DE10149412C1 - Vorrichtung zum Dämpfen von Druckpulsationen in einem Fluidsystem, insbesondere in einem Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine, sowie Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung (64) zum Dämpfen von Druckpulsationen in einem Fluidsystem, insbesondere in einem Kraftstoffsystem (10) einer Brennkraftmaschine (28), umfasst ein Gehäuse mit einem Hohlraum (68). In diesem ist wenigstens zeitweise ein Arbeitsraum (84) vorhanden, welcher mit einem Strömungsweg (22) des Fluidsystems (10) verbunden ist. Ferner sind wenigstens zeitweise Vorspannmittel (80) vorhanden, welche mindestens eine Grenzfläche (82) des Arbeitsraums (84) gegen den Arbeitsraum (84) vorspannen. Hierdurch kann eine dynamische Druckänderung im Strömungsweg (22) des Fluidsystems (10) durch eine Volumenänderung des Arbeitsraums (84) wenigstens teilweise kompensiert werden. Um die Lebensdauer der Vorrichtung (64) zu erhöhen, wird vorgeschlagen, dass sie eine Heizeinrichtung (44) umfasst und dass die Vorspannmittel ein Gasvolumen (80) umfassen, welches durch die Verdampfung eines Fluids mittels der Heizeinrichtung (44) gebildet wird.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft zunächst eine Vorrichtung zum Dämpfen von Druckpulsationen in einem Fluidsystem, insbesondere in einem Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine, mit einem Gehäuse mit einem Hohlraum, mit einem in dem Hohlraum wenigstens zeitweise gebildeten Arbeitsraum, welcher mit einem Strömungsweg des Fluidsystems verbunden ist, mit wenigstens zeitweise vorhandenen Vorspannmitteln, welche ein Gasvolumen umfassen und mindestens eine Grenzfläche des Arbeitsraums gegen den Arbeitsraum vorspannen, derart, dass eine dynamische Druckänderung im Strömungsweg des Fluidsystems durch eine Volumenänderung des Arbeitsraumes wenigstens teilweise, kompensiert werden kann.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE 195 39 885 A1 bekannt. In dieser wird eine Kraftstoffversorgungsanlage einer Brennkraftmaschine beschrieben, bei der eine erste Kraftstoffpumpe den Kraftstoff aus einem Kraftstoff- Vorratsbehälter über eine Kraftstoffverbindung zu einer zweiten Kraftstoffpumpe fördert. Die zweite Kraftstoffpumpe ihrerseits fördert den Kraftstoff über eine Druckleitung zu mehreren Kraftstoffventilen. Die Anzahl der Kraftstoffventile ist gleich der Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine. Dabei ist die Kraftstoff-Versorgungsanlage so gebaut, dass die Kraftstoffventile den Kraftstoff direkt in die Brennräume der Brennkraftmaschine spritzen.

In der Kraftstoffverbindung zwischen der ersten und der zweiten Kraftstoffpumpe ist ein Druckdämpfer vorhanden. Dieser besteht aus einem Gehäuse, in dem ein Kolben geführt ist, welcher einerseits einen Arbeitsraum begrenzt und andererseits von einer Druckfeder beaufschlagt wird. Durch einen solchen Druckdämpfer können Druckpulsationen, also dynamische Druckänderungen, geglättet werden, welche in der Kraftstoffverbindung auftreten.

Die Ursache derartiger Druckpulsationen kann in der Art der Förderung der ersten Kraftstoffpumpe liegen, beispielsweise wenn es sich bei der ersten Kraftstoffpumpe um eine Kolbenpumpe handelt. Aber auch die Verwendung eines Mengensteuerventils bei der zweiten Kraftstoffpumpe, durch welche der Arbeitsraum der zweiten Kraftstoffpumpe während eines Fördertaktes mit der Kraftstoffverbindung verbunden werden kann, kann zu derartigen Druckpulsationen führen. Das Glätten dieser Druckpulsationen verlängert die Lebensdauer der in der Kraftstoffversorgungsanlage eingesetzten Komponenten.

Die bekannte Vorrichtung arbeitet gut, unterliegt aufgrund der mechanisch beanspruchten Teile jedoch einem gewissen Verschleiß.

Bekannt ist ferner aus der US 4 590 796 ein Druckdämpfer eines Kraftstoffsystems, welcher als Vorspannmittel ein Gasvolumen umfasst, das durch komprimierte Luft aus einer Pressluftversorgung bereitgestellt wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass sie möglichst einfach baut und eine lange Lebensdauer aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass sie eine Heizeinrichtung umfasst, und dass das Gasvolumen durch die Verdampfung eines Fluids mittels der Heizeinrichtung gebildet wird.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet insoweit verschleißfrei, als bei ihr keinerlei bewegliche Teile vorhanden sind. Anstelle einer Druckfeder wird ein Gasvolumen verwendet. Dieses stellt aufgrund der elastischen Kompressibilität von Gas die erforderliche Vorspannkraft zur Verfügung. Das Gasvolumen wird wiederum dadurch gebildet, dass mindestens ein Teil des in dem Hohlraum vorhandenen Fluids von der Heizeinrichtung verdampft wird.

Es versteht sich, dass der Hohlraum vorzugsweise außerhalb der Strömungswege des Fluidsystems ausgebildet ist. Nur dann können innerhalb des Hohlraumes weitgehend stationäre Verhältnisse hergestellt werden, welche erforderlich sind, um das Gasvolumen mit der benötigten Konstanz erzeugen zu können. Der Hohlraum wird also nicht mit dem Fluid gespült, sondern dieses ist in dem Hohlraum in einem im Wesentlichen ruhenden Zustand vorhanden.

Da die erfindungsgemäße Vorrichtung verschleißfrei arbeitet, hat sie eine sehr hohe Lebensdauer und ist darüber hinaus so robust, dass auch sehr starke Druckpulsationen ohne Weiteres geglättet werden können.

Dadurch, dass das Gasvolumen durch die Verdampfung eines Fluids bereitgestellt wird, ist keine komplexe und teure Gasversorgung mehr vorzusehen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung baut daher einfach und ist preiswert.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

In einer ersten Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass zwischen dem Hohlraum und dem Strömungsweg des Fluidsystems eine Strömungsdrossel vorhanden ist. Diese Strömungsdrossel dient zum einen dazu, den Hohlraum von der Strömung im Strömungsweg möglichst gut zu entkoppeln, so dass die Strömung im Strömungsweg die Ausbildung des Gasvolumens im Hohlraum möglichst wenig beeinflussen kann. Zum anderen werden durch die Strömungsdrossel sog. Koppelschwingungen gedämpft. Durch die Strömungsdrossel wird die optimale Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung gewährleistet.

Vorteilhaft ist auch, wenn wenigstens ein Abschnitt des Strömungswegs des Fluidsystems durch einen elastischen Schlauch gebildet wird. Hierdurch wird der Tatsache Rechnung getragen, dass es Situationen geben kann, in denen Druckpulsationen im Fluidsystem vorliegen, das Gasvolumen, welches für die erfindungsgemäße Dämpfungswirkung erforderlich ist, jedoch noch nicht ausgebildet ist. In diesen Situationen wird durch den vorgeschlagenen elastischen Schlauch eine gewisse Basis-Dämpfungswirkung bereitgestellt. Aber auch dann, wenn das Gasvolumen ausgebildet ist, sorgt ein derartiger elastischer Schlauch für eine zusätzliche Dämpfungswirkung.

Die Vorrichtung ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass sich die Heizvorrichtung parallel zu der Längsachse des Hohlraumes erstreckt, wobei das eine Ende der Heizeinrichtung in etwa auf Höhe jenes Endes des Hohlraumes liegt, welches der Verbindung mit dem Strömungsweg des Fluidsystems gegenüberliegt, und wobei das andere Ende der Heizeinrichtung auf Höhe einer Stelle liegt, welche von jenem Ende des Hohlraumes beabstandet ist, in dessen Bereich die Verbindung mit dem Strömungsweg des Fluidsystems angeordnet ist. Eine derartige Anordnung der Heizeinrichtung sorgt dafür, dass sich das Gasvolumen in jenem Bereich des Hohlraumes ausbildet, welcher von der Zugangsöffnung, die zum Strömungsweg des Fluidsystems hinführt, entfernt ist. Auch hierdurch wird nochmals sichergestellt, dass die Ausbildung des Gasvolumens von der Fluidströmung im Strömungsweg des Fluidsystems weitgehend unbeeinflusst ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist um die Heizeinrichtung eine Wärmeisolierung angeordnet. Somit wird die Heizleistung der Heizeinrichtung im Wesentlichen auf die Erzeugung des Gasvolumens konzentriert. Eine ungewollte Erwärmung anderer Komponenten des Fluidsystems wird vermieden. Dies spart Energie und schont die anderen Komponenten des Fluidsystems.

Vorzugsweise umfasst die Heizeinrichtung eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung einer Ventileinrichtung. Elektromagnetisch betätigte Ventile sind in den meisten Fluidsystemen ohnehin vorhanden. Die bei der Bestromung des Elektromagneten entstehende Wärme kann sehr gut für die Bildung des erfindungsgemäßen Gasvolumens verwendet werden. Eine zusätzliche Heizeinrichtung ist also nicht erforderlich. Bei dieser Weiterbildung können Kosten gespart werden und die entsprechende Vorrichtung kann relativ klein bauen.

Um die zur Erzeugung des Gasvolumens notwendige Heizleistung bereitstellen zu können, wird dabei vorgeschlagen, dass die Vorrichtung eine stromgeregelte Endstufe umfasst, welche eine Spule der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung übererregen kann.

Dabei ist es weiterhin vorteilhaft, wenn der Hohlraum von einem Ventilelement der Ventileinrichtung durchdrungen wird, welches mit der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung verbunden ist. Vorteilhafterweise ist das Ventilelement dabei aus einem Material mit guter Wärmeleitung. Somit wird auch dann, wenn die elektromagnetische Betätigungseinrichtung von dem Hohlraum relativ weit entfernt liegt, über die Wärmeleitung des Ventilelements das sich im Hohlraum befindliche Fluid wenigstens bereichsweise aufgeheizt und so das Gasvolumen gebildet. Der Vorteil einer solcher Vorrichtung liegt ebenso in der Kompaktheit als auch in der preiswerten Herstellung, da zur Ausbildung der Heizeinrichtung fast ausschließlich ohnehin vorhandene Elemente verwendet werden.

Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird vorgeschlagen, dass die Ventileinrichtung ein Mengensteuerventil einer Kraftstoff- Hochdruckpumpe eines Kraftstoffsystems einer Brennkraftmaschine umfasst. Ein derartiges Mengensteuerventil einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe wird während des Betriebs der Brennkraftmaschine ständig betätigt. Die zur Erzeugung des Gasvolumens erforderliche Heizleistung steht somit während des Betriebs der Brennkraftmaschine immer zur Verfügung. Somit wird die ansonsten ungenützt abzuführende Wärmeenergie, welche bei der Betätigung des Mengensteuerventils entsteht, zum Betrieb der erfindungsgemäßen Druckdämpfungs-Vorrichtung verwendet. Die Dämpfung von Druckpulsationen ist hier besonders zuverlässig und auch im Betrieb kostengünstig möglich.

Dabei wirkt sich die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei einem derartigen Kraftstoffsystem besonders günstig aus: Ein Mengensteuerventil einer Kraftstoff- Hochdruckpumpe erzeugt nämlich während vielen Förderhüben der Kraftstoff-Hochdruckpumpe einen sog. "Absteuerstoß". Ursache hierfür ist, dass das Mengensteuerventil zur Einstellung der Fördermenge den Arbeitsraum der Kraftstoff- Hochdruckpumpe während eines Förderhubs, wenn also in diesem Arbeitsraum ein sehr hoher Druck herrscht, schlagartig mit einem einlassseitigen Niederdruckbereich verbinden kann. Durch diese "scharfe" Anregung werden in dem stromaufwärts von der Kraftstoff-Hochdruckpumpe gelegenen Bereich des Kraftstoffsystems erhebliche Druckpulsationen verursacht.

Bei einer anderen Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung ein Steuer- und/oder Regelgerät umfasst, welches die Heizleistung, welche an der Heizvorrichtung anliegen soll, abhängig von mindestens einem Betriebsparameter, insbesondere von einer Höhe eines statischen Drucks und/oder einer Höhe einer dynamischen Druckänderung im Fluidsystem, bestimmt. Letztlich wird bei dieser Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung also die Größe des Gasvolumens von mindestens einem Betriebsparameter abhängig gemacht.

Im Falle beispielsweise des oben beschriebenen Kraftstoffsystems kann so der zur Verfügung stehende "Hub" der Druckdämpfungsvorrichtung an den stromaufwärts von der Hochdruck-Kraftstoffpumpe herrschenden Druck im Kraftstoffsystem angepasst werden. Dies ist besonders vorteilhaft dann, wenn die Vorrichtung in einem Kraftstoffsystem eingesetzt wird, in dem der Druck stromaufwärts von der Hochdruck-Kraftstoffpumpe variabel ist. Unabhängig vom Druckniveau im Fluidsystem wird so immer eine optimale Dämpfung von Druckpulsationen ermöglicht.

In Weiterbildung hierzu wird auch vorgeschlagen, dass das Steuer- und/oder Regelgerät Signale von einem Drehzahlsensor einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und/oder von einem Kühlwassertemperatursensor der Brennkraftmaschine und/oder von einem Ansauglufttemperatursensor der Brennkraftmaschine und/oder von einem Drucksensor, welcher stromaufwärts von der Hochdruck-Kraftstoffpumpe angeordnet ist, erhält und/oder eine einer Last der Brennkraftmaschine entsprechende Größe verarbeitet, und dass es aus mindestens einem dieser Parameter eine Kenngröße für die Ansteuerdauer und/oder die Ansteuerstromstärke der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung des Mengensteuerventils bildet.

Hierdurch kann sichergestellt werden, dass in dem Hohlraum keine Schäden durch Kavitation entstehen. Diese Kavitation wird dadurch vermieden, dass eine Implosion des Gasvolumens durch eine in jedem Betriebszustand ausreichend hohe Heizleistung verhindert wird. Dabei kann erfindungsgemäß berücksichtigt werden, dass die Ausbildung des Gasvolumens auch durch Wärmeleitung von der Brennkraftmaschine her unterstützt wird. Die zusätzlich notwendige Heizleistung kann leicht über die Ansteuerdauer der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung eingestellt werden. Die Ansteuerdauer wird dabei während des Ansaugvorgangs der zweiten Kraftstoffpumpe variiert. Dadurch wird vermieden, dass gleichzeitig eine Änderung der Pumpenfördermenge eintritt.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei dem der Kraftstoff von einem Kraftstoffsystem zu mindestens einer Kraftstoff- Einspritzvorrichtung gefördert wird, welche den Kraftstoff in mindestens einen Brennraum der Brennkraftmaschine einspritzt, und bei dem eine dynamische Druckänderung in einem Strömungsweg des Kraftstoffsystems durch eine Volumenänderung eines Arbeitsraumes wenigstens teilweise kompensiert wird. Um die Kosten beim Betrieb der Brennkraftmaschine zu senken, wird vorgeschlagen, dass ein Abschnitt des Kraftstoffsystems so erwärmt wird, dass mindestens ein Teil des in dem Abschnitt befindlichen Kraftstoffs verdampft, und dass das hierdurch gebildete Gasvolumen mindestens eine Grenzfläche des Arbeitsraums vorspannt.

Auf diese Weise können dynamische Druckänderungen im Kraftstoffsystem wenigstens teilweise kompensiert werden, ohne dass ein Verschleiß auftritt. Hierdurch werden die Betriebskosten bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gesenkt.

Zeichnung

Nachfolgend werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung im Detail erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffsystem, welches eine Vorrichtung zum Dämpfen von Druckpulsationen umfasst;

Fig. 2 einen teilweisen Schnitt durch eine Hochdruck- Kraftstoffpumpe des Kraftstoffsystems von Fig. 1 mit einem Mengensteuerventil, in welches die Vorrichtung zum Dämpfen von Druckpulsationen integriert ist;

Fig. 3 eine Darstellung ähnlich Fig. 1 eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine;

Fig. 4 einen teilweisen Schnitt durch eine Hochdruck- Kraftstoffpumpe, welche bei der Brennkraftmaschine von Fig. 3 eingesetzt wird und in welche eine Vorrichtung zum Dämpfen von Druckpulsationen integriert ist; und

Fig. 5 einen teilweisen Schnitt durch die Vorrichtung zum Dämpfen von Druckpulsationen von Fig. 4.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt ein Kraftstoffsystem 10 mit einem Niederdruckbereich 12 und einem Hochdruckbereich 14.

Der Niederdruckbereich 12 umfasst einen Vorratsbehälter 16, in dem Kraftstoff 18 bevorratet wird. Der Kraftstoff 18 wird aus dem Vorratsbehälter 16 von einer ersten Kraftstoffpumpe 20 gefördert. Bei dieser handelt es sich um eine elektrische Kraftstoffpumpe. Die elektrische Kraftstoffpumpe 20 fördert in eine Niederdruck- Kraftstoffleitung 22. In ihr ist in der Nähe der elektrischen Kraftstoffpumpe 20 ein Filter 24 angeordnet. Die Niederdruck-Kraftstoffleitung 22 führt zu einer zweiten Kraftstoffpumpe 26. Diese wird auf hier nicht erläuterte Weise von der Nockenwelle einer (nicht dargestellt) Brennkraftmaschine 28 angetrieben.

Bei der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 26 handelt es sich um eine 1-Zylinder-Kolbenpumpe (der Kolben trägt in Fig. 2 das Bezugszeichen 29). Zu ihr gehört ein Förderraum 30, welcher einlassseitig über ein Saugventil 32 mit der Niederdruck-Kraftstoffleitung 22 verbindbar ist. Der Bereich der Niederdruck-Kraftstoffleitung 22 unmittelbar vor der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 26 ist als elastischer Schlauch 33 ausgebildet. Auslassseitig ist der Förderraum 30 über ein Auslassventil 34 mit einer Kraftstoff- Sammelleitung 36 verbindbar. In dieser auch als "Rail" bezeichneten Kraftstoff-Sammelleitung 36 kann der Kraftstoff unter hohem Druck gespeichert werden. An sie sind mehrere Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 38 angeschlossen. Diese spritzen den Kraftstoff direkt in ihnen jeweils zugeordnete Brennräume 40 der Brennkraftmaschine 28 ein.

Zur Einstellung der Fördermenge der Hochdruck- Kraftstoffpumpe 26 ist ein Mengensteuerventil 42 vorgesehen (vergl. Fig. 2). Dieses kann von einer elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 44 von einer offenen Schaltstellung 46 in eine geschlossene Schaltstellung 48 geschaltet werden. In die offene Ruhestellung 46 wird das Mengensteuerventil 42 von einer Feder 50 beaufschlagt. Mit dem Mengensteuerventil 42 kann der Förderraum 30 der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 26 mit einem stromaufwärts vom Saugventil 32 gelegenen Bereich der Niederdruck- Kraftstoffleitung 22 verbunden werden.

Hierzu verlaufen unmittelbar stromabwärts von einem Ventilsitz (nicht dargestellt in Fig. 2) relativ zur Längsachse eines Ventilelements 52 des Mengensteuerventils 42 radial verlaufende Strömungskanäle 54 zu einem Ringraum 56, welcher über einen Kanal 58 mit einem stromaufwärts vom Saugventil 32 gelegenen Strömungsraum 59 verbunden ist. Dieser ist als passives Dämpfungsvolumen ausgebildet. In ihn mündet die Niederdruck-Kraftstoffleitung 22. Beim Ventilelement 52 handelt es sich um eine Ventilnadel, an deren vom Ventilsitz abgewandtem Ende ein Magnetanker 60 befestigt ist. Dieser arbeitet im Betrieb mit einer Magnetspule 62 zusammen, welche koaxial zum Ventilelement 52 in einem Gehäuse 63 des Mengensteuerventils 42 untergebracht ist.

Der stromaufwärts vom Saugventil 32 gelegene Bereich ist über den Kanal 58 und über Kanäle 66 auch mit einem Druckdämpfer 64 verbunden. Dieser ist, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, in das Mengensteuerventil 42 integriert. Der Druckdämpfer 64 umfasst einen Hohlraum 68, welcher koaxial zum Ventilelement 52 zwischen dem Ventilsitz und dem Magnetanker 60 im Gehäuse 63 des Mengensteuerventils 42 ausgebildet ist. Über das metallische Gehäuse des Mengensteuerventils 42 und das metallische Ventilelement 52 ist der Hohlraum 68 wärmeleitend mit der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 44 verbunden. Diese wärmeleitende Verbindung trägt in Fig. 1 das Bezugszeichen 70.

Der Druck in der Niederdruck-Kraftstoffleitung 22 wird von einem Drucksensor 72 erfasst. Er leitet entsprechende Signale an ein Steuer- und Regelgerät 74. Dieses erhält ebenfalls Signale von einem Drucksensor 78, welcher den Druck in der Kraftstoff-Sammelleitung 36 erfasst. Auch die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 44 des Mengensteuerventils 42 wird vom Steuer- und Regelgerät 74 angesteuert. Ferner wird die Drehzahl der elektrischen Kraftstoffpumpe 20 vom Steuer- und Regelgerät 74 eingestellt. Die Regelung des Drucks in der Kraftstoff- Sammelleitung 36 erfolgt über das Mengensteuerventil 42 in einem geschlossenen Regelkreis mit dem Drucksensor 78 und dem Steuer- und Regelgerät 74. Aus Sicherheitsgründen ist noch ein Druckbegrenzungsventil 76 an der Kraftstoff- Sammelleitung angeordnet.

Im Betrieb gelangt während eines Saughubs des Kolbens der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 26 Kraftstoff in den Förderraum 30 der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 26. Während eines Förderhubs des Kolbens 29 wird dieser Kraftstoff im Förderraum 30 komprimiert und über das Auslassventil 34 in die Kraftstoff-Sammelleitung 36 gepresst. Während eines Saughubs und ebenfalls zu Beginn eines Förderhubs ist das Mengensteuerventil 42 geschlossen. Dies bedeutet, dass das Ventilelement 52 des Mengensteuerventils 42 an seinem Ventilsitz anliegt. Die Magnetspule 62 ist dann bestromt.

Je nach der Menge an Kraftstoff, welche von der Hochdruck- Kraftstoffpumpe 26 in die Kraftstoff-Sammelleitung 36 gefördert werden soll, wird zu einem bestimmten Zeitpunkt während des Fördertaktes der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 26 die Bestromung der Magnetspule 62 beendet. Das Ventilelement 52 hebt somit von seinem Sitz ab, so dass der Kraftstoff aus dem Förderraum 30 über die Strömungskanäle 54, den Ringraum 56 und den Kanal 58 in den stromaufwärts vom Saugventil 32 gelegenen Bereich 59 und weiter in die Niederdruck-Kraftstoffleitung 22 entweichen kann.

Ohne entsprechende Gegenmaßnahmen würde es hierdurch zu einem erheblichen Druckstoß in der Niederdruck- Kraftstoffleitung 22 kommen. Ein solcher Druckstoß wird zum einen durch das passive Dämpfungsvolumen 59 stromaufwärts vom Saugventil 32 gedämpft. Zum anderen wird er auch durch den elastischen Schlauch 33 gedämpft, als der die Niederdruck-Kraftstoffleitung 22 bereichsweise ausgebildet ist. Vor allem aber werden derartige Druckstöße durch den im Mengensteuerventil 42 im Betrieb ausgebildeten Druckdämpfer 64 geglättet. Dieser arbeitet folgendermaßen:
Im Betrieb kommt es aufgrund der mit hoher Frequenz erfolgenden Betätigung der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 44 bzw. der Bestromung der Magnetspule 62 zu einer erheblichen Wärmeentwicklung im Bereich der Spule 62 und des Magnetankers 60. Diese wird über das Gehäuse 63 des Mengensteuerventils und über das Ventilelement 52 in den Hohlraum 68 übertragen. Dieser ist zu Beginn, also unmittelbar nach dem Start der Brennkraftmaschine 28, noch vollständig mit Kraftstoff gefüllt. Aufgrund der Wärmeleitung von der Magnetspule 62 und dem Magnetanker 60 her erwärmt sich der Kraftstoff jedoch, bis ein Teil des im Hohlraum 68 vorhandenen Kraftstoffes verdampft. Im Hohlraum 68 ist nun ein Gasvolumen 80 vorhanden (vergl. Fig. 1), welches durch eine Grenzfläche 82 von dem mit flüssigem Kraftstoff gefüllten Bereich des Hohlraums 68 abgegrenzt ist. Dieser mit flüssigem Kraftstoff gefüllte Bereich des Hohlraumes 68 bildet einen Arbeitsraum 84 des Druckdämpfers 64.

Bei einer Druckpulsation in der Niederdruck- Kraftstoffleitung 22, welche beispielsweise durch den oben beschriebenen Absteuerstoß des Mengensteuerventils 42 hervorgerufen wird, vergrößert sich das Volumen des Arbeitsraums 84, wodurch das Gasvolumen 80 elastisch komprimiert wird. Das einer Druckpulsation entsprechende zusätzliche Kraftstoffvolumen kann also im Druckdämpfer 64 aufgefangen werden, so dass in der Niederdruck- Kraftstoffleitung 22, wenn überhaupt, nur noch geringe Druckschwankungen festgestellt werden können. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, dass der Druckdämpfer 64 mit einem Bereich verbunden ist, welcher unmittelbar stromaufwärts vom Saugventil 32 liegt.

Das konstante Vorhandensein eines Gasvolumens 80 im Hohlraum 68 des Druckdämpfers 64 wird auch bei an sich hohen Strömungsgeschwindigkeiten im Kraftstoffsystem 10 dadurch ermöglicht, dass der eigentliche Hohlraum 68 außerhalb der Strömungswege des Kraftstoffsystems 10 liegt. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die Strömungskanäle 54 unmittelbar stromabwärts vom Ventilsitz angeordnet sind. Das im Hohlraum 68 vorhandene Kraftstoffvolumen ist also im Wesentlichen ruhend. Im Übrigen werden optimale Dämpfungsergebnisse dann erreicht, wenn das Volumen des Hohlraums 68 ungefähr das Dreifache des bei einem Förderhub des Kolbens 29 der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 26 maximal förderbaren Kraftstoffvolumens beträgt.

Es versteht sich, dass beim Starten der Brennkraftmaschine und entsprechend kaltem Mengensteuerventil 42 das Gasvolumen 80 zunächst noch nicht ausgebildet ist. In dieser Anfangsphase des Betriebs der Brennkraftmaschine 28 stehen zur Dämpfung von Druckpulsationen also nur das passive Dämpfungsvolumen 59 zwischen Niederdruck- Kraftstoffleitung 22 und Saugventil 32 sowie der elastische Schlauch 33 zur Verfügung. Um das Gasvolumen 80 nach dem Starten der Brennkraftmaschine 28 möglichst schnell erzeugen zu können, sollte die Magnetspule 62 des Mengensteuerventils 42 möglichst lange bestromt werden. Beim Einsatz einer stromgeregelten Endstufe (nicht dargestellt) kann die Magnetspule 62 auch übererregt werden, was zu einer zusätzlichen Wärmeentwicklung und einer Beschleunigung der Ausbildung des Gasvolumens 80 führt.

Wie oben ausgeführt wurde, kann die Drehzahl der elektrischen Kraftstoffpumpe 20 vom Steuer- und Regelgerät 74 eingestellt werden. Hierdurch ist es möglich, den Druck in der Niederdruck-Kraftstoffleitung 22 zu variieren. Vorteilhafterweise wird der Druck in der Niederdruck- Kraftstoffleitung 22 so eingestellt, dass vor dem Saugventil 32 kein dampfförmiger Kraftstoff vorhanden ist. Dagegen kann durch eine entsprechende Heizleitung 70 durch die Magnetspule 62 sichergestellt werden, dass im Hohlraum 68 ein Gasvolumen 80 vorhanden ist.

Um zu vermeiden, dass im Mengensteuerventil 42 und/oder in der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 26 Schäden aufgrund von Kavitation auftreten (Implosion des Gasvolumens 80), muss sichergestellt werden, dass die Heizleitung 70 durch die Magnetspule 62 immer ausreichend hoch ist. Hierzu wird vorliegend im Steuer- und Regelgerät 74 eine Kenngröße für die Ansteuerdauer der elektrischen Betätigungseinrichtung 44 des Mengensteuerventils 42 während der Saugphase der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 26 hergeleitet. Diese Kenngröße wird unter Berücksichtigung der Signale beispielsweise eines Drehzahlsensors, eines Kühlwassertemperatursensors, eines Ansauglufttemperatursensors (jeweils nicht dargestellt) und des Drucksensors 72 erstellt. Auch die Last der Brennkraftmaschine bzw. deren Drehmoment können bei der Herleitung dieser Kenngröße berücksichtigt werden.

Die Fig. 3 bis 5 betreffen ein zweites Ausführungsbeispiel eines Kraftstoffsystems 10. Solche Elemente und Bereiche, welche äquivalente Funktionen zu Elementen und Bereichen des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispieles aufweisen, tragen in den Fig. 3 bis 5 die gleichen Bezugszeichen. Auf sie wird im Allgemeinen nicht mehr im Detail eingegangen.

Im Gegensatz zu dem in Fig. 1 dargestellten Kraftstoffsystem ist bei dem in Fig. 3 dargestellten Kraftstoffsystem 10 der Druckdämpfer 64 nicht in das Mengensteuerventil 42 integriert. Stattdessen ist er an jener Stelle in der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 26 vorgesehen, an welcher in Fig. 1 das passive Dämpfungsvolumen vorhanden war.

Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, umfasst der Druckdämpfer 64 ein separates Gehäuse 86. Dieses ist topfförmig ausgestaltet und hat zylindrische Gestalt. Koaxial zu dem Gehäuse 86 ist in seinem Inneren ein oben geschlossenes und unten offenes Rohrstück 88 eingesetzt. Zwischen der radialen Außenwand des Rohrstücks 88 und dem Gehäuse 86 ist, dem Rohrstück 88 unmittelbar benachbart, eine ringförmige Heizspule 90 angeordnet. Der verbleibende Raum zwischen dem Rohrstück 88 und dem Gehäuse 86 ist mit einem thermisch isolierenden Kunststoffmaterial 92 ausgefüllt.

In Fig. 5 nach unten hin wird das Rohrstück 88 durch einen Deckel 94 abgeschlossen, in dem eine als Strömungsdrossel ausgebildete zentrische Öffnung 96 vorhanden ist. Über die Strömungsdrossel 96 ist der im Inneren des Rohrstücks 88 gebildete Hohlraum 68 mit dem unmittelbar stromaufwärts vom Saugventil 32 gelegenen Bereich innerhalb der Hochdruck- Kraftstoffpumpe 26 verbunden. Die Heizspule 90 erstreckt sich parallel zur Längsachse des Hohlraums 68, wobei ihr in Fig. 5 oberes Ende in etwa auf Höhe des oberen Endes des Hohlraumes 68 liegt. Das in Fig. 5 untere Ende der Heizspule 90 endet dagegen auf Höhe einer Stelle, welche vom Deckel 94 beabstandet ist.

Das in Fig. 3 dargestellte Kraftstoffsystem 10 arbeitet analog zu jenem, welches in Fig. 1 dargestellt ist. Allerdings ist die Bildung des Gasvolumens 80 nicht an den Betrieb der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 44 des Mengensteuerventils 42 gekoppelt. Dies hat den Vorteil, dass das Mengensteuerventil 42 ausschließlich im Hinblick auf die Einstellung der gewünschten Fördermenge angesteuert werden kann. Andererseits kann das Gasvolumen 80 auch bereitgestellt werden, wenn die elektrische Betätigungseinrichtung 44 des Mengensteuerventils 42 noch "kalt" ist, die Brennkraftmaschine 28 also eben erst gestartet wurde.

Auch eine Bestromung der Heizspule 90 während eines "Vorlaufs" des Kraftstoffsystems unmittelbar vor dem Starten der Brennkraftmaschine ist möglich (dies gilt auch für das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsbeispiel). Von besonderer Bedeutung ist die Tatsache, dass sich die Heizspule 90 nicht über die gesamte Länge des Hohlraums 68 erstreckt. Dies erleichtert eine Variation des Gasvolumens 80 durch eine Variation der Intensität der Heizleistung der Heizspule 90.

Auch bei dem in Fig. 3 dargestellten Kraftstoffsystem 10 kann der Druck in der Niederdruck-Kraftstoffleitung 22 über die Drehzahl der elektrischen Kraftstoffpumpe 20 eingestellt werden. Je nach dem Druck, welcher in der Niederdruck-Kraftstoffleitung 22 herrscht, und je nach Stärke der Druckpulsationen ist zur Kompensation von Druckpulsationen in der Niederdruck-Kraftstoffleitung 22 ein mehr oder weniger großes Gasvolumen 80 und eine mehr oder weniger starke Heizleistung erforderlich. Daher wird die Heizspule 90 vom Steuer- und Regelgerät 74 abhängig von den Signalen des Drucksensors 72 angesteuert, welcher den Druck in der Niederdruck-Kraftstoffleitung 22 erfasst. Die Regelgröße für die Heizleistung der Heizspule 90 ist also die Höhe der Druckpulsationen in der Niederdruck- Kraftstoffleitung 22.

Claims (13)

1. Vorrichtung (64) zum Dämpfen von Druckpulsationen in einem Fluidsystem, insbesondere in einem Kraftstoffsystem (10) einer Brennkraftmaschine (28), mit einem Gehäuse (63; 86) mit einem Hohlraum (68), mit einem in dem Hohlraum (68) wenigstens zeitweise gebildeten Arbeitsraum (84), welcher mit einem Strömungsweg (22) des Fluidsystems (10) verbunden ist, mit wenigstens zeitweise vorhandenen Vorspannmitteln (80), welche ein Gasvolumen (80) umfassen und mindestens eine Grenzfläche (82) des Arbeitsraums (84) gegen den Arbeitsraum (84) vorspannen, derart, dass eine dynamische Druckänderung im Strömungsweg (22) des Fluidsystems (10) durch eine Volumenänderung des Arbeitsraumes (84) wenigstens teilweise kompensiert werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (64) eine Heizeinrichtung (44; 90) umfasst, und dass das Gasvolumen (80) durch die Verdampfung eines Fluids mittels der Heizeinrichtung (44; 90) gebildet wird.

2. Vorrichtung (64) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Hohlraum (68) und dem Strömungsweg (22) des Fluidsystems (10) eine Strömungsdrossel (96) vorhanden ist. (Fig. 3)

3. Vorrichtung (64) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Abschnitt des Strömungswegs (22) des Fluidsystems (10) durch einen elastischen Schlauch (33) gebildet wird.

4. Vorrichtung (64) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Heizeinrichtung (90) parallel zu der Längsachse des Hohlraums (68) erstreckt, wobei das eine Ende der Heizeinrichtung (90) in etwa auf Höhe jenes Endes des Hohlraums (68) liegt, welches der Verbindung mit dem Strömungsweg (22) des Fluidsystems (10) gegenüberliegt, und wobei das andere Ende der Heizeinrichtung (90) auf Höhe einer Stelle liegt, welche von jenem Ende des Hohlraums (68) beabstandet ist, in dessen Bereich die Verbindung mit dem Strömungsweg (22) des Fluidsystems (10) angeordnet ist. (Fig. 5)

5. Vorrichtung (64) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass um die Heizeinrichtung (90) eine Wärmeisolierung (92) angeordnet ist. (Fig. 5)

6. Vorrichtung (64) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung (44) einer Ventileinrichtung (42) umfasst. (Fig. 2)

7. Vorrichtung (64) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine stromgeregelte Endstufe umfasst, welche eine Magnetspule (62) der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung (44) übererregen kann.

8. Vorrichtung (64) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (68) von einem Ventilelement (52) der Ventileinrichtung (42) durchdrungen wird, welches mit der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung (44) verbunden ist. (Fig. 2)

9. Vorrichtung (64) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidsystem ein Kraftstoffsystem (10) einer Brennkraftmaschine (28) ist, und die Ventileinrichtung ein Mengensteuerventil (42) einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe (26) des Kraftstoffsystems (10) der Brennkraftmaschine (28) umfasst.

10. Vorrichtung (64) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Steuer- und/oder Regelgerät (74) umfasst, welches die Heizleistung, welche an der Heizeinrichtung (44; 90) anliegen soll, abhängig von mindestens einem Betriebsparameter bestimmt.

11. Vorrichtung (64) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Betriebsparameter die Höhe eines statischen Drucks und/oder die Höhe einer dynamischen Druckänderung im Strömungsweg (22) des Fluidsystems (10) ist.

12. Vorrichtung (64) nach den Ansprüchen 9 und 10 oder 9 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuer- und/oder Regelgerät (74) Signale von einem Drehzahlsensor einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und/oder von einem Kühlwassertemperatursensor der Brennkraftmaschine und/oder von einem Ansauglufttemperatursensor der Brennkraftmaschine und/oder von einem Drucksensor (72), welcher im Strömungsweg (22) des Fluidsystems (10) stromaufwärts von der Hochdruck-Kraftstoffpumpe (26) angeordnet ist, erhält und/oder eine einer Last der Brennkraftmaschine entsprechende Größe verarbeitet, und dass es aus mindestens einem dieser Parameter eine Kenngröße für die Ansteuerdauer und/oder die Ansteuerstromstärke der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung (44) des Mengensteuerventils (42) bildet.

13. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (28), bei dem der Kraftstoff (18) von einem Kraftstoffsystem (10) zu mindestens einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (38) gefördert wird, welche den Kraftstoff (18) in mindestens einen Brennraum (40) der Brennkraftmaschine (28) einspritzt, und bei dem eine dynamische Druckänderung in einem Strömungsweg (22) des Kraftstoffsystems (10) durch eine Volumenänderung eines Arbeitsraumes (84) wenigstens teilweise kompensiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt (68) des Kraftstoffsystems (10) so erwärmt wird, dass mindestens ein Teil des in dem Abschnitt (68) befindlichen Kraftstoffs (18) verdampft, und dass das hierdurch gebildete Gasvolumen (80) mindestens eine Grenzfläche (82) des Arbeitsraums (84) vorspannt.