DE10063698A1 - Hochdruckeinspritzsystem mit Ausführung einer Steuerdrossel als Kaskadendrossel - Google Patents

Abstract

Ein Hochdruckeinspritzsystem (1) umfasst wenigstens einen Hochdruckspeicher (2a) für Kraftstoff, eine Steuerkammer (9) und ein Ventil (10), sowie ein Einspritzventil (3) mit einer Düsennadel (5) und einem Steuerkolben (14). Die Steuerkammer (9) ist mit dem Hochdruckspeicher (2a) über eine Ablaufdrossel (20) verbunden. Über die Steuerkammer (9) wird die Bewegung des Steuerkolbens (14) und der damit verbundenen Düsennadel (5) gesteuert. Dazu werden über die Zulaufdrossel (19) und die Ablaufdrossel (20) die Strömungsverhältnisse für in die Steuerkammer (14) hinein- und aus der Steuerkammer hinausfließenden Kraftstoff eingestellt. Die Zulaufdrossel (19) ist als eine mehrstufige Drossel ausgeführt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hochdruckeinspritzsys­ tem mit Ausführung einer Steuerdrossel als Kaskadendrossel und insbesondere ein Hochdruckeinspritzsystem nach Art eines Common Rail Einspritzsystems eines direkt einspritzenden Die­ selmotors.

Hochdruckspeichereinspritzsysteme, auch als sogenannte Common Rail Einspritzsysteme bezeichnet, zeichnen sich gegenüber herkömmlichen Einspritzsystemen dadurch aus, dass der Ein­ spritzdruck unabhängig von der Motordrehzahl erzeugt werden kann. Die Entkopplung von Druckerzeugung und Einspritzung wird dabei mit Hilfe eines Speichervolumens realisiert, in dem Kraftstoff unter hohem Druck bereitgestellt wird. Der ho­ he Druck im Speichervolumen wird mittels einer Hochdruckpumpe erzeugt. Mit dem Kraftstoff aus dem Speichervolumen werden sowohl eine Einspritzdüse als auch eine Steuerkammer ge­ speist, über die eine Düsennadel der Einspritzdüse angesteu­ ert wird. Dazu ist ein Steuerkolben in der Steuerkammer ver­ schiebbar gelagert, dessen eines Ende mit der Düsennadel ver­ bunden ist und dessen anderes Ende in der Steuerkammer mit Druck beaufschlagt wird. Der Druck in der Steuerkammer wird über eine Verbindungsleitung durch den Druck im Speichervolu­ men erzeugt. Zur Druckentlastung ist die Steuerkammer mit ei­ nem Ventil verbunden. Weiterhin sind zwischen Speichervolumen und Steuerkammer eine Zulaufdrossel sowie zwischen Steuerkam­ mer und Ventil eine Ablaufdrossel vorgesehen, um einen vorbe­ stimmten Druckaufbau bzw. -abbau in der Steuerkammer nach Schließen bzw. Öffnen des Ventils zu gewährleisten.

Die Ablaufdrossel ist so gestaltet, dass der Kavitationsum­ schlagpunkt, also der Gegendruck, bei dessen Unterschreiten der Durchfluss durch die Drossel aufgrund Kavitation nicht mehr weiter gesteigert werden kann und damit unabhängig von in Strömungsrichtung hinter der Drossel herrschenden Ge­ gendruck ist, möglichst hoch liegt. Dadurch kavitiert die Ab­ laufdrossel bei geöffneten Ventil (niedrigen Gegendruck) und der Durchfluss durch die Drossel und damit die Bewegung des Steuerkolbens wird unabhängig vom Ventilströmungsquerschnitt.

Der vorherbestimmte Druckaufbau/-Abbau in der Steuerkammer schafft eine kontrollierte Bewegung des Steuerkolbens und der damit verbundenen Düsennadel. Unter kontrolliert versteht man dabei, dass der Zeitpunkt des Bewegungsbeginns beim Öffnen und Schließen als auch die Geschwindigkeit der Bewegung selbst durch die Größe der druckbeaufschlagten Querschnitts­ flächen von Steuerkolben und Düsennadel sowie durch den Kraftstoffdruck in dem Speichervolumen und die Strömungsei­ genschaften der Drosseln, insbesondere Strömungswiderstand und Kavitationspunkt, vorgegeben werden kann. Das reprodu­ zierbare Einspritzen definierter Kraftstoffmengen mit hoher Präzision erfordert somit eine hohe Fertigungsgenauigkeit von Steuerkolben und Drosseln. Die relativ großen Querschnitts­ flächen der Steuerkolben können sehr genau gefertigt werden; die Herstellung von Drosseln mit geringer Fertigungstoleranz bedarf dagegen eines sehr hohen Aufwandes, wie nachfolgend erläutert wird.

Die im Stand der Technik bei Einspritzvorrichtungen verwende­ ten Drosseln sind in Form zylindrischer Querschnittsverengun­ gen im Strömungsweg zwischen Steuerkammer und Speichervolumen bzw. zwischen Steuerkammer und Ventil verwirklicht. Solche herkömmliche Drosseln haben typischerweise eine Länge von ca. 1 mm und weisen einen Drosseldurchgang mit typischerweise 0,3 mm Durchmesser auf. Die Drosseldurchgang wird beispielsweise durch Bohren oder durch elektrochemisches Ätzen hergestellt. Die Drossellänge an sich ist für die Strömungseigenschaften der Drossel von untergeordneter Bedeutung. Die Strömungsei­ genschaften der Drosseln werden jedoch nicht nur durch den Durchmesser des Drosseldurchganges, sondern auch durch eine eventuelle Konizität, die Form von Ein- und Auslaufkanten so­ wie die Oberflächenbeschaffenheit des Drosseldurchganges be­ stimmt. Das Einstellen des die Funktion der Drossel bestim­ menden Strömungswiderstandes auf den Sollwert erfolgt durch hydroerosives Verrunden der Einlaufkanten der Drossel. Dros­ seln mit nur geringen Toleranzen und gleichbleibender Quali­ tät in den Strömungsparametern sind demgemäß nur unter hohem Aufwand zu fertigen. In der Praxis muss bei der Drosselher­ stellung mit einer entsprechend hohen Ausschussrate gerechnet werden.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den fertigungstechnischen Aufwand bei der Herstellung von Spei­ chereinspritzsystemen, insbesondere hinsichtlich der Dros­ seln, zu verringern.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Speichereinspritzvorrich­ tung mit den Merkmalen des Anspruches 1 vorgeschlagen.

Demnach ist die Zulaufdrossel eines Speichereinspritzsystems als eine mehrstufige Drossel ausgeführt. Der Aufbau der Zu­ laufdrossel in Form mehrerer Drosselstufen bzw. von in Reihe geschalteten Drosseln, gestattet größere Fertigungstoleranzen bei der Herstellung der einzelnen Drosseln bzw. Drosselstu­ fen, ohne dass dabei die Strömungseigenschaften der derart gebildeten Zulaufdrossel beeinträchtigt werden. Folglich sind die Anforderungen an die Fertigungstoleranz einer einzelnen Drosselstufe bzw. Drossel und somit der Zulaufdrossel selbst erheblich gesenkt, wodurch ein geringerer Fertigungsaufwand bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Speichereinspritz­ vorrichtung erzielt wird.

Die geringeren Anforderungen an die Fertigungstoleranz der mehrstufigen Drossel ergibt sich wie folgt: Die Streuung ei­ nes Durchflusses infolge Fertigungstoleranz eines Strömungs­ querschnittes berechnet sich nach der Formel

wobei A die Querschnittsfläche, ΔA die Fertigungstoleranz, Q der Durchfluss und ΔQ die Streuung der Durchflusses Q ist. Der Gesamtströmungsquerschnitt A_gesamt einer mehrstufigen Dros­ sel berechnet sich aus den Strömungsquerschnitten A der Ein­ zeldrosseln nach

A_gesamt = √N.A,
wobei N die Anzahl der Einzeldrosseln ist. Die Einzeldrosseln einer N-stufigen Zulaufdrossel weisen also einen um den Fak­ tor √N vergrößerten Strömungsquerschnitt gegenüber einer als Einzeldrossel ausgeführten Zulaufdrossel auf. Die Streu­ ung ΔQ des Durchflusses Q berechnet sich bei einer mehrstu­ figen Drossel nach

Die Streuung des Durchflusses einer N-stufigen Drossel fällt demnach auf den N-ten Teil des Wertes einer als Einzeldrossel ausgeführten Zulaufdrossel ab.

Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Speichereinspritz­ vorrichtung können durch die Ausgestaltung der Zulaufdrossel als mehrstufige Drossel somit Einzeldrosseln mit einerseits höherem Strömungsquerschnitt und andererseits größerer Ferti­ gungstoleranz eingesetzt werden. Somit wird gegenüber den Einspritzsystemen mit Zulaufdrosseln des Standes der Technik eine Verringerung des fertigungstechnischen Aufwandes er­ zielt.

Die mehrstufige Ausgestaltung der Zulaufdrossel verringert außerdem in Vorteilhafter Art und Weise den Druckabfall an den einzelnen Drosselstufen. Bei einem Gesamtdruckabfall ΔP_gesamt ist der Druckabfall an der ersten Drosselstufe durch

und an der N-ten Drosselstufe durch

gegeben. Bei einer 3-stufigen Drossel liegt der Druckabfall der Drosselstufen zwischen 17% und 25% des Gesamtdruckabfalls und bei einer 10-stufigen Drossel bereits lediglich zwischen 5% und 9% des Gesamtdruckabfalls. In der Zulaufdrossel kann dadurch Kavitation in vorteilhafter Art und Weise weitgehend vermieden werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Zulaufdrossel als eine separate Kaskadendrossel ausgeführt. Eine solche Ausgestaltung fördert die kompakte Bauweise der Speichereinspritzvorrichtung. Die Ausgestaltung der mehrstu­ figen Drossel als ein separates, einsetzbares Bauelement in Form einer Kaskadendrossel erleichtert außerdem die Handha­ bung bzw. den Einbau der Drossel beim Fertigungsprozess.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die mehrstufige Zulaufdrossel aus einer Mehrzahl gleicher Einzel­ drosseln bzw. Drosselelemente aufgebaut. Die Verwendung glei­ cher Einzeldrosseln bzw. Drosselelemente ermöglicht eine Ra­ tionalisierung der Fertigung. Zudem kann der Strömungsquer­ schnitt einer Einzeldrossel bzw. eines Drosselelementes so gewählt werden, dass unterschiedliche Gesamtströmungsquer­ schnitte der Zulaufdrossel, die beispielsweise bei verschie­ denen Typen von Speichereinspritzvorrichtungen zum Einsatz kommen können, lediglich durch Variation der Anzahl der Ein­ zeldrosseln bzw. Drosselelemente realisiert werden. Durch ei­ nen solchen modulartigen Aufbau der Zulaufdrossel wird die Anzahl unterschiedlicher Bauelemente verringert und variable­ re Einstellbarkeit hinsichtlich des Strömungswiderstandes er­ zielt.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Ein­ zeldrosseln bzw. Drosselelemente derart zueinander ausgerich­ tet, dass ihre Drosseldurchführungen zueinander versetzt an­ geordnet sind. Dadurch wird erreicht, dass die Drosselwirkung einer Drossel bzw. eines einzelnen Drosselelementes im we­ sentlichen unbeeinflusst von der Wirkung der übrigen Drosseln bzw. Drosselelemente erfolgt. Die Strömungseigenschaften der mehrstufigen Drossel können somit genauer vorherbestimmt und unerwünschte bzw. nicht vorhersehbare Wechselwirkungen zwi­ schen den Drosselelementen weitgehend ausgeschlossen werden.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nach­ stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der je­ weils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombi­ nationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben. Es zei­ gen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemä­ ßen Speichereinspritzvorrichtung und

Fig. 2 eine mehrstufige Zulaufdrossel der erfindungsgemä­ ßen Speichereinspritzvorrichtung entsprechend Fig. 1 in vergrößerter Darstellung.

Fig. 1 zeigt eine schematisch dargestellte erfindungsgemäße Speichereinspritzvorrichtung 1, die beispielsweise nach Art eines Common Rail Einspritzsytems mit 2/2-Wege-Piezoventil ausgeführt ist. Die Speichereinspritzvorrichtung 1 umfasst einen Hochdruckspeicher 2a, eine Hochdruckleitung 2, ein Ein­ spritzventil 3, sowie Mittel 8 zur hydraulischen Steuerung des Einspritzventiles 3. Als Steuermittel 8 sind eine Steuer­ kammer 9, die mit dem Hochdruckspeicher 2a über eine Hoch­ druckleitung 2 verbunden ist, sowie ein ebenfalls mit der Steuerkammer verbundenes Ventil 10 vorgesehen. Das Ventil 10 wird über einen Piezoaktor 11 betätigt. Bezugszeichen 12 stellt eine schematisch Veranschaulichung der elektronischen Ansteuerung des Piezoaktors 11 dar.

In der Steuerkammer 9 ist ein Steuerkolben 14 verschiebbar gelagert. Ein Ende 15 des Steuerkolbens 14 wird vom Druck der Steuerkammer 9 beaufschlagt und sein anderes Ende 16 wirkt auf eine Düsennadel 5 des Einspritzventiles 3. Die Düsennadel 5 ist in dem Einspritzventil 3 beweglich gelagert, um Düsen­ öffnungen 6 des Einspritzventils 3 freizugeben bzw. abzude­ cken. Die Düsennadel 6 ist durch eine Feder 7 gegen den Ven­ tilsitz des Einspritzventils 3 vorgespannt. Das Einspritzven­ til 3 wird über eine Zuleitung 7 mit Kraftstoff aus dem Hoch­ druckspeicher 2a gespeist.

Zwischen der Steuerkammer 9 und dem Hochdruckspeicher 2a so­ wie der Steuerkammer 9 und dem Ventil 10 sind jeweils Dros­ seln 19, 20 vorgesehen, über die Kraftstoff aus dem Hoch­ druckspeicher 2a in die Steuerkammer 9 einfließen und aus der Steuerkammer 9 abfließen kann. Die Drosseln 19, 20 ermögli­ chen das Einstellen von vorbestimmten Strömungsparametern des Kraftstoffes beim Einströmen bzw. Ausströmen des Kraftstoffes aus der Steuerkammer 9. Die Zulaufdrossel 19 ist erfindungs­ gemäß in Form einer mehrstufigen Drossel ausgeführt.

Bei geschlossenem Ventil 10 fließt aus dem Hochdruckspeicher 2a und der Hochdruckleitung 2 Kraftstoff über die Zulaufdros­ sel 19 in die Steuerkammer 9. Dadurch wird in der Steuerkam­ mer 9 ein entsprechender Kraftstoffdruck des Hochdruckspei­ chers 2a aufgebaut und somit der Steuerkolben 14 an seinem steuerkolbenseitigen Ende 16 mit dem Druck der Steuerkammer 9 beaufschlagt. Dadurch wird eine Bewegung des Steuerkolbens 14 in Richtung der Düsenöffnungen 6 des Einspritzventils 3 be­ wirkt, die über das düsennadelseitige Ende 15 des Steuerkol­ bens 14 auf die Düsennadel 5 übertragen wird. Die Düsennadel 5 verschließt die Düsenöffnungen 6 des Einspritzventils 3 ge­ gen des Druck des einzuspritzendes Kraftstoffes. Nach Öffnen des Ventils 10 kann Kraftstoff aus der Steuerkammer 9 über die Ablaufdrossel 20 aus der Steuerkammer 9 schneller abflie­ ßen als über die Zulaufdrossel 19 aus dem Hochdruckspeicher 2a zugeführter Kraftstoff nachfließt. Durch entsprechend ge­ wählte Strömungswiderstände der Zu- und Ablaufdrossel 19, 20 wird eine kontrollierte Bewegung des Steuerkolbens 14 in Richtung des Ventils 10 und damit ein kontrolliertes Abheben der Düsennadel 5 vom Ventilsitz des Einspritzventils 3 ge­ währleistet. Über die von der Düsennadel 5 freigegebenen Dü­ senöffnungen 6 wird Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher 2a eingespritzt. Nach Schließen des Ventils 10 wird der Druck in der Steuerkammer 9 wieder durch über die Zulaufdrossel 19 nachfließenden Kraftstoff aufgebaut. Dadurch wird die Düsen­ nadel 5 mittels des Steuerkolben 14 kontrolliert auf den Ven­ tilsitz des Einspritzventils 3 aufgesetzt und die Düsenöff­ nungen 6 verschlossen. Eine präzise zeitliche Steuerung des Öffnungs- und Schließvorganges des Einspritzventils wird durch eine genaue Einstellung der Strömungsverhältnisse an Zulauf- und Ablaufdrossel gewährleistet. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Zulaufdrossel 19 als mehrstufige Drossel gewährleistet eine hinreichende Einstellgenauigkeit des Strö­ mungswiderstandes bei verringertem Fertigungsaufwand.

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung der mehrstufigen Zulaufdrossel 19 der erfindungsgemäßen Speichereinspritzvor­ richtung 1 von Fig. 1. Die mehrstufige Zulaufdrossel 19 ist aus einer Mehrzahl Drosselelemente 22 aufgebaut, die bei­ spielsweise in einem zylindrischen Gehäuse 21 angeordnet sind. Die beiden offenen Enden des Gehäuses 21 sind Zulauf- bzw. Ablauföffnung der Drossel 19. Die beispielhaften Dros­ selelemente 21 sind scheibenförmig und weisen Drosseldurch­ gänge 23 auf. In der dargestellten Ausführungsform ist der Drosseldurchgang 23 in Form einer Vertiefung bzw. einer Nut in der Mantelfläche des scheibenförmigen Drosselelementes 22 ausgeführt, wobei ein definierter Strömungsquerschnitt des Drosselelementes 22 durch Zusammenwirken der Nut mit der in­ neren Mantelfläche des zylindrischen Gehäuses 21 in im Gehäu­ se eingesetzten Zustand gegeben ist. Die Durchführungen bzw. Durchgänge können aber auch als Durchgangsbohrungen oder sonstige querschnittsverengende Ausgestaltungen der Drossel­ elemente ausgeführt sein. Zwischen den einzelnen Drosselele­ menten 22 sind Abstandsmittel 24 vorgesehen, die einen Min­ destabstand der Drosselelemente 22 zueinander gewährleisten. Die Abstandsmittel 24 können integral mit den Drosselelemen­ ten 22 ausgebildet oder auch am Gehäuse 21 vorgesehen sein. Die Drosselelemente 22 sind bevorzugt derart in dem zylindri­ schen Gehäuse 21 ausgerichtet, dass die jeweiligen Durchfüh­ rungen 23 zueinander versetzt angeordnet sind. Dadurch wird eine weitgehend unabhängige Drosselwirkung eines Drosselele­ mentes 22 gegenüber den übrigen Drosselelementen 22 geschaf­ fen. Die im Ausführungsbeispiel dargestellte mehrstufige Drossel 19 ist als ein separates Bauteil ausgeführt und kann bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Speichereinspritz­ vorrichtung 1 mit geringem Aufwand in dieselbe eingebaut wer­ den.

Claims (6)

1. Speichereinspritzsystem mit wenigstens einem Hochdruck­ speicher (2a), einer Steuerkammer (9) mit Steuerkolben (14), einem Ventil (10) , und einem Einspritzventil (3) mit einer Düsennadel (5), wobei das Einspritzventil (3) mittels der Steuerkammer (9) und des Steuerkolbens (14) gesteuert wird und die Steuerkammer (9) mit dem Hochdruckspeicher (2a) über eine Zulaufdrossel (19) sowie mit dem Ventil (10) über eine Ablaufdrossel (20) verbunden ist, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Zulaufdrossel (19) als eine mehrstufige Drossel ausgeführt ist.

2. Speichereinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zulaufdrossel (19) eine Kaskaden­ drossel ist.

3. Speichereinspritzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, dass die mehrstufige Zulaufdrossel (19) aus einer Mehrzahl gleicher Einzeldrosseln (22) und/oder Drosselelemente (22) aufgebaut.

4. Speichereinspritzvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzel­ drosseln (22) bzw. Drosselelemente (22) der mehrstufigen Zu­ laufdrossel (19) derart zueinander ausgerichtet, dass ihre Drosseldurchgänge (23) zueinander versetzt angeordnet sind.

5. Speichereinspritzvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrstu­ fige Zulaufdrossel (19) scheibenförmige Drosselelemente (22) mit nutförmig ausgebildeten Drosseldurchgängen (23) umfasst, in einem Gehäuse (21) nach Art einer Reihenschaltung angeord­ net sind.

6. Speichereinspritzvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Abstandsmit­ tel (24) zwischen den Drosselelemente (22) vorgesehen sind.