EP0968367B1 - Kraftstoffeinspritzsystem für eine brennkraftmaschine - Google Patents

Kraftstoffeinspritzsystem für eine brennkraftmaschine Download PDF

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EP0968367B1
EP0968367B1 EP98919115A EP98919115A EP0968367B1 EP 0968367 B1 EP0968367 B1 EP 0968367B1 EP 98919115 A EP98919115 A EP 98919115A EP 98919115 A EP98919115 A EP 98919115A EP 0968367 B1 EP0968367 B1 EP 0968367B1
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EP
European Patent Office
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fuel
pressure
leading
lines
pressure lines
Prior art date
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EP98919115A
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English (en)
French (fr)
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EP0968367A1 (de
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Jörg MATTHIES
Günther Schmidt
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Rolls Royce Solutions GmbH
Original Assignee
MTU Friedrichshafen GmbH
MTU Motoren und Turbinen Union Friedrichshafen GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M55/00—Fuel-injection apparatus characterised by their fuel conduits or their venting means; Arrangements of conduits between fuel tank and pump F02M37/00
    • F02M55/02—Conduits between injection pumps and injectors, e.g. conduits between pump and common-rail or conduits between common-rail and injectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M55/00—Fuel-injection apparatus characterised by their fuel conduits or their venting means; Arrangements of conduits between fuel tank and pump F02M37/00
    • F02M55/02—Conduits between injection pumps and injectors, e.g. conduits between pump and common-rail or conduits between common-rail and injectors
    • F02M55/025—Common rails
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M55/00—Fuel-injection apparatus characterised by their fuel conduits or their venting means; Arrangements of conduits between fuel tank and pump F02M37/00
    • F02M55/04—Means for damping vibrations or pressure fluctuations in injection pump inlets or outlets
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/40—Fuel-injection apparatus with fuel accumulators, e.g. a fuel injector having an integrated fuel accumulator

Definitions

  • the invention relates to a fuel injection system for an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • High-pressure accumulator In internal combustion engines, especially in large-volume diesel engines increasingly use fuel injection systems where fuel from one Fuel supply in a high pressure pump through a high pressure line High pressure accumulator is delivered. Of the one that acts as an oil-elastic reservoir High-pressure accumulator will supply the fuel via further high-pressure lines Fuel injectors supplied, which inject the fuel into the Inject the combustion chambers of the internal combustion engine.
  • the high pressure accumulator has so far mainly provided in the form of a so-called common rail, in which it is an elongated tubular element, of which the individual Branch high pressure lines supplying fuel injectors.
  • Fuel injection systems are known in which in addition to or instead of such common high-pressure accumulator in the form of a common rail for everyone Fuel injector separately provided high-pressure storage as individual storage are.
  • Fuel injection systems where in addition to a common High-pressure accumulators each have a separate one for each fuel injector Individual storage is available from DE 43 41 543 A1 and DE 43 41 546 A1 known.
  • the fuel injection system known from the first publication in that from the common high pressure accumulator to that for each fuel injector separately provided high-pressure accumulator leading high-pressure line a parallel connection a non-return valve in the direction of fuel delivery and a throttle provided, causing an uncontrolled backflow of fuel from the separate High-pressure accumulator in the common high-pressure accumulator and influencing the Pressure in the separate pressure storage rooms of the other fuel injectors should be avoided while the check valve is a quick refill of the should enable separate high-pressure accumulator from the common high-pressure accumulator.
  • Such measures to avoid mutual influence of the pressure in the separate high-pressure accumulators are in the from the second document known fuel injection system is not provided.
  • a fuel injection system is known from DE 43 44 190 A1, in which high-pressure accumulators separately provided for each fuel injector High pressure lines from a fuel supply using a high pressure pump high pressure fuel is supplied.
  • a check valve switched In each a fuel injector with the assigned high pressure line connecting high pressure line is a check valve switched, which is used during a printing interval by the with the Injection process or pressure drop occurring in the event of a leak is characterized, limit the amount of fuel flowing through it. Measures through which a mutual influence of the pressure in the individual high-pressure accumulators avoided are not specified, however.
  • the object of the invention is an improved fuel injection system for a Specify internal combustion engine.
  • a fuel injection system for an internal combustion engine in particular a diesel engine, which contains a number of fuel injectors for injecting fuel into the combustion chambers of the internal combustion engine and a high-pressure pump which supplies the fuel injectors via a common feed line and high-pressure lines leading to the individual fuel injectors.
  • high-pressure lines leading to the fuel injectors high-pressure stores having a specific fuel storage volume are provided.
  • the fuel storage volume of each of the high-pressure stores is between 80 and 300 times, preferably between 120 and 200 times the maximum injection quantity per injection process, and that the diameter D 2 of the high-pressure lines leading from the common feed line to the high-pressure stores is such that that the high-pressure lines exert a throttling effect on the fuel flowing through, in such a way that the spray quantity difference between the fuel injectors assumes a minimum.
  • the invention is essentially based on the knowledge that a variation in the diameter D 2 of the high-pressure lines leading from the common feed line to the high-pressure accumulators leads within a relatively small range to a significant change in the spray quantity difference of the individual fuel injectors and a pronounced one in the range of the optimal diameter Minimum.
  • the fuel injection system can be designed so that the spray quantity difference is minimal and uniform ignition pressures from cylinder to cylinder are achieved.
  • the minimum of the spray quantity difference means that the mutual influence of the individual pressure storage spaces also has a minimum.
  • a major advantage of the fuel injection system according to the invention is that the individual high-pressure accumulators supplying high-pressure lines have a low level Can have diameters and are therefore easy to bend and assemble.
  • Another advantage is that in order to minimize the mutual influence of the individual High pressure accumulator no additional elements such as check valves required are. Valves have e.g. B. due to the inertia of the moving components delayed response, so that the spread of pressure disturbances and the mutual influence of the injectors cannot be prevented.
  • the diameter D 4 of the high-pressure lines leading from the high-pressure accumulators to the fuel injectors is determined at least so large that the speed cg 4 of the fuel in these high-pressure lines during the injection process is not greater than 30 m / s, is preferably not greater than 25 m / s.
  • the lengths of the common Inlet line to the high pressure lines leading high pressure accumulators are the same. This is to ensure that the individual influences each other High pressure accumulator is the same for all fuel injectors.
  • the fuel injection system shown in Figure 1 contains a number of Fuel injectors 5 for injecting fuel into the combustion chambers Internal combustion engine, in particular a diesel engine.
  • the fuel injectors 5 are controlled by means of a control unit not specifically shown in FIG. 1 so that a optimally matched to the speed and load condition of the internal combustion engine Amount of fuel is injected into the combustion chambers of the internal combustion engine.
  • a Fuel supply also not specifically shown in FIG. 1, is by means of an or a plurality of high-pressure pumps 6, the fuel first a common feed line 1 supplied, of which 5 serves to supply the individual fuel injectors Branch high-pressure lines 2.4.
  • two feed lines 1 are provided, each of which has four fuel injectors 5 supply together, as is the case with an 8V diesel engine.
  • High-pressure accumulator 3 In the high-pressure lines 2, 4 leading to the fuel injectors 5 High-pressure accumulator 3 is provided, one for each fuel injector 5 common supply line 1 to the high-pressure accumulator 3 leading part of the High-pressure line is designated by the reference number 2, whereas that of the High-pressure accumulator 3 leading to the fuel injector 5 part of the high-pressure line Reference number 4 carries.
  • the high-pressure accumulator 3 act as an oil-elastic accumulator, in the Fuel storage volume under the high pressure supplied by the high pressure pump 6 acted upon fuel is supplied to the fuel injectors 5.
  • the fuel storage volume of each of the high-pressure accumulators 3 is between 80 and 300 times, preferably between 120 and 200 times the maximum amount of each Injection process from a fuel injector 5 into the associated combustion chamber Internal combustion engine fuel to be injected.
  • the diameter D 2 of the part 2 of the high-pressure line leading from the common supply line 1 to the high-pressure accumulator 3 is dimensioned such that the spray quantity difference between the fuel injectors 5 assumes a minimum at the nominal speed of the internal combustion engine.
  • the diagram shown in FIG. 2 shows the maximum spray quantity difference between the individual fuel injectors, that is to say the spray quantity difference from cylinder to cylinder of the internal combustion engine.
  • the diameter D 2 of the high-pressure lines 2 leading from the common feed line 1 to the high-pressure stores 3 was varied between 1.0 and 5.0 mm, in the range from 1.0 to 3.5 mm in increments of 0 , 5 mm and then in a further step of 1.5 mm.
  • the spray quantity difference in the range from 1.5 to 2.5 mm has a minimum with values between 0.25 to 0.35%, the focus of which is at a diameter D 2 of 2.0 mm, however there shows a local maximum, which, however, is not to be discussed in more detail here.
  • the significant influence of the diameter D 2 of the high-pressure lines 2 on the spray quantity difference between the individual fuel injectors can be explained by a strong damping of the returning pressure waves occurring in the high-pressure lines when the fuel injectors 5 are opened and closed, by the mutual influence of the individual high-pressure accumulators 3 and thus the amount of fuel delivered to the fuel injectors 5 can be kept very low without additional measures such as check valves or throttles.
  • the common inlet line 1 does not serve as a pressure accumulator but only for filling the high-pressure lines 2, 4 leading from the common inlet line 1 to the fuel injectors 5 separate high-pressure accumulator 3.
  • D 1 of the common inlet line 1 and the diameter D 2 of the high-pressure lines 2 leading from it to the high-pressure accumulators 3 D 1 ⁇ n R 1/2 ⁇ D 2 where n R is the number of fuel injectors 5 connected to the common feed line 1.
  • An essential object of the invention is to influence the pressure in each other the individual high-pressure accumulators 3 without the use of additional mass-laden and thus keeping sluggish reacting components as low as possible and minimizing them To obtain the difference between the injection quantities of the fuel injectors 5 with one another. For this it is necessary for the individual fuel injectors 5 to be essentially the same Conditions related to their supply of high pressure fuel be valid. In addition to an identical design of the high-pressure accumulator 3, this will achieved that the lengths of the common inlet line 1 to the High pressure storage 3 leading high pressure lines, as well as that of the High-pressure accumulators 3 leading to high-pressure lines 4 leading to fuel injectors 5 are the same.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei Brennkraftmaschinen, insbesondere bei großvolumigen Dieselmotoren finden zunehmend Kraftstoffeinspritzsysteme Verwendung, bei welchen Kraftstoff von einem Kraftstoffvorrat mittels einer Hochdruckpumpe über eine Hochdruckleitung in einen Hochdruckspeicher geliefert wird. Von dem als ölelastischer Speicher wirkenden Hochdruckspeicher wird der Kraftstoff über weitere Hochdruckleitungen an Kraftstoffinjektoren geliefert, welche während Einspritzvorgängen den Kraftstoff in die Brennräume der Brennkraftmaschine einspritzen. Der Hochdruckspeicher wurde bisher überwiegend in Form einer sogenannten Common-Rail-Schiene vorgesehen, bei welcher es sich um ein rohrförmiges langgestrecktes Element handelt, von welcher die die einzelnen Kraftstoffinjektoren versorgenden Hochdruckleitungen abzweigen. Weiterhin sind Kraftstoffeinspritzsysteme bekannt, bei denen zusätzlich oder anstelle eines solchen gemeinsamen Hochdruckspeichers in Form einer Common-Rail-Schiene für jeden Kraftstoffinjektor separat vorgesehene Hochdruckspeicher als Einzelspeicher vorgesehen sind.
Kraftstoffeinspritzsysteme, bei denen zusätzlich zu einem gemeinsamen Hochdruckspeicher jeweils ein für jeden Kraftstoffinjektor separat vorgesehener Einzelspeicher vorhanden ist, sind aus der DE 43 41 543 A1 und der DE 43 41 546 A1 bekannt. Bei dem aus der ersteren Druckschrift bekannten Kraftstoffeinspritzsystem ist in der von dem gemeinsamen Hochdruckspeicher zu dem für jeden Kraftstoffinjektor separat vorgesehenen Hochdruckspeicher führenden Hochdruckleitung eine Parallelschaltung aus einem in der Kraftstofförderrichtung durchgängigen Rückschlagventil und einer Drossel vorgesehen, wodurch ein unkontrolliertes Rückströmen von Kraftstoff aus dem separaten Hochdruckspeicher in den gemeinsamen Hochdruckspeicher und eine Beeinflussung des Druckes in den separaten Druckspeicherräumen der anderen Kraftstoffinjektoren vermieden werden soll, während das Rückschlagventil ein rasches Nachfüllen der separaten Hochdruckspeicher aus dem gemeinsamen Hochdruckspeicher ermöglichen soll. Derartige Maßnahmen zur Vermeidung gegenseitiger Beeinflussung des Druckes in den separaten Hochdruckspeichern sind bei dem aus der zweitgenannten Druckschrift bekannten Kraftstoffeinspritzsystem nicht vorgesehen.
Weiterhin ist aus der DE 43 44 190 A1 ein Kraftstoffeinspritzsystem bekannt, bei dem jeweils für jeden Kraftstoffinjektor separat vorgesehenen Hochdruckspeichern über Hochdruckleitungen mittels einer Hochdruckpumpe aus einem Kraftstoffvorrat unter hohem Druck stehender Kraftstoff zugeführt wird. In jede einen Kraftstoffinjektor mit dem zugeordneten Hochdruckspeicher verbindende Hochdruckleitung ist ein Sperrventil geschaltet, welches dazu dient, die während eines Druckintervalls, das durch den mit dem Einspritzvorgang oder aber im Leckagefall auftretenden Druckabfall charakterisiert ist, hindurchfließende Kraftstoffmenge zu begrenzen. Maßnahmen, durch welche eine gegenseitige Beeinflussung des Druckes in den einzelnen Hochdruckspeichern vermieden werden sollen, sind jedoch nicht angegeben.
Die Aufgabe der Erfindung ist es ein verbessertes Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine anzugeben.
Gemäß der Erfindung wird ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Dieselmotor geschaffen, das eine Anzahl von Kraftstoffinjektoren zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennräume der Brennkraftmaschine und eine die Kraftstoffinjektoren über eine gemeinsame Zulaufleitung und zu den einzelnen Kraftstoffinjektoren führende Hochdruckleitungen mit Kraftstoff versorgende Hochdruckpumpe enthält. In den zu den Kraftstoffinjektoren führenden Hochdruckleitungen sind jeweils ein bestimmtes Kraftstoffspeichervolumen aufweisende Hochdruckspeicher vorgesehen. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, daß das Kraftstoffspeichervolumen jedes der Hochdruckspeicher zwischen 80 und 300 mal, vorzugsweise zwischen 120 und 200 mal die maximale Einspritzmenge pro Einspritzvorgang beträgt, und daß der Durchmesser D2 der von der gemeinsamen Zulaufleitung zu den Hochdruckspeichern führenden Hochdruckleitungen so bemessen ist, daß die Hochdruckleitungen auf den durchströmenden kraftstoff eine Drosselwirkung ansüben, derart, daß die Spritzmengendifferenz der Kraftstoffinjektoren untereinander ein Minimum annimmt.
Die Erfindung beruht im wesentlichen auf der Erkenntnis, daß eine Variation des Durchmessers D2 der von der gemeinsamen Zulaufleitung zu den Hochdruckspeichern führenden Hochdruckleitungen bereits innerhalb eines relativ kleinen Bereichs zu einer signifikanten Veränderung der Spritzmengendifferenz der einzelnen Kraftstoffinjektoren führt und im Bereich des optimalen Durchmessers ein ausgeprägtes Minimum aufweist. Unter Verwendung dieses Minimums kann das Kraftstoffeinspritzsystem so ausgelegt werden, daß die Spritzmengendifferenz minimal ist und gleichmäßige Zünddrücke von Zylinder zu Zylinder erreicht werden. Das Minimum der Spritzmengendifferenz bedeutet, daß der gegenseitige Einfluß der einzelnen Druckspeicherräume ebenfalls ein Minimum aufweist.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems ist es, daß die die einzelnen Hochdruckspeicher versorgenden Hochdruckleitungen einen geringen Durchmesser aufweisen können und damit leicht zu biegen und zu montieren sind. Ein weiterer Vorteil ist es, daß zur Minimierung der gegenseitigen Beeinflussung der einzelnen Hochdruckspeicher keine zusätzlichen Elemente wie etwa Rückschlagventile erforderlich sind. Ventile besitzen z. B. aufgrund der Massenträgheit der bewegten Bauteile ein verzögertes Ansprechverhalten, so daß die Ausbreitung von Druckstörungen und die gegenseitige Einflußnahme der Injektoren damit nicht verhindert werden kann. Da beim erfindungsgemäßen Einspritzsystem die die einzelnen Hochdruckspeicher versorgenden Hochdruckleitungen auf den durchströmenden Kraftstoff eine Drosselwirkung ausüben, besteht weiterhin ein Selbstschutz der Brennkraftmaschine gegen Überdrehzahl, weil im Falle des Auftretens einer solchen die Hochdruckspeicher nicht mehr vollständig gefüllt werden.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, daß der Durchmesser D2 der von der gemeinsamen Zulaufleitung zu den Hochdruckspeichern führenden Hochdruckleitungen die folgende Bedingung erfüllt: D2 ≈ ((4 × (VE + VL)) / (cg2 × π × TASP))1/2 wobei
VE
das maximale Einspritzvolumen pro Einspritzvorgang,
VL
eine ggf. am Kraftstoffinjektor anfallende Steuer- und Leckagemenge pro Einspritzvorgang,
cg2
einen Normwert für die Kraftstoffgeschwindigkeit in der Leitung,
TASP
die Zeitdauer für ein Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine
bedeuten, wobei die Werte für VE, VL und TASP durch die Auslegung der Brennkraftmaschine gegeben sind und cg2 zwischen 5 und 50 m/s betragen soll. Bei langen, dünnen Leitungen liegt der Wert für cg2 zwischen 5 und 25 m/s, und bevorzugt zwischen 7 und 9 m/s. Bei kurzen Leitungen oder drosselartigen Übergängen liegt der Wert für cg2 zwischen 10 und 50 m/s, bevorzugt zwischen 35 und 45 m/s. Hiermit kann der optimale Wert für den Durchmesser D2 bereits bei der Auslegung der Brennkraftmaschine rechnerisch bestimmt werden. Vorteilhaft jedoch ist es, durch Variation des Durchmessers D2 um den so erhaltenen Wert herum in praktischen Versuchen den Wert für den Durchmesser D2 der Hochdruckleitungen zu bestimmen, bei dem die Spritzmengendifferenz der Kraftstoffinjektoren tatsächlich minimal ist, wie oben erläutert.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, den Durchmesser D4 der von den Hochdruckspeichern zu den Kraftstoffinjektoren führenden Hochdruckleitungen mindestens so groß zu bestimmen, daß die Geschwindigkeit cg4 des Kraftstoffs in diesen Hochdruckleitungen während des Einspritzvorgangs nicht größer als 30 m/s ist, vorzugsweise nicht größer als 25 m/s ist.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, daß der Durchmesser D4 der von den Hochdruckspeichern zu den Kraftstoffinjektoren führenden Hochdruckleitungen die folgende Bedingung erfüllt: D4 ≥ ((4 x VE) / (cg4 x π × SD))1/2 wobei
VE
das maximale Einspritzvolumen pro Einspritzvorgang,
cg4
die zulässige Maximalgeschwindigkeit des Kraftstoffs in der Hochdruckleitung 4, und
SD
die Dauer des Einspritzvorgangs ist.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, daß für die Durchmesser D1 der gemeinsamen Zulaufleitung und D2 der von der gemeinsamen Zulaufleitung zu den Hochdruckspeichern führenden Hochdruckleitungen gilt: D1 ≥ nR 1/2 × D2 wobei nR die Anzahl der an die gemeinsame Zulaufleitung 1 angeschlossenen Kraftstoffinjektoren 5 ist.
Vorteilhafterweise ist es vorgesehen, daß die Längen der von der gemeinsamen Zulaufleitung zu den Hochdruckspeichern führenden Hochdruckleitungen gleich sind. Hierdurch soll sichergestellt werden, daß die gegenseitige Beeinflussung der einzelnen Hochdruckspeicher für alle Kraftstoffinjektoren gleich ist.
Von besonderem Vorteil ist es, den Durchmesser und die Länge der gemeinsamen Zulaufleitung und der von der gemeinsamen Zulaufleitung zu den Hochdruckspeichern führenden Hochdruckleitungen so aufeinander abzustimmen, daß der dynamische Strömungswiderstand der Zuleitungen für alle Kraftstoffinjektoren gleich ist. Durch Berücksichtigung von Durchmesser und Länge der gemeinsamen Zulaufleitung bei der Bestimmung des Strömungswiderstands in den Zuleitungen wird erreicht, daß für die Versorgung aller Kraftstoffinjektoren gleiche Verhältnisse herrschen.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Figur 1
ein schematisiertes Blockschaltbild eines Kraftstoffeinspritzsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Figur 2
ein Diagramm, welches die Abhängigkeit der Spritzmengendifferenz der einzelnen Kraftstoffinjektoren untereinander vom Durchmesser der die den einzelnen Kraftstoffinjektoren zugeordneten Hochdruckspeicher versorgenden Hochdruckleitungen wiedergibt.
Das in Figur 1 gezeigte Kraftstoffeinspritzsystem enthält eine Anzahl von Kraftstoffinjektoren 5 zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennräume einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors. Die Kraftstoffinjektoren 5 werden mittels einer in der Figur 1 nicht eigens gezeigten Steuereinheit so gesteuert, daß eine optimal auf Drehzahl und Belastungszustand der Brennkraftmaschine abgestimmte Kraftstoffmenge in die Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Von einem ebenfalls in Figur 1 nicht eigens dargestellten Kraftstoffvorrat wird mittels einer oder mehrerer Hochdruckpumpen 6 der Kraftstoff zunächst einer gemeinsamen Zulaufleitung 1 zugeführt, von welcher zur Versorgung der einzelnen Kraftstoffinjektoren 5 dienende Hochdruckleitungen 2,4 abzweigen. Bei dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei Zulaufleitungen 1 vorgesehen, welche jeweils vier Kraftstoffinjektoren 5 gemeinsam versorgen, wie es bei einem 8V-Dieselmotor der Fall ist.
In den zu den Kraftstoffinjektoren 5 führenden Hochdruckleitungen 2,4 sind Hochdruckspeicher 3 vorgesehen, jeweils einer für jeden Kraftstoffinjektor 5. Der von der gemeinsamen Zulaufleitung 1 zu dem Hochdruckspeicher 3 führende Teil der Hochdruckleitung ist mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet, wogegen der von dem Hochdruckspeicher 3 zu dem Kraftstoffinjektor 5 führende Teil der Hochdruckleitung das Bezugszeichen 4 trägt.
Die Hochdruckspeicher 3 wirken als ölelastische Speicher, in deren Kraftstoffspeichervolumen unter dem von der Hochdruckpumpe 6 gelieferten Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff zur Zuführung zu den Kraftstoffinjektoren 5 vorgehalten wird. Das Kraftstoffspeichervolumen eines jeden der Hochdruckspeicher 3 beträgt zwischen 80 und 300 mal, vorzugsweise zwischen 120 und 200 mal die maximale Menge des bei jedem Einspritzvorgang von einem Kraftstoffinjektor 5 in den zugeordneten Brennraum der Brennkraftmaschine einzuspritzenden Kraftstoffs.
Der Durchmesser D2 des von der gemeinsamen Zulaufleitung 1 zu dem Hochdruckspeicher 3 führenden Teils 2 der Hochdruckleitung ist so bemessen, daß die Spritzmengendifferenz der Kraftstoffinjektoren 5 untereinander bei Nenndrehzahl der Brennkraftmaschine ein Minimum annimmt.
Das in Figur 2 dargestellte Diagramm zeigt die maximale Spritzmengendifferenz der einzelnen Kraftstoffinjektoren untereinander, also die Spritzmengendifferenz von Zylinder zu Zylinder der Brennkraftmaschine. Bei den durchgeführten Versuchen und Berechnungen wurde der Durchmesser D2 der von der gemeinsamen Zulaufleitung 1 zu den Hochdruckspeichern 3 führenden Hochdruckleitungen 2 zwischen 1,0 und 5,0 mm variiert, im Bereich von 1,0 bis 3,5 mm in Schritten von 0,5 mm und dann in einem weiteren Schritt von 1,5 mm. Wie zu sehen ist, weist die Spritzmengendifferenz im Bereich von 1,5 bis 2,5 mm mit Werten zwischen 0,25 bis 0,35% ein Minimum auf, dessen Schwerpunkt bei einem Durchmesser D2 von 2,0 mm liegt, dort jedoch ein lokales Maximum zeigt, auf welches hier jedoch nicht näher eingegangen werden soll. Es ist ersichtlich, daß bei Durchmessern von 1,5, 2,0 und 2,5 mm minimale Werte der Spritzmengendifferenz gegenüber Durchmessern von 1,0 und 3,0 mm erreicht wird. Versuche mit unterschiedlichen Drehzahlen und Belastungszuständen, wie sie beim Betrieb der Brennkraftmaschine am häufigsten auftreten, zeigen, welcher Durchmesser D2 schließlich am geeignetsten ist.
Der optimale Durchmesser D2 der von der gemeinsamen Zulaufleitung 1 zu den Hochdruckspeichern 3 führenden Hochdruckleitungen 2 läßt sich rechnerisch durch die folgende Bedingung darstellen: D2 ≈ ((4 × (VE + VL)) / (cg2 × π × TASP))1/2 wobei
VE
das maximale Einspritzvolumen pro Einspritzvorgang,
VL
eine ggf. am Kraftstoffinjektor anfallende Steuer- und Leckagemenge pro Einspritzvorgang,
cg2
einen Normwert für die Kraftstoffgeschwindigkeit in der Leitung,
TASP
die Zeitdauer für ein Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine
bedeuten, wobei die Werte für VE, VL und TASP durch die Auslegung der Brennkraftmaschine gegeben sind und cg2 zwischen 5 und 50 m/s betragen soll. Bei langen, dünnen Leitungen beträgt der Wert für cg2 zwischen 5 und 25 m/s und vorzugsweise zwischen 7 und 9 m/s. Bei sehr kurzen, im Extremfall drosselartige Übergänge darstellenden Hochdruckleitungen 2 oder bei Hochdruckleitungen 2 mit drosselartigen Einschnürungen ist für cg2 im Bereich der Engstellen ein Wert zwischen 10 und 50 m/s, vorzugsweise zwischen 35 und 45 m/s anzunehmen.
Der signifikante Einfluß des Durchmessers D2 der Hochdruckleitungen 2 auf die Spritzmengendifferenz der einzelnen Kraftstoffinjektoren untereinander läßt sich durch eine starke Bedämpfung der beim Öffnen und Schließen der Kraftstoffinjektoren 5 in den Hochdruckleitungen auftretenden rücklaufenden Druckwellen erklären, durch die eine gegenseitige Beeinflussung der einzelnen Hochdruckspeicher 3 und damit der von diesen an die Kraftstoffinjektoren 5 abgegebenen Kraftstoffmengen ohne zusätzliche Maßnahmen wie Rückschlagventile oder Drosseln sehr gering gehalten werden kann.
Der Durchmesser D4 der von den Hochdruckspeichern 3 zu den Kraftstoffinjektoren 5 führenden Hochdruckleitungen 4 sollte so groß sein, daß die Geschwindigkeit cg4 des Kraftstoffs in diesen Hochdruckleitungen während des Einspritzvorgangs nicht größer als 30 m/s, vorzugsweise nicht größer als 25 m/s ist, um zu große Druckverluste zu vermeiden. Rechnerisch bedeutet das, daß der Durchmesser D4 der von den Hochdruckspeichern 3 zu den Kraftstoffinjektoren 5 führenden Hochdruckleitungen 4 die folgende Bedingung erfüllt: D4 ≥ ((4 × VE) / (cg4 × π × SD))1/2 wobei
VE
das maximale Einspritzvolumen pro Einspritzvorgang,
cg4
die zulässige Maximalgeschwindigkeit des Kraftstoffs in der Hochdruckleitung 4, und
SD
die Dauer des Einspritzvorgangs ist.
Im Gegensatz zu Kraftstoffeinspritzsystemen mit einem gemeinsamen Hochdruckspeicher in Form einer Common-Rail-Schiene dient bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystem die gemeinsame Zulaufleitung 1 nicht als Druckspeicher sondern lediglich zur Befüllung der in den von der gemeinsamen Zulaufleitung 1 zu den Kraftstoffinjektoren 5 führenden Hochdruckleitungen 2,4 vorgesehenen separaten Hochdruckspeicher 3. Für den Durchmesser D1 der gemeinsamen Zulaufleitung 1 und den Durchmesser D2 der von dieser zu den Hochdruckspeichern 3 führenden Hochdruckleitungen 2 gilt: D1 ≥ nR 1/2 × D2 wobei nR die Anzahl der an die gemeinsame Zulaufleitung 1 angeschlossenen Kraftstoffinjektoren 5 ist.
Ein wesentliches Ziel der Erfindung ist es, die gegenseitige Beeinflussung des Druckes in den einzelnen Hochdruckspeichern 3 ohne Verwendung zusätzlicher massebehafteter und somit träge reagierender Bauteile so gering wie möglich zu halten und eine minimale Differenz der Einspritzmengen der Kraftstoffinjektoren 5 untereinander zu erhalten. Hierzu ist es erforderlich, daß für die einzelnen Kraftstoffinjektoren 5 im wesentlichen gleiche Bedingungen in Bezug auf deren Versorgung mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff gelten. Neben einer identischen Auslegung der Hochdruckspeicher 3 wird dies dadurch erreicht, daß die Längen der von der gemeinsamen Zulaufleitung 1 zu den Hochdruckspeichern 3 führenden Hochdruckleitungen, wie auch der von den Hochdruckspeichern 3 zu den Kraftstoffinjektoren 5 führenden Hochdruckleitungen 4 gleich sind. Geht man einen Schritt weiter, und berücksichtigt auch die strömungsdynamischen Verhältnisse in der gemeinsamen Zulaufleitung 1, so sind Durchmesser und Länge der gemeinsamen Zulaufleitung 1 und der von der gemeinsamen Zulaufleitung 1 zu den Hochdruckspeichern 3 führenden Hochdruckleitungen 2 so aufeinander abgestimmt, daß der Strömungswiderstand der Hochdruckleitungen 2 und der zugeordneten Teile der gemeinsamen Zulaufleitung 1 für alle Kraftstoffinjektoren 5 gleich ist.

Claims (9)

  1. Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Dieselmotor, das eine Anzahl von Kraftstoffinjektoren (5) zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennräume der Brennkraftmaschine und eine die Kraftstoffinjektoren (5) über eine gemeinsame Zulaufleitung (1) und zu den einzelnen Kraftstoffinjektoren (5) führende Hochdruckleitungen (2,4) mit Kraftstoff versorgende Hochdruckpumpe (6), sowie jeweils in den zu den Kraftstoffinjektoren (5) führenden Hochdruckleitungen (2,4) vorgesehene, ein bestimmtes Kraftstoffspeichervolumen aufweisende Hochdruckspeicher (3) enthält. dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftstoffspeichervolumen jedes der Hochdruckspeicher (3) zwischen 80 und 300 mal, vorzugsweise zwischen 120 und 200 mal die maximale Einspritzmenge pro Einspritzvorgang beträgt, und daß der Durchmesser D2 der von der gemeinsamen Zulaufleitung (1) zu den Hochdruckspeichern (3) führenden Hochdruckleitungen (2) so bemessen ist, daß die Hochdruckieitungen (2) auf den durchströmenden Kraftstoff eine Drosselwirkung ausüben, derart, daß die Spritzmengendifferenz der Kraftstoffinjektoren (5) untereinander ein Minimum annimmt.
  2. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser D2 der von der gemeinsamen Zulaufleitung (1) zu den Hochdruckspeichern (3) führenden Hochdruckleitungen (2) die folgende Bedingung erfüllt: D2 ≈ ((4 × (VE + VL)) / (cg2 × π × TASP))1/2 wobei
    VE
    das maximale Einspritzvolumen pro Einspritzvorgang,
    VL
    eine ggf. am Kraftstoffinjektor anfallende Steuer- und Leckagemenge pro Einspritzvorgang,
    cg2
    einen Normwert für die Kraftstoffgeschwindigkeit in der Leitung,
    TASP
    die Zeitdauer für ein Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine
    bedeuten, wobei die Werte für VE, VL und TASP durch die Auslegung der Brennkraftmaschine gegeben sind und cg2 zwischen 5 und 50 m/s betragen soll.
  3. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß cg2 bei langen, dünnen Leitungen zwischen 5 und 25 m/s, vorzugsweise zwischen 7 und 9 m/s beträgt.
  4. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei sehr kurzen, im Extremfall drosselartige Übergänge zwischen der Zulaufleitung (1) und den Hochdruckspeichern (3) darstellenden Hochdruckleitungen (2) oder bei Hochdruckleitungen (2) mit drosselartigen Einschnürungen der Wert für cg2 im Bereich der Engstellen zwischen 10 und 50 m/s, vorzugsweise zwischen 35 und 45 m/s liegt.
  5. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser D4 der von den Hochdruckspeichern (3) zu den Kraftstoffinjektoren (5) führenden Hochdruckleitungen (4) mindestens so groß ist, daß die Geschwindigkeit cg4 des Kraftstoffs in diesen Hochdruckleitungen (4) während des Einspritzvorgangs nicht größer als 30 m/s ist, vorzugsweise nicht größer als 25 m/s ist.
  6. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser D4 der von den Hochdruckspeichern (3) zu den Kraftstoffinjektoren (5) führenden Hochdruckleitungen (4) die folgende Bedingung erfüllt: D4 ≥ ((4 × VE) / (cg4 × π × SD))1/2 wobei
    VE
    das maximale Einspritzvolumen pro Einspritzvorgang,
    cg4
    die zulässige Maximalgeschwindigkeit des Kraftstoffs in der Hochdruckleitung (4), und
    SD
    die Dauer des Einspritzvorgangs ist.
  7. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Durchmesser D1 der gemeinsamen Zulaufleitung (1) und D2 der von der gemeinsamen Zulaufleitung (1) zu den Hochdruckspeichern (3) führenden Hochdruckleitungen (2) gilt: D1 ≥nR 1/2 × D2 wobei nR die Anzahl der an die gemeinsame Zulaufleitung (1) angeschlossenen Kraftstoffinjektoren (5) ist.
  8. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Längen von der gemeinsamen Zulaufleitung (1) zu den Hochdruckspeichern (3) führenden Hochdruckleitungen (2) gleich sind.
  9. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Durchmesser und Länge der Zulaufleitung (1) und der von der gemeinsamen Zulaufleitung (1) zu den Hochdruckspeichern (3) führenden Hochdruckleitungen (2) so aufeinander abgestimmt sind, daß der dynamische Strömungswiderstand der Zulaufleitungen für alle Kraftstoffinjektoren (5) gleich ist.
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