Kraftstoffeinspritzsystem mit einem Festkörperdämpfungselement

Abstract

 Bei einem Kraftstoffeinspritzsystem (1) ist ein im Hochdruckbereich zur Druckkompensation des Kraftstoffs angeordnetes Dämpfungselement (6, 7, 8) massiv und aus einem Festkörpermaterial gebildet, dessen Elastizitätskonstante und Schallgeschwindigkeit höher als die des Kraftstoffs sind. Durch die größere Elastizität bewirkt eine Druckänderung im Dämpfungselement eine größere Volumenänderung als im Kraftstoff. Die Druckkompensation erfolgt nicht mehr ausschließlich durch den Kraftstoff, sondern durch eine Kopplung an das Dämpfungselement.

Beschreibung

Stand der Technik

[0001] Die Erfindung geht aus von einem Kraftstoffeinspritzsystem nach der Gattung des Patentanspruchs 1.

[0002] Der Hochdruckbereich eines Common Rail Systems erstreckt sich von der Pumpe (durch das Rail und die Zuleitungen) bis zum Ventilsitz im Injektor. Der Dieselkraftstoff wird in diesem Bereich einem Druck von bis zu und über 1350 bar ausgesetzt. Beim Injektionsvorgang, also Öffnen und Schließen des Ventils, entstehen Druckeinbrüche und -überhöhungen, die sich als Druckwellen im Hochdrucksystem ausbreiten. Durch Reflexionen und Überlagerungen treten deutliche Abweichungen vom mittleren Raildruck auf. Bei 1350 bar Raildruck sind Druckabsenkungen von bis zu 180 bar und Drucküberhöhungen von bis zu 250 bar in verschiedenen, derzeit in Serie eingesetzten Systemen gemessen worden. Das Hochdrucksystem (z.B. Railvolumen, Verhältnis von Raildurchmesser zu Zuleitungsdurchmesser) und die Komponenten (z.B. die Materialstärken der Bauteile für die Dauerfestigkeit) werden derzeit so ausgelegt, dass die Druckwellen das System nicht schädigen bzw. die Funktionalität durch die Druckwellen nicht beeinträchtigt wird.

[0003] Das Rail reflektiert und dämpft die Druckwellen, die vom Injektor durch den Injektionsvorgang ausgelöst werden. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Druckwellen nur mit stark reduzierter Amplitude zur Hochdruckpumpe und den anderen Injektoren gelangen. Weiterhin begrenzt das Rail den Druckabfall nach dem Ausgleich aller Druckschwingungen. Durch den Injektionsvorgang wird dem Hochdrucksystem Kraftstoff entnommen, wodurch der Druck im System abnimmt. Durch das große Kraftstoffvolumen im Rail ist die relative Mengenänderung klein, so dass auch die relative Druckänderung klein ist. Die Druckamplituden nehmen mit steigendem Raildruck wegen der abnehmenden Kompressibilität des Kraftstoffs zu, so dass in zukünftigen Systemen mit höheren Raildrücken mit zunehmenden Schwierigkeiten durch die Druckschwingungen zu rechnen ist.

[0004] Bei einem bekannten Kraftstoffeinspritzsystem der eingangs genannten Art (EP 1 150 003 A1) ist ein hohles Dämpfungselement mit dünner Wand im Rail oder in einer Hochdruckleitung des Kraftstoffs angeordnet. Die dünne Wand ist federnd ausgebildet, so dass die durch einen Injektionsvorgang hervorgerufenen Druckschwankungen und der Druckabfall im Hochdrucksystem durch Komprimieren und Expandieren des Dämpfungselements reduziert bzw. ausgeglichen werden.

Vorteile der Erfindung

[0005] Bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystem ist ein zusätzlicher Festkörper mit einer größeren Elastizitätskonstanten als die des Kraftstoffs im Rail oder den Zuleitungen oder in den Hochdruckbereich des Injektors eingeführt. Durch die größere Elastizität des Festkörpers wird der Druckeinbruch erheblich reduziert, und die Funktionsweisen der Ausbreitung und der Kompensation werden verändert. Gerade durch den geänderten Kompensationsmechanismus bewirkt bereits ein kleiner Festkörper völlig andere Eigenschaften des Gesamtsystems und ist wesentlich effizienter als das große Kraftstoffvolumen im Rail. Mit dem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystem ergeben sich insbesondere die folgenden Vorteile:

• das Rail wird erheblich kleiner, leichter und billiger;
• der Druck an der Spitze der Injektordüse, welcher für die momentan injizierte Kraftstoffmenge entscheidend ist, kann auf einem durchgehend höheren Niveau gehalten werden, d.h., der Druckeinbruch an der Injektordüse wird verringert;
• der Einspritzverlauf wird zeitlich stabiler, da der Kraftstoffdruck an der Injektordüse, welcher für die momentan injizierte Kraftstoffmenge entscheidend ist, geringere Schwankungen aufweist;
• die Komponenten können bei höheren Raildrücken betrieben werden, da bisher die Auslegung für die kritischen Spitzendrücke erfolgen musste, um die Laufzeit zu garantieren;
• die Beeinflussung der Haupteinspritzung durch die bei der Voreinspritzung entstandenen Druckwellen wird reduziert bzw. vermindert.

[0006] Das Festkörpermaterial des Dämpfungselements sollte weiterhin auch die nachfolgenden speziellen Eigenschaften aufweisen:

• ein Kompressionsmodul (Elastizitätskonstante), das in einem spezifizierten Größenbereich über große Druck- und Temperaturbereiche liegt;
• eine schnelle Reaktionszeit (dynamisches Kompressionsmodul);
• eine Schallgeschwindigkeit höher als die des Kraftstoffs;
• diese Eigenschaften soll das Material über die Lebensdauer des Injektors beibehalten.

[0007] Insbesondere geeignet ist Aluminium, dessen Kompressionsmodul bei 99.9%-Reinheit mehr als zehnmal über dem von Dieselkraftstoff liegt. Das Kompressionsmodul kann durch Legierungen (z.B. bis zu 1,5% Mangan oder Magnesium) auf das Doppelte von Dieselkraftstoff reduziert werden. Die Schallgeschwindigkeit von Aluminium beträgt mit über 5000 m/s mehr als das Dreifache von Dieselkraftstoff unter gleichen Bedingungen, was auch auf eine schnelle Dynamik hindeutet. Es besteht dadurch die Möglichkeit, die Materialeigenschaften gezielt einzustellen bzw. vorzugeben. Spezielle Oberflächengeometrien des Dämpfungselements bieten weiteres Optimierungspotential, z.B. ein Vollzylinder,mehrere Stäbchen, Plättchen oder Kugeln, welche symmetrisch bezüglich der Belastung bzw. Beanspruchung sind.

[0008] Das Einfügen des Festkörpers verändert die Ausbreitung der Druckschwingungen bzw. die Verteilung der Druckdifferenz über das Gesamtsystem. Hierfür sind drei verschiedene Faktoren verantwortlich:

• Die Schallgeschwindigkeit in Festkörpern ist erheblich größer als die in Flüssigkeiten (für Aluminium und Eisen ca. um den Faktor 3). Hierdurch wird eine Druckänderung mit zwei verschiedenen Geschwindigkeiten im System verteilt, was zu einer schnelleren Angleichung führt. Wenn ein langer Stab (z.B. in der Zuleitung zum Injektor oder im Rail) an seinem einen Ende einen Druckabfall erfährt, dann entspannt er sich an diesem Ort des Stabes in die Richtung des geringeren Drucks. Dadurch werden die benachbarten Bereiche in diese Richtung des Stabes entspannt, d.h., der Stab verformt sich in diese Richtung und zieht sich in den beiden anderen Raumrichtungen etwas zusammen, da dort noch der ursprüngliche Druck des Kraftstoffs wirkt (der Druckabfall des Kraftstoffunterdrucks hat diesen Ort noch nicht erreicht). Der Kraftstoff, der den Stab dort umgibt, hat etwas mehr Volumen, entspannt sich und senkt den Druck ab. Die "fehlende" Kraftstoffmenge wird daher schneller über weitere Volumenbereiche verteilt. Die Unterdruckwelle im Kraftstoff wird in ihrer Amplitude verringert, da der vorausgehende Bereich bereits einen kleinen Druck hat. Dieser Mechanismus wirkt auf alle Druckwellen, also auch für reflektierte Überdruck- oder Unterdruckwellen. Die bisherige Ausbreitung der "fehlenden" Kraftstoffmenge mit einer Geschwindigkeit und der daraus folgenden schlechten Verteilung wird erheblich verbessert.
• Das Anbringen eines Festkörpers im Bereich der Zuleitungen oder im Injektor entspricht einer Verschiebung von Railvolumen näher an den Ort der ursprünglichen Massenentnahme. Die "fehlende" Kraftstoffmenge wird dadurch schneller auf mehr Volumen verteilt, was den anfänglichen Druckabfall (Druckunterschied) reduziert bzw. gar nicht erst entstehen lässt.
• Im bisherigen Stand der Technik wird ein Kraftstoffvolumenelement nur dann zum Nachliefern der "fehlenden" Kraftstoffmenge beschleunigt, wenn es eine Druckdifferenz erfährt. Da sich die Druckwelle mit Schallgeschwindigkeit ausbreitet, wirken die Beschleunigungskräfte nur für die sehr kurzen Zeiten, in denen der Druck steigt oder fällt. Der Festkörper wird sich jedoch auch bei einem von allen Seiten konstant niedrigeren Druck, solange er noch nicht seinen endgültigen Zustand erreicht hat ausdehnen, da er durch seine Kompression die "Information" über den vorherigen Zustand (hoher Druck) selbst beinhaltet.

[0009] Durch obige Effekte werden die Druckamplituden, die vom Injektor ausgehen, reduziert. Dadurch sind weitere Verbesserungen am Hochdrucksystem möglich, z.B. kann das Reflexionsvermögen am Raileingang reduziert werden, was die Verteilung im restlichen System beschleunigt.

[0010] Das Dämpfungselement kann auch als durchgehende innere Beschichtung der Hochdruckzulaufleitungen und/oder des Rails mit dem Festkörpermaterial eingebracht werden.

[0011] Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

[0012] Verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems in einer schematische Darstellung; und

Fig. 2

ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems in einer Darstellung analog zu Fig.1.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

[0013] Das in Fig. 1 dargestellte Kraftstoffeinspritzsystem 1 umfasst ein Hochdruckrail 2 und vier Injektoren (Einspritzventile) 3, von denen nur einer gezeigt ist. Der Injektor 3 ist über eine Zulaufleitung 4 an das Rail 2 angeschlossen. Im Hochdruckrail 2, in der Hochdruckzuleitung 4 und in einer Hochdruckleitung 5 des Injektors 3 ist jeweils ein Dämpfungselement 6, 7, 8 in Form eines massiven Festkörpers angeordnet, dessen Elastizitätskonstante und Schallgeschwindigkeit höher als die des Kraftstoffs (Dieselkraftstoff) sind. Durch die größere Elastizität bewirkt eine Druckänderung im Dämpfungselement eine größere Volumenänderung als im Kraftstoff. Da die Schallgeschwindigkeit in Festkörpern erheblich größer als die im Kraftstoff ist (für Aluminium und Eisen ca. um den Faktor 3), wird eine im Hochdruckrail 2, in der Hochdruckzulaufleitung 4 oder in der Hochdruckleitung 5 auftretende Druckänderung durch die Dämpfungselemente 6, 7, 8 schneller im System verteilt, was zu einer schnelleren Druckangleichung führt.

[0014] Das im Hochdruckrail 2 vorgesehene plattenförmige Dämpfungselement 6 ermöglicht, da Druckspitzen reduziert werden, ein kleineres Rail, was wiederum geringere Reflexionen am Raileingang und eine schnellere Dämpfung bewirkt. Der primäre Druckeinbruch im Injektor 3 und an der Injektordüse wird hierdurch jedoch nicht reduziert. Das Ausgleichsvolumen im Hochdruckrail 2 kann daher reduziert werden, da die gleiche Kompensationswirkung mit einem kleineren Volumen erreicht wird. Das kleinere Railvolumen ermöglicht einen kleineren Durchmesser des Hochdruckrails 2. Zusätzlich zu der Ersparnis durch den kleineren Durchmesser kann die Railwand in ihrer Stärke reduziert werden, da die Druckkräfte auf die Railwand mit dem kleineren Innenradius sinken.

[0015] Durch das in der Hochdruckzulaufleitung 4 angeordnete stabförmige Dämpfungselement 7 wird eine schnellere Ausbreitung und Dämpfung der Druckwelle erreicht. Der Druckeinbruch im Injektor 3 wird geringfügig verringert, die Drucküberhöhungen bei der rücklaufenden Welle jedoch deutlich. Das Kraftstoffeinspritzsystem 1 kann folglich bei höheren Raildrücken betrieben werden.

[0016] Durch das stabförmige Dämpfungselement 8 wird ein Teil des aufgrund der Einspritzung im Injektor 3 "fehlenden" Volumens sofort im Injektor 3 kompensiert, wodurch der primäre Druckeinbruch reduziert wird. Das Railvolumen und der Raileingang können reduziert bzw. optimiert werden, so dass das Kraftstoffeinspritzsystem 1 bei höheren Raildrücken betrieben werden kann.

[0017] Bei dem in Fig. 2 gezeigten Kraftstoffeinspritzsystem sind am Übergang vom Hochdruckrail 2 zu der Hochdruckzulaufleitung 4 und am Übergang von der Hochdruckzulaufleitung 4 zum Injektor 3 jeweils stabförmige Dämpfungselemente 9, 10 so angeordnet, dass sie jeweils in beide Bereiche vordringen. Dadurch ist die Druckkopplung zwischen Hochdruckrail 2 und Hochdruckzulaufleitung 4 bzw. Hochdruckzulaufleitung 4 und Injektor 3 erhöht und damit verbessert.

Ansprüche

1. Kraftstoffeinspritzsystem (1) mit einem im Hochdruckbereich angeordneten Dämpfungselement (6, 7, 8, 9, 10) zur Druckkompensation des Kraftstoffs, dadurch gekennzeichnet,
dass das Dämpfungselement (6, 7, 8, 9, 10) massiv und aus einem Festkörpermaterial gebildet ist, dessen Elastizitätskonstante und Schallgeschwindigkeit höher als die des Kraftstoffs sind.

2. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (6, 7, 8, 9, 10) durch Aluminium oder eine Aluminiumlegierung gebildet ist.

3. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (6, 7, 8, 9, 10) im Hochdruckrail (2) und/oder in einer Hochdruckzulaufleitung (4) und/oder im Hochdruckbereich eines Injektors (3) des Kraftstoffeinspritzsystems (1) angeordnet ist.

4. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (6, 7, 8, 9, 10) lose in das Hochdruckrail (2) und/oder in die Hochdruckzulaufleiturig (4) und/oder in den Hochdruckbereich des Injektors (3) eingelegt ist.

5. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement Teil des Hochdruckrails (2) und/oder der Hochdruckzulaufleitung (4) und/oder des Hochdruckbereichs des Injektors (3) ist.

6. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement als innere Beschichtung der Hochdruckzulaufleitung (4) und/oder des Hochdruckrails (2) mit dem Festkörpermaterial ausgebildet ist.

7. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (9, 10) am Übergang vom Hochdruckrail (2) zu der Hochdruckzulaufleitung (4) oder am Übergang von der Hochdruckzulaufleitung (4) zum Injektor (3) so angeordnet ist, dass es jeweils in beide Bereiche vordringt.

8. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (7, 8, 9, 10) stabförmig ausgebildet ist.

9. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (6) plattenförmig ausgebildet ist.

10. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement bezüglich Druckkompression symmetrisch ausgebildet ist.

Zeichnung