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Die
Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen
aus, wie es bspw. aus der Offenlegungsschrift
DE 102 29 417 A1 bekannt
ist. Das dort gezeigte Kraftstoffeinspritzsystem weist einen Hochdruckspeicher
auf, in dem Kraftstoff unter hohem Druck vorgehalten wird. Um diesen Druck
weiter zu steigern, ist der Druckspeicher mit einem Druckverstärker verbunden,
der einen Druckverstärkerkolben
umfasst. Der Druckverstärkerkolben
weist zwei Stirnflächen
auf, von denen die erste Stirnfläche
eine größere Fläche aufweist
als die zweite Stirnfläche.
Durch Druckbeaufschlagung der größeren Stirnfläche wird
der Druckverstärkerkolben
in seiner Längsrichtung
bewegt und verdichtet dadurch den Kraftstoff in einem Hochdruckraum,
der von der zweiten Stirnseite des Druckverstärkerkolbens begrenzt wird.
Der verdichtete Kraftstoff wird einem Einspritzventil zugeleitet,
das eine Ventilnadel aufweist, die mit einem Ventilsitz zur Steuerung
wenigstens einer Einspritzöffnung
zusammenwirkt. Der verdichtete Kraftstoff bewegt nun die Ventilnadel
von ihrem Ventilsitz weg, sodass die Einspritzöffnungen freigegeben werden
und eine Einspritzung durch die Einspritzöffnungen erfolgt.
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Die
Steuerung des Einspritzsystems geschieht hierbei durch ein 3/2-Wege-Ventil,
das einerseits den Druck im Druckraum regelt, welcher durch die
erste Stirnfläche
des Druckverstärkerkolbens
begrenzt ist und das andererseits den Kraftstoffdruck in einem Steuerraum
regelt, der die ventilsitzabgewandte Stirnseite der Ventilnadel
beaufschlagt. Durch das Schalten des 3/2-Wege-Ventils wird einerseits
der Druckverstärkerkolben
in Bewegung gesetzt und der Kraftstoff im Hochdruckraum verdichtet und
andererseits der Kraftstoffdruck im Steuerraum erniedrigt, sodass
die Ventilnadel, die durch den Kraftstoffdruck im Steuerraum eine
Schließkraft
in Richtung des Ventilsitzes erfährt,
jetzt durch den Hochdruck in ihre Öffnungsstellung bewegt werden kann.
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Das
bekannte Kraftstoffeinspritzsystem weist hierbei jedoch den Nachteil
auf, dass die Erzeugung des hohen Einspritzdrucks und die Erniedrigung
des Steuerdrucks im Steuerraum durch ein einzelnes 3/2-Wege-Ventils
zum selben Zeitpunkt erfolgt. Dadurch lässt sich der Beginn von Einspritzung und
Druckerzeugung nicht frei wählen,
sodass weniger Freiheiten bei der Einspritzung zur Verfügung stehen.
Es besteht außerdem
die Gefahr, dass die Ventilnadel bereits die Einspritzöffnungen
freigibt, ehe der volle Einspritzdruck durch den Druckverstärkerkolben
erzeugt worden ist. Dies ergibt eine schlechtere Zerstäubung des
Kraftstoffs zu Beginn der Einspritzung und damit eine niedrigere
Leistung bzw. höhere
Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzsystem
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den
Vorteil auf, dass die Druckerzeugung im Druckverstärker und
die Steuerung von Beginn und Ende der Kraftstoffeinspritzung unabhängig voneinander
erfolgen. Der Druckverstärker,
der mit seiner ersten Stirnfläche einen
Druckraum begrenzt, weist dem Druckraum gegenüberliegend einen Rückraum auf,
der über
ein erstes Steuerventil mit einem Leckölraum verbindbar ist. In gleicher
Weise weist der Steuerraum, den die Ventilnadel mit ihrer ventilsitzabgewandten
Stirnseite begrenzt, eine Verbindung zum Leckölraum auf, die durch ein zweites
Steuerventil, das unabhängig
vom ersten Steuerventil arbeitet, geöffnet oder geschlossen werden
kann. Dadurch lässt
sich die Druckerzeugung, die durch die Längsbewegung des Druckverstärkerkolbens
erfolgt, und die Regelung der Schließkraft auf die Ventilnadel,
mit der sich Beginn und Ende der Einspritzung steuern lässt, unabhängig voneinander
steuern.
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Durch
die abhängigen
Ansprüche
sind vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes der Erfindung
möglich.
In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung ist die Ventilnadel
als Hohlnadel ausgeführt, in
der eine Ventilinnennadel angeordnet ist. Die Ventilnadel und die
Ventilinnennadel steuern jeweils verschiedene Einspritzöffnungen,
wobei die Ventilinnennadel einen inneren Steuerraum begrenzt, der
wiederum durch ein drittes Steuerventil mit dem Leckölraum verbindbar
ist. Dadurch lässt
sich auch die Öffnung
der Ventilinnennadel unabhängig
von der Druck-Erzeugung durch den Druckverstärkerkolben regeln. Die durch
die beiden Ventilnadeln gebildete Variodüse lässt eine Einspritzung mit verschiedenen Einspritzquerschnitten
zu, sodass der Einspritzquerschnitt an den momentanen Betriebspunkt
der Brennkraftmaschine angepasst werden kann.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind sowohl der Steuerraum
als auch der innere Steuerraum mit dem Hochdruckraum über eine äußere Zulaufdrossel
bzw. eine innere Zulaufdrossel verbunden. Da im Hochdruckraum stets
mindestens der Raildruck anliegt, baut sich zur Beendigung der Einspritzung
sowohl im Steuerraum als auch im inneren Steuerraum rasch wieder
ein entsprechend hoher Kraftstoffdruck auf, der für ein schnelles
Schließen
sowohl der Ventilinnennadel als auch der Ventilnadel erforderlich
ist. Ein schnelles Schließen
der Ventilnadeln ist besonders wichtig, um ein Nachtropfen von Kraftstoff
in den Brennraum zu vermeiden, sodass die Schadstoffemissionen der
Brennkraftmaschine begrenzt bleiben.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung
sind der Beschreibung und der Zeichnung entnehmbar.
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Zeichnung
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In
der einzigen Abbildung der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzsystem schematisch
dargestellt, wobei die einzelnen Komponenten, soweit für das Verständnis notwendig,
geschnitten dargestellt sind.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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In
der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzsystem
schematisch dargestellt. Das Kraftstoffeinspritzsystem weist einen
Vorratsbehälter 1 auf,
in dem Kraftstoff unter Atmosphärendruck
vorgehalten wird. Durch eine Pumpe 3 wird der Kraftstoff
verdichtet und über
eine Leitung 7 einem Druckspeicher 5 zugeleitet,
wo der Kraftstoff unter einem vorgegebenen erhöhten Druck gespeichert wird. Vom
Druckspeicher 5 gehen mehrere Druckleitungen 9 ab,
von denen in der Abbildung nur eine exemplarisch dargestellt ist.
Die dargestellte Druckleitung 9 führt zu einem Druckverstärker 10,
der einen Druckverstärkerkolben 12 aufweist,
der längsverschiebbar im
Druckverstärker 10 angeordnet
ist. Der Druckverstärkerkolben 12 begrenzt
mit einer ersten Stirnfläche 112 einen
Druckraum 15, in den die Druckleitung 9 mündet. Mit
einer gegenüberliegenden,
zweiten Stirnseite 212 begrenzt der Druckverstärkerkolben 12 einen
Hochdruckraum 20, der mit dem Druckraum 15 über eine
Befüllleitung 17 verbunden
ist, wobei in der Befüllleitung 17 ein
Rückschlagventil 19 angeordnet
ist, das einen Kraftstofffluss nur in Richtung des Hochdruckraums 20 erlaubt.
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Die
erste Stirnfläche 112 des
Druckverstärkerkolbens 12 ist
größer ausgebildet
als die zweite Stirnfläche 212,
sodass der ersten Stirnfläche 212 gegenüberliegend
eine Gegenfläche 23 am
Druckverstärkerkolben 12 ausgebildet
ist. Die Gegenfläche 23 begrenzt
einen Rückraum 22,
in dem eine Rückstellfeder 26 angeordnet
ist, die den Druckverstärkerkolben 12 umgibt.
Die Rückstellfeder 26 stützt sich mit
einem Ende an der Gegenfläche 23 ab
und mit dem anderen an einem ortsfesten Anschlag 21. Der Rückraum 22 ist
mit dem Druckraum 15 über
eine im Druckverstärkerkolben 12 ausgebildete
Zulaufdrossel 18 verbunden, sodass ein gedrosselter Kraftstofffluss
vom Druckraum 15 in den Rückraum 22 ermöglicht wird.
Im Rückraum 22 befindet
sich darüber
hinaus eine Anschlaghülse 24,
die mit einem Ende an der Gegenfläche 23 anliegt und
die die Längsbewegung
des Druckverstärkerkolbens 12 dadurch
begrenzt, dass sie nach Durchfahren eines maximalen Hubs am ortsfesten
Anschlag 21, an dem sich auch die Rückstellfeder 26 abstützt, zur
Anlage kommt und dadurch die Längsbewegung
des Druckverstärkerkolbens 12 begrenzt.
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Vom
Rückraum 22 führt eine
Absteuerleitung 28 zu einer Leckölleitung 34, die eine
hydraulische Verbindung zu einem in der Zeichnung nicht dargestellten
Leckölraum
herstellt. Der Leckölraum
ist hierbei drucklos und kann auch identisch mit dem Vorratsbehälter 1 sein.
Zwischen der Absteuerleitung 28 und der Leckölleitung 34 ist
ein erstes Steuerventil 30 angeordnet, das als 2/2-Wege-Ventil ausgebildet
ist und das die Verbindung zwischen der Absteuerleitung 28 und
der Leckölleitung 34 öffnen oder
verschließen
kann.
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Der
Hochdruckraum 20 ist über
eine Hochdruckleitung 32 mit einem Einspritzventil 40 verbunden,
wobei die Hochdruckleitung 32 innerhalb des Einspritzventils 40 in
die radiale Erweitrung einer Druckkammer 65 mündet. Die
Druckkammer 65 verlängert
sich in Form einer Bohrung bis zu einem konischen Ventilsitz 74,
von dem äußere Einspritzöffnungen 70 und
innere Einspritzöffnungen 72 abgehen,
die in Einbaulage des Einspritzventils 40 in einen Brennraum
der Brennkraftmaschine münden.
Im Druckraum 65 ist eine Ventilnadel 60 angeordnet,
die kolbenförmig
ausgebildet ist und die in einem ventilsitzabgewandten Abschnitt
dichtend in der Druckkammer 65 geführt ist. Die Ventilnadel 60 weist
an ihrem ventilsitzseitigen Ende eine ebenfalls im wesentlichen
konische Dichtfläche 67 auf,
mit der sie mit dem Ventilsitz 74 zum Öffnen und Schließen der äußeren Ein spritzöffnungen 70 zusammenwirkt.
Auf Höhe
der radialen Erweiterung der Druckkammer 65 weist die Ventilnadel 60 eine
Druckschulter 61 auf, die vom Kraftstoffdruck in der Druckkammer 65 beaufschlagt
wird, so dass sich dadurch eine vom Ventilsitz 74 weggerichtete
Längskraft
auf die Ventilnadel 60 ergibt.
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Dem
ventilsitzseitigen Ende gegenüberliegend
weist die Ventilnadel 60 eine Stirnfläche 160 auf, mit der
sie einen Steuerraum 48 begrenzt. Im Steuerraum 48 ist
eine äußere Schließfeder 68 angeordnet,
die als Schraubendruckfeder ausgebildet ist und eine Vorspannung
aufweist, mit der sie die Ventilnadel 60 in Richtung des
Ventilsitzes 74 drückt.
Der Steuerraum 48 ist über
eine Zulaufdrossel 44 mit der Hochdruckleitung 32 verbunden
und über
eine äußere Ablaufdrossel 51 mit
einer Leckölleitung 56.
Zwischen der äußeren Ablaufdrossel 51 und
der Leckölleitung 56 ist
ein zweites Steuerventil 52 angeordnet, das ebenfalls als
2/2-Wege-Ventil
ausgebildet ist und die Verbindung öffnet oder schließt.
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Die
Ventilnadel 60 ist als Hohlnadel ausgeführt, in der eine Ventilinnennadel 62 längsverschiebbar
angeordnet ist. Die Ventilinnennadel 62 weist hierbei ebenfalls
eine Dichtfläche 71 auf,
mit der sie mit dem Ventilsitz 74 zur Steuerung der inneren
Einspritzöffnungen 72 zusammenwirkt.
Mit ihrer dem Ventilsitz 74 abgewandten Stirnfläche 162 begrenzt die
Ventilinnennadel 62 einen inneren Steuerraum 46,
der über
eine innere Zulaufdrossel 42 mit der Hochdruckleitung 32 verbunden
ist. Vom inneren Steuerraum 46 führt eine innere Ablaufdrossel 49 zu einer
Leckölleitung 54,
wobei zwischen der inneren Ablaufdrossel 49 und der Leckölleitung 54 ein
drittes Steuerventil 50 ausgebildet ist, das ebenfalls
als 2/2-Wege-Ventil
ausgebildet ist und die Verbindung öffnet oder schließt.
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Zwischen
der Ventilinnennadel 62 und der Ventilnadel 60 verbleibt
ein Zwischenraum 64, der über wenigstens eine Querbohrung 66 mit
der Druckkammer 65 verbunden ist. An der Ventilinnennadel 62 ist,
analog zur Druckschulter 61 der Ventilnadel 60,
eine Druckschulter 63 ausgebildet, auf die durch den Druck
im Zwischenraum 64 eine vom Ventilsitz 74 weggerichtete
Längskraft
ausgeübt
wird.
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Die
Ausbildung des stets mit der Druckkammer 65 verbundenen
Zwischenraums 64 bewirkt, dass der Kraftstoff den Einspritzöffnungen 70, 72 sowohl über den
zwischen der Ventilnadel 60 und der Wand des Druckraums 65 verbleibenden
Spalt als auch dem Zwischenraum 64 zufließt.
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Die
Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzsystems ist wie folgt: Durch
die Pumpe 3 wird in dem Druckspeicher 5 ein vorgegebener
Kraftstoffdruck aufrecht erhalten, der jedoch niedriger ist als
der eigentlich gewünschte
Einspritzdruck. Durch die Verbindung des Druckraums 15 über die
Druckleitung 9 mit dem Druckspeicher 5 herrscht
im Druckraum 15 ebenfalls der gleiche Kraftstoffdruck wie
im Druckspeicher 5, wobei sich dieser Kraftstoffdruck über die Befüllleitung 17 bis
in den Hochdruckraum 20 fortsetzt. Der Druckverstärkerkolben 12 ist
zu Beginn der Einspritzung an seinem in der Zeichnung linken Anschlag,
d.h. die Anschlaghülse 24 weist
vom ortsfesten Anschlag 21 einen Abstand auf. Der Druck
des Druckspeichers 5 setzt sich über die Hochdruckleitung 32 bis
in die Druckkammer 65 des Einspritzventils 40,
in den Steuerraum 48 und den inneren Steuerraum 46 des
Einspritzventils 40 fort. Sämtliche Steuerventile 30, 50, 52 sind
zu Beginn des Einspritzzyklus geschlossen. Soll nun eine Einspritzung
erfolgen, so wird das erste Steuerventil 30 betätigt und stellt
eine Verbindung zwischen der Absteuerleitung 28 und der
Leckölleitung 34 her.
Dadurch sinkt der Druck im Rückraum 22 ab,
sodass die hydraulische Kraft auf die erste Stirnseite 112 des
Druckverstärkerkolbens 12 diesen
in Richtung des Hochdruckraums 20 bewegt, da die erste
Stirnfläche 112 größer ist
als die zweite Stirnfläche 212.
Durch die Bewegung des Druckverstärkerkolbens 12 wird
der Kraftstoff im Hochdruckraum 20 verdichtet und auf einen höheren Druck
gebracht, der im wesentlichen durch das Flächenverhältnis von erster Stirnfläche 112 und zweiter
Stirnfläche 212 gegeben
ist. Ein Rückfluss des
verdichteten Kraftstoffs aus dem Hochdruckraum 20 über die
Befüllleitung 17 ist
durch das Rückschlagventil 19 ausgeschlossen.
Der hohe Druck im Hochdruckraum 20 setzt sich nun über die
Hochdruckleitung 32 in die Druckkammer 65 fort
und von dort über
die Querbohrungen 66 in den Zwischenraum 64. Solange
jedoch im Steuerraum 48 und im inneren Steuerraum 46 ein
hoher Kraftstoffdruck herrscht, der durch den ansteigenden Druck
in der Hochdruckleitung 32 noch zunimmt, bewegen sich die
Ventilnadeln 60, 62 nicht und verschließen nach wie
vor die Einspritzöffnungen 70, 72.
Soll einen Einspritzung nur durch die äußeren Einspritzöffnungen 70 erfolgen,
so wird das zweite Steuerventil 52 betätigt und stellt eine Verbindung
zwischen der äußeren Ablaufdrossel 51 und
der Leckölleitung 56 her.
Dadurch sinkt der Druck im Steuerraum 48 ab, sodass die
hydraulische Kraft abnimmt, die auf die Stirnfläche 160 der Ventilnadel 60 wirkt.
Nun überwiegt
die hydraulische Kraft auf die Druckschulter 61 die Schließkraft der äußeren Schließfeder 68,
sodass sich die Ventilnadel 60 vom Ventilsitz 74 wegbewegt und
die äußeren Einspritzöffnungen 70 freigibt.
Der Kraftstoff, der aus der Druckkammer 65 über die Querbohrungen 66 und
den Zwischenraum 64 in Richtung des Ventilsitzes 74 fließt, wird
nun über
die äußeren Einspritzöffnungen 70 ausgespritzt.
Sollen zusätzlich
die inneren Einspritzöffnungen 72 freigegeben
werden, so wird auch das dritte Steuerventil 50 betätigt, sodass
in gleicher Weise wie beim Steuerraum 48 der Druck dort
abfällt.
Die nachlassende hydraulische Kraft auf die Stirnfläche 162 der
Ventilinnennadel 62 bewirkt ebenfalls durch Druckbeaufschlagung
der Druckschulter 63 eine Längsbewegung der Ventilinnennadel 62,
die die inneren Einspritzöffnungen 72 freigibt,
sodass jetzt eine Einspritzung durch sämtliche Einspritzöffnungen 70, 72 stattfindet.
Dieser Zustand ist in der Abbildung dargestellt.
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Zur
Beendigung der Einspritzung werden die Steuerventile 30, 50, 52 erneut
betätigt
und verschließen
die jeweiligen Leitungen. Dadurch baut sich erneut ein hoher Kraftstoffdruck
im Steuerraum 48 bzw. im inneren Steuerraum 46 auf,
der die Ventilnadel 60 und die Ventilinnennadel 62 zurück in ihre
Schließstellungen
drückt.
Der Druckverstärkerkolben 12 fährt zurück in seine
Ausgangsstellung, da sich durch den über die Zulaufdrossel 18 nachfließenden Kraftstoff
der Druck im Rückraum 22 dem
im Druckraum 15 anpasst. Dadurch entspannt sich der Kraftstoff
im Hochdruckraum 20 und gleicht sich wieder dem Kraftstoffdruck
im Druckraum 15 an, da beide Räume über die Befüllleitung 17 verbunden
sind.
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Die
Erzeugung des Hochdrucks im Hochdruckraum 20 ist bei diesem
Kraftstoffeinspritzsystem unabhängig
von der Steuerung der Ventilnadeln 60, 62. So
kann bereits durch Betätigung
des ersten Steuerventils 30 ein hoher Kraftstoffdruck erzeugt werden,
während
mit dem Beginn der Einspritzung noch gewartet werden kann, bis sich
der hohe Kraftstoffdruck im Hochdruckraum 20 bis zum Ventilsitz 74 fortgesetzt
hat. Dadurch ergeben sich höhere
Freiheiten bei der Einspritzung und die Gewähr, dass bereits zu Beginn
der Einspritzung der höchstmögliche Einspritzdruck
an den Einspritzöffnungen 70, 72 zur Verfügung steht.
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Neben
dem oben gezeigten Betätigungsbeispiel
ist es auch möglich,
zuerst die Ventilinnennadel 62 oder nur die Ventilinnennadel 62 zu
betätigen,
um Kraftstoff nur durch die inneren Einspritzöffnungen 72 einzuspritzen.
Hierzu wird das zweite Steuerventil 52 im geschlossenen
Zustand belassen, während
nur das dritte Steuerventil 50 betätig wird. Da der Kraftstoff
sowohl über
den Zwischenraum 64 als auch über den zwischen der Ventilnadel 60 und
der Wand der Druckkammer 65 verbleibenden Spalt dem Ventilsitz 74 zugeleitet
wird, ist auch in diesem Fall ein ausreichender Kraftstofffluss
zum Ventilsitz 74 gewährleistet.