DE60314321T2

DE60314321T2 - Kraftstoffeinspritzsystem für eine Kolbenmaschine

Info

Publication number: DE60314321T2
Application number: DE60314321T
Authority: DE
Inventors: David C. Jay
Original assignee: Wartsila Finland Oy
Current assignee: Wartsila Finland Oy
Priority date: 2002-04-08
Filing date: 2003-04-03
Publication date: 2008-02-14
Anticipated expiration: 2023-04-04
Also published as: DE60314321D1; JP4237526B2; US6851412B2; FI20020667A7; US20030230284A1; FI20020667A0; EP1353063A3; JP2003293894A; ATE364786T1; FI116158B; EP1353063A2; EP1353063B1; DK1353063T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenmotor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Gemeinhin werden so genannte Common-Rail-Systeme in Kraftstoffeinspritzsystemen für Kolbenmotoren eingesetzt, wobei bei diesen Systemen Kraftstoff unter hohem Druck in einen gemeinsamen Druckspeicher eingespritzt wird, von dem der Kraftstoff durch Steuerung der Wirkung der Einspritzdüse in jeden Zylinder des Motors dosiert wird.
Der gemeinsame Druckspeicher muss so ausgeführt sein, dass er sehr stark ist, um hohen Drücken, in der Regel in einem Bereich von > 100 MPa, standzuhalten. Wie bei Druckbehältern sind Druckspeicher in der Regel zylindrisch ausgeführt. Diese Ausführungsart führt zu einer großen Wanddicke, und dadurch ist zum Beispiel der Platzbedarf im Vergleich zum Volumen des Druckspeichers groß.
Der herkömmliche Stand der Technik wird durch eine in der US-B1-6240901 offenbarte Common-Rail-Lösung repräsentiert. Bei dieser Lösung wird Kraftstoff vom Kraftstoffbehälter mittels einer Hochdruckpumpe dem Druckspeicher zugeführt, wonach der Kraftstoff mittels Einspritzdüsen in Zylinder des Motors eingespritzt wird. Der Kraftstoffspeicher umfasst mindestens zwei getrennte Druckspeichereinheiten, die jeweils mit mindestens zwei Einspritzdüsen verbunden und mit einer individuellen Hochdruckpumpe versehen sind. Zum Druckausgleich sind die Druckkammern der Druckspeichereinheiten kontinuierlich miteinander verbunden, und eine der Druckspeichereinheiten des Systems ist mit einem Ventil versehen, mittels dessen die Druckkammer dieser Druckspeichereinheit und die damit verbundenen Druckkammern mit dem Kraftstoffbehälter verbunden werden können. Diese Art von Lösung erfordert jedoch relativ viel Platz um den Motor herum. In dieser Veröffentlichung sind die Druckspeicher als zylindrische Kammern mit dicken Wänden vorgesehen, was, wie oben erwähnt, zu großen Wanddicken führt, und folglich ist auch der Platzbedarf relativ groß.
Die Schrift DE 197 12 35 C1 zeigt ein Kraftstoffeinspritzsystem für einen Kolbenmotor, das einen Block des Motors mit darin angeordneten Zylindern und mindestens eine Kraftstoffeinspritzdüse, die für jeden Zylinder angeordnet und mit dem Kraftstoffeinspritzsystem verbunden ist, umfasst, und wobei das Kraftstoffeinspritzsystem einen eigens vorgesehenen Kraftstoffspeicher für jeden Zylinder umfasst.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Herstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems für einen Kolbenmotor, das die mit dem Stand der Technik verbundenen Probleme minimiert. Ein besonderes Ziel der Erfindung ist die Herstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems, das den eingenommenen Platz minimiert, während ein starker Kraftstoffspeicher bereitgestellt wird, um hohen Kraftstoffdrücken standzuhalten.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Kolbenmotor gemäß dem angehängten Anspruch 1 bereit. Bevorzugte oder optionale Merkmale der Erfindung werden in den anderen Ansprüchen definiert.
Gemäß der Erfindung umfasst ein Kolbenmotor, der einen Block des Motors mit darin angeordneten Zylindern und mindestens eine Kraftstoffeinspritzdüse, die für jeden Zylinder angeordnet und mit dem Kraftstoffeinspritzsystem verbunden ist, umfasst, einen eigens vorgesehenen Kraftstoffspeicher für jeden Zylinder.
Der Druckspeicher umfasst mindestens zwei getrennte Kammern, die in Strömungsverbindung miteinander stehen und durch eine zumindest teilweise gemeinsame Zwischenwand begrenzt werden. Dadurch kann die Steuerung der Spannungen im Druckspeicher verbessert und der Platzbedarf durch die kleineren erforderlichen Wanddicken reduziert werden.
Vorzugsweise ist der Kraftstoffspeicher für jeden Zylinder zumindest teilweise in dem Zylinderkopf des Motors angeordnet. Auf diese Weise kann die den Speicher umhüllende Zylinderkopfkonstruktion zum Beispiel als ein Stützgehäuse für den Speicher dienen.
Die Druckspeicher stehen vorzugsweise in Strömungsverbindung miteinander. Die Verbindung kann mittels eines sich außerhalb des Zylinderkopfs befindenden Rohrsystems realisiert werden.
Gemäß der Erfindung beträgt das Gesamtvolumen des Druckspeichers vorzugsweise mindestens das 30-Fache des Volumens des durch eine Einspritzdüse während eines Verbrennungshubs des Motors eingespritzten Kraftstoffes. Auf diese Weise kann eine geeignete Druckhöhe auch während Einspritzvorgängen im System aufrechterhalten werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst jeder Zylinder einen getrennten Zylinderkopf, in den sich der Druckspeicher gemäß seiner Anordnung von außerhalb des Zylinderkopfes zur Einspritzdüse erstreckt. Somit ist der Speicher von dem Zylinderkopf im Wesentlichen umhüllt.
Der Druckspeicher gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Hauptkammer und mindestens eine Nebenkammer, die über mindestens zwei verschiedene Wege in Strömungsverbindung miteinander stehen. Die Hauptkammer des Druckspeichers kann mit der Kraftstoffeinspritzdüse verbunden sein und die mindestens eine Nebenkammer kann mit einem Kraftstoffkanal verbunden sein, der dem Druckspeicher Kraftstoff zuführt.
Der Druckspeicher umfasst vorzugsweise einen in Längsrichtung langgestreckten Körperteil, einen ersten Endteil des Körperteils und einen zweiten Endteil des Körperteils, wobei die Kammern des Druckspeichers im Körperteil angeordnete Räume umfassen, die sich von einem Ende davon zum anderen Ende erstrecken, wobei beide Endteile mindestens einen Strömungskanal umfassen, die mit mindestens einem der Räume in Verbindung stehen.
Der Körperteil des Druckspeichers kann einen im Wesentlichen runden Querschnitt aufweisen, und die Räume können aus im Wesentlichen runden Räumen, wie zum Beispiel Bohrungen, bestehen, die parallel zur Längsachse des Körperteils verlaufen. Die Räume sind im Wesentlichen symmetrisch zur mittleren Achse des Körperteils in seinem Querschnitt angeordnet.
Im Folgenden wird die Erfindung rein beispielhaft und unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, darin zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems von einem Kolbenmotor gemäß der Erfindung,
2 ein Detail des Kraftstoffeinspritzsystems von 1,
3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 von 2.
1 zeigt schematisch einen Teil eines Kolbenmotors 2 mit einem damit verbundenen Kraftstoffeinspritzsystem 1. Die Grundausführung des Kolbenmotors ist als solche bekannt, genauso wie das Kraftstoffeinspritzsystem. Der Kolbenmotor umfasst mehrere Zylinder 4, die in seinem Block 3 angeordnet sind, wobei jeder der Zylinder einen getrennten Zylinderkopf 7 aufweist. Jeder Zylinder ist mit mindestens einer Kraftstoffeinspritzdüse 5 versehen. Das Kraftstoffeinspritzsystem ist ein so genanntes Common-Rail-System, so dass es mindestens einen Kraftstoffspeicher 6 umfasst. Bei einer erfindungsgemäßen Lösung ist jeder Zylinder 4 mit einem individuellen, getrennten, das heißt eigens vorgesehenen Kraftstoffspeicher 6 versehen. Das System ist sehr kompakt und vorteilhaft, da der Kraftstoffspeicher jedes Zylinders 4 so angeordnet ist, dass er zumindest teilweise von dem Motorzylinderkopf 7 umhüllt wird. Somit nehmen die Kraftstoffspeicher 6 weniger Raum ein, und andererseits kann die Ausführung des Zylinderkopfs als eine Abdeckung für den Druckspeicher verwendet werden. Somit kann zum Beispiel ein Kraftstoffleck in seiner ersten Phase auf innerhalb des Raums des Druckspeichers im Zylinderkopf 7 begrenzt werden, wodurch es auch schneller bemerkt wird. Des Weiteren wird Wärme von dem Zylinderkopf zum Druckspeicher konvektiert, wodurch der Kraftstoff erwärmt wird. Diese Lösung bringt des Weiteren den Druckspeicher näher an die Kraftstoffeinspritzdüse 5, wodurch Strömungsdruckverluste zwischen dem Druckspeicher 6 und der Einspritzdüse 5 reduziert werden. Vorzugsweise ist der Druckspeicher 6 fast vollständig im Zylinderkopf eingeschlossen, und nur die zur Verbindung des Kraftstoffkanals erforderlichen Teile bleiben außerhalb des Zylinderkopfs.
Bei der in 1 gezeigten Lösung stehen die Druckspeicher 6 mittels eines außerhalb des Zylinderkopfs vorgesehenen Rohrsystems 8 miteinander sowie mit dem Rest des Kraftstoffeinspritzsystems 1 in Strömungsverbindung. Das Rohrsystem 8 ist mittels eines Strömungskanals 10.1 eines ersten Endteils 10 mit dem Druckspeicher 6 verbunden. Das Rohrsystem 8 steht mit einer Hochdruckkraftstoffpumpe 8.1 in Verbindung.
2 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform des im Zylinderkopf 7 in Verbindung mit der Kraftstoffeinspritzdüse 5 angeordneten Druckspeichers 6. Der Kraftstoffspeicher 6 und die Einspritzdüse sind so angeordnet, dass sie über nur einen zweiten Endteil 11 des Druckspeichers 6 im Wesentlichen in direkter Verbindung miteinander stehen. Der zweite Endteil 11 umfasst eine röhrenförmige Verlängerung 11.2, die mit einem Strömungskanal 11.1 versehen ist, der so angeordnet ist, dass er sich zur Kraftstoffeinspritzdüse 5 erstreckt, so dass sie zusammen eine geschlossene Strömungsverbindung für den Kraftstoff bilden.
Der Druckspeicher 6 ist so angeordnet, dass er mindestens zwei getrennte Kammern 6.1, 6.2 umfasst. Bei dieser Ausführungsform sind fünf davon vorgesehen, von denen eine 6.1 sich auf der mittleren Achse des Druckspeichers befindet und andere symmetrisch bezüglich der mittleren Achse angeordnet sind, wie in 3 zu sehen. Diese Art von Lösung ermöglicht, dass die Außenwand mit einer dünneren Wanddicke hergestellt werden kann, da ein Teil der durch den Druck verursachten Spannungen mittels der in Teile unterteilten Druckkammer selbstausgeglichen werden kann, so dass der auf die Außenfläche ausgeübte Gesamtdruck reduziert ist. Somit besteht der Hauptpunkt darin, mehrere Teilvolumen zu erzeugen, die dann im Druckspeicher 6 zweckmäßig miteinander verbunden werden. Gemäß der Erfindung beträgt das durch die Teilvolumen gebildete Gesamtvolumen somit mindestens das 30-Fache als das von einer Einspritzdüse 5 während eines Verbrennungshubs des Motors eingespritzte Kraftstoffvolumen.
Der Druckspeicher kann somit wie in 2 gezeigt realisiert werden, wobei er durch eine so genannte Hauptkammer 6.1, die über den Endteil 11 mit der Kraftstoffeinspritzdüse 5 verbunden ist, und durch mehrere Hilfskammern 6.2 gebildet wird. Bei dieser Ausführungsform sind die Kraftstoffkanäle 8 in erster Linie mit den Hilfskammern 6.2 verbunden. Alle Hilfskammern stehen jedoch miteinander sowie mit der Hauptkammer in Strömungsverbindung. Die Kanäle 6.4, 6.5 sind dazu angeordnet worden, diese Verbindung mit dem Druckspeicher bereitzustellen. Bei dieser Ausführungsform sind die Kammern 6.1, 6.2 über ihre beiden Enden miteinander verbunden. Nuten oder dergleichen 6.4 sind im ersten Ende angeordnet worden, über die die Kammern 6.1, 6.2 miteinander in Verbindung stehen. Das andere Ende ist mit Bohrungen oder dergleichen 6.5 versehen. Eine entsprechende Funktionalität kann auch mittels einer Lösung bereitgestellt werden, bei der der Körperteil nur die Längsbohrungen für die Räume 6.1, 6.2 umfasst, und die für ihre Verbindung hergestellten Kanäle sind mittels Nuten, Bohrungen oder dergleichen in den Endteilen 10, 11 angeordnet.
Der Druckspeicher 6 umfasst einen vorzugsweise zylindrisch ausgebildeten in Längsrichtung langgestreckten Körperteil 9, einen ersten Endteil 10 und einen zweiten Endteil 11. Bei dieser Ausführungsform umfassen die Kammern 6.1, 6.2 im Körperteil angeordnete Räume, die sich von einem Ende davon zum anderen Ende erstrecken, wobei sich von diesen Kammern nur die Kammer 6.1 durch den Körperteil erstreckt, und die anderen Kammern 6.2 über Bohrungen 6.5 oder dergleichen mit der Kammer 6.1 verbunden sind. Kraftstoff wird über die Endteile dem Druckspeicher 6 zugeführt und weiterhin den Kraftstoffeinspritzdüsen 5 zugeführt.
3 zeigt ausführlicher ein Verfahren zur Anordnung der Kammern im Querschnitt des Druckspeichers 6. Die Kammern 6.1, 6.2 sind vorzugsweise so angeordnet, dass sie im Wesentlichen symmetrisch in Beziehung zur mittleren Achse des Körperteils 9 angeordnet sind. In dieser Figur befindet sich eine der Kammern 6.1, die sich bei dieser Ausführungsform durch den Körperteil 9 erstreckt, auf seiner mittleren Achse, und die anderen Kammern 6.2 sind symmetrisch in seinem Querschnitt angeordnet. Durch eine gemeinsame Zwischenwand 6.3 werden immer zwei benachbarte Kammern bestimmt, und da die beiden benachbarten Kammern einen im Wesentlichen ähnlichen Druck aufweisen, gleichen sich die Spannungen zu einem beträchtlichen Grad aus.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern es kommen mehrere Modifikationen davon im Schutzbereich der angehängten Ansprüche in Betracht.

Claims

Kolbenmotor (2), umfassend einen Block (3) des Motors mit darin angeordneten Zylindern (4) und mindestens eine Kraftstoffeinspritzdüse (5), die für jeden Zylinder angeordnet und mit einem einen eigens vorgesehenen Kraftstoffspeicher (6) für jeden Zylinder (4) umfassenden Kraftstoffeinspritzsystem (1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kraftstoffspeicher (6) mindestes zwei getrennte Kammern (6.1, 6.2) umfasst, die in Strömungsverbindung miteinander stehen und durch eine zumindest teilweise gemeinsame Zwischenwand (6.3) begrenzt werden.
Kolbenmotor (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der eigens vorgesehene Kraftstoffspeicher (6) zumindest teilweise in dem Zylinderkopf (7) des Motors angeordnet ist.
Kolbenmotor (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckspeicher (6) in Strömungsverbindung miteinander stehen.
Kolbenmotor (2) nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass das individuelle Gesamtvolumen jedes Druckspeichers (6) mindestens das 30-Fache des Volumens des durch eine Einspritzdüse (5) während eines Verbrennungshubs des Motors eingespritzten Kraftstoffes beträgt.
Kolbenmotor (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zylinder (4) einen getrennten Zylinderkopf (7) umfasst, in den sich der Druckspeicher (6) gemäß seiner Anordnung von außerhalb des Zylinderkopfes zur Einspritzdüse (5) erstreckt.
Kolbenmotor (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicher (6) aus einer Hauptkammer (6.1) und mindestens einer Nebenkammer (6.2) besteht, die über mindestens zwei verschiedene Wege in Strömungsverbindung miteinander stehen.
Kolbenmotor (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptkammer (6.1) des Druckspeichers (6) mit der Kraftstoffeinspritzdüse (5) verbunden ist und dass die mindestens eine Nebenkammer (6.2) mit einem Kraftstoffkanal (8) verbunden ist, der dem Druckspeicher (6) Kraftstoff zuführt.
Kolbenmotor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicher (6) einen in Längsrichtung langgestreckten Körperteil (9), einen ersten Endteil (10) des Körperteils und einen zweiten Endteil (11) des Körperteils umfasst, wobei die Kammern (6.1, 6.2) des Druckspeichers im Körperteil angeordnete Räume umfassen, die sich von einem Ende davon zum anderen Ende erstrecken, wobei beide Endteile (10, 11) mindestens einen Strömungskanal (10.1, 11.1) umfassen, die mit mindestens einem der Räume in Verbindung stehen.
Kolbenmotor (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Körperteil (9) des Druckspeichers (6) einen im Wesentlichen runden Querschnitt aufweist und dass die Räume (6.1, 6.2) aus im Wesentlichen runden Räumen, wie zum Beispiel Bohrungen, bestehen, die parallel zur Längsachse des Körperteils verlaufen.
Kolbenmotor (2) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Räume (6.1, 6.2) im Wesentlichen symmetrisch zur mittleren Achse des Körperteils in seinem Querschnitt angeordnet sind.