Beschreibung Speichereinspritzsystem zur Dämpfung von Druckwellen, insbe- sondere bei einem Common Rail Einspritzsystem Die Erfindung geht aus von einem Speichereinspritzsystem zur Dämpfung von Druckwellen, insbesondere bei einem Common Rail Einspritzsystem, bei dem Kraftstoff mit hohem Druck während eines Einspritzzykluses mit mehreren Einspritzimpulsen in kurzen Zeitabständen eingespritzt wird, nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist schon bekannt, dass bei einem Common Rail Einspritzsystem der gewünschte Betriebsdruck für den einzuspritzenden Kraftstoff in einem Speichersystem bereitge- stellt wird. Dabei werden die Druckwellen, die bei jedem kur- zen Einspritzimpuls entstehen, durch die Leitungen (Common Rail) mehr oder weniger schnell gedämpft. Dennoch können Druckwellen entstehen, deren Amplituden mehrere Hundert bar betragen können. Diese Druckwellen breiten sich mit der dem Kraftstoff entsprechenden Schallgeschwindigkeit aus und wer- den an den Wandungen der Kraftstoffleitung, den Übergängen zum Rail, an den Ventilen, Kanten usw. reflektiert. Durch die Überlagerung von Druckwellen entsteht ein komplexes Schwin- gungssystem, das die einzuspritzende Kraftstoffmenge in un- günstiger Weise beeinflussen kann. Insbesondere bei mehreren aufeinander folgenden Einspritzungen mit sehr kurzen zeitli- chen Abständen (bis zu 100 us) können die Druckwellen des vo- rausgegangenen Einspritzimpulses den nachfolgenden Einspritz- impuls in unerwünschter Weise beeinflussen, da die Druckwel- len erst nach mehreren Schwingungen und in Abhängigkeit von der Wellenlänge abklingen.

Um dieses Problem zu lösen, wurde bisher der zeitliche Ab- stand zwischen zwei Einspritzimpulsen fest vorgegeben. Er wurde so gewählt, dass der zeitliche Druckgradient minimal wurde, um eine möglichst geringe Streuung der Einspritzmenge der einzelnen Einspritzimpulse zu erhalten. In vielen Fällen war dieses Vorgehen ausreichend, da bei der Pilot-oder Vor-

einspritzung nur eine geringe Menge Kraftstoff und bei der zweiten Einspritzung die vorgesehene Haupteinspritzmenge ein- gespritzt wurde. Durch die geringe Voreinspritzmenge kommt es in der Regel zu nur geringen Druckeinbrüchen, die die nach- folgende Haupteinspritzung auch nur geringfügig negativ be- einflusst.

Bei den neuen Anforderungen an das Einspritzsystem mit mehre- ren, beispielsweise n=5, n=8... Einspritzungen pro Zyklus und Zylinder verschärft sich die oben beschriebene Problematik massiv. Insbesondere können die zeitlichen Abstände zwischen zwei Einspritzimpulsen nicht mehr fest vorgegeben werden, da beispielsweise auch nach einer großen Einspritzmenge (Split Main-Injection) noch weitere Einspritzimpulse (Post- Injection) exakt dosiert werden müssen. Die bisherige Metho- de, das Rail mit seinem relativ großen Volumen als Dämpfer für die Druckwellen zu verwenden, ist nicht mehr ausreichend.

Prinzipiell ist aus physikalischen Überlegungen bekannt, Druckwellen durch Reflexion und Absorption zu dämpfen. Wäh- rend die Reflexionen an Wandungen entstehen, erfolgt bei der Absorption der Druckwelle eine Dissipation in Wärme. Meistens werden bei per se bekannten Pulsationsdämpfern beide Methode angewandt.

Eine alternative Möglichkeit besteht in der Vergrößerung des Speichervolumens unter Ausnutzung des Elastizitätsmoduls (E- Moduls) des Kraftstoffs. Diese Möglichkeit erscheint jedoch weniger gut geeignet, da das Einspritzsystem durch das große Volumen zu träge wird und auf gewünschte Druckänderungen nicht schnell genug reagieren kann.

Das erfindungsgemäße Speichereinspritzsystem (Einspritzsys- tem) mit einer Dämpfungseinrichtung, insbesondere für ein Common Rail Einspritzsystem, bei dem Kraftstoff mit hohem Druck während eines Einspritzzykluses mit mehreren Einspritz- impulsen in kurzen Zeitabständen eingespritzt wird, mit den

kennzeichnenden Merkmalen des Haupanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass die Dämpfungseinrichtung zur mehrfachen in- tensiven Reflexion und/oder Absorption ausgebildet ist und einen so großen Strömungsquerschnitt aufweist, dass kein spürbarer Druckverlust auftritt. Dadurch wird in vorteilhaf- ter Weise einerseits der Energieverlust verringert und ande- rerseits eine hohe Flexibilität des Einspritzsystem erzielt.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Speichereinspritzsystems gegeben.

Als eine besonders einfache und wirkungsvolle Lösung für die Dämpfung der Druckwellen wird ein Sintermetalleinsatz angese- hen. Durch den per se bekannten Sinterprozess kann beispiels- weise ein metallischer Zylinder oder eine zylindrische Schei- be hergestellt werden, die einen hohen Anteil von kraftstoff- durchlässigen Poren aufweist. Man erhält beispielsweise ein Hohlvolumen von 40%. Die relevante freie Querschnittfläche und somit auch das Verhältnis aus Strömungs-zu Gesamtquer- schnittsfläche beträgt somit etwa 40%. Besonders vorteilhaft ist jedoch, dass bezüglich der Reflexion das Verhältnis Re- flexions-zu Gesamtquerschnittsfläche praktisch 100% beträgt.

Im Vergleich dazu würde eine Lochblende mit vergleichbaren Abmessungen wesentlich schlechtere Eigenschaften aufweisen.

Hier würde das Verhältnis aus Strömungs-zu Gesamtquer- schnittsfläche nur etwa 6% betragen und das Verhältnis Refle- xions-zu Gesamtquerschnittsfläche nur etwa 94%. Im Vergleich hierzu weist der Sintermetalleinsatz also wesentlich bessere Reflexions-und Absorptionseigenschaften sowie einen niedri- geren Strömungswiderstand auf.

Eine weitere Verbesserung wird erreicht, wenn zwei Sinterme- talleinsätze seitlich versetzt angeordnet werden. Mit dieser Anordnung werden insbesondere stehende Welle (Druckwellen) vorteilhaft vermieden.

Eine günstige alternative Lösung insbesondere zur Vermeidung stehender Wellen wird auch in einer Anordnung gesehen, bei der mehrere Sintermetalleinsätze oder-scheiben in verschie- denen Ebenen mit unregelmäßigen Abständen eingesetzt werden.

Vorteilhaft erscheint auch eine Lösung mit einem (koaxialen) Doppelrohr mit unterschiedlichen Durchmessern, bei dem der innere Teil des kleineren Rohres mit einer entsprechenden Perforation ausgebildet ist. Eine derartige Anordnung lässt sich besonders einfach und kostengünstig herstellen.

Günstig erscheint auch, die Anordnung mit einem Drahtgeflecht zu versehen, bei dem die Fasern möglichst chaotisch verteilt sind.

Durch die Anordnung von wenigstens zwei Blechen im Strömungs- kanal mit unterschiedlichen Winkeln erhält man eine Dämp- fungseinrichtung, die ähnlich wie bei einem Stabfilter gute Durchlass-und Reflexionseigenschaften aufweist.

Eine günstige alternative Lösung stellt auch die Anordnung mit seitlich oder zahnartig versetzten Lamellen dar. Auch in diesem Fall sind der Strömungswiderstand relativ gering und die Dämpfungseigenschaften recht günstig.

Die Ausbildung der Dämpfungseinrichtung mit verschiedenen Querschnittssprüngen bewirkt ebenfalls eine starke Dämpfungs- wirkung, da sowohl sehr viele Reflexionen an den Wandungen als auch Absorptionen auftreten.

Die Ausbildung der Dämpfungseinrichtung mit Bögen, einer Wen- del oder einem Trichter bewirkt ein häufiges Umlenken der Druckwellen, so dass entsprechende Reflexionen entstehen, die ein rasches Abklingen der Amplituden der Druckwellen bewir- ken.

Die Dämpfungseinrichtung wird möglichst am Ort der Entstehung der Druckwellen angeordnet, um die bestmögliche Wirkung zu erzielen. Dies ist vorzugsweise zwischen der Hochdruckleitung (Druckleitung) und dem Injektor beziehungsweise innerhalb des Injektors zwischen dem Aktor und der Einspritzdüse vorgese- hen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Speicherein- spritzsystem mit einer Dämpfungseinrichtung so auszubilden, dass die entstehenden Druckwellen möglichst schnell gedämpft werden, wobei kein spürbarer Druckverlust auftreten soll.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Hauptanspruchs ge- löst.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich- nung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Injektor ei- nes Speichereinspritzsystems, die Figuren 2a-c zeigen verschiedene Diagramme, Figur 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Sintermetalleinsatz, Figur 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel mit zwei ver- setzt angeordneten Sintermetalleinsätzen, Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer An- ordnung von drei Sintermetalleinsätzen, Figur 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem Drahtgeflecht, Figur 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem Doppelrohr,

die Figuren 8 und 9 zeigen Ausführungsbeispiele mit einge- setzten Blechen beziehungsweise Lamellen, die Figuren 10 und 11 zeigen Ausführungsbeispiele mit unter- schiedlichen Querschnittsprüngen, die Figuren 12 und 13 zeigen Ausführungsbeispiele mit Rohrbo- gen beziehungsweise mit einer Wendel, Figur 14 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer trichterför- migen Anordnung und Figur 15 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem Rohrbündel als Strömungsgleichrichter.

Bezüglich der Figurenbeschreibung zeigt Figur 1 in schemati- scher Darstellung einen handelsüblichen Injektor 1, wie er beispielsweise bei einem Kraftstoff-Einspritzsystem für die Dieseleinspritzung Verwendung findet. Der Injektor 1 weist einen elektrischen Anschluss 10 beispielsweise für einen pie- zoelektrischen Aktor 11 auf, der im Innern des Injektors 1 angeordnet ist. Der piezoelektrische Aktor 11 steht mit einer Düsennadel einer Einspritzdüse in Verbindung, die sich im un- teren Teil des Injektors befindet und im Ruhezustand eine mit Kraftstoff gefüllte Hochdruckleitung geschlossen hält. Werden an den piezoelektrischen Aktor 11 entsprechende Spannungsim- pulse angelegt, dann wird die Einspritzdüse bei jedem Impuls etwas geöffnet, so dass an der Einspritzdüse eine bestimmte Kraftstoffmenge möglichst stark vernebelt austreten kann. Im rechten Teil der Figur 1 ist ein Druckanschlussstutzen 3 mit einem Druckrohrstutzen 2 dargestellt. Im Innern des Druck- rohrstutzens 2 ist eine Filtervorrichtung mit einem Stabfil- ter eingesetzt, um im Kraftstoff enthaltene feste Partikel herauszufiltern. Am äußeren Ende des Druckrohrstutzens 2 ist ein Leitungsanschluss 4 vorgesehen, an dem die mit Kraftstoff gefüllte Hochdruckleitung anschließbar ist.

Die Entstehung von Druckwellen und insbesondere deren Ein- fluss bei der Mehrfacheinspritzung mit sehr kurzen zeitlichen Abständen bis ca. 100 us wird an Hand der Diagramme der Figu- ren 2a bis c erläutert. Beispielsweise wird entsprechend Fi- gur 2a ein kurzer erster Einspritzimpuls I und im zeitlichen Abstand dt ein zweiter Einspritzimpuls II gestartet. Durch den ersten Einspritzimpuls I entsteht als Folge des plötzli- chen Druckabfalls im System eine Druckwelle, deren Verlauf beispielhaft in Figur 2b auf der Zeitachse t dargestellt ist.

In der Praxis entstehen durch die Reflexionen sehr viele Druckwellen, die sich überlagern und ein sehr komplexes Schwingungsmodell bilden.

Die eingespritzte Kraftstoffmenge ist von verschiedenen Fak- toren wie der Einspritzdauer, dem hydraulischen Durchfluss, Temperatur und E-Modul des Krafftstoffs und insbesondere vom vorherrschenden Druck im System zum Zeitpunkt der Einsprit- zung abhängig. Da der Druck im System jedoch sehr stark schwanken kann, wie der Figur 2b entnehmbar ist, ändert sich auch für den nachfolgenden zweiten Einspritzimpuls II seine Einspritzmenge druckabhängig. Dieses Verhalten trifft natür- lich auf alle gegebenenfalls weitere Einspritzimpulse zu.

Figur 2c zeigt die Änderung der eingespritzten Kraftstoffmen- gen in Abhängigkeit von den Druckschwankungen, wie sie in Fi- gur 2b dargestellt wurden. Als weitere Problematik kommt hin- zu, dass bei einer Mehrfacheinspritzung mit bis zu fünf Ein- spritzimpulsen sehr genau auf die zeitlichen Abstände dt ge- achtet werden muss, damit auch wirklich die gewünschte Kraft- stoffmenge eingespritzt werden kann. Feste zeitliche Abstände dt-wie beim bekannte Stand der Technik üblich-sind nicht mehr zulässig, da der gesamte Einspritzzyklus innerhalb eines fest vorgegebenen Zeitfensters abgelaufen sein muss. Die ein- zelnen Zeitabstände dt zwischen jeweils zwei Einspritzimpul- sen werden daher unter Berücksichtigung weiterer Parameter variabel gestaltet, wobei die erfindungsgemäßen Dämpfungsmaß-

nahmen dafür sorgen sollen, dass die entstehenden Druckwellen möglichst geringe Amplituden aufweisen und schnell abklingen, damit zum Zeitpunkt des nächsten Einspritzimpulses die Druck- verhältnisse definierbar sind.

Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine Dämp- fungseinrichtung zeigt Figur 3. Sie zeigt einen Sintermetall- einsatz 6, der als Zylinder oder zylindrische Scheibe ausge- bildet ist. Es hat beispielsweise einen Durchmesser von 2-3 mm. Wie bereits erläutert wurde, ist sein Druckabfall sehr viel kleiner als bei einer vergleichbar großen Lochblende mit einem Lochdurchmesser von 0,5 mm. Gleichzeitig wird seine Re- flexionsfläche gesteigert. Ein weiterer Vorteil besteht auch darin, dass keine Reflexionsebene (wie bei der Lochblende) besteht. Dadurch werden die Druckwellen phasenverschoben re- flektiert und dämpfen sich gegenseitig. Ein weiterer Vorteil besteht auch darin, dass die Druckwellen nicht (wie bei der Lochblende) entgegen ihrer Ausbreitungsrichtung reflektiert werden, sondern wegen der Kugelform der einzelnen Metallteil- chen des Sintermetalleinsatzes diffus gestreut werden. Eine unerwünschte Überlagerung von reflektierten Druckwellen wird somit wirkungsvoll vermieden.

In Figur 4 sind zwei Sintermetalleinsätze 6 vorgesehen, die in einer Druckleitung 5 der Dämpfungseinrichtung 7 versetzt angeordnet sind.

In Figur 5 wird vorgeschlagen, mehrere Sintermetalleinsätze 6, die beispielsweise scheibenförmig ausgebildet sind, in verschiedenen Ebenen der Dämpfungseinrichtung 7 anzuordnen.

In diesem Ausführungsbeispiel wurden drei Sintermetalleinsät- ze 6 hintereinander angeordnet, wobei deren Abstände a, b un- terschiedlich groß gewählt sind. Dadurch werden insbesondere stehende Druckwellen und Resonanzen vermieden. Diese Anord- nung ist ebenfalls in der Druckleitung 5 angebracht.

Figur 6 zeigt eine Dämpfungseinrichtung 7, bei der ein Draht- geflecht 8 angeordnet ist. Das Drahtgeflecht 8 weist Fasern auf, die möglichst chaotisch verteilt sind, so dass Reflexio- nen in alle Richtungen gestreut werden. Dadurch können sich beispielsweise keine stehenden Wellen aufbauen, da sich die reflektierten Druckwellen weitgehend selbst dämpfen.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 7 ist die Dämpfungsein- richtung 7 mit einem koaxialen Doppelrohr 9 ausgebildet, wo- bei das kleinere Innenrohr ein Stück in das größere Außenrohr hineinragt. In dem überlappenden Bereich weist das Innenrohr eine Perforation 12 auf, durch die der Kraftstoff strömt.

Die beiden Ausführungsbeispiele der Figuren 8 und 9 weisen Dämpfungseinrichtungen 7 auf, bei denen Blechstreifen 14,15 eingesetzt sind. Im Fall der Figur 8 sind die Blechstreifen 14 unregelmäßig geformt und mit unterschiedlichen Winkeln im Strömungskanal angeordnet. Diese Anordnung kann auch als Stabfilter ausgebildet sein, wobei neben der Dämpfung auch eine Filterwirkung für feste Partikel im Kraftstoff bewirkt werden kann. Dieses trifft natürlich auch auf die anderen Ausführungsbeispiele zu.

Bei der Figur 9 sind die Bleche in Form von Lamellen 15 im Strömungskanal der Dämpfungseinrichtung 7 seitlich versetzt angeordnet. Sie können dabei zahnförmig strukturiert sein, um einen möglichst geringen Druckwiderstand zu bilden.

Bei den beiden Ausführungsbeispielen der Figuren 10 und 11 wird die Dämpfung dadurch erzielt, dass der Kraftstoff durch eine Dämpfungseinrichtung 7 strömt, die mit unterschiedlichen Querschnittsprüngen ausgebildet ist. Dadurch werden die Amp- lituden der Druckwellen variiert, d. h. bei dieser Anwendung wird in erster Linie eine Dämpfung vorgenommen.

Die Ausführungsbeispiele der Figuren 12 und 13 zeigen eine Dämpfungseinrichtung 7 mit mehreren Bogen beziehungsweise ei-

ne Wendel, so dass die Druckwellen an den Wandungen ständig gebrochen und reflektiert werden. Durch diese intensive Re- flexion werden die Druckwellen stark gedämpft und ihre Ener- gie absorbiert.

Eine weitere alternative Lösung wird gemäß Figur 14 bei einer Dämpfungseinrichtung 7 mit Einsätzen gesehen, die als Trich- ter 16 ausgebildet ist. Der Trichter 16 ist so gestaltet, dass die Druckwellen möglichst oft innerhalb des Trichters 16 reflektieren, bis sie in Wärme dissipieren.

Figur 15 zeigt schließlich ein Ausführungsbeispiel der Erfin- dung, bei der die Dämpfungseinrichtung 7 mit einem Rohrbündel ausgebildet ist, das als Strömungsgleichrichter wirkt. Bei diesem Rohrbündel werden viele enge Rohrstücke nebeneinander im Strömungskanal angeordnet. Bei dieser Lösung ist der Druckwiderstand sehr klein, so dass der Energieverlust ent- sprechend gering ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist auch vorgesehen, die vorgeschlagenen Lösungen miteinander zu kombinieren.

Die Dämpfungseinrichtung 7 wird vorzugsweise am Ort der Ent- stehung der Druckwellen eingesetzt. Dies kann beispielsweise zwischen der Hochdruckleitung und dem Injektor 1 beziehungs- weise innerhalb des Injektors 1 zwischen dem Hochdruckan- schluss und der Einspritzdüse sein.