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Diese
Patentanmeldung beansprucht ausdrücklich den Vorteil des früheren Anmeldetags
und das Prioritätsrecht
der folgenden, gleichzeitig anhängigen
Patentanmeldung: Vorläufige
US-Patentanmeldung mit der laufenden Nr. 60/125.886 (Aktenzeichen
99P7510US) mit dem Titel „Fuel
Recirculation For Direct Injection Fuel System Using A High Pressure
Variable Venturi Pump" (Brennstoffrückführung für direkteinspritzendes
Brennstoffsystem mit einer einstellbaren Hochdruckventuripumpe),
eingereicht am 24. März
1999.
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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft allgemein Brennstoffsysteme von Kraftmaschinen
mit innerer Verbrennung und speziell Brennstoffsysteme mit Hochdruck-Direkteinspritzung.
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Die
vorliegende Erfindung ist eine Verbesserung der Erfindung, die im
US-Patent Nr. 5.832.900 offenbart wurde, das am 10. November 1998
erteilt wurde, den Titel „Fuel
Recirculation Arrangement and Method for Direct Fuel Injection Systems" (Anordnung und Verfahren
für die
Brennstoffrückführung bei
Brennstoffsystemen mit Direkteinspritzung) trägt und vom selben Erfinder
wie die vorliegende Anmeldung stammt.
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Brennstoffeinspritzsysteme
sind in den letzten Jahren mit Einspritzventilen ausgestattet, die
exponiert auf druckbeaufschlagten Brennstoffverteilern angeordnet
sind, bei denen der Brennstoff aus den Einspritzventilen gespritzt
wird, wenn das jeweilige Ventil mit getakteten Intervallen von der
Motorsteuerung geöffnet
wird. Die Einspritzventile sind üblicherweise
derart angeordnet, dass sie den Brennstoff in den Einlasskrümmer vor
den Einlassventilen der Motorzylinder so einspritzen, dass der Brennstoff
im Brennstoffverteiler nur auf ein moderates Druckniveau gebracht
zu werden braucht, d. h. auf 3 bar – 4 bar.
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Bei
Systemen mit Direkteinspritzung spritzen die Einspritzventile den
Brennstoff direkt in die Motorzylinder. Dazu ist ein viel höherer Brennstoffdruck
in einer Größenordnung
von 20 bar – 140
bar an der Einspritzdüsenspitze
erforderlich. Der Brennstoffdruck wird mittels einer Hochdruckpumpe
erzeugt. Der Brennstoff wird mit Hilfe einer herkömmlichen Förderpumpe
mit niedrigerem Druck vom Brennstofftank zum Einlass der Hochdruckpumpe
gefördert.
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Wenn
die Motorlast variiert, variiert auch der Brennstoffbedarf. Um dem
sich ändernden
Brennstoffbedarf entsprechen zu können, wird der Druck im Brennstoffverteiler
durch einen Regler reguliert, der eine gesteuerte Abgabe von Brennstoff
aus dem Brennstoffverteiler an einen Bereich mit niedrigerem Druck
ermöglicht.
Die hohen Betriebsdrücke
im Brennstoffverteiler beinhalten die Möglichkeit, dass der Brennstoff
in einen gasförmigen
Zustand übergeht,
wenn er am Regler austritt. Leichtere gelöste Bestandteile des Brennstoffs
wie Butan, Methan oder sogar Luft haben eine Tendenz, sich zu entmischen und
Blasen zu bilden, die sich nur sehr schwer wieder mit dem flüssigen Brennstoff
verbinden. Wenn Blasen vorhanden sind, die im flüssigen Brennstoff zum Einlass
der Hochdruckpumpe zurückgeführt werden, könnte die
Hochdruckpumpe Schaden nehmen.
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Die
von der Hochdruckpumpe verrichtete Arbeit bei der Druckerhöhung des
Brennstoffs auf diese hohen Drücke
erhöht
ferner die Temperatur im Brennstoff und vergrößert die Tendenz, dass es zur Bildung
von Gasblasen kommt.
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Das
oben genannte US-Patent 5.832.900 stellt eine Anordnung und ein
Verfahren zur Brennstoff rückführung bereit,
um die Tendenz zu minimieren, dass der Brennstoff in solchen Hochdruck-Direkteinspritzsystemen
ausgast. Im Patent 5.832.900 wird der Hochdruck-Brennstoffrückführungsstrom durch
eine Öffnung
mit fester Weite geführt.
Die Öffnung
mit fester Weite begrenzt den Betriebsbereich des Rückführungssystems.
Bei niedrigen Strömungsraten
des Hochdruck-Brennstoffrückführungsstroms
wird ein Großteil
der abgegebenen Energie der Hochdruckpumpe vom Brennstoffstrom zu
den Einspritzventilen aufgenommen. Somit ist es bei den niedrigen
Strömungsraten
des Hochdruck-Brennstoffrückführungsstroms
schwierig, einen Mindestgegendruck in der Versorgungsleitung zur
Hochdruckpumpe aufrechtzuerhalten.
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In
Patent EP-0893598 wird ein Brennstoffsystem beschrieben, bei dem
eine Venturipumpe mit einer Leitung zur Brennstoffrückführung verbunden ist,
wodurch der Druck reduziert wird, indem Brennstoff aus der Leitung
abgeführt
wird.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, den Brennstoffdruck am Einlass der
Hochdruckpumpe zu erhöhen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, die Energie zu reduzieren,
die von der Hochdruckpumpe benötigt
wird, um den Brennstoff mit Druck zu beaufschlagen, wodurch die
Tendenz zur Ausgasung des Brennstoffs reduziert wird.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Hochdruckventuripumpe
mit einer variablen Öffnungsweite
bereitzustellen, um die variierenden Strömungsraten in der Hochdruckrückführungsleitung
zu kompensieren.
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Es
ist zudem eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Hochdruckventuripumpe
mit einer einstellbaren Öffnung
bereitzustellen, um einen Mindestgegendruck in der Versorgungsleitung
zur Hochdruckpumpe aufrechtzuerhalten.
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Diese
und weitere Aufgaben der Erfindung werden durch Folgendes erfüllt: ein
Hochdruck-Direkteinspritzungs- Brennstoffsystem,
das eine Niederdruck-Brennstoffversorgung umfasst; eine Venturipumpe,
die eine einstellbare Öffnung,
einen ersten und einen zweiten Einlass sowie einen Auslass umfasst,
wobei die Niederdruck-Brennstoffversorgung an den ersten Einlass
der Venturipumpe angeschlossen ist; eine Hochdruckpumpe, die an
den Auslass der Venturipumpe angeschlossen ist; einen Brennstoffverteiler,
der an einen Auslass der Hochdruckpumpe angeschlossen ist, wobei
der Brennstoffverteiler zumindest ein Einspritzventil und einen
Druckfühler
umfasst; einen Hochdruckregler, der an den Brennstoffverteiler angeschlossen
ist; eine Leitung für
den Rückführungsstrom,
die zwischen dem Brennstoffverteiler und dem zweiten Einlass der
Venturipumpe angeschlossen ist; und eine elektronische Steuerung,
die an den Druckfühler
und den Hochdruckregler angeschlossen ist; wobei die Venturipumpe
ein Gehäuse
umfasst, das einen Kanal dort hindurch für den Rückführungsstrom des Brennstoffs definiert,
eine Kammer in Strömungsrichtung
hinter dem Kanal, in der der Rückführungsstrom
des Brennstoffs und der Niederdruck-Versorgungsbrennstoff zusammengeführt werden,
und ein federbeaufschlagtes Ventil, das im Kanal angeordnet ist.
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Vorzugsweise
umfasst die Niederdruck-Brennstoffversorgung einen Brennstofftank, eine
Niederdruck-Brennstoffpumpe und einen Niederdruckregler.
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Vorzugsweise
umfasst das federbeaufschlagte Ventil ein an der Abströmseite liegendes
Ende, das einen sich erweiternden Abschnitt und einen sich verjüngenden
Abschnitt aufweist.
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Die
einstellbare Öffnung
verbindet den Kanal mit der Kammer und die Weite der einstellbaren Öffnung ist
veränderbar
in Abhängigkeit
von der Position des an der Abströmseite liegenden Endes des
federbeaufschlagten Ventils.
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Vorzugsweise
bildet das Gehäuse
einen Sitz, um das eine Ende der Feder aufzunehmen, das das federbeaufschlagte
Ventil beaufschlagt, und das federbeaufschlagte Ventil umfasst eine
Federmutter, um das andere Ende der Feder aufzunehmen.
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Vorzugsweise
umfasst der erste Einlass der Venturipumpe einen Ringraum, der in
Flüssigkeitsaustausch
mit der Kammer in Strömungsrichtung
hinter der einstellbaren Öffnung
steht.
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Vorzugsweise
umfasst das System ferner eine Schnellkupplung, in die eine Auslassseite
der Venturipumpe eingesetzt wird.
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In
einer Ausführungsform
umfasst die Auslassseite des Kanals einen sich verjüngenden
Abschnitt.
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Ein
anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Rückführung des Brennstoffs
in ein Hochdruck-Direkteinspritzsystem, das
folgende Schritte umfasst: gesteuertes Abgeben von Hochdruckbrennstoff
von einem Brennstoffverteiler in eine Venturipumpe; Variieren der
Weite einer einstellbaren Öffnung
in der Venturipumpe in Abhängigkeit
von einem Druck des Hochdruckbrennstoffs, der vom Brennstoffverteiler
abgegeben wird; Zusammenführen
des Hochdruckbrennstoffs mit Niederdruckbrennstoff, um Brennstoff
mit dazwischen liegendem Druck bereitzustellen mit einem Druck zwischen
dem Druck des Hochdruckbrennstoffs und dem Druck des Niederdruckbrennstoffs;
und Fördern des
Brennstoffs mit dazwischen liegendem Druck zu einer Hochdruckpumpe,
wobei der Schritt, bei dem die Weite der einstellbaren Öffnung der
Venturipumpe variiert wird, ferner eine Bewegung eines federbeaufschlagten
Ventils umfasst, das ein an der Abströmseite liegendes Ende mit einem
sich erweiternden und einem sich verjüngenden Abschnitt aufweist.
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Der
Hochdruckbrennstoff wird abhängig
von dem im Brennstoffverteiler gemessenen Druck gesteuert vom Brennstoffverteiler
abgegeben.
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Vorzugsweise
beinhaltet der Schritt, bei dem Hochdruckbrennstoff vom Brennstoffverteiler
gesteuert in die Venturipumpe abgegeben wird, ferner, dass der Hochdruckbrennstoff
abhängig
vom Druck, der im Messschritt gemessen wurde, gesteuert abgegeben
wird.
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Weitere
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden
ausführlichen
Beschreibung in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen ersichtlich.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
eine schematische Darstellung der allgemeinen Anordnung des erfindungsgemäßen Hochdruck-Direkteinspritzsystems.
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2 ist
eine Darstellung im Vollschnitt von der erfindungsgemäßen Venturipumpe
mit einstellbarer Öffnung.
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3 ist
eine Einzelheit im Vollschnitt mit vergrößertem Maßstab von der Pumpe aus 2.
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4 ist
eine Darstellung im Vollschnitt von einer erfindungsgemäßen Schnellkupplung.
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Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Im
Folgenden werden die Abbildungen beschrieben; 1 zeigt
schematisch die allgemeine Anordnung des erfindungsgemäßen Hochdruck-Direkteinspritzsystems.
Die Niederdruck-Brennstoffversorgung 10 umfasst einen Brennstofftank 12,
eine Pumpe 14 und einen Regler 16. Der Niederdruckregler 16 reguliert
den Förderdruck
der Niederdruck-Brennstoffversorgung 10. Die Niederdruck-Brennstoffversorgung 10 fördert Brennstoff
zur Venturipumpe 18, wo der Niederdruckbrennstoff mit dem
Brennstoffrückführungsstrom 32 vom
Hochdruckregler 20 zusammengeführt wird. Der zusammengeführte Brennstoff
wird danach zum Einlass der Hochdruckpumpe 22 gefördert. Die
Hochdruckpumpe 22 bringt den zusammengeführten Brennstoff
auf den Betriebsdruck und fördert
den Brennstoff zum Brennstoffverteiler 24.
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Der
Brennstoffverteiler 24 dient als Hochdruckbehälter, wobei
die Einspritzventile 26 ermöglichen, dass er jedem Zylinder
(nicht dargestellt) Brennstoff zuführt. Der Druck im Brennstoffverteiler 24 wird
von einem Druckfühler 28 gemessen,
der ein elektronisches Signal an die elektronische Steuerung 30 sendet.
Die elektronische Steuerung 30 stellt fest, ob der Hochdruckregler 20 geöffnet oder
geschlossen werden muss, um den Rückführungsstrom 32 zur Venturipumpe 18 zu
erhöhen
oder zu vermindern.
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Der
Druck im Brennstoffverteiler ist im Bereich von 40 bar bis 120 bar.
Der Druck in der Niederdruck-Brennstoffversorgung ist im Bereich
von 3,5 bar bis 4,5 bar. Wenn der Brennstoff mit Hilfe des Hochdruckreglers 20 vom
Druck des Brennstoffverteilers zum Druck der Niederdruckversorgung übergeht,
wird die Druckenergie des Brennstoffs frei. Die Druckenergie kann
die Form latenter Wärme
annehmen und dadurch einen Teil des Brennstoffs vom flüssigen in
den gasförmigen
Zustand umwandeln. Der Brennstoff ist eine homogenisierte Mischung,
die Propan, Butan und andere kleinere Moleküle (leichte Flüssigbestandteile)
beinhaltet. Die leichten Bestandteile werden zuerst gasförmig, sammeln
sich in Form von Blasen und können
nur schlecht vom Brennstoff reabsorbiert werden.
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Die
Blasen stellen zwei Probleme für
die Hochdruckpumpe 22 dar. Zum einen steht die flüssige Grenzschicht
zwischen aneinander gleitenden Oberflächen nicht zur Verfügung, um
Verschleiß zu minimieren.
Zum anderen ist die Anfangsladung (Flüssigkeitsvolumen), die mit
Druck beaufschlagt werden soll, nicht in der Größenordnung, um die Lieferanforderungen
zu erfüllen.
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Die
Venturipumpe 18 nutzt einen Teil der vom Brennstoff bei
der Druckreduzierung abgegebenen Energie, um den Druck des zugeführten Brennstoffs
zu erhöhen.
Daher steht weniger Energie zur Verfügung, um die Form latenter
Wärme anzunehmen,
und der Brennstoff in der Leitung zwischen der Venturipumpe 18 und
der Hochdruckpumpe 22 wird auf einem höheren Druck als der Niederdruck-Versorgungsdruck
gehalten.
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Wie
in den 2 und 3 gezeigt, umfasst die Venturipumpe 18 ein
Gehäuse 34,
das einen Kanal 36 dort hindurch definiert, in dem der
Rückführungsstrom 32 des
Brennstoffs (siehe 1) vom Brennstoffverteiler 24 zurückströmen kann.
Der Kanal 36 umfasst an seiner Auslassseite einen sich
verjüngenden
Abschnitt 37. Der Brennstoffrückstrom 32 tritt über Einlass 38 in
die Venturipumpe 18 ein. Die Venturipumpe 18 kann
mit einer für
Hochdruck ausgelegten Dichtung (nach DIN 3852) 40 direkt
am Brennstoffverteiler 24 befestigt werden. Ein federbeaufschlagtes
Ventil 42 ist im Kanal 36 angeordnet. Das federbeaufschlagte
Ventil 42 beinhaltet ein an der Abströmseite liegendes Ende 44,
das einen sich erweiternden Abschnitt 45 und einen sich
verjüngenden
Abschnitt 47 aufweist (siehe 3). Das
Gehäuse 34 bildet
einen Sitz 46, um ein Ende der Feder 48 aufzunehmen.
Das Ventil 42 umfasst eine Federmutter 50, um
das andere Ende der Feder 48 aufzunehmen. Die Federmutter 50 kann
auf Ventil 42 geschraubt werden, so dass die Federspannung
der Feder 48 angepasst werden kann, indem die Feder 48 mit
Hilfe der Federmutter 50 vorgespannt oder entspannt wird.
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Wie
am besten in 3 zu erkennen, ist eine Kammer 52 in
Strömungsrichtung
hinter dem Kanal 36 angeordnet. Die Kammer 52 steht über eine Brennstoffrückstromdüse 54 im
Flüssigkeitsaustausch
mit dem Kanal 36. Der variierende Druck des Brennstoffrückstroms 32 am
an der Abströmseite
liegenden Ende 44 von Ventil 42 führt dazu,
dass das Ventil 42 sich im Kanal 36 bewegt. Durch
die Bewegung des Endes 44 von Ventil 42 in die
Brennstoffrückstromdüse 54 und
aus ihr heraus wird eine Öffnung
mit variabler Weite erzeugt.
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Der
Brennstoffrückstrom 32 folgt
einem sich verjüngenden
Strömungspfad
durch den sich verjüngenden
Abschnitt 37 von Kanal 36. Wenn der Druck des
Brennstoffrückstroms 32 das
Ventil 42 öffnet
und es in Richtung zur Kammer 52 bewegt, folgt der Brennstoffrückstrom 32 einem
sich erweiternden Strömungspfad
an der Abströmseite
hinter Ventilende 44.
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Der
Niederdruck-Versorgungsbrennstoff tritt in die Venturipumpe 18 über einen
zweiten Einlass 56 ein, der in einen Ringraum 58 mündet. Der
Ringraum 58 mündet über eine
Versorgungsbrennstoffdüse 60 radial
in die Kammer 52 ein. Die Versorgungsbrennstoffdüse 60 ist
in Strömungsrichtung
direkt hinter der Brennstoffrückstromdüse 54 angeordnet.
Der Versorgungs- und der Rückführungsstrom
strömen
zusammen in den Mischbereich 62. Im Mischbereich 62 wird
der Versorgungsstrom vom Rückführungsstrom mitgerissen
und mit Druck beaufschlagt. Der Rückführungsstrom wird verzögert und
sein Druck reduziert. In Strömungsrichtung
hinter dem Mischbereich 62 liegt ein Diffusionsbereich 64,
in dem der Strom bei einer relativ niedrigen Geschwindigkeit stabilisiert wird,
um Druckverluste zu minimieren, wenn der Brennstoff zum Einlass
der Hochdruckpumpe 22 strömt.
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Die
Brennstoffrückstromdüse 54 erhält einen erhöhten Druck
zwischen sich und dem Hochdruckregler 20 aufrecht. Dieser
erhöhte
Druck ist von der Kraft abhängig,
die von der Feder 48 stammt sowie dem Rückströmungsdruck zur Hochdruckpumpe 22. Sobald
die erforderliche Federspannung ermittelt worden ist, braucht die
Feder nicht mehr nachgestellt zu werden. Allerdings kann die Federmutter 50 auf Ventil 42 geschraubt
werden, so dass die Federspannung der Feder 48 angepasst
werden kann, indem die Feder 48 mit Hilfe der Federmutter 50 vorgespannt
oder entspannt wird.
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Die
Venturipumpe 18 mit dem federbeaufschlagten Ventil 42 bildet
dort eine einstellbare Öffnung,
wo das Ende 44 des Ventils die Weite der Brennstoffrückstromdüse 54 variiert.
Die einstellbare Öffnung
wird in dem Maße
geschlossen wie die Menge des Brennstoffrückführungsstroms reduziert wird. Die
Hochdruckpumpe 22 ist so ausgelegt, dass der Rückführungsstrom
nie gleich Null ist. Wird allerdings angenommen, dass ein Rückführungsstrom
von Null auftreten könnte,
würde das
Ventil 42 geschlossen und der gesamte Strom zur Hochdruckpumpe 22 würde von
der Niederdruck-Brennstoffversorgung 10 geliefert. Unter
diesen Bedingungen würde
der Strömungswiderstand
der Venturipumpe 18 den Versorgungsdruck reduzieren, allerdings
käme der
Brennstoff direkt aus dem Brennstofftank 12 und somit ergäbe sich
kein Problem bei der Dampfunterdrückung.
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Die
Versorgungsbrennstoffdüse 60 umfasst eine
einstellbare Leithülse 66,
die eingestellt wird, um Strömungsverluste
zu minimieren. Der Einstellbereich kann von beispielsweise ungefähr 0,5 mm
bis 1 mm variieren. Die Leithülse 66 kann
geschraubt oder über
eine Presspassung befestigt werden.
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4 zeigt
eine Darstellung im Vollschnitt von einer Schnellkupplung 68,
in die die Auslassseite der Venturipumpe 18 eingesetzt
wird. Die Schnellkupplung 68 beinhaltet einen Schnellkupplungsstecker 70 für die Niederdruck-Brennstoffversorgung und
einen Anschlussstutzen 72 für die Rückführungsleitung zur Hochdruckpumpe 22.
Die Venturipumpe 18 wird in eine Schnellkupplungsbuchse 74 eingeführt. Eine
Abdichtung nach außen
beinhaltet zwei O-Ringe 76, die von einem Distanzring 78 auf Abstand
gehalten werden, und dahinter einen Haltering 80. Eine
Befestigungshülse 82 sichert
die Schnellkupplung 68 an der Venturipumpe 18.
Ein O-Ring 84 stellt eine Abdichtung nach innen dar, die den
Niederdruck-Versorgungsbrennstoff
von dem Strom abdichtet, der zur Hochdruckpumpe 22 zurückgeführt wird.
Ferner ist ein innen liegendes Distanzstück 86 zwischen dem
nach innen dichtenden O-Ring 84 und den nach außen dichtenden
O-Ringen 76 vorhanden.
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Obwohl
die Erfindung in Bezug auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen
beschrieben wurde, sind zahlreiche Änderungen, Varianten oder Modifikationen
der beschriebenen Ausführungsformen möglich, ohne
den Schutzbereich der Erfindung gemäß der Definition in den beigefügten Ansprüchen zu verlassen.