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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus
der
DE 10 2005
052 636 A1 ist ein gattungsgemäßes Kraftstoffsystem
bekannt, welches eine Förderpumpe umfasst, die Kraftstoff
aus einem Kraftstoffbehälter fördert. Von der
Förderpumpe gelangt der Kraftstoff über eine als
Zumesseinheit bezeichnete Einstelleinrichtung zu einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe,
die den Kraftstoff verdichtet und einen Kraftstoffspeicher ("Rail")
speist. An den Kraftstoffspeicher sind mehrere Kraftstoffmjektoren angeschlossen.
Der Druck im Kraftstoffspeicher wird unter anderem mittels eines
Absteuerventils eingestellt. An dem Kraftstoffspeicher ist ein Absteuerventil angeschlossen,
von dem eine Absteuerleitung zum Kraftstoffbehälter zurückführt.
In der Absteuerleitung ist des weiteren eine Strömungsdrossel
angeordnet. Der stromaufwärts sowie der stromabwärts
der Strömungsdrossel gelegene Abschnitt der Absteuerleitung
ist jeweils mittels einer Steuerleitung mit der Einstelleinrichtung
verbunden. Die Einstelleinrichtung weist dabei einen Steuerkolben
auf, der in Abhängigkeit des Drucks in der Absteuerleitung
den Zufluss zur Kraftstoffpumpe beeinflusst. Dadurch werden die Funktion
des Absteuerventils und der Einstelleinrichtung in gewisser Weise
gekoppelt. Wird nämlich vom Absteuerventil Kraftstoff aus
dem Kraftstoffspeicher abgesteuert, bedeutet dies, dass die Kraftstoffpumpe zu
viel Kraftstoff fördert, die Einstelleinrichtung also in Schließrichtung
bewegt werden muss. Wird dagegen kein Kraftstoff vom Absteuerventil
abgesteuert, kann die Einstelleinrichtung vollständig geöffnet
sein. Die Erfinder der
DE
10 2005 052 636 A1 haben erkannt, dass dieser funktionale
Zusammenhang nicht mehr über den Umweg des Steuergeräts,
sondern direkt zwischen dem Absteuerventil bzw. dem von diesem abgesteuerten
Kraftstoffstrom und der Einstelleinrichtung hergestellt werden kann.
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Vorteile der Erfindung
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Dadurch,
dass erfindungsgemäß der Steuerkolben wenigstens
eine mit der Absteuerleitung verbundene Längsbohrung zur
Weiterleitung wenigstens eines Teils des in der Absteuerleitung
strömenden Fluids und ferner einen Ringspalt aufweist,
welcher in Abhängigkeit der Stellung des Steuerkolbens den
Zufluss zur Kraftstoffpumpe beeinflusst, werden verschiedene Funktionen
bauraumoptimiert zusammengefasst. Zudem ergibt sich eine Kostenreduktion dadurch,
dass der Aufbau einfach ist und die Anzahl der benötigten
Bohrungen reduziert wird.
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Erfindungsgemäß kann
dabei vorgesehen sein, dass wenigstens ein Teil der Längsbohrung
als Strömungsdrossel ausgebildet ist. Durch die Ausbildung
wenigstens eines Teils der Längsbohrung als Strömungsdrossel
sowie der Ausbildung eines Ringspalts in dem Steuerkolben werden
drei Funktionsgruppen in dem Steuerkolben integriert. Hierbei handelt
es sich um die Funktionsgruppe Strömungsdrossel; die Funktionsgruppe
Leitungsführung und die Funktionsgruppe Saugdrosselventil
(Zufluss zur Kraftstoffpumpe). Die Zusammenfassung der Funktionsgruppen
vereinfacht die Konstruktion der Einstelleinrichtung. Die erfindungsgemäße
Lösung bietet zudem den Vorteil, dass die Integration im
Steuerkolben auf kleinstem Raum erfolgen kann. Zudem ist der Druckabfall
gering, was sich als bedeutsam zur Befüllung der Kraftstoffpumpe über
deren Saugventile herausgestellt hat. Die erfindungsgemäße
Lösung bietet darüber hinaus den Vorteil einer
geringen Lageempfindlichkeit des Steuerkolbens gegenüber Druck-Schwingungen
im Pumpenzulauf, da der Ringspalt im Steuerkolben eine radiale Anströmung ermöglicht.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Steuerkolben hohl ausgebildet
werden kann, wodurch die zu bewegenden Massen reduziert werden.
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Von
Vorteil ist eine Ausbildung der Längsbohrung als axiale
Bohrung im Steuerkolben. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die
Längsbohrung wenigstens zwei Durchmesser aufweist, wobei
der erste Durchmesser die Strömungsdrossel bildet und der zweite,
größere Durchmesser als Strömungskanal ausgebildet
ist. Somit stellt die axiale Bohrung im Steuerkolben die Strömungsdrossel
dar. Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass
der durch den ersten Durchmesser gebildete Teil der Bohrung kurz ist.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn lediglich zwei Durchmesser gebohrt
werden, das heißt die Längsbohrung nur zwei Durchmesser
aufweist. Der Strömungskanal kann vorzugsweise komplett
mit einem Durchmesser gebohrt werden.
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Erfindungsgemäß kann
ferner vorgesehen sein, dass die erste Steuerfläche eine
stromaufwärts der Strömungsdrossel gelegene erste
Stirnfläche des Steuerkolbens ist, von welcher sich die
Längsbohrung durch den Steuerkolben erstreckt. Erfindungsgemäß kann
dabei ferner vorgesehen sein, dass der Steuerkolben mit einer Vorspannkraft
beaufschlagt ist, welche entgegen dem Druck wirkt, mit dem die erste
Steuerfläche beaufschlagt ist. Dabei kann vorgesehen sein,
dass zum Erzeugen mindestens eines Teils der Vorspannkraft eine
zweite Steuerfläche des Steuerkolbens hydraulisch mit einem
stromabwärts von der Strömungsdrossel gelegenen
Bereich des Strömungskanals verbunden ist. Ein anderer
Teil der Vorspannkraft kann beispielsweise über eine Feder erzeugt
werden. Somit lässt sich in besonders vorteilhafter Weise
die Stellung des Steuerkolbens und somit der Zufluss zur Kraftstoffpumpe
beeinflussen. Wird nämlich vom Absteuerventil Kraftstoff
aus dem Kraftstoffspeicher abgesteuert, bedeutet dies, dass der
Druck in der Absteuerleitung steigt. Damit steigt auch der auf die
erste Steuerfläche bzw. die erste Stirnfläche
des Steuerkolbens (welche sich stromaufwärts zur Strömungsdrossel
befindet) wirkende Druck. Je größer der Druck
auf die erste Stirnfläche des Steuerkolbens ist, desto
mehr verschiebt sich der Steuerkolben entgegen der Vorspannkraft.
Damit kann erreicht werden, dass bei steigendem Druck in der Absteuerleitung
der Steuerkolben so verschoben wird, dass der Zufluss zur Kraftstoffpumpe
reduziert wird. Umgekehrt wird bei einer Absenkung des Drucks in
der Absteuerleitung, d. h. wenn vom Absteuerventil weniger Kraft stoff
oder kein Kraftstoff aus dem Kraftstoffspeicher abgesteuert wird,
der Steuerkolben so bewegt, dass der Zufluss zu der Kraftstoffpumpe
vergrößert bzw. gegebenenfalls maximiert wird.
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Von
Vorteil ist es, wenn in den Ringspalt, welcher in Abhängigkeit
der Stellung des Steuerkolbens den Zufluss zur Kraftstoffpumpe beeinflusst,
wenigstens ein Zulauf mündet und wenigstens ein zu der Kraftstoffpumpe
führende Ablauf ausgebildet ist. Vorteilhaft ist es dabei,
wenn wenigstens zwei symmetrisch gegenüberliegende Zuläufe
vorgesehen sind, welche von einer Niederdruckleitung gespeist werden.
Die Anströmung des Ringkanals aus zwei symmetrischen Bohrungen
reduziert Druckabfälle, welche insbesondere aufgrund des
Niederdruckkreislaufes so klein wie möglich zu halten sind.
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Eine
Veränderung des Zuflusses zur Kraftstoffpumpe kann in einfacher
Weise dadurch erreicht werden, dass über eine Kante des
Ringspalts eine Hülse übersteht, welche hubabhängig
den Zulauf und/oder den Ablauf zum/vom Ringspalt regelt bzw. steuert.
Vorzugsweise kann die Hülse dabei mit Steuerschlitzen versehen
sein. Eine Ausgestaltung der Funktionsgruppe "Saugdrosselventil"
durch einen Ringkanal mit an einer Kante überstehender
Hülse lässt sich besonders einfach realisieren.
Die Steuerschlitze in der Hülse ermöglichen dabei
in besonders einfacher Weise eine hubabhängige Variation
der Drosselwirkung.
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Nachfolgend
ist anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
prinzipmäßig dargestellt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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Es
zeigen:
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1 eine
Prinzipskizze eines Kraftstoffsystems mit einer hydraulisch gesteuerten Einstelleinrichtung;
und
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2 eine
detaillierte Schnittdarstellung der Einstelleinrichtung.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt
ein Kraftstoffsystem 1, welches zur Versorgung einer Brennkraftmaschine 2 dient. Die
Brennkraftmaschine 2 ist in 1 nur schematisch
durch eine strichpunktierte Linie angedeutet.
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Das
Kraftstoffsystem 1 umfasst einen Kraftstoffbehälter 3,
aus dem eine üblicherweise elektrisch angetriebene Förderpumpe 4 den
Kraftstoff in einen Abschnitt 5a einer Niederdruckleitung 5 fördert. Der
Abschnitt 5a führt zu einer Einstelleinrichtung 6, die
auch als Zumesseinheit bezeichnet wird und auf die nachfolgend unter
Bezug auf 2 im Detail eingegangen wird.
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Von
der Einstelleinrichtung 6 führt ein Abschnitt 5b der
Niederdruckleitung 5 zu einer mechanisch von der Brennkraftmaschine 2 angetriebenen Hochdruck-Kraftstoffpumpe 7.
Diese verdichtet den Kraftstoff auf einen sehr hohen Druck und fördert
ihn über eine Hochdruckleitung 8 in einen Hochdruck-Kraftstoffspeicher 9,
der auch als "Rail" bezeichnet wird. An diesen sind mehrere Injektoren 10 angeschlossen,
die den Kraftstoff in nicht dargestellte Brennräume der
Brennkraftmaschine 2 einspritzen. An dem Kraftstoffspeicher 9 ist
ein Absteuerventil 11 angeschlossen, von dem eine Absteuerleitung 12 zum
Kraftstoffbehälter 3 zurückführt.
Die Absteuerleitung 12 ist mit der Einstelleinrichtung 6 verbunden.
In der Einstelleinrichtung 6 ist eine in 2 näher
dargestellte Strömungsdrossel 13 ausgebildet,
an welche die Absteuerleitung 12 angeschlossen ist. Jener Abschnitt
der Absteuerleitung 12, der stromaufwärts von
der Strömungsdrossel 13 gelegen ist, ist mit 12a bezeichnet,
jener Abschnitt, der stromabwärts von der Strömungsdrossel 13 angeordnet
ist, mit 12b.
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Der
Betrieb des Kraftstoffsystems 1 wird von einer Steuer-
und Regeleinrichtung 14 gesteuert bzw. geregelt. Diese
wird allgemein auch als "Steuergerät" bezeichnet. Das Steuergerät 14 erhält
Signale von einem Drucksensor 15, welcher den Druck im
Kraftstoffspeicher 9 erfasst. Abhängig von den
Signalen des Drucksensors 15 steuert das Steuergerät 14 unter
anderem das Absteuerventil 11 an.
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Der
prinzipiell Aufbau der Einstelleinrichtung 6 wird nun unter
Bezugnahme auf 2 erläutert.
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In
einem Gehäuse 16 ist ein Steuerkolben 17 im
wesentlichen fluiddicht und gleitend geführt. Der Steuerkolben 17 weist
dabei eine mit der Absteuerleitung 12 verbundene Längsbohrung 18 auf.
Dabei ist wenigstens ein Teil der Längsbohrung 18 als
Strömungsdrossel 13 ausgebildet. Die Längsbohrung 18 weist
hierzu zwei Durchmesser auf, wobei der erste Durchmesser 18a die
Strömungsdrossel 13 bildet und der zweite, größere
Durchmesser 18b als Strömungskanal ausgebildet
ist.
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Die
Längsbohrung 18 ist als axiale Bohrung im Steuerkolben 17 ausgebildet.
Der Steuerkolben 17 weist eine stromaufwärts der
Strömungsdrossel 13 gelegene erste Steuerfläche 20 auf,
die mit dem in der Absteuerleitung 12 herrschenden Druck
beaufschlagt ist. Die erste Steuerfläche 20 ist
als – stromaufwärts der Strömungsdrossel 13 gelegene
erste Stirnfläche des Steuerkolbens 17 ausgebildet,
von der sich die Längsbohrung 18 durch den Steuerkolben 17 erstreckt.
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Wie
in 2 strichliniert dargestellt, wird die erste Stirnfläche 20 des
Steuerkolbens 17 mit dem Druck der Absteuerleitung 12 beaufschlagt,
konkret mit dem Druck, der in dem Abschnitt 12a, d. h.
stromaufwärts der Strömungsdrossel 13,
herrscht.
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Wie
sich aus 2 ferner ergibt, ist der Steuerkolben 17 mit
einer Vorspannkraft beaufschlagt, welche entgegen dem Druck wirkt,
mit dem die erste Steuerfläche 20 beaufschlagt
ist. Im Ausführungsbeispiel wird die Vorspannkraft dabei
durch eine Feder 21, welche in einem Federraum 22 angeordnet
ist, und eine zweite Steuerfläche 23 des Steuerkolbens 17 aufgebracht.
Die zweite Steuerfläche 23, welche durch eine
zweite Stirnfläche des Steuerkolbens 17 ausgebildet
ist, ist hydraulisch mit einem stromabwärts von der Strömungsdrossel 19 gelegenen
Bereich des Strömungskanals 18b bzw. dem weiterführenden
Abschnitt 12b der Absteuerleitung 12 verbunden.
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Der
Steuerkolben 17 weist ferner einen Ringspalt 24 auf,
welcher in Abhängigkeit der Stellung des Steuerkolbens 17 den
Zufluss zur Kraftstoffpumpe 7 bzw. den Zufluss von Kraftstoff
vom Abschnitt 5a der Niederdruckleitung 5 zu dem
Abschnitt 5b der Niederdruckleitung 5 beeinflusst.
In den Ringspalt 24 münden zwei symmetrisch gegenüberliegende
Zuläufe 25, welche im Gehäuse 16 ausgebildet
sind und welche von der Niederdruckleitung 5, genauer von
dem Abschnitt 5a der Niederdruckleitung 5, gespeist
werden. Dies ist in 2 strichliniert dargestellt.
Von dem Ringspalt 24 führen des weiteren zwei
symmetrisch im Gehäuse 26 ausgebildete Abläufe 26 zu
der Kraftstoffpumpe 7 bzw. zu einem Abschnitt 5b der
Niederdruckleitung 5.
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Über
eine Kante des Ringspalts 24 steht eine Hülse 27 bzw.
eine Erweiterung über, welche hubabhängig die
Menge an Kraftstoff regelt bzw. steuert, welche über die
Zuläufe 25 in den Ringspalt 24 einfließen
kann. Die Hülse 27 ist hierzu mit Steuerschlitzen 28 versehen.
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Das
Kraftstoffsystem 1 mit der Einstelleinrichtung 6 arbeitet
wie nachfolgend beschrieben. Kurz vor dem Start der Brennkraftmaschine 2 fördert die
mechanische Kraftstoffpumpe 7 noch keinen Kraftstoff in
den Kraftstoffspeicher 9, so dass der Druck in diesem noch
vergleichsweise niedrig ist. Folglich ist das Absteuerventil 11 geschlossen,
es strömt kein Kraftstoff über die Absteuerleitung 12 ab. Damit
herrscht auf beiden Seiten der Strömungsdrossel 19 in
den Abschnitten 12a und 12b der Absteuerleitung 12 der
gleiche Druck, der folglich auch an den beiden Stirnflächen 20, 23 des
Steuerkolbens 17 wirkt.
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Die
Feder 21, die im Ausführungsbeispiel als Druckfeder
ausgebildet ist, ist so ausgelegt, dass diese den Steuerkolben 17 vor
dem Starten der Brennkraftmaschine 2 in eine Stellung schiebt,
in der der Zufluss zur Kraftstoffpumpe 7 über
den Ringspalt 24 vollständig geöffnet
ist. D. h. Kraftstoff vom Abschnitt 5a der Niederdruckleitung 5 kann über
den Ringspalt 24 im wesentlichen ungehindert über
den Ablauf 26 in den Abschnitt 5b und somit zur
Kraftstoffpumpe 7 strömen. Somit kann von der
Förderpumpe 4 eine maximale Kraftstoffmenge zur
Kraftstoffpumpe 7 gefördert werden, was einen
schnellen Druckaufbau beim Starten der Brennkraftmaschine 2 begünstigt.
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Auch
im Betrieb der Brennkraftmaschine 2, bei fördernder
Kraftstoffpumpe 7, liegt dieser Zustand vor, wenn der vom
Drucksensor 15 erfasste Druck im Kraftstoffspeicher 9 einen
Grenzwert nicht überschreitet und somit das Absteuerventil 11 geschlossen
bleibt. Steigt jedoch der Druck im Kraftstoffspeicher 9 über
diesen Grenzwert oder übersteigt er mehr als zulässig
einen bestimmten Sollwert, öffnet das Absteuerventil 11,
so dass Kraftstoff über das Absteuerventil 11 und
die Absteuerleitung 12 zum Kraftstoffbehälter 3 abgesteuert
wird.
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Nun
bildet sich über die Strömungsdrossel 19 hinweg
eine Druckdifferenz. Stromaufwärts von der Strömungsdrossel 19 im
Bereich 12a herrscht ein höherer Druck als stromabwärts
von der Strömungsdrossel 19 im Strömungskanal 18b bzw.
im Federraum 22 und im zum Kraftstoffbehälter 3 führenden Abschnitt 12b der
Absteuerleitung 12. Entsprechend wirken an den Stirnflächen 20, 23 ebenfalls
unterschiedliche Drücke, die nun dazu führen,
dass die in Schließrichtung des Steuerkolbens 17 an
der ersten Stirnfläche 20 wirkende Kraftresultierende
die in Öffnungsrichtung wirkenden Kräfte übersteigt,
so dass der Steuerkolben 17 in Schließrichtung
(in 2 nach rechts) bewegt wird. Hierdurch wir die Überdeckung
der Zuläufe 25 durch die mit den Steuerschlitzen 28 versehene
Hülse 27 größer, so dass nur
noch ei ne geringere Kraftstoffmenge von der Förderpumpe 4 über
den Ringspalt 24 und den Ablauf 26 zur Kraftstoffpumpe 7 gelangt.
Folglich fördert die Kraftstoffpumpe 7 auch weniger
Kraftstoff in den Kraftstoffspeicher 9, so dass auch die
zum Erreichen bzw. Erhalten eines bestimmten Druckniveaus vom Absteuerventil 11 abzusteuernde
Kraftstoffmenge sinkt. Damit wird auch die Druckdifferenz über
die Strömungsdrossel 19 wieder kleiner, so dass
sich die Einstelleinrichtung 6 wieder etwas öffnet.
Auf diese Weise ergibt sich am Ende ein Gleichgewichtszustand, bei dem
die Kraftstoffpumpe 7 mit minimalem Energieaufwand arbeitet.
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Wenn
im Gehäuse 16 die Bohrung 29 zur Abführung
des Rücklaufes zu dem Kraftstoffbehälter 3,
d. h. die Bohrung, die zu dem Abschnitt 12b der Absteuerleitung 12 führt,
nicht linear zur Bewegungsrichtung des Steuerkolbens 17 sondern
orthogonal ausgeführt wird, sind Maßnahmen zu
treffen, dass bei zusammengedrückter Feder 21 durch
eng zusammenliegende Wicklungen oder der Lage des Steuerkolbens 17 keine
zusätzliche Androsselung des Rücklaufs erfolgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005052636
A1 [0002, 0002]