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Dokumentenidentifikation DE10317609B4 27.12.2007
Titel Kraftstoffeinspritzsystem
Anmelder Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha, Toyota, Aichi, JP
Erfinder Murakami, Motoichi, Toyota, Aichi, JP;
Watanabe, Yoshimasa, Toyota, Aichi, JP;
Omae, Kazuhiro, Toyota, Aichi, JP;
Futonagane, Yoshinori, Toyota, Aichi, JP
Vertreter TBK-Patent, 80336 München
DE-Anmeldedatum 16.04.2003
DE-Aktenzeichen 10317609
Offenlegungstag 04.12.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 27.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.12.2007
IPC-Hauptklasse F02M 55/04(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung 1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kraftstoffeinspritzsystem und insbesondere bezieht sie sich auf ein Kraftstoffeinspritzsystem, das in der Lage ist, durch Kraftstoffeinspritzungen verursachte Druckschwankungen in Kraftstoffdurchlässen zu unterdrücken.

2. Beschreibung des Stands der Technik

Ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine ist aus dem Stand der Technik bekannt. Bei einem Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem wird Hochdruckkraftstoff zu einer Common Rail (einem Behälter) zugeführt und von der Common Rail zu jeweiligen Kraftstoffeinspritzventilen verteilt.

Bei einem Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem, kann die Kraftstoffeinspritzung für einen gegebenen Betriebszustand der Kraftmaschine durch Ändern eines Kraftstoffeinspritzdrucks in Übereinstimmung mit dem Betriebszustand geändert werden, da der Kraftstoffdruck in der Common Rail einfach geändert werden kann.

Allerdings tritt bei einem herkömmlichen Kraftstoffeinspritzsystem eine Druckschwankung in einem Kraftstoffdurchlass (Kraftstoffrohr), welches die Common Rail mit entsprechenden Kraftstoffeinspritzventilen verbindet, aufgrund von Kraftstoffeinspritzung auf. Die Kraftstoffrohre zwischen der Common Rail und den jeweiligen Kraftstoffeinspritzventilen sind mit Hochdruckkraftstoff gefüllt und wenn sich ein Kraftstoffeinspritzventil öffnet, um Kraftstoff einzuspritzen, wird Kraftstoff in dem mit dem Kraftstoffeinspritzventil verbundenen Kraftstoffrohr von einer Einspritzöffnung des Kraftstoffeinspritzventils ausgelassen. Wenn eine Kraftstoffeinspritzung startet, d. h., wenn sich die Einspritzöffnung des Kraftstoffeinspritzventils öffnet, tritt ein plötzlicher Druckabfall in dem Kraftstoffdurchlass in dem Kraftstoffeinspritzventil in der Nähe der Einspritzöffnung auf.

Dieser Druckabfall pflanzt sich durch den Kraftstoffdurchlass in dem Kraftstoffeinspritzventil und das Kraftstoffrohr zwischen dem Kraftstoffeinspritzventil und der Common Rail fort und erreicht die Common Rail. (Da die Fortpflanzung des Druckabfalls eine Wellencharakteristik aufweist, wird der sich durch den Kraftstoffdurchlass und die Rohre fortpflanzende Druckabfall im weiteren Verlauf in dieser Patentbeschreibung als eine "Unterdruckwelle" bezeichnet).

Bei dem Common-Rail-System hat die Common Rail ein relativ großes Volumen. Daher wirkt das mit der Common Rail verbundene Kraftstoffrohr (das Common-Rail-Ende) als ein offenes Ende des Kraftstoffrohrs. Daher wird die Welle an dem Common-Rail-Ende des Kraftstoffrohrs reflektiert, wenn die Unterdruckwelle die Common Rail erreicht und pflanzt sich durch das Kraftstoffrohr in der umgekehrten Richtung, d. h. zu dem Kraftstoffeinspritzventil, fort.

Daher pflanzt sich die an dem Common-Rail-Ende des Kraftstoffrohrs reflektierte Unterdruckwelle durch das Kraftstoffrohr durch und kehrt zu der Einspritzöffnung des Kraftstoffeinspritzventils zurück, wo es wieder reflektiert wird und sich durch den Kraftstoffdurchlass zu der Common Rail fortpflanzt. Daher pflanzt sich, wenn die Kraftstoffeinspritzung durchgeführt wird, die durch die Kraftstoffeinspritzung verursachte Druckwelle in dem Kraftstoffrohr vorwärts und rückwärts zwischen dessen beiden Enden fort. Dies verursacht ein Druckstoßphänomen, bei dem große Schwankungen in dem Druck in dem Kraftstoffrohr auftreten, wenn die Druckwelle passiert.

Wenn in jeder Kraftstoffeinspritzung ein Druckstoß auftritt, schwingen die die Common Rail und die jeweiligen Kraftstoffeinspritzventile verbindenden Kraftstoffrohre und erzeugen manchmal einen starken Lärm. Ferner kann die Druckschwankung die Kraftstoffeinspritzung nachteilig beeinflussen.

Beispielsweise wird in einigen Dieselkraftmaschinen eine Kraftstoffvoreinspritzung, bei der eine geringe Menge von Kraftstoff vor einer Kraftstoffhaupteinspritzung in eine Brennkammer eingespritzt wird, durchgeführt, um ein Verbrennungsgeräusch zu verringern. Da jedoch das Intervall zwischen der Kraftstoffvoreinspritzung und der Kraftstoffhaupteinspritzung für gewöhnlich klein ist, muss die Kraftstoffhaupteinspritzung durchgeführt werden, bevor die durch die Kraftstoffvoreinspritzung verursachte Kraftstoffdruckschwankung schwächer wird. Wenn in diesem Fall die an dem Common-Rail-Ende des Kraftstoffrohrs reflektierte Druckwelle an dem Kraftstoffeinspritzventil ankommt, wenn die Kraftstoffhaupteinspritzung durchgeführt wird, kann die gewünschte Kraftstoffeinspritzmenge und Einspritzrate der Kraftstoffhaupteinspritzung nicht erhalten werden, da der Kraftstoffeinspritzdruck schwankt, wenn die Druckwelle ankommt.

Um das vorstehende Problem zu lösen, schlägt beispielsweise die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 10-30521 ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem vor, das mit Einrichtungen zum Unterdrücken der Druckschwankung in dem Kraftstoffeinspritzrohr versehen ist.

Das Kraftstoffeinspritzsystem in der '521-Veröffentlichung ist mit einer Pulsationsabschwächungseinrichtung ausgestattet, die eine Dämpfungskammer mit einem ziemlich großen Volumen hat. Diese Dämpfungskammer ist mit den Kraftstoffrohren zwischen der Common Rail und dem Kraftstoffeinspritzventil über ein Abzweigrohr verbunden. Durch Verbinden der Dämpfungskammer mit dem Kraftstoffrohr wird die Druckschwankungsmagnitude in dem Kraftstoffrohr aufgrund des Vorhandenseins des Puffervolumens der Dämpfungskammer abgeschwächt. Mit anderen Worten, da die Dämpfungskammer als ein Dämpfer wirkt, der die Schwankung des Kraftstoffdrucks in der '521-Veröffentlichung abschwächt, wird die Schwankung des Drucks in dem Kraftstoffrohr unterdrückt. Das Kraftstoffeinspritzsystem in der '521-Veröffentlichung verwendet eine Dämpfungskammer, die eine Dämpfungskammer der Puffervolumenbauart ist. Daher ist es schwierig, die Schwankung des Drucks auf das Niveau zu unterdrücken, das zum Verhindern der nachteiligen Wirkung an der Kraftstoffeinspritzung erforderlich ist, obwohl das System in der '521-Veröffentlichung die Pulsation des Kraftstoffdrucks auf das Niveau unterdrücken kann, das zum Verhindern der Schwingung und des Geräusches der Kraftstoffrohre erforderlich ist.

Bei einem Dämpfer der Puffervolumenbauart, wie z. B. die Dämpfungskammer der '521-Veröffentlichung, tritt ein Druckunterschied über das Abzweigungsrohr auf, wenn die Druckwelle das Abzweigungsrohr passiert. Somit strömt Kraftstoff durch das Abzweigungsrohr in die Dämpfungskammer und das Kraftstoffrohr hinein und davon hinaus, wenn die Druckwelle das Abzweigungsrohr passiert. Die Druckschwankungsmagnitude wird durch diese Strömung in das Abzweigungsrohr abgeschwächt. Bei dieser Bauweise des Dämpfungssystems ist es jedoch schwierig, die Schwankungsmagnitude ausreichend zu verringern.

Ferner ist die Schwankungsmagnitude, d. h. die Druckwellenamplitude, in der durch den Druckabfall zum Beginn der Kraftstoffeinspritzung direkt erzeugten Unterdruckwelle am größten. Wie später beschreiben wird, wird diese Unterdruckwelle in eine Überdruckwelle umgewandelt, wenn sie an dem Common-Rail-Ende des Fluidrohrs, durch Umdrehen der Phase reflektiert wird und zu dem Kraftstoffeinspritzventil zurückkehrt. Um die Amplituden dieser großen Über- oder Unterdruckwellen auf ein Niveau abzuschwächen, das zum Verhindern der nachteiligen Wirkung bei der Kraftstoffeinspritzung ausreichend ist, muss das Volumen der Dämpfungskammer in der '521-Veröffentlichung stark erhöht werden. Dies verursacht, dass das Gewicht und der Raum zum Installieren des Kraftstoffeinspritzsystems stark ansteigen.

Weiterhin ist aus der nachveröffentlichten DE 101 05 031 A1 eine Vorrichtung zur Dämpfung von Druckpulsationen in Hochdruckeinspritzsystemen bekannt, die zwei Abzweigungsleitungen hat, die mit der Kraftstoffzufuhrleitung verbunden und durch Einwegventile verschlossen sind.

Die ebenso nachveröffentlichte DE 101 21 892 A1 zeigt eine einseitig verschlossene und an die Kraftstoffzufuhrleitung angeschlossene Abzweigleitung, die mit einer Drossel versehen ist. Dabei soll die Leitung als Drosselvolumen ausgebildet sein.

Gemäß der EP 1 030 052 A1 werden Druckwellen reflektiert und überlagert, indem Zusatzvolumina bereitgestellt werden, die die Amplitude beeinflussen.

DE 198 37 213 A1 und WO 96/29513 A1 zeigen Abzweigungsleitungen mit speziell ausgebildeten Leitungslängen für eine gezielte Interferenz der Druckwellen zur Verminderung der von der Einspritzung ausgelösten Druckwellen.

Zusammenfassung der Erfindung

Im Hinsicht auf die vorstehend dargelegten Probleme des Stands der Technik, ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Kraftstoffeinspritzsystem zu schaffen, das in der Lage ist, die Druckschwankung des Kraftstoffrohrs einschließlich der Schwankung aufgrund der ersten reflektierenden Druckwelle, die durch die Kraftstoffeinspritzung verursacht wurde, wirkungsvoll zu unterdrücken, ohne das Gewicht und den Installationsplatz zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird mit Kraftstoffeinspritzsystemen mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 2 gelöst.

Erfindungsgemäß wird die Druckschwankung an dem Kraftstoffeinspritzventil durch eine sogenannte "aktive Löschung" abgeschwächt. Bei der aktiven Löschung wird die durch die Kraftstoffeinspritzung verursachte Druckwelle an dem Verzweigungspunkt zunächst in so einer Weise in zwei Wellen abgelenkt, dass sie sich eine Welle durch den Kraftstoffzuführdurchlass zu der Common Rail fortpflanzt und sich die andere Welle durch den Abzweigungskraftstoffdurchlass zu dem geschlossenen Ende fortpflanzt. Die zwei Wellen reflektieren an den entsprechenden Enden der Durchlässe, d. h. an dem Common-Rail-Ende des Kraftstoffzuführdurchlasses und an dem geschlossenen Ende des Abzweigungskraftstoffdurchlasses. Die an den Enden der Durchlässe reflektierten Wellen pflanzen sich durch die entsprechenden Durchlässe zu dem Abzweigungspunkt fort. Abschwächungseinrichtungen ändern die Phase oder Amplitude der an dem geschlossenen Ende des Abzweigungskraftstoffdurchlasses reflektierten Druckwelle, so dass die an dem geschlossenen Ende des Abzweigungskraftstoffdurchlasses reflektierte Druckwelle die an dem Common-Rail-Ende des Hochdruckkraftstoffzuführdurchlasses reflektierte Druckwelle an dem Abzweigungspunkt überlagert. Durch diese Interferenz (Überlagerung), löschen sich die Wellen gegenseitig aus und die Amplitude der an dem Kraftstoffeinspritzventil ankommenden Welle nach der Vereinigung an dem Abzweigungspunkt ist relativ verringert.

Das Einwegventil nach Anspruch 1 verbindet den Abzweigungskraftstoffdurchlass mit der Common Rail, wenn der Druck in dem Abzweigungskraftstoffdurchlass höher als der Druck in der Common Rail ist. Daher wirkt durch Vorsehen des Einwegventils das geschlossene Ende des Abzweigungskraftstoffdurchlasses als ein offenes Ende, wenn eine Überdruckwelle (ein Druckanstieg) an dem geschlossenen Ende ankommt (d. h. wenn der Druck in dem Abzweigungskraftstoffdurchlass höher als der Druck in der Common Rail wird). Wenn eine Welle an einem offenen Ende reflektiert, wird die Phase der reflektierten Welle umgekehrt. Daher überlagert sie sich mit der Welle von dem Kraftstoffzuführdurchlass, wenn sie an dem Verzweigungspunkt C ankommt, so dass sich beide Wellen gegenseitig auslöschen.

Gemäß Anspruch 2 ist die Abschwächungseinrichtung ein Drosselventil zum Drosseln des Durchflusses in den Abzweigungskraftstoffdurchlass. Wenn die Amplitude einer Welle geändert wird, wenn sie die Drossel passiert oder daran reflektiert wird, wird die Amplitude der Wellen nach der Interferenz zwischen den Wellen an dem Abzweigungspunkt schnell abgeschwächt.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die vorliegenden Erfindung wird anhand der Beschreibung, wie sie im weiteren Verlauf dargelegt ist, unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besser verstanden, in denen:

1 ein schematisches Schaubild ist, das einen wesentlichen Aufbau eines Ausführungsbeispiels des Kraftstoffeinspritzsystems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wenn dies auf eine Dieselkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug angewendet wird;

2 eine schematische Zeichnung ist, die eine Anordnung eines Abzweigungsrohrs zeigt;

3 bis 7 verschiedenen Diagramme zeigen, die das in der vorliegenden Erfindung verwendete Abschwächungsprinzip für die Druckschwankung zeigen.

8 Diagramme zeigt, die die Abschwächung der Druckschwankung gemäß dem Ausführungsbeispiel aus 2 zeigen;

9 eine Zeichnung ist, die schematisch eine Anordnung eines Abzweigungsrohrs veranschaulicht, das sich von dem aus 2 unterscheidet;

10(A) bis (C) Diagramme sind, die die Reflektion von Druckwellen in den in 9 gezeigten Rohren veranschaulichen;

11 Diagramme zeigt, die die Abschwächung der Druckschwankung gemäß dem Ausführungsbeispiel aus 9 erklären, und

12 ein Beispiel eines gegenwärtigen Aufbaus eines Abzweigungsrohrs zeigt.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Im weiteren Verlauf werden unter Bezugnahme auf 1 bis 12 Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems beschrieben.

1 ist ein Diagramm, das den Aufbau eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung schematisch veranschaulicht, wenn dieses auf eine Automobildieselkraftmaschine angewendet wird.

In 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 eine Brennkraftmaschine. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine vierzylindrige Kraftfahrzeugdieselkraftmaschine mit vier Zylindern (#1 bis #4) für die Kraftmaschine 1 verwendet. Jeder der Zylinder #1 bis #4 ist mit einem Kraftstoffeinspritzventil (10a bis 10d aus 1) versehen, das Kraftstoff direkt in den Zylinder einspritzt. Jedes Kraftstoffeinspritzventil ist mit einem Behälter (einer Common Rail) 3 durch einen Kraftstoffdurchlass (einem Hochdruckkraftstoffrohr 11a bis 11d) verbunden. Die Common Rail 3 hat die Funktion, von einer Hochdruckkraftstoffeinspritzpumpe zugeführten druckbeaufschlagten Kraftstoff zu speichern und den Kraftstoff zu jedem der Kraftstoffeinspritzventile 10a bis 10d zu verteilen.

Die Hochdruckkraftstoffpumpe 5 ist in diesem Ausführungsbeispiel beispielsweise eine Plungerpumpe mit einem Kapazitätssteuermechanismus. Die Pumpe 5 beaufschlagt von einem Kraftstofftank (nicht gezeigt) zugeführten Kraftstoff mit Druck bis zu einem vorbestimmten Druck. Die Menge des zu der Common Rail 3 zugeführten Kraftstoffes wir durch eine elektronische Steuereinheit (ECU) 20 so rückkopplungsgeregelt, dass ein Druck in der Common Rail immer bei einem vorbestimmten Solldruck beibehalten wird. Daher kann der Kraftstoffdruck in der Common Rail 3 (d. h., der Kraftstoffdruck der Kraftstoffeinspritzventile 10a bis 10d) selbst dann auf einen hohen Wert gesetzt sein, wenn die Kraftmaschinendrehzahl niedrig ist. Ferner ändert sich der Kraftstoffdruck in der Common Rail 3 nicht stark, da das Volumen der Common Rail 3 viel größer als das Volumen des durch eine Kraftstoffeinspritzung eingespritzten Kraftstoffs ist, obwohl ein Teil des Kraftstoffs in der Common Rail 3 von der Common Rail 3 herausströmt, wenn Kraftstoff von den Kraftstoffventilen 10a bis 10d eingespritzt wird. Mit anderen Worten wird der Kraftstoffdruck in der Common Rail 3 (d. h. Kraftstoffeinspritzdruck) während der Kraftstoffeinspritzzeitspanne der entsprechenden Kraftstoffeinspritzventile 10a bis 10d im wesentlichen konstant beibehalten.

In 1 bezeichnet Bezugszeichen 20 eine elektronische Steuereinheit (ECU) 20, die die Kraftmaschine 1 steuert. Die ECU 20 kann als ein Mikrocomputer der bekannten Bauweise aufgebaut sein und ist mit einem Nur-Lese-Speicher (ROM) einem Direkt-Zugriffs-Speicher (RAM) und einer Mikroprozessoreinheit (CPU) versehen, die durch eine bidirektionalen Bus miteinander verbunden sind. Die ECU 20 in diesem Ausführungsbeispiel führt eine Kraftstoffdrucksteuerung aus, bei der der Common-Rail-Kraftstoffdruck auf einen durch die Kraftmaschinenbetriebszustände bestimmten Sollwert gesteuert werden, indem die Auslasskapazität der Hochdruckkraftstoffpumpe 5 eingestellt wird. Die ECU 20 führt ferner eine Grundsteuerung der Kraftmaschine, wie z. B. Kraftstoffeinspritzsteuerung aus, die die Kraftstoffeinspritzzeitgebung und Kraftstoffeinspritzmenge durch Einstellen einer Öffnungszeitgebung und Zeitspanne der entsprechenden Kraftstoffeinspritzventile 10a bis 10d steuert.

In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Kraftstoffdrucksensor 27 an der Common Rail 3 vorgesehen, um den Kraftstoffdruck in der Common Rail 3 zu erfassen. Ferner ist ein Gaspedalsensor 21 in der Nähe des Gaspedals (nicht gezeigt) der Kraftmaschine 1 vorgesehen, um einen Gaspedalöffnungsgrad (Betrag, um den das Gaspedal durch einen Fahrer des Fahrzeugs niedergedrückt wird) zu erfassen. Bezugszeichen 23 aus 1 ist ein Nockenwinkelsensor zum Erfassen des Drehphasenwinkels der Nockenwelle der Kraftmaschine 1 und Bezugszeichen 25 ist ein Kurbelwinkelsensor zum Erfassen des Drehphasenwinkel der Kurbelwelle der Kraftmaschine 1. Der Nockenwinkelsensor 23 ist nahe der Nockenwelle angeordnet und gibt alle 720 Grad der Kurbelwellendrehung Referenzimpulssignale aus. Der Kurbelwinkelsensor 25 ist in der Nähe der Kurbelwelle der Kraftmaschine 1 angeordnet und gibt beispielsweise alle 15 Grad der Kurbelwellendrehung ein Kurbelwinkelimpulssignal aus.

Die ECU 20 berechnet die Kraftmaschinendrehzahl aus dem Intervall des Kurbelwinkelimpulssignals von dem Kurbelwinkelsensor 25. Die ECU 20 berechnet ferner die Kraftstoffeinspritzzeitgebung und die Kraftstoffeinspritzmenge der Kraftstoffeinspritzventile 10a bis 10d auf Grundlage der berechneten Kraftmaschinendrehzahl und des durch den Gaspedalsensor 21 erfassten Gaspedalöffnungsgrads.

Da jedes bekannte Verfahren zum Berechnen der Kraftstoffeinspritzzeitgebung und der Kraftstoffeinspritzmenge in diesem Ausführungsbeispiel verwendet werden kann, wird auf eine ausführliche Beschreibung für die Berechnung der Kraftstoffeinspritzzeitgebung und -menge verzichtet.

Wenn Kraftstoff nicht eingespritzt wird, d. h. wenn das Kraftstoffeinspritzventil 10 geschlossen ist, ist das Hochdruckkraftstoffrohr 11 mit dem Hochdruckkraftstoff gefüllt, dessen Druck derselbe wie der des Kraftstoffs in der Common Rail 3 ist (im weiteren Verlauf werden die Kraftstoffeinspritzventile 10a bis 10d bzw. die Hochdruckkraftstoffrohre 11a und 11d allgemein als „das Kraftstoffeinspritzventil 10" bzw. „das Hochdruckkraftstoffrohr 11" bezeichnet). Wenn mit der Kraftstoffeinspritzung begonnen wurde und die Nadel des Kraftstoffeinspritzventils von dem Ventilsitz weggeschoben wurde, wird Hochdruckkraftstoff in dem Kraftstoffeinspritzventil durch die Einspritzöffnung von der Düsenkammer des Einspritzventils eingespritzt. Der plötzliche Verlust von Kraftstoff in der Düsenkammer verursacht einen schnellen Druckabfall in der Kammer. Dieser schnelle Druckabfall pflanzt sich als eine Druckwelle durch das Hochdruckkraftstoffrohr fort und erreicht das Common-Rail-Ende des Hochdruckkraftstoffrohrs. Die an dem Common-Rail-Ende ankommende Druckwelle wird an dem Eintritt zu der Common Rail 3 reflektiert und pflanzt sich wieder durch das Hochdruckkraftstoffrohr zu dem Kraftstoffeinspritzventil 10 fort. Für gewöhnlich erreicht die reflektierte Druckwelle die Düsenkammer, nachdem die Kraftstoffeinspritzung beendet wurde. Der Druck in der Düsenkammer schwankt stark, wenn die Druckwelle die Druckkammer erreicht.

Somit stimmt die Zeitgebung, wenn die durch eine Kraftstoffvoreinspritzung erzeugte Druckwelle die Düsenkammer erreicht, mit der Zeitgebung der Kraftstoffhaupteinspritzung überein, die Kraftstoffeinspritzrate und die Kraftstoffeinspritzmenge werden durch die Schwankung des Drucks in der Düsenkammer beeinträchtigt und in einigen Fällen wird es schwierig, die Kraftstoffhaupteinspritzung in Übereinstimmung mit dem Betriebszustand der Kraftmaschine zu steuern.

Dieses Ausführungsbeispiel verhindert das durch die Reflexion der Druckwelle verursachte Problem, indem Abzweigungsrohre 13a bis 13d (im Allgemeinen als „Abzweigungsrohre 13" bezeichnet) an den jeweiligen Hochdruckrohren vorgesehen sind.

2 zeigt schematisch einen allgemeinen Aufbau des Abzweigungsrohrs 13 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In 2 bezeichnen dieselben Bezugszeichen wie jene aus 1 die gleichen Teile wie jene aus 1.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Abzweigungsrohr (ein Abzweigungsdurchlass) 13 mit dem Hochdruckrohr 11 an einem Abzweigungspunkt C an dem Hochdruckrohr 11 verbunden. Ferner ist in diesem Ausführungsbeispiel das andere Ende B des Abzweigungsrohrs 13 über ein Ventil 15 mit der Common Rail 3 verbunden. Das Ventil 15 ist ein Einwegventil, das dem Kraftstoff ermöglicht, lediglich in der Richtung von dem Abzweigungsrohr 13 zu der Common Rail 3 durchzufließen. Mit anderen Worten kann das Ventil 15 als ein Rückschlagventil aufgebaut sein, das sich nur dann öffnet, wenn der Kraftstoffdruck in dem Abzweigungsrohr 13 höher als der Druck in der Common Rail 3 ist. Das in diesem Ausführungsbeispiel verwendete Ventil 15 ist von so einer Bauweise, dass es in der Lage ist, sich in Antwort auf den Druckunterschied zwischen dem Abzweigungsrohr 13 und der Common Rail 3 schnell zu öffnen und zu schließen.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Länge des Abschnitts 112 des Hochdruckrohrs 11 zwischen dem Abzweigungspunkt C und dem Common Rail Ende A (an dem das Hochdruckrohr 11 mit der Common Rail 3 verbunden ist) des Hochdruckrohrs 11 die gleiche wie die Länge des Abzweigungsrohrs 13 (d. h. die Rohrlänge zwischen der Abzweigung C und dem Ende B).

Ferner sind die Querschnittsfläche A1 des Abschnitts 111 des Hochdruckrohrs 11 von dem Abzweig C zu dem Kraftstoffeinspritzventil 10 und die Querschnittsfläche A2 des Abschnitts 112 des Hochdruckrohrs 11 und die Querschnittsfläche A3 des Abzweigungsrohrs 13 so gewählt, dass A1, A2 und A3 das Verhältnis A1 = A2 + A3 und, in diesem Ausführungsbeispiel, A2 = A3 = (A1)/2 erfüllen.

Wie später beschrieben wird, wird durch Setzen der Rohrquerschnittsflächen A1, A2, A3 wie vorstehend beschrieben, die an dem Kraftstoffeinspritzventil 10 erzeugte Druckwelle nur zu dem Rohrabschnitt 112 und im Abzweigungsrohr 13 abgelenkt, und wird nicht an dem Verzweigungspunkt C reflektiert.

In diesem Ausführungsbeispiel wird die Schwankung des Drucks durch eine „aktive Löschung" abgeschwächt. Im weiteren Verlauf wird das Prinzip der aktiven Löschung ausführlich mit Bezugnahme auf 3 und 4 beschrieben.

3 zeigt Diagramme, die auf vereinfachte Weise ein herkömmliches Hochdruckrohr 11 veranschaulichen. Wenn eine Kraftstoffeinspritzung an dem Kraftstoffeinspritzventil 10 durchgeführt wird, wird an dem Kraftstoffeinspritzventilende D des Rohrs 11 (Diagramm (1)) eine Unterdruckwelle mit einer Amplitude R erzeugt, die sich durch das Rohr 11 zu dem Common-Rail-Ende A des Rohrs 11 (Diagramm (2)) fortpflanzt. Diese Unterdruckwelle wird an dem Rohrende A reflektiert. Da das Rohrende A mit der Common Rail 3 verbunden ist, die ein relativ großes Volumen hat, wirkt das Rohrende A als ein „offenes Ende", wenn die Druckwelle reflektiert wird.

Daher wird, wenn die Unterdruckwelle an dem Rohrende A reflektiert wird, die Phase der Welle umgedreht und eine Überdruckwelle mit einer Amplitude R wird erzeugt (Diagramm (3)). Diese Überdruckwelle pflanzt sich durch das Hochdruckrohr 11 fort (Diagramm (4)) und erreicht das Kraftstoffeinspritzventil 10 (Diagramm (5)). Somit schwankt der Druck in dem Kraftstoffeinspritzventil 10 stark, wenn die reflektierte Überdruckwelle ankommt.

4 zeigt Diagramme, die ähnlich wie jene aus 3 sind, welche die Abschwächung der Druckschwankung veranschaulichen, wenn das Abzweigungsrohr 13 vorgesehen ist.

In 4 ist das Rohrende B des Abzweigungsrohrs als ein „geschlossenes Ende" dargestellt, um die Erklärung der aktiven Löschung zu vereinfachen.

Wenn das Abzweigungsrohr 13 vorgesehen ist, pflanzt sich die an dem Kraftstoffeinspritzventilrohrende D erzeugte Unterdruckwelle durch das Hochdruckrohr 11 fort (Diagramm (1) aus 4). Diese Unterdruckwelle wird an dem Abzweigungspunkt C (Diagramm (2) aus 4) in zwei getrennte Druckwellen abgelenkt. In diesem Fall sind beide Druckwellen Unterdruckwellen (Druckabfall) mit derselben Amplitude wie der Amplitude R der ursprünglichen Druckwelle. Eine der abgelenkten Wellen pflanzt sich durch den Abschnitt 112 des Hochdruckrohrs als eine Unterdruckwelle mit der Amplitude R fort. Die andere der abgelenkten Wellen pflanzt sich durch das Abzweigungsrohr 13 als eine Unterdruckwelle mit der Amplitude R fort. Wenn die Unterdruckwelle an dem Rohrende A (dem offenen Ende) des Abschnitts 112 des Hochdruckrohrs 13 ankommt, wird die Welle an dem Rohrende A reflektiert und da die Phase der Welle durch die Reflektion umgedreht wird, wird sie eine Überdruckwelle (ein Druckanstieg) mit einer Amplitude R (Diagramm (3) aus 4). Andererseits ändert sich die durch das Abzweigungsrohr 13 fortpflanzende Unterdruckwelle ihre Phase nicht (Diagramm (3) aus 4), da das Rohrende B ein geschlossenes Ende ist. Daher ist die an dem Rohrende B reflektierte Druckwelle eine Unterdruckwelle mit der Amplitude R.

Die Länge des Abschnitts 112 des Hochdruckrohrs 11 ist dieselbe wie die Länge des Abzweigungsrohrs 13 in diesem Ausführungsbeispiel. Daher kommen die an dem Rohrende A reflektierte Welle und die am Rohrende B reflektierte Welle gleichzeitig an dem Verzweigungspunkt C an (Diagramm (4) aus 4)). Somit treffen sich die Wellen mit umgekehrten Phasen aber mit den gleichen Amplituden an dem Verzweigungspunkt C und löschen sich gegenseitig aus und daher pflanzt sich von dem Verzweigungspunkt C zu dem Kraftstoffeinspritzventil 10 keine Druckwelle fort (Diagramm (5) aus 4). Mit anderen Worten tritt in diesem Ausführungsbeispiel die Druckschwankung aufgrund der ersten Reflektion der Druckwelle an dem Kraftstoffeinspritzventil nicht auf.

Bei der gegenwärtigen Kraftmaschine verschwinden die an dem Rohrende A reflektierende Welle und die an dem Rohrende C reflektierende Welle aufgrund der Interferenz jedoch nicht vollständig. Beispielsweise wird die sich von dem Rohrende A zu dem Rohrende D fortpflanzende Überdruckwelle an dem Verzweigungspunkt C in dem gegenwärtigen Kraftstoffdurchlass in zwei Überdruckwellen geteilt und eine der geteilten Wellen pflanzt sich durch das Abzweigungsrohr zu dem Rohrende D fort. Ferner wird die sich von dem Rohrende B zu der Verzweigung C fortpflanzende Unterdruckwelle an der Verzweigung C in zwei Unterdruckwellen geteilt und eine der Wellen pflanzt sich durch den Abschnitt 112 von der Verzweigung C zu dem Rohrende A fort. Diese Wellen reflektieren wiederum an den Rohrenden A und B, d. h. es treten zweite Reflektionen auf.

5 zeigt Diagramme, die ein Beispiel des Verfahrens zum Berechnen der Amplitude einer an der Verzweigung C durch die Interferenz der wie vorstehend beschrieben reflektierten Wellen erzeugten aufgebauten Welle veranschaulicht. In 5 wird angenommen, dass sich die Amplitude der Welle aufgrund der Reflektion nicht abschwächt, um die Erklärung zu vereinfachen.

In 5 bezeichnen die Pfeile den Fortpflanzungspfad der Wellen, die unter den Pfadpfeilen angezeigten, Bezugszeichen (wie z. B. –R) bezeichnen die Amplituden der sich durch die entsprechenden Pfade fortpflanzenden Druckwellen. In dieser Patentbeschreibung bedeutet "eine Druckwelle mit einer Amplitude +R" einen Druckanstieg der Amplitude R, die sich entlang des Strömungspfads fortpflanzt und "eine Druckwelle mit einer Amplitude –R" bedeutet einen Druckabfall einer Amplitude R, die sich entlang des Strömungspfads fortpflanzt. Das Diagramm (1) aus 5 zeigt die Amplituden der entsprechenden Pfade in der ersten Reflektion die schon in 4 beschrieben sind.

Wie in Diagramm (1) aus 5 gezeigt ist, ist nämlich die Amplitude der Welle, die an dem Punkt D erzeugt wird und den Abschnitt 112 des Hochdruckrohrs 11 an der Verzweigung C betritt und zu der Verzweigung C zurückkehrt, nachdem sie an dem Punkt A reflektiert wurde, (entlang dem Pfad D → C → A → C) –R (d. h. eine Unterdruckwelle) an den Pfaden D → C und C → A, und +R (d. h. eine Überdruckwelle) an dem Pfad A → C. Auf ähnliche Weise beträgt, wie in Diagramm (1) aus 5 gezeigt ist, die Amplitude der Welle, die an dem Punkt D erzeugt wird und das Abzweigungsrohr 13 von der Abzweigung C betritt und zu der Abzweigung C zurückkehrt, nachdem sie an dem Punkt B reflektiert wurde (der Pfad D → C → B → C) –R an allen Pfaden D → C, C → B und B → C. Daher löschen sich die an den ersten Reflektionen erzeugten Druckwellen an der Verzweigung C und es pflanzt sich keine Druckwelle durch den Pfad C → D in den ersten Reflektionen der Druckwellen fort.

Jedoch wird in den zweiten Reflektionen der Druckwellen die an dem Punkt B in der ersten Reflektion reflektierte Druckwelle (der Pfad B → C in dem Diagramm (1) aus 5) in zwei Wellen abgelenkt und eine von diesen mit einer Amplitude –R tritt in den Abschnitt 112 des Hochdruckrohrs 11 ein und wird ferner an dem Punkt A (oberer Abschnitt aus Diagramm (2) aus 5) reflektiert. Somit gibt es eine Druckwelle, die durch den Pfad B → C → A → C an dem Punkt C ankommt. Auf ähnliche Weise kommt die an dem Punkt A in der ersten Reflektion reflektierten Druckwelle durch den Pfad A → C → B → C an dem Punkt C an.

Die Amplituden der an der Abzweigung C ankommenden Druckwellen aufgrund der zweiten Reflektionen sind, wie dies in dem Diagramm (2) aus 5 angezeigt ist, –R, –R, +R an den Pfaden B → C, C → A bzw. A → C und +R, +R, +R an den Pfaden A → C → B → C. Folglich wird durch die zweite Reflektion der Wellen an dem Punkt C eine Druckwelle mit einer Amplitude +2R aufgebaut und pflanzt sich von Punkt C zu dem Punkt D fort.

Folglich kommt, wenn das Abzweigungsrohr mit lediglich einem geschlossenen Ende B vorgesehen ist, die aufgebaute Druckwelle, die die zweifache Amplitude der ursprünglichen Welle (+2R) hat, an dem Punkt C an, obwohl die Pulsation in dem Kraftstoffeinspritzventil durch die erste Reflektion der Druckwelle unterdrückt werden kann. Dies verursacht, dass die Magnitude der Pulsation der Druckwelle an dem Kraftstoffeinspritzventil 10 auf einen Wert ansteigt, der nahezu zweimal dem Wert der durch die Kraftstoffeinspritzung erzeugten Druckwelle entspricht.

Obwohl die Berechnung der Amplituden der reflektierten Druckwellen in 4 und 5 vereinfacht sind, ist die tatsächliche Berechnung der Amplituden der Druckwellen, wenn das Abzweigungsrohr 13 vorhanden ist, komplizierter.

6 veranschaulicht die gegenwärtigen Änderungen in den Amplituden an der an dem Verzweigungspunkt geteilten Druckwellen. Bei 6 wird angenommen, dass ein Strömungsdurchlass I mit einer Querschnittsfläche A1 in einen Strömungsdurchlass II mit einer Querschnittsfläche A2 und einen Strömungsdurchlass III auseinanderläuft. Wenn eine sich durch den Durchlass I hindurch fortpflanzende Druckwelle mit einer Amplitude F1 an dem Verzweigungspunkt in den Strömungsdurchlässen aus 6 ankommt, wird die Druckwelle in zwei Wellen geteilt, d. h. in eine sich durch die Durchlässe II hindurch fortpflanzende Druckwelle mit einer Amplitude F2 und in eine sich durch den Durchlass III hindurch fortpflanzende Druckwelle mit einer Amplitude F3.

Außerdem wird die Druckwelle an dem Verzweigungspunkt reflektiert und erzeugt eine Druckwelle mit einer Amplitude f1, die sich durch den Durchlass I in der Gegenrichtung fortpflanzt.

Wie in 6 gezeigt ist, erzeugt nämlich die sich durch den Durchlass 1 fortpflanzende Druckwelle die folgenden drei Wellen an dem Verzweigungspunkt.

Eine an dem Verzweigungspunkt auseinandergehende Druckwelle mit eine Amplitude F2, die sich durch den Durchlass II fortpflanzt;

Eine an dem Verzweigungspunkt auseinandergehende Druckwelle mit einer Amplitude F3, die sich durch den Durchlass III fortpflanzt; und

Eine an dem Verzweigungspunkt reflektierte Druckwelle mit einer Amplitude f1, die sich durch den Durchlass I in der Gegenrichtung fortpflanzt.

Wenn elastische Verformungen der Strömungsdurchlässe (Rohre) ignoriert werden, können die Amplituden F2, F3, f1 durch die Querschnittsflächen A1, A2, A3 und die Amplitude F1 ausgedrückt werden. F2 = F3 = F1 × 2A1/(A1 + A2 + A3)(1) f1 = F1 × (A1 – A2 – A3)/(A1 + A2 + A3)(2)

Wie in 2 erklärt ist, sind die Querschnittsflächen der jeweiligen Durchlässe so gewählt, dass in diesem Ausführungsbeispiel die Verhältnisse A2 = A3 = (A1)/2 erfüllt sind. Daher werden in diesem Ausführungsbeispiel F2 und F3 gleich wie F1 und f1 = 0. Wenn nämlich A2 = A3 = (A1)/2 ist, wird durch die Reflektion an der Verzweigung C keine Druckwelle erzeugt.

Als nächstes wird ein Fall betrachtet, in dem eine Druckwelle an der Verzweigung C aus 2 von dem Rohrabschnitt 112 oder dem Abzweigungsrohr 13 ankommt, nachdem sie an den Rohrenden A oder B reflektiert wurden. Dieser Fall entspricht dem Fall, in dem eine Druckwelle an dem Verzweigungspunkt aus 6 von dem Durchlass II ankommt. Daher werden die Amplituden der von dem Verzweigungspunkt auseinandergehenden oder der davon reflektierten Wellen durch die Formeln (1) und (2) unter Verwendung des Verhältnisses A1 = (A2)/2 = A3 berechnet. In diesem Fall werden, wie dies durch die Formeln (1) und (2) berechnet wird, die Amplituden der beiden an dem Verzweigungspunkt C auseinandergehenden Wellen 0,5 mal der Amplitude der an dem Punkt C ankommenden ursprünglichen Welle und die Amplitude an dem Punkt C reflektierenden Welle wird –0,5 mal der Amplitude der an dem Punkt C ankommenden ursprünglichen Welle.

Zusammengefasst sind die Prinzipien der Reflektion und des Auseinandergehens an den jeweiligen Punkten aus 2 folgendermaßen.

  • a) Wenn sich eine an dem Punkt D erzeugte Welle mit einer Amplitude +R durch das Hochdruckrohr 111 fortpflanzt und an dem Verzweigungspunkt C ankommt, geht sie in eine Welle mit einer Amplitude +R, die sich durch den Rohrabschnitt 112 zu dem Rohrende A fortpflanzt und in eine Welle mit einer Amplitude +R die sich durch das Verzweigungsrohr 13 zu dem Rohrende B fortpflanzt, auseinander. An dem Verzweigungspunkt C wird keine Welle durch Reflektion erzeugt.
  • b) Wenn eine sich von dem Punkt A durch den Rohrabschnitt 112 mit einer Amplitude +R fortgepflanzte Welle an dem Punkt C ankommt, geht sie an dem Punkt C in eine Welle mit einer Amplitude +0,5R, die sich durch das Hochdruckrohr 111 zu dem Punkt D fortpflanzt und in eine Welle mit einer Amplitude +0,5R, die sich durch das Verzweigungsrohr 13 zu dem Punkt B fortpflanzt, auseinander, und zusätzlich wird eine weitere Welle mit einer Amplitude –0,5R durch Reflektion an dem Punkt C erzeugt und kehrt durch den Rohrabschnitt 112 zu dem Punkt A zurück.
  • c) Wenn sich eine von dem Punkt B durch das Abzweigungsrohr 13 mit einer Amplitude R fortgepflanzte Welle, an dem Punkt C ankommt, geht sie an dem Punkt C in eine Welle mit einer Amplitude +0.5R, die sich durch das Hochdruckrohr 111 zu dem Punkt D fortpflanzt und in eine Welle mit einer Amplitude +0,5R, die sich durch den Rohrabschnitt 112 zu dem Punkt A fortpflanzt, auseinander und zusätzlich wird eine weitere Welle mit einer Amplitude –0,5R durch die Reflektion an dem Punkt C erzeugt und kehrt durch das Abzweigungsrohr 13 zu dem Punkt B zurück.

Die Diagramme (1) bis (4) aus 7 zeigen die Berechnung der Amplituden der zu dem Punkt D zurückkehrenden Wellen, wobei das Abzweigungsrohr 13 (in diesem Fall wird auch dessen Ende B als ein geschlossenes Ende betrachtet) das Auseinandergehen und die Reflektion an dem Verzweigungspunkt C berücksichtigt.

Das Diagramm (1) aus 7 zeigt die Interferenz der durch die ersten Reflektionen an dem Punkten A und B erzeugten Wellen.

Wie in dem Diagramm (1) gezeigt ist, geht die an dem Punkt D erzeugte Welle mit einer Amplitude –R in zwei sich durch das Rohr 112 und das Abzweigungsrohr 13 hindurch fortpflanzende Wellen mit den Amplituden –R an dem Punkt C auseinander. In diesem Fall wird an dem Punkt C keine Welle durch Reflektion erzeugt (das vorstehend erklärte Prinzip a).

Die sich durch das Rohr 112 fortpflanzende Welle wird an dem Punkt A (ein offenes Ende) reflektiert und dessen Phase wird umgedreht, d. h. ihre Amplitude ändert sich von –R zu +R, wenn sie zu dem Punkt C zurückkehrt. Andererseits ändert die an dem Punkt B (ein geschlossenes Ende) des Abzweigungsrohrs reflektierte Welle ihre Phase nicht. Daher beträgt die Amplitude der zu dem Punkt C durch das Abzweigungsrohr 13 zurückkehrende Welle –R. Folglich kommen eine Welle mit einer Amplitude +R und eine Welle mit einer Amplitude –R zur selben Zeit an dem Punkt C an und löschen sich gegenseitig aus. Daher werden die Wellen an dem Punkt C verringert und an dem Punkt C kommt kein Druck durch die ersten Reflektionen an.

Das Diagramm (2) aus 7 zeigt die Interferenz der durch die zweiten Reflektionen an den Punkten A und B erzeugten Wellen.

In diesem Fall kommen beispielsweise zwei Wellen an dem Rohrende A gleichzeitig an. Die eine ist eine sich durch den Pfad A → C → A fortpflanzende Welle (d. h. die Welle wird zunächst an dem Punkt A reflektiert und wird dann an dem Punkt C weiter reflektiert) und die andere ist eine sich durch den Pfad B → C → A hindurch fortpflanzende Welle (d. h. die Welle wird zunächst an B reflektiert und betritt dann das Rohr 112 an dem Punkt C). Diese beiden Wellen überlagern sich miteinander und werden an dem Punkt A reflektiert (das Diagramm (2), A in der zweiten Spalte von links).

Die Amplitude der an dem Punkt A ankommenden Welle nachdem sie den Pfad A → C → A gefolgt ist, beträgt –0,5R, wie dies vorstehend durch das Prinzip b) erklärt wurde. Ferner beträgt die Amplitude der an dem Punkt A ankommenden Welle, nachdem sie dem Pfad B → C → A gefolgt ist, –0,5R. Folglich wird die Amplitude der an dem Punkt A ankommenden aufgebauten Welle –R = (–0,5R) + (–0,5R). Diese Welle mit einer aufgebauten Amplitude –R wird an dem Punkt A (ein offenes Ende) reflektiert und, da deren Phase durch die Reflektion an dem Punkt A umgekehrt wird, hat die Welle die Amplitude +R, wenn sie an dem Punkt C ankommt, nachdem sie an den Punkt A reflektiert wurde.

Auf ähnliche Weise kommen eine Welle, die dem Pfad B → C → B folgt und eine Amplitude –0,5R hat und eine Welle, die dem Pfad A → C → B folgt und eine Amplitude +0,5R hat, gleichzeitig an dem Punkt B an. Daher wird eine Welle mit einer zusammengesetzten Amplitude +R == (+0,5R) + (+0,5R) an dem Punkt B reflektiert. Da der Punkt B ein geschlossenes Ende ist, wird die Phase der Welle durch die Reflektion nicht geändert. Daher beträgt die Amplitude der an dem Punkt C ankommenden Welle, nachdem sie an dem Punkt B reflektiert wurde, +R.

Somit kommen, wie in Diagramm (2) aus 7 gezeigt ist (die dritte Spalte von links), Wellen, die jeweils eine Amplitude +R haben, an dem Punkt C von den Punkten A und B nach der zweiten Reflektion an den Punkten A und B gleichzeitig an. An dem Punkt C gehen die jeweiligen Wellen in zwei Wellen auseinander und die Amplitude der sich zu dem Punkt D fortpflanzenden Welle wird 0,5 mal der ursprünglichen Amplitude (das vorstehend erklärte Prinzip b) und c)). Folglich beträgt die aufgebaute Amplitude der von dem Punkt C an dem Punkt D (Kraftstoffeinspritzventil 10) ankommenden Wellen +R = 0,5R + 0,5R. Dies bedeutet, dass ein reines Abzweigungsrohr mit einem geschlossenen Ende eine durch die zweite Reflektion verursachte große Druckschwankung nicht unterdrücken kann.

Diagramme (3) und (4) veranschaulichen die Interferenz der durch die dritten und vierten Reflektionen an den Punkten A und B erzeugten Wellen.

Bei den dritten Reflektionen hat die an dem Punkt A entlang des Pfads A → C → A ankommende Welle eine Amplitude von –0,5R und die an dem Punkt A entlang des Pfades B → C → A ankommende Welle hat eine Amplitude von +0,5R. Daher überlagern sich beide Wellen an dem Punkt A und löschen sich gegenseitig aus, d. h. es pflanzt sich nach der dritten Reflektion (Diagramm (3) aus 7) keine Welle von den Punkten A bis C fort.

Auf gleiche Weise hat die an dem Punkt B entlang B → C → B ankommende Welle eine Amplitude von –0,5R und die an dem Punkt B entlang des Pfads A → C → B ankommende Welle hat eine Amplitude von +0,5R. Daher pflanzt sich wiederum nach der dritten Reflektion keine Welle von den Punkten B bis C fort. Somit tritt an dem Punkt D (Kraftstoffeinspritzventil 10) (Diagramm (3) aus 7) keine Druckschwankung aufgrund der dritten Reflektionen auf.

Da nach den dritten Reflektionen keine Welle zu den Punkten A und B zurückkehrt, tritt an den Punkten B keine vierte Reflektion auf. Daher pflanzt sich nach der dritten Reflektion (Diagramm (4) aus 7) keine Druckschwankung zu dem Punkt D fort.

Es wird aus der vorstehenden Beschreibung verstanden werden, dass obwohl die durch die erste Reflektion sowie die durch Reflektionen dritter und höherer Ordnungen erzeugten Druckschwankungen an dem Kraftstoffeinspritzventil unterdrückt werden können, die an dem Kraftstoffeinspritzventil aufgrund der zweiten Reflektionen auftretende große Druckschwankung nicht durch ledigliches Anordnen eines Abzweigungsrohrs mit einem geschlossenen Ende unterdrückt werden können.

Daher kann in diesem Fall die durch eine Kraftstoffvoreinspritzung verursachte Kraftstoffdruckschwankung die Kraftstoffhaupteinspritzung nachteilig beeinflussen.

Unter Berücksichtigung der vorstehend beschriebenen Tatsache, unterdrückt das vorliegende Ausführungsbeispiel die an den zweiten Reflektionen auftretende Druckschwankung auf die folgende Art und Weise.

Wie in 2 erklärt ist, ist das Rohrende B des Abzweigungsrohrs 13 in diesem Ausführungsbeispiel nicht lediglich ein geschlossenes Ende sondern ist über das Rückschlagventil 15 mit der Common Rail 3 verbunden. Das Rückschlagventil 15 aus diesem Ausführungsbeispiel öffnet sich, um das Abzweigungsrohr 13 mit der Common Rail zu verbinden, die als eine Volumenkammer wirkt, wenn der Druck in dem Abzweigungsrohr höher als der Druck in der Common Rail 3 ist.

Daher öffnet sich das Rückschlagventil 15, wenn eine Überdruckwelle (ein Druckanstieg) an dem Rohrende B ankommt. Wenn sich das Rückschlagventil 15, öffnet, wirkt das Rohrende B als ein offenes Ende und daher wird die Phase der Druckwelle umgekehrt und die Überdruckwelle wird nach Reflektion an dem Rohrende B in eine Unterdruckwelle (einen Druckabfall) umgewandelt.

Andererseits öffnet sich das Rückschlagventil 15 nicht, wenn an dem Rohrende B eine Unterdruckwelle ankommt, da in diesem Fall der Druck in dem Abzweigungsrohr 14 nicht höher als der Druck in der Common Rail 3 wird. Daher wirkt das Rohrende B als ein geschlossenes Ende, wenn an dem Rohrende eine Unterdruckwelle ankommt und somit bleibt die Unterdruckwelle nach Reflektion an dem Rohrende B eine Unterdruckwelle.

Mit anderen Worten ist eine Druckwelle nach Reflektion an dem Rohrende B aufgrund des Rückschlagventils 15 an dem Rohrende B immer eine Unterdruckwelle.

8 zeigt Diagramme, die ähnlich zu jenen aus 7 sind, welche den Zustand der an dem Punkt D (dem Kraftstoffeinspritzventil 10) aus diesem Ausführungsbeispiel ankommenden Druckwelle veranschaulicht.

Das Diagramm (1) aus 8 zeigt den Zustand der an dem Punkt D nach den ersten Reflektionen ankommenden Welle. Ähnlich wie in dem Diagramm (1) aus 7 kommt in diesem Ausführungsbeispiel aufgrund der ersten Reflektionen an dem Punkt D keine Welle an.

Das Diagramm (2) veranschaulicht den Zustand der durch die zweiten Reflektionen verursachten Wellen. Da in diesem Fall die an dem Punkt reflektierte Druckwelle immer eine Unterdruckwelle wird, überlagern sie sich an dem Punkt C mit der an dem Ende A reflektierten Welle und löschen sich gegenseitig aus. Daher tritt in diesem Ausführungsbeispiel aufgrund der Reflektionen der Druckwellen an dem Kraftstoffeinspritzventil überhaupt keine Druckschwankung auf. Daher ist es möglich, zu verhindern, dass eine Druckschwankung aufgrund der Kraftstoffvoreinspritzung die Kraftstoffhaupteinspritzung nachteilig beeinflusst.

Als nächstes wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 9 beschrieben.

Wie aus 9 ersichtlich ist, unterscheidet sich dieses Ausführungsbeispiel von dem Ausführungsbeispiel aus 7 darin, dass das Rohrende als ein geschlossenes Ende ausgebildet ist und nicht mit der Common Rail 3 verbunden ist. Wie vorstehend erklärt wurde, tritt eine große Druckschwankung an dem Kraftstoffeinspritzventil aufgrund der zweiten Reflektionen der Druckwellen auf, wenn lediglich ein Abzweigungsrohr mit einem geschlossenen Ende vorgesehen ist. Um diese Druckschwankung zu unterdrücken, ist in diesem Ausführungsbeispiel an dem Abzweigungsrohr 13 in der Nähe des Punkt C eine Drosselstelle 17 angeordnet. In 9 hat der Abschnitt 112 des Hochdruckrohrs zwischen dem Abzweigungspunkt C und dem Punkt A, an dem es an der Common Rail 3 angeschlossen ist, eine Querschnittsfläche A2 und das Verhältnis zwischen der Fläche A2 und der Fläche A3 der Öffnung der Drosselstelle 17 beträgt 4 zu 1 (d. h. A2 = 4 × A3). Ferner ist die Querschnittsfläche A1 des Abschnitts 111 des Hochdruckrohrs zwischen dem Abzweigungspunkt C und dem Punkt D (dem Kraftstoffeinspritzventil) so gewählt, dass das Verhältnis A1 = A2 + A3 erfüllt ist.

Die Diagramme (A) bis (C) aus 10 zeigen die Amplituden der den Punkt C passierenden oder daran reflektierten Druckwellen, die durch die vorstehend erklärten Formeln (1) und (2) und die Verhältnisse A2 = 4 × A3 und A1 = A2 + A3 berechnet wurden.

Wie in den Diagrammen (A) bis (C) gezeigt ist, folgen die den Punkt C passierenden oder daran reflektierten Druckwellen den Prinzipien (A'), (B') und (C'), wie dies nachstehend erklärt ist.

  • (A') Wenn eine Druckwelle mit einer Amplitude +R von dem Punkt D durch das Rohr 111 an dem Abzweigungspunkt C ankommt, geht sie in zwei Wellen auseinander, die jeweils eine Amplitude +R an dem Verzweigungspunkt C haben und eine Welle pflanzt sich in dem Rohr 112 zu dem Punkt A fort, während sich die andere Welle durch das Abzweigungsrohr 13 zu dem Rohrende B fortpflanzt. Durch die Reflektion an dem Verzweigungspunkt C wird keine Druckwelle erzeugt.
  • (B') Wenn eine Druckwelle mit einer Amplitude +R von dem Punkt A durch das Rohr 112 an dem Verzweigungspunkt C ankommt, geht sie an dem Punkt C in zwei Wellen auseinander, d. h. in eine Welle mit einer Amplitude von +0,8R, die sich durch das Rohr 111 zu dem Punkt D fortpflanzt und in eine andere Welle mit einer Amplitude von +0,8R, die sich durch das Abzweigungsrohr 13 zu dem Punkt B fortpflanzt. Zusätzlich wird durch Reflektion an dem Punkt C eine Welle mit einer Amplitude von –0,2R erzeugt und kehrt durch das Rohr 112 zu dem Punkt A zurück.
  • (C') Wenn eine Druckwelle mit einer Amplitude +R von dem Punkt D durch das Abzweigungsrohr an dem Verzweigungspunkt C ankommt, geht sie an dem Punkt C in zwei Wellen auseinander, wobei die eine eine Welle mit einer Amplitude von +0,2R ist, die sich durch das Rohr 111 zu dem Punkt D fortpflanzt und die andere eine Welle mit einer Amplitude von +0,2R ist, die sich durch das Rohr 112 zu dem Punkt A fortpflanzt. Zusätzlich wird durch die Reflektion an dem Punkt C eine Welle mit einer Amplitude von –0,8R erzeugt und kehrt durch das Abzweigungsrohr 13 zu dem Punkt B zurück.

11 ist eine zu 7 ähnliche Zeichnung, die Diagramme zeigt, welche das Unterdrücken der an dem Punkt D (Kraftstoffeinspritzventil 10) nach entsprechenden Reflektionen ankommenden Wellen veranschaulicht.

Das Diagramm (1) aus 11 zeigt den Zustand der Wellen nach den ersten Reflektionen. In diesem Fall wird die Druckwelle mit einer Amplitude –R an dem Punkt D erzeugt und, wenn sie an dem Verzweigungspunkt C ankommt, geht sie in zwei Wellen auseinander, die jeweils eine Amplitude –R haben und sich durch das Rohr 112 und das Abzweigungsrohr 13 fortpflanzen. An dem Punkt C wird durch Reflektion keine Welle erzeugt (das vorstehende Prinzip A').

Diese Wellen pflanzen sich durch die jeweiligen Rohre 112 und 13 hindurch fort und reflektieren an den Rohrenden A (ein offenes Ende) und B (ein geschlossenes Ende). Die an dem Rohrende A (ein offenes Ende) reflektierte Welle kehrt durch das Rohr 112 als eine Welle mit einer umgekehrten Amplitude +R zu dem Punkt C zurück und die an dem Rohrende B reflektierte Welle kehrt durch das Abzweigungsrohr 13 als eine Welle mit einer Amplitude –R zu dem Punkt C zurück.

Wenn die Welle mit einer Amplitude +R durch das Rohr 112 an dem Punkt C ankommt, passiert eine Welle mit einer Amplitude von +0,8R den Punkt C und pflanzt sich durch den Rohrabschnitt 111 zu dem Punkt D fort (das vorgenannte Prinzip B').

Wenn auf gleiche Weise die Welle mit einer Amplitude –R an dem Punkt C durch das Abzweigungsrohr 13 ankommt, passiert eine Welle mit einer Amplitude von –0.2R den Punkt C und pflanzt sich durch den Rohrabschnitt 111 zu dem Punkt D fort (das vorgenannte Prinzip C').

Daher ist die Amplitude der an dem Punkt D ankommenden Welle eine Summe aus diesen Amplituden, d. h. an dem Punkt D kommt eine aufgebaute Welle mit einer Amplitude von +0,6R an.

Bei diesem Ausführungsbeispiel tritt nämlich ein Druckanstieg mit einer Magnitude von 0,6R (R ist eine Magnitude des durch die Kraftstoffeinspritzung verursachten Druckabfalls) durch die ersten Reflektionen an dem Kraftstoffeinspritzventil auf.

Das Diagramm (2) aus 7 veranschaulicht die durch die zweiten Reflektionen verursachten Interferenzen der Wellen.

In diesem Fall besteht die von dem Punkt C an dem Punkt A ankommende Welle aus Wellenkomponenten, wobei die eine die dem Pfad A → C → A folgende Welle ist und die andere die dem Pfad B → C → A folgenden Welle ist (Diagramm (2) aus 11, Teil (A)). Die dem Pfad A → C → A folgende Welle ist eine durch die erste Reflektion an dem Punkt A erzeugte Welle, die ferner an dem Punkt C reflektiert wurde. Die durch die erste Reflektion erzeugte Welle hat eine Amplitude von +R, und daher hat die an dem Punkt C weiterreflektierte Welle eine Amplitude von –0,2R (das vorgenannte Prinzip +B'). Die dem Pfad A → C → A folgende Welle kommt nämlich an dem Punkt A mit einer Amplitude von –0,2R an.

Ferner kommt die dem Pfad B → C → A folgende Welle an dem Punkt A mit einer Amplitude von –0,2R an (Teil (A) von Diagramm (2) aus 11).

Daher wird die Amplitude der beiden an dem Punkt A ankommenden Wellen (–0,2R) + (–0,2R) = –0,4R. Diese Welle reflektiert weiter an dem Punkt A (ein offenes Ende) und deren Phase wird umgekehrt. Daher beträgt die Amplitude der an dem Punkt C ankommenden Welle aufgrund der zweiten Reflektion an dem Punkt A 0,4R (Teil (A) von Diagramm (2) aus 11.)

Eine ähnliche Betrachtung wird bezüglich der von dem Punkt B durch das Abzweigungsrohr 13 an dem Punkt C ankommenden Welle gemacht. In diesem Fall kommen zwei Wellen an dem Punkt B an, wobei die eine dem Pfad B → C → B folgt und eine Amplitude von +0,8R hat und die andere dem Pfad A → C → B folgt und eine Amplitude von +0,8R hat (Teil (B) von Diagramm 2 aus 11.). Daher beträgt die Amplitude der an dem Punkt B ankommenden Welle +1,6R. Da diese Welle an dem Punkt B reflektiert wird, ohne ihre Phase zu ändern, beträgt die Amplitude der an dem Punkt C ankommenden Welle aufgrund der zweiten Reflektion an dem Punkt B +1,6R (Teil (B) von Diagram 2 aus 11).

Somit kommt aufgrund der zweiten Reflektionen die Welle mit einer Amplitude von +0,4R von dem Punkt A an dem Punkt C an und die Welle mit einer Amplitude von 1,6R kommt von dem Punkt B an dem Punkt C an.

Die Amplitude der Welle von dem Punkt A wird beim Passieren des Punkts C 0,8 Mal der ursprünglichen Amplitude (das vorstehend genannte Prinzip (B')) und die Amplitude der Welle von dem Punkt B wird beim Passieren des Punkts D 0,2 Mal der ursprünglichen Amplitude (des vorstehend genannte Prinzip (C')). Daher beträgt die Amplitude der an dem Punkt C ankommenden Wellen aufgrund der zweiten Reflektion (0,4R × 0,8) + (1,6R × 0,2) = +0,64R. Ein Druckanstieg der Magnitude von 0,64R tritt nämlich aufgrund der zweiten Reflektionen an dem Kraftstoffeinspritzventil 10 (dem Punkt D) auf.

Durch Berechnung auf dieselbe vorstehend beschriebene Weise, werden die an dem Punkt D aufgrund der dritten und vierten Reflektion ankommenden Wellen –0,384R (durch die dritten Reflektionen) und +0,230R (durch die vierten Reflektionen). Die Amplitude nimmt schnell ab, wenn die Ordnung der Reflektion höher als 3 wird.

Obwohl die Amplituden der reflektierten Wellen nicht Null werden, kann die Amplitude der reflektierten Welle auf ein geeignetes Niveau von dem Zeitpunkt der ersten Reflektion in diesem Ausführungsbeispiel verglichen mit dem Fall, in dem eine Drosselstelle nicht vorgesehen ist, unterdrückt werden.

Ferner kann, solange das Verhältnis A1 = A2 + A3 erfüllt ist, das Verhältnis zwischen A2 und A3 einen anderen Wert als 4:1 haben, obwohl die Querschnittsflächen der jeweiligen Strömungspfade in so einer Weise bestimmt sind, dass das Verhältnis A2 = 4 × A3 erfüllt ist. (Um zu verhindern, dass die Welle an dem Punkt C zu dem Punkt D reflektiert wird, ist das Verhältnis A1 = A2 + A3 erforderlich.) Es wurde jedoch gemäß einem Versuch durch die Erfinder herausgefunden, dass die am Meisten zu bevorzugende Unterdrückung der Schwankung erhalten wird, wenn das Verhältnis von A2 zu A3 4:1 beträgt.

Als nächstes wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf 12 erklärt.

In den vorstehend erklärten Ausführungsbeispielen sind die Länge des Abzweigungsrohrs 13, d. h., die Länge des Strömungsdurchlasses von dem Abzweigungspunkt C zu dem Ende B des Abzweigungsrohrs 13 und die Länge des Abschnitts 112 des Hochdruckrohrs 11 von dem Verzweigungspunkt C zu dem Anschluss A zu der Common-Rail 3 gleich, so dass die an dem Punkt in A und B reflektierten Wellen gleichzeitig an dem Punkt C ankommen und sich mit einander überlagern.

In dem Ausführungsbeispiel aus 12 ist der Verzweigungspunkt C jedoch in so einer Weise angeordnet, dass die Länge zwischen dem Verzweigungspunkt C und der Common Rail 3 so klein wie möglich wird, d. h., die Länge zwischen den Punkten B und C unterscheidet sich stark von der Länge zwischen den Punkten B und C.

12 zeigt die Anordnung des Abzweigungsdurchlasses 13 (um sie von dem Abzweigungsrohr 13 in den vorstehenden Ausführungsbeispielen zu unterscheiden, wird das Abzweigungsrohr in 12 im weiteren Verlauf als ein Abzweigungs-"Durchlass" 13 bezeichnet).

In 12 bezeichnet das Bezugszeichen 3 eine Common Rail. Das Bezugszeichen 121 bezeichnet einen in der Common-Rail-Gehäuse angeordneten Hochdruckkraftstoffdurchlass, der Hochdruckkraftstoff in der Common Rail zu einem (nicht gezeigten) Kraftstoffeinspritzventil zuführt. Der Hochdruckkraftstoffdurchlass 121 ist mit der Common Rail 3 durch einen Kraftstoffzuführdurchlass 123 mit einem kleineren Durchmesser als der des Durchlasses 121 verbunden.

Bezugszeichen 13 aus 12 bezeichnet in diesem Ausführungsbeispiel den Abzweigungsdurchlass. Der Abzweigungsdurchlass 13 besteht aus zwei Abschnitten, d. h. einem in einem Stecker 13c ausgebildetem Abschnitt 13b, welcher in ein Gewindeloch an dem Common Rail Gehäuse eingeschraubt wird und aus einem in dem Common Rail Gehäuse ausgebildeten und mit dem Abschnitt 13b verbundenen Abschnitt 13a. Da in diesem Ausführungsbeispiel der Abzweigungsdurchlass 13 durch einfaches Anbringen des Stecker 13c an dem Common Rail Gehäuse ausgebildet ist, kann der für den Abzweigungsdurchlass erforderliche Raum minimiert werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel aus 12 wird die Fähigkeit zum Unterdrücken der Druckschwankung durch die Länge des Abzweigungsdurchlasses 13 (angezeigt durch L in 12), die Länge M des Kraftstoffzuführdurchlasses (der Abstand zwischen der Common Rail 3 und der Mitte des Verzweigungspunkts C des Abzweigungsdurchlasses 13) und den Durchmesser D des Kraftstoffzuführdurchlasses 123 bestimmt.

Wie in 8 erklärt ist, überlagern sich die an den jeweiligen Punkten reflektierenden Wellen an dem Verzweigungspunkt C auf eine komplizierte Art und Weise. Daher ist es äußerst schwierig, die optimalen Abmessungen L, M und D in der Konstruktion aus 12 theoretisch zu bestimmen und es ist vorzuziehen, diese Abmessungen auf Grundlage von Versuchen unter Verwendung eines tatsächlichen Kraftstoffeinspritzsystems zu bestimmen.

Gemäß einer experimentellen Studie durch die Erfinder wurde ein vorzuziehendes Ergebnis erhalten, wenn L, M und D so bestimmt werden, dass L (die Länge des Abzweigungsdurchlasses 13) zwischen 50 und 100 mm liegt, M (die Länge des Kraftstoffzuführdurchlasses 123) zwischen 5 und 10 mm liegt und der Durchmesser D des Kraftstoffzuführdurchlasses ungefähr 1 mm beträgt. In diesem Fall ist es ebenso vorzuziehen, die Querschnittsflächen der jeweiligen Strömungspfade so zu bestimmen, dass die Summe der Querschnittsflächen des Abzweigungsdurchlasses 13 und des Kraftstoffzuführdurchlasses 123 gleich wie die Querschnittsfläche des Hochdruckkraftstoffdurchlasses 121 wird, um zu verhindern, dass eine Druckwelle an dem Punkt C durch Reflektion erzeugt wird.

Kraftstoffeinspritzventile, die Kraftstoff in Zylinder einer Brennkraftmaschine einspritzen, sind durch ein Hochdruckrohr mit einer Common Rail verbunden. Ein Abzweigungsrohr geht von dem Hochdruckrohr an einem Verzweigungspunkt C auseinander und das Ende B des Abzweigungsrohrs ist über ein Rückschlagventil, das lediglich eine Strömung in der Richtung von dem Abzweigungsrohr zu der Common Rail ermöglicht, mit der Common Rail verbunden. Die Länge des Abzweigungsrohrs zwischen dem Punkt B und C ist so gewählt, dass sie gleich wie die Länge des Hochdruckrohrs zwischen der Common Rail und dem Verzweigungspunkt C ist. Wenn Kraftstoff eingespritzt wird, tritt an dem Kraftstoffeinspritzventil ein schneller Druckabfall auf und der Druckabfall pflanzt sich durch das Hochdruckrohr als eine Welle fort. Diese Welle geht in eine sich durch das Abzweigungsrohr zu dem Ende B fortpflanzende Welle und eine sich durch das Hochdruckrohr zu dem Punkt A, an dem das Hochdruckrohr mit der Common Rail verbunden ist, fortpflanzende Welle auseinander. Die jeweiligen Wellen reflektieren an den Punkten A und B und kehren zu dem Verzweigungspunkt C zurück. Diese Wellen kommen gleichzeitig an dem Verzweigungspunkt C an und löschen sich gegenseitig aus. Daher kehrt zu dem Kraftstoffeinspritzventil keine Druckwelle zurück und an dem Kraftstoffeinspritzventil tritt keine Kraftstoffdruckschwankung auf.


Anspruch[de]
Kraftstoffeinspritzsystem mit einer Common Rail (3) zum Speichern von Hochdruckkraftstoff, mit einem Kraftstoffspritzventil (10) und mit einem das Kraftstoffeinspritzventil (10) mit der Common Rail (3) verbindenden Hochdruckkraftstoffrohr (11), das Hochdruckkraftstoff in der Common Rail (3) zu dem Kraftstoffeinspritzventil (10) zuführt, mit einem Abzweigrohr (13), dessen eines Ende mit dem Hochdruckkraftstoffrohr (11) an einem Verzweigungspunkt (C) zwischen dem Kraftstoffeinspritzventil (10) der Common Rail (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass

an einem anderen Ende (B) des Abzweigrohrs (13) ein Einwegeventil (15) angeschlossen ist, das das Abzweigrohr (13) mit der Common Rail (3) verbindet, wenn der Druck in dem Abzweigrohr (13) an dem anderen Ende (B) höher als der Druck in der Common Rail (3) ist,

wobei die Länge des Abzeigungsrohrs (13) zwischen dem Verzeigungspunkt (C) und dem anderen Ende (B) des Abzweigungsrohrs (13) gleich der Länge des Hochdruckkraftstoffrohres (11) zwischen dem Verzweigungspunkt (C) und der Common Rail (3) ist.
Kraftstoffeinspritzsystem mit einer Common Rail (3) zum Speichern von Hochdruckkraftstoff, mit einem Kraftstoffeinspritzventil (10) und mit einem das Kraftstoffeinspritzventil (10) mit der Common Rail (3) verbindenden Hochdruckkraftstoffrohr (11), das Hochdruckkraftstoff in der Common Rail (3) zu dem Kraftstoffeinspritzventil (10) zuführt, mit einem Abzweigrohr (13), dessen eines Ende mit dem Hochdruckkraftstoffrohr (11) an einem Verzweigungspunkt (C) zwischen dem Kraftstoffeinspritzventil (10) der Common Rail (3) verbunden ist, und dessen anderes Ende (B) geschlossen ist, wobei an dem Abzweigrohr (13) beabstandet von dem geschlossenen Ende (B) eine Drosseleinrichtung zum Drosseln der Strömung in dem Abzweigrohr (13) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Abzeigungsrohrs (13) zwischen dem Verzeigungspunkt (C) und dem anderen Ende (B) des Abzweigungsrohrs (13) gleich der Länge des Hochdruckkraftstoffrohres (11) zwischen dem Verzweigungspunkt (C) und der Common Rail (3) ist.






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