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Die
Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine,
insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Druckspeicherraum (Common
Rail) und einem Injektor, in dem ein axial verschiebbarer Einspritzkolben
einen Steuerraum von einem Druckraum trennt, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Bei
herkömmlichen,
passiven Einspritzdüsen für Kraftstoff
für Brennkraftmaschinen,
wie sie beispielsweise bei Verteilereinspritzpumpen verwendet werden
und aus der
DE 103
42 568 A1 bekannt sind, führt der Kraftstoffdruck zum Öffnen der
Düsennadel. Hierbei
ist der Öffnungsdruck
durch eine Düsennadelfeder
bestimmt, welche die Düsennadel
in Schließrichtung
mit Kraft beaufschlagt. Der Öffnungsdruck
kann durch die Auswahl der Feder frei gewählt werden, ist jedoch damit
festgelegt. Ein Öffnungsdruck
muss für
alle Betriebsbereiche der Brennkraftmaschine geeignet sein. Hierbei
begegnen sich jedoch gegenläufige
Bedingungen, denn für eine
weiche Verbrennung bei niedriger Last ist ein geringer Öffnungsdruck
wünschenswert,
wohingegen bei hoher Last ein hoher Öffnungsdruck notwendig ist,
um ein sicheres Schließen
der Düsennadel am
Ende eines Einspritzvorganges auch gegen hohe Drücke in einem Verbrennungsraum
zu gewährleisten.
Die Auslegung der Düsennadelfeder
und damit des Öffnungsdruckes
ist daher notwendigerweise ein Kompromiss zwischen den beiden Extrembedingungen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung
der o.g. Art hinsichtlich der Funktion und Betriebssicherheit zu
verbessern.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Kraftstoffeinspritzvorrichtung der o.g. Art mit den in Anspruch
1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Dazu
ist es bei einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung der o.g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass
eine wirksame, einen Druck im Steuerraum des Injektors in eine Kraft
in Schließrichtung
des Einspritzkolbens umsetzende Fläche des Einspritzkolbens im
Steuerraum des Injektors kleiner, als eine wirksame, einen Druck
im Druckraum des Injektors in eine Kraft in Öffnungsrichtung des Einspritzkolbens umsetzende
Fläche
des Einspritzkolbens ist.
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Dies
hat den Vorteil, dass an jedem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine
entsprechende Öffnungs-
und Schließdrücke eingestellt
werden können,
um eine gute Gemischbildung und niedrige HO-Emissionen darstellen
zu können.
Weiterhin verringert dies eine Russbildung durch ein sehr rasches Schließen des
Einspritzkolbens. Auch wird ein sicheres Verriegeln einer Düsennadel
des Einspritzkolbens in seinen Sitz erzielt, wodurch ein unbeabsichtigtes
Nacheinspritzen wirksam verhindert ist.
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Ein
passives Öffnen
des Injektors ist dadurch möglich,
dass der Einspritzkolben einen Balancierkolben aufweist, welcher
in den Steuerraum des Injektors hinein ragt, wobei der Balancierkolben
einen Durchmesser d
B, der Einspritzkolben
an einer dem Druckraum zugewandten Seite einen Durchmesser d
E und eine am Einspritzkolben angeordnete
und durch den Druckraum in einen Ventilsitz greifende Düsennadel
einen Durchmesser d
S aufweist, wobei Balancierkolben,
Einspritzkolben und Düsennadel derart
ausgebildet sind, dass folgende Bedingung erfüllt ist,
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Eine
sichere Verriegelung des Einspritzkolben in der geschlossenen Stellung
erzielt man dadurch, dass der Steuerraum des Injektors permanent mit
dem Druckspeicherraum verbunden ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Druckraum über
ein Ventil mit dem Druckspeicherraum verbunden, wobei das Ventil
den Druckraum wahlweise mit dem Druckspeicherraum verbindet oder
von diesem trennt.
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Besonders
kleine Verluststeuermengen erzielt man dadurch, dass das Ventil
ein 2/2-Wegeventil ist.
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In
einer alternativen Ausführungsform
ist das Ventil ein 3/2-Wegeventil, welches den Druckraum wahlweise
mit dem Druckspeicherraum oder einer Leckageleitung verbindet.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung ist zusätzlich ein Druckverstärker, in
dem ein axial verschiebbarer Druckverstärkerkolben einen Verstärkerraum,
einen Federraum und einen Hochdruckraum voneinander trennt, vorgesehen,
wobei der Hochdruckraum mit der Verbindungsleitung zwischen dem Druckraum
des Injektors und dem Druckspeicherraum verbunden und der Verstärkerraum über ein Ventil
mit dem Druckspeicherraum verbunden ist. Das Ventil ist beispielsweise
ein 3/2-Wegeventil.
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Eine
zusätzliche
Einstellmöglichkeit
des Schließdruckes
mittels sich ergebender Druckmodulationen und/oder mittels des Druckverstärkers ergibt sich
dadurch, dass der Steuerraum des Injektors über ein erstes Rückschlagventil
mit dem Druckspeicherraum verbunden ist, wobei das erste Rückschlagventil
in Richtung des Druckspeicherraumes schließt, und dass der Steuerraum
des Injektors über ein
zweites Rückschlagventil
mit dem Hochdruckraum des Druckverstärkers verbunden ist, wobei
das zweite Rückschlagventil
in Richtung des Hochdruckraumes schließt.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese
zeigt in
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1 ein
schematisches Funktionsschaltbild einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung,
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2 eine
bevorzugte Ausführungsform
einer Verschaltung der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung
mit Druckverstärker,
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3 eine
alternative Ausführungsform
einer Verschaltung der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung
mit Druckverstärker
und
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4 eine
weitere alternative Ausführungsform
einer Verschaltung der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung
mit Druckverstärker
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Die
in 1 dargestellte, bevorzugte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems
für eine
Brennkraftmaschine umfasst einen Injektor 10, in dem ein
axial verschiebbarer Einspritzkolben 12 einen Steuerraum 14 von
einem Druckraum 16 trennt. Der Einspritzkolben 12 weist
einen Balancierkolben 18, der in den Steuerraum 14 ragt,
und eine Düsennadel 20 auf,
die sich von einer dem Druckraum 16 des Einspritzkolbens 12 zugewandten
Seite erhebt, den Druckraum 16 durchgreift und in geschlossenem
Zustand des Injektors 10 an einem Sitz 22 anliegt.
Der Steuerraum 14 ist mit einem Druckspeicherraum 24 (Common
Rail) verbunden. Der Druckraum 16 ist über ein 2/2-Wegeventil 26 mit
dem Druckspeicherraum 24 verbunden, wobei das 2/2-Wegeventil 26 wahlweise
den Druckraum 16 mit dem Druckspeicherraum 24 verbindet
oder von diesem Trennt.
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Der Öffnungsdruck
des Injektors 10 ist durch den Druck um Steuerraum 14 und
die Fläche
des Balancierkolbens 18 bestimmt. Hierbei ist der Öffnungsdruck
eine lineare Funktion des Kraftstoffdrucks und des Fläche des
Balancierkolbens 18. Hiermit kann das Abstimmungsproblem
des Düsenöffnungsdruckes
gelöst
werden: Bei geringer Last wird ein geringer Druck im Steuerraum 14 eingestellt,
um einen geringen Öffnungsdruck
für eine
geringe mechanische Geräuschentwicklung
beim Schließen
der Düsennadel 20 zu
erzielen. Bei hoher Last wird ein hoher Druck im Steuerraum 14 eingestellt,
um ein Rückblasen
aus einem Brennraum in einem Zylinder der Brennkraftmaschine in
Folge hoher Verbrennungsdrücke
zu verhindern und ein schnelles Schließen der Düsennadel 20 im Sitz 22 zu
gewährleisten.
Zum Ende einer Einspritzung führt
das Schließen
des 2/2-Wegeventil 26 dazu, dass der mit großer Geschwindigkeit
durch die Leitung strömende
Kraftstoff eine Druckwelle hervorruft. Diese Druckwelle vergrößert die
auf den Einspritzkolben 12 wirkende Schließkraft mit
dem Ergebnis einer höheren
Schließgeschwindigkeit,
einem schärferen
Einspritzende und geringeren Russ- und HC-Emissionen.
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Der
Balancierkolben
18 weist einen Durchmesser de
46 auf.
Der Einspritzkolben
12 weist an einer dem Druckraum
16 zugewandten
Seite einen Durchmesser d
E 48 auf.
Die Düsennadel
20 weist
einen Durchmesser d
S 50 auf. Diese
jeweiligen Durchmesser von Balancierkolben
18, Einspritzkolben
12 und
Düsennadel
20 sind
derart ausgebildet, dass folgende Bedingung erfüllt ist:
Hierdurch ist die wirksame
Ringfläche
im Druckraum
16 größer als
die wirksame Fläche
des Balancierkolbens
18. Dies ermöglicht ein passives Öffnen des
Injektors
10. Mit wirksamer Fläche ist hierbei eine resultierende
Fläche
gemeint, die einen Druck im Druckraum
16 bzw. Steuerraum
14 in
eine auf den Einspritzkolben
12 wirkende, resultierende
Kraft umsetzt. Zum Öffnen
der Düsennadel
wird somit der Druckraum
16 mit dem Druck aus dem Druckspeicherraum
24 beaufschlagt.
Zwar herrscht nominal im Druckraum
16 und im Steuerraum
14 derselbe
Druck, jedoch ergibt sich durch die größere wirksame Fläche im Druckraum
16 eine
resultierende Kraft in Öffnungsrichtung,
die den Injektor
10 öffnet.
Zum Schließen
des Injektors
10 wird der Druckraum
16 entlastet.
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2 zeigt
eine bevorzugte Verschaltung der Kraftstoffeinspritzvorrichtung
wobei funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern wie in 1 versehen
sind, so dass zu deren Erläuterung
auf die obige Beschreibung der 1 verwiesen
wird. In dieser Ausführungsform
ist zusätzlich
ein Druckverstärker 28 vorgesehen,
in dem ein axial verschiebbarer Druckverstärkerkolben 30 einen
Verstärkerraum 32, einen
Federraum 34 und einen Hochdruckraum 36 voneinander
trennt. Der Hochdruckraum 36 ist mit der Verbindungsleitung 38 zwischen
dem Druckraum 14 des Injektors 10 und dem Druckspeicherraum 24 stromauf
des 2/2-Wegeventil 26 verbunden und der Verstärkerraum 32 ist über ein
erstes 3/2-Wegeventil 40 mit dem Druckspeicherraum 24 verbunden.
Das erste 3/2-Wegeventil 40 verbindet den Verstärkerraum 32 wahlweise
mit dem Druckspeicherraum 24, um den Druckverstärker 28 zu
aktivieren, oder mit einer Leckageleitung 42, um den Druckverstärker 28 zu
deaktivieren.
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Bei
diesem mit einem Druckverstärker 28 ausgerüsteten System
kann das Schließen
des Injektors 10 aktiv durch eine Druckanhebung zum Schließzeitpunkt
des 2/2-Wegeventil 26 noch stärker unterstützt werden,
da die Schließkraft
am Balancierkolben 18 proportional zum anliegenden Systemdruck
ist. Hierfür
ist eine entsprechend Verbindung (nicht dargestellt) vorzusehen
die den verstärkten Druck
aus dem Hochdruckraum 36 des Druckverstärkers 28 dem Steuerraum 14 des
Injektors 10 zuführt. In
der kurzen Leitung 38 zwischen 2/2-Wegeventil 26 und
dem Druckraum 16 des Injektors 10 kann sich bei
entsprechender Dimensionierung (Länge kürzer als 60 mm) keine Druckwelle
aufbauen, die ein zweites, unerwünschtes Öffnen des
Injektors 10 hervorrufen würde.
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3 zeigt
eine alternative bevorzugte Verschaltung der Kraftstoffeinspritzvorrichtung,
wobei funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern wie in 1 und 2 versehen
sind, so dass zu deren Erläuterung
auf die obige Beschreibung der 1 und 2 verwiesen
wird. In dieser Ausführungsform
ist statt des 2/2-Wegeventil ein zweites 3/2-Wegeventil 44 zum
Ansteuern des Druckraumes 16 vorgesehen, welches den Druckraum 16 wahlweise
mit dem Druckspeicherraum 24 oder der Leckageleitung 42 verbindet.
In nicht angesteuertem Zustand ist der Druckraum 16 mit
der drucklosen Leckageleitung 42 verbunden. Wird der Injektor 10 angesteuert,
so wird von dem zweiten 3/2-Wegeventil 44 eine Verbindung zwischen
dem Druckspeicherraum 24 und dem Druckraum 16 hergestellt.
Bei dieser Anordnung ist das Schließen der Düsennadel 20 am Ende
eines Einspritzvorganges noch weiter beschleunigt, da auf der Unterseite,
d.h. der dem Druckraum 16 zugewandten Seite, des Einspritzkolbens 12 nur
noch Lecköldruck
(im Wesentlichen drucklos) anliegt. Ein Nachspritzen ist hier auch
bei großem
Abstand zwischen dem Druckraum 16 und dem zweiten 3/2-Wegeventil 44 nicht
möglich.
Um eine rasche Reaktion des Einspritzverlaufes auf die Bewegung
des zweiten 3/2-Wegeventil 44 zu erreichen und einen guten
Wirkungsgrad sicherzustellen (Kompressionsverluste) ist ebenfalls
eine kurze Leitung vorteilhaft.
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Beim
Entlasten des Druckraumes 16 wird bei dieser Ausführungsform
gemäß 3 die
aus dem Druckraum 16 abgesteuerte Kraftstoffmenge in einen Zwischenspeicher 54 gefördert, der
in der Leckageleitung 42 angeordnet ist. Dieser Zwischenspeicher 54 wird
mittels eines Druckregelventils 52 gesteuert. Beim Nachladen
des Druckverstärkers 28 wird
die erforderliche Kraftstoffmenge aus dem vorgehaltenen Zwischenspeicher 54 in
den Hochdruckraum 36 und den Federraum 34 gefördert. Dies
vermeidet einen Leckagepfad während
der Einspritzung und erzielt einen sehr guten hydraulischen Wirkungsgrad
bei der Druckverstärkung.
Es können
steile Absteuerflanken mit der Vermeidung einer unerwünschten
Nacheinspritzung erzielt werden.
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4 zeigt
eine weitere alternative bevorzugte Verschaltung der Kraftstoffeinspritzvorrichtung, wobei
funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern wie in 1 bis 3 versehen
sind, so dass zu deren Erläuterung
auf die obige Beschreibung der 1 bis 3 verwiesen
wird. Diese Ausführungsform
entspricht der Ausführungsform
gemäß 3, wobei
der Steuerraum 14 des Injektors 10 nicht, wie bei
der Ausführungsform
gemäß 3 direkt
und permanent mit dem Druckspeicherraum 24 verbunden ist,
sondern über
eine Leitung 56 mit einem Eingang des 3/2-Wegeventils 44.
Die Verbindung mit dem Druckspeicherraum 24 ist über ein
erstes Rückschlagventil 58 ausgeführt, wobei
das erste Rückschlagventil 58 in
Richtung des Druckspeicherraumes 24 schließt. Zusätzlich ist
hierdurch des Steuerraum 14 des Injektors 10 über ein
zweites Rückschlagventil 60 mit
dem Hochdruckraum 36 des Druckverstärkers 28 verbunden,
wobei das zweite Rückschlagventil 60 in
Richtung des Hochdruckraumes 36 schließt. Hierdurch wirkt auf den
Steuerraum 14 nicht nur der Druck im Druckspeicherraum 24 sondern
auch ein ggf. erhöhter
Druck des Druckverstärkers 28 im
Hochdruckraum 36, sofern dieser aktiviert ist. Hierdurch
ist es möglich,
beispielsweise eine sich ergebende Druckmodulation zu nutzen, um
einen Schließdruck
unabhängig
von dem stationären
Druck im Druckspeicherraum 24 einzustellen. Ist der Druckverstärker 28 aktiv
ergibt sich ein erhöhter
Schließdruck.
Weiterhin ist es auch möglich,
am Ende eines Einspritzvorganges den Druckverstärker 28 nur zu dem
Zwecke der Erhöhung
des Schließdruckes
zu aktivieren.
