DE102005062859A1

DE102005062859A1 - Kennfeldoptimierte Kraftstoffeinspritzdüse und Verfahren zu ihrer Ansteuerung

Info

Publication number: DE102005062859A1
Application number: DE200510062859
Authority: DE
Inventors: Patrick Mattes
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-12-29
Filing date: 2005-12-29
Publication date: 2007-07-12

Abstract

Bei einer Kraftstoffeinspritzdüse (1) für Brennkraftmaschinen mit einem Düsenkörper (2) mit mindestens zwei Spritzlöchern (10, 13), mit einer im Düsenkörper (2) axial verschiebbaren hohlen äußeren Düsennadel (4), welche die Einspritzung von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff durch mindestens ein erstes Spritzloch (10) steuert, mit einer in der äußeren Düsennadel (4) koaxial verschiebbar geführten inneren Düsennadel (5), welche die Einspritzung von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff durch mindestens ein zweites Spritzloch (13) steuert, mit einem an Hochdruck angeschlossenen Steuerraum (15), in welchem die innere Düsennadel (5) eine in Schließrichtung wirkende Steuerfläche (16) aufweist, und mit einer Ventilanordnung (20), über welche der Steuerraum (15) mit Niederdruck verbindbar ist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die innere Düsennadel (5) mit einem Absatz (21) einen Absatz (23) der äußeren Düsennadel (4) in Öffnungsrichtung (22) hintergreift und dass bei geschlossenen Spritzlöchern (10, 13) der Abstand (d) zwischen beiden Absätzen (21, 22) mindestens gleich demjenigen Öffnungshub der inneren Düsennadel (5) ist, ab dem die Kraftstoffeinspritzrate durch das mindestens zweite Spritzloch (13) im Wesentlichen konstant ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Kraftstoffeinspritzdüse nach der Gattung des Patentanspruchs 1.

Eine solche Kraftstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen ist beispielsweise durch die DE 102 05 970 A1 bekannt geworden.

In zukünftigen Common-Rail-Systemen kommen zur Verbesserung der Emissionen am Motor sowie zur gleichzeitigen Leistungssteigerung so genannte Vario-Düsen, insbesondere Koaxial-Vario-Düsen (KVD), zum Einsatz. Solche Düsen weisen zwei Gruppen von Spritzlöchern auf, die unabhängig voneinander mit Druck beaufschlagt werden können. Üblicherweise weisen sie auch unterschiedliche Spritzlochdurchmesser auf. Bei KVD sind diese beiden Spritzlochgruppen auf zwei verschiedenen Lochkreisdurchmessern angeordnet und werden durch zwei koaxial ineinander geführte Düsennadeln angesteuert. Dabei muss es üblicherweise möglich sein, zunächst die erste Nadel, welche die erste Spritzlochgruppe steuert, alleine zu öffnen und zu schließen. Dabei muss eine maximal erforderliche Spritzdauer auf der ersten Spritzlochgruppe erreichbar sein, ohne dass dabei die zweite Nadel geöffnet wird, welche die zweite Spritzlochgruppe ansteuert. Weiter muss ein Öffnen der zweiten Nadel ausgelöst werden können, wobei in den meisten Anwendungsfällen die zweite Nadel nur geöffnet werden muss, wenn die erste Nadel bereits an ihrem Hubanschlag angelangt ist. Die Steuerhydraulik kann folglich so ausgeführt werden, dass ein Öffnen der zweiten Nadel nur dann erfolgen kann, wenn die erste Nadel bereits ihren Hubanschlag erreicht hat. Besonders einfach wird die Steuerhydraulik dann, wenn ohne weiteren Steuereingriff die zweite Nadel immer dann öffnet, wenn die erste Nadel ihren Hubanschlag erreicht. Bei Einspritzungen über beide Spritzlochreihen soll die zweite Nadel gegenüber der ersten Nadel um die Boot-Zeit verzögert öffnen. Dabei ist diese Boot-Zeit üblicherweise deutlich kleiner als die Zeit, welche die maximal mögliche Spritzdauer für Einspritzungen beschreibt, die ausschließlich über die erste Spritzlochreihe erfolgen.

Für Common-Rail-Injektoren (CRI-PV) mit solchen Variodüse werden verschiedene Ansteuerungskonzepte diskutiert. Bisheriger Stand der heutigen Auslegung ist ein Ventil mit 3/2-Funktionen, das eine Unstetigkeit beim Übergang von der ersten zur zweiten Nadelstufe im Mengenkennfeld zur Folge hat. Daraus resultiert die Notwendigkeit für eine Mehrfachansteuerung, die bezüglich Mengentoleranzen kritisch ist.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße kennfeldoptimierte Kraftstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass die Hubdifferenz zwischen beiden Düsennadeln mechanisch vorgegeben ist und durch entsprechende Wahl der Hubdifferenz die geforderten Mengentoleranzen durch Vermeidung einer Mehrfachansteuerung eingehalten werden können. Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzdüse ermöglicht eine gezielte Abstimmung bzw. Auslegung des Timings der Kraftstoffeinspritzung. Weiterhin ist zur Ansteuerung lediglich ein 2/2-Wege-Ventil erforderlich.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.

Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzdüse ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 die erfindungsgemäße kennfeldoptimierte Kraftstoffeinspritzdüse; und
2a, 2b schematisch die mit der in 1 gezeigten Kraftstoffeinspritzdüse eingespritzte Kraftstoffmenge in Abhängigkeit der Ansteuerdauer sowie den entsprechenden zeitlichen Verlauf der eingespritzten Kraftstoffrate.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Die in 1 gezeigte Kraftstoffeinspritzdüse (Injektor) 1 für Brennkraftmaschinen weist einen zylindrischen Düsenkörper 2 auf, der mit seinem freien unteren Ende in einen nicht näher gezeigten Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragt. In einer Führungsbohrung 3 des Düsenkörpers 2 ist eine als Hohlnadel ausgebildete äußere Düsennadel 4 axial verschiebbar geführt, in der eine innere Düsennadel 5 koaxial angeordnet und ebenfalls axial verschiebbar geführt ist. Im Düsenkörper 2 ist ein Ringraum 6 ausgebildet, der durch die äußere Düsennadel 4 radial nach innen begrenzt ist. Über eine Kraftstoff-Hochdruckleitung 7 ist der Ringraum 6 mit einem nicht gezeigten Kraftstoff-Hochdruckspeicher (Common Rail) verbunden.
Eine erste Schließfeder (nicht gezeigt) presst die äußere Düsennadel 4 in einen ersten, äußeren Dichtsitz am brennraumseitigen Ende der Führungsbohrung 3. Die äußere Düsennadel 4 ist am brennraumseitigen Ende von einem Ringspalt 8 umgeben, der vom Ringraum 6 abgeht und sich bis an den äußeren Dichtsitz erstreckt. In dem in 1 gezeigten geschlossenen Zustand der äußeren Düsennadel 4 verhindert ein Dichtkonus 9 der äußeren Düsennadel 4 in Verbindung mit dem äußeren Dichtsitz, dass Kraftstoff über den Ringspalt 8 aus dem Ringraum 6 durch erste, äußere Spritzlöcher 10 in den Brennraum der Brennkraftmaschine gelangt.
In gleicher Weise presst eine zweite Schließfeder (nicht gezeigt) die innere Düsennadel 5 in einen zweiten, inneren Dichtsitz am brennraumseitigen Ende der Führungsbohrung 3. Zwischen beiden Düsennadeln 4, 5 ist am brennraumseitigen Ende ein Ringspalt 11 vorgesehen, der über eine Wandöffnung 12 in der äußeren Düsennadel 4 ebenfalls mit dem Ringraum 6 verbunden ist und sich bis an den inneren Dichtsitz erstreckt. In dem in 1 gezeigten geschlossenen Zustand der inneren Düsennadel 5 verhindert ein Dichtkonus 12 der inneren Düsennadel 5 in Verbindung mit dem inneren Dichtsitz, dass Kraftstoff über den Ringspalt 11 aus dem Ringraum 6 durch zweite, innere Spritzlöcher 13 in den Brennraum der Brennkraftmaschine gelangt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die beiden Dichtsitze durch eine gemeinsame Konusfläche 14 gebildet.
Am brennraumabgewandten Ende weist die innere Düsennadel 5 in einem Steuerraum 15 eine in Schließrichtung wirkende Steuerfläche 16 auf. Der Steuerraum 15 ist über eine Zulaufdrossel 17 an die Hochdruckleitung 7 angeschlossen. Vom Steuerraum 15 geht eine Ablaufdrossel 18 ab, die mit einem niederdruckseitigen Ablauf 19 über eine als 2/2-Wege-Schaltventil 20 ausgebildete Ventilanordnung verbunden ist. Die innere Düsennadel 5 hintergreift mit einem Absatz (Schulter) 21 in Öffnungsrichtung 22 einen radial nach innen vorstehenden Absatz (Schulter) 23 der äußeren Düsennadel 4. Die beiden Absätze 21, 23 sind bei geschlossenen Spritzlöchern 10, 13 von einander um ein axiales Maß (Hub) d (z.B. ca. 0,4 mm) beabstandet, welches größer ist als derjenige Öffnungshub (z.B. ca. 0,15 mm) der inneren Düsennadel 5, ab dem die Kraftstoffeinspritzrate durch die zweiten Spritzlöcher 13 im Wesentlichen konstant ist.
Nachfolgend wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzdüse 1 beschrieben.
Die Kraftstoffeinspritzung wird durch Schalten des 2/2-Wege-Schaltventils 20 in die in 1 rechte Ventilstellung (Zeitpunkt t₀ in 2a, 2b) begonnen, in der der Steuerraum 15 über die Ablaufdrossel 18 mit dem Ablauf 19 verbunden ist. Der im Steuerraum 15 herrschende Steuerdruck sinkt. Sobald der am Dichtkonus 12 in Öffnungsrichtung angreifende Kraftstoffdruck ausreicht, die innere Düsennadel 5 gegen die Schließfeder und den im Steuerraum 15 herrschenden Druck aufzusteuern, öffnet die innere Düsennadel 5 und gibt die Spritzlöcher 13 frei. Aufgrund des niedrigen hydraulischen Durchflusses ist ab dem Öffnungshub von z.B. 0,15 mm die Kraftstoffeinspritzrate durch die zweiten Spritzlöcher 13 im Wesentlichen konstant. Die innere Düsennadel 5 öffnet weiter und nimmt dann ab einem Öffnungshub d die äußere Düsennadel 4 mit (Zeitpunkt t1 in 2a, 2b), und zwar bis mindestens zu demjenigen Öffnungshub (z.B. ca. ca. 0,6 mm), ab dem die Kraftstoffeinspritzrate durch die ersten Spritzlöcher 10 im Wesentlichen konstant ist.
Mit anderen Worten kann der Öffnungshub der inneren Düsennadel 5 so gewählt werden (z.B. 0,4 mm), dass eine Mehrfachansteuerung im applikationsrelevanten Bereich vermieden werden kann. Sobald dann die äußere Düsennadel 4 in Öffnungsrichtung mitgenommen wird, öffnet die äußere Düsennadel 4, wobei deren Öffnungshub (z.B. 0,2 mm) ebenfalls in Abhängigkeit der gewählten Applikation gewählt werden kann. Durch eine geschickte Wahl dieser beiden Öffnungshübe kann der Übergang von der ersten zur zweiten Nadelstufe in einen unkritischen Kennfeldbereich verlegt werden.
2a zeigt schematisch die mit der Kraftstoffeinspritzdüse 1 eingespritzte Kraftstoffmenge in Abhängigkeit der Ansteuerdauer der inneren Düsennadel 5 für die Öffnungshubdifferenz d (durchgezogene Linie) sowie für zwei andere Öffnungshubdifferenzen d₁ und d₂ (strichpunktierte und gestrichelte Linien). 2b zeigt schematisch den entsprechenden zeitlichen Verlauf der eingespritzten Kraftstoffrate. Im gestricheltelten Verlauf ist der erreichte Öffnungshub der äußeren Düsennadel 4 kleiner als in den beiden anderen Fällen, so dass auch die erreichte eingespritzte Kraftstoffrate kleiner ist.

Claims

Kraftstoffeinspritzdüse (1) für Brennkraftmaschinen, mit einem Düsenkörper (2) mit mindestens zwei Spritzlöchern (10, 13), mit einer im Düsenkörper (2) axial verschiebbaren hohlen äußeren Düsennadel (4), welche die Einspritzung von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff durch mindestens ein erstes Spritzloch (10) steuert, mit einer in der äußeren Düsennadel (4) koaxial verschiebbar geführten inneren Düsennadel (5), welche die Einspritzung von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff durch mindestens ein zweites Spritzloch (13) steuert, mit einem an Hochdruck angeschlossenen Steuerraum (15), in welchem die innere Düsennadel (5) eine in Schließrichtung wirkende Steuerfläche (16) aufweist, und mit einer Ventilanordnung (20), über welche der Steuerraum (15) mit Niederdruck verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Düsennadel (5) mit einem Absatz (21) einen Absatz (23) der äußeren Düsennadel (4) in Öffnungsrichtung (22) hintergreift und dass bei geschlossenen Spritzlöchern (10, 13) der Abstand (d) zwischen beiden Absätzen (21, 22) mindestens gleich demjenigen Öffnungshub der inneren Düsennadel (5) ist, ab dem die Kraftstoffeinspritzrate durch das mindestens zweite Spritzloch (13) im Wesentlichen konstant ist.
Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilanordnung (20) durch ein 2/2-Wege-Ventil gebildet ist.
Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mittels einer Kraftstoffeinspritzdüse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Düsennadel (5) in einer einzigen Ansteuerung so weit in Öffnungsrichtung aufgesteuert wird, dass die innere Düsennadel (5) zuerst das mindestens eine erste Spritzloch (10) öffnet und dann ab dem vorbestimmten Öffnungshub (d) die äußere Düsennadel (4) mitnimmt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Düsennadel (5) die äußere Düsennadel (4) bis zu demjenigen Öffnungshub mitnimmt, ab dem die Kraftstoffeinspritzrate durch das mindestens erste Spritzloch (10) im Wesentlichen konstant ist.