DE10013538A1 - Hochdruck-Einspritzsystem für Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hochdruck-Einspritzsystem für Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren, das mit einer der die Düsennadel in Schließrichtung belastenden Federkraft überlagerten Stellkraft arbeitet, derart, dass über dem Einspritzhub der Pumpe sich ergebende Druckverlauf und der daraus folgende Einspritzverlauf über die Stellkraft variiert werden können.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hochdruck-Einspritzsystem für Brenn­ kraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren, gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruches 1.

Hochdruck-Einspritzsysteme der vorgenannten Art sind beispiels­ weise als sogenannte Pumpe-Leitung-Düse-, kurz PLD-Einspritz­ systeme aus der Praxis bekannt sowie auch der DE 44 41 603 A1 zu entnehmen. Als Pumpeneinheit finden hierbei üblicherweise sogenannte Steckpumpen Verwendung, von denen je eine einer Düse zugeordnet ist und deren Antrieb von einer Steuernockenwelle abgezweigt ist, die hierzu zusätzlich zu den Ein- und/oder Aus­ lassnocken für die zugehörigen Ventile entsprechende Pumpenno­ cken trägt.

Die Verwendung gesonderter, jeweils einem Zylinderbrennraum bzw. der diesem jeweils zugehörigen Einspritzdüse zugeordneter Pumpeneinheiten macht es möglich, diese nahe bei den jeweiligen Einspritzdüsen zu platzieren und dadurch mit kurzen Leitungswe­ gen auszukommen, was das Arbeiten mit höheren Drücken ermög­ licht. Darüber hinaus ermöglichen derartige Pumpeneinheiten aufgrund ihrer elektronischen Ansteuerung auch die Realisierung unterschiedlicher Einspritzcharakteristiken.

Funktionell erzeugt die jeweilige Pumpeneinheit eine Druckwel­ le, die durch die Einspritzleitung zur Einspritzdüse verläuft. Wird deren Öffnungsdruck überschritten, der durch die Vorspannung einer Feder festgelegt und im Betreib nicht veränderbar ist, so öffnet die Einspritzdüse durch Abheben der Düsennadel von der über die Düsennadel gesteuerten Spritzöffnung, womit die Einspritzung beginnt. Beendet wird die Einspritzung durch das Öffnen eines der Pumpeneinheit zugehörigen Steuerventils, das zu einem raschen Druckabfall in der Düse führt, so dass die Düsennadel über die Federkraft wieder in ihre Schließlage zu­ rückgedrängt werden kann.

Bei einer derartigen Pumpeneinheit ergibt sich an der Spritz­ öffnung bzw. den diese bildenden Spritzlöchern ein nahezu drei­ ecksförmiger Druckverlauf, und die Höhe des Einspritzdruckes bei einem definierten Last/Drehzahlpunkt im Betrieb der Brenn­ kraftmaschine ist nicht veränderbar. Insbesondere lässt sich aufgrund des angesprochenen dreieckförmigen Druckverlaufes mit flacherem Anstieg und steilem Abfall eine Voreinspritzung nur schwer realisieren, während eine Nacheinspritzung mit hohem Einspritzdruck nicht darstellbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bezogen auf ein Hoch­ druck-Einspritzsystem der eingangs genannten Art weitere Ein­ flussmöglichkeiten auf wesentliche Einspritzparameter zu eröff­ nen, um so beispielsweise durch die Wahl des Öffnungs- bzw. Schließdruckes der Düse diese bezüglich des Kraftstoffverbrau­ ches oder der Emissionen bezogen auf den jeweiligen Arbeitsbe­ reich der Brennkraftmaschine zu optimieren oder auch Vor- bzw. Nacheinspritzungen zu realisieren.

Ermöglicht wird dies durch die Merkmale des Anspruches 1, dem­ zufolge die die Düsennadel in Schließrichtung belastende Kraft variabel ist, wobei eine diesbezügliche Variabilität insbeson­ dere in der in Abhängigkeit von der Größe und Länge der von der Pumpeneinheit ausgehenden Druckwelle möglichen Öffnungsphase zweckmäßig ist, worunter zu verstehen ist, dass die in Richtung der Federkraft wirkende Gesamtkraft im Rahmen der Erfindung so­ wohl im Hinblick auf den Öffnungszeitpunkt wie auch den Schließzeitpunkt der Einspritzung beeinflusst werden kann. Ins­ besondere kann durch die Variabilität der Federkraft bzw. der zur Federkraft überlagerten Kraft auch auf den Einspritzverlauf dahingehend Einfluss genommen werden, dass dieser gegebenen­ falls in einzelne Sektoren zerlegt wird, so beispielsweise in Voreinspritzung und Haupteinspritzung, in Haupteinspritzung und Nacheinspritzung oder auch in Vor-, Haupt- und Nacheinsprit­ zung. Die Variabilität der Stellkraft kann im Rahmen der Erfin­ dung durch Veränderung der Federcharakteristik oder auch durch eine zusätzlich zur Federkraft wirkende Stellkraft, die der Fe­ derkraft überlagerbar ist, erreicht werden.

Die Änderung der Federkraft ist im Rahmen der Erfindung bevor­ zugt dadurch möglich, dass die gehäuseseitige Abstützung der in Schließrichtung der Düsennadel wirkenden und die Düsennadel be­ aufschlagenden Feder verstellbar ist. Eine zur Federkraft über­ lagerte Kraftbeaufschlagung ist beispielsweise dadurch möglich, dass die Düsennadel zusätzlich zur Feder von einer entsprechen­ den Stellkraft beaufschlagt wird.

Im Rahmen der Erfindung bieten sich zum Aufbringen der Stell­ kraft unterschiedliche Stellmittel an, so beispielsweise Stell­ magneten, elektromechanische Stelleinrichtungen, wie Piezoele­ mente oder dergleichen. Ferner kann die Stellkraft auch hydrau­ lisch aufgebracht werden.

Insbesondere beispielsweise über schnell schaltende und klein bauende Piezoelemente ist eine Verstellung der gehäuseseitigen Federabstützung in Richtung der Federachse möglich.

Eine erfindungsgemäß besonders zweckmäßige Möglichkeit zur Auf­ bringung einer überlagerten, in Schließrichtung der Düsennadel wirkenden zusätzlichen Stellkraft besteht darin, dass die Dü­ sennadel in der Öffnungsphase, überlagert zur Federkraft, über den von der Pumpe zugeführten Kraftstoff beaufschlagbar ist.

Hierbei erweist es sich als zweckmäßig, der Düsennadel einen Steuerkolben zuzuordnen und den überschüssigen Teil des von der Pumpe zugeführten, unter hohem Druck stehenden Kraftstoffs, al­ so den nicht eingespritzten Anteil der zugeführten Kraftstoff­ menge als Druckmittel zu verwenden, über das der Steuerkolben auf seiner von der Einspritzdüse abgewandten Rückseite beauf­ schlagt wird. Hierbei erweist es sich als zweckmäßig, die Ab­ zweigung auf den Rücklauf zu drosseln, insbesondere aber den Rücklauf im Ablauf von dem den Steuerkolben aufnehmenden Düsen­ raum gesteuert zu drosseln, so dass die Druckbeaufschlagung des Steuerkolbens variiert und dadurch in der geschilderten Weise auf die Schließkraft der Düsennadel ergänzend zur Düsenfeder Einfluss genommen werden kann. In einfacher Weise kann die Ab­ laufdrossel durch ein Magnetventil mit Kugelsitz gebildet wer­ den.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Ferner wird die Erfindung nachstehend mit weiteren Einzelheiten anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schemadarstellung von Pumpe-Leitung-Düse für ein Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine, die hier nicht weiter dargestellt ist,

Fig. 2 eine Schemadarstellung der Düse, wobei die Düse im Hinblick auf eine hydraulisch steuerbare Verstärkung der Stellkraft ausgebildet ist, über die die Düsenna­ del in Richtung auf ihre Schließstellung belastet ist, und zwar bei über die Düsennadel geschlossener Spritzöffnung der Düse,

Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung bei geöff­ neter Spritzöffnung und

Fig. 4 eine schaubildliche Darstellung des Leitungsdruckes nach der Steckpumpe, des in Vor- und Haupteinsprit­ zung unterteilten Einspritzverlaufes und des diesem Einspritzverlauf entsprechenden Ansteuerstromes des Magnetventiles für die im Rücklauf liegende Ablauf­ drossel.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Hochdruck- Einspritzsystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Dieselmotor, wobei auf die weitere Darstellung der Brennkraft­ maschine verzichtet ist. Das Hochdruck-Einspritzsystem ist im Ausführungsbeispiel als Pumpe-Leitung-Düse-System ausgebildet, wobei die Pumpe mit 1, die Leitung mit 2 und die Düse mit 3 be­ zeichnet sind. Die Pumpe 1 ist als sogenannte Steckpumpe ausge­ bildet, wobei der Antrieb für die Pumpe 1 über den Nocken 4 ei­ ner Nockenwelle 5 erfolgt, die in hier nicht dargestellter Wei­ se als Steuernockenwelle für Gaswechselventile der Brennkraft­ maschine auch diese beaufschlagende Nocken trägt.

Die Pumpe 1 bildet in der hier dargestellten Ausführungsform eine nur einer Düse 3 zugeordnete Pumpeneinheit, so dass eine Platzierung der Pumpe 1 in dichter Zuordnung zur Düse 3 möglich ist, und dadurch sehr kurze und starre Leitungswege, wie über die Leitung 2 dargestellt, verwirklicht werden können.

Entsprechend können bei einem Hochdruck-Einspritzsystem der ge­ zeigten Art sehr hohe Leitungsdrücke realisiert werden, die den Bereich von weit über 1000 bar, nämlich etwa 1600-1800 bar in der Spitze erreichen, wobei, wie in Fig. 4 veranschaulicht, ein dreiecksförmiger Druckverlauf mit im Regelfall etwas flacherem Anstieg und steilerem Abfall bei einem Druckmaximum im Bereich des Einspritzendes realisiert werden kann, was sich im Hinblick auf einen niedrigen Kraftstoffverbrauch als zweckmäßig erweist. Ungeachtet der elektronischen Steuerung der Pumpe ist der über diese aufgebaute Einspritzdruck abhängig von Drehzahl und Last und es wird über die Pumpe 1 und die Leitung 2 auf die Düse 3 eine Druckwelle übertragen, wobei ausgehend von der Pumpe 1 keine geeignete Vor- oder Nacheinspritzung zu realisieren ist, und ebenso wenig eine Einspritzverlaufsverformung.

Die Düse 3 zeigt, wie in den Fig. 2 und 3 schematisch veran­ schaulicht, einen bekannten Grundaufbau mit im Düsenkörper 6 geführter Düsennadel 7 und über die Düsennadel 7 gesteuerter, auf den nicht dargestellten Brennraum der Brennkraftmaschine ausmündender und im Düsenkörper 6 vorgesehener Spritzöffnung 8. An die Düsennadel 7 schließt ein Druckgestänge 9 an, das koaxi­ al zur Düsennadel liegt und das über eine Düsenfeder 10 in Schließrichtung der Düsennadel 7 belastet ist, wobei die Düsen­ feder 10 zwischen einem dem Druckgestänge 9 zugehörigen An­ schlag 11 und einem gegen das nur angedeutete Düsengehäuse 13 abgestützten Anschlag 12 angeordnet ist, so dass über die Dü­ senfeder 10 die Düsennadel 7 in Schließrichtung belastet ist.

Bei einem derartigen Grundaufbau ist die Belastung der Düsenna­ del 7 über die Düsenfeder 10 durch die Vorspannung der Feder festgelegt und im Betrieb nicht variabel.

Die Verbindung zur Pumpe 1 ist in den Fig. 2 und 3 nicht nä­ her dargestellt und die von der Pumpe 1 kommende Leitung 2 mün­ det düsenseitig auf den Hochdruckzulauf 14, von dem eine Stich­ leitung 15, die in die Düse 3 integriert ist, zur Düsennadel 7 führt, derart, dass der über die Stichleitung zugeführte und unter Druck stehende Kraftstoff längs der Düsennadel 7 zwischen dieser und dem Düsenkörper 6 in den Bereich der Spritzöffnung 8 gelangt. Hier baut sich, entsprechend der intermittierenden Förderung der als Steckkolbenpumpe ausgebildeten Pumpeneinheit 1 und der über diese erzeugten Druckwelle ein Druck auf, der zum Öffnen einer Spritzöffnung 8 groß genug sein muss, um die Düsennadel entgegen der Belastung durch die Düsenfeder 10 abzu­ heben, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Dann erfolgt eine Einspritzung. Der Einspritzverlauf ist somit, bezogen auf die­ sen Grundaufbau der Düse, vom Verlauf der Druckwelle, die von der Pumpe 1 ausgeht, und der Auslegung und Vorspannung der Dü­ senfeder 10 abhängig.

Im Rahmen der Erfindung wird eine Ausgestaltung geschaffen, ü­ ber die der Druck, bei dem die Düse im Betrieb der Brennkraft­ maschine öffnet, variiert werden kann. Die Variation ist da­ durch möglich, dass die von der Pumpe erzeugte Druckwelle in ihrer Wirkung auf die Düsennadel 7 entsprechend moduliert wird, und/oder auch dadurch, dass die Vorspannung der Düsenfeder 10 geändert wird.

Veranschaulicht ist im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 und 3 eine Modulierung der Druckwelle in ihrer Wirkung auf die Dü­ sennadel 7, dadurch dass der Hochdruckzulauf 14 düsenseitig ei­ ne Abzweigung 16 auf einen Leckmengenrücklauf 17 aufweist, wo­ bei der Übergang auf den Leckmengenrücklauf über eine gesteuer­ te Ablaufdrossel 18 erfolgt. In der Abzweigung 16 auf den Leck­ mengenrücklauf 17 ist, der Ablaufdrossel 18 vorgeschaltet, be­ vorzugt eine Zulaufdrossel 29 angeordnet, und es steht die Ab­ zeigung 16 mit einem Düsenraum 19 in Verbindung, auf den eine Führungsbohrung für einen Steuerkolben 20 ausmündet. Der Steu­ erkolben 20 liegt als Teil des Druckgestänges 9 bevorzugt ko­ axial zu Druckgestänge 9 und Düsennadel 7, und der Düsenraum 19 ist zweckmäßigerweise durch eine Verlängerung der Aufnahmeboh­ rung für den Steuerkolben 20 gebildet, wobei die Ablaufdrossel 18 bevorzugt ebenfalls koaxial zur Düsenachse liegt. Die Ab­ laufdrossel 18 ist zweckmäßigerweise über ein Magnetventil 21 gesteuert, das eine entsprechende Sperrkugel 22 beaufschlagt, der im Übergang der Abzweigung 16 auf den Rücklauf 17 ein ent­ sprechender Kugelsitz zugeordnet ist. Die Sperrkugel 22 ist im. Rahmen der Erfindung bevorzugt in Richtung auf ihre Sperrlage federbelastet. Die entsprechende Feder ist mit 23 bezeichnet.

Ist, wie in Fig. 2 dargestellt, der Übergang auf den Leckmen­ genrücklauf 17 über die Ablaufdrossel 18 gesperrt, so ist in­ folge der Auslegung der Vorspannung der Düsenfeder 10 und der seitens des Steuerkolbens 20 und der Düsennadel 7 beaufschlag­ ten Druckflächen in ihrem Verhältnis zueinander die Düsennadel 7 in ihrer Schließlage gehalten. In der Sperrlage der Ablauf­ drossel 18 ist das Magnetventil 21 unbestromt und die Sperrku­ gel 22 über die Feder 23 in Richtung auf ihre Sperrlage vorge­ spannt. Der Übergang auf den Leckmengenrücklauf 17 ist zumin­ dest im Wesentlichen gesperrt.

Da die pumpenseitig erzeugte Druckwelle aufgrund der vorge­ schilderten Belastungsverhältnisse die Düsennadel 7 nicht ent­ gegen der Kraft der Feder 10 und der Druckbeaufschlagung des Steuerkolbens 20 in eine Öffnungslage abdrängen kann, wird über die Steuerung des Leckmengenrücklaufes das Einspritzverhalten der Düse 3 gesteuert.

Fig. 3 zeigt die Ablaufdrossel 18 im geöffneten Zustand, d. h. bei bestromten Magnetventil 21 und entgegen der Kraft der Feder 23 angehobener Sperrkugel 22, so dass der Druck im Düsenraum 19 so weit abgebaut ist, dass die über die Druckwelle der Pumpe 1 auf die Düsennadel 7 entgegen der Kraft der Düsenfeder 10 wir­ kende Druckbelastung die Düsennadel 7 von der Spritzöffnung 8 abhebt und dadurch die Einspritzung freigibt.

Anstelle der in Fig. 2 und 3 geschilderten, hydraulischen Beaufschlagung der Düsennadel 7 bzw. des Steuerkolbens 20, ü­ berlagert zur Kraft der Düsenfeder 10, ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, die Federkennlinie der Düsenfeder 10 zu verändern, beispielsweise dadurch, dass der gehäuseseitige An­ schlag 12 entsprechend verstellbar abgestützt ist, beispiels­ weise über Piezoelemente, die im Hinblick auf die Variation der Federkennlinie bzw. des Öffnungs- bzw. Schließdruckes elekt­ risch angesteuert werden.

Unter Verwendung eines entsprechenden Kolbenelementes ist dies auch auf hydraulischem Wege möglich, wobei die auf den Kolben wirkende Stellkraft analog zur in Fig. 3 gezeigten Lösung auf­ gebracht werden könnte.

Fig. 4 veranschaulicht, dass die erfindungsgemäße Lösung bezo­ gen auf einen dreiecksförmigen Leitungsdruckverlauf über dem Nockenwinkel nach der Steckpumpe - Kurve 24 - eine spezielle Ausformung des Einspritzverlaufes über dem Nockenwinkel - Kur­ ven 25 und 26 - ermöglicht, wobei mit 25 eine Voreinspritzung und mit 26 eine Haupteinspritzung veranschaulicht sind, und wo­ bei dies über eine entsprechende Bestromung des Magnetventiles 21 erreicht wird, die in den über dem Nockenwinkel angetragenen Kurvenzügen 27 und 28 veranschaulicht ist, wobei der Kurvenzug 27 der Voreinspritzung 25 und der Kurvenzug 28 der Hauptein­ spritzung 26 zugeordnet ist. Die von der Pumpe 1 gelieferte Druckwelle wird somit im Rahmen der Erfindung ohne wesentlichen Zusatzaufwand, wie die Schemadarstellungen gemäß Fig. 2 und 3 veranschaulichen, in ihrer Auswirkung auf den Öffnungszustand der Düse 3 so moduliert, dass sich ein kurzzeitig unterbroche­ ner Einspritzverlauf ergibt, wobei anstelle der im Beispiel ge­ mäß Fig. 4 veranschaulichten Vor- und Haupteinspritzung gegebe­ nenfalls auch eine Haupteinspritzung und eine Nacheinspritzung oder Voreinspritzung, Haupteinspritzung und Nacheinspritzung realisiert werden können, indem, über den Verlauf der Druckwel­ le der druckabhängig in Öffnungsrichtung der Düsennadel 7 fort­ laufend wirkenden Kraft eine Gegenkraft überlagert wird, die in Abhängigkeit vom Öffnungs- und Schließzustand des Magnetventi­ les 21 druckabhängig ist und gleichgerichtet zur Federkraft 10 wirkt, derart, dass bei geschlossenem Magnetventil und entspre­ chender Druckbeaufschlagung des Steuerkolbens 20 die Düse ge­ schlossen ist, bei bestromten Magnetventil 21 und freigegebenem Ablauf auf die Rücklaufleitung 17 aber die Düsennadel 7 ihre Öffnungsstellung abgedrängt wird.

Die Erfindung betrifft ein Hochdruck-Einspritzsystem für Brenn­ kraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren, das mit einer der die Düsennadel in Schließrichtung belastenden Federkraft über­ lagerten Stellkraft arbeitet, derart, dass der über dem Ein­ spritzhub der Pumpe sich ergebende Druckverlauf und der daraus folgende Einspritzverlauf über die Stellkraft variiert werden können.

Die Erfindung betrifft selbstverständlich auch ein Verfahren zum Betreiben eines vorgeschilderten Hochdurck-Einspritzsys­ tems, wie es sich aus den geschilderten Abläufen ergibt.

Claims (11)

1. Hochdruck-Einspritzsystem für Brennkraftmaschinen, insbeson­ dere Dieselmotoren, mit einer Pumpeneinheit und einer mit die­ ser leitungsverbundenen, einem Zylinderbrennraum zugeordneten, eine Schließphase und eine durch die Ansteuerung über die Pumpe bestimmte Öffnungsphase aufweisenden Einspritzdüse, die eine Spritzöffnung aufweist, welche über eine Düsennadel gesteuert ist, die in Schließrichtung federbelastet ist und zur Einsprit­ zung aus ihrer durch Federkraft gehaltenen Schließlage ver­ stellbar und in der Öffnungsphase über die Pumpeneinheit mit unter Druck zeitgesteuert und zylinderindividuell zugeführtem Kraftstoff in Öffnungsrichtung beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Öffnungsphase die Düsennadel (7) in Richtung der Federkraft über eine zusätzliche, über dem Einspritzverlauf va­ riable Stellkraft beaufschlagbar ist.

2. Hochdruck-Einspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellkraft über einen Stellmagneten aufgebracht wird.

3. Hochdruck-Einspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellkraft elektromechanisch aufgebracht wird.

4. Hochdruck-Einspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellkraft über ein Piezoelement aufgebracht wird.

5. Hochdruck-Einspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellkraft hydraulisch aufgebracht wird.

6. Hochdruck-Einspritzsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Öffnungsphase die Düsennadel (7) - überlagert zur Federkraft - über den von der Pumpeneinheit (1) zugeführten Kraftstoff beaufschlagbar ist.

7. Hochdruck-Einspritzsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (7) über einen in Richtung auf den Rücklauf abgezweigten Anteil des von der Pumpeneinheit (1) zugeführten Kraftstoffes überlagert zur Federkraft beaufschlagbar ist.

8. Hochdruck-Einspritzsystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der vom Zulauf auf die Düse (3) abgezweigten und dem Rücklauf unter Beaufschlagung der Düsennadel zugeführ­ ten Kraftstoffes gedrosselt abgezweigt (Zulaufdrossel 29) ist.

9. Hochdruck-Einspritzsystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang des von der pumpenseitigen Zuführung abge­ zweigten und die Düsennadel beaufschlagenden Kraftstoffanteiles auf den Leckmengenrücklauf (17) über eine Drossel (Ablaufdros­ sel 18) gesteuert ist.

10. Hochdruck-Einspritzsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablaufdrossel (18) über ein Magnetventil (21) gesteu­ ert ist.

11. Hochdruck-Einspritzsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablaufdrossel (18) einen über das Magnetventil (21) gesteuerten Kugelsitz aufweist.