SE1000875A1 - Pump för högtrycksbränsleinsprutning och bränsleinsprutningssystem innefattande en pump för högtrycksbränsleinsprutning - Google Patents

Abstract

29.NOV.20l0 12:48 VOLVO TECHNOLOGY CORP^ NO.l56 P. 14 VOLVO TECHNOLYGG 12 SAM MAN DRAG Uppfinningen avser en pump (5) för högtrycksbränsleinsprutning för tryck-sättning av bränsle och matning av detta för insprutning i en förbrännings-motor, varvid nämnda pump (5) för högtrycksbränsleinsprutning har ett in-lopp (6), minst en kolv (9), samt en sugkanal (8) placerad mellan inloppet(6) och den minst ena kolven (9), varvid åtminstone en del av nämnda sug-kanal (8) är termiskt isolerad från den resterande delen av nämnda pump(5) för högtrycksbränsleinsprutning_ uppfinningen avser dessutom ett bränsleinsprutningssystem, som innefattaren sådan pump (5) för högtrycksbränsleinsprutning. Alternativt till, eller ikombination med värmeisoleringen av sugkanalen kan en avtappningsventil(12) vara anordnad i förbindelse med nämnda sugkanal (8) hos pumpen (5)för högtrycksbränsleinsprutning. (l-"Ig- 2)

Description

15 20 25 30 2 nivå av oönskad ångbildning av bränslet för att säkerställa minsta möjliga systemkostnad och komplexitet. Att välja ett drifttryck för systemets bräns- letankar och matningstrycksdel som är alltför lågt för det valda bränslet kun- de till exempel göra en installation av anordningar för bränslekylning nöd- vändig och skulle därmed öka kostnaden och komplexiteten hos hela syste- met. Att å andra sidan försöka lösa problem med bränsleförångning enbart genom att konstruera systemet för högre tryck skulle också resultera i dyra- re och tyngre konstruktionslösningar.

Vid betraktande av bränsletemperaturdelen av problemet är det viktigt att notera att styrning av lokala bränsletemperaturer är lika viktig som av me- deltemperaturen hos matnings- och insprutningssystemet för bränsle. Detta är delvis på grund av det faktum att ångbildning vanligtvis är snabbare än kondensering och att en ångblåsa när väl den har bildats kan färdas en lång väg genom systemet för att till slut komma till ett ställe där man minst vill ha den, vanligtvis sugporten hos en pump. Om denna pump är en pump för högtrycksbränsleinsprutning som matar bränsle under högt tryck till förbrän- ningsmotorns injektorer blir då följden en omedelbar förlust av motoreffekt.

För att bli av med heta punkter i systemet för matning och insprutning av bränsle, i synnerhet i den del av systemet (dvs. delsystemet för bränslemat- ningstryck) som är avsedd att leverera flytande bränsle med rätt tryck till inloppet av pumpen för högtrycksbränsleinsprutning, kan en forcerad åter- cirkulation av bränslet ordnas i delsystemet för bränslematningstryck. På detta sätt levererar matarpumpen hos delsystemet för bränslematningstryck ett överskottsflöde av bränsle (som överskrider den bränslemängd som mo- mentant behövs för förbränningsprocessen i förbränningsmotorn) som pas- serar förbi pumpen för högtrycksbränsleinsprutning och, via en strypning, återvänder till bränsletanken och/eller inloppet av matarpumpen hos syste- met för bränslematningstryck. Ju högre överskottsflödet av bränsle är desto mindre är risken för uppträdande av heta punkter där förångning kan äga FUm. 10 15 20 25 30 3 Detta tillvägagångssätt fungerar i allmänhet bra, men möjligheterna att kon- figurera systemet för att den forcerade återcirkulationen ska få full effekt kan vara något begränsade av konstruktionen hos pumpen för högtrycksbränsle- insprutning. Detta gäller särskilt den inloppsreglerade typen av pumpar för högtrycksbränsleinsprutning med flera kolvar som vanligtvis uppvisar en enda inloppsreglerventil (IMV) för styrning av pumpflödet. IMV-ventilens funktion är att strypa matningsflödet till kolvarna när delkapacitet behövs, med hjälp av vilket styrning av insprutningstrycket åstadkoms. Denna typ av pump för högtrycksbränsleinsprutning används allmänt på grund av sin rela- tiva enkelhet jämfört med pumpar med variabelt deplacement, som tillåter effektiv styrning av bränsleinsprutningstryck utan slösaktig förbiledning av bränsle under högt tryck som accepteras i vissa system med kolvar med fast deplacement.

När en inloppsreglerad pump för högtrycksbränsleinsprutning används ger behovet av att fördela utflödet från den ensamma IMV-ventilen hos pumpen för högtrycksbränsleinsprutning till ett flertal av pumpkolvar i pumpen upp- hov till en begränsning för effektiv bränsleåtercirkulatíon i hela lågtrycksdel- systemet för bränslematningstryck fram till kolvarnas inlopp hos pumpen för högtrycksbränsleinsprutning. I den resulterande sugvolymen nedströms om IMV-ventilen skulle trycket behöva vara lägre än i resten av delsystemet för bränslematningstryck för att åstadkomma styrning av utflödet med högt tryck från pumpen för högtrycksbränsleinsprutning. För att göra det hela värre skulle denna sugvolym normalt vara belägen inuti pumpen för högtrycksbränsleinsprutning som går vid relativt höga temperaturer då den är anordnad i omedelbar närhet av förbränningsmotorn eller till och med flänsmonterad direkt på denna. Kombinationen av varma omgivningar och en sänkning av bränsletryck kan under vissa förhållanden förorsaka okontrol- lerad förångning av bränslet i sugvolymen och påföljande avbrott av bräns- lematningen.

Detta fenomen skulle vara särskilt framträdande i situationer där förbrän- ningsmotorn är varm och körs under förhållanden med delbelastning där ett relativt litet genomflöde av bränsle krävs i sugvolymen. I ett sådant fall skul- 10 15 20 25 30 4 le omsättningen av bränsle i sugvolymen vara långsam och kolvarna hos pumpen för högtrycksbränsleinsprutning skulle också bearbeta eventuella existerande ångblåsor långsammare jämfört med en situation där en stor 'matning av bränsle krävs av pumpen för högtrycksbränsleinsprutning till för- bränningsmotorns injektorer. Ett sätt att hantera detta problem, som är känt inom teknikområdet, är minskning av sugvolymen. Detta skulle öka bränsle- omsättningshastigheten i denna sugvolym för ett givet genomflöde av bräns- le och skulle därför hjälpa till med att hålla dettas temperatur under kontroll och skulle så småningom också begränsa mängden ångblåsor bildade på ett okontrollerat sätt som måste kondenseras av pumpens kolvar. Möjligheterna till en sådan minskning av sugvolym begränsas dock (i) av behovet att sä- kerställa en tillräcklig genomströmningsarea hos kanalerna från IMV-ventilen till kolvarna hos pumpen för högtrycksbränsleinsprutning för förhållanden med full effekt och (ii) av packningsgrad och tekniska hänsynstaganden, så- som t.ex. att IMV-ventilen ibland inte kan placeras väldigt nära kolvarnas inlopp.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ett syfte med uppfinningen är att tillhandahålla en pump för högtrycksbräns- leinsprutning, samt ett bränsleinsprutningssystem som innefattar en pump för högtrycksbränsleinsprutning, som är mindre känsliga för ångbildning av bränslet.

Ett annat syfte med uppfinningen är att tillhandahålla en pump för högtrycksbränsleinsprutning och ett bränsleinsprutningssystem som är läm- pade för bearbetning av bränslen med hög flyktighet, såsom exempelvis DME, för förbränningsmotorer.

Dessa syften uppnås genom särdragen i de oberoende patentkraven. De öv- riga patentkraven och beskrivningen samt figurerna visar ytterligare fördel- aktiga förbättringar och utföringsformer av uppfinningen.

En allmän fördel med uppfinningen är att den minskar mängden ångbildning av bränslet som ska trycksättas av pumpen för högtrycksbränsleinsprutning 10 15 20 25 30 5 och därmed i motsvarande grad risken för att matníngen av trycksatt bränsle med pumpen för högtrycksbränsleinsprutning för insprutning in i förbrän- ningsmotorn minskas under den bränslemängd som behövs för själva driften av motorn och samtidigt förbättrar tiliförlitligheten och stabiliteten hos styr- ningen av nämnda matning av trycksatt bränsle för insprutning i förbrän- ningsmotorn.

Enligt en första aspekt av uppfinningen föreslås en pump för högtrycksbräns- leinsprutning för trycksättning av bränsle och matning av detta för insprut- ning i en förbränningsmotor, varvid nämnda pump för högtrycksbränslein- sprutning innefattar ett inlopp (för mottagning av bränsle från t.ex. en bränsletank), minst en kolv (som trycksätter det mottagna bränslet och ma- tar det till injektorer för insprutning i förbränningsmotorn) samt en sugkanal placerad mellan inloppet och den minst ena kolven (och som därmed förbin- der inloppet av pumpen för högtrycksbränsleinsprutning med inloppsporten hos den minst ena kolven). För att säkerställa tillförlitlig styrning av bräns- lets densitet vid kolvens inloppsport och på så sätt bibehålla styrbarheten av pumpflöde är, enligt denna första aspekt av uppfinningen, åtminstone en del av sugkanalen termiskt isolerad från den resterande delen av nämnda pump för högtrycksbränsleinsprutning.

I en föredragen utföringsform av uppfinningen är en hylsa införd i pumpen för högtrycksbränsleinsprutning på ett sådant sätt att innerdiametern av nämnda hylsa bildar åtminstone en del av nämnda sugkanal. Hylsan är för- delaktigt gjord av ett material vars värmeledningsförmåga är mycket lägre än värmeledningsförmågan hos materialet i åtminstone den del av pumpen för högtrycksbränsleinsprutning som är anordnad intill eller direkt omger nämnda hylsa. Värmeledningsförmågan hos hylsmaterialet har företrädesvis ett värde som är mera än omkring 50 gånger, företrädesvis mera än om- kring 100 gånger, i synnerhet mera än omkring 200 gånger, men dock minst omkring 5,5 gånger lägre än värmeledningsförmågans värde för åtminstone den del av pumpen för högtrycksbränsleinsprutning som ligger intill eller di- rekt omger nämnda hylsa. Åtminstone en del av hylsan är fördelaktigt be- lagd med ett värmeisolerande material. Genom att använda en hylskonstruk- 10 15 20 25 30 6 tion, i synnerhet med de material- och beläggningsegenskaper som nämns ovan, kan en mycket enkel, billig och effektiv konstruktion av en sådan vär- meisolering av den kritiska delen av sugkanalen från den resterande delen av nämnda pump för högtrycksbränsleinsprutning åstadkommas som säker- ställer den önskade tillförlitliga styrningen av bränslets densitet vid inlopps- porten hos den minst ena kolven hos pumpen för högtrycksbränsleinsprut- ning och den önskade tillförlitliga och stabila styrbarheten av pumpflödet.

I en andra aspekt av uppfinningen föreslås ett bränsleinsprutningssystem för en förbränningsmotor som innefattar en pump för högtrycksbränsleinsprut- ning enligt den första aspekten av uppfinningen. För att göra ett sådant sy- stem ännu mera stabilt i dess drift och för att minska eventuella mängder av förångat bränsle i systemet är en avtappningsventil anordnad i förbindelse med sugkanalen hos pumpen för högtrycksbränsleinsprutning. Nämnda av- tappningsventil är fördelaktigt anordnad i förbindelse mellan sugkanalen och en bränslereturledning kopplad till en bränsletank som håller kvar bränslet som samlas upp i bränslereturledningen. Denna tank är företrädesvis samma bränsletank från vilket bränslet för pumpen för högtrycksbränsleinsprutning levereras, för att därigenom möjliggöra en effektiv återcirkulation av bränsle som inte behandlas av den minst ena kolven hos pumpen för högtrycks- bränsleinsprutning och följaktligen en motsvarande minskning av genom- snittlig bränsleförbrukning. I en föredragen utföringsform av uppfinningen kan avtappningsventilen vara elektroniskt styrd till att öppna när det är tro- ligt att sugkanalen innehåller bränsleånga, till exempel när en varm förbrän- ningsmotor måste startas i mycket kalla omgivande förhållanden. Avtapp- ningsventilen kan förbli öppen under en relativt kort tidsperiod för att låta det kallare bränslet tränga undan bränsleångan tillbaka till bränslereturled- ningen.

Enligt en tredje aspekt av uppfinningen föreslås ett bränsleinsprutningssy- stem för en förbränningsmotor, vilket system innefattar en pump för högtrycksbränsleinsprutning för trycksättning av bränsle och matning av det- ta för insprutning i förbränningsmotorn, varvid nämnda pump för högtrycks- bränsleinsprutning har ett inlopp (för mottagning av bränsle från t.ex. en 10 15 20 25 30 7 bränsletank), minst en kolv (som trycksätter det mottagna bränslet och ma- tar det till injektorer för insprutning i förbränningsmotorn) och en sugkanal placerad mellan inloppet och den minst ena kolven (och som därmed förbin- der inloppet av pumpen för högtrycksbränsleinsprutning med inloppsporten hos den minst ena kolven), samt varvid en avtappningsventil är anordnad i förbindelse med nämnda sugkanal hos pumpen för högtrycksbränsleinsprut- ning. Nämnda avtappningsventil är fördelaktigt anordnad i förbindelse mellan sugkanalen och en bränslereturledning kopplad till en bränsletank som håller kvar bränslet som samlas upp i bränslereturledningen. Denna lösning är sär- skilt användbar när en värmeisolering av sugkanalen (eller en del av denna) från den resterande delen av nämnda pump för högtrycksbränsleinsprutning, enligt den första aspekten av uppfinningen, inte är möjlig eller allför kompli- cerad till sin konstruktion eller alltför kostsam att åstadkomma.

Tanken är företrädesvis samma bränsletank från vilket bränslet för pumpen för högtrycksbränsleinsprutning levereras för att därigenom möjliggöra en effektiv återcirkulation av bränsle som inte behandlas av den minst ena kol- ven hos pumpen för högtrycksbränsleinsprutning och följaktligen en motsva- rande minskning av genomsnittlig bränsleförbrukning. I en föredragen utfö- ringsform av uppfinningen kan avtappningsventilen vara elektroniskt styrd till att öppna när det är troligt att sugkanalen innehåller bränsleånga, till ex- empel när en varm förbränningsmotor måste startas i mycket kalla omgi- vande förhållanden. Avtappningsventilen kan förbli öppen under en relativt kort tidsperiod för att låta det kallare bränslet tränga undan bränsleångan tillbaka till bränslereturledningen.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Föreliggande uppfinning, tillsamman med ovannämnda och andra syften och fördelar, kan bäst förstås av den efterföljande detaljerade beskrivningen av föredragna utföringsformer av uppfinningen, men är inte begränsad till dessa utföringsformer, varvid: Fig. 1 schematiskt visar en föredragen första utföringsform av bränslein- sprutningssystemet enligt föreliggande uppfinning, med en pump 10 15 20 25 30 8 för högtrycksbränsleinsprutning som är utrustad med en fördelak- tig värmeisolering (i form av en hylsa) av en del av sugkanalen enligt föreliggande uppfinning, Fig. 2 schematiskt visar en föredragen andra utföringsform av bränslein- sprutningssystemet enligt föreliggande uppfinning, med en pump för högtrycksbränsleinsprutning som är utrustad med en fördelak- tig värmeisolering (i form av en hylsa) av en del av sugkanalen enligt föreliggande uppfinning samt med en extra avtappningsven- til förbunden med en bränslereturledning.

DETALIERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER AV UPPFINNINGEN I figurerna hänvisas det till likadana eller liknande delar med likadana hän- visningssiffror. Figurerna är endast schematiska framställningar och inte av- sedda att avbilda specifika parametrar hos uppfinningen. Vidare är figurerna endast avsedda att avbilda typiska utföringsformer av uppfinningen och får därför inte anses som begränsande för uppfinningens omfång.

I fig. 1 visas en föredragen utföringsform av bränsleinsprutningssystemet enligt föreliggande uppfinning. Systemet innefattar en bränsletank 1, ett del- system för lågtrycksbränslematning som består av en matarpump 2, en strypventil 3, en bränslematningsledning 13 och en bränslereturledning 4.

Systemet innefattar dessutom en pump 5 för högtrycksbränsleinsprutning med ett inlopp 6, en inloppsreglerventil 7 (IMV), en sugkanal 8 och som ex- empel tre kolvar 9, samt en bränsleinjektor 10 som sprutar in det trycksatta bränslet i förbränningsmotorn (inte visad). Strypventilen 3, IMV-ventilen 7 och injektorn 10 styrs av ett motorstyrsystem (EMS) (inte visat). I figuren visas en pump för högtrycksbränsleinsprutning med 3 kolvar 9, vilka kolvar 9 är fasförskjutna i sina pumpningscykler. Det inses dock att valet av just 3 kolvar bara är ett exempel. I själva verket kan antalet kolvar i en sådan pump variera beroende på tillämpningen och de speciella förhållandena.

Pumpar med en, två, tre, fyra, fem, sex, eller till och med flera än sex kolvar kan användas i anslutning till uppfinningen. 10 15 20 25 30 Åtminstone en del av sugkanalen 8 är gjord i form av ett hål med relativt stor diameter i pumpen 5 för högtrycksbränsleinsprutning och varvid en hyl- sa 11 gjord av ett värmeisolerande material är instucken i detta hål.

Hylsan 11 kan täcka insidan av hålet bara på en viss del av en viss längd (såsom visas som exempel i figuren), eller hålet i hela dess längd. Alternativt kunde flera än en hylsa vara instuckna i hålet för att täcka insidan av hålet på vissa (eventuellt åtskilda) delar av vissa (och eventuellt olika) längder.

Vidare kan hylsan (hylsorna), eller eventuell annan värmeisolering, även täcka ytterligare delar av sugkanalen 8 utanför hålet, eller hela sugkanalen 8 mellan IMV-ventilen 7 och kolvarnas 9 inloppsportar.

Hylsans 11 innerdiameter är vald så att hylsans 11 genomströmningsarea (det inre röret hos hylsan 11 som kännetecknas av innerdiametern) är till- räckligt stor för att pumpen 5 för högtrycksbränsleinsprutning ska nå sitt maximala nominella flöde utan att strypa inloppet till kolvarna 9, men annars vid ett minimum för att hålla sugkanalens 8 totalvolym så liten som möjligt för god styrbarhet av bränslets densitet i nämnda sugkanal 8.

Bränsleinsprutningssystemet i fig. 1 fungerar på följande sätt: matarpumpen 2 suger bränsle från bränsletanken 1 och trycksätter detta till ett visst mat- ningstryck. Detta matningstryck levereras via bränslematníngsledningen 13 både till IMV-ventilen 7 och strypventilen 3. Strypventilen 3 styrs företrädes- vis av EMS-systemet för att uppnå det erforderliga bränslematningstrycket, medan matarpumpen 2 levererar ett bränsleflöde som överskrider den mängd som krävs för kraftgenerering av förbränningsmotorn. Denna överskottsmängd av bränsleflöde återcirkuleras via bränslereturledningen 4.

Det återcirkulerade bränsleflödet som därmed etableras hjälper till med att hålla bränsletemperaturen relativt jämn genom hela matningstryckskretsen så att lokala heta punkter och förångning av bränsle med stor sannolikhet undviks, för att säkerställa stabila bränsleegenskaper vid inloppet av IMV- ventilen 7. 10 15 20 25 30 10 Bränslet vid matningstryck släpps därefter genom IMV-ventilen 7 till sugka- nalen 8 och vidare till inloppsportarna hos de tre pumpkolvarna 9 som är fasförskjutna i sina pumpníngscykler, såsom visas i figuren. Under nedåtsla- get fyller kolvarna 9 på den bränslemassa som beror av den EMS-styrda strypningen av IMV-ventilen 7 och pumpar därefter ut den ur pumpen 5 för högtrycksbränsleinsprutning och in i injektorn 10 för att spruta in den i för- bränningsmotorn. Den värmeisolerande hylsan 11 saktar ner den föränd- ringshastighet av bränsleegenskaper (temperatur, densitet, etc.) som upp- träder i sugkanalen 8 på grund av uppvärmning av bränslet av den heta kroppen hos pumpen 5 för högtrycksbränsleinsprutning och minskar därför risken för ångbildning i sugkanalen 8 som kan vara hög vid kritiska driftför- hållanden såsom drift vid väldigt låg belastning med lågt varvtal omedelbart efter drift med högt varvtal/hög belastning av förbränningsmotorn, när för- bränningsmotorn och pumpkroppens delar hos pumpen 5 för högtrycks- bränsleinsprutning ligger vid, eller nära deras temperaturmaximum och till- förseln av färskt och kallt bränsle till sugkanalen 8 ligger vid, eller nära sitt temperaturminimum.

I fig. 2 visas en föredragen andra utföringsform av bränsleinsprutningssy- stemet enligt föreliggande uppfinning. Förutom systemet som visas i fig. 1 uppvisar systemet i fig. 2 en avtappningsventil 12 som är anordnad på sug- kanalen 8, varvid utloppet av avtappningsventilen 12 är anslutet till bränsle- returledningen 4. När förbränningsmotorn och pumpen 5 för högtrycksbräns- leinsprutning är osedvanligt varma men bränslet i bränsletanken 1 är relativt kallt så att trycket i bränsletanken 1 är lågt och matarpumpen 2 inte ger till- räckligt tryck för att överföra ångan i sugkanalen 8 i flytande form öppnar avtappningsventilen 12 under en begränsad tid för att tappa av ångan ut i bränslereturledningen 4 och medge påfyllning av sugkanalen 8 med färskt kallare (vätskeformigt) bränsle. Detta kommer till exempel att hjälpa till med att starta en varm motor under kalla omgivande förhållanden.

Den ovanstående beskrivningen tillhandahålls som referens och föreliggande uppfinning kan vara uppbyggd i många olika versioner och varianter inom ramen för patentkraven.

Claims (3)

5 10 15 20 11 PATENTKRAV

1. Bränsleinsprutningssystem för en förbränningsmotor, innefattande en pump (5) för högtrycksbränsleinsprutning för trycksättning av bränsle och matning av detta för insprutning i förbränningsmotorn, varvid nämnda pump (5) för högtrycksbränsleinsprutning har ett inlopp (6), minst en kolv (9), samt en sugkanal (8) placerad mellan inloppet (6) och den minst ena kolven (9), kännetecknat av att en avtappningsventil (12) är anordnad i förbindel- se med nämnda sugkanal (8) hos pumpen (5) för högtrycksbränsleinsprut- ning.

2. Bränsleinsprutningssystem enligt patentkrav 1, kännetecknat av att nämnda avtappningsventil (12) är anordnad i förbin- delse mellan sugkanalen (8) och en bränslereturledning (4) kopplad till en bränsletank (1).

3. Bränsleinsprutningssystem enligt något av patentkraven 1 eller 2, kännetecknat av att en inloppsreglerventil (IMV) (7) är anordnad i förbin- delse med inloppsporten (6) hos pumpen (5) för högtrycksbränsleinsprut- ning.