Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer
Kraftstoffeinspritzeinrichtung für eine Brennkraftmaschine
nach der Gattung des Anspruchs 1.
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Eine solche Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist durch die
EP 0 987 431 A2 bekannt. Diese
Kraftstoffeinspritzeinrichtung weist eine
Kraftstoffhochdruckpumpe und ein mit dieser verbundenes
Kraftstoffeinspritzventil für jeden Zylinder der
Brennkraftmaschine auf. Die Kraftstoffhochdruckpumpe weist
einen durch die Brennkraftmaschine in einer Hubbewegung
angetriebenen Pumpenkolben auf, der einen Pumpenarbeitsraum
begrenzt. Das Kraftstoffeinspritzventil weist einen mit dem
Pumpenarbeitsraum verbundenen Druckraum und ein
Einspritzventilglied auf, durch das wenigstens eine
Einspritzöffnung gesteuert wird und das durch den im
Druckraum herrschenden Druck gegen eine Schließkraft in
Öffnungsrichtung zur Freigabe der wenigstens einen
Einspritzöffnung bewegbar ist. Es ist ein erstes elektrisch
betätigtes Steuerventil vorgesehen, durch das eine
Verbindung des Pumpenarbeitsraums mit einem Entlastungsraum
gesteuert wird. Es ist außerdem ein zweites elektrisch
betätigtes Steuerventil vorgesehen, durch das eine
Verbindung eines Steuerdruckraums mit einem Entlastungsraum
gesteuert wird. Das Einspritzventilglied ist durch den im
Steuerdruckraum herrschenden Druck zumindest mittelbar in
einer Schließrichtung beaufschlagt und der Steuerdruckraum
ist mit dem Pumpenarbeitsraum verbunden. Zu einer
Kraftstoffeinspritzung wird das erste Steuerventil
geschlossen und das zweite Steuerventil geöffnet, so daß
sich im Steuerdruckraum kein Hochdruck aufbauen kann und das
Kraftstoffeinspritzventil öffnen kann. Bei geöffnetem
zweitem Steuerventil fließt jedoch aus dem Pumpenarbeitsraum
über den Steuerdruckraum Kraftstoff ab, so daß die für die
Einspritzung zur Verfügung stehende Kraftstoffmenge der
durch den Pumpenkolben geförderten Kraftstoffmenge
verringert wird und außerdem der für die Einspritzung zur
Verfügung stehende Druck verringert wird. Hieraus folgt, daß
der Wirkungsgrad der Kraftstoffeinspritzeinrichtung nicht
optimal ist.
Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit den
Merkmalen gemäß Anspruch 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß
das zweite Steuerventil zur Kraftstoffeinspritzung bei mit
maximalen Hub geöffnetem Einspritzventilglied geschlossen
werden kann, so daß kein Kraftstoffmengen- und
Kraftstoffdruckverlust während der Einspritzung auftritt und
damit der Wirkungsgrad der Kraftstoffeinspritzeinrichtung
verbessert ist.
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In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen
Kraftstoffeinspritzeinrichtung angegeben. Die Ausbildung
gemäß Anspruch 2 ermöglicht auf einfache Weise, daß auf die
Dichtfläche des Einspritzventilglieds, wenn dieses nur mit
einem Teilhub geöffnet ist, infolge des geringen
Durchflußguerschnitts und der dadurch hervorgerufenen
Drosselwirkung nur eine geringere Kraft in Öffnungsrichtung
wirkt als bei mit maximalem Hub geöffnetem
Einspritzventilglied, wenn die Drosselwirkung wegen der
größeren Durchflußguerschnitts geringer und damit der Druck
und die in Öffnungsrichtung wirkende Kraft größer ist. Die
Ausbildung gemäß Anspruch 3 ermöglicht die Steuerung einer
Voreinspritzung durch das zweite Steuerventil. Die
Ausbildung gemäß Anspruch 4 ermöglicht die Steuerung einer
Haupteinspritzung durch das zweite Steuerventil. Die
Ausbildung gemäß Anspruch 5 ermöglicht die Steuerung des
Druckverlaufs während einer Haupteinspritzung durch das
zweite Steuerventil.
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Zeichnung
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine
Kraftstoffeinspritzeinrichtung für eine Brennkraftmaschine
in schematischer Darstellung, Fig. 2 einen mit II
bezeichneten Ausschnitt der Kraftstoffeinspritzeinrichtung
in vergrößerter Darstellung und Fig. 3 einen Verlauf eines
Druckes an Einspritzöffnungen eines
Kraftstoffeinspritzventils der
Kraftstoffeinspritzeinrichtung.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In den Fig. 1 und 2 ist eine
Kraftstoffeinspritzeinrichtung für eine Brennkraftmaschine
eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Die Brennkraftmaschine ist
vorzugsweise eine selbstzündende Brennkraftmaschine. Die
Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist vorzugsweise als
sogenannte Pumpe-Düse-Einheit ausgebildet und weist für
jeden Zylinder der Brennkraftmaschine jeweils eine
Kraftstoffhochdruckpumpe 10 und ein mit dieser verbundenes
Kraftstoffeinspritzventil 12 auf, die eine gemeinsame
Baueinheit bilden. Alternativ kann die
Kraftstoffeinspritzeinrichtung auch als sogenanntes Pumpe-
Leitung-Düse-System ausgebildet sein, bei dem die
Kraftstoffhochdruckpumpe und das Kraftstoffeinspritzventil
jedes Zylinders getrennt voneinander angeordnet und über
eine Leitung miteinander verbunden sind. Die
Kraftstoffhochdruckpumpe 10 weist einen Pumpenkörper 14 mit
einer Zylinderbohrung 16 auf, in der ein Pumpenkolben 18
dicht geführt ist, der zumindest mittelbar durch einen
Nocken 20 einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine entgegen
der Kraft einer Rückstellfeder 19 in einer Hubbewegung
angetrieben wird. Der Pumpenkolben 18 begrenzt in der
Zylinderbohrung 16 einen Pumpenarbeitsraum 22, in dem beim
Förderhub des Pumpenkolbens 18 Kraftstoff unter Hochdruck
verdichtet wird. Dem Pumpenarbeitsraum 22 wird Kraftstoff
aus einem Kraftstoffvorratsbehälter 24 des Kraftfahrzeugs
zugeführt.
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Das Kraftstoffeinspritzventil 12 weist einen mit dem
Pumpenkörper 14 verbundenen Ventilkörper 26 auf, der
mehrteilig ausgebildet sein kann, und in dem ein
Einspritzventilglied 28 in einer Bohrung 30
längsverschiebbar geführt ist. Der Ventilkörper 26 weist an
seinem dem Brennraum des Zylinders der Brennkraftmaschine
zugewandten Endbereich wenigstens eine, vorzugsweise mehrere
Einspritzöffnungen 32 auf. Das Einspritzventilglied 28 weist
an seinem dem Brennraum zugewandten Endbereich eine
beispielsweise etwa kegelförmige Dichtfläche 34 auf, die mit
einem im Ventilkörper 26 in dessen dem Brennraum zugewandtem
Endbereich ausgebildeten Ventilsitz 36 zusammenwirkt, von
dem oder nach dem die Einspritzöffnungen 32 abführen. Im
Ventilkörper 26 ist zwischen dem Einspritzventilglied 28 und
der Bohrung 30 zum Ventilsitz 36 hin ein Ringraum 38
vorhanden, der in seinem dem Ventilsitz 36 abgewandten
Endbereich durch eine radiale Erweiterung der Bohrung 30 in
einen das Einspritzventilglied 28 umgebenden Druckraum 40
übergeht. Das Einspritzventilglied 28 weist auf Höhe des
Druckraums 40 durch eine Querschnittsverringerung eine
Druckschulter 42 auf. Am dem Brennraum abgewandten Ende des
Einspritzventilglieds 28 greift eine vorgespannte
Schließfeder 44 an, durch die das Einspritzventilglied 28
zum Ventilsitz 36 hin gedrückt wird. Die Schließfeder 44 ist
in einem Federraum 46 des Ventilkörpers 26 angeordnet, der
sich an die Bohrung 30 anschließt.
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An den Federraum 46 schließt sich an dessen der Bohrung 30
abgewandtem Ende im Ventilkörper 26 eine weitere Bohrung 48
an, in der ein Steuerkolben 50 dicht geführt ist, der mit
dem Einspritzventilglied 28 verbunden ist. Die Bohrung 48
bildet einen Steuerdruckraum 52, der durch den Steuerkolben
50 als bewegliche Wand begrenzt wird. Der Steuerkolben 50
weist eine Querschnittsfläche auf, die kleiner ist als die
Querschnittsfläche des Einspritzventilglieds 28 in dessen in
der Bohrung 30 geführtem Bereich. Der Steuerkolben 50 ist
über eine gegenüber diesem im Durchmesser kleinere
Kolbenstange 51 mit dem Einspritzventilglied 28 verbunden.
Der Steuerkolben 50 kann einstückig mit dem
Einspritzventilglied 28 ausgebildet, ist jedoch aus Gründen
der Montage vorzugsweise als separates Teil mit dem
Einspritzventilglied 28 verbunden.
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Vom Pumpenarbeitsraum 22 führt durch den Pumpenkörper 14 und
den Ventilkörper 26 ein Kanal 60 zum Druckraum 40 des
Kraftstoffeinspritzventils 12. Vom Pumpenarbeitsraum 22 oder
vom Kanal 60 führt ein Kanal 62 zum Steuerdruckraum 52. In
den Steuerdruckraum 52 mündet außerdem ein Kanal 64, der
eine Verbindung zu einem Entlastungsraum bildet, als der
zumindest mittelbar der Kraftstoffvorratsbehälter 24 oder
ein anderer Bereich dienen kann, in dem ein geringer Druck
herrscht. Vom Pumpenarbeitsraum 22 oder vom Kanal 60 führt
eine Verbindung 66 zu einem Entlastungsraum 24 ab, die durch
ein erstes elektrisch betätigtes Steuerventil 68 gesteuert
wird. Das Steuerventil 68 kann wie in Fig. 1 dargestellt
als 2/2-Wegeventil ausgebildet sein. Die Verbindung 64 des
Steuerdruckraums 52 mit dem Entlastungsraum 24 wird durch
ein zweites elektrisch betätigtes Steuerventil 70 gesteuert,
das als 2/2-Wegeventil ausgebildet sein kann. In der
Verbindung 62 des Steuerdruckraums 52 mit dem
Pumpenarbeitsraum 22 kann eine Drosselstelle 63 vorgesehen
sein und in der Verbindung des Steuerdruckraums 52 mit dem
Entlastungsraum 24 kann eine Drosselstelle 71 vorgesehen
sein. Die Steuerventile 68, 70 können einen
elektromagnetischen Aktor oder einen Piezoaktor aufweisen
und werden durch eine elektronische Steuereinrichtung 72
angesteuert.
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Wenn das Kraftstoffeinspritzventil 12 geschlossen ist, so
liegt das Einspritzventilglied 28 mit seiner ringförmigen
Dichtfläche 34 am Ventilsitz 36 an. In diesem Fall ist nur
die Fläche der Druckschulter 42 des Einspritzventilglieds 28
von dem im Druckraum 40 herrschenden Druck in
Öffnungsrichtung 29 beaufschlagt und weitere Kräfte in
Öffnungsrichtung 29 wirken auf das Einspritzventilglied 28
nicht. Wenn das Kraftstoffeinspritzventil 12 öffnet, so hebt
dessen Einspritzventilglied 28 mit seiner Dichtfläche 34 vom
Ventilsitz 36 ab, so daß wie in Fig. 2 dargestellt zwischen
der Dichtfläche 34 und dem Ventilsitz 36 ein ringförmiger
Durchflußquerschnitt 37 freigegeben wird. Wenn das
Einspritzventilglied 28 mit seiner Dichtfläche 34 vom
Ventilsitz 36 abgehoben ist, so wirkt auf die Stirnfläche
des Einspritzventilglieds 28, das ist die ringförmige
Dichtfläche 34 und die von dieser umschlossene Restfläche
des Einspritzventilglieds 28, ebenfalls ein Druck, der eine
Kraft in Öffnungsrichtung 29 auf das Einspritzventilglied 28bewirkt. Wenn das Einspritzventilglied 28 mit seiner
Dichtfläche 34 nur in geringem Abstand vom Ventilsitz 36
angeordnet ist und somit nur in einem Teilhub geöffnet ist,
so wird nur ein geringer Durchflußquerschnitt 37
freigegeben, durch den der hindurchfließende Kraftstoff
gedrosselt wird, wodurch ein Druckabfall bewirkt wird. Die
Stirnfläche des Einspritzventilglieds 28 wird dann nur mit
dem durch die Drosselung gegenüber dem im Druckraum 40
herrschenden Druck verringerten Druck in Öffnungsrichtung
beaufschlagt. Wenn das Einspritzventilglied 28 seinen
maximalen Öffnungshub ausführt, so ist dessen Dichtfläche 34
mit größerem Abstand vom Ventilsitz 36 angeordnet, so daß
ein entsprechend größerer Durchflußquerschnitt 37
freigegeben wird. Im größeren Durchflußquerschnitt tritt
eine geringere Drosselwirkung auf, so daß die Stirnfläche
des Einspritzventilglieds 28 entsprechend mit einem höheren
Druck in Öffnungsrichtung 29 beaufschlagt wird. Bei
geöffnetem Kraftstoffeinspritzventil 12 wirkt somit auf
dessen Einspritzventilglied 28 zusätzlich zu der durch den
im Druckraum 40 herrschenden Druck über die Druckschulter 42
ausgeübten Kraft auch die durch den auf die Stirnfläche des
Einspritzventilglieds 28 wirkenden Druck ausgeübte Kraft in
Öffnungsrichtung 29.
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Die vom im Steuerdruckraum 52 herrschenden Druck
beaufschlagte Querschnittsfläche des Steuerkolbens 50 ist
derart bemessen, daß sich bei geschlossenem zweitem
Steuerventil 70, wenn der Steuerdruckraum 52 vom
Entlastungsraum 24 getrennt ist und sich beim Förderhub des
Pumpenkolbens 18 im Pumpenarbeitsraum 22 und damit auch im
Steuerdruckraum 52 Hochdruck aufbaut, zusätzlich zu der
Kraft der Schließfeder 44 eine in Schließrichtung auf das
Einspritzventilglied 28 wirkende Kraft ergibt, die größer
ist als die auf das Einspritzventilglied 28 wirkende Kraft
in Öffnungsrichtung 29 ist, wenn das Einspritzventilglied 28wie vorstehend erläutert nur mit einem Teilhub mit seiner
Dichtfläche 34 vom Ventilsitz 36 abgehoben ist. In diesem
Fall wird das Kraftstoffeinspritzventil 12 geschlossen. Wenn
das Einspritzventilglied 28 mit seinem maximalen Hub mit
seiner Dichtfläche 34 vom Ventilsitz 36 abgehoben ist, so
ergibt sich auf das Einspritzventilglied 28 eine Kraft in
Öffnungsrichtung 29, die größer ist als die durch die
Schließfeder 44 und die durch den auf die Querschnittsfläche
des Steuerkolbens 50 wirkenden Druck im Steuerdruckraum 52
auf das Einspritzventilglied 28 wirkende Kraft in
Schließrichtung, so daß das Kraftstoffeinspritzventil 12
auch bei geschlossenem zweitem Steuerventil 70 nicht
geschlossen werden kann, sofern das erste Steuerventil 68
geschlossen und der Pumpenarbeitsraum 22 somit vom
Entlastungsraum 24 getrennt ist. Die Querschnittsfläche des
Steuerkolbens 50 ist vorzugsweise kleiner als die
Querschnittsfläche des Einspritzventilglieds 28, die die
Summe der Fläche von dessen Druckschulter 42 und der Fläche
von dessen Stirnseite ist.
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Nachfolgend wird die Funktion der
Kraftstoffeinspritzeinrichtung erläutert. In Fig. 4 ist der
Verlauf des Druckes p an den Einspritzöffnungen 32 des
Kraftstoffeinspritzventils 12 über der Zeit t während einem
Einspritzzyklus dargestellt. Beim Saughub des Pumpenkolbens
18 wird diesem Kraftstoff aus dem Kraftstoffvorratsbehälter
24 zugeführt. Beim Förderhub des Pumpenkolbens 18 beginnt
die Kraftstoffeinspritzung mit einer Voreinspritzung, wobei
das erste Steuerventil 68 durch die Steuereinrichtung 72
geschlossen wird, so daß der Pumpenarbeitsraum 22 vom
Entlastungsraum 24 getrennt ist. Durch die Steuereinrichtung
72 wird außerdem das zweite Steuerventil 70 geöffnet, so daß
der Steuerdruckraum 52 mit dem Entlastungsraum 24 verbunden
ist. In diesem Fall kann sich im Steuerdruckraum 52 kein
Hochdruck aufbauen, da dieser zum Entlastungsraum 24 hin
entlastet ist. Aus dem Pumpenarbeitsraum 22 kann jedoch eine
geringe Kraftstoffmenge über die Drosselstellen 63 und 71
zum Entlastungsraum 24 abströmen, so daß sich im
Pumpenarbeitsraum 22 nicht der volle Hochdruck aufbauen
kann, wie er sich bei geschlossenem zweitem Steuerventil 70
aufbauen würde. Wenn der Druck im Pumpenarbeitsraum 22 und
damit im Druckraum 40 des Kraftstoffeinspritzventils 12 so
groß ist, daß die durch diesen über die Druckschulter 42 auf
das Einspritzventilglied 28 ausgeübte Druckkraft größer ist
als die Summe der Kraft der Schließfeder 44 und der auf den
Steuerkolben 50 durch den im Steuerdruckraum 52 wirkenden
Restdruck wirkenden Druckkraft, so bewegt sich das
Einspritzventilglied 28 in Öffnungsrichtung 29 und gibt die
wenigstens eine Einspritzöffnung 32 frei. Das
Einspritzventilglied 28 öffnet dabei nur mit einem Teilhub,
so daß auf dessen Stirnfläche nur ein relativ geringer Druck
in Öffnungsrichtung 29 wirkt. Zur Beendigung der
Voreinspritzung wird durch die Steuereinrichtung das zweite
Steuerventil 70 geschlossen, so daß der Steuerdruckraum 52
vom Entlastungsraum 24 getrennt ist. Das erste Steuerventil
68 bleibt in seiner geschlossenen Stellung. Im
Steuerdruckraum 52 baut sich dabei Hochdruck wie im
Pumpenarbeitsraum 22 auf, so daß auf den Steuerkolben 50
eine große Druckkraft in Schließrichtung wirkt. Da infolge
des Teilhubs des Einspritzventilglieds 28 auf dieses nur
eine geringe Kraft in Öffnungsrichtung 29 wirkt, die
geringer ist als die Summe der Kraft der Schließfeder 44 und
der Druckkraft auf den Steuerkolben 50 schließt das
Kraftstoffeinspritzventil 12. Die Voreinspritzung entspricht
einer in Fig. 3 mit I bezeichneten Einspritzphase.
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Für eine nachfolgende Haupteinspritzung, die einer in Fig.
3 mit II bezeichneten Einspritzphase entspricht, wird das
zweite Steuerventil 70 durch die Steuereinrichtung 72
geöffnet. Das Kraftstoffeinspritzventil 12 öffnet dann
infolge der reduzierten Druckkraft auf den Steuerkolben 50
und das Einspritzventilglied 28 bewegt sich über seinen
maximalen Öffnungshub. Wenn das Einspritzventilglied 28 mit
seinem maximalen Öffnungshub geöffnet ist, so kann durch die
Steuereinrichtung 72 das zweite Steuerventil 70 geschlossen
werden, so daß der Steuerdruckraum 52 vom Entlastungsraum 24
getrennt ist. Dann baut sich zwar im Steuerdruckraum 52
Hochdruck wie im Pumpenarbeitsraum 22 auf, jedoch ist die
Summe der Druckkraft auf den Steuerkolben 50 und der Kraft
der Schließfeder 44 erzeugte Kraft in Schließrichtung
geringer als die durch den auf die Druckschulter 42 und die
Stirnfläche des mit maximalen Hub geöffneten
Einspritzventilglieds erzeugte Kraft in Öffnungsrichtung 29,
so daß das Kraftstoffeinspritzventil 12 geöffnet bleibt.
Solange das zweite Steuerventil 70 noch geöffnet ist,
erfolgt die Kraftstoffeinspritzung mit einem reduzierten
Druck, da eine geringe Kraftstoffmenge aus dem
Pumpenarbeitsraum 22 über das geöffnete Steuerventil 70 zum
Entlastungsraum 24 abströmt. Wenn das zweite Steuerventil 70
geschlossen wird, so kann aus dem Pumpenarbeitsraum 22 kein
Kraftstoff mehr abströmen, so daß die Kraftstoffeinspritzung
mit einem höheren Druck erfolgt, wie dies in Fig. 4
dargestellt ist. Der Zeitpunkt, zu dem das zweite
Steuerventil 70 durch die Steuereinrichtung 72 geschlossen
wird, wird vorzugsweise abhängig von Betriebsparametern der
Brennkraftmaschine variiert, insbesondere abhängig von der
Drehzahl. Es kann dabei vorgesehen sein, daß bei niedriger
Drehzahl das zweite Steuerventil 70 durch die
Steuereinrichtung 72 zu einem frühen Zeitpunkt geschlossen
wird und mit zunehmender Drehzahl das zweite Steuerventil 70
durch die Steuereinrichtung 72 zu einem späteren Zeitpunkt
geschlossen wird. Hierdurch kann bei hohen Drehzahlen der
maximale Druck bei der Kraftstoffeinspritzung begrenzt
werden.
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Zur Beendigung der Haupteinspritzung wird das erste
Steuerventil 68 durch die Steuereinrichtung 72 in seine
geöffnete Schaltstellung gebracht, so daß der
Pumpenarbeitsraum 22 mit dem Entlastungsraum 24 verbunden
ist und auf das Einspritzventilglied 28 in Öffnungsrichtung
29 nur noch eine geringe Druckkraft wirkt und das
Kraftstoffeinspritzventil 12 bedingt durch die Kraft der
Schließfeder 44 schließt.