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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit zumindest einer Einrichtung zur Schalldämpfung zur Reduzierung von Druckwellenschwingungen innerhalb einer mit mehreren Einspritzdüsen ausgestatteten Einspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine, wobei die Einspritzdüsen mit zumindest einer Zuführleitung für Kraftstoff, insbesondere einer Sammelleitung (Common Rail), verbunden sind.
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Eine solche Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, insbesondere für Hochdruck-Speichereinspritzsysteme mit einem Hochdruckspeicher, welche auch als Common-Rail-Injektoren bezeichnet werden, ist aus dem Stand der Technik bereits durch offenkundige Vorbenutzung bekannt. Dabei wird der Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher (Rail) den Kraftstoffinjektoren über einen Hochdruckzulauf zugeleitet. Mittels eines Einspritzventils, insbesondere ein Magnet- oder Piezoaktor, ist der Kraftstoff dem Düsenraum der Brennkraftmaschine zuführbar.
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Ein Vorteil der Common-Rail-Injektoren besteht darin, dass das Einspritzverhalten über den Aktor sehr präzise gesteuert werden kann, sodass sich auch komplexe, für die Verbrennung besonders günstige Einspritzverläufe realisieren lassen. Dadurch lassen sich Brennkraftmaschinen mit äußerst geringer Schadstoffemission realisieren.
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Eine bei Common-Rail-Kraftstoffinjektoren in der Praxis auftretende unerwünschte Erscheinung ist jedoch das Problem der Druckschwingungen. Druckschwingungen im Common-Rail-System können unerwünschte bis schädigende Auswirkungen auf das Betriebsverhalten des Gesamtsystems und der Brennkraftmaschine haben. Zudem können diese auch die Haltbarkeit des Gesamtsystems sowie einzelner Injektoren vermindern.
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Die Druckschwingungen führen jedoch in der Praxis zu einem Verschleiß der Einspritzdüsen und zu einer Mengenungenauigkeit, insbesondere bei Mehrfacheinspritzungen. Daher wird versucht, diesen Druckschwingungen mit Dämpfungsmaßnahmen, wie beispielsweise Drosseln und Mengenstromventilen, entgegenzuwirken.
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Hierbei wird die Kompressibilität des Kraftstoffes genutzt, um die Druckstöße aus dem Hub der einzelnen Pumpenkolben abzudämpfen. Ein größeres Speichervolumen ermöglicht einen gleichmäßigeren Druck mit geringeren Druckspitzen. Es führt dabei jedoch zu einem trägeren System, da die Pumpe mehr Zeit benötigt, um einen anderen geforderten Druck einzustellen. Die Glättung des Förderdruckes verhindert, dass an einem Injektor während seiner Einspritzphase ein Druckwellenberg wirksam ist und damit mehr Kraftstoff als durch das Kennfeld vorgegeben eingespritzt wird, an einem anderen Injektor dagegen ein Druckwellental wirksam ist und dieser deshalb weniger einspritzt. Ein schnelles System ist erforderlich, um auch während des Wechsels von Last- und Betriebszuständen die optimale Kraftstoffmenge einzuspritzen.
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Ein Beispiel einer derartigen Maßnahme zur zumindest teilweisen Eliminierung von Druckschwingungen ist in
DE 103 07 871 A1 offenbart. Dabei wird eine Hochdruckleitung zwischen einem Injektor und einem Common-Rail vorgeschlagen, welche die beim Betätigen des Injektors entstehenden Druckwellen ganz oder teilweise abbaut. Die Hochdruckleitung weist einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt auf, welche zueinander parallel geschaltet sind.
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Bei der
DE 10 2007 025 617 A1 ist eine zusätzliche Schwingungsdämpfungsbohrung mit einem sich parallel zur Injektorachse erstreckenden Dämpfungskanal als Schwingungsdämpfungsbohrung vorgesehen, die vorzugsweise zumindest ein Drosselelement umfasst.
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Die
DE 10 2004 057 610 A1 betrifft ein Verfahren zur Kraftstoffeinspritzung unter Nutzung eines Common-Rail-Prinzips. Aus dem Common-Rail wird der Kraftstoff zu einem Druckverstärkers geführt. Dabei sind ein oder mehrere Dämpfungsvolumina, insbesondere Drosselstellen, vorgesehen, über die eventuell auftretende Schwingungen zumindest soweit gedämpft werden. Beispielsweise wird über eine Drossel eine Schwingung in einem Steuerraum des Schaltgliedes und einer druckzuführenden Leitung bzw. Druckwellen in der Kraftstoffeinspritzung verringert. Die Dämpfungsvolumina sind an einer Kraftstoffleitung vorgesehen, insbesondere an einer Verteilereinspritzpumpe.
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Die
DE 10 2008 042 626 A1 betrifft eine Hochdruck-Kraftstoffpumpe für ein KraftstoffEinspritzsystem einer Brennkraftmaschine. Mittels einer schwingungsdämpfenden Schicht werden zu Körperschall führende Schwingungen gedämpft.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Eigenschwingungen bzw. Resonanzen innerhalb der Einspritzvorrichtung möglichst effizient zu beseitigen oder zumindest wesentlich zu vermindern.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also eine Vorrichtung vorgesehen, bei der die Einrichtung zur Schalldämpfung einen Resonator zur Reduzierung oder Auslöschung von Eigenschwingungen aufweist. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Eigenschwingungen oder Resonanzen innerhalb der Einspritzvorrichtung durch einen Resonator besonders wirksam vermieden oder reduziert werden können, weil der zugeführte Kraftstoff, Dieselkraftstoff oder Benzin, sich innerhalb des Einspritzsystems vergleichbar kompressibel wie ein Gas verhält und sich daher auf der Basis der physikalischen Prinzipien der an sich bekannten Resonatoren eine gewünschte Schalldämpfung wirkungsvoll erreichen lässt. Dabei lässt sich beispielsweise die Resonanz in der Sammelleitung bzw. dem Common-Rail-System mit der Formel für ein beidseitig geschlossenes Rohrsystem beschreiben. Darüber hinaus wirkt der Resonator temperaturkompensierend, indem sich die Kraftstofftemperatur auch im Resonator entsprechend der Temperatur in der Zuleitung ändert. Zudem ermöglicht die Erfindung einen vergleichsweise einfachen konstruktiven Aufbau, der auch eine Nachrüstung bereits bestehender Systeme gestattet.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltungsform der Erfindung wird dann erreicht, wenn der Resonator als ein Lambda-Viertel-Resonator ausgeführt ist. Der Lambda-Viertel-Resonator weist eine Grundresonanz mit einem Viertel der Schallwellenlänge (Lambda) auf, wodurch eine einfache und kompakte Bauweise des Resonators realisierbar ist. Zudem ermöglicht der Lambda-Viertel-Resonator eine gute Anpassung an die Schwankung des Gesamtdruckes. Zudem erfordert eine Anordnung oder Integration des Lambda-Viertel-Resonators in der Leitung oder der Sammelleitung keine räumliche Erweiterung, sodass hierdurch eine platzsparende Bauweise der Einrichtung zur Schalldämpfung erzielt werden kann. Weil mit dem Einbau des Lambda-Viertel-Resonators kein zusätzlicher Raumbedarf erforderlich ist, kann der so ausgeführte Resonator auch problemlos nachgerüstet oder umgerüstet werden. Beispielsweise kann bei einem Austausch eines defekten Rohres der Lambda-Viertel-Resonator in das neue Rohr eingesetzt oder wiederverwendet werden.
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Vorzugsweise ist der Lambda-Viertel-Resonator mit seinem offenen Ende so in der Leitung angeordnet, dass die akustische Welle in dem Lambda-Viertel-Resonator an dem offenen Ende die entgegengesetzte vektorielle Richtung wie die akustischen Welle in dem Rohr in Höhe des offenen Endes aufweist. Bei einer seitlichen Anbindung eines Hohlraumresonators an das Rohr, bei der die Öffnung desselben seitlich in das Rohr einmündet, werden entgegengesetzte Schwankungen des statischen Druckes im Rohr genutzt.
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Bei einer alternativen Ausführungsform ist der Resonator als ein Helmholtz-Resonator ausgeführt und beispielsweise als seitlicher Fortsatz der Zuführ- oder Injektionsleitung realisiert. Der Helmholtz-Resonator ist dabei als ein akustischer Resonator ausgeführt, dessen Volumen mit dem verwendeten Kraftstoff gefüllt ist, der als Feder dient, und ein weiteres Kraftstoffvolumen, das als träge Masse schwingt. Der Resonator kann beliebig, beispielsweise flaschenförmig geformt sein, wobei die Öffnung des Flaschenhalses mit der Zuführleitung verbunden ist, und dämpft die Oszillationen in der Injektionsleitung durch Dissipation der Schwingungsenergie. Bei einer einfachen Variante kann der Helmholtz Resonator durch eine beispielsweise kugelförmige oder zylindrische Seitenkammer gebildet sein. Die als Helmholtz-Resonator ausgebildete Einrichtung zur Schalldämpfung umfasst in einer Ausführungsform ein die Feder bereitstellendes Dämpfungsvolumen und eine die träge Masse bereitstellende Dämpfungsröhre.
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Weiterhin kann in dem Helmholtz-Resonator das Gasvolumen im Resonator und dessen Hals durch eine Membrane vom Kraftstoff getrennt sein.
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In einer alternativen Ausführungsform des Resonators ist dieser als eine in der Injektionsleitung angeordnete Expansionskammer ausgebildet. Unter einer Expansionskammer wird hier und im Folgenden ein Volumen verstanden, dessen Querschnitt sich beispielsweise in Strömungsrichtung zunächst verbreitert und anschließend wieder verengt. Dabei kann die Querschnittsänderung auch so abrupt verlaufen, dass die Expansionskammer als zylindrischer Hohlraum ausgebildet ist, der einen größeren Querschnitt aufweist als die Zuführleitung, wobei auch an einem Einlass und einem Auslass Abschnitte der Zuführleitung in die Expansionskammer ragen können.
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Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn der Resonator einen Tilger und/oder Membranabsorber mit einer entgegen einer Rückstellkraft auslenkbaren Membran aufweist, sodass die Einrichtung zur Schalldämpfung lediglich mittels einer schwingenden Membran mit der Zuführleitung oder der Sammelleitung verbunden ist. Das als Schwingungstilger ausgestaltete Dämpfungselement kann derart geformt und/oder so schwer sein, dass Schwingungen in dem Einspritzsystem mittels Gegenschwingungen getilgt werden.
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Weiterhin kann gemäß einer besonders vorteilhaften Abwandlung der Erfindung der Tilger entgegen der Rückstellkraft zumindest eines Federelementes auslenkbar sein, um so die gewünschte Dämpfungswirkung zu erreichen. Die Federkraft des Federelementes kann hierzu vorzugsweise auch einstellbar ausgeführt sein.
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Bei einer weiteren, ebenfalls besonders vorteilhaften Variante ist der Resonator als Interferenzrohr ausgeführt ist, welches zwei Abschnitte der Zuführleitung, der Einspritzdüse und/oder der Sammelleitung derart verbindet, dass die Wellen ausgelöscht werden. Durch eine Parallelschaltung eines auch als Bypass bezeichneten Interferenzrohres können aufgrund von Interferenzen bestimmte Schallfrequenzen, abhängig von der Länge des Interferenzrohres, selektiv gedämpft werden. Dazu dient eine Abzweigung eines Rohres mit festgelegter Länge und festgelegtem Durchmesser, das beispielsweise in die Zuführleitung oder der Sammelleitung integriert wird. Eine solche Anordnung ermöglicht es vorteilhafterweise, Schwingungen in einem breiteren Frequenzintervall zu dämpfen als es mit einem Lambda-Viertel-Resonator möglich ist.
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Bei einer ebenfalls besonders Erfolg versprechenden Ausgestaltungsform der Erfindung ist der Resonator mit zumindest einem Sensor zur Erfassung der Schwingungen und mit einem Aktor, insbesondere einem Piezoaktor, zur Erzeugung einer gegenphasigen Schwingung ausgestattet. Bei einem solchen aktiven Resonator nach dem Prinzip der „Active Noise Cancellation“ erfassen die Sensoren an den Einspritzdüsen und/oder an der Common-Rail-Leitung die Eigenschwingungen und die Störschwingungen innerhalb der Einspritzvorrichtung. Eine Steuereinheit berechnet dazu die zu generierenden gegenphasigen Schwingungen. Die entsprechenden Signale werden an den im System integrierten Aktor weitergegeben. Dort werden die Störschwingungen ausgelöscht. Der Aktor kann aus einem Piezokristall oder einem dynamischen Übertrager bestehen.
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Darüber hinaus kann der Resonator als ein Dämpfungseinsatz ausgeführt sein, der auf die Wellenlänge der Pulsationsschwingung abgestimmt ist. Die Druckbäuche der Pulsationsschwingung stützen sich auf den Maxima bzw. den Wellenbergen des Einsatzes ab. Die Abstimmung des Einsatzes erfolgt über die Höhe bzw. Amplitude und die Breite bzw. Wellenlänge.
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Die Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Anordnung der Einrichtung zur Schalldämpfung beschränkt. Vielmehr kann der Resonator an der Zuführleitung, an der Einspritzdüse und/oder an der Sammelleitung angeordnet sein und je nach Einzelfall auch in Kombinationen mehrerer Resonatoren realisiert werden.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt jeweils in einer Prinzipdarstellung in
- 1a bis 1f verschiedene Ausführungen von Resonatoren;
- 2a bis 2c die Anordnung der in 1 gezeigten Resonatoren an einer Einspritzdüse einer Brennkraftmaschine;
- 3a bis 3e die Anordnung der in 1 gezeigten Resonatoren an einer Sammelleitung der Brennkraftmaschine.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Reduzierung von Druckwellenschwingungen im Bereich einer Einspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine wird nachstehend anhand mehrerer Varianten näher erläutert. Die Brennkraftmaschine ist in an sich bekannter Weise mit einer Zuführleitung für Diesel- oder Benzinkraftstoff und einer auch als Common Rail bezeichneten Sammelleitung ausgestattet, welche ihrerseits mit Einspritzdüsen mit der Brennkraftmaschine verbunden sind. Durch das schnelle abrupte Schließen der Einspritzdüse entsteht ein Druckimpuls, der Eigenschwingungen bzw. Druckeigenschwingungen in der Einspritzdüse, in der Zuleitung zu der Einspritzdüse und im Hauptrail auslöst bzw. anregt. Diese Druckschwingungen führen zu Einspritzmengenabweichungen für folgende Einspritzvorgänge, beispielsweise eine Nacheinspritzung nach der Haupteinspritzung, weil der Druck an der Einspritzdüse nicht definiert ist, sondern aufgrund der Druckpulsationen schwankt. Dadurch kann zum Öffnungszeitpunkt ein hoher Druck vorliegen, der eine größere Einspritzmenge bewirkt als ein niedriger Druck, der zu einer geringeren Einspritzmenge führt. Die entstehenden Abweichungen der real eingespritzten Menge zur Sollmenge bewirken Abweichungen in den zylinderindividuellen Drehmomenten. Diese führen zu unerwünschten Anregungsordnungen bzw. -unterordnungen der Brennkraftmaschine. Diese Unterordnungen äußern sich durch ein Längsruckeln im Fahrbetrieb (Beschleunigen). Die Druckeigenfrequenzen des Kraftstoffsystems werden im Wesentlichen durch die geometrischen Abmessungen der Leitungen bestimmt.
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Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung mit zumindest einem Resonator 1, 5, 6, 9, 10, 17 zur Reduzierung oder Auslöschung von Eigenschwingungen ausgestattet, sodass die Eigenschwingungen oder Resonanzen innerhalb der Einspritzvorrichtung mittels des Resonators 1, 5, 6, 9, 10, 17 durch eine Schalldämpfung wirksam vermieden oder reduziert werden können.
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In 1a ist ein als Lambda-Viertel-Resonator ausgeführter Resonator 1 mit einem gegenüber einer Leitung 2 offenen Ende 3 und einem geschlossenen Ende 4 ausgeführt ist. Ein Lambda-Viertel-Resonator weist eine Länge auf, die zu Grundresonanz mit einem Viertel der Schallwellenlänge (Lambda) führt.
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1 b zeigt einen als Helmholtz-Resonator ausgeführten Resonator 5 als seitlicher Fortsatz der Leitung 2. Der Resonator 5 weist ein Flüssigkeitsvolumen auf, das als Feder dient, und ein weiteres Flüssigkeitsvolumen, das als träge Masse schwingt. Der Resonator 5 ist flaschenförmig mit einem vergrößerten Volumen V ausgebildet und mittels eines Halses H mit der Leitung 2 verbunden. Bei einer Abwandlung des als Helmholtz-Resonator ausgeführten Resonators 5 weist dieser eine Füllung mit einem Gasmedium auf, wobei die beiden Medien durch eine Membrane 8 voneinander getrennt sind.
eiterhin zeigt 1d einen als Tilger ausgeführten Resonator 6 mit einer entgegen einer Rückstellkraft eines Federelementes 7 auslenkbaren Membran 8. Der Tilger dämpft dabei auftretende Schwingungen mittels Gegenschwingungen.
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In 1e ist ein als Interferenzrohr ausgeführter Resonator 9 gezeigt, der zwei Abschnitte A, B der Leitung 2 derart verbindet, dass die Wellen ausgelöscht werden. Hierzu beträgt die Länge des Interferenzrohres LGes das dreifache der durch das Interferenzrohr überbrückten Länge L1 der Leitung. Durch die Parallelschaltung des Interferenzrohres werden aufgrund von Interferenzen bestimmte Schallfrequenzen, abhängig von der Länge LGes des Interferenzrohres, selektiv gedämpft.
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Weiterhin ist in 1f ein aktiver Resonator 10 mit einem Sensor 11 zur Erfassung der Schwingungen in der Leitung 2 dargestellt. Dieser ist mit einem Aktor 12 zur Erzeugung einer gegenphasigen Schwingung ausgestattet. Mittels einer Steuereinheit 13 wird die zu generierenden gegenphasigen Schwingungen ermittelt und ein entsprechendes Steuersignal an den Aktor 12 übertragen, der durch eine entsprechende Anregung die Störschwingungen auslöscht.
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Dabei eignen sich die erfindungsgemäßen Resonatoren 1, 5, 6, 9, 10, 17 zur wahlweisen Anordnung an verschiedener Leitung der Einspritzvorrichtung. Lediglich beispielhaft sind in 2a bis 2c verschiedene Anordnungen der in 1a und 1d gezeigten Resonatoren 1, 9 an einer Einspritzdüse 14 gezeigt, um die Druckschwingungen in der Einspritzdüse 14 zu reduzieren.
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Demgegenüber zeigen 3a bis 3e verschiedene Möglichkeiten der Anordnung der Resonatoren 1, 9, 10 an einer Sammelleitung 15 der Einspritzvorrichtung zur Vermeidung der Schwingungen einer sich in der Sammelleitung 15 bildenden, stehende Welle 16.
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Wie in 3d ersichtlich, kann auch ein als Dämpfungseinsatz ausgeführter Resonator 17 verwendet werden, welcher auf die Wellenlänge der Pulsationsschwingung abgestimmt ist. Die Druckbäuche der Pulsationsschwingung stützen sich dabei auf den Maxima des Einsatzes ab. Die Abstimmung des Einsatzes erfolgt über die Höhe h und die Breite b und die Elastizität/Dämpfung des Einsatzmaterials.
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Schließlich zeigt 3e den aktiven Resonator 10. Die Sensoren 11 an den Einspritzdüsen 14 und an der Sammelleitung 15 erfassen die Eigenschwingungen und die Störschwingungen im Einspritz-System. Die Steuereinheit 13 berechnet dazu die zu generierenden gegenphasigen Schwingungen. Die entsprechenden Signale werden an den im System integrierten Aktor 12 weitergegeben. Dort werden die Störschwingungen ausgelöscht. Der Aktor 12 besteht beispielsweise aus einem Piezokristall.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Resonator
- 2
- Leitung
- 3
- Ende
- 4
- Ende
- 5
- Resonator
- 6
- Resonator
- 7
- Federelement
- 8
- Membran
- 9
- Resonator
- 10
- Resonator
- 11
- Sensor
- 12
- Aktor
- 13
- Steuereinheit
- 14
- Einspritzdüse
- 15
- Sammelleitung
- 16
- Welle
- 17
- Resonator
- h
- Höhe
- b
- Breite
- V
- Gasvolumen
- H
- Hals
- A
- Abschnitt
- B
- Abschnitt
- LGes
- Länge
- L1
- Länge
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10307871 A1 [0007]
- DE 102007025617 A1 [0008]
- DE 102004057610 A1 [0009]
- DE 102008042626 A1 [0010]