DE10112154A1

DE10112154A1 - Kraftstoffeinspritzeinrichtung

Info

Publication number: DE10112154A1
Application number: DE10112154A
Authority: DE
Inventors: Bernd Mahr; Martin Kropp; Hans-Christoph Magel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-03-14
Filing date: 2001-03-14
Publication date: 2002-09-26
Also published as: EP1370762B1; US6814057B2; JP2004518872A; WO2002073024A1; US20030183198A1; EP1370762A1; DE50203953D1

Abstract

Eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung (1) für Brennkraftmaschinen weist mindestens einen hubgesteuerten Injektor (10) auf. Zwischen dem mindestens einen Injektor (10) und einer Arbeitsmedium-Hochdruckquelle (5) ist ein einen beweglichen Kolben (26) aufweisender Druckverstärker (9) geschaltet. Der bewegliche Kolben (26) trennt eine an die Arbeitsmedium-Hochdruckquelle (5) anschließbare Primärkammer (13) von einer mit dem mindestens einen Injektor (10) verbundenen und mit Kraftstoff gefüllten Druckkammer (8). Der Druckverstärker (9) erzeugt einen ersten Kraftstoff-Systemdruck im Injektor (10), der zur Einspritzung verwendet wird. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung (1) weist Mittel zur Bereitstellung eines weiteren, zweiten Kraftstoff-Systemdrucks auf, welche zur Einspritzung ohne Aktivierung des Druckverstärkers (10) verwendet werden können.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zur Einbringung von Kraftstoff in direkteinspritzende Dieselmotoren sind sowohl hub- als druckgesteuerte Kraftstoffeinspritzeinrichtungen bekannt. Zum besseren Verständnis der Beschreibung und der Patentansprüche werden nachfolgend einige Begriffe erläutert: Die Kraftstoffeinspritzung gemäß der Erfindung kann sowohl hubgesteuert als auch druckgesteuert durchgeführt werden. Im Rahmen der Erfindung wird unter einer hubgesteuerten Kraftstoffeinspritzung verstanden, dass das Öffnen und Schließen der Einspritzöffnung mit Hilfe eines verschieblichen Ventilglieds aufgrund des hydraulischen Zusammenwirkens der Drücke in einem Düsenraum und in einem Steuerraum erfolgt. Eine Druckabsenkung innerhalb des Steuerraums bewirkt einen Hub des Ventilglieds. Alternativ kann das Auslenken des Ventilglieds durch ein Stellglied (Aktor, Aktuator) erfolgen. Bei einer druckgesteuerten Kraftstoffeinspritzung gemäß der Erfindung wird durch den im Düsenraum eines Injektors herrschenden Kraftstoffdruck das Ventilglied gegen die Wirkung einer Schließkraft (Feder) bewegt, so dass die Einspritzöffnung für eine Einspritzung des Kraftstoffs aus dem Düsenraum in den Zylinder freigegeben wird. Der Druck, mit dem Kraftstoff aus dem Düsenraum in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine austritt, wird als Einspritzdruck bezeichnet, während unter einem Systemdruck der Druck verstanden wird, unter dem Kraftstoff innerhalb der Kraftstoffeinspritzeinrichtung zur Verfügung steht bzw. bevorratet ist. Kraftstoffzumessung bedeutet, eine definierte Kraftstoffmenge zur Einspritzung bereitzustellen. Unter Leckage ist eine Menge an Kraftstoff zu verstehen, die beim Betrieb der Kraftstoffeinspritzeinrichtung entsteht (z. B. eine Führungsleckage), nicht zur Einspritzung verwendet und zum Kraftstofftank zurückgefördert wird. Das Druckniveau dieser Leckage kann einen Standdruck aufweisen, wobei der Kraftstoff anschließend auf das Druckniveau des Kraftstofftanks entspannt wird.

Es ist auch bekannt, einen Druckverstärker einzusetzen, um neben dem Raildruck einen weiteren unterschiedlichen Einspritzdruck zur Verfügung zu haben. Die Verwendung eines separaten Arbeitsmediums (z. B. Hydrauliköl) zur Betätigung des Druckverstärkers hat den Nachteil, dass es nicht mehr möglich ist, den Raildruck als Einspritzdruck zu verwenden.

Vorteile der Erfindung

Zur Ausbildung einer flexiblen Kraftstoffeinspritzeinrichtung, welche ein separates Arbeitsmedium (Hydrauliköl) zur Betätigung des Druckverstärkers nutzt, wird erfindungsgemäß eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Patentanspruch 1 vorgeschlagen.

Erfindungsgemäße Weiterbildungen sind in den Patentansprüchen 2 bis 4 enthalten.

Zur Erhöhung der Flexibilität einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung wird zusätzlich zu dem Kraftstoffdruck des hydraulikölbetätigten Druckverstärkers (1. Systemdruck) ein weiterer 2. (niederer) Kraftstoff-Systemdruck erzeugt, der zur Einspritzung verwendet werden kann. Der 2. Systemdruck wird bei Bedarf in einem Druckspeicherraum gespeichert und liegt ständig am Injektor an. Es kann eine flexible Einspritzverlaufsformung und eine Mehrfacheinspritzung dargestellt werden. Zur Erzeugung kann eine separate Hochdruckpumpe verwendet werden. Es ist aber auch möglich, den Kraftstoffdruck mit einem zentralen Druckverstärker zu erzeugen. Vorteilhafterweise kann der 2. Systemdruck auch durch Speicherung einer Teilmenge des vom DV komprimierten Kraftstoffes bereitgestellt werden.

Wird der Kraftstoffdruck höher gewählt als der Öldruck im Druckspeicherraum dann wirkt auf einen Kolben des lokalen Druckverstärkers eine hydraulische Rückstellkraft. Somit kann die notwendige Rückstellfeder verkleinert werden oder sogar entfallen. Dies ergibt einen großen Bauraumvorteil, der besonders bei Integration des Druckverstärkers in den Injektor wichtig ist.

Zeichnung

Sieben Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzeinrichtung sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Verwendung von Hydrauliköl zur Betätigung eines lokalen Druckverstärkers und zur Ansteuerung eines Injektors;

Fig. 2 die Verwendung von Hydrauliköl zur Betätigung des lokalen' Druckverstärkers und von Kraftstoff zur Ansteuerung des Injektors;

Fig. 3 eine andere Ansteuerung des Druckverstärkers bei Verwendung von Hydrauliköl zur Betätigung des lokalen Druckverstärkers und zur Ansteuerung des Injektors;

Fig. 4 die Verwendung von Hydrauliköl zur Betätigung des lokalen Druckverstärkers und zur Ansteuerung des an einen zentralen Druckspeicherraum angeschlossenen Injektors;

Fig. 5 die Verwendung von Hydrauliköl zur Betätigung des lokalen Druckverstärkers und von Kraftstoff zur Ansteuerung des an einen zentralen Druckspeicherraum angeschlossenen Injektors;

Fig. 6 die Verwendung eines zentralen Druckverstärkers;

Fig. 7 eine weitere Ansteuerung des lokalen Druckverstärkers.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Bei dem in der Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1 wird ein Vorratsbehälter 2 für ein Arbeitsmedium (z. B. Hydrauliköl) und ein Vorratsbehälter 3 für Kraftstoff verwendet. Eine Hochdruckpumpe 4 fördert das Arbeitsmedium Hydrauliköl in einen zentralen Druckspeicherraum 5, in dem das Hydrauliköl auf einen regelbaren Systemdruck von ca. 50 bar bis 250 bar komprimiert und gespeichert wird. Durch den Druckspeicherraum 5 wird also eine Arbeitsmedium-Hochdruckquelle bereitgestellt.

Eine Niederdruck-Kraftstoffpumpe 6 fördert Kraftstoff 3 über eine Zuleitung 7 in eine Druckkammer 8 eines Druckverstärkers 9. Jedem Injektor 10 ist ein lokaler Druckverstärker 9 zugeordnet. In der Fig. 1 sind lediglich ein Druckverstärker 9 und ein Injektor 10 eingezeichnet. Mit Hilfe eines 3/2-Wege-Ventil 11 ist die Ansteuerung des Druckverstärkers 9 durchführbar, indem eine Zuleitung 12 zu einer Primärkammer 13 des Druckverstärkers 9 entweder an einen Öl-Rücklauf 14 oder an den Druckspeicherraum 5 angeschlossen werden kann. Die Druckkammer 8 ist über ein Rückschlagventil 15 mit einem Düsenraum 16 des Injektors 10 verbunden, so dass ein Druckaufbau in dem Düsenraum 16 stattfinden kann. Ein an den Druckspeicherraum 5 angeschlossener Steueraum 17 des Injektors 10 läßt sich mit Hilfe eines 2/2-Wege-Ventils 18 und einer Druckentlastungsdrossel 19 mit einem Öl-Rücklauf 20 verbinden, so dass der Druck im Steuerraum 17 beeinflußt werden kann.

Die Einspritzung erfolgt über eine Kraftstoffzumessung mit Hilfe einer in einer Führungsbohrung axial verschiebbaren Düsennadel 21, die mit einer Ventilsitzfläche am Injektorgehäuse des Injektors 10 zusammenwirkt. An der Ventilsitzfläche des Injektorgehäuses sind Einspritzöffnungen vorgesehen. Innerhalb des Düsenraums 16 ist eine in Öffnungsrichtung der Düsennadel 21 weisende Druckfläche dem dort herrschenden Druck ausgesetzt, der über die Zuleitung 22 dem Düsenraum 16 zugeführt wird. Koaxial zu einer Ventilfeder 23 greift ferner an der Düsennadel 21 ein Druckstück 24 an, das den Steuerraum 17 begrenzt. Der Steuerraum 17 hat vom Kraftstoffdruckanschluß her einen Zulauf mit einer ersten Drossel 25 und einen Ablauf über den Öl-Rücklauf 20 und das 2/2-Wege-Ventil 18.

Der Düsenraum 16 setzt sich über einen Ringspalt zwischen der Düsennadel 21 und der Führungsbohrung bis an die Ventilsitzfläche des Injektorgehäuses fort. Über den Druck im Steuerraum 17 wird das Druckstück 24 in Schließrichtung druckbeaufschlagt.

Die Steuerung des Injektors 10 erfolgt hydraulisch durch das Zusammenwirken der Drücke im Düsenraum 16 und im Steuerraum 17 (bei entsprechender Auslegung der Druckflächen. Bei geöffnetem Ventil 20 sinkt der Druck im Steuerraum 17 und die Düsennadel 21 gibt die Einspritzöffnungen frei. Die Einspritzung beginnt. Bei geschlossenem Ventil 20 baut sich im Steuerraum 17 wieder ein Raildruck auf und die Düsennadel 21 schließt die Einspritzöffnung.

Zur Einspritzung von Kraftstoff mit einem gegenüber dem Druckspeicherraum 5 erhöhten Systemdruck ist jedem Injektor 10 jeweils ein lokaler Druckverstärker 9 zugeordnet. Der Druckverstärker 9 umfasst das 3/2-Wege-Ventil 11 zur Ansteuerung, ein Rückschlagventil und einen Kolben 26. Der bewegliche Kolben 26 trennt die an den Druckspeicherraum 5 anschließbare Primärkammer 13 von einer mit dem mindestens einen Injektor 10 verbundenen und mit Kraftstoff gefüllten Druckkammer 8. Der Kolben 26 kann einenends druckbeaufschlagt werden. Ein Differenzraum 27 ist mittels einer Leckageleitung druckentlastet, so dass der Kolben 26 zur Verringerung des Volumens der Druckkammer 8 verschoben werden kann. Der Kolben 26 wird in Kompressionsrichtung bewegt, so dass der in der Druckkammer 8 befindliche Kraftstoff verdichtet und dem Steuerraum 17 und einem Düsenraum 16 zugeführt wird. Ein Rückschlagventil verhindert den Rückfluss von komprimiertem Kraftstoff in den Kraftstofftank. Mittels eines geeigneten Flächenverhältnisses in der Primärkammer 13 und der Druckkammer 8 kann ein erhöhter Druck erzeugt werden. Wird die Primärkammer 13 mit Hilfe des Ventils 11 an die Leckageleitung 14 angeschlossen, so erfolgt die Rückstellung des Kolbens 26 und die Wiederbefüllung der Druckkammer 8. Zur Verbesserung des Rückstellverhaltens können eine oder mehrere Federn vorgesehen sein. Mittels der Druckübersetzung wird somit ein erster Kraftstoff-Systemdruck erzeugt werden.

Durch das Rückschlagventil 15 bleiben der Düsenraum 16 und ein lokaler Druckspeicherraum 28 unter Druck, wenn der Druckverstärkers durch Ventil 11 druckentlastet wird. Damit liegt ein ständiger Kraftstoffdruck am Injektor 10 an. Eine Einspritzung zu beliebigen Zeitpunkten ist möglich, auch wenn der Druckverstärker 9 nicht angesteuert ist und somit keinen Kraftstoff im Kompressionsraum 8 verdichtet. Es wird ein zweiter niederer Kraftstoff- Systemdruck erzeugt, der zur Einspritzung verwendet werden kann. Das Druckniveau im Druckspeicherraum 28 kann bei Bedarf durch ein Überdruckventil 29 auf einen gewünschten Druck eingestellt werden. Der Druck im Druckspeicherraum 28 kann sich dazu über das Ventil 29 bis zu dessen Öffnungsdruck abbauen. Somit kann vorzugsweise ein niederes Druckniveau von ca. 300 bis 500 bar eingestellt werden. Damit läßt sich dann z. B. eine Voreinspritzung, eine Bootphase einer Haupteinspritzung und eine abgesetzte Nacheinspritzung für die Regeneration von Abgasnachbehandlungs-Systemen darstellen. Die Größe des Druckspeicherraums 28 muß entsprechend dem gewünschten Einspritzverlauf ausgelegt werden. Vorzugsweise wird der lokale Druckspeicherraum nur für eine kleine Voreinspritzung und eine kurze Bootphase verwendet. Dann kann er sehr klein sein und evtl. durch die vorhandenen Leitungen und Räume dargestellt werden.

Zur Ansteuerung des Injektors 10 wird bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 (Kraftstoffeinspritzeinrichtung 30) komprimierter Kraftstoff aus dem Düsenbereich an Stelle des Hydrauliköls aus dem Druckspeicher 5 verwendet. Der Druckspeicherraum 28 ist entsprechend ausgelegt.

Fig. 3 zeigt eine andere Ansteuerung des Druckverstärkers 9 mit einem 2/2-Wege- Ventil 31 bei einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung 32. Der Kolben 26 ist im deaktivierten Zustand beim Rückstellen nicht vollständig hydraulisch druckausgeglichen. Eine erhöhte Federkraft gleicht dies aus.

Um dies anders zu lösen, kann ein erhöhter Kraftstoffvordruck verwendet werden. Gemäß Fig. 4 ist bei einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung 34 ein zweiter (niederer) Kraftstoff-Systemdruck vorgesehen, der einen Kraftstoff-Grunddruck im System bereit stellt. Der 2. Kraftstoff-Systemdruck wird von einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe 39 erzeugt. Bei Bedarf kann dieser 2. Kraftstoff-Systemdruck in einem zentralen Druckspeicher 33 gespeichert werden.

Der 2. Kraftstoff-Systemdruck ist an die Druckkammer 8 und den Düsenraum 16 angeschlossen. Der Düsenraum 16 ist daher stets mit Kraftstoffdruck beaufschlagt. Dieser Kraftstoffdruck kann zu jeder Zeit für eine Einspritzung genutzt werden und kann damit z. B. für eine Voreinspritzung oder eine Bootphase benutzt werden.

Für den Druckspeicher 33 kann eine Druckregelung vorgesehen sein. Wird der 2. Systemdruck höher gewählt als der Öldruck des Arbeitsmediums, dann erfährt der Kolben eine hydraulische Rückstellkraft und es kann bei Bauraumproblemen auf eine Rückstellfeder verzichtet werden.

Eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung 35 gemäß Fig. 5 entspricht der zu Fig. 4. An Stelle des Hydrauliköls wird hier Kraftstoff zur Ansteuerung des Injektors 10 verwendet.

Zu Erzeugung des 2. Kraftstoff-Systemdruck (Kraftstoffgrunddruck) kann an Stelle einer Hochdruckpumpe auch ein zentraler Druckverstärker 36 verwendet werden (Kraftstoffeinspritzeinrichtung 37 der Fig. 6). Dabei kann zur Druckregelung und/oder Schwingungsdämpfung ebenfalls ein Druckspeicherraum 33 verwendet werden.

Fig. 7 zeigt eine weitere Schaltungsmöglichkeit, wobei das 3/2-Wege-Ventil 11 zur Steuerung des Druckverstärkers 9 einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung 38 mit einem zentralen Druckspeicherraum 33 vorgesehen ist. Bei dieser Schaltungsmöglichkeit erfährt der Kolben eine hydraulische Rückstellkraft und es kann bei Bauraumproblemen auf eine Rückstellfeder verzichtet werden.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Kraftstoffeinspritzeinrichtung

2

Vorratsbehälter

4

Öl-Hochdruckpumpe

5

Druckspeicherraum

6

Niederdruck-Kraftstoffpumpe

7

Zuleitung so

8

Druckkammer

9

Druckverstärker

10

Injektor

11

3/2-Wege-Ventil

12

Zuleitung

13

Primärkammer

14

Öl-Rücklauf

15

Rückschlagventil

16

Düsenraum

17

Steuerraum

18

2/2-Wege-Ventil

19

Druckentlastungsdrossel

20

Öl-Rücklauf

21

Düsennadel

22

Zuleitung

23

Ventilfeder

24

Druckstück

25

Drossel

26

Kolben

27

Differenzraum

28

Druckspeicherraum

29

Überdruckventil

30

Kraftstoffeinspritzeinrichtung

31

2/2-Wege-Ventil

32

Kraftstoffeinspritzeinrichtung

33

Druckspeicherraum

34

Kraftstoffeinspritzeinrichtung

35

Kraftstoffeinspritzeinrichtung

36

Druckverstärker

37

Kraftstoffeinspritzeinrichtung

38

Kraftstoffeinspritzeinrichtung

39

Hochdruck-Kraftstoffpumpe

Claims

1. Kraftstoffeinspritzeinrichtung (1; 30; 32; 34; 35; 37; 38) für Brennkraftmaschinen mit mindestens einem hubgesteuerten Injektor (10), wobei zwischen dem mindestens einen Injektor (10) und einer Arbeitsmedium- Hochdruckquelle (5) ein einen beweglichen Kolben (26) aufweisender Druckverstärker (9) geschaltet ist, wobei der bewegliche Kolben (26) eine an die Arbeitsmedium-Hochdruckquelle (5) anschließbare Primärkammer (13) von einer mit dem mindestens einen Injektor (10) verbundenen und mit Kraftstoff gefüllten Druckkammer (8) trennt, wobei der Druckverstärker (9) einen ersten Kraftstoff-Systemdruck im Injektor (10) erzeugt, der zur Einspritzung verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzeinrichtung (1; 30; 32; 34; 35; 37; 38) Mittel zur Bereitstellung eines weiteren, zweiten Kraftstoff- Systemdrucks aufweist, welche zur Einspritzung ohne Aktivierung des Druckverstärkers (10) verwendet werden können.

2. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Erzeugung des zweiten Kraftstoff-Systemdrucks aus dem vom Druckverstärker (9) komprimierten ersten Kraftstoff-Systemdruck vorgesehen sind.

3. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass separate lokale Speicher zur Bereitstellung des zweiten Kraftstoffdrucks für jeden Injektor (10) vorgesehen sind.

4. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Bereitstellung des zweiten Kraftstoffdrucks gemeinsam für alle Injektoren (10) vorgesehen sind.

5. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein zentraler Speicher für den zweiten Kraftstoffdruck vorgesehen ist.

6. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hochdruckpumpe zur Erzeugung des zweiten zentralen Kraftstoffdrucks vorgesehen ist.

7. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckverstärker zur Erzeugung des zweiten Kraftstoffdrucks vorgesehen ist.