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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Einweg-Kraftstoffzuführanlage
sowie ein Druckregelventil hierfür.
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Es gibt grundsätzlich zwei Arten von Einweg-Kraftstoffzuführanlagen
für Verbrennungsmotoren,
d. h. Kraftstoffzuführanlagen ohne Rückführung von
Kraftstoff zum Kraftstofftank. Die erste Art, die als T-Konfiguration
bezeichnet wird, wird in Systemen eingesetzt, bei denen der Kraftstoffdruck
in der Kraftstoffschiene unabhängig
von der durch die Kraftstoffinjektoren fließenden Kraftstoffmenge konstant
gehalten wird. Die zweite Art, die als Parallel-Konfiguration bezeichnet
wird, wird insbesondere in Kraftstoffsystemen eingesetzt, die einen
veränderlichen
Kraftstoffdruck innerhalb der Kraftstoffschiene in Abhängigkeit
von bestimmten instationären
Betriebszuständen
des Verbrennungsmotors erfordern. Beispielsweise erfordern aufgeladene
Verbrennungsmotoren bei weit geöffneter
Drosselklappe einen Einspritzdruck, der doppelt so groß ist wie
der Einspritzdruck im Leerlauf. Bei beiden Arten von Kraftstoffzuführanlagen
wird eine drehzahlveränderliche
Kraftstoffpumpe verwendet, die den Kraftstoffdruck in Abhängigkeit von
einem in der Kraftstoffschiene erzeugten Drucksignal steuert.
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Die T-Konfiguratin C des Standes
der Technik, wie sie in 1 dargestellt
ist, fördert
Kraftstoff zu einer Kraftstoffschiene 12 durch ein Rückschlagventil 14 am
Auslass einer drehzahlveränderlichen Kraftstoffpumpe 16.
Das Rückschlagventil 14 schließt, wenn
der Kraftstoffdruck am Auslass des Rückschlagventils 14 größer ist
als der Kraftstoffdruck am Einlass des Rückschlagventils bzw. am Pumpenauslass 18.
Das Rückschlagventil 14 schließt typischerweise,
wenn der Verbrennungsmotor abgeschaltet wird, wodurch eine Kraftstoffverdampfung
verhindert wird und flüssiger
Kraftstoff und Druck innerhalb der Kraftstoffschiene 12 für einen
erneuten Start des Verbrennungsmotors erhalten bleiben. Zwischen
dem Rückschlagventil 14 und
der Kraftstoffschiene 12 der T-Konfiguration C befindet sich
ein Druckentlastungsventil 20, das Kraftstoff unmittelbar
zurück
zum Kraftstofftank durchlässt,
wenn die Kraftstoffschiene und die Kraftstoffinjektoren einem Überdruck
ausgesetzt sind. Das Druckentlastungsventil 20 öffnet typischerweise,
wenn der Kraftstoffdruck in der Kraftstoffschiene 12 bzw.
am Einlass 22 des Druckentlastungsventils 20 einen
vorgegebenen Grenzwert überschreitet,
der höher
ist als der normale Betriebsdruck in der Kraftstoffschiene 12. Beispielsweise
entsteht ein Überdruck
nach Abschalten des Verbrennungsmotors, wenn das Rückschlagventil 14 geschlossen
ist und der Druck des in der Kraftstoffschiene 12 eingeschlossenen
Kraftstoffes mit zunehmender Kraftstofftemperatur ansteigt, was möglicherweise
von der Restwärme
des heißen
Verbrennungsmotors oder der Umgebung herrührt. Ein Überdruck kann aber auch durch
ein langsames Ansprechverhalten der drehzahlveränderlichen Pumpe verursacht
werden. Wenn beispielsweise der mit weit offener Drosselklappe betriebene
Verbrennungsmotor plötzlich
in einen Leerlaufzustand verzögert
wird, kann es zu einem Schließen
der Kraftstoffinjektoren innerhalb von Sekunden kommen. Dies kann
eine Druckspitze verursachen, wenn die Kraftstoffpumpe nicht sofort
reagiert. Das Druckentlastungsventil öffnet dann, um den Kraftstoffdruck
in der Kraftstoffschiene zu entlasten. Da das Druckentlastungsventil unglücklicherweise
zum Tankdruck und nicht zum Pumpenauslassdruck in Beziehung steht,
muss der Entlastungsdruckwert der T-Konfiguration deutlich über dem
Systembetriebsdruck eingestellt werden. Die Folge ist, dass der
Bereich der Druckregelung innerhalb der Kraftstoffschiene begrenzt
ist. Ein zweiter Nachteil der T-Konfiguration
besteht darin, dass eine getrennte Bypass-Leitung und zugehörige Anschlüsse erforderlich
sind, was die Herstellungs- und Montagekosten erhöht. Die
T-Konfiguration hat außerdem
den Nachteil, dass überschüssiger Kraftstoff
unmittelbar zum Kraftstofftank zurückgeführt wird, was insbesondere
bei hohen Temperaturen dazu führen kann,
dass die Kraftstoffpumpe kontinuierlich Kraftstoff durch das Druckentlastungsventil
zurück
in den Kraftstofftank fördert.
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Die sogenannte Parallel-Konfiguration
(z. B.
US
5 361 742 und
5 477
829 ), bei der es sich wohl um die gängigste Art von Kraftstoffzuführanlagen handelt,
verwendet ebenfalls eine drehzahlveränderliche Kraftstoffpumpe,
die ebenfalls die Drehzahl und somit den Kraftstoffstrom in Abhängigkeit
vom Kraftstoffdruck in der Kraftstoffschiene steuert. Im Gegensatz
zu der T-Konfiguration verwendet die Parallelkonfiguration ein Rückschlagventil
sowie ein Druckentlastungsventil, die parallel geschaltet zueinander am
Auslass der Kraftstoffpumpe angeschlossen sind.
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Im Betrieb des Verbrennungsmotors öffnet das
Rückschlagventil
am Auslass der Kraftstoffpumpe bei minimaler Druckdifferenz, wenn
Kraftstoff der Kraftstoffschiene zugeführt wird, und es schließt, um ein
Rückströmen von
Kraftstoff zu verhindern, wenn der Druck am Auslass des Rückschlagventils
(bzw. in der Kraftstoffschiene) größer als der Auslassdruck der
Kraftstoffpumpe (bzw. der Einlassdruck des Rückschlagventils) ist. Wenn
der Druck am Auslass des Rückschlagventils
einen vorgegebenen Wert, bezogen auf den Auslass der Kraftstoffpumpe, üblicherweise
während
langer Verzögerungsperioden übersteigt, öffnet das
parallel geschaltete Entlastungsventil, und Kraftstoff strömt zurück durch
die leerlaufende Kraftstoffpumpe. Um diesen zu hohen Kraftstoffdruck
in der Kraftstoffschiene zu verringern, öffnet das normalerweise geschlossene
Druckentlastungsventil aus seiner normalen Schließstellung, während das
Rückschlagventil
geschlossen bleibt. Der eingestellte Grenzwert des Druckentlastungsventils
ist größer als
der des Rückschlagventils
und entspricht typischerweise ungefähr dem Mindestwert, der erforderlich
ist, um den Verbrennungsmotor zu betreiben und eine vollständige Verdampfung
des Kraftstoffs in der Kraftstoffschiene bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor
zu verhindern. Wenn das Druckentlastungsventil offen ist, strömt Kraftstoff
aus der Kraftstoffschiene zurück
durch die Auslassseite der Kraftstoffpumpe. Diese Parallelkonfiguration steht
im Gegensatz zu dem Druckentlastungsventil der T-Konfiguration,
bei der der Öffnungsdruck
des Druckentlastungsventils oberhalb des maximalen Betriebsdrucks
der Kraftstoffschiene liegt und der Kraftstoff nicht durch die Kraftstoffpumpe
zurückströmt.
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Unglücklicherweise erfordert die
Parallelschaltung von Druckentlastungsventil und Rückschlagventil
viele sich bewegende Teile, und sie ist daher teuer in der Herstellung
und Wartung. Außerdem
sind beide Ventile tellerventilartige Ventile. Das Rückschlagventil
hat ein Kugellager als Ventilglied, das sich unter dem eigenen Gewicht
an einen Ventilsitz anlegt. Das Druckentlastungsventil ist von ähnlicher
Bauart, wird jedoch typischerweise von einer Federkraft unterstützt, die
das Kugellager gegen den Ventilsitz andrückt. Derartige Ventile sind
verschleißanfällig und
unterliegen hochfrequenten Druckschwankungen (siehe 7), was das Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors
entsprechend beeinträchtigt.
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Diese Nachteile sollen durch die
vorliegende Erfindung vermieden werden. Insbesondere sollen eine
Einwegkraftstoffzuführanlage
sowie ein Druckregelventil hierfür
geschaffen werden, welches ein Rückströmen von
Kraftstoff erlaubt, den während
bestimmter Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors an die Kraftstoffinjektoren
abgegebenen Kraftstoffdruck steuert und den Kraftstoffdruck innerhalb
des Systems bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor auf einem Mindestwert
hält.
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Die Erfindung sowie vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen definiert.
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In der Kraftstoffzuführanlage
wird Kraftstoff von einer Kraftstoffpumpe zu einer Kraftstoffschiene durch
ein Kraftstoffdruckregelventil gefördert, das in der Lage ist,
eine Kraftstoffströmung
zur Kraftstoffschiene und eine umgekehrte Strömung aus der Kraftstoffschiene
zurück
zur Kraftstoffpumpe zu ermöglichen,
um den Druck in der Kraftstoffschiene zu entlasten. Vorzugsweise
ist das Druckregelventil ein Membranventil, das von einer Feder
in Schließrichtung
vorgespannt wird. Die Feder ist in einer Referenzdruckkammer angeordnet,
die zwischen einem Gehäuseteil
und einer Seite der Membran angeordnet und zur Atmosphäre hin entlüftet ist.
Eine Kraftstoffkammer zwischen der gegenüberliegenden Seite der Membran
und einem zweiten Gehäuseteil
verbindet eine pumpenseitige Anschlussöffnung und eine kraftstoffschienenseitige
Anschlussöffnung. Wenn
sich das Druckregelventil in einer Schließstellung befindet, ist die
Kraftstoffkammer in eine schienenseitige Teilkammer und eine pumpenseitige
Teilkammer unterteilt, und zwar aufgrund der Abdichtung zwischen
einem Ventilsitz und der Membran, die durch die Vorspannkraft der
Feder in Anlage mit dem Ventilsitz gehalten wird. Das Druckregelventil
bewegt sich in eine Öffnungsstellung,
wenn die vom Kraftstoffdruck erzeugte hydraulische Kraft auf der
Kraftstoffkammerseite die Vorspannkraft des Druckregelventils überwindet.
Die hydraulische Kraft ergibt sich grundsätzliche als Produkt aus dem
Kraftstoffdruck innerhalb der pumpenseitigen Anschlussöffnung mal demjenigen
Abschnitt des äußeren Bereichs
der Membran, der teilweise die pumpenseitige Teilkammer definiert,
plus dem Produkt aus dem Restkraftstoffdruck in der schienenseitigen
Anschlussöffnung mal
einem inneren Bereich der Membran, der zum Teil die schienenseitige
Teilkammer der Kraftstoffkammer definiert.
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Vorzugsweise ist die Kraftstoffpumpe
eine drehzahlveränderliche
Pumpe, die von einem Steuergerät
(Computer) gesteuert wird, welches ein Drucksignal von einem Drucksensor
an der Kraftstoffschiene empfängt.
Vorzugsweise ist die in Schließrichtung
wirkende Vorspannkraft des Druckregelventils im wesentlichen gleich
dem Mindestdruck (Leerlaufdruck) an der Kraftstoffschiene mal der
Fläche
des Innenbereiches der Membran.
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Die erfindungsgemäß ausgebildete Kraftstoffzuführanlage
verhindert, dass unter bestimmten Betriebsbedingungen überschüssiger Kraftstoff
dem Verbrennungsmotor zugeführt
wird, verringert Schadstoffemissionen des Verbrennungsmotors, reduziert
die Anzahl der Einzelteile, ist robust, dauerfest, wartungsfrei,
relativ einfach im Aufbau und wirtschaftlich in Herstellung und
Montage und zeichnet sich durch eine lange Lebensdauer aus.
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Anhand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher
erläutert.
Es zeigt:
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1 eine
Kraftstoffzuführanlage
in T-Konfiguration gemäß dem Stand
der Technik;
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2 eine
Einweg-Kraftstoffzuführanlage gemäß der vorliegenden
Erfindung in Parallel-Konfiguration;
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3 eine
Schnittansicht eines Druckregelventils gemäß der vorliegenden Erfindung
in der Öffnungsstellung;
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4 eine
Draufsicht auf das Druckregelventil, bei dem Teile entfernt sind,
um das Ventilinnere zu zeigen;
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5 eine
der 3 entsprechende
Ansicht des Druckregelventils in der Schließstellung;
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6 ein
Diagramm, in der der Kraftstoffdruck innerhalb einer Kraftstoffschiene
einer Kraftstoffzuführanlage
mit einem als Membranventil ausgebildeten Druckentlastungsventil über der
Zeit dargestellt ist;
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7 ein
der 6 entsprechendes
Diagramm für
ein tellerventilartiges Druckentlastungsventil.
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Es wird zunächst auf 2 Bezug genommen. Die dort dargestellte
Einweg-Kraftstoffzuführanlage 20 enthält eine
drehzahlveränderliche
Kraftstoffpumpe 22, die zweckmäßigerweise als Strömungspumpe,
insbesondere als Peripheral- oder Seitenkanalpumpe ausgebildet ist.
Die Kraftstoffpumpe 22 ist vorzugsweise innerhalb eines
Kraftstofftanks 24 angeordnet, der eine Reihe von Kraftstoffinjektoren 26 mit
Kraftstoff versorgt, um Kraftstoff aus einer gemeinsamen Kraftstoffschiene 28 (common
rail) entsprechenden Brennkammern eines Verbrennungsmotors 23 zuzuführen. Die
Drehzahl der Kraftstoffpumpe 22 wird durch ein Steuergerät 30 (vorzugsweise
Teil das Betriebssteuergerät
des Verbrennungsmotors) geregelt, welches ein Drucksignl 32 von
einem Drucksensors 34 an der Kraftstoffschiene 28 empfängt. Das
Steuergerät 30 verarbeitet dann
das Drucksignal und gibt ein Drehzahl-Steuersignal 36 an die Kraftstoffpumpe 22 ab.
Vorzugsweise ändert
sich der Druck in der Kraftstoffschiene 28 in Abhängigkeit
von der Drehzahl bzw. dem Kraftstoffbedarf der Brennkraftmaschine
und irgendwelchen weiteren Motorparametern, die von dem Steuergerät 30 verarbeitet
werden.
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Ein Druckregelventil 38 ist
in einer Kraftstoffleitung 40 zwischen der Kraftstoffpumpe 22 und
dem Verbrennungsmotor 23 bzw. der Kraftstoffschiene 28 angeordnet.
Da das Druckregelventil 38 eine Kraftstoffströmung in
beiden Richtung zulässt
und somit kein Rückschlagventil
ist, ist eine Rückführleitung zum
Verringern des Drucks in der Kraftstoffschiene oder irgendeinem
dazwischenliegenden Punkt nicht erforderlich. Wenn sich das Druckregelventil 38 in
der Schließstellung 42 (5) befindet, ist eine pumpenseitige
Anschlussöffnung 44 des
Druckregelventils 38 gegenüber einer motorseitigen Anschlussöffnung 46 des
Ventils getrennt. Wenn sich das Druckregelventil 38 in
der Öffnungsstellung 48 (3) befindet, kann Kraftstoff
je nach dem Bedarf der Kraftstoffzuführanlage 20 in beiden
Richtungen durch das Ventil strömen.
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Vor dem Starten des Verbrennungsmotors 23 sollte
sich der Restkraftstoffdruck in der Kraftstoffschiene 28 nah
oder deutlich unter dem Leerlaufdruck befinden. Ein Druckanstieg
des in der Kraftstoffschiene eingeschlossenen Kraftstoffes, der durch
Restwärme
des Verbrennungsmotors oder Wärme
innerhalb des Motorraums verursacht ist, beispielsweise dadurch,
dass das Fahrzeug der Wärme eines heißen Tages
ausgesetzt ist, wird durch das Druckregelventil 38 entlastet,
das öffnet,
um Kraftstoff aus der Kraftstoffschiene 28 zurück durch
eine Laufradkammer 25 der Kraftstoffpumpe 22 strömen zu lassen.
Um aus der Schließstellung
in die Öffnungsstellung
verstellt zu werden, muss die Kraft, die von der Restkraftstoffdruck
in der motorseitigen Anschlussöffnung 46 ausgeübt wird,
die in Schließrichtung
wirkende Vorspannkraft F des Druckregelventils 38 überwinden,
welche das Ventil normalerweise geschlossen hält, wenn der Kraftstoffdruck
in der pumpenseitigen Anschlussöffnung 44 gleich
dem Atmosphärendruck
oder dem Referenzdruck ist. Andernfalls hilft der positive Restkraftstoffdruck
in der pumpenseitigen Anschlussöffnung 44,
selbst wenn er geringer als der Restdruck in der motorseitigen Anschlussöffnung 46 ist,
dabei mit, das Druckregelventil 38 zu öffnen, um Kraftstoffdruck in
der Kraftstoffschiene 28 zu entlasten. Vorzugsweise wird
das Druckregelventil 38 auf Atmosphärendruck oder nahezu auf Atmosphärendruck
entlastet, falls das Druckregelventil 38 innerhalb des
Kraftstofftanks 24 angeordnet ist.
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Wenn der Verbrennungsmotor 23 gestartet wird,
beginnt die Kraftstoffpumpe 22, Kraftstoff zu fördern, und
die Kraftstoffinjektoren 26 beginnen ihren Betriebszyklus
zu durchlaufen. Die pumpenseitige Anschlussöffnung wird unter Druck gesetzt,
um den Kraftstoffbedarf der Kraftstoffinjektoren 26 zu
decken. Die Kraft, die von dem Kraftstoffdruck in der pumpenseitigen
Anschlussöffnung 44 ausgeübt wird, in
Verbindung mit der Kraft, die von dem Restkraftstoffdruck in der
motorseitigen Anschlussöffnung 46 ausgeübt wird, öffnet das
Druckregelventil 38, wenn die gemeinsamen Kräfte die
Vorspannkraft F des Druckregelventils 38 übersteigen.
Wenn der Verbrennungsmotor 23 einmal gestartet ist, und
das Druckregelventil 38 offen ist, stellt sich die Drehzahl
der Kraftstoffpumpe 22 so ein, dass der Leerlauf- bzw.
Mindestdruck in der Kraftstoffschiene 28 aufrechterhalten
wird, unter der Annahme, dass der Verbrennungsmotor im Leerlauf
ist.
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Bei verbesserten Kraftstoffanlagen öffnen die
Kraftstoffinjektoren 26 beim Start erst dann, wenn der
Kraftstoffdruck in der Kraftstoffschiene einen Mindestleerlaufdruck
erreicht. Die Kraftstoffpumpe 22 beginnt daher zuerst zu
arbeiten, und die Kraftstoffinjektoren 26 führen ihre Öffnungsbewegungen
erst dann aus, wenn der Leerlaufdruck in der Kraftstoffschiene 28 erreicht
wurde. Diese Arbeitssequenz ist insbesondere dann von Vorteil, wenn
in der Kraftstoffschiene 28 eingeschlossener heißer Kraftstoff durch
das Druckregelventil 38 auf Leerlaufdruck entlastet wurde
und dann der Druck des sich abkühlenden
Kraftstoffes auf einen verringerten Restdruck absinkt, der deutlich
unter dem erforderlichen Leerlaufdruck liegt. Eine Kraftstoffleckage
durch die Kraftstoffinjektoren kann diesen Zustand nur noch verschlimmern,
indem sie den Restdruck noch weiter absenkt. In jedem Fall bleibt
der Restkraftstoffdruck innerhalb der Kraftstoffschiene 28 theoretisch
hoch genug, um eine Kraftstoffverdampfung oder den Eintritt von
Luft in die Kraftstoffschiene zu verhindern, was andernfalls den
Start unterbinden und einen rauen Leerlauf verursachen könnte. In
gleicher Weise kann bei verbesserten Kraftstoffsystemen beim Start der
Bereich des Druckregelventils 39, der mit der Kraftstoffschiene 28 in
Verbindung steht, und der Bereich des Druckregelventils 38,
der mit der Kraftstoffpumpe 22 in Verbindung steht, so
bemessen und die Vorspannkraft F so gewählt werden, dass der Kraftstoffdruck,
der bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor 23 in der Kraftstoffschiene 28 aufrechterhalten wird,
gleich oder höher
als der Betriebsdruck ist. Dies minimiert die Dampferzeugung in
der Kraftstoffschiene 28 bei heißem abgeschaltetem Verbrennungsmotor.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass
bei größer werdender
Drehzahl des Verbrennungsmotors der Kraftstoffstrom zunimmt und
der erforderliche Kraftstoffdruck in der Kraftstoffschiene 28 ansteigt. Dieser
Druckanstieg gilt insbesondere für
aufgeladene Verbrennungsmotoren, bei denen der Druck in der Kraftstoffschiene
bei weit geöffneter
Drosselklappe typischerweise zweimal so groß wie der erforderliche Druck
in der Kraftstoffschiene bei Leerlauf ist. Wenn ein Verbrennungsmotor
bei weit geöffneter
Drosselklappe läuft
und plötzlich
in einen Leerlaufzustand verzögert
wird, bleiben die Kraftstoffinjektoren 26 zu einem bestimmten
Zeitpunkt plötzlich
sekundenlang geschlossen. Wenn auch die Kraftstoffpumpe 22 tatsächlich anhalten
mag, muss dennoch der Kraftstoffdruck in der Kraftstoffschiene entlastet
werden, um den Druck in der Kraftstoffschiene auf Leerlaufdruck zu
reduzieren. Überschüssige Wärme vom
Verbrennungsmotor 23 verschlimmert diesen Überdruckzustand.
Kraftstoff muss daher aus der Kraftstoffschiene 28 durch
das offene Druckregelventil 38 zurück durch die Laufradkammer 25 der
Kraftstoff pumpe 22 strömen.
Die Reaktionszeit für
diesen Druckabfall ist kurz, da das Druckregelventil 38 vermutlich
niemals aus seiner Öffnungsstellung 48 heraus
bei weit geöffneter
Drosselklappe des Verbrennungsmotors tatsächlich schließt. Das
heißt,
dass die Kraft, die von dem Kraftstoffdruck in der pumpenseitigen
Anschlussöffnung 45 ausgeübt wird,
plus der Kraft, die von dem Kraftstoffdruck in der motorseitigen
Anschlussöffnung 46 ausgeübt wird,
niemals unter die Vorspannkraft F des Druckregelventils 38 fällt, welche sich,
wie bereits erwähnt,
im wesentlichen in der Nähe
des erforderlichen Leerlaufdrucks in der Kraftstoffschiene befindet.
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Wenn der Verbrennungsmotor 23 abgeschaltet
ist, führen
die Kraftstoffinjektoren 26 keine Öffnungsbewegungen mehr aus,
und die Kraftstoffpumpe hält
an. Das Druckregelventil 38 bleibt in seiner Öffnungsstellung 48,
bis die Kraft, die vom Kraftstoffdruck in der motorseitigen Anschlussöffnung 46 ausgeübt wird,
gleich oder geringfügig
kleiner als die Vorspannkraft F des Druckregelventils 38 ist,
an welchem Punkt das Ventil sich in die Schließstellung 42 bewegt.
Dies setzt voraus, dass der Kraftstoffdruck in der pumpenseitigen
Anschlussöffnung 44 auf
im wesentlichen Atmosphärendruck
abfällt
und das Druckregelventil 38 zur Atmosphäre hin entlüftet wird.
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Es wird nun auf die 3 bis 6 Bezug
genommen. Die Anschlussöffnungen 44, 46 stehen
untereinander über
eine dazwischenliegende Kraftstoffkammer 50 in Verbindung,
welche zwischen einem Gehäuseteil 78 des
Druckregelventils 38 und einem Ventilglied 58 in
Form einer nachgiebigen Membran gebildet ist, wenn sich das Druckregelventil
in Öffnungsstellung 48 befindet.
Das Druckregelventil 38 ist vorzugsweise passiv und wird
in die Schließstellung 42 vorgespannt,
vorzugsweise von einer Feder 54 einer bekannten Federkonstanten,
die somit eine bekannte Kraft auf das Ventilglied 56 ausübt, welches an
einem Ventilsitz 58 abgedichtet anliegt. Das Ventilglied 56 kann
als Ventilglied eines tellerartigen Ventils bzw.
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Kugellagerventils ausgebildet sein.
Wie jedoch aus dem Diagramm der 7 hervorgeht,
neigen derartige Ventile (poppet valves) zu extremen Schwingungen,
die zu Druckspitzen innerhalb der Kraftstoffschiene führen, welche
die Laufruhe der Brennkraftmaschine beeinträchtigen können. Im Gegensatz hierzu hat
ein Membranventil 38, wie aus dem Diagramm der 6 hervorgeht, eine Betriebskurve,
die glatter ist, jedoch ein vergleichbares Ansprechverhalten zeigt.
Im Gegensatz zu Tellerventilen bzw. tellerartigen Ventilen, die
sich ständig
bewegen und somit Druckschwankungen in der Kraftstoffschiene verursachen,
vermeidet ein Membranventil derartige Druckschwankungen, was zu
einer größeren Laufruhe,
weniger Geräusch
und weniger Verschleiß des
Verbrennungsmotors führt.
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Das Ventilglied 56 weist
eine nachgiebige Membran 60 mit einer Kraftstoffseite 72 und
einer Referenzdruckseite 64 auf. Die Kraftstoffkammer 50 ist
zwischen einem Gehäuseteil 78,
das die Anschlussöffnungen 44, 46 enthält, und
der Kraftstoffseite 62 der Membran 60 gebildet,
und eine Referenzdruckkammer 51 ist zwischen der Referenzdruckseite 64 der
Membran 60 und dem Gehäuseteil 68 gebildet.
Vorzugsweise liegt ein im wesentlichen starres Bauteil 66 an
der Referenzdruckseite 64 der Membran 60 an, um
die Feder 54 abzustützen,
welche zwischen dem Gehäuseteil 68 und
dem Bauteil 66 innerhalb der Referenzdruckkammer 51 axial
zusammengedrückt
wird. Die Feder 54 sorgt für eine einwandfreie Anlage
der Membran 60 an dem Ventilsitz 58.
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Der Ventilsitz 58 ist im
wesentlichen ringförmig
ausgebildet und wird von dem freien Ende einer inneren Schulter 70 gebildet,
die von einer Fläche 77 des
Gehäuseteils 78 nach
oben ragt. Eine äußere Schulter 72 ist
konzentrisch zu und radial außerhalb der
inneren Schulter 70 angeordnet und liegt abgedichtet sowohl
am Gehäuseteil 68 wie
an dem Umfangsrand 90 der Membran 60 an.
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Eine innere Öffnung 80, die in
der Fläche 77 des
Gehäuseteils 78 gebildet
ist, verbindet die Kraftstoffkammer 82, welche von der
Fläche 77 und
der Kraftstoffseite 62 der Membran 60 begrenzt
wird, mit der motorseitigen Anschlussöffnung 46. Wenn sich das
Druckregelventil in der Schließstellung 42 befindet,
ist die innere Öffnung 80 nur
mit einer Teilkammer 84 der Kraftstoffkammer 82 verbunden,
welche zum Teil von einem ersten Bereich 74 der Kraftstoffseite 62 der
Membran 60 und einem im wesentlichen kreisförmigen Abschnitt
der Fläche 77 des
Gehäuseteils 78 gebildet
wird, die radial innerhalb der Schulter 70 angeordnet ist.
Eine äußere Öffnung 86,
die in einem ringförmigen
Abschnitt der Fläche 77 zwischen den
Schultern 70, 72 des Gehäuseteils 78 gebildet ist,
steht mit einer pumpenseitigen Teilkammer 88 der Kraftstoffkammer 82 in
Verbindung, die radial außerhalb
der motorseitigen Teilkammer 84 angeordnet und von dieser
durch die Schulter 70 bzw. den Ventilsitz 58 getrennt
ist. Die pumpenseitige Teilkammer 88 wird zum Teil von
dem im wesentlichen ringförmigen Bereich 76 der
Kraftstoffseite 62 der Membran 60 und dem ringförmigen Abschnitt
der Fläche 77 des Gehäuseteils 78 radial
zwischen den Schultern 70, 72 gebildet.
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Damit das Druckregelventil 38 öffnet, muss die
gesamte hydraulische Kraft, die auf die Kraftstoffseite 62 der
Membran 60 ausgeübt
wird, größer als
die auf die Referenzdruckseite 64 ausgeübte gesamte Vorspannkraft F
sein, die im wesentlichen die von der Feder 54 erzeugte
Federkraft plus der von dem Luftdruck in der Referenzdruckkammer 51 erzeugten
Kraft ist. Vorzugsweise wird die Referenzdruckkammer 51 zur
Atmosphäre über die Öffnung 79 im
Gehäuseteil 68 entlüftet, so
dass die Vorspannkraft F im wesentlichen gleich der Federkraft allein ist.
Die Referenzdruckkammer 51 kann jedoch auch zu anderen
Bereichen wie dem Saugrohr, dem Kraftstofftank oder dem Einlass
der Kraftstoffpumpe hin entlüftet
werden, um den Druck in der Referenzdruckkammer 51 zu ändern, was
die Betätigung
des Druckentlastungsventils mit veränderlichen Betriebsparametern
der Brennkraftmaschine korrelieren könnte.
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Es sei angenommen, dass die Referenzdruckkammer 51 zur
Atmosphäre
entlüftet
und der Verbrennungsmotor 23 abgeschaltet ist, so dass
in der pumpenseitigen Anschlussöffnung 44 im
wesentlichen Atmosphärendruck
herrscht. Das Druckregelventil 38 bleibt dann in der normalen
Schließstellung 42,
bis die Vorspannkraft F von der hydraulischen Kraft überwunden
wird, welche im allgemeinen gleich dem Restdruck in der Kraftstoffschiene 28 bzw.
in der motorseitigen Anschlussöffnung 46 mal
dem kreisförmigen
Flächenbereich 74 ist.
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Sobald die hydraulische Kraft die
Vorspannkraft F übersteigt, öffnet sich
das Druckregelventil 38 zunächst, um Druck abzulassen,
bis die hydraulische Kraft wieder auf einen Wert abfällt, der
geringfügig unter
der Vorspannkraft F liegt.
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Beim Start des Verbrennungsmotors
bleibt das Druckregelventil 38 in seiner normalen Schließstellung 42,
bis die Vorspannkraft F größer wird
als die entgegenwirkende hydraulische Kraft, die sich berechnet
als Summe des Produktes aus dem Restdruck in der motorseitigen Anschlussöffnung 46 mal dem
Flächenbereich
des kreisförmigen
Bereichs 74 plus dem Produkt aus dem Kraftstoffdruck in
der pumpenseitigen Anschlussöffnung 44 mal
dem Flächenbereich
des ringförmigen
Bereichs 76. Sobald die hydraulische Kraft größer wird
als die Vorspannkraft F, öffnet
sich das Druckregelventil 38 zunächst. Das Druckregelventil 38 bleibt
dann geöffnet,
vorausgesetzt, die hydraulische Kraft, berechnet als Kraftstoffdruck
innerhalb der Kraftstoffkammer 50 mal der Gesamtfläche der
Kraftstoffseite 62 der Membran 60, bleibt größer als
die Vorspannkraft F.
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Bei der Auslegung muss die Größe des inneren
Bereichs 74 bzw. des Verhältnisses des Bereiches 74 zu
dem gesamten freiliegenden Bereich der Membranseite 62 im
Vergleich zu der Vorspannkraft F so bemessen werden, dass das Druckregelventil 38 öffnet, wenn
der Druck in der Kraftstoffschiene den Mindestleerlaufdruck übersteigt.
Außerdem
ist der der motorseitigen Anschlussöffnung 46 ausgesetzte
Bereich 74 kleiner als der der pumpenseitigen Anschlussöffnung 44 ausgesetzte
Bereich 76. Dies bedeutet beim Start des Verbrennungsmotors 23 und nach
einer langen Abschaltphase, wenn der Restdruck in der Kraftstoffschiene
nahe Null bzw. Atmosphärendruck
ist, ist weniger Druck erforderlich, um das Druckregelventil 38 zu öffnen und
der Kraftstoffschiene 28 Kraftstoff zuzuführen, als
erforderlich ist, das Druckregelventil 38 zu öffnen, um
Restdruck aus der Kraftstoffschiene 28 zurück zur leerlaufenden Kraftstoffpumpe 22 fließen zu lassen.
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Für
einen aufgeladenen Verbrennungsmotor, der unter veränderlichen
Druckbedingungen arbeitet, beträgt
der erforderliche Kraftstoffdruck in der Kraftstoffschiene bei weit
geöffneter
Drosselklappe beispielsweise 5 Bar, während der erwünschte Leerlaufdruck
in der Kraftstoffschiene 2,5 Bar beträgt. Herkömmliche Kraftstoffzuführanlagen
in T-Konfiguration, wie in 1 dargestellt,
erfordern, dass das Druckentlastungsventil 20 oberhalb
5 Bar öffnet.
Das Druckregelventil 38 der Kraftstoffzuführanlage 20 in Parallelkonfiguration
erfordert eine Einstellung des Druckregelventils 38 von
nur 2,5 Bar, um Kraftstoff sogar in der Entlastungs- bzw. Rückwärtsrichtung strömen zu lassen.
Wenn daher der Verbrennungsmotor 23 abgeschaltet ist, fällt der
Kraftstoffdruck in der Kraftstoffschiene sofort auf 2,5 Bar, statt
dass er, wie im Stand der Technik, auf 5 Bar verharrt, was die Gefahr
einer Kraftstoffleckage durch die Kraftstoffinjektoren und einer
unerwünschten
Kraft stoffanreicherung beim Start erhöhen würde. Unabhängig hiervon kann das Druckregelventil 38 der
vorliegenden Erfindung das Rückschlagventil 14 am
Auslass 18 der Kraftstoffpumpe 16 einer herkömmlichen
Kraftstoffzuführanlage 10 in
T-Konfiguration ersetzen. Bei dieser Anwendung braucht die Kraftstoffschiene
der Anlage in T-Konfiguration nicht den hohen inneren Kraftstoffdrücken ausgesetzt
sein, wenn der Verbrennungsmotor abgeschaltet ist. Dies hat den
Vorteil, dass die Gefahr einer Kraftstoffleckage der Kraftstoffinjektoren
deutlich herabgesetzt ist.
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Wenngleich das beschriebene Ausführungsbeispiel
die derzeit bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung ist, sind jedoch viele andere möglich. Beispielsweise kann
das Druckregelventil durch ein Servoventil bzw. ein pneumatisch
gesteuertes Ventil ersetzt werden, das über das Steuergerät und Drucksignale
eines Sensors an der Kraftstoffschiene und eines zusätzlichen
Sensors am Auslass der Kraftstoffpumpe betätigt wird.