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Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffsystem zur Versorgung eines Verbrennungsmotors mit Kraftstoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Bei dem Verbrennungsmotor handelt es sich vorzugsweise um einen Benzinmotor mit Wassereinspritzung, weiterhin vorzugsweise um einen Benzinmotor mit Wasserdirekteinspritzung (DWI, „direct water injection“). Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Hochdruckleitung für ein derartiges Kraftstoffsystem.
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Stand der Technik
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Ein Kraftstoffsystem der eingangs genannten Art umfasst eine Kraftstoffverteilerleiste, mindestens einen an die Kraftstoffverteilerleiste angeschlossenen Injektor zum Einspritzen des Kraftstoffs in einen Brennraum des Verbrennungsmotors sowie eine an die Kraftstoffverteilerleiste angeschlossene Hochdruckleitung, über welche die Kraftstoffverteilerleiste mit einer Hochdruckpumpe verbunden ist. In der Hochdruckleitung können Druckpulsationen auftreten, die zu rücklaufenden Druckwellen führen, das heißt zu Druckwellen, die von der Kraftstoffverteilerleiste zurück zur Hochdruckpumpe laufen. Da die Hochdruckpumpe an ihrem Hochdruckausgang in der Regel nur eine begrenzte Festigkeit gegenüber rücklaufenden Druckwellen aufweist, gilt es diese zu dämpfen.
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Bei einem Benzinmotor mit Wasserdirekteinspritzung kommt der Pulsationsdämpfung eine besondere Rolle zu. Denn um lange Totzeiten zu vermeiden, die zu einer Entmischung der Kraftstoff-Wasser-Emulsion in der Kraftstoffverteilerleiste führen können, wird das Volumen der Kraftstoffverteilerleiste möglichst klein gewählt. Damit steht jedoch auch weniger Volumen zur Dämpfung von Druckpulsationen zur Verfügung, so dass diese Systeme besonders pulsationsanfällig sind.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kraftstoffsystem zur Versorgung eines Verbrennungsmotors mit Kraftstoff derart weiterzuentwickeln, dass Druckpulsationen verringert werden. Auf diese Weise soll eine Entlastung der Komponenten des Kraftstoffsystems, insbesondere einer Hochdruckpumpe, erreicht werden.
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Zur Lösung der Aufgabe wird das Kraftstoffsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird die Hochdruckleitung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Das vorgeschlagene Kraftstoffsystem, das der Versorgung eines Verbrennungsmotors mit Kraftstoff dient, umfasst eine Kraftstoffverteilerleiste, mindestens einen an die Kraftstoffverteilerleiste angeschlossenen Injektor zum Einspritzen des Kraftstoffs in einen Brennraum des Verbrennungsmotors sowie eine an die Kraftstoffverteilerleiste angeschlossene Hochdruckleitung, über welche die Kraftstoffverteilerleiste mit der Druckseite einer Hochdruckpumpe verbunden ist. Erfindungsgemäß sind in der Hochdruckleitung mehrere Drosselstellen ausgebildet.
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Die mehreren Drosselstellen dämpfen Druckpulsationen, und zwar volumenunabhängig. Das heißt, dass kein zusätzliches Dämpfungsvolumen geschaffen werden muss. Dies wirkt sich insbesondere als vorteilhaft bei Kraftstoffsystemen mit Wasserdirekteinspritzung aus, da das Volumen der Kraftstoffverteilerleiste so klein wie möglich gewählt werden kann. Ferner verhindern die mehreren Drosselstellen, dass Druckwellen von der Kraftstoffverteilerleiste zur Hochdruckpumpe zurücklaufen. Die Hochdruckpumpe wird dadurch entlastet.
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Bevorzugt ist eine erste Drosselstelle im Bereich des Anschlusses der Hochdruckleitung an die Kraftstoffverteilerleiste angeordnet oder ausgebildet. Von der Kraftstoffverteilerleiste in Richtung der Hochdruckpumpe rücklaufende Druckwellen werden somit bereits am „Eingang“ (in Hauptströmungsrichtung der Ausgang) zur Hochdruckleitung gestoppt oder zumindest gedämpft. Weitere, in Hauptströmungsrichtung der ersten Drosselstelle vorgelagerte Drosselstellen steigern den Dämpfungseffekt, so dass rücklaufende Druckwellen den Hochdruckausgang der Hochdruckpumpe nicht mehr erreichen.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass mindestens eine Drosselstelle durch eine Einschnürung der Hochdruckleitung ausgebildet wird. Das heißt, dass die Drosselstelle durch die Hochdruckleitung selbst gebildet wird, und zwar durch eine Einschnürung bzw. Querschnittsverengung. Die Einschnürung kann insbesondere in einem Umformprozess hergestellt werden, bei dem beispielsweise ein Umformwerkzeug außen an die Hochruckleitung angesetzt und mit einer Kraft beaufschlagt wird, so dass die Hochdruckleitung plastisch verformt wird. Vorteilhafterweise werden alle Drosselstellen durch Einschnürungen der Hochdruckleitung ausgebildet, so dass die Herstellung der Hochdruckleitung vereinfacht wird.
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Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass mindestens eine Drosselstelle durch ein in die Hochdruckleitung eingesetztes Drosselstück gebildet wird. Das Drosselstück führt zu einer Verengung des Strömungsquerschnitts der Hochdruckleitung, und zwar ohne plastische Verformung der Hochdruckleitung. Das Drosselstück ist vorzugsweise in die Hochdruckleitung eingepresst, eingeschweißt oder eingelötet, so dass das Drosselstück innerhalb der Hochdruckleitung lagefixiert ist. Vorteilhafterweise werden alle Drosselstellen jeweils durch ein in die Hochdruckleitung eingesetztes Drosselstück gebildet, so dass die Herstellung der Hochdruckleitung vereinfacht wird.
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Bevorzugt weisen die Drosselquerschnitte der Drosselstellen einen Drosseldurchmesser von 1,0 mm bis 1,5 mm, beispielsweise von 1,3 mm auf. Entsprechende Drosselquerschnitte zeigen nicht nur eine hervorragende Dämpfungswirkung in Bezug auf unerwünschte Druckpulsationen, sondern sind zudem in der Lage im Kraftstoff enthaltene größere Wassertropfen zu zerkleinern. Auf diese Weise wird eine bessere Durchmischung einer Kraftstoff-Wasser-Emulsion erreicht bzw. einer Entmischung einer Kraftstoff-Wasser- Emulsion entgegengewirkt.
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Ferner bevorzugt weisen mindestens zwei Drosselstellen der Hochdruckleitung, vorzugsweise alle Drosselstellen, gleich große Drosselquerschnitte auf. Die Strömungsrichtung in der Hochdruckleitung ist in diesem Fall unerheblich. Das heißt, dass die Hochdruckleitung bei der Montage beliebig orientiert werden kann.
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Alternativ wird vorgeschlagen, dass die Drosselstellen der Hochdruckleitung unterschiedlich große Drosselquerschnitte aufweisen. Beispielsweise kann der Drosselquerschnitt in eine Richtung, vorzugsweise in Hauptströmungsrichtung, kontinuierlich kleiner werden. Auf diese Weise werden die in der Kraftstoff-Wasser-Emulsion enthaltenen Wassertropfen schrittweise zerkleinert, bis das Wasser in Form feinster Tröpfchen im Kraftstoff gleichmäßig verteilt vorliegt.
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Des Weiteren bevorzugt sind die mehreren Drosselstellen der Hochdruckleitung im gleichen Anstand zueinander angeordnet. Der Abstand kann beispielsweise 10 cm betragen. Es sind auch größere oder kleinere Abstände denkbar, wobei es insbesondere auf die Gesamtlänge der Hochdruckleitung ankommt.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass saugseitig in Bezug auf die Hochdruckpumpe eine Wasserzuführung vorgesehen ist, so dass mit Hilfe der Hochdruckpumpe eine Kraftstoff-Wasser-Emulsion herstellbar ist, die über die Hochdruckleitung der Kraftstoffverteilerleiste zuführbar ist. Mit Hilfe des vorgeschlagenen Kraftstoffsystems kann somit auch eine Wasserdirekteinspritzung realisiert werden. Da derartige Systeme - wie eingangs erwähnt - in der Regel kleinvolumige Kraftstoffverteilerleisten aufweisen und damit besonders pulsationsanfällig sind, kommen hier die Vorteile der Erfindung besonders deutlich zum Tragen.
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Bei einem Kraftstoffsystem mit Wasserdirekteinspritzung kann mit Hilfe der mehreren Drosselstellen der Hochdruckleitung nicht nur eine Pulsationsdämpfung bewirkt werden, sondern darüber hinaus einer Entmischung der Kraftstoff-Wasser-Emulsion entgegengewirkt werden. Denn auf dem Weg von der Hochdruckpumpe zur Kraftstoffverteilerleiste neigt die Kraftstoff-Wasser-Emulsion dazu, sich in zwei Phasen aufzutrennen. Das Wasser sinkt dabei als Phase ab und bleibt aufgrund von Adhäsionskräften zumindest teilweise an der Leitungswand der Hochdruckleitung hängen. Dies hat zur Folge, dass sich die Wasserkonzentration der Kraftstoff-Wasser-Emulsion in der Kraftstoffverteilerleiste sowie in dem mindestens einen an die Kraftstoffverteilerleiste angeschlossenen Injektor ändert. Eine ungleichmäßige oder falsch angenommene Wasserkonzentration am Injektor wiederum führt zu Gemischabweichungen im Brennraum des Verbrennungsmotors und damit zu Aussetzern und/oder einer erhöhten Laufunruhe des Verbrennungsmotors. Neben Fahrbarkeits- und Komfortproblemen kann es ferner zu einer Verschlechterung der Emissionen des Verbrennungsmotors kommen.
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Die Gefahr einer Entmischung der Kraftstoff-Wasser-Emulsion steigt, je länger die Hochdruckleitung bzw. der Weg von der Hochdruckpumpe bis zur Kraftstoffverteilerleiste ist. Führt der Weg jedoch über mehrere Drosselstellen, werden im Kraftstoff eingelagerte größere Wassertropfen in kleinere Einzeltropfen zerlegt und als solche in der Schwebe gehalten. Die Drosselstellen tragen somit zu einer gleichmäßigen Verteilung des Wassers in der Kraftstoff-Wasser-Emulsion bei. Die gleichmäßige Verteilung wiederum führt zu einer konstanten Wasserkonzentration in der Kraftstoffverteilerleiste bzw. dem hieran angeschlossenen Injektor, so dass eine Gemischabweichung im Brennraum des Verbrennungsmotors nicht zu befürchten ist.
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Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner eine Hochdruckleitung für ein erfindungsgemäßes Kraftstoffsystem vorgeschlagen. Die Hochdruckleitung weist mehrere Drosselstellen auf, die durch mehrere Einschnürungen und/oder mehrere eingesetzte Drosselstücke ausgebildet werden. Die mehreren Drosselstellen dienen vorrangig der Pulsationsdämpfung. Gelangt die Hochdruckleitung bei einem Kraftstoffsystem mit Wasserdirekteinspritzung zum Einsatz, wird mit Hilfe der mehreren Drosselstellen zudem einer Entmischung der Kraftstoff-Wasser-Emulsion entgegengewirkt. Denn beim Passieren der Drosselstellen werden im Kraftstoff eingelagerte größere Wassertropfen in kleinere Einzeltropfen zerlegt und in Schwebe gehalten. Die Hochdruckleitung fördert somit eine konstante Wasserkonzentration.
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Die Einschnürungen der Hochdruckleitung können insbesondere durch Umformen hergestellt werden. Werden die Drosselstellen durch eingesetzte Drosselstücke gebildet, sind diese bevorzugt eingepresst, eingeschweißt oder eingelötet, so dass eine Lagefixierung erreicht wird.
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Der Drosselquerschnitt aller Drosselstellen kann gleich oder unterschiedlich sein. Bevorzugt wird ein Drosselquerschnitt mit einem Drosseldurchmesser von 1,0 mm bis 1,5 mm. Ferner können die mehreren Drosselstellen in gleichen oder unterschiedlichen Abständen angeordnet oder ausgebildet sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems für einen Verbrennungsmotor,
- 2 eine erfindungsgemäße Hochdruckleitung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
- 3 eine erfindungsgemäße Hochdruckleitung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform und
- 4 eine erfindungsgemäße Hochdruckleitung gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der schematischen Darstellung der 1 ist ein Kraftstoffsystem zur Versorgung eines Verbrennungsmotors mit Kraftstoff zu entnehmen. Das Kraftstoffsystem umfasst eine Kraftstoffverteilerleiste 1, auch Rail genannt, an der vier Injektoren 2 zum Einspritzen von Kraftstoff oder einer Kraftstoff-Wasser-Emulsion in einen Brennraum des Verbrennungsmotors angeordnet sind. Der Kraftstoff bzw. die Kraftstoff-Wasser-Emulsion wird der Kraftstoffverteilerleiste 1 über eine Hochdruckleitung 3 zugeführt, welche die Kraftstoffverteilerleiste 1 mit der Druckseite einer Hochdruckpumpe 4 verbindet. Die Hochdruckpumpe 4 wird saugseitig über eine Niederdruckleitung 11 mit Kraftstoff versorgt. An die Niederdruckleitung 11 kann - wie beispielhaft in der 1 dargestellt - eine Wasserzuführung 8 angeschlossen sein, um die Hochdruckpumpe 4 nicht nur mit Kraftstoff, sondern ferner mit Wasser zu versorgen. In der Hochdruckpumpe 4 werden der Kraftstoff und das Wasser dann zu einer Kraftstoff-Wasser-Emulsion aufbereitet und über die Hochdruckleitung 3 der Kraftstoffverteilerleiste 1 zugeführt. Fehlt die Wasserzuführung 8 wird die Hochdruckpumpe 4 lediglich zur Hochdruckbeaufschlagung des Kraftstoffs und zum Fördern des mit Hochdruck beaufschlagten Kraftstoffs in die Kraftstoffverteilerleiste 1 eingesetzt.
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Auf dem Weg von der Hochdruckpumpe 4 bis zur Kraftstoffverteilerleiste 1 passiert der Kraftstoff bzw. die Kraftstoff-Wasser-Emulsion mehrere Drosselstellen 5. Eine letzte Drosselstelle 5 ist im Bereich des Anschlusses der Hochdruckleitung 3 an die Kraftstoffverteilerleiste 1 angeordnet. Die Drosselstellen 5 verhindern bei Druckpulsationen ein Rücklaufen von Druckwellen, so dass die Hochdruckpumpe 4 weniger stark belastet wird. Befindet sich in der Hochdruckleitung 3 eine Kraftstoff-Wasser-Emulsion, wirken die mehreren Drosselstellen 5 einer Entmischung entgegen. Denn beim Passieren einer Drosselstelle 5 werden im Kraftstoff eingelagerte größere Wassertropfen in kleinere Einzeltropfen zerlegt und in Schwebe gehalten. Das heißt, dass keine Auftrennung der Emulsion in zwei Phasen erfolgt und sich kein Wasser am Boden der Leitung absetzt. Dadurch ist eine konstante Wasserkonzentration in der Kraftstoffverteilerleiste 1 gewährleistet.
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Wie beispielhaft in der 2 dargestellt, können die mehreren Drosselstellen 5 durch Drosselstücke 7 gebildet werden, die in die Hochdruckleitung 3 eingesetzt, insbesondere eingepresst, eingeschweißt oder eingelötet sind.
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Alternativ können die mehreren Drosselstellen 5 auch durch Einschnürungen 6 der Hochdruckleitung 3 ausgebildet werden. Wie beispielhaft in den 3 und 4 dargestellt können die Einschnürungen durch Umformen der Hochdruckleitung 3 hergestellt werden.
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Beispielsweise kann gemäß der 3 außen an die Hochdruckleitung 3 ein Umformwerkzeug 9 angesetzt und mit einer Kraft F beaufschlagt werden, so dass durch plastisches Verformen die Einschnürungen 6 hergestellt werden. Beim diesem Umformprozess wird der Durchmesser der Hochdruckleitung 3 stellenweise verkleinert.
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Alternativ kann, wie in der 4 gezeigt, eine plastische Verformung der Hochdruckleitung 3 durch Innenhochdruckumformen erreicht werden. Die Hochdruckleitung 3 wird hierzu in eine Form 10 eingelegt und von innen mit einem Druck p beaufschlagt. Der Durchmesser der Hochdruckleitung 3 wird durch diesen Umformprozess stellenweise vergrößert. Lediglich im Bereich der Drosselstellen 5 behält die Hochdruckleitung 3 ihren ursprünglichen Durchmesser bei.
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Nachdem die Einschnürungen 6 hergestellt bzw. die Drosselstücke 7 eingesetzt worden sind, kann die Hochdruckleitung 3 in die gewünschte Form gebogen werden, um den Verlauf der Hochdruckleitung 3 an die jeweiligen baulichen Gegebenheiten anzupassen.