DE102005060552A1

DE102005060552A1 - Einspritzvorrichtung für Brennstoffmotoren

Info

Publication number: DE102005060552A1
Application number: DE102005060552A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Maier; Christoph Schrott
Original assignee: MAN Diesel SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2005-12-17
Filing date: 2005-12-17
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2025-12-18
Also published as: FI20061113A0; CN101059110B; CN101059110A; JP4447595B2; JP2007162696A; FI20061113A; KR101231980B1; DE102005060552B4; KR20070064542A; FI122866B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einspritzvorrichtung für Brennstoffmotoren. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird es bei Einspritzvorrichtungen mit hubgesteuerten Injektoren (9) durch Vorschalten eines 3/2-Wegeventils (4) und bei Einspritzvorrichtungen mit druckgesteuerten Injektoren (7) durch ein vorgeschaltetes 3/2-Wegeventil (6) und durch ein anschließendes 2/2-Wegeventil (4) möglich, eine Einspritzratenformung (boot rate shaping) zu erreichen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einspritzvorrichtung für Brennstoffmotoren.
Einspritzsysteme wie beispielsweise Common Rail Einspritzsysteme, die den Kraftstoff mit variablem Druck einspritzen, haben meistens zum Einspritzbeginn eine sehr steile Einspritzrate. Es wird eine große Menge an Kraftstoff unter hohem Druck eingespritzt. Dieser Effekt wirkt sich aber negativ auf die Stickstoffoxid-Emissionsrate (NO_x-Emissionsrate) aus. Über einen abgestufte Freigabe/Öffnung der Einspritzdüse beziehungsweise eine definierte Öffnungscharakteristik (boot rate shaping) an der Einspritzdüse lässt sich eine treppenförmige Einspritzrate erreichen und somit die Emissionsrate günstig beeinflussen.

Aus dem Stand der Technik sind bereits Einspritzvorrichtungen für Brennstoffmotoren bekannt, mit denen eine Einspritzratenformung erreicht wird. In einer möglichen Ausführung einer solchen Einspritzvorrichtung für Brennstoffmotoren ist einem hubgesteuerten Common Rail Injektor ein 2/2 Wegeventil vorgeschaltet. In einer Ventilstellung des 2/2 Wegeventils liegt der maximale von einer Kraftstoffhochdruckfördereinrichtung erzeugte Druck des Kraftstoffes, der in einem Druckspeicher (Rail) zwischengespeichert wird, am Injektor an. Das Einspritzen des unter Druck befindlichen Kraftstoffes in den Brennraum des Brennstoffmotors wird durch Freigabe des Injektorhubes bewerkstelligt. In der anderen Ventilstellung wird die unter Druck befindliche Kraftstoffleitung zum Injektor über eine Drossel und ein Druckregulierventil druckentlastet, so dass ein geringerer Druck am Injektor anliegt. Wird nun ebenfalls durch Freigabe des Injektorhubes der unter Druck befindlichen Kraftstoffes in den Brennraum eingespritzt, so erfolgt dies -wie gewünscht- unter geringerem Druck.

Es ist das Bestreben vieler Hersteller von Einspritzsystemen und von vielen Herstellern von Dieselmotoren, in denen solche Einspritzsysteme zum Einsatz kommen, Alternativlösungen zu finden, mit denen ebenfalls eine Einspritzratenformung möglich ist, also zum Einspritzbeginn eine kleinere Menge an Kraftstoff unter geringerem Druck in den Brennraum des Brennstoffmotors einzuspritzen.

Hiervon ausgehend haben die Erfinder sich die Aufgabe gestellt, eine neue Einspritzvorrichtung für Brennstoffmotoren zur Verfügung zu stellen, bei der die Einspritzratenformung (boot rate shaping) anders realisiert ist.

Die Aufgabe wird durch eine Einspritzvorrichtung für Brennstoffmotoren gemäß Anspruch 1 und Anspruch 5 gelöst.

Die Erfinder haben erkannt, dass es bei hubgesteuerten Injektoren durch Vorschalten eines 3/2 Wegeventils und bei druckgesteuerten Injektoren durch Vorschalten eines 3/2 Wegeventil und ein anschließendes 2/2 Wegeventils möglich ist eine Einspritzratenformung (boot rate shaping) zu erreichen.

Aus den gewonnenen Erkenntnissen heraus schlagen die Erfinder vor, eine Einspritzvorrichtung für Brennstoffmotoren, mindestens bestehend aus einem druckgesteuerten Einspritzventil, dem ein 2/2 Wegeventil vorgeschaltet ist, welches einen Druckspeicher, in dem sich unter Druck stehender Kraftstoff befindet, mit dem druckgesteuerten Einspritzventil verbindet oder trennt, dahingehend zu verbessern, dass dem 2/2 Wegeventil ein 3/2 Wegeventil in hydraulischer Strömungsrichtung vorgeschaltet ist, welches in einer Schaltstellung den Druckspeicher mit dem 2/2 Wegeventil verbindet und in einer weiteren Stellung das 2/2 Wegeventil mit einer druckmindernden Absteuerleitung verbindet.

Durch Öffnen oder Schließen des 2/2 Wegeventils wird wahlweise Druck oder kein Druck am druckgesteuerten Einspritzventil angelegt, wodurch sich dieses öffnet oder schließt. Um eine Einspritzratenformung (boot rate shaping) zu erreichen und um zum Einspritzbeginn eine kleinere Menge an Kraftstoff unter geringerem Druck in den Brennraum des Brennstoffmotors einzuspritzen, werden das 3/2 Wegeventil und das 2/2 Wegeventil wie folgt geschaltet:
In einer ersten Stellung des 3/2 Wegeventil wird der unter hohem Druck befindliche Kraftstoff vom Druckspeicher über Kraftstoffleitungen durch das 3/2 Wegeventil gefördert. Dann wird das 3/2 Wegeventil in die zweite Stellung geschaltet. Hierdurch wird der Druck in der Kraftstoffleitung über die nun verbundene Absteuerleitung mit Druckhalteventil und regelbarer Drossel auf einen gewünschten Druckwert reduziert. Wird nun das 2/2 Wegeventil geöffnet, so kann der Kraftstoff mit dem reduzierten Druck über die geöffnete Düsennadel eingespritzt werden.

Um größere Mengen an Kraftstoff unter hohem Druck in den Brennraum des Brennstoffmotors einzuspritzen, wird das 3/2 Wegeventil in die zweite Stellung geschaltet und bei geöffnetem 2/2 Wegeventil in die zweite Lage geschaltet und bei geöffnetem 2/2 Wegeventil wird dem Injektor der Kraftstoff aus dem Druckspeicher direkt zugeführt. In einer möglichen Ausführung der Erfindung kann das druckgesteuerte Einspritzventil eine Düsennadel aufweisen, die über zumindest ein Federelement in eine Schließposition gehalten wird. Wird dem Einspritzventil Druck zugeführt, so wird dieses gegen den Federdruck geöffnet und der Kraftstoff kann in den Brennstoffraum einfließen. In der Absteuerleitung kann zumindest ein Druckhalteventil angeordnet sein. Das Druckhalteventil dient dazu, einen bestimmten Druck innerhalb dieser Leitung aufrechtzuerhalten.

Ergänzend zum Druckhalteventil kann in der Absteuerleitung eine regelbare Drossel angeordnet sein. Mit dieser regelbaren Drossel lässt sich zwischen den Einspritzvorgängen ein bestimmter gewünschter Kraftstoffdruck einstellen.

Ergänzend zur bisher beschriebenen Einspritzvorrichtung für Brennstoffmotoren schlagen die Erfinder auch vor, eine weitere Einspritzvorrichtung für Brennstoffmotoren mindestens bestehend aus einem hubgesteuerten Einspritzventil und einem Druckspeicher, in dem sich ein unter Druck stehender Kraftstoff befindet, dahingehend zu verbessern, dass dem Einspritzventil ein 3/2 Wegeventil vorgeschaltet ist, welches in einer Schaltstellung den Druckspeicher mit dem Einspritzventil verbindet und in einer weiteren Stellung das Einspritzventil mit einer druckmindernden Drucksteuerleitung verbindet. Mit dieser weiteren Einspritzvorrichtung für Brennstoffmotoren ist es auch möglich, zum Einspritzbeginn eine kleinere Menge an Kraftstoff unter geringerem Druck in den Brennraum des Brennstoffmotors einzuspritzen.

Um ein hubgesteuertes Einspritzventil zu realisieren, kann in einer Ausführung das Einspritzventil eine Düsennadel aufweisen, die oberhalb und unterhalb Druckkammern ausbildet, in denen der Kraftstoff unter Druck zuführbar ist. Wird beispielsweise in einer Kammer durch Öffnen einer Öffnung der Druck abgesenkt, so wird durch die Druckdifferenz die Nadel bewegt. Das Öffnen einer solchen Kammer kann beispielsweise durch mindestens ein Stellglied, vorzugsweise ein 2/2 Wegeventil realisiert werden, welches zumindest eine Druckkammer öffnet oder schließt.

Um eine gedrosselte Druckabsenkung in einer Kammer zu erreichen, ist es von Vorteil, wenn in mindestens einer Druckkammer der Druckeinlassquerschnitt keiner ist als der Druckauslassquerschnitt. In der Absteuerleitung kann zumindest ein Druckhalteventil und/oder eine regelbare Drossel angeordnet sein.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Zwei Ausführungsbeispiele der Erfin dung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der beiden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
1: Schematische Darstellung einer Einspritzvorrichtung für Brennstoffmotoren;
2: Schematische Darstellung einer weiteren Ausführung einer Einspritzvorrichtung für Brennstoffmotoren.
Nachfolgend wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben.
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Einspritzvorrichtung für Brennstoffmotoren. Diese Ausführungsform der Erfindung ist bevorzugt geeignet für druckgesteuerte Einspritzventile/Injektoren 7, also Einspritzventile/Injektoren, die erst bei anliegendem Kraftstoffdruck öffnen.
Der Kraftstoff, der sich in einem Kraftstoffreservoir 1 befindet, wird über eine Kraftstoffhochdruckfördereinrichtung 2 mit circa 600 bis 2500 Bar Druck in den Druckspeicher 3 gefördert. Ein an den Druckspeicher 3 anschließendes 3/2 Wegeventil 4 führt abhängig von der Schaltstellung den Kraftstoff dem Injektor 7 zu. In der ersten Stellung 4.1 des 3/2 Wegeventils wird die gedrosselte Absteuerleitung 10.2 in der sich ein Druckhalteventil 8.1 und eine regelbare Drossel 8.2 befindet vom 3/2 Wegeventil 4 getrennt. Gleichzeitig kann bei geöffnetem 2/2 Wegeventil 6 der Kraftstoff vom Druckspeicher 3 über die durch das 3/2 Wegeventil 4 nun verbundenen Kraftstoffleitungen 10.3 und 10.1 dem Injektor 7 zugeführt werden. Der an der Düsennadel 7.2 anliegende Kraftstoffdruck bewegt diese gegen den Federdruck der Feder 7.1 und gibt somit den Einspritzquerschnitt frei, so dass der Kraftstoff in den Brennraum geleitet wird.
In der in 1 dargestellten zweiten Stellung 4.2 des 3/2 Wegeventil wird die Kraftstoffleitung 10.1 bei geöffnetem 2/2 Wegeventil 6 (in 1 ist Ventil 6 geschlossen) über die nun verbundenen gedrosselte Absteuerleitung 10.2 mit Druckhalteventil 8.1 und der regelbaren Drossel 8.2 verbunden und somit der in der Leitung 10.1 befindliche Druck reduziert. Gleichzeitig ist in der dargestellten Stellung 4.2 des 3/2 Wegeventil die Kraftstoffleitung 10.3 vom Druckspeicher 3 abgetrennt. Um nun zum Einspritzbeginn eine kleinere Menge an Kraftstoff unter geringerem Druck in den Brennraum des Brennstoffmotors einzuspritzen, werden das 312 Wegeventil 4 und das 2/2 Wegeventil 6 wie folgt geschaltet:
In der ersten Stellung 4.1 des 3/2 Wegeventils 4 wird der unter hohem Druck befindliche Kraftstoff vom Druckspeicher 3 über die Kraftstoffleitung 10.3 durch das 3/2 Wegeventil 4 gefördert. Dann wird das 3/2 Wegeventil 4 in die zweite Stellung 4.2 geschaltet. Hierdurch wird der Druck in der Kraftstoffleitung 10.1 über die nun verbundene Absteuerleitung 10.2 mit Druckhalteventil 8.2 und regelbare Drossel 8.1 auf einen gewünschten Wert reduziert. Wird nun das 2/2 Wegeventil 6 geöffnet, so kann der Kraftstoff mit dem reduzierten Druck über die geöffnete Düsennadel 7.2 eingespritzt werden.
Um größeren Menge an Kraftstoff unter hohem Druck in den Brennraum des Brennstoffmotors einzuspritzen, wird das 3/2 Wegeventil 4 in Stellung 4.1 geschaltet und bei geöffnetem 2/2 Wegeventil wird dem Injektor 7 der Kraftstoff aus dem Druckspeicher 3 zugeführt.
Die 2 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführung einer Einspritzvorrichtung für Brennstoffmotoren. Diese Ausführungsform ist für hubgesteuerte Einspritzventile/Injektoren 9 geeignet.
Die Steuerung der Einspritzratenformung (boot rate shaping) erfolgt wie in 1 mit einem an den Druckspeicher 3 anschließendes 3/2 Wegeventil 4. in der ersten Stellung 4.1 des 3/2 Wegeventils wird die gedrosselte Absteuerleitung 10.2 in der sich ein Druckhalteventil 8.1 und eine regelbare Drossel 8.2 befindet vom 3/2 Wegeventil getrennt. Gleichzeitig kann bei geöffnetem 2/2 Wegeventil 6 der Kraftstoff vom Druckspeicher 3 über die durch das 3/2 Wegeventil nun verbundenen Kraftstoffleitungen 10.3 und 10.1 dem Injektor 9 zugeführt werden.
In der in 2 dargestellten zweiten Stellung 4.2 des 3/2 Wegeventil wird die Kraftstoffleitung 10.1 bei geöffnetem 2/2 Wegeventil 9.1 über die nun verbundenen gedrosselte Absteuerleitung 10.2 mit Druckhalteventil 8.1 und der Drossel 8.2 verbunden und somit der in der Leitung 10.1 befindliche Druck reduziert. Gleichzeitig ist in der dargestellten Stellung 4.2 des 3/2 Wegeventil die Kraftstoffleitung 10.3 vom Druckspeicher 3 abgetrennt.
Im Unterschied zum druckgesteuertem Einspritzventil aus 1 wird das Öffnen und Schließen der Düsennadel 9.4 durch ein 2/2 Wegeventil 9.1 gesteuert, welches sich in der Kraftstoffablaufleitung des Injektors 9 befindet. In dem in 2 dargestellten Zustand ist das 2/2 Wegeventil 9.1 geschlossen. Hierdurch liegt der gleiche Druck des Kraftstoffes sowohl im oberen Druckraum 9.3 als im unteren Druckraum 9.2 an. Der Druck von Oben vom oberen Druckraum 9.3 und der Druck von Unten vom unteren Druckraum 9.2 auf die Düsennadel 9.4 halten sich die Waage, so dass die Düsennadel 9.4 in der unteren Position gehalten wird und den Einspritzdüsenquerschnitt geschlossen hält.
Um den Kraftstoffeinspritzvorgang zu starten, also das Öffnen des Einspritzdüsenquerschnitts durch Anheben der Düsennadel 9.4 zu bewirken, wird das 2/2 Wegeventil 9.1 geöffnet. Hierdurch wird der obere Druckraum 9.3 druckentlastet.
Da aber die Querschnittsfläche der Ablaufdrossel 9.5 größer ist als die Querschnittsfläche der Zulaufdrossel 9.6 erfolgt diese Druckentlastung im oberen Druckraum 9.3 gedrosselt. Im unteren Druckraum 9.2 kann der unter Druck befindliche Kraftstoff die Düsennadel 9.4 anheben und somit den Einspritzdüsenquerschnitts frei geben. Ein Federelement 9.7 wirkt der Düsennadelbewegung entge gen und bewegt die Düsennadel 9.4 bei Druckausgleich der oberen und der unteren Druckkammer 9.2 und 9.3 beziehungsweise nach dem Einspritzen in ihre Ausgangsstellung zurück.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale und die Merkmale der Ansprüche nicht nur in den jeweils angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

1: Kraftstoffreservoir
2: Kraftstoffhochdruckfördereinrichtung
3: Druckspeicher/Rail
4: 3/2 Wegeventil
4.1: erste Stellung des 3/2 Wegeventils
4.2: zweite Stellung des 3/2 Wegeventils
5: 2/2 Wegeventil zur Ansteuerung des 3/2 Wegeventil
6: 2/2 Wegeventil
7: druckgesteuertes Einspritzventil/druckgesteuerter Injektor
7.1: Feder
7.2: Düsennadel
8.1: Druckhalteventil
8.2: regelbare Drossel
9: hubgesteuertes Einspritzventil/hubgesteuerter Injektor
9.1: 2/2 Wegeventil
9.2: unterer Druckraum
9.3: oberer Druckraum
9.4: Düsennadel
9.5: Ablaufdrossel
9.6: Zulaufdrossel
9.7: Feder
10.1: Kraftstoffleitung zum Injektor
10.2: gedrosselte Absteuerleitung
10.3: Kraftstoffleitung vom Rail
10.4: Absteuerleitung

Claims

Einspritzvorrichtung für Brennstoffmotoren mindestens bestehend aus einem druckgesteuerten Einspritzventil (7), dem ein 2/2 Wegeventil (6) vorgeschaltet ist, welches einen Druckspeicher (3), indem sich unter Druck stehender Kraftstoff befindet, mit dem druckgesteuerten Einspritzventil (7) verbindet oder trennt, dadurch gekennzeichnet, dass dem 2/2 Wegeventil (6) ein 3/2 Wegeventil (6) in hydraulischer Strömungsrichtung vorgeschaltet ist, welches in einer Schaltstellung (4.1) den Druckspeicher (3) mit dem 2/2 Wegeventil (6) verbindet und in einer weiteren Stellung (4.2) das 2/2 Wegeventil (6) mit einer Druck mindernden Absteuerleitung (10.2) verbindet.
Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das druckgesteuerte Einspritzventil (7) eine Düsennadel (7.2) aufweist, die über zumindest ein Federelement (7.1) in einer Schließposition gehalten wird.
Einspritzvorrichtung nach einem oder beiden der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Absteuerleitung (10.2) zumindest ein Druckhalteventil (8.1) angeordnet ist.
Einspritzvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Absteuerleitung (10.2) eine regelbare Drossel (8.2) angeordnet ist.
Einspritzvorrichtung für Brennstoffmotoren mindestens bestehend aus einem hubgesteuerten Einspritzventil (9) und einem Druckspeicher (3), indem sich unter Druck stehender Kraftstoff befindet, dadurch gekennzeichnet, dass dem Einspritzventil (9) ein 3/2 Wegeventil (4) vorgeschaltet ist, welches in einer Schaltstellung (4.1) den Druckspeicher (3) mit dem Einspritzventil (9) verbindet und in einer weiteren Stellung (4.2) das Einspritzventil (9) mit einer Druck mindernden Absteuerleitung (10.2) verbindet.
Einspritzvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das hubgesteuerte Einspritzventil (9) eine Düsennadel (9.4) aufweist und oberhalb und unterhalb der Düsennadel (9.4) Druckkammern (9.3 und 9.2) ausgebildet sind, denen der Kraftstoff unter Druck zuführbar ist.
Einspritzvorrichtung nach einem oder beiden der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Stellglied, vorzugsweise ein 2/2 Wegeventil (9.1), angeordnet ist, welches zumindest eine Druckkammer (9.3) öffnet oder schließt.
Einspritzvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer Druckkammer (9.3) der Druckeinlassquerschnitt (9.6) kleiner ist als der Druckauslassquerschnitt (9.5).
Einspritzvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Absteuerleitung (10.2) zumindest ein Druckhalteventil (8.1) angeordnet ist.
Einspritzvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Absteuerleitung (10.2) eine regelbare Drossel (8.2) angeordnet ist.