Technisches Gebiet
-
Bei Systemen zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum von
Verbrennungskraftmaschinen werden in Hochdruckpumpen und in den jeweiligen Ausführungsvarianten von
Injektoren, Düsenhalterkombinationen oder Pumpe-Düse-Systemen, Teilkörper, wie z. B.
Schaltventile, Einspritzdüsen, bewegt. Durch deren Bewegung wird ein Volumen
verdrängt. Das verdrängte Volumen wird auf der Saugseite nachgefördert. Für den dazu
erforderlichen Volumenstrom ist eine Anpassung der Drücke und Querschnitte erforderlich. Ist
die Nachförderung von Kraftstoff nicht hinreichend, sinkt der Druck auf der Saugseite ab.
Bei Unterschreiten des Dampfdruckes des zu fördernden Fluides, kommt es zum Abreißen
der Flüssigkeitssäule und einer Ausbildung von Kavitationsblasen. Bei der
Rekommpression des Fluides über den Dampfdruck entsteht durch das Zusammenbrechen der
Dampftblasen ein Geräusch.
Stand der Technik
-
Mit Pumpe-Düse-Systemen (UI ≈ Unit Injector) werden heute an selbstzündenden
Verbrennungskraftmaschinen mechanisch-hydraulisch gesteuerte Voreinspritzphasen erzeugt,
die einerseits zur Geräuschreduzierung der Verbrennung und andererseits zur
Schadstoffminimierung beitragen. Bei Pumpe-Düse-Systemen lassen sich vier Betriebszustände
unterscheiden. Ein Pumpenkolben wird über eine Rückstellfeder nach oben bewegt. Der unter
ständigem Überdruck stehende Kraftstoff fließt aus dem Niederdruckteil der
Kraftstoffversorgung über die Motorblock-integrierten Zulaufhohrungen und den Zulaufkanal in den
Magnetventilraum. Das Magnetventil ist geöffnet. Über eine Verbindungsbohrung gelangt
der Kraftstoff in den Hochdruckraum.
-
Bei einer Drehung des Antriebsnockens bewegt sich der Pumpenkolben nach unten. Das
Magnetventil verbleibt in seiner geöffneten Stellung und der Kraftstoff wird durch den
Pumpenkolben über den Zulaufkanal wieder zurück in den Niederdruckteil der
Kraftstoffversorgung gedrückt.
-
In einer dritten Phase des Einspritzvorganges wird ein Steller durch das Steuergerät zu
einem bestimmten Zeitpunkt angesteuert, so dass der Steller in einen Sitz gezogen und die
Verbindung zwischen Hochdruckraum und Niederdruckteil verschlossen wird. Dieser
Zeitpunkt wird auch als "elektrischer Spritzbeginn" bezeichnet. Der Kraftstoffhochdruck im
Hochdruckraum steigt durch die Bewegung des Pumpenkolbens kontinuierlich an,
wodurch sich auch ein steigender Druck an der Einspritzdüse einstellt. Mit Erreichen eines
Düsenöffnungsdruckes erfolgt eine Anhebung der Düsennadel, wodurch Kraftstoff in den
Verbrennungsraum eingespritzt wird. Dieser Zeitpunkt wird auch als "tatsächlicher
Spritzbeginn" oder auch als Förderbeginn bezeichnet. Durch die hohe Förderrate des
Pumpenkolbens steigt der Druck während des gesamten Einspritzvorganges weiter an. In einem
abschließenden Betriebszustand wird der Steller wieder abgeschaltet, wonach der Steller
nach einer geringen Verzögerungszeit öffnet und die Verbindung zwischen
Hochdruckraum und Niederdruckteil wieder freigegeben wird. Als Steller kommen z. B.
Magnetventile oder Piezoaktoren zum Einsatz.
-
In dieser Übergangsphase wird der Spitzendruck erreicht. Danach bricht der Druck sehr
rasch zusammen. Bei Unterschreiten des Düsenschließdruckes schließt die Einspritzdüse
und beendet den Einspritzvorgang. Der restliche, vom Pumpenelement bis zum
Scheitelpunkt des Antriebsnockens geförderte Kraftstoff wird über den Rücklaulkanal in den
Niederdruckteil gedrückt.
-
Einzelpumpensysteme, wie das eben Geschilderte, sind eigensicher, d. h. bei
unwahrscheinlichem Auftreten eines Fehlerfalles kann es nicht mehr als eine unkontrollierte
Einspritzung geben: Bleibt das Magnetventil geöffnet, kann nicht eingespritzt werden, da der
Kraftstoff in den Niederdruckteil zurückfließt und kein Druckaufbau erfolgen kann. Da die
Füllung des Hochdruckraumes ausschließlich über den Steller erfolgt, kann bei ständig in
geschlossenem Zustand verbleibendem Steller kein Kraftstoff in den Hochdruckraum
gelangen. Auch in diesem Fall kann höchstens einmal eingespritzt werden. Pumpe-Düse-
Systeme (Unit Injectors) werden in der Regel im Zylinderkopf eingebaut und sind hohen
Temperaturen ausgesetzt. Um die Temperaturen im Unit Injector (UI) so niedrig wie
möglich zu halten, erfolgt in der Regelung eine Kühlung der Komponenten des Unit Injectors
durch Kraftstoff, der seinerseits in den Niederdruckteil des Kraftstoffeinspritzsystems
zurückfließt.
-
Der Totaldruck ptot eines strömenden Mediums setzt sich zusammen aus einem statischen
Druckanteil pstat und einem dynamischen Druckanteil pdyn. Sieht man von Druckverlusten,
wie z. B. durch Reibung erzeugt, ab, ist der sich einstellende Totaldruck konstant. Der
kinetische Druck ist hingegen proportional zum Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit
gemäß der nachfolgenden Beziehung:
-
Wird der Kraftstoff in der Pumpe des Pumpe-Düse-Systemes stark beschleunigt, so sinkt
der statische Druck ab. Dabei kann der Dampfdruck unterschritten werden, so dass sich
Kavitationserscheinungen einstellen.
-
Bei der Speicherkolbenbewegung können beide Phänomene auftreten. Die
Speicherkolbenbewegung führt zu einer Kommpression des Kraftstoffes im Federhalter. Damit erhöht
sich der Gegendruck der Einspritzdüse, was zum Ende der Voreinspritzphase führt.
Zusätzlich wird durch die Kommpression für die darauffolgende Einspritzung der zweite
Öffnungsdruck erhöht. Zur Sicherstellung guter Emissionsergebnisse ist ein schnelles Öffnen
des Speicherkolbens unerlässlich. Das schnelle Öffnen ist aus akustischer Sicht jedoch
unkritisch, da hierbei die Saugseite mit dem Elementraum verbunden ist, in dem zu diesem
Zeitpunkt noch Hochdruck anliegt. Bei der Rückbewegung des Speicherkolbens muss das
verdrängte Volumen in den Federhalter nachströmen. Das Nachströmen erfolgt entweder
über eine Verbindung an den Rücklauf - oder aber einer Verbindung an den Zulaufkreis.
Der Kraftstoff passiert dabei eine Drossel, deren Querschnitt einen bestimmten Wert hat.
Wird die Drossel vergrößert, lässt sich ein vom Strömungsquerschnitt abhängiger
Restdruck halten. Ist der verdrängte Volumenstrom größer als die nachgeförderte Menge, so
sinkt der Druck im Federhalter. Wird beim Absinken des Druckes im Federhalter der
Dampfdruck unterschritten, kann es zu Kavitation kommen.
-
Bei der Rückbewegung des Speicherkolbens am Ende des Einspritzvorganges wird die
Flüssigkeitssäule oberhalb des Speicherkolbens in Richtung Elementraum bewegt. Zu
diesem Zeitpunkt ist der Druck im Elementraum bereits nahe des Dampfdruckes, wodurch ein
schnelles Rückströmen erfolgen kann. Die hohe Strömungsgeschwindigkeit kann zu einer
Unterschreitung des Dampfdruckes führen und damit sich wieder einstellende
Kavitationserscheinungen zur Folge haben.
-
EP 0 404 916 B1 hat eine Kraftstoffeinspritzdüse zum Gegenstand. Die
Kraftstoffeinspritzdüse, insbesondere ausgebildet als eine Pumpe-Düse umfasst eine Düsennadel, die
mit einer Feder in Schließrichtung beaufschlagt ist. Bei der Kraftstoffeinspritzdüse steht
ein Druckraum vor dem Sitz der Düsennadel mit einem von einem federbelasteten
Ausweichkolben begrenzten Speicherraum in Verbindung. Der Ausweichkolben (=
Speicherkolben) bildet mit seiner Speicherkolbenbüchse einen Dichtsitz. Der Speicherraum liegt
vom Druckraum ausgesehen nach diesem Dichtsitz. Der einen zylindrischen Führungsteil
aufweisende Speicherkolben ist an seinem dem Speicherraum abgewandten Ende vom
Druck in einen mit Kraftstoff befüllbaren Dämpfungsraum beaufschlagt und weist einen
Zapfen auf, der in eine den Dämpfungsraum begrenzende und eine Öffnung aufweisende
Platte eintaucht. Der zylindrische Führungsteil des Speicherkolbens weist ein
Verhältnisdurchmesser/Höhe von 1 : 0,1 bis 1 : 0,4 auf, wobei der Zapfen des Speicherkolbens
einen variablen Querschnitt hat, welcher in die Begrenzungsplatte eintaucht und der
Speicherkolben an seiner dem Speicherraum zugekehrten Seite einen Führungsfortsatz mit
Nuten aufweist.
Darstellung der Erfindung
-
Gemäß der vorgeschlagenen Lösung kann eine Verzögerung der Speicherkolben-
Rückbewegung erreicht werden, ohne andererseits die Speicherkolben-Öffnungsbewegung
innerhalb eines Pumpe-Düse-Systems (UI - Unit Injector) signifikant zu beeinträchtigen.
Dazu kann ein Rückströmdrosselventil im Bereich der Hochdruckverbindung des
Speicherraumes angeordnet werden.
-
Das Rückströmdrosselventil ist in Öffnungsrichtung des Speicherkolbens gesehen
durchlässig, so dass die auf hydraulischem Wege gesteuerte Voreinspritzung nicht beeinträchtigt
ist. Nach Ende der Haupteinspritzung sinkt der Hochdruck im gesamten
Hochdruckvolumen so weit ab, dass das Schließdruckniveau des Speicherkolbens erreicht wird. Bei
Erreichen des Schließdruckniveaus beginnt die Schließbewegung des Speicherkolbens. Bei
Einsatz eines Rückströmdrosselventiles stellt sich zwischen dem Druck auf der
Speicherkolbenseite der Rückströmdrossel und dem Druck auf der Hochdruckseite eine Druckdifferenz
ein, die ein Schließen der Rückströmdrossel bewirkt. Ein Druckabbau kann in diesem Falle
verzögert nur noch über die Drosselstelle selbst erfolgen, so dass die Rückbewegung stark
verlangsamt wird.
-
Durch die Auslegung des Sitzquerschnittes, des Hubes, des Drosselquerschnittes bzw. der
Federanpassung des Rückströmdrosselelementes kann die Speicherkolbenrückbewegung,
d. h. die für die Kavitationserscheinungen maßgebliche Bauteilbewegung so weit verzögert
werden, dass ein Nachlauf von Kraftstoff in das Innere des Federhalters kavitationsfrei
erfolgt, so dass eine Geräuschentwicklung nicht entsteht.
-
Anstelle eines Rückströmdrosselventils kann im Pumpe-Düse-System auch ein
Rückschlagventil eingesetzt werden. Gegen Ende der Einspritzung sinkt der Druck auf der
Hochdruckseite ab, worauf das Rückschlagventil schließt. Der Druck im Speicher bleibt
auf einem Niveau, so dass der Speicherkolben in seiner geöffneten Stellung bleibt.
Fertigungs- und toleranzbedingte Leckagen an der Speicherkolbenführung bewirken ein
langsames Absinken des Druckes bis der Schließdruck des Speichers unterschritten ist und der
Speicherkolben langsam schließt.
-
Verbleibt während der Nachfüllung des Federhalterhohlraumes der Druck stets oberhalb
des Dampfdruckes, so können Kavitationserscheinungen vermieden werden, was sich
günstig auf die Geräuschentwicklung eines solcher Art beschaffenen Pumpe-Düse-Systems
auswirkt.
Zeichnung
-
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
-
Es zeigt:
-
Fig. 1 den generellen Aufbau eines Pumpe-Düse-Systems zur
Kraftstoffversorgung der Brennräume einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine,
-
Fig. 1a eine vergrößerte Darstellung der Strömungsverbindung zwischen
Speicherraum und Hohlraum des Federhalters gemäß des Standes der Technik nach
Fig. 1,
-
Fig. 2 die zwischen Speicherkolbenraum und Federhalterhohlraum angeordnete
Rückströmdrosseleinheit zur Verzögerung der Schließbewegung des
Speicherkolbens,
-
Fig. 3 den Speicherkolben in seiner geschlossenen Position,
-
Fig. 4 das Öffnen des Dichtsitzes des Speicherkolbens bei Erreichen seines
Öffnungsdruckes und
-
Fig. 5 die Abdichtung eines Hohlraumes im Injektor durch einen dem Dichtsitz
des Speicherkolbens gegenüberliegende Stirnfläche.
Ausführungsvarianten
-
Fig. 1 zeigt den generellen Aufbau eines Pumpe-Düse-Systems zur Kraftstoffversorgung
von Brennräumen selbstzündender Verbrennungskraftmaschinen.
-
Im in Fig. 1 dargestellten Pumpe-Düse-System wird ein Pumpenkolben 3, der bewegbar
in einem Pumpenkörper 4 aufgenommen ist, über einen Kugelbolzen 1 betätigt. Der
Kugelbolzen 1 seinerseits wird über einen kippbar angeordneten Kipphebel 28 betätigt, der an
einem seiner Enden mit einem Rollenkörper versehen ist, der am Kipphebelende drehbar
gelagert ist. Der Rollenkörper rollt auf einem Nocken einer Antriebsnockenwelle 27 ab.
Die Auslenkung des Kipphebels 28 um seine Drehachse hängt vom Formungsverlauf der
Nockenoberseite ab, die in der Darstellung gemäß Fig. 1 exzentrisch zur Drehachse der
Antriebsnockenwelle 27 verläuft.
-
Der Pumpenkolben 3 des Pumpenkörpers 4 des Pumpe-Düse-Systems ist durch eine
Rückstellfeder 2 beaufschlagt, die sich einerseits an einer Planfläche des Pumpenkörpers 4 und
andererseits an einem deckelartigen Abstützelement abstützt, welches im oberen Bereich
des im Pumpenkörper 4 bewegbaren Pumpenkolbens 3 angeordnet ist.
-
Seitlich am Pumpenkörper 4 ist ein Steller angeordnet, der im in Fig. 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel eine Magnetspule 10 umfasst. Die Magnetspule 10 des Stellers wirkt auf
einen Anker 9, welcher seinerseits auf eine Magnetventilnadel einwirkt. Der Anker 9 des
Stellers ist durch eine Ausgleichsfeder 7 beaufschlagt. Mit Bezugszeichen 6 ist der
Magnetkern bezeichnet, welcher die Magnetspule 10 des Stellers umschließt.
-
Unterhalb des Stellers ist ein Kraftstoffrücklauf 11 dargestellt, über welchen aus dem
Pumpe-Düse-System abströmender, überschüssiger Kraftstoff in einen in Fig. 1 nicht weiter
dargestellten Niederdruckbereich, z. B. den Tank eines Kraftfahrzeuges, zurückströmen
kann. Das Pumpe-Düse-System ist im Befestigungsbereich am Zylinderkopf der
Verbrennungskraftmaschine über Dichtelemente 12 abgedichtet. Innerhalb des Pumpe-Düse-
Systemes sind in der Wandung Zulautbohrungen 13 ausgebildet, über die Kraftstoff aus
einem niederdruckseitigen Kraftstoffvorlauf V, einen Ventilraum eines hier als
Magnetventil ausgebildeten Stellers zum Elementraum 25 strömt. Durch die anliegenden Drücke
wird Kraftstoff durch den Pumpenkörper 4 zur Kühlung des Stellers geleitet und gelangt
über ein im Pumpenkörper 4 ausgebildetes Bohrungssystem in einen durch zwei Dichtringe
12 begrenzten Raum, von wo es über den mit Bezugszeichen 11 gekennzeichneten
Kraftstoffrücklauf abgeführt wird. Über den Kraftstoffrücklauf in der Pumpe-Düse-Einheit
gemäß der Darstellung in Fig. 1 kann der Leckkraftstoff im Pumpenkolben 3 abgeleitet
werden; ferner ist durch im Rücklaufsystem ausgebildete Drosselstellen eine Abscheidung
von Dampf blasen möglich.
-
Mit Bezugszeichen 14 ist ein hydraulischer Anschlag bezeichnet, der als Dämpfer fungiert.
Unterhalb des hydraulischen Anschlages erstreckt sich eine Düsennadel 18, die teilweise
von einem integrierten Einspritzdüsenkörper 20 umschlossen ist. Die Düsennadel 18 sitzt
in ihrem dem einen Brennraum 17 zuweisenden vorderen Bereich innerhalb eines
Nadelsitzes 15. Mittels einer Spannmutter 19 sind das Pumpe-Düse-System und die die Düsennadel
18 teilweise umschließende integrierte Einspritzdüse 20 miteinander verbunden; unterhalb
der Spannmutter 19 ist eine Dichtscheibe 16 angeordnet, um den Brennraum 17 einer
selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine gegen den Zylinderkopf der
Verbrennungskraftmaschine abzudichten. Der Zylinderkopf der selbstzündenden
Verbrennungskraftmaschine ist mit Bezugszeichen 21 bezeichnet.
-
Innerhalb des Pumpe-Düse-Systems gemäß der Darstellung in Fig. 1 ist ein Hohlraum
eines Federhalters 42 vorgesehen, der eine, z. B. als Spiralfeder ausgestaltete Druckfeder
22 aufnimmt. Die Druckfeder 22 stützt sich mit ihrem unteren Ende an einem
scheibenförmigen Einsatz im Hohlraum des Federhalters 42 ab und beaufschlagt mit ihrem
gegenüberliegenden Ende einen Speicherkolben 23. Der Speicherkolben 23, beispielsweise
zweiteilig ausgebildet, ein zapfenförmiges Element und eine Scheibe umfassend, ist
innerhalb des Pumpe-Düse-Systemes 1 von einem Speicherraum 24 umschlossen. Die Scheibe
kann als separates getrenntes Bauelement ausgebildet werden. Der Speicherraum 24 des
Speicherkolbens 23 und der Hohlraum des Federhalters 42 stehen über eine in Fig. 1a
vergrößert dargestellte Öffnung 31 in Fluidverbindung miteinander.
-
Der über den Kipphebel 28 in vertikale Richtung auf und abbewegbare Pumpenkolben 3
beaufschlagt einen Hochdruckraum 25 innerhalb des Pumpe-Düse-Systems, der auch als
Elementraum bezeichnet wird. Unterhalb des den Hochdruckraum 25 begrenzenden
scheibenförmigen Bauelementes zweigt ein Hochdruckzulauf zum Düsenraum ab, der die
Düsennadel 18 am zylinderkopfseitigen Ende des Pumpe-Düse-Systems beaufschlagt. Vom
Düsenraum strömt der unter hohem Druck stehende Kraftstoff über einen Ringspalt in
Richtung des Nadelsitzes 15, von wo er bei einer Aufwärtsbewegung der Düsennadel 18
innerhalb einer Voreinspritzung und einer Haupteinspritzung in den Brennraum 17 der
selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine eingespritzt wird.
-
Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass mit Bezugszeichen 26 eine Magnetventilfeder
bezeichnet ist, welche die Magnetventilnadel 8 in Rückstellrichtung beaufschlagt.
-
Der Fig. 1a ist eine vergrößerte Darstellung des Bereiches des Pumpe-Düse-Systems
gemäß Fig. 1 zu entnehmen, in welcher die Öffnung 31 zwischen dem Speicherraum und
dem Hohlraum des Federhalters in vergrößertem Maßstab wiedergegeben ist.
-
Wie der Darstellung gemäß Fig. 1a entnommen werden kann, ist der Speicherkolben 23
vom Speicherraum 24 umschlossen und wird von der Hochdruckseite her durch aus dem
Hochdruckraum 25 (auch Elementraum) austretendem, unter hohem Druck stehenden
Kraftstoff beaufschlagt. Durch die Abwärtsbewegung einer Stirnseite 29 des
Speicherkolbens 23 bei dessen Hochdruckbeaufschlagung über den Hochdruckraum 25 wird der
Kraftstoff im Hohlraum des Federhalters 42 komprimiert. Dadurch erhöht sich der Gegendruck
der Einspritzdüse, wodurch ein Ende einer Voreinspritzphase herbeigeführt wird. Um
qualitativ hochwertige Emissionsergebnisse sicherzustellen, ist ein schnelles Öffnen des
Speicherkolbens 23 erforderlich. Beim schnellen Öffnen des Speicherkolbens 23 steht die
Saugseite des Speicherkolbens 23 mit dem Hochdruckraum 25 (auch Elementraum) in
Verbindung. Zu diesem Zeitpunkt steht innerhalb des Hochdruckraumes 25 (auch
Elementraum) Hochdruck an.
-
Bei der Rückbewegung des Speicherkolbens 23 muss das verdrängte Volumen in den
Hohlraum des Federhalters 42 nachströmen. Dies kann sowohl über eine Verbindung am
Rücklauf oder am Zulautkreis erfolgen. Ist das verdrängte Kraftstoffvolumen größer als die
nachgeförderte Menge, so sinkt der Druck im Hohlraum des Federhalters 42. Bei
Unterschreiten des Dampfdruckes kommt es zu Kavitationserscheinungen. Ferner wird bei der
Rückbewegung des Speicherkolben 23 am Ende eines Einspritzvorganges die
Flüssigkeitssäule oberhalb des Speicherkolbens 23 in Richtung des Hochdruckraumes 25 (auch
Elementraum) bewegt. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich der Druck innerhalb des
Hochdruckraumes 25 bereits in der Nähe des Dampfdruckes, wodurch ein schnelles Rückströmen
erfolgt. Die hohe Strömungsgeschwindigkeit bei diesem Rückströmvorgang führt zur
Unterschreitung des Dampfdruckes und kann damit wiederum Kavitationserscheinungen nach
sich ziehen.
-
Fig. 2 ist schematisch ein zwischen Speicherraum und Hohlraum des Federhalters
angeordnetes Rückströmdrosselelement zur Verzögerung der Bewegung des Speicherkolbens zu
entnehmen.
-
Fig. 2 zeigt, stark vereinfacht wiedergegeben, ein Rückströmdrosselventil 35, welches
zwischen dem Speicherraum 24 des Speicherkolbens 23 sowie dem Elementraum 25 des
Federhalters angeordnet ist. Mittels des Rückströmdrosselventils 35 besteht die
Möglichkeit, die Rückstellbewegung des Speicherkolbens 23 zu verlangsamen, ohne die
Öffnungsbewegung, die weitestgehend unbehindert erfolgen soll, des Speicherkolbens 23 wesentlich
zu verändern. Das Rückströmdrosselventil 35, welches in der Darstellung gemäß Fig. 2
schematisch wiedergegeben ist, umfasst einen Ventilkörper 37, der mittels eines
Federelementes 36 beaufschlagt ist sowie eine permanent wirkende Drosselstelle 44, über welche
der Speicherraum 24 des Speicherkolbens 23 und der Elementraum 25 miteinander in
Fluidverbindung stehen.
-
Nachdem die Druckdifferenz zwischen dem Elementraum 25 und dem Speicherraum 24
des Speicherkolbens 23 das Rückströmdrosselventil 35 zum Schließen gebracht hat, baut
sich im Speicherraum 24 der Druck in Richtung auf den Elementraum 25 langsam ab.
Durch den langsamen Abbau wird die Bewegung des Speicherkolbens 23 innerhalb des
Speicherraumes 24 verlangsamt, so dass Kraftstoff, z. B. aus den Zulautbohrungen 13 in
den Hohlraum 42 innerhalb des Federhalters B schnell genug nachfließen kann, so dass
dort der Dampfdruck nicht unterschritten wird. Kann der Druck dort oberhalb des
Dampfdruckes gehalten werden, tritt keine Kavitation auf, so dass sich ein kavitationsfreier
Betrieb erreichen lässt.
-
Das Rückströmdrosselventil 35 erlaubt eine ungehinderte Öffnungsbewegung des
Speicherkolbens 23 im Speicherraum 24, da das Rückströmdrosselventil 35 in der zweiten
Richtung 40 durchlässig ist. Nach dem Ende der Einspritzung sinkt der Hochdruck im
gesamten Hochdruckvolumen, d. h. innerhalb des Elementraumes 25 so weit ab, dass der
Schließdruck des Speicherkolbens 23 erreicht wird und dessen Schließbewegung beginnt.
Aufgrund einer entstehenden Druckdifferenz zwischen dem Druck am speicherseitigen
Ende des Rückströmdrosselventiles 35 und dem Druck an der Hochdruckseite des
Rückstromdrosselventiles 35, d. h. auf der dem Elementraum 25 zuweisenden Seite schließt das
Rückströmdrosselventil 35.
-
Bei Einsatz eines Rückstromdrosselventiles 35 mit einer Drosselstelle 44 bleibt nach
Schließen des Schließelementes 37 lediglich die Drosselstelle 44 offen, durch deren
Auslegung hinsichtlich des Strömungsquerschnittes der Druckabbau beeinflussbar ist. Durch
Verzögerung des Druckabbaus in Richtung Elementraum 25 wird die Bewegung des
Speicherkolbens 23 innerhalb des Speicherraumes 24 verzögert. Aufgrund der verzögert
ablaufenden Rückbewegung des Speicherkolbens 23 erfolgt eine Wiederbefüllung des
Hohlraumes 42 des Federhalters B über Zulaufbohrungen 13 derart, dass in diesem Bereich keine
Kavitation auftritt, da der Druck oberhalb des Dampfdruckniveaus gehalten werden kann.
-
Durch Auslegung des Sitzquerschnittes 38 am Rückströmdrosselventil 35, dessen Hub
sowie durch Auslegung von Drosselquerschnitt der Drosselstelle 44 und der
Federvorspannung durch das Federelement 36 kann die Bewegung des Speicherkolbens 23 so weit
verlangsamt werden, das die Wiederbefüllung des Hohlraumes 42 des Federhalters unter
Vermeidung von Kavitationserscheinungen erfolgt.
-
Fig. 3 zeigt einen Speicherkolben in seiner am Dichtsitz schließenden Position.
-
Der Darstellung gemäß Fig. 3 ist entnehmbar, dass der Speicherkolben 23 um einen
Hubweg 41 in seinen Dichtsitz 34 zum Elementraum 25 gefahren ist. Der Hohlraum 42 des
Federhalters B steht über die Öffnung 31 mit einem Teil des Speicherraumes 24 in
Verbindung, wobei eine Stirnfläche 29 an der Unterseite des Speicherkolbens 23 in der in Fig. 3
dargestellten Position um den Hubweg 41 vom Boden des Speicherraumes 24 abgestellt ist.
In dieser Position des Speicherkolbens 23 trennt dieser den Elementraum 25 vom
Speicherraum 24.
-
Fig. 4 zeigt das Öffnen des Dichtsitzes am Speicherkolben bei Erreichen seines
Öffnungsdruckes. Bei Überschreiten des Öffnungsdruckniveaus des Speicherkolbens 23 öffnet
der durch Bezugszeichen 34 gekennzeichnete Dichtsitz an der Oberseite des
Speicherkolbens 23. Der Speicherraum 24 des Speicherkolbens 23 wird nun über den geöffneten
Dichtsitz 34 über den Elementraum befüllt und der Speicherkolben 23 bewegt sich in
Richtung auf den Hohlraum 42 des Federhalters B.
-
Fig. 5 zeigt die Abdichtung des Hohlraumes des Federhalters B durch eine dem Dichtsitz
gegenüberliegende Stirnfläche des Speicherkolbens.
-
Aus der Darstellung gemäß Fig. 5 geht hervor, dass die Stirnfläche 29 des
Speicherkolbens 23 die Öffnung 31, die den Speicherraum 24 und den Hohlraum 42 des Federhalters B
miteinander verbindet, anliegt. Der Fig. 5 ist entnehmbar, dass der Speicherkolben 23
nunmehr den Speicherraum 24, der seinerseits mit dem Elementraum 25 in Verbindung
steht, gegen den Hohlraum 42 des Federhalters B abdichtet.
-
Hinsichtlich der Auslegung des Sitzquerschnittes 38 des Rückströmdrosselventiles 35 und
des Hubweges 41 des Speicherkolbens 23 sind diese derart auszulegen, dass die
Öffnungsbewegung des Speicherkolbens 23 in der in Fig. 4 und 5 dargestellten Phase nahezu
ungehindert abläuft. In der Öffnungsphase des Speicherkolbens 23 in die mit
Bezugszeichen 40 in Fig. 2 bezeichnete Richtung wird zuerst der Speicherraum 24 befüllt und
danach das Volumen, welches sich aus dem Produkt der Speicherkolbenstirnfläche 29 und
dem Speicherhubweg 41 ergibt. Auslegung:
-
Die Berechnung des Speichervolumens aus Sitzfläche und Hubweg hängt davon ab, wie
das Ventil ausgestaltet ist, ob es sich beispielsweise um einen Kegelsitz oder einen
Kugelsitz handelt, woraus sich abweichende Sitzflächen- oder gemittelte Sitzflächendurchmesser
ergeben können.
-
Es ist vorteilhaft, den Hubweg des Rückströmdrosselventiles 35 bzw. eines alternativ
einsetzbaren Rückschlagventiles möglichst klein zu wählen, damit der gesamte
Öffnungsquerschnitt bereits nach kurzer Öffnungszeit erreicht werden kann.
-
Hinsichtlich der Auslegung des Federelementes 36 des Rückströmdrosselventiles 35 ist
Ziel die Federvorspannung des Federelementes 36 derart auszulegen, dass das
Rückströmdrosselventil 35 in drucklosem Zustand in einer definierten Vorspannungslage gehalten
werden kann sowie beim Schließen des Rückströmdrosselventiles 35 eine schnelle
Schließbewegung unterstützt wird.
-
Der Drosselquerschnitt der am Rückströmdrosselventil 35 ausgebildeten Drosselstelle 44
hat die Aufgabe, die Druckentlastung des Speicherraumes 24 in Richtung auf den
Elementraum 25 so zu verlangsamen, so dass sich keine Kavitationserscheinungen im Hohlraum
42 des Federhalters B einstellen. Andererseits ist eine Druckentlastung des Speicherraumes
24 in Richtung auf den Elementraum 25 ausreichend schnell zu realisieren, so dass bei
Beginn des nächsten Einspritzzyklus die ursprünglichen Druckverhältnisse, d. h. sich ein
Druckausgleich ausreichend schnell einstellt.
-
In einer weiteren Ausführungsvariante des der Erfindung zugrundeliegenden Gedankens
kann ein Rückschlagventil eingesetzt werden. Das Rückschlagventil, ein z. B. kugelförmig
gestaltetes Schließelement 37 enthaltend, welches durch ein Federelement, vorzugsweise
eine Spiralfeder 36, beaufschlagt ist, bildet die Grenzform eines
Rückströmdrosselelementes, bei welchem die Drossel im Grenzfall geschlossen ist. Bei Einspritzende wird der
Druck im Hochdruckraum 25 (auch Elementraum), der durch den Pumpenkolben 3,
entsprechend dessen Hubbewegung, mit Hochdruck beaufschlagt ist. Bei geschlossenem
Rückschlagventil bleibt der Druck auf der Speicherseite 24 auf einem derart hohen Niveau,
dass der Speicherkolben 23 in seiner Öffnungsstellung verharrt. Durch Leckage an der
Speicherkolbenführung, die fertigungs- und toleranzbedingt zwangsläufig auftreten, fällt
der Druck langsam ab, bis der Schließdruck des Speichers unterschritten ist, und der
Speicherkolben 23 langsam seine Schließbewegung aufnimmt. Je nach erzielbarem
Druckabfall, bedingt durch ein Druckabbau über die Leckagespalte, erfolgt der Druckaufbau derart
langsam, dass die Nachfüllung des Federhalters 42 so abläuft, dass innerhalb des
Hohlraums des Federhalters 42 das Druckniveau zu jeder Zeit oberhalb des Dampfdruckes
gehalten werden kann, so dass keine Kavitationserscheinungen innerhalb des Hohlraums des
Federhalters 42 auftreten können und damit eine erhebliche Geräuschsverbesserung durch
Vermeidung von Dampfblasenbildung im Kraftstoff erzielt werden kann.
-
Beiden Ausführungsvarianten, d. h. bei einem Einsatz eines Rückströmdrosselventiles als
Rückströmdrosselelement bzw. bei Einsatz eines Rückschlagventiles als
Rückströmdrosselelement ist es erreichbar, dass durch die Integration zwischen den Elementraum 25 und
dem Speicherraum 24 des Speicherkolbens 23 eine Verzögerung der Rückstellbewegung
des Speicherkolbens 23 erzielt werden kann. Durch eine Verringerung der
Bewegungsgeschwindigkeit des Speicherkolbens 23 innerhalb des Pumpe-Düse-Systems lässt sich ein
Sinken des Druckniveaus innerhalb des Pumpe-Düse-Systems im Hohlraum 42 des
Federhalters B unterhalb des Dampfdruckes wirksam verhindern. Da mit der erfindungsgemäß
vorgeschlagenen Lösung keine Dampfblasenbildung, d. h. Kavitation innerhalb des
Hohlraumes 42 des Federhalters B auftreten kann, ist ein wesentlich geräuschärmerer Betrieb
des Pumpe-Düse-Systems bei Einsatz der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung auch
in hohen Drehzahlbereichen des Pumpe-Düse-Systems möglich.
Bezugszeichenliste
1 Kegelbolzen
2 Rückstellfeder
3 Pumpenkolben
4 Pumpenkörper
5 Stecker
6 Magnetkern
7 Ausgleichsfeder
8 Magnetventilnadel
9 Anker
10 Magnetspule
11 Kraftstoffrücklauf (Niederdruck)
12 Dichtung
13 Zulaufbohrung
14 hydraulischer Anschlag (Dämpfer)
15 Nadelsitz
16 Dichtscheibe
17 Brennraum
18 Düsennadel
19 Spannmutter
20 integrierte Einspritzdüse
21 Zylinderkopf
22 Druckfeder (Düse)
23 Speicherkolben
24 Speicherraum
25 Hochdruckraum (Elementraum)
26 Magnetventilfeder
27 Antriebsnockenwelle
28 Kipphebel
29 Stirnseite Speicherkolben
30 Raum unterhalb Speicherkolben
31 Öffnung
32 Zulauf Ventilraum
33 Hochdruckzulauf zur Düse
34 Dichtsitz
35 Rückströmdrossel/Ventil
36 Federelement
37 Schließelement
38 Sitz
39 erste Richtung RSD/RSV
40 zweite Richtung RSD/RSV
41 Hubweg Speicherkolben 23
42 Hohlraum Federhalter
43 Dichtfläche Hohlraum
44 Drosselstelle Rückströmdrosselventil 35
A Kraftstoffzulauf (Niederdruck)
B Federhalter