DE102013012653B4

DE102013012653B4 - Druckspeicher

Info

Publication number: DE102013012653B4
Application number: DE102013012653.3A
Authority: DE
Inventors: Markus Kalenborn
Original assignee: LOrange GmbH
Current assignee: Woodward LOrange GmbH
Priority date: 2013-07-30
Filing date: 2013-07-30
Publication date: 2015-02-19
Anticipated expiration: 2033-07-31
Also published as: DE102013012653A1

Abstract

Druckspeicher (1) für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, wobei der Druckspeicher (1) einen Trennkolben (45) aufweist, welcher in einem Gehäuse (19) des Druckspeichers (1) axial verschieblich einen Kraftstoffraum (37) und einen Medienraum (46) abteilt, wobei der Trennkolben (45) außenumfangsseitig am Druckspeichergehäuse (19) axial verschieblich geführt ist und außenumfangsseitig gegen das Gehäuse (19) dichtet; wobei im Trennkolben (45) ein Durchgang (51) gebildet ist, welcher sich je in Kommunikation mit denselben vom Kraftstoffraum (37) zum Medienraum (46) erstreckt; und wobei im Durchgang (51) seitens des Kraftstoffraums (37) und seitens des Medienraums (46) anströmbar ein flexibles Trennelement (53) angeordnet ist, welches den Durchgang (51) versperrt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckspeicher für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, insbesondere für eine Brennkraftmaschine.
Im Stand der Technik sind Druckspeicher für Kraftstoffeinspritzeinrichtungen bekannt, welche durch Einbringung eines zweiten Mediums mit geringerem Kompressionsmodul, welches in einem Faltenbalg eingeschlossen ist, eine höhere Speicherkapazität aufweisen, als ein nur mit Kraftstoff gefüllter Speicher. Der Faltenbalg als geschlossenes System bietet aus Festigkeitsgründen nur einen beschränkten Längenverstellbereich mit einem Verhältnis von höchstens 2:1–3:1, so dass ein Betrieb mit einer Gasfüllung zur signifikanten Erhöhung der Kapazität unmöglich ist. Ein Vorspannen des Gases ist auch nur begrenzt möglich, da der Faltenbalg sonst zerstört wird.
Ein Gasspeicher für Einspritzanwendungen mit größtmöglicher Kapazität kann nur mit einem beweglichen Kolben realisiert werden, der die Medien Gas und Kraftstoff über eine Dichtung trennt. Derartige Druckspeicher, welche einen Trennkolben aufweisen, sind im Stand der Technik bekannt, zum Beispiel aus der Druckschrift DE 100 52 665 B4 oder der Druckschrift DE 10 2011 117 534 A1 . Bekannt ist daneben aus der Druckschrift DE 196 21 897 C1 eine Einrichtung zum Ausbalancieren von Druckextremen in hydraulischen Systemen, aus der Druckschrift US 4 591 321 A weiterhin eine Pumpe mit Druckwellen-/Druckspitzendämpfung.
Problematisch bei der Verwendung von Kolbenspeichern mit Gas als zweitem Speichermedium ist stets die Abdichtung an dem bei Einspritzbetrieb oszillierenden Kolbenelement. Die Dichtwirkung wird umso mehr beeinträchtigt, je schneller sich der Kolben bewegt.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Druckspeicher für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung vorzuschlagen, insbesondere einen Kolbenspeicher, welcher mit einer langanhaltend guten Dichtwirkung einhergeht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß ein Druckspeicher für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, zum Beispiel für ein Common-Rail-System, wobei der Druckspeicher bevorzugt ein Einzeldruckspeicher (Injektorspeicher) oder auch ein Sammeldruckspeicher (Rail) sein kann. Allgemein ist der Druckspeicher zur Verwendung mit wenigstens einem Kraftstoffinjektor, z. B. einer Brennkraftmaschine in Form eines Otto- oder Dieselmotors, insbesondere Großdieselmotors und weiterhin insbesondere in Fahrzeugmotoren vorgesehen, zum Beispiel in Offroad-, Nutzkraftfahrzeug- oder Schiffsanwendungen, daneben auch in stationären Anwendungen, zum Beispiel Blockheizkraftwerken. Der Druckspeicher ist bevorzugt zur Pulsations- bzw. Druckstoßdämpfung im Rahmen von Einspritzvorgängen vorgesehen.
Der Druckspeicher weist einen Trennkolben auf, welcher in einem Gehäuse des Druckspeichers axial verschieblich einen Kraftstoffraum und einen Medienraum (zum Beispiel Gasraum) abteilt, insbesondere medientrennend. Hierbei ist der Trennkolben an seinem Außenumfang am Druckspeichergehäuse axial verschieblich geführt und dichtet außenumfangsseitig gegen das Gehäuse.
Erfindungsgemäß ist in dem Trennkolben ein Durchgang bzw. eine Passage gebildet, welche(r) sich je in Kommunikation mit denselben (d. h. mit dem Kraftstoffraum und dem Medienraum) vom Kraftstoffraum zum Medienraum erstreckt, i. e. insbesondere durch den Trennkolben hindurch. Bevorzugt erstreckt sich der Durchgang in der axialen Richtung (Kolbenhubrichtung). In dem Durchgang ist seitens des Kraftstoffraums und seitens des Medienraums anströmbar ein flexibles (elastisches) Trennelement (Kompensationselement; insbesondere für den Ausgleich von Druckschwankungen) angeordnet, welches den Durchgang versperrt.
Der erfindungsgemäß gebildete Druckspeicher bzw. Trennkolben ermöglicht äußerst vorteilhaft, mittels des flexiblen (elastischen) Trennelements, bevorzugt gebildet durch eine Membran oder weiterhin bevorzugt einen Faltenbalg, die hochfrequenten bzw. oszillierenden Druckschwankungen insbesondere während eines Einspritzvorgangs mit einfacher oder mehrfacher Einspritzung unaufwändig kompensieren zu können, so dass die Abdichtung des Kolbens gegen das Speichergehäuse diese oszillierende Bewegung nicht mitvollziehen muss, mithin entlastet wird und die Abdichtung gegen das Speichergehäuse nunmehr im Wesentlichen nur noch statisch zu wirken braucht. Somit kann mit der Erfindung eine dauerhaft gute Abdichtung bei deutlich verringertem Verschleiß an den Dichtungen erzielt werden.
Bevorzugt ist das flexible bzw. elastische Trennelement (Kompensationselement) in einer Erstreckungsrichtung des Durchgangs (elastisch bzw. flexibel, z. B. komprimierbar und expandierbar) hin und her beweglich (wobei die Erstreckungsrichtung bevorzugt der axialen Richtung entspricht. Hierdurch ergibt sich eine optimierte Kompensation von Druckschwankungen via das Trennelement.
Bevorzugt ist an einer Außenmantelfläche des Trennkolbens bzw. am Trennkolben wenigstens ein sich in Umfangsrichtung um den Trennkolben erstreckender Reibring angeordnet, insbesondere vorgespannt, welcher gegen das Gehäuse wirkt. Der Reibring am Trennkolben ermöglicht vorteilhaft die Erzeugung einer Reibkraft, die gewährleistet, dass eine axiale Verschiebung des Trennkolbens erst ab einer vorbestimmten Kraft erfolgen kann, wirkt insoweit verrutschhemmend.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des Druckspeichers weist der Trennkolben ein Anschlagelement auf, gegen welches das flexible Trennelement bei einer Bewegung (in der Erstreckungsrichtung des Durchgangs) zur Anlage gelangen kann und/oder ein Anschlagelement, gegen welches das flexible Trennelement bei einer Gegenbewegung (in der Erstreckungsrichtung des Durchgangs) zur Anlage gelangen kann. Hierdurch gelingt es auf vorteilhaft einfache Weise, das flexible Trennelement vor Überbeanspruchung (bei starken Druckschwankungen) zu schützen und weiterhin zum Beispiel, das flexible Trennelement vor einem unbeabsichtigten Einknicken bzw. Einfallen zu sichern (insbesondere bei einem Faltenbalg).
Im Rahmen der Erfindung kann weiterhin vorgesehen sein, dass an dem Trennkolben ein Ventilglied angelagert ist, welches geeignet ist, in Abhängigkeit der Stellung des Trennkolbens (insbesondere bei Druckentlastung des Kraftstoffraums) eine Fluidmündung in den Kraftstoffraum des Kolbenspeichergehäuses abzudichten. Eine derartige Ausgestaltung des Druckspeichers ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn im Medienraum vorgespanntes Fluid aufgenommen ist. Hierbei kann insbesondere ein federbelastetes Ventilglied, z. B. bei einem Motorabstellen, vorteilhaft einen Druckausgleich (auf Vorspanndruckniveau, zum Beispiel gerade bei längerem Motorstillstand) zwischen Kraftstoffraum und Medienraum ermöglichen, so dass das elastische Trennelement nicht einseitig überbelastet wird.
Bevorzugte Ausführungsformen des Druckspeichers sehen weiterhin vor, dass im Medienraum ein Gas und/oder wenigstens eine Sperrflüssigkeit aufgenommen ist. Vorgesehen ist z. B., das Gas vorzuspannen. Die Sperrflüssigkeit kann die dynamische und statische Dichtwirkung der Kolbendichtung zwischen Trennkolben und Speicherwand verbessern. Neben einer Gasfüllung des Druckspeicher-Medienraums kann allgemein auch eine Flüssigkeitsfüllung vorgesehen sein.
Im Rahmen der Erfindung wird auch ein Kraftstoffinjektor mit einem erfindungsgemäßen Druckspeicher sowie eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, insbesondere ein Common-Rail-System vorgeschlagen, wobei die Kraftstoffeinspritzeinrichtung wenigstens einen wie vorstehend beschriebenen Druckspeicher und/oder wenigstens einen Injektor, z. B. auch eine Mehrzahl von Injektoren, mit einem solchen Speicher aufweist. Ein jeweiliger Druckspeicher kann hierbei z. B. als Rail und/oder als Einzeldruckspeicher bzw. Injektordruckspeicher eines Kraftstoffinjektors bereitgestellt sein.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 exemplarisch und schematisch eine Schnittansicht eines Kraftstoffinjektors mit einem Druckspeicher gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung.
2a exemplarisch und schematisch eine Schnittansicht eines Trennkolbens eines Druckspeichers nach 1.
2b eine weitere Schnittansicht des Trennkolbens gemäß 2a.
3a exemplarisch und schematisch eine Ansicht korrespondierend mit dem Druckspeicher nach 1, bei welcher sich der Trennkolben in einer ersten, unteren Anschlagsstellung im Druckspeichergehäuse befindet.
3b exemplarisch und schematisch eine weitere Ansicht gemäß 1, bei welcher sich der Trennkolben in einer Belade-Stellung befindet.
3c exemplarisch und schematisch noch eine weitere Ansicht gemäß 1, bei welcher sich der Trennkolben in einer Systemdruck-Stellung befindet
4a exemplarisch und schematisch eine Darstellung des Trennkolbens gem. 1 bis 3c mit dargestellten Hubgrenzen des flexiblen Trennelements.
4b exemplarisch und schematisch eine Darstellung des Trennkolbens gemäß 1 bis 4a mit exemplarisch dargestellter Nulllage des Trennelements.
5 exemplarisch und schematisch eine abgebrochene Schnittansicht eines Druckspeichers gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung.
6 exemplarisch und schematisch eine abgebrochene Schnittansicht eines Druckspeichers gemäß noch einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen entsprechen gleichen Bezugszeichen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
In der nachfolgenden Figurenbeschreibung bezeichnet die axiale Richtung bzw. die Richtung, in welcher eine Bewegung des Kolbens in dem Gehäuse des Druckspeicher ermöglicht ist, i. e. die Hubrichtung des Kolbens.
1 zeigt einen Druckspeicher 1 für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, wobei der Druckspeicher 1 (Hochdruckspeicher) als Injektorspeicher bzw. Einzeldruckspeicher eines Kraftstoffinjektors 3 bereitgestellt ist. Alternativ kann der Druckspeicher 1 zum Beispiel auch ein Sammeldruckspeicher (Rail) sein, zum Beispiel in einem Common-Rail-System. Der Druckspeicher 1 ist bevorzugt mit Kraftstoff in Form von Dieselkraftstoff, Biokraftstoff oder auch Schweröl verwendbar.
Der Injektor 3 weist einen Düsenkörper 5 mit einer Axialbohrung 7 auf, welche der Aufnahme einer Düsennadel 9 des Injektors 3 dient. In die Axialbohrung 7 kann hochdruckbeaufschlagter Kraftstoff (seitens einer Hochdruckzulaufleitung im Injektor 3, nicht dargestellt) verbracht werden.
Der hochdruckbeaufschlagte Kraftstoff kann in Abhängigkeit der (Hub-)Stellung der Düsennadel 9 über eine Düsenanordnung 11 des Injektors 3 abgegeben werden, bei Betrieb mit einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung insbesondere in eine Brennkammer einer Brennkraftmaschine (Motor) eingespritzt werden. Die Düsenanordnung 11 ist im Düsenkörper 5 gebildet, welcher Düsenkörper 5 mitsamt einer Zwischenplatte 13 und einem Ventilgehäuse 15 via eine Düsenspannmutter 17 an einem Gehäuse 19 des Druckspeichers (an dessen düsennahem Ende) verspannt angeordnet bzw. festgelegt ist.
Der Kraftstoffinjektor 3 ist vorliegend und bevorzugt als indirekt betätigter Injektor 3 bereitgestellt, insbesondere mit einem Pilotventil (Steuerventil) 21, welches von einer Aktuatorik 23 beherrscht wird, bevorzugt einer Magnetaktuatorik 23. Alternativ kann der Injektor 3 auch als direkt betätigter Injektor 3 bereitgestellt sein.
Über das Pilotventil 21 kann ein Steuerraum 25 des Kraftstoffinjektors 3 ventilstellungsabhängig entlastet werden, insbesondere über einen Leckageströmungsweg 27, welcher ausgehend vom Steuerraum 25 zur Niederdruckseite ND über das Pilotventil 21 (mit Drosselung) geführt ist, z. B. zu einem Tank oder Leckagesammelbehältnis eines Kraftstoffeinspritzsystems.
In den Steuerraum 25 mündet weiterhin ein Hochdruckpfad (mit Drosselung), über welchen der Steuerraum 25 via hochdruckbeaufschlagten Kraftstoff ausgehend von dem Hochdruckkanal belastbar ist (nicht dargestellt). Eine Schließfeder 29 ist dazu vorgesehen, die Düsennadel 9 in Schließstellung zu drängen, i. e. gegen einen Ventilsitz 31 bzw. Düsennadelsitz.
Um für einen Einspritzbetrieb Kraftstoff über die Düsenanordnung 11 ausbringen zu können, i. e. seitens der Axialbohrung 7, kann das (Schließ-)Kräftegleichgewicht an der Düsennadel 9 durch Entlastung des Steuerraums 25 via das Pilotventil 21 aufgelöst werden (Leckageströmungszweig 27 geöffnet), so dass die Düsennadel 9 vom Ventilsitz 31 abheben und den Strömungsweg vom Düsenraum 7 zu der Düsenanordnung 11 freigeben kann. Für ein Beenden des Einspritzvorgangs wird das Pilotventil 21 in Sperrstellung gesteuert, woraufhin sich der Druck im Steuerraum 25 über den Hochdruckzweig wieder aufbaut und die Düsennadel 9 schließfederkraftunterstützt in den Nadelsitz 31 zurückkehrt.
Nachfolgend wird der Druckspeicher 1 des Injektors 3 näher erläutert. Das Druckspeichergehäuse 19 weist einen HD-Kraftstoffeinlass 33 auf, über welchen Kraftstoffzulauf 33 hochdruckbeaufschlagter Kraftstoff in ein Speichervolumen 35 des Druckspeichers 1 einbringbar ist, insbesondere in einen Kraftstoffraum 37 (wie nachfolgend noch näher erläutert ist) des Speichervolumens 35. Über einen mit dem Hochdruckpfad des Injektors 3 verbundenen Auslass 38 des Speichervolumens 35 bzw. des Kraftstoffraumes 37 kann hochdruckbeaufschlagter Kraftstoff aus dem Druckspeicher 1 (am düsennahen Ende) bzw. dem Kraftstoffraum 37 für einen Einspritzbetrieb des Injektors 3 ausgebracht werden. Weiterhin ist im Druckspeicher 1 bzw. Speichervolumen 35 (im Kraftstoffraum 37) bevorzugt eine Mengenbegrenzungsventilvorrichtung 39 aufgenommen, welche in einem etwaigen Fehlerfall verhindert, dass zu hohe Kraftstoffmengen seitens des Injektors 3 abgegeben werden (zum Beispiel bei einem Nadelklemmen). Alternativ kann der Druckspeicher 1 z. B. auch ohne Mengenbegrenzungsventilvorrichtung 39 ausgeführt sein.
Das sich axial erstreckende Speichervolumen 35 des Druckspeichers 1 ist im Wesentlichen als zylindrische Sacklochbohrung 43 ausgeführt und am düsenfernen Ende mit einer Verschlussvorrichtung 41 gedeckelt.
Der Druckspeicher 1 weist weiterhin einen Trennkolben 45 auf, welcher in dem Druckspeichergehäuse 19 bzw. in dem Speichervolumen 35 axial verschieblich aufgenommen ist. Der Trennkolben 45 teilt in dem Speichervolumen 35 bzw. dem Gehäuse 19 den Kraftstoffraum 37 und weiterhin einen Medien- bzw. Fluidraum 46 ab, insbesondere medientrennend. Der Medienraum 46 ist bei der Ausführungsform nach 1 bevorzugt mit einem nicht vorgespannten, insbesondere flüssigen Speichermedium befüllt, um Druckschwankungen im Speicher 1 zu reduzieren bzw. zu kompensieren.
Der Trennkolben 45, welcher insbesondere einen mit der Axialbohrung 43 korrespondierenden Querschnitt aufweist, ist außenumfangsseitig im Druckspeichergehäuse 19 bzw. im Volumen 35 (an der Begrenzungswand 36 des Speichervolumens) axial verschieblich geführt, wobei der Trennkolben 45 (an einem Kolbengehäuse 47) außenumfangsseitig gegen das Druckspeichergehäuse 19 dichtet. Zur Abdichtung gegen das Druckspeichergehäuse 19 weist der Trennkolben 45 bzw. das Kolbengehäuse 47 am Umfang (mindestens) einen Dichtring 49 auf.
2a und 2b veranschaulichen den Trennkolben 45 des Druckspeichers 1 näher. Der Trennkolben 45 bzw. dessen Gehäuse 47 weist (hohl)zylindrische Geometrie, insbesondere Hülsenform auf, alternativ zum Beispiel Ring- oder Rohrabschnittsform, welche Geometrie eine zuverlässige Führung an der Speicherinnenwand 36 korrespondierender Geometrie ermöglicht.
In dem Trennkolben 45 bzw. Gehäuse 47 ist ein Durchgang 51 gebildet ist, s. z. B. 2b, welcher sich – bei Anordnung des Trennkolbens 45 im Druckspeicher 1 – je in Kommunikation mit denselben vom Kraftstoffraum 37 zum Medienraum 46 erstreckt (z. B. 1), d. h. in axialer Richtung. In dem Durchgang 51 ist hierbei erfindungsgemäß ein flexibles (elastisches) Trennelement 53 (Kompensationselement) in Form eines Faltenbalgs, alternativ zum Beispiel eine Membran (je Metall oder Elastomer), angeordnet, welches den Durchgang 51 versperrt und welches im Durchgang 51 sowohl seitens des Kraftstoffraumes 37 (mit Kraftstoff) als auch des Medienraumes 46 (Speichermedium) anströmbar ist.
Das flexible Trennelement 53, welches dazu vorgesehen ist, den hochfrequenten Volumenausgleich im Rahmen von Einspritzvorgängen zu bewirken (während eine Verlagerung des Trennkolbens 45 im Druckspeicher 1 nur mit relativ geringer Geschwindigkeit erfolgt, insbesondere im Rahmen eines Volumenausgleichs bei Speicheraufladung oder Systemdruckänderung), ist hierbei in der Erstreckungsrichtung E des Durchgangs 51 (axiale Richtung) (elastisch bzw. flexibel) hin und her beweglich am Trennkolben 45 bzw. in dessen Gehäuse 47 aufgenommen bzw. angeordnet (wobei sich die Wirkfläche 55 des flexiblen Trennelements 53 bevorzugt quer zur Erstreckungsrichtung E des Durchgangs 51 erstreckt).
Das flexible Trennelement 53 im Inneren des Trennkolbens 45 weist in der Erstreckungsrichtung E des Durchgangs 51 eine relativ niedrige Steifigkeit auf und ist den Durchgang 51 versperrend gegen das Gehäuse 47 dichtend am Kolben 45 aufgenommen. An einer ersten (an der zum Kraftstoffraum 37 weisenden) Stirnseite 57 weist der Trennkolben 45 bevorzugt eine Anschlagsfläche 59 für das flexible Trennelement 53 auf, um eine Überbeanspruchung bei starken Druckschwankungen zu vermeiden. Der Anschlag 59 ist zur Bildung des Durchgangs 51 durchbrochen (Bohrungen 60). An der zweiten (zum Medienraum 46 weisenden) Stirnseite 61 ist der Trennkolben 45 bzw. das Gehäuse 47 geöffnet, über welche (Eintritts)Öffnung 63 das flexible Trennelement 45/der Faltenbalg in den Trennkolben 45 eingebracht ist. Der sich von der zweiten 61 zur ersten 57 Stirnseite des Trennkolbens 45 erstreckende Faltenbalg 53 weist in seinem Inneren bevorzugt ein Stützelement 65 (Stützzylinder) auf, welches ebenfalls am Trennkolben 45 festgelegt ist. Zur Festlegung des Stützelements 65 und des Faltenbalgs 53 ist z. B. ein in eine Ringnut eingebrachter Sicherungsring 67 (mit Ringflansch 68 zusammenwirkend) vorgesehen.
Das Stützelement 65 ist dazu vorgesehen, einen ersten (medienraumseitigen) Anschlag 69 für das flexible Trennelement 53 zu bilden, wie vor um potentielle Schädigungen des Faltenbalgs 53 zu vermeiden. Das Stützelement 65 weist weiterhin Durchtrittsbohrungen 66 auf, welche den Durchgang 51 seitens der Stirnseite 61 (Medienraum) 46 hin zum flexiblen Trennelement 53 ausbilden bzw. fortsetzen.
Der Trennkolben 45 weist ferner wenigstens einen sich in Umfangsrichtung um den Trennkolben 45 bzw. dessen Gehäuse 47 erstreckenden Reibring 71 auf, welcher gegen das Druckspeichergehäuse 19 bzw. die Speicherinnenwand 36 wirkt. Der Reibring 71 am Kolben 45 erzeugt eine Reibkraft, die sicherstellt, dass eine Verschiebung des Trennkolbens 45 im Druckspeicher 1 erst ab einer bestimmten Kraft F_R,min möglich ist.
Angemerkt sei hierbei, dass die Hystereschleife einer Hochdruckpumpenregelung – bei Verwendung des Druckspeichers 1 mit einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung – eine möglichst geringe Druckdifferenz aufweisen sollte. Damit der Trennkolben 45 innerhalb der Hystereschleife nicht unbeabsichtigt in Bewegung gerät, wird der zur Überwindung der Reibkraft F_R nötige Druck Δp_R bevorzugt größer als die halbe Hysterespanne gewählt. Beispiel: bei einem effektiven Systemdruck von p_Sys = 200 bar und eine Hysterespanne von p_H ist 20 bar gilt für die Mindestreibkraft am Kolben 45: F_R,min = 0,5·p_H/A_kolben
3a bis 3c zeigen den Trennkolben 45 in verschiedenen Positionen im Druckspeichergehäuse 19, d. h. in Positionen, wie diese mit einem Aufladen des Speichers 1 bzw. mit Änderung des Systemdrucks einhergehen.
In der in 3a gezeigten unteren Anschlagsposition s = 0 herrschen im Kraftstoffraum 37 und im Medienraum 46 Umgebungsdruck (0 bar relativ). Mit dem Anlegen von Kraftstoffdruck (Druck p_K) wird auf den Trennkolben 45 eine Druckkraft ausgeübt. Der in axialer Richtung elastische Faltenbalg 53 legt sich durch den in den Kraftstoffraum 37 einströmenden Kraftstoff nahezu verzugslos an den düsenfernen Anschlag 69 im Trennkolben 45 an, 3b. Mit Aufladen des Speichers 1 (Systemdruck) hat sich der Trennkolben 45 in eine im Wesentlichen konstante Position verlagert, wobei nunmehr nur der Faltenbalg 53 bei jeder Einspritzung mit der Menge m_K einen Hub zum Volumen- bzw. Kräfteausgleich am Trennkolben 45 bzw. in dessen Gehäuse 47 ausführt (3c).
4a und 4b veranschaulichen das Verhalten des elastischen Trennelements 53 im Rahmen von Einspritzvorgängen noch näher.
Gemäß 4a kann der Faltenbalg 53 zwischen der Stirnwand 69 des Stützelements 65 und der ersten Kolbengehäusestirnwand 57 bzw. 59 eine Hubbewegung mit einem maximalen Hub von h_max ausführen. Der für eine Volllasteinspritzmenge tatsächlich benötigte Hub h(m_K) ist demgegenüber geringer und beträgt z. B. ca. 0,7·h_max. Steht der Kolben 45 in einer „festen” Position (bei eingeregeltem Systemdruck; zum Beispiel 3c) bewegt sich während eines Einspritzvorgangs nur der Faltenbalg 53.
4b veranschaulicht die ideale Nulllage bei drucklosem Speicher 1 bzw. bei Druckausgleich zwischen dem Kraftstoffraum 37 und dem Medienraum 46 (über den Trennkolben 45). Der erforderliche Druck, um den Faltenbalg 53 in eine seine Anschlagspositionen im Trennkolben 45 zu bringen, darf nicht höher als der Druck sein, der zur Überwindung der Reibkraft F_R,min nötig ist. Die axiale Balgsteifigkeit und die Nulllage im entspannten Zustand, s. a. 4b, werden insoweit geeignet ausgelegt.
5 veranschaulicht eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Druckspeichers 1, insbesondere Injektorspeichers 1, wobei in dem Medienraum 46 eine vorgespannte Gasfüllung aufgenommen ist. Weiterhin im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 1 ist an dem Trennkolben 45 zusätzlich ein federbelastetes Ventilglied 73 bzw. eine federbelastete Ventilstange angelagert (via strömungsdurchlässiger, führender Halterungen 74 im Durchgang 51), welche in axialer Richtung wirkt. Insbesondere vorteilhaft für eine einfache Anordnung des Ventilglieds 73 im bzw. am Stützelement 65 ist bei dieser Ausführungsform der Trennkolben 45 um 180° gedreht in dem Speichervolumen 35 aufgenommen, d. h. die erste Stirnseite 57 ist nun düsenfern, die zweite Stirnseite 61 düsennah.
Analog zur vorstehend beschriebenen Ausführungsform nach 1 (des nicht vorgespannten Druckspeichers 1 mit flüssigkeitsbefülltem Medienraum 46) wirkt der Trennkolben 45 des vorgespannten Speichers 1 im Motorbetrieb in gleicher Weise. Beim Motorabstellen und im Ruhezustand kommt dem Trennkolben 45 des vorgespannten Speichers 1 mit Gasfüllung nunmehr weiterhin die Aufgabe des „Druckhaltens” im Kraftstoffraum 37 zu, so dass der unter Vorspanndruck stehende Faltenbalg 53 nicht zerstört wird.
5 zeigt den Trennkolben 45 im düsennahen Bereich des Druckspeichers 1. Mit sinkendem Druck im Kraftstoffraum 37 (z. B. Motorabstellen; Einspritzende) sinkt auch der Druck im Medienraum 46 so lange, bis das Ventilglied 73 die Zulauf/Ablaufmündung 33, 38 verschließt. Nach Verschluss bleibt der Druck im Kraftstoff- 37 und Medienraum 46 mit dem Druckausgleich p₁ ≈ p₂ = p_Vorspann bestehen. Um den Druckausgleich auf Vorspanndruckniveau auch bei längerem Motorstillstand sicherzustellen, ist das Ventilglied 73 federnd gelagert.
Für den Fall, dass aufgrund von Leckage am Dichtsitz bzw. Ventilsitz 75 Kraftstoff aus dem Kraftstoffraum 37 entweicht, kann der Trennkolben 45 nachrücken, um den Druckabfall im Kraftstoffraum 37 zu kompensieren. Der Vorspanndruckverlust ist hierbei vorteilhaft gering. Die Kompensationsreserve entspricht dem Volumen aus der Wegdifferenz Δs = s₂ – s₁ (größer null!). Je größer diese ist, umso höher ist die Reserve. Neben dem Schutz des Faltenbalgs 53, verhindert der Druckausgleich ebenfalls Gasleckagen an den Kolbenringen 49 des Trennkolbens 45. Bei der Wiederinbetriebnahme des Motors bzw. Brennkraftmaschine wird der Speicher 1 beim Aufbau des Systemdrucks durch die Hochdruckpumpe des Kraftstoffeinspritzsystems wieder beladen.
Bei alternativen Ausführungsformen, welche keine Druckausgleichsfunktion vorsehen – zum Beispiel weil der (moderate) Vorspanndruck das flexible Trennelement 53 nicht schädigen kann – kann von der Verwendung eines Ventilglieds 73 abgesehen werden (hierbei ist jedoch vorgesehen, dass der Balg 53 durch den innenliegenden Stützzylinder 65 in radialer und axialer Richtung abgestützt und somit gegen Einknicken bzw. Einfallen gesichert werden kann).
Im Rahmen der Erfindung kann der Trennkolben 45 – vgl. 5 – weiterhin an der düsennahen Stirnseite 57 eine (statische) Dichtung 77 aufweisen, welche dazu vorgesehen ist, gegen Gasleckage abzudichten, insbesondere gegen einen Anschlag 78 am düsennahen Ende des Speichers 1. Ansonsten könnte insbesondere in dem Fall, dass der Injektor 3 und insoweit der Kraftstoffraum 37 (über eine längere Zahl) drucklos ist, an der Dichtung 49 des Trennkolbens 45, an welcher der Vorspanndruck anliegt, Gasleckage auftreten und zu einem Vorspanndruckverlust im Medienraum 46 führen. Die stirnseitige Dichtung 77 kann auch in Kombination mit der Ventilstange 73 zur Druckkompensation verwendet werden, wodurch die Sicherheit gegen Gasverlust weiter erhöht ist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann weiterhin vorgesehen sein, zur Verbesserung der dynamischen und statischen Dichtwirkung der Kolbenringdichtung 49 zwischen Trennkolben 45 und Speicherwand 36 den Medienraum 46 zusätzlich mit wenigstens einer Sperrflüssigkeit zu befüllen, vergleiche z. B. 5, insbesondere um die Ringdichtung(en) 49 zu benetzen, z. B. in Verbindung mit einem Verbindungskanal 79, welcher bevorzugt durch die Wand des Trennkolbens 45 bzw. dessen Gehäuses 47 (z. B. in radialer Richtung; insbesondere zwischen (düsenfernerer) Ringdichtung 49 und (düsennäherem) Reibring 71) in den medienraumseitigen Durchgang(sabschnitt) 51 im Trennkolben 45 geführt ist. Eine solche Ausgestaltung kann insoweit vorteilhaft sein, als das Abdichten des Mediums Gas gegen Flüssigkeit bei bewegten Dichtungen 49, auch bei moderaten Drücken, eine sehr große Herausforderung an die Dichtung 49 und die Oberflächenbeschaffenheit der Speicherlauffläche 36 darstellt.
Bei Verwendung einer niedrigviskosen Sperrflüssigkeit (zum Beispiel Kraftstoff) kann sich die Füllung über die Raumabschnitte A und B, s. a. 5, in den Medienraum 46 erstrecken. Beachtlich ist hierbei, dass mit zunehmendem Flüssigkeitsvolumen das elastische Speichervermögen des Medienraums 46 reduziert wird. Durch den Faltenbalg 53 wird im Einspritzbetrieb die Sperrflüssigkeit durch die Bohrungen 60 in der ersten Stirnseite 57 des Trennkolbens 45 hin- und her gepumpt. Der Öffnungsquerschnitt der Bohrungen 60 sowie die Viskosität der Sperrflüssigkeit werden insoweit derart abgestimmt, dass ein hinreichend kleiner hydraulischer Widerstand erzeugt wird (so wird eine oszillierende Bewegung des gesamten Trennkolbens 45 vermieden).
Bei Verwendung eines hochviskosen Fluides als Sperrfluid, wie z. B. Öl oder flüssigem Fett, ist vorgesehen, den Füllstand der hochviskosen Sperrflüssigkeit nicht über den Raumabschnitt A hinaus gehen zu lassen, s. a. 5, um einen druckverlustbehafteten Durchtritt beim Pumpen durch die stirnseitigen Bohrungen 60 in den Medienraum 46 zu vermeiden.
Allgemein ist bei der Verwendung von Sperrflüssigkeit zu beachten, dass diese Gas in sich lösen kann. Insoweit ist vorgesehen, dass beim anfänglichen Befüllen des Medienraums 46 mit Gas (Gasraum) ein höherer Druck aufgebracht wird, der sich nach dem teilweisen Lösen des Gases in der Sperrflüssigkeit bis auf Vorspanndruckniveau abbaut. Gleiches gilt auch für den Betrieb mit Hochdruck. Nach dem Beladen des Druckspeichers 1 nimmt die Flüssigkeit weiteres Gas auf, so dass der Kolbenweg bei Systemdruck s(p_sys) größer wird (3c). Die Sperrflüssigkeit kann sich in Abhängigkeit der statischen Verweildauer bei drucklosen Injektor 3 durch Leckage „verbrauchen”. Insofern stellt die Menge an Sperrflüssigkeit eine Gebrauchsdauerreserve des Speichers 1 dar, die aufgrund des Lösungsvermögens von Gas möglichst gering sein sollte.
Zu beachten ist auch die Einbaulage des Druckspeichers 1 gemäß der Ausführungsform nach 5. Um den Füllstand des Sperrfluides gering zu halten, sollte der Druckspeicher 1 bzw. der Injektor 3 nicht permanent über 45° geneigt werden.
6 zeigt einen Druckspeicher 1 für Neigungen bis 90°, welcher im Unterschied zur Ausführungsform gemäß 5 zwischen dem Verbindungskanal 79 und dem Kolbenring 49 einen Schmierfilzring aufweist. Der Schmierfilzring 81 kann sich – wie ein Kerzendocht – vollsaugen, mithin die über dem Flüssigkeitsspiegel liegende Speicherwand 36 benetzen.
Bezugszeichenliste

1: Druckspeicher
3: Kraftstoffinjektor
5: Düsenkörper
7: Axialbohrung
9: Düsennadel
11: Düsenanordnung
13: Zwischenplatte
15: Ventilgehäuse
17: Düsenspannmutter
19: Druckspeichergehäuse
21: Pilotventil
23: Aktuatorik
25: Steuerraum
27: Leckageströmungsweg
29: Düsenfeder
31: Nadelsitz
33: Kraftstoffzulauf
35: Speichervolumen
36: Speicherwand
37: Kraftstoffraum
38: Auslass
39: Mengenbegrenzungsventilvorrichtung
41: Verschlussvorrichtung
43: Axialbohrung
45: Trennkolben
46: Medienraum
47: Kolbengehäuse
49: Dichtring
51: Durchgang
53: elastisches Trennelement
55: Wirkfläche
57: erste Stirnseite
59: Anschlagsfläche
60: Bohrung
61: zweite Stirnseite
63: Öffnung
65: Stützelement
66: Durchtrittsbohrung
67: Sicherungsring
69: Anschlag
68: Ringschulter
71: Reibring
73: Ventilglied
74: Halterung
75: Dichtsitz
77: Ringdichtung
78: Anschlag
79: Verbindungskanal
81: Schmierfilzring

Claims

Druckspeicher (1) für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, wobei der Druckspeicher (1) einen Trennkolben (45) aufweist, welcher in einem Gehäuse (19) des Druckspeichers (1) axial verschieblich einen Kraftstoffraum (37) und einen Medienraum (46) medientrennend abteilt, wobei der Trennkolben (45) außenumfangsseitig am Druckspeichergehäuse (19) axial verschieblich geführt ist und außenumfangsseitig gegen das Gehäuse (19) dichtet; dadurch gekennzeichnet, dass – im Trennkolben (45) ein Durchgang (51) gebildet ist, welcher sich je in Kommunikation mit dem Kraftstoffraum (37) und dem Medienraum (46) vom Kraftstoffraum (37) zum Medienraum (46) erstreckt; – im Durchgang (51) seitens des Kraftstoffraums (37) und seitens des Medienraums (46) anströmbar ein flexibles Trennelement (53) angeordnet ist, welches den Durchgang (51) versperrt.
Druckspeicher (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das flexible Trennelement (53) in einer Erstreckungsrichtung (E) des Durchgangs (51) flexibel hin und her beweglich ist und/oder die Erstreckungsrichtung (E) der axialen Richtung entspricht.
Druckspeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das flexible Trennelement (53) als Kompensationselement bei Druckschwankungen im Druckspeicher (1) wirkt.
Druckspeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das flexible Trennelement (53) ein Faltenbalg oder eine Membran ist.
Druckspeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – am Trennkolben (45) wenigstens ein sich in Umfangsrichtung um den Trennkolben (45) erstreckender Reibring (71) angeordnet ist, welcher gegen das Druckspeichergehäuse (19) wirkt und/oder verrutschhemmend gegen das Gehäuse (19) wirkt.
Druckspeicher (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass – der Trennkolben (45) ein Anschlagelement (59; 65) aufweist, gegen welches das flexible Trennelement (53) bei einer Bewegung in der Erstreckungsrichtung (E) zur Anlage gelangen kann und/oder der Trennkolben (45) ein Anschlagselement (65; 59) aufweist, gegen welches das flexible Trennelement (53) bei einer Gegenbewegung in der Erstreckungsrichtung (E) zur Anlage gelangen kann.
Druckspeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – an dem Trennkolben (45) ein Ventilglied (73) angelagert ist, welches in Abhängigkeit der Stellung des Trennkolbens (45) gegen eine Fluidmündung (38) in den Kraftstoffraum (37) des Kolbenspeichers (1) dichtend wirken kann.
Druckspeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – im Medienraum (46) ein Gas und/oder wenigstens eine Sperrflüssigkeit aufgenommen ist.
Injektor (3) für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass – der Injektor (3) einen Druckspeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass – die Kraftstoffeinspritzeinrichtung wenigstens einen Druckspeicher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und/oder wenigstens einen Injektor (3) nach Anspruch 9 aufweist.