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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit direkter Einspritzung, mit einem Speichereinspritzsystem, mit zumindest einer in einen Brennraum mündenden Einspritzeinrichtung pro Zylinder, welche über eine Einspritzleitung mit einer Kraftstoffverteilerleiste verbindbar ist.
Bei konventionellen Speichereinspritzsystemen (Common Rail-Systemen) wird durch Steuerung des Hubes der Ventilnadel der Einspritzeinrichtung eine Einspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum erzeugt. Die Einspritzmenge hängt dabei von der Öffnungsdauer der Ventilnadel und dem durch das Speichereinspritzsystem bereitgestellten Speicherdruck ab. Zur Erzielung eines optimalen Verbrennungsablaufes bei guter Gemischaufbereitung erfolgt die Haupteinspritzung bei hohen Einspritzdrücken bis zu etwa 1600 bar. Gleichzeitig mit der Menge der Haupteinspritzung erhöht sich allerdings auch die Voreinspritzmenge, was sich nachteilig auf die Geräuschentwicklung und die Abgaszusammensetzung auswirkt. Mit diesen systembedingten hohen Speicherdrücken sind Kleinst-Voreinspritzmengen nur schwer realisierbar.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, diesen Nachteil zu vermeiden, und bei Brennkraftmaschinen mit direkter Einspritzung die Geräusch-und Abgasqualität zu verbessern.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die Kraftstoffverteilerleisten zwei Druckspeicher mit verschiedenen Druckniveaus, nämlich einen Hochdruckspeicher und einen Mitteldruckspeicher aufweist und die Einspritzleitung über ein Schaltventil wahlweise mit einem der beiden Druckspeicher strömungsverbindbar ist. Dies ermöglicht es, der Voreinspritzung und der Haupteinspritzung jeweils ein definiertes Druckniveau zuzuordnen, sodass eine Entkopplung der Einspritzdrücke bei der Voreinspritzung und der Haupteinspritzung erfolgt.
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ist.
In Weiterbildung der Erfindung ist weiters vorgesehen, dass ein elektromagnetischer Betätigungsteil des Schaltventiles einen ersten Anker und einen zweiten Anker aufweist, die bei Strombeaufschlagung des Elektromagneten entgegen der Kraft einer ersten Feder bzw. zweiten Feder auslenkbar sind, und ein Ventilteil des Schaltventiles einen ersten und einen zweiten Ventilstössel aufweist, wobei der erste Ventilstössel mit dem ersten Anker und der zweite Ventilstössel mit dem zweiten Anker mechanisch verbunden ist, und wobei der erste Ventilstössel in einer seiner beiden Stellungen einen ersten Strömungsweg zum Mitteldruckspeicher des Speichereinspritzsystems und der zweite Ventilstössel in einer seiner beiden Stellungen einen zweiten, zum Hochdruckspeicher des Speichereinspritzsystems fiihrenden Strömungsweg freigibt.
Die beiden Anker des Schaltventiles sind dabei entkoppelt, sodass die Magnetkraft, bei der der erste und der zweite Anker betätigt werden, nur von der Auslegung
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der jeweiligen Rückstellfeder abhängt. Die Stärke des Magnetfeldes, welches von der stromdurchflossenen Spule aufgebaut wird, ist dabei von der Stromstärke des Stromflusses durch die Spule abhängig. Auf die beiden Anker wirken dabei unterschiedliche Federrückstellkräfte durch die Rückstellfedem. Durch eine passende Stromstärkenverlaufsformung des Stromflusses durch die Spule in Kombination der Federkräfte der Rückstellfedern lässt sich eine zeitliche Trennung der beiden Bewegungen des ersten und des zweiten Ankers erreichen. Die getrennten mechanischen Bewegungen der beiden Anker steuern den mechanisch-hydraulisch Betätigungsteil.
Ein derartiges Schaltventil wird in der AT 001 343 Ul beschrieben. Die Anwendung auf die erfindungsgemässe Brennkraftmaschine mit einem Speichereinspritzsystem mit zwei unterschiedliche Druckniveaus aufweisenden Speicher erlaubt eine besonders einfache und kompakte Steuerung der Vor-und Haupteinspritzung des Kraftstoffes.
Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass der erste Ventilstössel hohl ausgebildet und konzentrisch zum zweiten Ventilstössel angeordnet ist. Dies ermöglicht eine sehr kompakte Ausführung des Ventilteiles, wobei beide Ventile an einer Seite des Betätigungsteiles angeordnet werden können. Der Stössel des zweiten Ankers durchdringt berührungsfrei den Stössel des ersten Ankers, wobei die beiden Stössel gleichachsig angeordnet sind.
In einer besonders einfachen Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Freigabestellung zumindest eines der beiden Ventile mit der Auslenkstellung des entsprechenden Ankers korreliert. Dadurch wird bei Stromunterbrechung ein sicheres Schliessen des Schaltventiles und damit der Einspritzeinrichtung gewährleistet.
Um sicherzustellen, dass die Dichtkanten der Ventilkörper gegenüber den Ventilsitzen präzise abschliessen, kann vorgesehen sein, dass die Ventilflächen und Ventilsitze der Ventile kegelig ausgeführt sind, wobei vorzugsweise der Ventilflächenwinkel am Ventilkörper sich vom Ventilsitzwinkel am Ventilsitzgehäuse unterscheidet.
Im Ruhezustand liegen die Ventilflächen der ersten und der zweiten Ventile auf den entsprechenden Ventilsitzen auf. Der Beginn der Voreinspritzung wird eingeleitet, indem der elektromagnetische Betätigungsteil mit dem zur Betätigung des ersten Ankers erforderlichen Strom beaufschlagt wird. Dadurch wird die Strömungsverbindung zwischen der Einspritzleitung und dem Mitteldruckspeicher hergestellt. Nach der Voreinspritzung wird die am elektromagnetischen Betätigungsteil anliegende Stromstärke erhöht, sodass nun zusätzlich auch der zweite Anker vom Magneten angezogen und somit die zweite Ventilfläche vom zweiten Ventilsitz abgehoben wird. Dadurch wird die Strömungsverbindung zwischen der Einspritzleitung und dem Hochdruckspeicher hergestellt. Da auch die erste Ventilfläche vom ersten Ventilsitz abgehoben ist, wären auch die Druckspeicher strömungsverbunden.
Um dies zu vermeiden, ist gemäss einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen, dass im ersten Strömungsweg ein in Strömungsrichtung zur Einspritzeinrichtung öffnendes Rückschlagventil angeordnet ist. Dadurch wird verhindert, dass Kraftstoff in Richtung des Mitteldruckspeichers rückfliessen kann.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen schematisch Fig. 1 ein Einspritzsystem einer erfindungsgemässen Brennkraftmaschine in einer ersten Ausführungsvariante, Fig. 2 ein Einspritzsystem einer erfindungsgemässen Brennkraftmaschine in einer zweiten Ausführungsvariante, Fig. 3 das Schaltventil aus Fig. 2 im Detail, Fig. 4 ein Diagramm mit dem Einspritzverlauf eines Einspritzzyklus.
Funktionsgleiche Teile sind in den Ausführungsvarianten mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Eine Brennkraftmaschine weist ein Speichereinspritzsystem 1 auf, wobei über eine Vorpumpe 2 aus einem Kraftstofftank 3 Kraftstoff entnommen und einer Hochdruckpumpe 4 zugefuhrt wird. Die Hochdruckförderpumpe 4 fördert den Kraftstoff in einen durch eine Kraftstoffverteilerleiste (Common Rail) CR gebildeten Hochdruckspeicher 5, wobei der Kraftstoffdruck im Hochdruckspeicher 5 mindestens dem Haupteinspritzdruck entspricht. Vom Hochdruckspeicher 5 führt eine Einspritzleitung 6 zu einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung 7, welche Kraftstoff direkt in einen nicht weiter dargestellten Brennraum einspritzt. Die Einspritzleitung 6 steht einerseits mit einem die Düsennadel 8 umgebenden Düsenraum 9 der Einspritzdüse 10 und andererseits über ein Steuerventil 11 mit einer an einen Steuerkolben 12 grenzenden Steuerkammer 13 in Verbindung.
Der Steuerkolben 12 ist mechanisch mit der Düsennadel 8 verbunden. In der Ruhestellung herrscht sowohl im Düsenraum 9, als auch in der Steuerkammer 13 der gleiche Einspritzdruck, wobei aber die in Schliessrichtung wirkende Druckangriffsfläche des Steuerkolbens 12 grösser ist, als die in Öffnungsrichtung wirkende Druckangriffsfläche der Düsennadel 8 im Bereich des Düsenraumes 9. Dadurch wird die Düsennadel 8 in der Schliessstellung gehalten, wobei auf die Düsennadel 8 noch zusätzlich eine Schliessfeder 14 einwirkt. Der Öffnungshub der Düsennadel 8 wird eingeleitet, indem die Steuerkammer 13 über das Steuerventil 11 mit einer zum Kraftstofftank 3 führenden Rückflussleitung 15 verbunden wird. Die Ablaufdrossel 16 hat einen wesentlichen Einfluss auf die Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel 8.
Das Schliessen der Düsennadel 8 erfolgt dadurch, dass die Strömungsverbindung zwischen Steuerkammer 13 und der Rückflussleitung 15 über das Steuerventil 11 unterbrochen wird.
Das Steuerventil 11 kann als Zwei-Wege-Ventil gemäss Fig. 1, oder als Drei-Wege-Ventil nach Fig. 2 ausgeführt sein. Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführung erfolgt die Füllung direkt von der Einspritzleitung 6 über eine Zulaufdrossel 17, über welche das Schliessverhalten der Düsennadel 8 voreingestellt wird. Die Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel 8 wird durch die Ablaufdrossel 16 in Zusammenwirkung mit der kleineren Zulaufdrossel 17 bestimmt. Das
Steuerventil 11 kann dabei als einfaches Hubventil ausgeführt sein.
In Fig. 2 ist das Steuerventil 11 als Drei-Wege-Ventil ausgeführt, wobei in der Ruhestellung bzw. Schliessstellung der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 7 die Strömungsverbindung zwischen der Einspritzleitung 6 und der Steuerkammer 13 freigegeben und in der Öffnungsstellung unterbrochen ist. Der Zulauf zur Steuerkammer 13 erfolgt dabei über das Rückschlagventil
17a, der Ablauf aus der Steuerkammer 13 über die Ablaufdrossel 16.
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Die Einspritzmenge während der Haupteinspritzung ist bei gleicher Öffnungsdauer der Ventilnadel 8 wn so grösser, je höher der Druck im Hochdruckspeicher 5 ist. Eine Verkürzung des Zündverzuges ist jedoch nur bis zu einer gewissen Grenze möglich. Deshalb bewirkt eine Erhöhung des Einspritzdruckes eine grössere Kraftstoffmengenzufuhr vor der Zündung und somit eine stärkere erste Verbrennung nach der Zündung, was sich durch eine stärkere NO. und Geräuschbelastung äussern kann. Folglich muss die erste Einspritzmenge, genauer die eingespritzte Kraftstoffmenge vor der Zündung, verringert werden, um die erste Verbrennung zu reduzieren. Dies kann entweder durch Einspritzverlaufsformung oder durch eine Voreinspritzung, also die Einspritzung einer kleinen Kraftstoffmenge vor der Hauptzündung, erfolgen.
Bei konventionellen Speichereinspritzsystemen mit einem einzigen Druckspeicher, nämlich dem Hochdruckspeicher 5, wird eine Voreinspritzung dadurch erzielt, dass vor der Haupteinspritzung das Steuerventil 11 mit Impulsen kleiner Breite beaufschlagt wird. Das Steuerventil wird dadurch bei jeder Einspritzung zweimal betätigt. Dies bedeutet allerdings, dass bei freier Regelung des Einspritzdruckes im Hochdruckspeicher 5 nicht nur die Menge des während der Haupteinspritzung eingespritzten Kraftstoffes, sondern auch die Voreinspritzmenge variiert.
Insbesondere bei einem systembedingten hohen Speicherdruck lässt sich eine KleinstVoreinspritzung nur schwer realisieren. Dazu kommt, dass sich die Streuung der Einspritzmenge erhöht, je näher man an die technisch noch mögliche untere Grenze für die Voreinspritzmenge kommt.
Um dies zu vermeiden, ist bei den in Fig. 1 und Fig. 2 schematisch dargestellten Speichereinspritzsystemen 1 neben dem durch die Hochdruckforderpumpe 4 gespeisten Hochdruckspeicher 5 ein von einer Mitteldruckförderpumpe 18 gespeister Mitteldruckspeicher 19 vorgesehen, in welchem der Kraftstoff auf einen für die Voreinspritzung optimalen Voreinspritzdruck gebracht wird. Über ein Schaltventil 20 kann die Einspritzleitung 6 wahlweise mit dem Mitteldruckspeicher 19 oder mit dem Hochdruckspeicher 5 verbunden werden. In der in Fig. 1 gezeigten Stellung des Schaltventiles 20 ist die Einspritzleitung 6 mit dem Mitteldruckspeicher 19 verbunden, wodurch bei impulsartiger Betätigung des Steuerventiles 11 eine Voreinspritzung mit unter Mitteldruck stehendem Kraftstoff durchgeführt wird.
Vor der Haupteinspritzung wird das Schaltventil 20 von der Schaltposition 20a in die Schaltposition 20b bewegt, wodurch die Strömungsverbindung zwischen der Einspritzleitung 6 und dem Hochdruckspeicher 5 hergestellt wird. Mit strichlierten Linien ist eine weitere Stellung 20c des Schaltventiles 20 symbolisiert, in welcher die Einspritzleitung 6 sowohl vom Mitteldruckspeicher 19, als auch vom Hochdruckspeicher 5 getrennt ist. Dies entspricht beispielsweise einer Ruhestellung bei ausgeschalteter Brennkraftmaschine.
Bei der In Fig. 2 dargestellten Ausführungsvariante besteht das Schaltventil 20 aus einem Betätigungsteil 22 und einem Ventilteil 23. Der Betätigungsteil 22 weist eine Spule 24 in einem Blechpaket 25 auf, wie im Detail aus Fig. 3 ersichtlich ist. An jeder Stirnseite 24a und 24b der Spule 24 ist ein Anker 26a und 26b angeordnet, wobei der erste Anker 26a über einen ersten Ventilstössel 27a mit einem ersten Ventilkörper 28a eines ersten Ventiles 29a verbunden ist. Erster Anker 26a, erster Ventilkörper 28a und/oder erster Ventilstössel 27a können
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dabei einstückig ausgebildet sein. Der erste Ventilkörper 28a weist eine kegelige erste Ventilfläche 30a auf, die mit einem feststehenden kegeligen ersten Ventilsitz 31 la zusammenwirkt.
An der zweiten Stirnseite 24b der Spule 24 ist ein zweiter Anker 26b angeordnet, welcher über einen zweiten Ventilstössel 27b einen zweiten Ventilkörper 28b betätigt. Der zweite Ventilstössel 27b, der zweite Ventilkörper 28b und/oder der zweite Anker 26b können dabei einstückig ausgebildet sein. Der erste Ventilstössel 27a und der erste Ventilkörper 28a sind hohl ausgebildet und nehmen den zweiten Ventilstössel 27b auf. Der zweite Ventilkörper 28b des zweiten Ventiles 29b weist eine zweite Ventilfläche 30b auf, welche mit einem stillstehenden zweiten Ventilsitz 31b des Gehäuses 23'des Ventilteiles 23 zusammenwirkt. Das erste Ventil 29a weist einen vom Gehäuse 23'gebildeten ersten Ventilraum 34a auf, in welchen eine vom Mitteldruckspeicher 19 kommender erster Strömungsweg 19a einmündet.
Das zweite Ventil 29b weist ebenfalls einen vom Gehäuse 23'gebildeten zweiten Ventilraum 34b auf. Der zweite Ventilraum 34b ist über einen zweiten Strömungsweg 5a mit dem Hochdruckspeicher 5 verbunden. Sowohl der erste Ventilkörper 28a, als auch der zweite Ventilkörper 28b werden durch eine erste Schliessfeder 37a bzw. eine zweite Schliessfeder 37b in der Schliessstellung gehalten. Um bei geöffneten Ventilen 29a und 29b ein Überströmen des Kraftstoffes vom Hochdruckspeicher 5 zum Mitteldruckspeicher 19 zu vermeiden, ist im ersten Strömungsweg 19a ein Rückschlagventil 19b angeordnet.
Zwischen dem ersten Ventil 29a und dem zweiten Ventil 29b bildet das Gehäuse 23'einen weiteren ausgangsseitigen Ventilraum 35 aus, von welchem die zur Einspritzeinrichtung 7 führende Einspritzleitung 6 ausgeht.
In Fig. 4 ist die Einspritzmenge IR über der Zeit t für einen Einspritzzyklus für zwei Einspritzvorgänge A und B mit unterschiedlichen Druckniveaus im Hochdruckspeicher 5 dargestellt. Mit tp ist der Voreinspritzbeginn, und mit tM der Haupteinspritzbeginn bezeichnet. Da durch den Mitteldruckspeicher 19 ein eigenes Druckniveau während der Voreinspritzung zur Verfügung steht, wird mengenmässig eine Entkoppelung von der Haupteinspritzung erreicht, sodass auch bei unterschiedlichen Haupteinspritzmengen gemäss den Einspritzkurven A und B eine bestimmte vordefinierte Voreinspritzmenge IRp möglich ist. Darüber hinaus kann die Menge und der Druck der Voreinspritzung unabhängig von der Haupteinspritzung variiert werden.