53 zu seiner entsprechenden
ersten Position, erfolgt über eine Vorspannkraft der Vorspannelemente 55 beziehungsweise 57.
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In
einer Ausführungsform sind die Kolben 51 und 53 phasenverschoben,
so dass sich ein erster der Kolben 51 und 53 an
einer zurückgezogenen Position befindet, wenn sich der
andere der Kolben 51 und 53 an seiner angehobenen
Position befindet. Wie oben erwähnt, kann die elektronische
Steuereinheit 36 Signale von dem Sensor 34 empfangen,
die einer Fluiddruckeigenschaft des Common-Rail 14 zugeordnet
sind. Wenn die Kraftstoffinjektoren 22 betätigt
werden, wird Fluid aus dem Common-Rail 14 verbraucht, wobei
sich sein Druck reduziert. Abhängig von den Betriebsbedingungen
kann die Rate, zu der das Fluid von dem Rail 14 verbraucht
wird, variieren, zum Beispiel basierend auf einer Motordrehzahl und/oder
-last. Typischerweise wird es wünschenswert sein, einen
relativ gleichbleibenden Rail-Druck aufrechtzuerhalten. Zu diesem
Zweck kann die elektronische Steuereinheit 36 Befehle an
die Pumpe 32 ausgeben, um die Rate, bei der sich die Kolben 51 und 53 hin-
und her bewegen, in einer Art geschlossener Kreislauf basierend
auf Signalen von dem Sensor 34 zu steuern. Mit anderen
Worten kann eine Verdrängung der Pumpe 32 oder
eine Anpassung in der Drehzahl der Pumpe 32 die Strömungsrate
des Betätigungsfluids zu der Einrichtung 40 jeweils
variieren, was wiederum die Ausgabe der Einrichtung 40 verändert.
Ein Druckabfall in dem Common-Rail 14 kann folglich durch
Erhöhen der Strömungsrate des Fluids, das über
die Einrichtung 40 dem Common-Rail 14 zugeführt
wird, durch Erhöhen der Hin- und Her-Bewegungsgeschwindigkeit
der Kolben 51 und 53 kompensiert werden.
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Die
Pumpe 32 wird typischerweise eine über Nocken
betriebene Pumpe sein, so dass ihre Drehzahl proportional zu einer
Motordrehzahl ist. Es sind allerdings Entwürfe bekannt,
bei denen ein Getriebe zwischen der Pumpe 32 und dem Motor 12 angeordnet
sein kann, so dass die Drehzahl der Pumpe 32 durch Umschalten
zwischen Übersetzungsbereichen unabhängig von
der Motordrehzahl angepasst werden kann. Ähnlich kann die
Pumpenverdrängung durch Steuern einer zwischen der Pumpe 32 und dem
Einlass 44 angeordneten Auslasseinrichtung variiert werden,
wodurch sich eine variable Menge an von der Pumpe 32 mit
Druck beaufschlagtem Kraftstoff auf eine bekannte Art und Weise,
wie oben erwähnt, zu ergießen.
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Ein
Merkmal der vorliegenden Offenbarung betrifft die Art und Weise,
auf die die Verstärker 50 und 52 über
ein Betätigungsfluid aus der Pumpe 32 betrieben
werden. In einer Ausführungsform wird ein hydraulisch betriebenes,
ein Ventilelement 62 beinhaltendes Steuerventil 60 zwischen
einer ersten Position, bei der es den Einlass 44 mit einem
ersten Verstärkerkolben 51 oder 53, nicht
aber dem zweiten Kolben 51 oder 53, verbindet,
und einer zweiten Position bewegt, bei der es den Einlass 44 mit
dem zweiten Kolben 51 oder 53, nicht aber dem
ersten Kolben 51 oder 53, verbindet. Entsprechend
kann das Ventilelement 62 ein Wechselventil enthalten, das
sich zwischen seiner ersten und zweiten Position hin- und her bewegt
und dabei abwechselnd jedem Kolben 51 und 53 mit
Druck beaufschlagtes Betätigungsfluid aus der Pumpe 32 zuführt.
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Wendet
man sich jetzt 2 zu, werden dort gewisse Merkmale
der Druckbeaufschlagungseinrichtung 40 detaillierter bestimmt.
Wie oben erwähnt, wird jeder der Kolben 51 und 53 über
das mit Druck beaufschlagte Betätigungsfluid, das über
den Einlass 44 oder mehrere Einlässe in weiteren
Ausführungsformen zugeführt wird, betätigt.
Ein erster Verstärker 50 kann eine Betätigungskammer 80 beinhalten,
wobei ein mit Druck beaufschlagtes Betätigungsfluid aus
dem Einlass 44 einen Hydraulikdruck auf eine Druckoberfläche 84 des
Kolbens 51 aufbringen kann, um den Kolben 51 von
seiner ersten Position, wie gezeigt ist, in Richtung seiner angehobenen
Position gegen die Vorspannkraft eines Vorspannelements 55 zum
Verdichten des Fluids in der Kammer 54 anzuheben. Der zweite
Verstärker 52 beinhaltet ähnlich eine
Betätigungskammer 82, wobei ein mit Druck beaufschlagtes
Betätigungsfluid, das über einen Einlass 44 zugeführt
wird, auf eine Druckoberfläche 86 wirken kann,
um den Kolben 53 von seiner ersten Position zu seiner zweiten
Position, wie gezeigt ist, zu bewegen. Ein Einlassdurchgang 70 steht
mit dem Einlass 44 in Verbindung und überträgt
ein mit Druck beaufschlagtes Betätigungsfluid aus einer
Pumpe 32 zu einem Steuerventil 60. Ein Ringraum 64 in
dem Ventilelement 62 enthält einen Fluiddurchgang,
der den Durchgang 70 abwechselnd mit einem ersten mit der
Kammer 80 verbundenen Durchgang 72 und einem zweiten
mit der Kammer 82 verbundenen Durchgang 73 verbinden
kann. Ein Steuerventilelement 62 ist zwischen einer ersten
Position, wie in 2 gezeigt ist, bei der der Ringraum 64 fluidmäßig mit
den Durchgangen 70 und 72 verbunden ist, und einer
zweiten Position, bei der der Ringraum 64 fluidmäßig
mit den Durchgangen 70 und 73 verbunden ist, beweglich.
In einer Ausführungsform ist das Ventilelement 62 zwischen
seiner ersten Position, die in 2 gezeigt
ist, und seiner zweiten Position über einen Hydraulikdruck,
der auf eine erste Steueroberfläche oder Druckoberfläche 63a aufgebracht
wird, gegen einen Hydraulikdruck, der auf eine zweite Steueroberfläche
oder Druckoberfläche 63b, die der Steueroberfläche 63a gegenüber
liegt, aufgebracht wird, beweglich.
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Ein
Bewegen des Ventilelements 62 zwischen seinen entsprechenden
Positionen kann wenigstens teilweise über die Kolben 51 und 53 bewirkt werden.
Mit anderen Worten kann der Betrieb der Verstärker 50 und 52 bewirken,
dass sich das Ventilelement 62 zwischen seiner ersten und
zweiten Position, bei denen es abwechselnd mit Druck beaufschlagtes
Betätigungsfluid aus dem Einlass 44 den Kammern 80 beziehungsweise 82 zuführt,
vor- und zurück bewegt. In einer Ausführungsform
kann der Betrieb der Verstärker 50 und 52 abwechselnd
das Steuerventil 60 mit einem Niederdruckauslass oder -abfluss 58 aus
dem Gehäuse 42 verbinden. Zu diesem Zweck kann
die Einrichtung 40 einen ersten Drucksteuerdurchgang 76 beinhalten,
der die Drucksteueroberfläche 63b mit dem Niederdruck
des Abflusses 58 über einen ringförmigen
Raum 92 und Durchgänge 88 des Kolbens 51 verbinden
kann, wenn sich der Kolben 51 in seiner angehobenen Position
befindet. Ein weiterer Drucksteuerdurchgang 74 kann die
Drucksteueroberfläche 63a mit dem Niederdruck
des Abflusses 58 wenn sich der zweite Kolben 53 in
seiner angehobenen Position befindet, wie in 2 gezeigt
ist, über einen ringförmigen Raum 94 und
Durchgänge 90 des Kolbens 53 verbinden, wenn
der Kolben 53 sich in seiner angehobenen Position befindet.
Wenn die Kolben 51 und 53 sich in ihren entsprechend
zurückgezogenen Positionen befinden, ist die Verbindung
zwischen dem entsprechenden Drucksteuerdurchgang und dem Abfluss 58 blockiert,
wie mit Bezug auf den Kolben 51 in 2 gezeigt
ist.
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Auf
diese allgemeine Art und Weise verbindet das Hin- und Herbewegen
der Kolben 51 und 53 zwischen ihren angehobenen
und zurückgezogenen Positionen abwechselnd die Drucksteuerdurchgänge 76 und 74 mit
dem Abfluss 58. Relativ hoher Druck und relativ niedriger
Druck werden abwechselnd den Druckoberflächen 63a und 63b zugeführt,
da die Kolben 51 und 53 sich zwischen ihren zurückgezogenen und
angehobenen Positionen vor- und zurück bewegen, wie ferner
hierin beschrieben ist. Das Steuerventilelement 62 kann
eine erste Öffnung 68a und eine zweite Öffnung 68b beinhalten,
die jeweils mit einem längslaufenden Fluiddurchgang 69 verbunden sind,
der wiederum mit dem Ringraum 64 verbunden ist, damit ein
Hochdruckfluid den Druckoberflächen 63a und 63b zugeführt
werden kann, wie durch eine Position des Ventilelements 62,
das auch ferner hierin beschrieben ist, bestimmt ist. Die Einrichtung 40 kann
ferner einen ersten Verzweigdurchgang 79 beinhalten, die
wahlweise mit der Kammer 80 über einen weiteren
Durchgang 75 basierend auf einer Position des Ventilelements 62 verbunden
ist. Ein zweiter Verzweigdurchgang 78 ist wahlweise mit
der Kammer 82 über einen weiteren Durchgang 77 auch basierend
auf einer Position des Ventilelements 62 verbunden.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Wenn
die Einrichtung 40 in der in 2 gezeigten
Anordnung ist, befindet sich der Kolben 51 in seiner ersten,
zurückgezogenen Position. Der Kolben 53 befindet
sich in seiner angehobenen Position, wobei er gerade das Druckbeaufschlagen
des Fluids in der Kammer 56 beendet hat und den Drucksteuerdurchgang 74 zu
dem Niederdruckabfluss 58 geöffnet hat, so dass
sich das Ventilelement 62 zu einer Position bewegt hat,
bei der es fluidmäßig den Einlassdurchgang 70 mit
der Kammer 80 über den Ringraum 64 verbindet.
Hoher Druck wird folglich der Kammer 80 zugeführt,
wobei eine Absicht des Kolbens 51, sich von seiner zurückgezogenen
Position, wie gezeigt, weg in Richtung seiner angehobenen Position
zu bewegen, übermittelt wird. Die Kammer 82 wird
von dem hohen Druck abgesperrt und das Vorspannelement 57 drängt
den Kolben 53 zurück in Richtung seiner zurückgezogenen
Position. Die Kammer 82 ist fluidmäßig
mit dem Durchgang 78 über einen Ringraum 67 des
Ventilelements 62 verbunden. Die Kammer 54 wird
typischerweise wenigstens teilweise mit Fluid, das mit Druck beaufschlagt werden
soll und dem Rail 14 zugeführt werden soll, gefüllt.
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Aus
der in 2 gezeigten Anordnung wird der Kolben 51 dazu
neigen, sich in Richtung seiner angehobenen Position in Erwiderung
auf den Fluiddruck in der Kammer 80, der auf die Oberfläche 84 einwirkt,
zu bewegen. Der Kolben 53 wird dazu neigen, sich in Richtung
seiner zurückgezogenen Position unter dem Einfluss des
Vorspannelements 57 zu bewegen. Auch mit Bezug auf 3,
da sich der Kolben 53 in Richtung seiner zurückgezogenen
Position bewegt, wird er den Drucksteuerdurchgang 74 versperren.
Da sich der Kolben 51 in Richtung seiner angehobenen Position
bewegt, wird er den Durchgang 78 öffnen, wobei
Fluidverbindungen zwischen dem Durchgang 78 und dem ringförmigen
Raum 92 hergestellt werden. Bei der in 3 gezeigten
Anordnung können Fluidverbindungen folglich zwischen der
Kammer 82 und dem ringförmigen Raum 92 über die
Durchgänge 77 und 78 über den
Ringraum 67 existieren. Da sich der Kolben 53 in
der in 3 gezeigten Darstellung nach links bewegt, und
sich der Kolben 51 nach rechts bewegt, kann das Fluid aus der
Kammer 82 in den ringförmigen Raum 92 und schließlich
zu dem Abfluss 58 über die Durchgänge 88 hinüberströmen.
Das Ventilelement 62 kann an seiner ersten Position verbleiben,
bei der es Fluidverbindungen zwischen dem Durchgang 70 und
der Kammer 80 vorsieht.
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Mit
Bezug auf 4 ist eine Einrichtung 40 in einer
Anordnung gezeigt, bei der sich die Kolben 51 und 53 ferner
in Richtung ihrer entsprechend angehobenen oder zurückgezogenen
Position relativ zu der Anordnung, die in 3 gezeigt
ist, bewegt haben. Die Drucksteuerdurchgänge 74 und 76 bleiben von
dem Abfluss 58 durch ihre zugeordneten Kolben 53 beziehungsweise 51 abgesperrt.
Das Ventilelement 62 verbindet den Einlassdurchgang 70 fluidmäßig
mit der Kammer 80 über den Ringraum 64.
Der Kolben 51 hat sich zu einer Position bewegt, bei der er
den Verzweigdurchgang 78 blockiert oder nahezu blockiert,
und der Kolben 51 beaufschlagt das Fluid in der Kammer 54 mit
Druck.
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Wendet
man sich 5 zu, ist dort eine Einrichtung 40 in
einer anderen Ausgestaltung gezeigt, bei der sich der Kolben 51 in
seiner angehobenen Position befindet, wobei er gerade das Druckbeaufschlagen
des Fluids in der Kammer 54 beendet hat, und der Kolben 53 ist
zu seiner zurückgezogenen Position zurückgekehrt.
Der Kolben 51 hat sich bewegt, um die Fluidverbindungen
zwischen der Kammer 80 und dem Verzweigdurchgang 78,
die immer noch über den Ringraum 67 in Fluidverbindung
mit dem Durchgang 77 und der Kammer 82 sein können,
zu öffnen. Der Kolben 53 versperrt den Verzweigdurchgang 79 und
den Drucksteuerdurchgang 74. Das Ventilelement 62 befindet
sich immer noch in seiner ersten, linken Position, bei der es den
Einlassdurchgang 70 fluidmäßig mit der
Kammer 80 verbindet. Es wird angemerkt, dass der Kolben 51 sich
in eine Position bewegt hat, bei der er den Drucksteuerdurchgang 76 nicht
länger versperrt, und entsprechend kann die Druckoberfläche 63b dem
relativ geringen Druck des Abflusses 58 ausgesetzt sein.
Es wird wiederholt, dass der Durchgang 69 typischerweise
immer mit dem Einlassdurchgang 70, der Hochdruckfluid zuführt,
in Fluidverbindung sein wird. Der Drucksteuerdurchgang 74 wird
von dem Abfluss 58 abgesperrt und folglich kann der Fluiddruck,
der auf die Druckoberfläche 63a aufgebracht wird,
beginnen, relativ zu dem Fluiddruck, der auf die Oberfläche 63a aufgebracht
wird, anzusteigen, da das Hochdruckfluid fortfahren wird, durch
den Durchgang 69 und die Öffnung 68a gefördert
zu werden. Entsprechend kann das Ventilelement 62 aus der
in 5 gezeigten Anordnung in Richtung einer zweiten
Position, rechts in der in 5 gezeigten
Darstellung, gezwungen werden.
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Wendet
man sich 6 zu, ist dort eine Einrichtung 40 in
einer Anordnung gezeigt, bei der sich das Ventilelement 62 nach
rechts bewegt hat und nun die Kammer 82 mit dem Einlassdurchgang 70 über den
Ringraum 64 fluidmäßig verbindet. Der
Kolben 51 hat begonnen, zu seiner zurückgezogenen
Position zurückzukehren, hat aber dennoch den Drucksteuerdurchgang 76,
der bei einem relativ niedrigen Druck bleibt, komplett abzusperren.
Der Kolben 53 hat begonnen, sich unter dem Einfluss von
hohem Druck in der Kammer 82, der auf die Oberfläche 86 wirkt,
in Richtung seiner angehobenen Position zu bewegen. Der Drucksteuerdurchgang 74 ist
durch den Kolben 53 und folglich bei einem relativ hohen Druck
versperrt. In der in 6 gezeigten Position kann das
Ventilelement 62 auch fluidmäßig den
Verzweigdurchgang 79 mit dem Durchgang 75 über
den Ringraum 66 verbinden, obwohl der Verzweigdurchgang 79 durch
den Kolben 53 versperrt bleibt.
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Aus
der in 6 gezeigten Anordnung werden die Kolben 51 und 53 ihre
entsprechenden zurückziehenden und anhebenden Bewegungen
beenden. Der Kolben 53 wird sich abermals zu einer Position
bewegen, bei der er den Drucksteuerdurchgang 74 zu dem
Abfluss 58 öffnet, und das Ventilelement 62 wird
sich in Richtung seiner ersten Position, die in 2 gezeigt
ist, zurückbewegen. Es wird folglich angedacht, dass das
Steuerventil 60 seine beabsichtigte Steuerfunktion durchführen
kann, abwechselnd Hochdruckfluid den Kammern 80 und 82 zuzuführen, um
eine Betätigung der Kolben 51 und 53 zum
Druckbeaufschlagen des Fluids in den Kammern 54 beziehungsweise 56 zum
Zuführen zu dem Rail 14 zu bewirken. Es wird ferner
angedacht, dass die Steuerung des Zustands des Ventils 60 mit
Positionen der Kolben 51 und 53 verbunden sein
kann. In einer Ausführungsform ist alles, was für
die Einrichtung 40 zum Betreiben notwendig ist, das Zuführen
von mit Druck beaufschlagtem Fluid über den Einlassdurchgang 70.
Es sind keine elektronischen Steuerungen oder elektrisch angetriebene
Aktuatoren erforderlich, obwohl sie in gewissen angedachten Ausführungsformen
beinhaltet sein können.
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Die
Einrichtung 40 kann folglich gänzlich hydraulisch
arbeiten und weist den zusätzlichen Vorteil auf, geeignet
zu sein, einen Betrieb ungeachtet des Zustands, indem sie sich befindet,
zu beginnen, wenn der Betrieb ausgesetzt wird. Mit anderen Worten,
wenn das Motorsystem 10 runtergefahren wird, dann wieder
gestartet wird, beginnt die Einrichtung 40, in ihrer angedachten
Art und Weise automatisch zu arbeiten, sobald ihr mit Druck beaufschlagtes
Fluid zugeführt wird. Dieses und andere Merkmale unterscheiden
sich von früheren Systemen und verbessern frühere
Systeme, bei denen relativ komplizierte elektronische Steuerventilstrategien,
sowie die zugeordnete Steuerlogik und Hardware verwendet werden.
In vielen Fällen kann ein Common-Rail-System, das Druckerkennung
in Bezug auf den Rail zum Steuern einer Rail-Förderpumpe
verwendet, über dieselbe oder eine ähnliche früher
verwendete Steuerlogik betrieben werden, um eine Einrichtung, wie beispielsweise
eine Einrichtung 40, mit einzuschließen. Folglich
kann es in vielen Fällen möglich sein, bestehende
Steuersoftware und Hardware zum Steuern eines eine Einrichtung 40 darin
enthaltenden Systems zu verwenden, da die Ausgabe einer Pumpe, wie
beispielsweise einer Pumpe 32, zum Druckbeaufschlagen der
Einrichtung 40 auf eine ähnliche Art und Weise
wie die, die in Systemen verwendet wird, in denen die Pumpe direkt
dem Rail zufördert, gesteuert werden kann.
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Die
vorliegende Offenbarung bietet die weiteren Vorteile, ein System
und eine Betriebsstrategie vorzusehen, bei denen gewisse Systemkomponenten
so effizient wie möglich betrieben werden. Zum Beispiel
ist es unter Verwendung von piezoelektrischen Aktuatoren als Aktuatoren 38 angedacht,
ein System vorzusehen, bei dem sehr geringe Leckagen und folglich
verschwendete Energie entsteht. Des Weiteren können die
Aktuatoren 38 die Höchstdruckdynamischekomponente
des Systems 10 enthalten, und wo piezoelektrische Aktuatoren
verwendet werden, kann dies ein maximales Druckvermögen
und eine verbesserte Leistungsfähigkeit gegenüber
Magnetaktuatoren und ähnlichen vorsehen. Die Pumpe 32 kann
auch mit einem relativ geringeren Druck als in anderen Common-Rail-Systemen
betrieben werden und ist folglich der reduzierten Antriebsdrehmomentschwankung
und dem geringeren Systemlärm zugeordnet. Gewisse Komponenten
können auch derart abgestimmt sein, dass sie in ihrem effektivsten Bereich
arbeiten. Zum Beispiel kann das Auslassdruckerfordernis für
die Pumpe 32 im Allgemeinen auf einem Verstärkungsverhältnis
der Einrichtung 40 basieren. Das Verstärkungsverhältnis
für jeden der Verstärker 50 und 52 wird
typischerweise ungefähr gleich einem Durchmesser des entsprechenden
Kolbens, d. h. der Oberflächen 84 und 86,
geteilt durch einen Durchmesser des Stempels, der das Fluid in der
entsprechenden Kammer 54 beziehungsweise 56 mit
Druck beaufschlagt, im Quadrat und multipliziert mit dem Einlassdruck
zu der Einrichtung 40 sein. Beim Entwerfen eines Systems
gemäß der vorliegenden Offenbarung können
die oben beschriebenen Abmaße relativ leicht derart abgeändert
werden, dass ein Druckbereich für die Pumpe 32 festgelegt werden
kann, der optimal effizient ist.
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Die
vorliegende Beschreibung dient lediglich darstellenden Zwecken und
sollte nicht ausgelegt werden, um den Umfang der vorliegenden Offenbarung
auf irgendeine Weise zu beschränken. Folglich werden die
Fachleute erkennen, dass verschiedene Abänderungen in den
vorliegend offenbarten Ausführungsformen vorgenommen werden
könnten, ohne von dem gesamten und angemessenen Umfang
der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Zum Beispiel, obwohl die
Einrichtung 40 in dem Kontext einer Doppel-Kolben-Druckbeaufschlagungseinrichtung gezeigt
ist, ist die vorliegende Offenbarung nicht darauf beschränkt
und in anderen Ausführungsformen könnte eine größere
Anzahl Kolben verwendet werden. Ferner, obwohl zwei hydraulische
Steueroberflächen 63a und 63b in Verbindung
mit dem Ventil 60 gezeigt sind, könnte in anderen
Ausführungsformen eine einzige hydraulische Steueroberfläche
und ein elektrischer Aktuator verwendet werden. Weitere Aspekte,
Merkmale und Vorteile werden aus einer Betrachtung der angehängten
Zeichnungen und beigefügten Ansprüche ersichtlich.
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Zusammenfassung
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MOTOR MIT EINEM COMMON-RAIL-VERSTÄRKER
UND VERFAHREN
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Ein
Verbrennungsmotor (12) beinhaltet ein Motorgehäuse
(16), einen Common-Rail (14) und eine Druckbeaufschlagungseinrichtung
(40) für das Common-Rail-Kraftstoffsystem (14),
die mehrere Verstärkerkolben (51, 53)
und ein hydraulisch betätigtes Steuerventil (60)
beinhaltet, das sich zwischen einer ersten Position, bei der es
fluidmäßig eine Quelle an mit Druck beaufschlagtem
Betätigungsfluid (32) mit einem Verstärkerkolben
(51), aber nicht mit einem zweiten Verstärkerkolben
(53), verbindet, und einer zweiten Position bewegen kann,
bei der es den wenigstens einen Fluideinlass mit dem zweiten Verstärkerkolben
(53), nicht aber mit dem ersten (51) der Verstärkerkolben
(51), fluidmäßig verbindet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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