EP3074622A1 - Kraftstoffeinspritzsystem sowie verfahren zum betreiben eines kraftstoffeinspritzsystems - Google Patents

Kraftstoffeinspritzsystem sowie verfahren zum betreiben eines kraftstoffeinspritzsystems

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EP3074622A1
EP3074622A1 EP14784084.7A EP14784084A EP3074622A1 EP 3074622 A1 EP3074622 A1 EP 3074622A1 EP 14784084 A EP14784084 A EP 14784084A EP 3074622 A1 EP3074622 A1 EP 3074622A1
Authority
EP
European Patent Office
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injection system
pressure
fuel injection
spring
overflow valve
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14784084.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Kieferle
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3074622A1 publication Critical patent/EP3074622A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M37/00—Apparatus or systems for feeding liquid fuel from storage containers to carburettors or fuel-injection apparatus; Arrangements for purifying liquid fuel specially adapted for, or arranged on, internal-combustion engines
    • F02M37/0011—Constructional details; Manufacturing or assembly of elements of fuel systems; Materials therefor
    • F02M37/0023—Valves in the fuel supply and return system
    • F02M37/0029—Pressure regulator in the low pressure fuel system
    • 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
    • F02M2200/26—Fuel-injection apparatus with elastically deformable elements other than coil springs
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02M37/0011—Constructional details; Manufacturing or assembly of elements of fuel systems; Materials therefor
    • F02M37/0041—Means for damping pressure pulsations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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

Definitions

  • the invention relates to a fuel injection system, in particular a common rail injection system, with the features of the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for operating a fuel injection system having the features of the preamble of claim 7.
  • the published patent application DE 10 201 1 006 099 A1 discloses a fuel injection system with a high-pressure pump, which is generic. Furthermore, this document discloses a method for active pulsation vaporization in the low-pressure region of a fuel injection system.
  • the high-pressure pump described in DE 10 201 1 006 099 A1 comprises at least one pump element which has a pump piston which can be driven via a cam or eccentric drive for a lifting movement.
  • fuel is sucked in from a low-pressure region via a suction valve and compressed in the delivery stroke of the pump piston and fed under high pressure via an outlet valve to a high-pressure accumulator.
  • high-pressure pumps which have only one pump element and / or at least one pump element with a non-symmetrical stroke profile, ie in the case of high-pressure pumps which are not volumetrically balanced, pressure pulsations can occur which are reflected in particular in the low-pressure region of the fuel injection system.
  • pressure pulsations are deliberately introduced into the low-pressure region of the fuel injection system, which are in opposite directions to the pressure pulsations which arise due to nonuniformity of the high-pressure pump. This allows a targeted
  • the present invention has for its object to provide a fuel injection system, in particular a common rail injection system, which includes a volumetrically unbalanced high pressure pump with only one high pressure element and - regardless of the specific embodiment An upstream prefeed pump - less prone to pressure pulsations and / or Volumenstromung- in the low pressure range. Furthermore, a method for operating a fuel injection system, in particular a common rail injection system, comprising a volumetrically unbalanced high-pressure pump with only one high-pressure element, be specified, in which pressure pulsations and / or volumetric flow irregularities in the low pressure region are significantly leu reduced.
  • the proposed fuel injection system in particular common-rail injection system, comprises a volumetrically unbalanced high-pressure pump with only one high-pressure element and an overflow valve for regulating the Inlet pressure of the high-pressure pump.
  • the overflow valve has a displaceable against the spring force of a spring valve member for releasing at least one Abêtö réelle via which an inlet region of the high-pressure pump with a return line of the fuel injection system is connectable. According to the invention it is provided that the overflow valve for volume compensation on a
  • Displacement volume Q geo the high-pressure pump tuned activated storage volume has, which corresponds to a theoretical pressure amplitude of a maximum of 1 bar in the inlet region at least half of the displacement Qgeo.
  • the overflow valve is thus designed with respect to the natural frequency such that it allows volume compensation over the entire expected frequency range of the excitation generated by the high-pressure pump. In this way, the entry of pressure pulsations in the low-pressure region is prevented or at least significantly reduced. This reduces the load on the components arranged in the low-pressure region and a functional impairment of adjacent components is counteracted.
  • the storage volume of the overflow valve is via a displacement of the valve member against the
  • overflow valves are often designed as spool valves with a spring-loaded valve piston and thus form a spring-mass system
  • the achievable volume compensation is, however, severely limited and / or requires large lifting or pressure amplitudes, which are well above 1 bar.
  • Large Hubg. Pressure amplitudes can in turn have the consequence that pressure pulsations below the opening pressure of the overflow valve not via a Abêtquer bain but one to the return line of the fuels! be entered in the low-pressure area. To prevent this, it is necessary to keep the stroke and / or pressure amplitude small.
  • the storage volume or at least a part of the storage volume is held over a fluid space which is separated from the supply area via a membrane.
  • the storage volume is then activated via an elastic deformation of the membrane, which separates the fluid space from the inlet region.
  • the fluid space is filled with a compressible fluid, such as air.
  • the fluid chamber may in particular be a spring chamber for receiving the spring loading the valve member.
  • the valve member of the spill valve is piston-like and has a diameter D between 8 and 18 mm, preferably between 10 and 14 mm.
  • the diameter D of the piston-like valve member is thus selected larger than the diameter D of a valve piston of a conventional overflow valve, which is usually less than 8 mm, for example 6 mm.
  • the spring of the overflow valve has a spring rate C between 2 and 15 N / mm, preferably between 4 and 10 N / mm.
  • the spring rate of the spring of the overflow valve for a fuel injection system according to the invention is thus greater than the spring rate of the spring of a conventional spill valve chosen, which is usually below 2 N / mm, for example, at 1, 6 N / mm.
  • Increasing the spring rate C of the spring loading the valve member serves to ensure the required natural frequency in order to ensure the desired valve dynamics over the entire delivery frequency range of the high-pressure pump.
  • overflow valve has two Abgresö réelleen, which lie in a plane opposite.
  • Conventional overflow valves usually have four in-plane
  • the arrangement of the Abêtö réelleen can also be done in several levels. Preferably, at least two levels are provided, in each of which two Abêtö réelleen are opposite. The number of levels may be, for example, three or four. With the arrangement of Abêtö réelleen in multiple levels increases the number of Abêtö réelleen. Therefore, it is also proposed to reduce the Abêtquer songs the Ab Kunststoffö réelleen at the same time. The aforementioned measures lead to a reduced amplitude of Abêtvolumenstroms, ie to a flat Abberichtkennline and to a reduced maximum flow. In a further development of the invention, it is further proposed that the valve member of the overflow valve on the outer peripheral side one with the at least one
  • the annular groove reduces the leakage in the guide region of the valve member by the fuel reaching into the guide region is supplied via the annular groove of the at least one Abêtö réelle. In this way, an overfilling of a fuel chamber filled with spring space is counteracted, which would affect the function of the overflow valve or its dynamic vibration at high frequencies.
  • a method for operating a fuel injection system in particular a common rail injection system is proposed, in which an overflow valve is used to control the inlet pressure of a volumetrically unbalanced high-pressure pump with only one high-pressure element a displaceable against the spring force of a spring valve member for releasing at least one
  • the overflow valve is also used for volume compensation.
  • the pressure amplitude at a theoretical maximum of 1 bar in the inlet region corresponds to at least half the displacement volume Q geo.
  • the spill valve therefore fulfills several functions. Because in addition to its function as a pressure regulator, the overflow valve is also used to compensate for the displacement volume Q geo the volumetrically unbalanced high-pressure pump. This is caused by the volumetrically unbalanced high-pressure pump
  • the storage volume is preferably activated by a displacement of the valve member against the spring force of the spring, which loads the valve member.
  • the storage volume of the overflow valve used here is tailored specifically to the displacement effect of the high-pressure pump. The overflow valve thus enables dynamic volume compensation over a wide frequency range.
  • the storage volume or at least a portion of the storage volume is activated via an elastic deformation of a membrane which separates a fluid space from the inlet area.
  • the fluid space is preferably filled with a compressible fluid, for example with air, so that the fluid is compressed during a deformation of the diaphragm and is not displaced.
  • the fluid space filled with a compressible fluid further preferably has no connection to the return line of the fuel injection system. This eliminates a transmission path for pressure pulsations in the low pressure range.
  • the activatable storage volume over the diameter D of the preferably piston-like valve member and / or on the spring rate C of the valve member loading spring is adjusted.
  • the diameter D is set to 8 to 18 mm, more preferably 10 to 14 mm.
  • the spring rate C is preferably set to 2 to 15 N / mm, more preferably 4 to 10 N / mm.
  • Corresponding diameters and / or spring rates enable activation of the storage volume with at the same time low lift and / or pressure amplitude.
  • the spring rate C and the diameter D are matched to one another.
  • the proposed method is used for operating a fuel injection system according to the invention.
  • the overflow valve activatable storage volume which corresponds at a theoretical pressure amplitude of a maximum of 1 bar in the inlet region at least half of the displacement volume Qgeo the volumetrically unbalanced high-pressure pump.
  • the overflow valve can thus be used for volume compensation in order to prevent or at least significantly reduce the introduction of pressure pulsations and / or volume flow irregularities into the low-pressure region.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel injection system according to the invention, a schematic longitudinal section through a conventional overflow valve including a representation of the operating principle, a schematic longitudinal section through a first overflow valve for a fuel injection system according to the invention including the representation of the operating principle in the form of a diagram, a schematic longitudinal section through a second Overflow valve for a fuel injection system according to the invention including the representation of the operating principle in the form of a diagram, a schematic longitudinal section through a third overflow valve for a fuel injection system according to the invention including the representation of the operating principle in the form of a diagram,
  • FIG. 6 shows a schematic longitudinal section through a fourth overflow valve for a fuel injection system according to the invention and FIG. 7 shows a partial enlargement of the overflow valve of FIG.
  • the fuel injection system according to the invention shown in FIG. 1 comprises a volumetrically unbalanced high-pressure pump 1 with only one high-pressure element 2 for delivering fuel to high-pressure pressure.
  • the fuel is supplied to the high-pressure pump 1 via an inlet region 7, which is part of a low-pressure region of the fuel injection system.
  • an overflow valve 3 is arranged to control the inlet pressure.
  • the inlet region 7 is supplied with fuel from a fuel reservoir 13 via a prefeed pump 12. Between the prefeed pump 12 and the overflow valve 3, a fuel filter 14 is further arranged.
  • the fuel delivered to high pressure via the high-pressure element 2 of the high-pressure pump 1 is supplied via a high-pressure line 15 to a storage line 16, to which a plurality of fuel injectors 17 for injecting the high-pressure fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine (not shown) are connected.
  • a plurality of fuel injectors 17 for injecting the high-pressure fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine are connected.
  • the fuel! Njektoren 17 connected via a return line 8 to the fuel tank 13 of the fuel injection system.
  • the overflow valve 3 arranged in the inlet region 7 serves to regulate the inlet pressure.
  • the overflow valve 3 is in the present case designed as a spool valve and has a piston-like valve member 5, which is displaceable against the spring force of a spring 4.
  • the spring force of the spring 4 defines the opening pressure of the overflow valve 3. If the opening pressure is exceeded, the displacement of the valve member 5 releases a plurality of Abêtö réelleen 6, via which a connection of the inlet portion 7 with the return line 8 can be produced.
  • a fluid space 10 is further connected in the present case, in which at the same time the spring 4 is received.
  • the overflow valve 3 arranged in the inlet region 7 has a further function. This consists in compensating for pressure pulsations and / or volume flow irregularities caused by the volumetrically unbalanced high-pressure pump 1 in order to prevent them from being introduced into the low-pressure region.
  • the required volume compensation is effected via a storage volume of the overflow valve 3, which is designed such that it corresponds to the storage volume of at least half of the displacement volume Q geo the high-pressure pump 1 at a theoretical pressure amplitude of a maximum of 1 bar in the inlet region 7.
  • the activation of the storage volume requires only a displacement of the piston-like valve member 5 against the spring force of the spring 4.
  • the diameter D of the valve member 5 is designed such that the volume compensation requires a small stroke of the valve member 5.
  • the spring rate C of the spring 4 is chosen so that the required pressure amplitude for the necessary stroke for volume compensation ⁇ 1 bar.
  • the overflow valve 3 of the fuel injection system of Figure 1 is shown enlarged in Figure 3.
  • Four Abgresö réelleen 6 are distributed over the circumference of a cylindrical valve housing 18 evenly distributed in a plane E.
  • spring rate C 1, 6 N / mm.
  • the pressure amplitude is 2.5 and the stroke amplitude is 4.4.
  • the pressure amplitude can be reduced to 0.3 and the stroke amplitude can be reduced to 0.5. This becomes particularly clear when comparing the length of the arrow 19.
  • the number of Abêtö réelleen 6 is reduced to two lying in a plane E openings.
  • the valve member 5 has an annular groove 1 1, via which the guide gap between the valve member 5 and the valve housing 18 with the
  • valve member 5 in turn has a
  • the latter can also be achieved by using an overflow valve 3 according to FIGS. 6 and 7.
  • This has a membrane 9, which separates the fluid space 10 from the inlet region 7.
  • the fluid space 10 is filled with air, so that an increase in pressure in the inlet region 7 causes an elastic deformation of the membrane 9 in the direction of the fluid space 10.
  • a storage volume is then activated which effects the required volume compensation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere Common-Rail-Einspritzsystem, umfassend eine volumetrisch nicht-ausgeglichene Hochdruckpumpe (1) mit nur einem Hochdruckelement (2), ferner umfassend ein Überströmventil (3) zur Regelung des Zulaufdrucks der Hochdruckpumpe (1), wobei das Überströmventil (3) ein gegen die Federkraft einer Feder (4) verschiebbares Ventilglied (5) zur Freigabe wenigstens einer Absteueröffnung (6) besitzt, über welche ein Zulaufbereich (7) der Hochdruckpumpe (1) mit einer Rücklaufleitung (8) des Kraftstoffeinspritzsystems verbindbar ist. Erfindungsgemäß besitzt das Überströmventil (3) ein auf ein Verdrängungsvolumen (Qgeo) der Hochdruckpumpe (1) abgestimmtes aktivierbares Speichervolumen, das bei einer theoretischen Druckamplitude von maximal 1 bar im Zulaufbereich (7) zumindest der Hälfte des Verdrängungsvolumens (Qgeo) entspricht. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems, umfassend eine volumetrisch nicht-ausgeglichene Hochdruckpumpe (1) mit nur einem Hochdruckelement (2).

Description

Beschreibung
Titel:
Kraftstoffe! nspritzsystem sowie Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffein- spritzsystems
Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common- Rail-Einspritzsystem, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 7.
Stand der Technik
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 201 1 006 099 A1 geht ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einer Hochdruckpumpe hervor, welche gattungsbildend ist. Ferner wird in dieser Druckschrift ein Verfahren zur aktiven Pulsationsdampfung im Niederdruckbereich eines Kraftstoffeinspritzsystems offenbart.
Die in der DE 10 201 1 006 099 A1 beschriebene Hochdruckpumpe umfasst wenigstens ein Pumpenelement, das einen über einen Nocken- oder Exzentertrieb zu einer Hubbewegung antreibbaren Pumpenkolben besitzt. Im Saughub des Pumpenkolbens wird Kraftstoff über ein Saugventil aus einem Niederdruckbereich angesaugt und im Förderhub des Pumpenkolbens verdichtet und unter hohem Druck über ein Auslassventil einem Hochdruckspeicher zugeführt. Insbesondere bei Hochdruckpumpen, welche nur ein Pumpenelement und/oder wenigstens ein Pumpenelement mit einem nicht symmetrischen Hubverlauf aufweisen, d.h. bei Hochdruckpumpen, die volumetrisch nicht ausgeglichen sind, können Druckpulsationen auftreten, die sich insbesondere im Niederdruckbereich des Kraftstoffeinspritzsystems niederschlagen. Die Druckpulsationen führen zu einer erhöhten Belastung der im Niederdruckbereich angeordneten Komponenten, so dass es Maßnahmen zu treffen gilt, diese auszugleichen bzw. zu dämpfen. In der DE 10 201 1 006 099 A1 wird zur Vermeidung bzw. zur Verringerung von Druckpulsationen im Niederdruckbereich eines Kraftstoffeinspritzsystems die Verwendung einer Hochdruckpumpe in Kombination mit einer als Elektrokraft- stoffpumpe ausgelegten Vorförderpumpe vorgeschlagen. Die Elektrokraftstoff- pumpe ist dynamisch drehzahlgeregelt und liefert neben einer Grundmenge eine modulierbare zusätzliche Menge. Über die zusätzlich geförderte Kraftstoffmenge der dynamisch drehzahlgeregelten Elektrokraftstoffpumpe werden Druckpulsationen in den Niederdruckbereich des Kraftstoffeinspritzsystems gezielt eingebracht, die gegenläufig zu den Druckpulsationen sind, die aufgrund von Ungleich- förmigkeiten der Hochdruckpumpe entstehen. Dies ermöglicht eine gezielte
Kompensation der unerwünschten Druckpulsationen und somit eine aktive Pulsa- tionsdämpfung.
Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorlie- genden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, anzugeben, das eine volumetrisch nicht-ausgeglichene Hochdruckpumpe mit nur einem Hochdruckelement umfasst und - unabhängig von der konkreten Ausgestaltung einer vorgeschalteten Vorförderpumpe - weniger zu Druckpulsationen und/oder Volumenstromungleich- förmigkeiten im Niederdruckbereich neigt. Ferner soll ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems, insbesondere eines Common-Rail- Einspritzsystems, umfassend eine volumetrisch nicht-ausgeglichene Hochdruckpumpe mit nur einem Hochdruckelement, angeben werden, bei dem Druckpulsationen und/oder Volumenstromungleichförmigkeiten im Niederdruckbereich deut- lieh reduziert sind.
Zur Lösung der Aufgabe werden ein Kraftstoffeinspritzsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems gemäß Anspruch 7 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfin- dung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Offenbarung der Erfindung
Das vorgeschlagene Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere Common-Rail- Einspritzsystem, umfasst eine volumetrisch nicht-ausgeglichene Hochdruckpumpe mit nur einem Hochdruckelement sowie ein Überströmventil zur Regelung des Zulaufdrucks der Hochdruckpumpe. Das Überströmventil besitzt ein gegen die Federkraft einer Feder verschiebbares Ventilglied zur Freigabe wenigstens einer Absteueröffnung, über welche ein Zulaufbereich der Hochdruckpumpe mit einer Rücklaufleitung des Kraftstoffeinspritzsystems verbindbar ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Überströmventil zur Volumenkompensation ein auf ein
Verdrängungsvolumen Qgeo der Hochdruckpumpe abgestimmtes aktivierbares Speichervolumen besitzt, das bei einer theoretischen Druckamplitude von maximal 1 bar im Zulaufbereich zumindest der Hälfte des Verdrängungsvolumens Qgeo entspricht. Das Überströmventil ist damit bezüglich der Eigenfrequenz derart ausgelegt, dass es eine Volumenkompensation über den gesamten zu erwartenden Frequenzbereich der von der Hochdruckpumpe erzeugten Anregung ermöglicht. Auf diese Weise wird der Eintrag von Druckpulsationen in den Niederdruckbereich verhindert oder zumindest deutlich verringert. Damit sinkt die Belastung der im Niederdruckbereich angeordneten Komponenten und einer Funktionsbeeinträchtigung angrenzender Komponenten wird entgegen gewirkt.
Die Reduzierung von Druckpulsationen im Niederdruckbereich führt ferner zu einer geringeren Geräuschentwicklung durch Bauteilschwingungen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Speichervolu- men des Überströmventils über eine Verschiebung des Ventilgliedes gegen die
Federkraft der Feder aktivierbar. Das Speichervolumen des Überströmventils wird demnach über ein Feder-Masse-System bereit gestellt. Zwar sind Überströmventile häufig als Kolbenschieberventile mit einem federbelasteten Ventilkolben ausgelegt und bilden demnach ein Feder-Masse-System aus, die hierüber erreichbare Volumenkompensation ist jedoch stark begrenzt und/oder erfordert große Hub- bzw. Druckamplituden, die deutlich über 1 bar liegen. Große Hubbzw. Druckamplituden können wiederum zur Folge haben, dass Druckpulsationen unterhalb des Öffnungsdrucks des Überströmventils zwar nicht über einen Absteuerquerschnitt aber über einen an die Rücklaufleitung des Kraftstoffe! n- spritzsystems angeschlossenen Federraum in den Niederdruckbereich eingetragen werden. Um dies zu verhindern, gilt es die Hub- und/oder Druckamplitude klein zu halten. Alternativ oder ergänzend wird in diesem Zusammenhang vorgeschlagen, dass das Speichervolumen oder zumindest ein Teil des Speichervolumens über einen Fluidraum vorgehalten wird, der über eine Membran vom Zu- laufbereich getrennt ist. Das Speichervolumen ist dann über eine elastische Verformung der Membran, die den Fluidraum vom Zulaufbereich trennt, aktivierbar. Vorzugsweise ist der Fluidraum mit einem komprimierbaren Fluid, wie beispielsweise Luft, gefüllt. Bei dem Fluidraum kann es sich insbesondere um einen Federraum zur Aufnahme der das Ventilglied belastenden Feder handeln. Bevorzugt ist das Ventilglied des Überströmventils kolbenartig ausgebildet und besitzt einen Durchmesser D zwischen 8 und 18 mm, vorzugsweise zwischen 10 und 14 mm. Der Durchmesser D des kolbenartigen Ventilgliedes ist damit größer als der Durchmesser D eines Ventilkolbens eines herkömmlichen Überströmventils gewählt, der üblicherweise unter 8 mm, beispielsweise bei 6 mm liegt. Mit der Vergrößerung des Durchmessers des Ventilgliedes wird eine Reduzierung der
Hubamplitude erreicht.
Weiterhin bevorzugt besitzt die Feder des Überströmventils eine Federrate C zwischen 2 und 15 N/mm, vorzugsweise zwischen 4 und 10 N/mm. Die Federrate der Feder des Überströmventils für ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzsystem ist damit größer als die Federrate der Feder eines herkömmlichen Überströmventils gewählt, die üblicherweise unter 2 N/mm, beispielsweise bei 1 ,6 N/mm liegt. Die Erhöhung der Federrate C der das Ventilglied belastenden Feder dient der Sicherstellung der erforderlichen Eigenfrequenz, um die ge- wünschte Ventildynamik über den gesamten Förderfrequenzbereich der Hochdruckpumpe zu gewährleisten.
Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass das Überströmventil zwei Absteueröffnungen besitzt, die sich in einer Ebene gegenüber liegen. Her- kömmliche Überströmventile weisen in der Regel vier in einer Ebene liegende
Absteueröffnungen auf. Durch die Reduzierung der Anzahl der
Absteueröffnungen kann das hydraulische Absteuerverhalten beeinflusst werden. Die Anordnung der Absteueröffnungen kann auch in mehreren Ebenen erfolgen. Vorzugsweise sind wenigstens zwei Ebenen vorgesehen, in denen sich jeweils zwei Absteueröffnungen gegenüber liegen. Die Anzahl der Ebenen kann beispielsweise drei oder vier betragen. Mit der Anordnung der Absteueröffnungen in mehreren Ebenen erhöht sich die Anzahl der Absteueröffnungen. Daher wird ferner vorgeschlagen, zugleich den Absteuerquerschnitt der Absteueröffnungen zu reduzieren. Die vorstehend genannten Maßnahmen führen zu einer reduzierten Amplitude des Absteuervolumenstroms, d. h. zu einer flachen Absteuerkennlinie und zu einem reduzierten maximalen Durchfluss. In Weiterbildung der Erfindung wird ferner vorgeschlagen, dass das Ventilglied des Überströmventils außenumfangseitig eine mit der wenigstens einen
Absteueröffnung hydraulisch verbundene oder verbindbare Ringnut besitzt. Die Ringnut verringert die Leckage im Führungsbereich des Ventilgliedes, indem der in den Führungsbereich gelangende Kraftstoff über die Ringnut der wenigstens einen Absteueröffnung zugeführt wird. Auf diese Weise wird einer Überfüllung eines mit Kraftstoff gefüllten Federraums entgegen gewirkt, welche die Funktion des Überströmventils bzw. dessen dynamische Schwingfähigkeit bei hohen Frequenzen beeinträchtigen würde.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems, insbesondere eines Common- Rail-Einspritzsystem, vorgeschlagen, bei dem zur Regelung des Zulaufdrucks ei- ner volumetrisch nicht-ausgeglichenen Hochdruckpumpe mit nur einem Hochdruckelement ein Überströmventil eingesetzt wird, das ein gegen die Federkraft einer Feder verschiebbares Ventilglied zur Freigabe wenigstens einer
Absteueröffnung besitzt, über welche ein Zulaufbereich der Hochdruckpumpe mit einer Rücklaufleitung des Kraftstoffeinspritzsystems verbindbar ist. Erfindungs- gemäß wird das Überströmventil ferner zur Volumenkompensation eingesetzt.
Zur Volumenkompensation wird ein auf ein Verdrängungsvolumen Qgeo der Hochdruckpumpe abgestimmtes Speichervolumen des Überströmventils aktiviert, das bei einer theoretischen Druckamplitude von maximal 1 bar im Zulaufbereich zumindest der Hälfte des Verdrängungsvolumens Qgeo entspricht.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren erfüllt das Überströmventil demnach mehrere Funktionen. Denn neben seiner Funktion als Druckregler wird das Überströmventil zugleich zur Kompensation des Verdrängungsvolumens Qgeo der volumetrisch nicht-ausgeglichenen Hochdruckpumpe eingesetzt. Auf diese Weise wer- den durch die volumetrisch nicht-ausgeglichene Hochdruckpumpe verursachte
Druckpulsationen und/oder Volumenstromungleichförmigkeiten durch das vorgeschaltete Überströmventil kompensiert, so dass diese nicht in den Niederdruckbereich des Kraftstoffeinspritzsystems eingetragen werden. Damit sinkt die Belastung der im Niederdruckbereich angeordneten Komponenten. Ferner sinkt die Gefahr, dass die Komponenten in ihrer Funktion beeinträchtigt werden. Darü- ber hinaus wird das Geräuschrisiko aufgrund von Bauteilschwingungen minimiert.
Das Speichervolumen wird bevorzugt über eine Verschiebung des Ventilgliedes gegen die Federkraft der Feder aktiviert, die das Ventilglied belastet. Im Unterschied zu herkömmlichen Überströmventilen, die ein federbelastetes Ventilglied besitzen und ggf. eine geringe Volumenkompensation durch Einfedern des Ventilgliedes ermöglichen, ist das Speichervolumen des vorliegend eingesetzten Überströmventils gezielt auf die Verdrängerwirkung der Hochdruckpumpe abgestimmt. Das Überströmventil ermöglicht auf diese Weise eine dynamische Volumenkompensation über einen breiten Frequenzbereich.
Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass das Speichervolumen oder zumindest ein Teil des Speichervolumens über eine elastische Verformung einer Membran aktiviert wird, die einen Fluidraum vom Zulaufbereich trennt. Der Fluid- raum ist bevorzugt mit einem komprimierbaren Fluid, beispielsweise mit Luft, gefüllt, so dass das Fluid bei einer Verformung der Membran komprimiert und nicht verdrängt wird. Der mit einem komprimierbaren Fluid gefüllte Fluidraum weist weiterhin bevorzugt keine Verbindung mit der Rücklaufleitung des Kraftstoffeinspritzsystems auf. Dadurch entfällt ein Übertragungsweg für Druckpulsationen in den Niederdruckbereich.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das aktivierbare Speichervolumen über den Durchmesser D des vorzugsweise kolbenartig ausgebildeten Ventilgliedes und/oder über die Federrate C der das Ventilglied belastenden Feder eingestellt. Vorzugsweise wird der Durchmesser D auf 8 bis 18 mm, weiterhin vorzugsweise auf 10 bis 14 mm festgelegt. Die Federrate C wird vorzugsweise auf 2 bis 15 N/mm, weiterhin vorzugsweise auf 4 bis10 N/mm eingestellt. Entsprechende Durchmesser und/oder Federraten ermöglichen eine Aktivierung des Speichervolumens bei zugleich geringer Hub- und/oder Druckamplitude. Dabei sind die Federrate C und der Durchmesser D aufeinander abgestimmt.
Vorteilhafterweise wird das vorgeschlagene Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems eingesetzt. Denn bei einem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystem weist das Überströmventil ein aktivierbares Speichervolumen auf, das bei einer theoretischen Druckamplitude von maximal 1 bar im Zulaufbereich zumindest der Hälfte des Verdrängungsvolumens Qgeo der volumetrisch nicht-ausgeglichenen Hochdruckpumpe entspricht. Das Überströmventil kann auf diese Weise zur Volumenkompensation einge- setzt, um den Eintrag von Druckpulsationen und/oder Volumenstromungleichför- migkeiten in den Niederdruckbereich zu verhindern oder zumindest deutlich zu verringern.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems, einen schematischen Längsschnitt durch ein herkömmliches Überströmventil einschließlich einer Darstellung des Funktionsprinzips, einen schematischen Längsschnitt durch ein erstes Überströmventil für ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzsystem einschließlich der Darstellung des Funktionsprinzips in Form eines Diagramms, einen schematischen Längsschnitt durch ein zweites Überström ventil für ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzsystem einschließlich der Darstellung des Funktionsprinzips in Form eines Diagramms, einen schematischen Längsschnitt durch ein drittes Überströmventil für ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzsystem einschließlich der Darstellung des Funktionsprinzips in Form eines Diagramms,
Figur 6 einen schematischen Längsschnitt durch ein viertes Überströmventil für ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzsystem und Figur 7 eine ausschnittsweise Vergrößerung des Uberströmventils der
Figur 6.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Das in der Figur 1 dargestellte erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzsystem um- fasst eine volumetrisch nicht-ausgeglichene Hochdruckpumpe 1 mit nur einem Hochdruckelement 2 zur Förderung von Kraftstoff auf Hochdruckdruck. Der Kraftstoff wird der Hochdruckpumpe 1 über einen Zulaufbereich 7 zugeführt, der Teil eines Niederdruckbereichs des Kraftstoffeinspritzsystems ist. Im Zulaufbereich 7 ist ein Überströmventil 3 zur Regelung des Zulaufdrucks angeordnet. Der Zulaufbereich 7 wird über eine Vorförderpumpe 12 mit Kraftstoff aus einem Kraftstoffvorratsbehälter 13 versorgt. Zwischen der Vorförderpumpe 12 und dem Überströmventil 3 ist ferner ein Kraftstofffilter 14 angeordnet.
Der über das Hochdruckelement 2 der Hochdruckpumpe 1 auf Hochdruck geförderte Kraftstoff wird über eine Hochdruckleitung 15 einer Speicherleitung 16 zugeführt, an welche mehrere Kraftstoffinjektoren 17 zum Einspritzen des auf Hochdruck geförderten Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) angeschlossen sind. Zur Rückführung einer Absteuerund/oder Leckagemenge sind die Kraftstoff! njektoren 17 über eine Rücklaufleitung 8 mit dem Kraftstoffvorratsbehälter 13 des Kraftstoffeinspritzsystem verbunden.
Das im Zulaufbereich 7 angeordnete Überströmventil 3 dient der Regelung des Zulaufdrucks. Das Überströmventil 3 ist vorliegend als Kolbenschieberventil ausgeführt und besitzt ein kolbenartiges Ventilglied 5, das gegen die Federkraft einer Feder 4 verschiebbar ist. Die Federkraft der Feder 4 definiert den Öffnungsdruck des Überströmventils 3. Wird der Öffnungsdruck überschritten, gibt die Verschiebung des Ventilgliedes 5 mehrere Absteueröffnungen 6 frei, über welche eine Verbindung des Zulaufbereichs 7 mit der Rücklaufleitung 8 herstellbar ist.
An die Rücklaufleitung 8 ist vorliegend ferner ein Fluidraum 10 angeschlossen, in dem zugleich die Feder 4 aufgenommen ist. Im Wege der Leckage in den Fluidraum 10 gelangender Kraftstoff kann auf diese Weise der Rücklaufleitung 8 zugeführt werden, wodurch der Fluidraum 10 entlastet wird. Bei dem in der Figur 1 dargestellten erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystem besitzt das im Zulaufbereich 7 angeordnete Überströmventil 3 eine weitere Funktion. Diese besteht darin, Druckpulsationen und/oder Volumenstromun- gleichförmigkeiten, die durch die volumetrisch nicht-ausgeglichene Hochdruckpumpe 1 hervorgerufen werden, zu kompensieren, um zu verhindern, dass diese in den Niederdruckbereich eingetragen werden. Die hierzu erforderliche Volumenkompensation wird über ein Speichervolumen des Überströmventils 3 bewirkt, das derart ausgelegt ist, dass es bei einer theoretischen Druckamplitude von maximal 1 bar im Zulaufbereich 7 das Speichervolumen zumindest der Hälfte des Verdrängungsvolumens Qgeo der Hochdruckpumpe 1 entspricht.
Die Aktivierung des Speichervolumens erfordert lediglich eine Verschiebung des kolbenartigen Ventilglieds 5 gegen die Federkraft der Feder 4. Dabei ist der Durchmesser D des Ventilgliedes 5 derart ausgelegt, dass die Volumenkompensation einen geringen Hub des Ventilgliedes 5 erfordert. Die Federrate C der Feder 4 ist so gewählt, dass die erforderliche Druckamplitude für den notwendigen Hub zur Volumenkompensation < 1 bar ist.
Das Überströmventil 3 des Kraftstoffeinspritzsystems der Figur 1 ist vergrößert in der Figur 3 dargestellt. Das Ventilglied 5 des Überströmventils 3 weist einen Durchmesser D = 18 mm auf. Die das Ventilglied 5 belastende Feder 4 besitzt eine Federrate C =14,4 N/mm. Vier Absteueröffnungen 6 sind über den Umfang eines zylinderförmigen Ventilgehäuses 18 gleichmäßig verteilt in einer Ebene E angeordnet.
Demgegenüber ist in der Figur 2 ein herkömmliches Überströmventil 3 dargestellt, dessen Ventilglied 5 einen Durchmesser D = 6 mm und dessen Feder 4 eine Federrate C = 1 ,6 N/mm besitzt. Es sind wiederum vier über den Umfang eines Ventilgehäuses 18 gleichmäßig verteilt angeordnete Absteueröffnungen 6 in einer Ebene E vorgesehen.
Die Funktionsweise der in den Figuren 2 und 3 dargestellten Ventile 3 ist den ferner dargestellten Diagrammen zu entnehmen. In diesen Diagrammen geben jeweils die Kurven: a) den Hub des Ventilgliedes 5 [mm],
b) den Absteuervolumenstrom [l/h],
c) das Speichervolumen [mm3] und
d) den Absteuerquerschnitt [mm2] an. Der Bereich zwischen den gestrichelten Linien definiert den Bereich der gewünschten Volumenkompensation, um Druckpulsationen zu unterbinden. Der Pfeil 19 gibt die hierzu erforderliche Druckvariation an.
Im Beispiel der Figur 2 (herkömmliches Ventil) beträgt die Druckamplitude 2,5 und die Hubamplitude 4,4. Im Beispiel der Figur 3 kann die Druckamplitude auf 0,3 und die Hubamplitude auf 0,5 reduziert werden. Dies wird insbesondere deutlich, wenn man die Länge des Pfeils 19 vergleicht.
In der Figur 4 ist ein Überströmventil 3 für ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzsystem dargestellt, dessen Ventilglied 5 einen Durchmesser D = 12 mm besitzt. Die Feder 4 weist eine Federrate C = 6,4 N/mm auf. Die Anzahl der Absteueröffnungen 6 ist auf zwei in einer Ebene E liegende Öffnungen reduziert. Zudem besitzt das Ventilglied 5 eine Ringnut 1 1 , über welche der Führungsspalt zwischen dem Ventilglied 5 und dem Ventilgehäuse 18 mit den
Absteueröffnungen 6 verbindbar ist, so dass eine im Führungsspalt auftretende Leckagemenge den Absteueröffnungen 6 zugeführt wird. Auf diese Weise wird eine Überfüllung des Fluidraums 10 mit Kraftstoff verhindert. Die vorstehenden Maßnahmen tragen dazu bei, dass - gegenüber dem Beispiel der Figur 2 - die Druckamplitude auf 0,6 und die Hubamplitude auf 1 ,1 reduziert werden kann.
Eine weitere Modifikation ist in der Figur 5 dargestellt. Hier betragen der Durchmesser D = 12 mm und die Federrate C = 4,2 N/mm. Jeweils zwei
Absteueröffnungen 6 sind in einer Ebene E angeordnet, wobei insgesamt vier solcher Ebenen E vorgesehen sind. Zugleich wurde der Absteuerquerschnitt der
Absteueröffnungen 6 verringert. Das Ventilglied 5 weist wiederum eine
Ringnut 1 1 auf. Im Ergebnis werden auf diese Weise eine Druckamplitude von 0,4 und eine Hubamplitude von 1 ,1 erreicht. Während im Beispiel der Figur 4 der Absteuervolumenstrom (Kurve b) noch eine große Amplitude aufweist, die auf ei- ne steile Absteuerkennlinie und einen großen maximalen Durchfluss schließen lassen, kann im Beispiel der Figur 5 die Amplitude des Absteuervolumenstroms deutlich reduziert werden. Das heißt, dass eine flache Absteuerkennlinie und ein reduzierter maximaler Durchfluss erreicht werden. Dies hat zur Folge, dass der Eintrag von Druckpulsationen in den Niederdruckbereich nach dem Überströmventil nicht nur über den Übertragungsweg der Absteueröffnungen 6, sondern ferner über den Übertragungsweg des Fluidraums 10 reduziert wird.
Letzteres kann auch dadurch erreicht werden, dass ein Überströmventil 3 entsprechend der Figuren 6 und 7 verwendet wird. Dieses weist eine Membran 9 auf, welchen den Fluidraum 10 vom Zulaufbereich 7 trennt. Der Fluidraum 10 ist mit Luft gefüllt, so dass ein Druckanstieg im Zulaufbereich 7 eine elastische Verformung der Membran 9 in Richtung des Fluidraums 10 bewirkt. Durch Komprimierung der im Fluidraum 10 vorhandenen Luft wird dann ein Speichervolumen aktiviert, das die erforderliche Volumenkompensation bewirkt.

Claims

Ansprüche
1 . Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere Common-Rail-Einspritzsystem, umfassend eine volumetrisch nicht-ausgeglichene Hochdruckpumpe (1 ) mit nur einem Hochdruckelement (2), ferner umfassend ein Überströmventil (3) zur Regelung des Zulaufdrucks der Hochdruckpumpe (1 ), wobei das Überströmventil (3) ein gegen die Federkraft einer Feder (4) verschiebbares Ventilglied (5) zur Freigabe wenigstens einer Absteueröffnung (6) besitzt, über welche ein Zulaufbereich (7) der Hochdruckpumpe (1 ) mit einer Rücklaufleitung (8) des Kraftstoffeinspritzsystems verbindbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass das Überströmventil (3) ein auf ein Verdrängungsvolumen (Qgeo) der Hochdruckpumpe (1 ) abgestimmtes aktivierbares Speichervolumen besitzt, das bei einer theoretischen Druckamplitude von maximal 1 bar im Zulaufbereich (7) zumindest der Hälfte des Verdrängungsvolumens (Qgeo) entspricht.
2. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass das Speichervolumen über eine Verschiebung des Ventilgliedes (5) gegen die Federkraft der Feder (4) und/oder über eine elastische Verformung einer Membran (9), die einen Fluidraum (10) vom Zulaufbereich (7) trennt, aktivierbar ist.
3. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied (5) des Überströmventils (3) kolbenartig ausgebildet ist und einen Durchmesser (D) zwischen 8 und 18 mm, vorzugsweise zwischen 10 und 14 mm besitzt.
4. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (4) des Überströmventils (3) eine Federrate (C) zwischen 2 und 15 N/mm, vorzugsweise zwischen 4 und
10 N/mm besitzt. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Überströmventil (3) zwei
Absteueröffnungen (6) besitzt, die sich in einer Ebene (E) gegenüber liegen, wobei vorzugsweise mehrere Ebenen (E) vorgesehen sind, in denen sich jeweils zwei Absteueröffnungen (6) gegenüber liegen.
Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied (5) des Überströmventils (3) außenumfangseitig eine mit der wenigstens einen Absteueröffnung (6) hydraulisch verbundene oder verbindbare Ringnut (1 1 ) besitzt.
Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems, insbesondere eines Common-Rail-Einspritzsystem, bei dem zur Regelung des Zulaufdrucks einer volumetrisch nicht-ausgeglichenen Hochdruckpumpe (1 ) mit nur einem Hochdruckelement (2) ein Überströmventil (3) eingesetzt wird, das ein gegen die Federkraft einer Feder (4) verschiebbares Ventilglied
(5) zur Freigabe wenigstens einer Absteueröffnung
(6) besitzt, über welche ein Zulaufbereich
(7) der Hochdruckpumpe (1 ) mit einer Rücklaufleitung
(8) des Kraftstoffeinspritzsystems verbindbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass das Überströmventil (3) ferner zur Volumenkompensation eingesetzt wird und zur Volumenkompensation ein auf ein Verdrängungsvolumen (Qgeo) der Hochdruckpumpe (1 ) abgestimmtes Speichervolumen des Überströmventils (3) aktiviert wird, das bei einer theoretischen Druckamplitude von maximal 1 bar im Zulaufbereich (7) zumindest der Hälfte des Verdrängungsvolumens (Qgeo) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass das Speichervolumen über eine Verschiebung des Ventilgliedes (4) gegen die Federkraft der Feder (4) und/oder über eine elastische Verformung einer Membran
(9), die einen Fluidraum (10) vom Zulaufbereich (7) trennt, aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass das aktivierbare Speichervolumen über den Durchmesser (D) des vorzugsweise kolbenartig ausgebildeten Ventilgliedes (5) und/oder über die Federrate (C) der Feder (4) eingestellt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems gemäß der Ansprüche 1 bis 6 eingesetzt wird.
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