DE102004046898A1

DE102004046898A1 - Kraftstoffeinspritzeinrichtung

Info

Publication number: DE102004046898A1
Application number: DE200410046898
Authority: DE
Inventors: Hans-Christoph Magel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-09-28
Filing date: 2004-09-28
Publication date: 2006-03-30

Abstract

Eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung (1) einer Brennkraftmaschine weist je nach Anzahl der Zylinder mindestens ein lokales, jedem Injektor (4) zugeordnetes Pumpenelement (2) einer Pumpe-Düse-Einheit oder eines Pumpe-Leitung-Düse-Systems zur Verdichtung des Kraftstoffs sowie einen zentralen Druckspeicher (17) auf, an den die Injektoren (4) angeschlossen sind. Der Druckspeicher (17) ist mit einem Arbeitsmedium, insbesondere Hydrauliköl oder Motoröl, befüllt.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach der Gattung des Patentanspruchs 1.

Eine solche Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist beispielsweise durch die DE 101 32 732 A1 bekannt geworden.

Zum besseren Verständnis der Beschreibung und der Patentansprüche werden nachfolgend einige Begriffe erläutert: Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß der Erfindung kann sowohl hubgesteuert als auch druckgesteuert ausgebildet sein. Im Rahmen der Erfindung wird unter einer hubgesteuerten Kraftstoffeinspritzeinrichtung verstanden, dass das Öffnen und Schließen der Einspritzöffnung mit Hilfe einer verschieblichen Düsennadel aufgrund des hydraulischen Zusammenwirkens der Kraftstoffdrücke in einem Düsenraum und in einem Steuerraum erfolgt. Eine Druckabsenkung innerhalb des Steuerraums bewirkt einen Hub der Düsennadel. Alternativ kann das Auslenken der Düsennadel durch ein Stellglied (Aktor, Aktuator) erfolgen. Bei einer druckgesteuerten Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß der Erfindung wird durch den im Düsenraum eines Injektors herrschenden Kraftstoffdruck die Düsennadel 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 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, dem Düsenraum Kraftstoff mittels eines Zumessventils zuzuleiten. Bei einer kombinierten Kraftstoffzumessung wird ein gemeinsames Ventil genutzt, um verschiedene Einspritzdrücke zuzumessen. Bei der Pumpe-Düse-Einheit (PDE) bilden die Einspritzpumpe und der Injektor eine Einheit. Pro Zylinder wird eine derartige Einheit in den Zylinderkopf eingebaut und entweder direkt über einen Stößel oder indirekt über Kipphebel von der Motornockenwelle angetrieben. Das Pumpe-Leitung-Düse-System (PLD) arbeitet nach dem gleichen Verfahren. Eine Hochdruckleitung führt hier zum Düsenraum oder Düsenhalter.

Zur Reduzierung der Emissionen durch einen hohen maximalen Einspritzdruck und einen linearen Druckanstieg werden PDE oder PLD verwendet. Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Einspritzdruck von der Drehzahl und Last des Motors unabhängig ist und im Kennfeld variabel eingestellt werden kann. Ebenso ist eine Mehrfacheinspritzung vorteilhaft. Daher kommen Common-Rail-Systeme (CRS) zum Einsatz.

In der DE 101 32 732 A1 ist ein Einspritzsystem beschrieben, das die Vorteile beider Systeme verbindet. Dazu wird ein Common Rail System mit einem Druckspeicher und einem Injektor mit PDF/PLD-Pumpenelementen kombiniert. Dadurch erhalt man ein System, das sowohl die hohen Einspritzdrücke der PDE als auch die flexible Mehrfacheinspritzung eines Common Rail Systems darstellen kann.

Bei dem genannten Einspritzsystem erfolgt die Befüllung des Rails mit Kraftstoff. Dafür muss ein separater Kraftstoff-Hochdruckspeicher zur Verfügung gestellt werden.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit dem kennzeichnenden Merkmal des Patentanspruchs 1 hat dem gegenüber den Vorteil, dass durch Verwendung eines mit Hydrauliköl bzw. Motoröl befüllten Druckspeichers eine höhere Systemintegration in das Gesamtmotorkonzept erreicht werden kann. So steht bei manchen Motoren bereits für andere Funktionen eine Öldruckquelle (ein Speicher) zur Verfügung, die hier mitbenutzt werden kann. Diese kann z.B. für eine Servolenkung, zur Lieferung von Öldruck für Zusatzaggregate oder auch für eine hydraulische Ventilbetätigung vorgesehen sein.

Ein Druckspeicher mit Motoröl kann dabei auch im Zylinderkopf oder Motorblock integriert werden, wodurch eine kompakte und kostengünstige Ausführung möglich ist. Dies ist bei Kraftstoff-Speichern aus Sicherheitsgründen nicht zulässig. Zur Anbindung des ölbefüllten Hochdruckspeichers an ein PDE/PLD Kraftstoffeinspritzsystem kann ein verschiebbares Kopplungselement (Kolben) verwendet werden. Der Kopplungskolben hält den Injektor zwischen den Pumpenelement-Forderhüben unter Kraftstoffdruck. Dadurch kann jederzeit eine Einspritzung stattfinden. Durch die Förderung des Pumpenelementes wird der Kopplungskolben wieder in seine Ausgangslage zurückgestellt.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzeinrichtung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine erste Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit einem Kolben zur Anbindung eines ölbefüllten Druckspeichers in einer ersten Position;
2 die erste Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit dem Kolben in einer zweiten Position;
3 eine zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit einem Kolben mit Entlastungsnuten und Dichtungen; und
4 eine dritte Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit einem gestuften Kolben.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt den Hydraulikschaltplan einer ersten Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1. Für jeden Zylinder ist ein Pumpenelement 2, ein Druckaufbau-Steuerventil 3 und ein hydraulisch gesteuerter Injektor 4 mit einem Steuerventil 5 vorgesehen. Das Druckaufbau-Steuerventil 3 dient wie bei bekannten PDE/PLD Systemen zur Befüllung eines Pumpenraumes 6 des Pumpenelements 2 und zum Ansteuern des Druckaufbaus. Der Kraftstoff wird hierbei über eine Niederdruck-Pumpe 8 aus einem Kraftstofftank 7 gefördert.
Die Hochdruckerzeugung erfolgt durch Schließen des Druckaufbau-Steuerventils 3 während des Nockenhubes. Damit beginnt der Druckaufbau im Pumpenraum 6 und der unter Druck stehende Kraftstoff wird über ein Rückschlagventil 9 zum Injektor 4 und in einen Druckraum 10 zu einem Kolben 11 geleitet. Der Kolben 11 wird dadurch in seine Ausgangsstellung P1 bewegt.
Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1 arbeitet mit einem hydraulisch gesteuerten Injektor 4 (wie z.B. einem CR-Injektor). Dort wird in einem Düsenraum 12 eine Öffnungskraft auf die Düsennadel 13 erzeugt. Gleichzeitig ist auch ein Nadelsteuerraum 14 ausgebildet, der durch die Kraftstoffzufuhr über eine erste Drossel 15 eine hydraulische Schließkraft auf die Düsennadel 13 aufbaut, sodass die Düsennadel 13 zunächst geschlossen bleibt. Wird eine Öffnung der Düsennadel 13 zur Einspritzung gewünscht, so wird das Steuerventil 5 aktiviert und über eine zweite Drossel 16 Kraftstoff abgeführt, wodurch der Druck im Nadelsteuerraum 14 gesenkt wird. Nun öffnet der Injektor 4 hubgesteuert wie ein Common-Rail Injektor.
Zum Beenden der Einspritzung wird das Steuerventil 5 wieder geschlossen. Die Düsennadel 13 wird durch die Druckkraft im Nadelsteuerraum 14 und die Düsenfederkraft geschlossen. Nun kann auch das Druckaufbau-Steuerventil 3 geöffnet werden. Der Druckaufbau wird beendet, der Pumpenraum 6 wird entlastet und kann nun wiederbefüllt werden. Durch ein günstiges Timing des Druckabbaus können Druckspitzen im Injektor 4 beim Schließen der Düsennadel 13 vermieden werden.
Weiterhin ist der Injektor 4 über den Kolben 11 mit einem Druckspeicher 17 verbunden, der mit einem anderen Hydraulikmedium, z.B. Motoröl, befüllt ist. Nachdem der Druckaufbau im Pumpenraum 6 beendet ist, befindet sich der Kolben 11 in der Position P1 am speicherseitigen Anschlag, wie in 1 gezeigt. Ein Entlastungspfad 18 ist freigegeben, da er in Position P1 des Kolbens 11 nicht von diesem verdeckt wird. Der komprimierte Einspritzdruck im Injektorbereich wird langsam über eine dritte Drossel 19 abgebaut. In dieser Phase kann eine dicht angelagerte Nacheinspritzung unter hohem Druck stattfinden, wie sie zur Senkung der Rußemission vorteilhaft ist.
Unterschreitet der Druck im Injektor 4 den Druck im Druckspeicher 17, so bewegt sich der Kolben 11 in Richtung auf eine zweite Position P2 und verschließt den Entlastungspfad 18, wie in 2 gezeigt. Der Injektorbereich ist nun verschlossen und wird durch den Kopplungskolben 11 unter Speicherdruck gehalten. Der Öldruck aus dem Druckspeicher 17 versorgt somit den Injektor 4 mit Kraftstoffdruck, während das Pumpenelement 2 nicht arbeitet. Dadurch ist zu jeder Zeit auch außerhalb des Nockenfederhubes eine Einspritzung möglich. Bei einer Einspritzung ohne Pumpenförderung verschiebt sich der Kolben 11 in Richtung Injektor 4 und befindet sich bei maximaler Hubnutzung bei der Position P2. Das Hubvolumen des Kolbens 11 ist dabei auf die maximale Einspritzmenge außerhalb des Pumpenförderbereiches abgestimmt. Beim nächsten Druckaufbau des Pumpenelements 2 durch Aktivierung des Druckaufbau-Steuerventils 3 wird der Kolben 11 wieder in die Position P1 geschoben. Dabei wird die aus dem Speicher entnommen Menge bzw. Energie wieder in den Druckspeicher 17 gefördert. Es muss also keine zusätzliche Energie vom Druckspeicher 17 bereitgestellt werden. Die Verschiebung geschieht in einer Phase am Förderbeginn unter Raildruckniveau. Das Pumpenelement 2 muss dazu also nur Kraftstoff mit Raildruck liefern, so dass keine unnötige Energie verbraucht wird. Dabei können auch kleinere Haupteinspritzmengen, wie z.B. beim Leerlauf, aus dem Rail mit Raildruck eingespritzt werden. Spätestens wenn der Kolben 11 Position P2 erreicht, muss anschließend das Pumpenelement 2 aktiviert werden, um den Kolben 11 zurückzustellen.
3 zeigt eine zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1'. Bei dieser sind zur Verbesserung der Abdichtung von Hochdruckkraftsystem und Ölsystem zusätzliche Entlastungsnuten 20, 21 auf Niederdruck und Dichtungen 23, 24 an einem Kolben 11' vorgesehen.
Wie in 4 anhand einer dritten Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1'' dargestellt, kann durch einen gestuften Kolben 24 das Öldruckniveau im Druckspeicher 17 und der Kraftstoff-Standdruck im Injektor 4 unterschiedlich sein. So können auch evtl. vorhandene niedere Druckniveaus, die in der Motorhydraulik Anwendung finden, zur Erzeugung eines Kraftstoff-Standdruckes herangezogen werden.
Durch den Druckspeicher 17 in Verbindung mit dem hubgesteuerten Injektor 4 wird sichergestellt, dass zu jeder Zeit eine Einspritzung stattfinden kann. Dies ist z.B. für die Regeneration von Filter- und Katalysatorsystemen wichtig. Zudem ist die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1 in der Lage, eine Voreinspritzung und eine Nacheinspritzung darzustellen. Diese Einspritzungen können dabei außerhalb des Nockenhubes liegen. Für den Druckaufbau werden PDE/PLD-Elemente verwendet, um die Vorteile des hohen Druckes und des linearen Druckanstieges zu nutzen. Durch eine Variation der Ansteuerzeiten von Steuerventil 5 und Druckaufbau- Steuerventil 3 lässt sich der Einspritzdruckverlauf vielfältig beeinflussen. Weiterhin kann der Einspritzdruck an die Bedürfnisse des Motors angepasst werden. Eine weiterführende Beschreibung der Möglichkeiten dieses Systems ist auch der DE 101 32 732 A1 zu entnehmen.
Das Pumpenelement 2 und der hydraulisch gesteuerte Injektor 4 können wie bei einer PDE in einem Injektor-Gehäuse untergebracht sein. Genauso ist jedoch auch ein getrennter Aufbau von Pumpenelement 2 und Injektor 4 wie bei einem PLD-System möglich, wobei beide Teile über eine Hochdruck-Leitung verbunden werden.
Bei der vorliegenden Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1 ist für jeden Zylinder ein Pumpenelement 2 und ein hydraulisch gesteuerter CR-Injektor 4 vorgesehen, jedoch wird ein zentraler Druckspeicher 17 für alle Injektoren 4 verwendet. Der Druckspeicher 17 kann auf unterschiedliche Weise aufgebaut sein. Es kann z.B. ein separater Druckspeicher wie bei einem Standard-Common-Rail System verwendet werden. Der Druckspeicher kann aber auch aus internen Volumen des Kfz-Systems und/oder Verbindungsleitungen (bzw. Verbindungsstücken) gebildet werden. Für den Druckspeicher kann eine Druckregelung wie bei einem CR-System vorgesehen werden. Alternativ kann eine mechanische Druckregelung auf ein festes Druckniveau erfolgen, um den apparativen Aufwand zu senken.

Claims

Kraftstoffeinspritzeinrichtung (1) einer Brennkraftmaschine mit je nach Anzahl der Zylinder mindestens einem lokalen, jedem Injektor (4) zugeordneten Pumpenelement (2) einer Pumpe-Düse-Einheit oder eines Pumpe-Leitung-Düse Systems zur Verdichtung des Kraftstoffs und mit einem zentralen Druckspeicher (17), an den die Injektoren (4) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicher (17) mit einem Arbeitsmedium, insbesondere Hydrauliköl oder Motoröl, befüllt ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicher (17) im Zylinderkopf oder im Motorblock integriert ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicher (17) über ein verschiebbares Kopplungselement, insbesondere einen Kolben (11; 11'; 24), mit einem Druckraum (10) des Kraftstoffkreises der Kraftstoffeinspritzeinrichtung (1) verbunden ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum (10) mit einem Entlastungspfad (18) in Verbindung steht, welcher in wenigstens einer ersten Position (P1) des Kolbens (11; 11'; 24) freigegeben und in wenigstens einer zweiten Position (P2) des Kolbens (11; 11'; 24) verschlossen ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass am Kolben (11'; 24) Entlastungsnuten (20, 21) auf Niederdruck und/oder Dichtungen (23, 24) vorgesehen sind.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (24) gestuft ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpenelement (2) einen Pumpenraum (6) aufweist, welcher aus einem Kraftstofftank (7) über eine Niederdruckpumpe (8) und ein Druckaufbau-Steuerventil (3) befüllbar ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Düsennadel (13) des Injektors (4) durch einen Düsenraum (12) und einen Nadelsteuerraum (14) hubgesteuert ist.