DE112006000387B4

DE112006000387B4 - Gemeinsames Druckleitungssystem mit Druckverstärkung

Info

Publication number: DE112006000387B4
Application number: DE112006000387.9T
Authority: DE
Inventors: Ulrich Augustin
Original assignee: Continental Automotive Systems Inc
Current assignee: Continental Automotive Systems Inc
Priority date: 2005-02-22
Filing date: 2006-02-09
Publication date: 2014-08-21
Anticipated expiration: 2026-02-10
Also published as: JP4608554B2; US20060222514A1; DE112006000387T5; US7406945B2; JP2008531900A; WO2006091392A1

Abstract

Brennstoffsystem (10) mit: einer Brennstoffleitung (12), die Brennstoff mit einem ersten Druck enthält; einem Druckverstärker (16), der Brennstoff aus der Brennstoffleitung (12) mit dem ersten Druck aufnimmt und den aufgenommenen Brennstoff auf einen zweiten Druck erhöht, der höher als der erste Druck ist; und mindestens einem Brennstoffeinspritzelement (14), das Brennstoff mit dem zweiten Druck von dem Druckverstärker (16) aufnimmt; wobei der Druckverstärker (16) eine Hochdruckkammer (74) umfasst, die einen Hochdrucktauchkolben (88) beinhaltet, der von einem Verstärkerkolben (90) angetrieben wird, der wahlweise von einem Ventil steuerbar ist, wobei der Hochdrucktauchkolben (88) in die Hochdruckkammer (74) getrieben wird, um Brennstoffdruck auf den zweiten Druck zu erhöhen; und wobei das Ventil wahlweise Umgebungsdruck weitergibt, um ein Druckdifferenzial über dem Verstärkerkolben (90) zu erzeugen, das den Hochdrucktauchkolben (88) in die Hochdruckkammer (74) treibt; dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil in Abhängigkeit von der Brennstoffströmung durch den Druckverstärker (16) bewegbar ist.

Description

Diese Patentanmeldung beansprucht Priorität gegenüber der vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 60/655,302, eingereicht am 22. Februar 2005.
Diese Erfindung betrifft allgemein ein Brennstoffsystem für einen Verbrennungsmotor. Insbesondere betrifft diese Erfindung ein Brennstoffsystem mit gemeinsamer Druckleitung zur Verstärkung des an ein Brennstoffeinspritzelement weitergegebenen Brennstoffdrucks.
DE 100 62 545 C1 beschreibt eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit einer Einspritzdüse, welche einen Steuerraum zur Ansteuerung einer Düsennadel und einen an einen Druckverstärker anschliessbaren Düsenraum aufweist.
DE 199 10 970 A1 beschreibt eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, welche eine zwischen einem Druckspeicherraum und einem Düsenraum angeordnete Druckübersetzungseinheit aufweist, deren Druckkammer über eine Druckleitung mit dem Düsenraum verbunden ist.
Herkömmliche Brennstoffsysteme stellen einen gewünschten Brennstoffdruck an mehreren Brennstoffeinspritzelementen für einen Motor zur Verfügung. Eine Erhöhung des Brennstoffdrucks kann erhöhte Wirkungsgrade erzeugen, was wiederum eine verbesserte Leistung und Brennstoffausbeute ergibt. Zudem können höhere Brennstoffdrücke eine erwünschte Verringerung der Emissionen bewirken. Hohe Brennstoffdrücke bewirken zudem erhebliche Verbesserungen für Dieselbrennstoffmotoren.
Ungünstigerweise ist die Größe des Brennstoffdrucks durch derartige Komponenten eingeschränkt, wie Brennstoffleitung, Hochdruckpumpe, Leitungsverbindungen, Ventile, Stellglieder und andere komplementäre Vorrichtungen. Erhöhte Brennstoffdrücke erfordern robustere Vorrichtungen, die für die erhöhten Drücke ausgelegt sind, was wiederum die Kosten erhöht.
Es ist daher wünschenswert, ein Brennstoffsystem zu entwickeln und zu entwerfen, das erhöhte Drücke liefert, während es den Einsatz hochdruckverträglicher Komponenten nur beschränkt notwendig macht.
Ein beispielhaftes, erfindungsgemässes Brennstoffsystem umfasst eine Brennstoffleitung, die Brennstoff zu einer Vielzahl von Brennstoffeinspritzelementen transportiert, und einen Druckverstärker, der zwischen der Brennstoffleitung und jedem der Brennstoffeinspritzelemente angeordnet ist. Der Druckverstärker erhöht den Druck des Brennstoffs, der an jede der Vielzahl der Brennstoffeinspritzelemente weitergegeben wird derart, dass das gesamte Brennstoffsystem nicht zur Aufnahme der erhöhten Brennstoffdrücke konfiguriert werden muss.
Das beispielhafte, erfindungsgemäße Brennstoffsystem umfasst eine Brennstoffleitung, die Brennstoff aus einem Brennstoffvorrat mit einem ersten Druck aufnimmt, beispielsweise einem Brennstofftank. Dieser erste Druck ist niedriger als der gewünschte zweite Druck, der in den Motor eingespritzt wird. Der Brennstoffverstärker nutzt Brennstoffströmung, die durch Öffnen und Schließen der Brennstoffeinspritzelemente erzeugt wird, um den Brennstoffdruck über den Druck zu erhöhen, der anfangs aus der Brennstoffleitung bereitgestellt wird.
Jeder Brennstoffverstärker umfasst einen Brennstoffverstärkungskolben, der mit einer Ventilbaugruppe verbunden ist. Die Ventilbaugruppe öffnet und schließt abhängig von dem Öffnen und Schließen des Brennstoffeinspritzelements und somit der Brennstoffströmung. Während die Ventilbaugruppe innerhalb des Brennstoffverstärkers öffnet und schließt, wird Druck innerhalb einer Verstärkungskammer erhöht, um einen gewünschten zweiten Druck bereitzustellen, der höher als ein erster Druck innerhalb der Brennstoffleitung oder des Brennstoffvorrats ist.
Entsprechend stellt das erfindungsgemäße Brennstoffsystem einen erhöhten Brennstoffdruck an jedem der Brennstoffeinspritzelemente bereit, ohne dass viele für Hochdruck ausgelegte Brennstoffsystemkomponenten erforderlich wären.
Diese und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden am besten anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnungen deutlich, die im Folgenden kurz beschrieben werden. Es zeigen:
eine schematische Ansicht eines beispielhaften, erfindungsgemäßen Brennstoffsystems.
eine Schnittansicht eines beispielhaften, erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzelements.
eine Schnittansicht eines beispielhaften, erfindungsgemäßen Brennstoffverstärkers.
eine weitere Schnittansicht des beispielhaften, erfindungsgemäßen Brennstoffverstärkers.
eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils des beispielhaften Brennstoffverstärkers.
eine Kurve zur Darstellung einer beispielhaften Beziehung zwischen der erfindungsgemäßen Brennstoffströmungsfläche und dem Hub.
Es wird Bezug genommen auf , die ein Brennstoffsystem 10 zeigt, das eine Brennstoffleitung 12 umfasst, die Brennstoff aus einem Brennstofftank 18 zu einer Vielzahl von Brennstoffeinspritzelementen 14 liefert. Zwischen der Brennstoffleitung 12 und jedem der Brennstoffeinspritzelemente 14 ist ein Brennstoffverstärker 16 angeordnet. Der Brennstoffverstärker 16 erzeugt eine Druckerhöhung ausgehend von einem ersten Brennstoffdruck, der von der Brennstoffleitung 12 bereitgestellt wird, auf einen gewünschten zweiten Brennstoffdruck, der an jede der Vielzahl von Brennstoffeinspritzelementen 14 geliefert wird. Ein Drucksensor 20 ist innerhalb der Brennstoffleitung 12 angeordnet, um Informationen an eine Steuerung 22 zu melden, die Brennstoffdruck innerhalb der Brennstoffleitung 12 anzeigt. Die Steuerung 22 steht zudem in elektrischer Wechselbeziehung mit jedem der Brennstoffeinspritzelemente 14, um die Betätigung während des Betriebs des Motors zu steuern.
Jeder der Brennstoffverstärker 16 umfasst eine Auslassleitung 28, die Brennstoff an eine Rücklaufleitung 26 und zurück in den Brennstofftank 18 weitergibt. Die Rücklaufleitung und der Brennstofftank 18 stehen beide unter Umgebungsdruck. Die Brennstoffströmung aus der Rücklaufleitung 26 und dem Brennstofftank 18 wird über ein Umgehungsventil 24 reguliert. Der Betrieb des Umgehungsventils 24 wird von der Steuerung 22 gesteuert.
Es wird Bezug genommen auf , die eines aus der Vielzahl von Brennstoffeinspritzelementen 14 zeigt, welche einen Einlass 32 für den eintretenden Brennstoff und ein Inline-Filter 42 umfasst. Das Inline-Filter 42 ist in der Technik bekannt und säubert eintretenden Brennstoff, um zu verhindern, dass Verunreinigungen in kleinere Durchgänge innerhalb des Brennstoffeinspritzelements 14 treten können.
Das Brennstoffeinspritzelement 14 umfasst einen Gehäuseteil 30, der eine erste Bohrung 34 bildet, die Brennstoff an Brennstoffdurchgänge weitergibt, die in Nähe eines Spitzenbereichs 48 angeordnet sind. Das Brennstoffeinspritzelement 14 umfasst ein piezoelektrisches Stellglied 36, das den Betrieb eines Zweiwegeventils 44 steuert. Das Zweiwegeventil 44 steuert die Strömung von Brennstoff, der an eine Bohrung mit Kolbenschieber 46 weitergegeben wird. Der Kolbenschieber 46 umfasst ein Nadelventil 38, das mit einem Auslasssitz 50 zusammenwirkt, um die Brennstoffströmung zu steuern. Die wahlweise Positionierung des Nadelventils 38 auf dem Auslasssitz 50 ermöglicht die wahlweise Steuerung des durchtretenden Brennstoffs. Der Kolbenschieber 46 ist mittels einer Feder 40 zu einer geschlossenen Stellung vorgespannt. Die Feder 40 stützt sich auf einem Federträger des Nadelventils 38 ab. Es sei darauf hingewiesen, dass das beispielhafte Brennstoffeinspritzelement 14 nur eine bekannte Konfiguration ist, der die Beschreibung dieser Erfindung zugute kommen kann.
Es wird Bezug genommen auf , und , die den Brennstoffverstärker 16 mit einem Brennstoffeinlass 60 zeigen. Der Brennstoffeinlass 60 wird über ein Formstück 64 in Position gehalten. Ein Austrittsauslass 62 wird auch über ein weiteres Formstück 64 in Position gehalten. In den Brennstoffverstärker 16 eintretender Brennstoff tritt weiter durch eine Reihe von Bohrungen und Durchgängen zu einem Auslass 68, der zu dem entsprechenden Brennstoffeinspritzelement 14 führt. Der Brennstoffverstärker 16 erhöht den Brennstoffdruck, der mit einem ersten Druck aus der Brennstoffleitung 12 bereitgestellt wird, auf einen zweiten, höheren Druck, der aus dem Auslass 68 austritt.
Der durch den Brennstoffeinlass 60 eintretende Brennstoff wird an eine Federbohrung 72 weitergegeben. Die Federbohrung 72 umfasst eine Vorspannfeder 70. Die Vorspannfeder 70 spannt einen Tauchkolben 88 zu einer Niederdruckposition vor, die in der Beispielzeichnung als eine oberste Position dargestellt ist. Ein Verstärkerkolben 90 ist über dem Tauchkolben 88 und um eine Stange 87 des Tauchkolbens 88 angeordnet, welche sich nach oben in die Federbohrung 72 erstreckt. Der Brennstoff in der Federbohrung 72 strömt durch einen Durchgang 100 in einen Durchgang 96. Der Durchgang 96 umfasst eine Rückschlagkugel 92, die eine Brennstoffströmung in eine Hochdruckkammer 74 ermöglicht. Aus der Hochdruckkammer 74 strömt Brennstoff durch einen Durchgang 95 zu einer Ventilbaugruppe 78. Die Ventilbaugruppe 78 umfasst eine Ventilkugel 82, die zwischen einem oberen Sitz 106 und einem unteren Sitz 104 von einem ersten Kolben 84 und von einem zweiten Kolben 86 bewegt wird.
Die Ventilbaugruppe 78 umfasst einen Durchgang 102 ( ), der in Wechselbeziehung mit dem Austrittsauslass 62 steht, und der Austrittsauslass 62 steht in Wechselbeziehung mit der Rücklaufleitung 26, die im Wesentlichen unter Umgebungsdruck steht, der viel niedriger ist als der erste Brennstoffdruck von der Brennstoffleitung 12. Abhängig von der Position der Ventilkugel 82 steht eine untere Fläche 91 des Verstärkerkolbens 90 wahlweise in Wechselbeziehung mit Umgebungsdruck durch den Austrittsauslass 62. Die wahlweise Wechselbeziehung des Umgebungsdrucks mit der unteren Fläche des Verstärkerkolbens 90 erzeugt ein Druckdifferenzial, das den Verstärkerkolben 90 und den Tauchkolben 88 nach unten in die Hochdruckkammer 74 treibt. Die Verringerung des Volumens in der Hochdruckkammer 74 bewirkt einen entsprechenden Druckanstieg, der an das Brennstoffeinspritzelement 14 weitergegeben wird.
Im Betrieb strömt in den Brennstoffeinlass 60 eintretender Brennstoff durch die Federbohrung 72 zu dem Durchgang 100. Aus dem Durchgang 100 strömt Brennstoff durch den Durchgang 96 an der Rückschlagkugel 92 vorbei in die Hochdruckkammer 74. Aus der Hochdruckkammer 74 strömt Brennstoff durch einen Durchgang 95 und 110 ( ) an dem ersten Kolben 84 vorbei. Der erste Kolben 84 bildet einen Strömungsspalt 112, durch den Brennstoff zum Durchgang 108 und heraus zum Auslass 68 strömt.
Die Brennstoffströmung durch den Strömungsspalt 112 erzeugt einen gewünschten Druckabfall am unteren Ende des ersten Kolbens 84 derart, dass der Druck innerhalb des Durchgangs 108 und des Auslasses 68 niedriger als der Brennstoffdruck innerhalb des Durchgangs 110 ist. Der niedrigere Druck an dem Auslass 68 wird durch einen weiteren Durchgang 98 und 111 an einen Bereich über dem zweiten Kolben 86 weitergegeben. Der reduzierte Druck über dem zweiten Kolben 86 erzeugt ein Druckdifferenzial zwischen dem ersten Kolben 84 und dem zweiten Kolben 86, welches den ersten Kolben 84, die Ventilkugel 82 und den zweiten Kolben 86 nach oben bewegt, so dass sich der Strömungsspalt 112 öffnet, um den Widerstand gegen die Brennstoffströmung zu reduzieren.
Indem sich die Ventilkugel 82 an den oberen Sitz 106 anlegt, öffnet sich ein Durchgang 105, der Umgebungsdruck an die untere Fläche 91 des Verstärkerkolbens 90 weitergibt. Der niedrige Umgebungsdruck an der unteren Fläche 91 des Verstärkerkolbens 90 wird von dem viel größeren Brennstoffdruck überwunden, der von der Brennstoffleitung 12 weitergegeben wird, wodurch der Verstärkerkolben 90 nach unten gedrückt wird. Die Abwärtsbewegung des Verstärkerkolbens 90 bewegt den Tauchkolben 88 nach unten in die Hochdruckkammer 74. Die schnelle Volumenverringerung der Hochdruckkammer 74, die durch die Bewegung des Tauchkolbens 88 verursacht wird, erzeugt einen gewünschten Anstieg des Brennstoffdrucks, der durch die Durchgänge 110 und 98 und den Auslass 68 an das Brennstoffeinspritzelement 14 weitergegeben wird. Die Rückschlagkugel 92 verhindert ein Zurückströmen von Hochdruckbrennstoff aus dem Brennstoffeinlass 60.
Bei Schließen des Brennstoffeinspritzelements 14 stoppt die Brennstoffströmung durch den Brennstoffverstärker 16, und der Druck auf dem ersten und zweiten Kolben 84, 86 gleicht sich derart aus, dass der auf jeden Kolben ausgeübte Druck gleich ist. Allerdings umfasst der zweite Kolben 86 eine größere Fläche, die dem jetzt ausgeglichenen Druck ausgesetzt ist, was zwischen dem ersten Kolben 84 und dem zweiten Kolben 86 ein Kräfteungleichgewicht bewirkt. Das Kräfteungleichgewicht bewirkt, dass sich die Ventilkugel 82 zum unteren Sitz 104 bewegt.
Die Bewegung der Ventilkugel 82 zum unteren Sitz 104 beendet die Wechselbeziehung des unter Umgebungsdruck stehenden Brennstoffs aus dem Austrittsauslass 62 mit der unteren Fläche 91 des Verstärkerkolbens 90. Der sich zwischen der oberen und unteren Fläche 91 des Verstärkerkolbens 90 ausgleichende Brennstoffdruck treibt unter Berücksichtigung der durch die Feder 70 erzeugten Vorspannung den Verstärkerkolben 90 und den Tauchkolben 88 nach oben. Zwischen dem Verstärkerkolben 90 und dem Tauchkolben 88 vorhandener Brennstoff wird in einen Hohlraum 89 innerhalb des zweiten Kolbens 86 ausgestoßen. Der Zyklus wird dann beim nächsten Öffnen des Brennstoffeinspritzelements 14 wiederholt, das die Brennstoffströmung einleitet.
Es wird Bezug genommen auf , die die von dem Brennstoffverstärker 16 erzeugte Beziehung zwischen Hub und Strömungsfläche zeigt. Die Fläche, über die Druck auf den Verstärkerkolben ausgeübt wird, ist im Wesentlichen zweimal so groß wie die Fläche, auf die der Tauchkolben 88 wirkt. Demnach erzeugt die Flächendifferenz eine entsprechende Druckerhöhung. In dem Beispielfall bewirkt dies eine Verdoppelung des Brennstoffdrucks, der anfangs aus der Brennstoffleitung 12 bereitgestellt wird.
Wie in der beispielhaften Ausführungsform beschrieben wurde, erzeugt der erfindungsgemäße Brennstoffverstärker 16 eine Erhöhung des Brennstoffdrucks hinter der Brennstoffleitung 12 derart, dass die Brennstoffleitung 12 und weitere vorgelagerte Komponenten nicht zur Aufnahme der gewünschten höheren Drücke ausgelegt zu werden brauchen. Der Brennstoffverstärker 16 stellt die höheren gewünschten Drücke direkt an jedem Brennstoffeinspritzelement 14 abhängig von der Brennstoffströmung bereit, um die gewünschten Verbesserungen hinsichtlich Leistung und Wirkungsgrad zu erzielen.
Obwohl eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben wurde, würde ein einschlägiger Fachmann erkennen, dass bestimmte Modifikationen in den Schutzbereich der Erfindung fallen. Aus diesem Grund sollten die folgenden Ansprüche eingehend gelesen werden, um den wahren Schutzbereich und Inhalt dieser Erfindung zu ermitteln.

Claims

Brennstoffsystem (10) mit: einer Brennstoffleitung (12), die Brennstoff mit einem ersten Druck enthält; einem Druckverstärker (16), der Brennstoff aus der Brennstoffleitung (12) mit dem ersten Druck aufnimmt und den aufgenommenen Brennstoff auf einen zweiten Druck erhöht, der höher als der erste Druck ist; und mindestens einem Brennstoffeinspritzelement (14), das Brennstoff mit dem zweiten Druck von dem Druckverstärker (16) aufnimmt; wobei der Druckverstärker (16) eine Hochdruckkammer (74) umfasst, die einen Hochdrucktauchkolben (88) beinhaltet, der von einem Verstärkerkolben (90) angetrieben wird, der wahlweise von einem Ventil steuerbar ist, wobei der Hochdrucktauchkolben (88) in die Hochdruckkammer (74) getrieben wird, um Brennstoffdruck auf den zweiten Druck zu erhöhen; und wobei das Ventil wahlweise Umgebungsdruck weitergibt, um ein Druckdifferenzial über dem Verstärkerkolben (90) zu erzeugen, das den Hochdrucktauchkolben (88) in die Hochdruckkammer (74) treibt; dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil in Abhängigkeit von der Brennstoffströmung durch den Druckverstärker (16) bewegbar ist.
System (10) nach Anspruch 1, wobei das Ventil eine Kugel (82) umfasst, die zwischen einem oberen Sitz (106) und einem unteren Sitz (104) abhängig von der Brennstoffströmung durch den Brennstoffverstärker (16) bewegbar ist.
System (10) nach Anspruch 1 mit einem Rückschlagventil in Wechselbeziehung mit der Hochdruckkammer (74), um Brennstoff wahlweise zwischen der Hochdruckkammer (74) und der Brennstoffleitung (12) auszutauschen.
System (10) nach Anspruch 3, wobei die Hochdruckkammer (74) in Wechselbeziehung mit dem Brennstoffeinspritzelement (14) steht.
System (10) nach Anspruch 4 mit einem Vorspannelement (70), das den Hochdrucktauchkolben (88) zu einer Position aus der Hochdruckkammer (74) heraus vorspannt.
System nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Brennstoffeinspritzelement (14) eine Vielzahl von Brennstoffeinspritzelementen (14) und eine entsprechende Vielzahl von Druckverstärkern (16) umfasst.