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Die
Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine
Verbrennungskraftmaschine mit den im Oberbegriff des Patentanspruches
1 genannten Merkmalen.
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Zur
Versorgung von Brennräumen selbstzündender Verbrennungskraftmaschinen
mit Kraftstoff kommen Kraftstoffeinspritzsysteme zum Einsatz, bei
denen der Kraftstoff aus einem Hochdruckspeicherraum der Einspritzdüse
zugeführt wird. Zur Erzielung hoher spezifischer Leistungen
und zur Reduktion der Emissionen der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen
ist ein hoher Einspritzdruck erforderlich. Dabei ist der Einspritzdruck
abhängig von der jeweiligen Last und Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine.
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Zur
Erhöhung des Einspritzdruckes ist es beispielsweise aus
der
DE 102 49 840
A1 bekannt, eine Druckübersetzungseinheit, bestehend
aus einer Kolbeneinheit mit einem großen und einem kleinen Durchmesser,
zwischen dem Kraftstoff-Hochdruckspeicherraum und der Kraftstoffeinspritzdüse
anzuordnen. Nachteilig hierbei ist, dass der Einspritzdruck zwar
mit erhöhtem Druckniveau, aber nicht regelbar der Kraftstoffeinspritzdüse
zugeführt wird.
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Aus
der
DE 10 2005
007 606 A1 ist ein Kraftstoffeinspritzsystem für
Brennkraftmaschinen bekannt, bei dem der Kraftstoff mit zwei unterschiedlich hohen
Kraftstoffdrücken in den Brennraum eingespritzt werden
kann. Dabei ist an dem Düsenvorraum eine abzweigende Druckminderungsleitung
angeordnet, um somit den Einspritzdruck für eine Voreinspritzung
vorübergehend abzusenken. Nachteilig hierbei ist, dass
der erzeugte hohe Druck verringert werden muss. Das bedeutet in
jedem Fall einen Verlust an aufgebrachter Energie.
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Aus
der
EP 0 711 914 B1 ist
ein druckgesteuertes Kraftstoffeinspritzsystem bekannt, bei dem
mittels einer Hochdruckpumpe Kraftstoff komprimiert und in einem
ersten Druckspeicher mit hohem Druck gespeichert wird. Der komprimierte
Kraftstoff wird weiterhin in einen zweiten Druckspeicher gefördert und
dort durch Regelung mittels eines Wegeventils mit einem gegenüber
dem ersten Druckspeicher niedrigerem Druck gespeichert. Über
eine Ventilsteuereinheit wird dem Düsenraum der Kraft stoffeinspritzdüse
Kraftstoff aus dem Druckspeicher mit niedrigerem oder mit höherem
Druck zugeführt, so dass in dem Brennraum der Brennkraftmaschine Kraftstoff
mit zwei unterschiedlichen Drücken eingespritzt werden
kann. Nachteilig ist, dass auch hier zunächst der gesamte
Kraftstoff erst auf das höhere Druckniveau komprimiert
werden muss, um dann den Druck für den zweiten Druckspeicher
zu entlasten. Durch die andauernde Hochdruckerzeugung und die nachfolgende
Druckentlastung wird der Wirkungsgrad erheblich verschlechtert.
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Aus
der
DE 199 10 970
A1 ist ein Kraftstoffeinspritzsystem bekannt, mit dem Kraftstoff
wählbar mit entweder einem hohen oder einem niedrigeren Druck
in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann.
Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung besteht aus einem Druckspeicherraum
und einer Injektoreinheit mit einer Druckübersetzungseinheit.
Der Druckspeicherraum ist über eine Druckleitung und ein
Steuerventil mit der Druckübersetzungseinheit verbunden.
Die Druckleitung von der Hochdruckkammer der Druckübersetzungsstufe
mündet in den Düsenraum des Einspritzventils.
Eine von dem Druckspeicherraum kommende Bypass-Leitung ist mit der
in den Düsenraum des Einspritzventils mündenden
Hochdruckleitung verbunden. Durch entsprechende Ventilstellung wird
dem Düsenraum Kraftstoff mit geringerem Druck aus dem Druckspeicherraum oder
Kraftstoff mit höherem Druck aus der Hochdruckkammer der
Druckübersetzungsstufe zur Einspritzung in den Brennraum
der Verbrennungskraftmaschine zugeführt. Mit dieser Lösung
kann auch nur eine Einspritzung von Kraftstoff mit zwei unterschiedlichen
Drücken erfolgen. Eine bedarfsgerechte Regelung des Einspritzdruckes
und der Einspritzmenge zur Erzielung hoher spezifischer Leistungen und
zur weiteren Reduktion der Emissionen kann mit diesem System nicht
erreicht werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kraftstoffeinspritzsystem
für eine Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, mit dem
mit geringem technischen Aufwand und bei einem hohen Wirkungsgrad
der Brennkammer der Verbrennungskraftmaschine bedarfsgerecht regelbar
Kraftstoff mit regelbaren Einspritzdrücken und mit unterschiedlicher Einspritzmenge
bedarfsgerecht eingespritzt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Dadurch,
dass bei einem Kraftstoffeinspritzsystem in einer mit dem Hochdruckspeicher über eine
Hochdruckleitung in Verbindung stehenden Zulaufleitung ein über
einen Aktor in seinem Volumenstrom einstellbares Drosselventil angeordnet
ist, wird erreicht, dass in den Brennraum der Brennkraftmaschine
Kraftstoff mit einem Druckniveau entsprechend dem des Hochdruckspeicherraums
oder regelbar mit einem darüber liegenden Druck eingespritzt werden
kann.
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Durch
das mit dem Aktor verbundene und dadurch betätigte Drosselventil
kann der der Druckübersetzungseinheit zugeführte
Kraftstoff-Volumenstrom regelbar eingestellt werden. Entsprechend dem
der Druckübersetzungseinheit zugeführten unterschiedlichen
Volumenstrom wird in dem Hochdruckraum der Druckübersetzungsstufe
ein relevanter höherer Druck erzeugt, mit dem der Kraftstoff
dem Einspritzventil zugeführt wird. Somit ist es möglich, den
Kraftstoff bedarfsgerecht mit einstellbarem Einspritzdruck und der
Einspritzmenge zur Erzielung hoher spezifischer Leistungen und zur
weiteren Reduktion der Emissionen in die Brennkammer einzuspritzen.
Eine Regelung des Einspritzdrucks, abhängig von der jeweiligen
Last und Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine, ist somit gegeben.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung
besteht darin, dass die gesamte Injektorsteuerung über
nur einen Piezo-Aktor erfolgt, mit dem eine schnelle Verstellung
sowie ein Halten der angesteuerten Stellung in jeder beliebigen
Zwischenposition erfolgen kann.
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Weiterhin
ist vorteilhaft, dass eine Druckerhöhung erst bei einem
entsprechenden Druckbedarf der Einspritzung erfolgt.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen
beschrieben, sie werden in der Beschreibung zusammen mit ihren Wirkungen
erläutert.
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Anhand
von Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend an Ausführungsbeispielen
näher beschrieben. In den dazugehörigen Zeichnungen
zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung des Kraftstoffeinspritzsystems bei
einem geschlossenen Einspritzventil,
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2:
eine schematische Darstellung des Kraftstoffeinspritzsystems bei
Einspritzbeginn,
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3:
eine schematische Darstellung des Kraftstoffeinspritzsystems bei
Einspritzung mit erhöhtem Druck,
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4:
eine schematische Darstellung des Kraftstoffeinspritzsystems bei
Einspritzung mit Hochdruck und
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5:
eine schematische Darstellung des Kraftstoffeinspritzsystems nach
dem Beenden der Einspritzung.
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In
der 1 ist schematisch ein Kraftstoffsystem zur Einspritzung
von Kraftstoff in einen nicht dargestellten Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine
bei einem geschlossenen Einspritzventil dargestellt. Das in 1 dargestellt
Kraftstoffeinspritzsystem besteht aus einem Hochdruckspeicherraum 1 und
einem Kraftstoffinjektor mit einer Druckübersetzungseinheit 38 und
einer schematisch angedeuteten Einspritzdüse 37.
Die an sich bekannte Druckübersetzungseinheit 38 besteht
aus einem in einem Zylinderraum axial verschiebbaren ersten Kolben 18,
der fest über eine Kolbenstange mit einem Druckübersetzungskolben 22 verbunden
ist. Zur Realisierung einer entsprechenden Druckerhöhung
ist der Durchmesser des Kolbens 18 gegenüber dem Durchmesser
des Druckübersetzungskolbens 22 größer
ausgeführt.
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Der
Hochdruckspeicherraum 1 ist über eine Hochdruckleitung 21 und
eine weiterführende Einspritzleitung 29 mit dem
Düsenraum 30 der Einspritzdüse 37 verbunden.
Von der Hochdruckleitung 21 zweigt eine Zulaufleitung 13 ab,
in der ein über einen Aktor 2 in seinem Volumenstrom
variabel einstellbares Drosselventil 4 angeordnet ist.
Der Ventilraum 14 des Drosselventils 4 ist über
eine Leitung 16 mit dem Druckübersetzer-Arbeitsraum 17 der
Druckübersetzungseinheit 38 verbunden, wobei die
Leitung 16 in Fortführung der Zulaufleitung 13 zu
sehen ist.
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Der
Aktor 2 ist über eine axial verschiebbare Steuerstange 40 einer
Steuereinrichtung 39 mit einem verschiebbaren Ventilkörper
des Drosselventils 4 verbunden. Innerhalb eines Zylinderraums 5; 10 der
Steuereinrichtung 39 ist an der Steuerstange 40 ein
Steuerkolben 3 angeordnet, der bei Betätigung des
Aktors 2 eine in den Zylinderraum 5 der Steuereinrichtung 39 mündende
Leitung 7 und eine Verbindungsleitung 35 verschließt
oder freigibt.
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Bei
der in 1 dargestellten Position verschließt
der durch den Aktor 2 angesteuerte Steuerkolben 3 der
Steuereinrichtung 39 die in den oberen Zylinderraum 5 mündende
Leitung 7 und die einmündende Verbindungsleitung 35,
wobei durch die in dem unteren Zylinderraum 10 angeordnete
Rückstellfeder 9 die Verschiebung des Steuerkolbens 3 in Richtung
Aktor 2 unterstützt wird. Somit kann über die
Verbindungsleitung 35 aus einem Rückraum 19 der
Druckübersetzungseinheit 38 und aus einem Einspritzdüsensteuerraum 32 des
Einspritzventils kein Kraftstoff über die Leitung 7 in
eine Rücklaufleitung 6 gelangen. Gleichzeitig
wird durch den Ventilkörper des Drosselventils 4 die
Zulaufleitung 13 abdichtend verschlossen, so dass kein
Kraftstoff über die Zulaufleitung 13 in den Ventilraum 14 und
somit in den Druckübersetzer-Arbeitsraum 17 der
Druckübersetzungseinheit 38 gelangen kann. Um
eine sichere Abdichtung der Zulaufleitung 13 zu gewährleisten,
ist in dem Ventilraum 14 eine Rückstellfeder 36 angeordnet. Über
eine zwischen dem Ventilraum 14 und dem Zylinderraum 10 der
Steuereinrichtung 39 angeordnete Verbindungsleitung 11 und
einer vom Zylinderraum 10 in die Rücklaufleitung 6 mündende
Leitung 8 erfolgt eine Druckentlastung des Ventilraums 14 und über
die Leitung 16 des Druckübersetzer-Arbeitsraums 17.
In einem Rückraum 19 der Druckübersetzungseinheit 38,
dem Hochdruckraum 25 und dem über eine Drosselstelle 31 mit
dem Einspritzdüsensteuerraum 32 verbundenen Hochruckraum 25 herrscht
somit der gleiche Druck wie in dem Hochdruckspeicherraum 1.
Durch den in diesen Arbeitsräumen anliegenden gleichen
Druck wird die Einspritznadel 34 durch ein in dem Einspritzdüsensteuerraum 32 angeordnetes
Federelement 33 in Richtung der nicht dargestellten Ventilaustrittsöffnungen gepresst,
wodurch diese verschlossen werden.
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Der
Einspritzvorgang von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine
wird durch den Aktor 2, der zur Realisierung von schnellen
Schaltvorgängen und zum Halten der Schaltglieder in einer beliebigen
Schaltposition ein Piezo-Aktor ist, eingeleitet. In der 2 ist
dieser Vorgang dargestellt. Durch den Aktor 2 wird der
Steuerkolben 3 der Steuereinrichtung 39 sowie
der Ventilkörper des Drosselventils 4 in der in 2 am
Steuerkolben 3 eingezeichneten Pfeilrichtung verschoben.
Der Ventilkörper des Drosselventils 4 wird aber
nur soweit verschoben, dass er noch die Zulaufleitung 13 dichtend gegenüber
dem Ventilraum 14 verschließt. Durch die Verschiebung
des Ventilkörpers des Drosselventils 4 wird der
in dem Ventilraum 14 befindliche Kraftstoff verdrängt.
Der verdrängte Kraftstoff fließt über
ein am Ventilraum 14 angeordnetes Einmündungsteil 12 und der
daran anschließenden Verbindungsleitung 11 in den
unterhalb des Steuerkolbens 3 liegenden Zylinderraum 10 und
von dort über die in den Zylinderraum 10 einmündende
Leitung 8 sowie der daran anschließenden Rücklaufleitung 6 ab.
Dadurch ist der Ventilraum 14 und durch die Leitung 16 der
Druckübersetzer-Arbeitsraum 17 sowie der Zylinderraum 10 weiter
druckentlastet. Die Rücklaufleitung 6 mündet in
einen nicht dargestellten Tank des Fahrzeuges.
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Der
Steuerkolben 3 der Steuereinrichtung 39 wurde
aber soweit verschoben, dass er die Einmündungen der in
einer Ebene in den Zylinderraum 5 einmündenden
Verbindungsleitung 35 und Leitung 7 freigibt.
Durch die mit der Rücklaufleitung 6 verbundene
Leitung 7 erfolgt, gemäß der in der 2 gezeigten
Stellung, einerseits eine Druckentlastung des Rückraums 19 der
Druckübersetzungseinheit 38 über eine
Teilleitung 23, die mit der Verbindungsleitung 35 verbunden
ist und andererseits des Einspritzdüsensteuerraums 32,
der über eine Teilleitung 26 mit der Verbindungsleitung 35 verbunden
ist.
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Über
die von dem Hochdruckspeicherraum 1 führende Hochdruckleitung 21 liegt über
eine Kraftstoffleitung 28 in dem Hochdruckraum 25 der
Druckübersetzungseinheit 38 und über
die Einspritzleitung 29 im Düsenraum 30 des
Einspritzventils der in dem Hochdruckspeicherraum 1 herrschende
Druck an. (Raildruck) Der im Düsenraum 30 herrschende
Druck verschiebt die Einspritznadel 34 entgegen der Kraft des
Federelements 33 in den druckentlasteten Einspritzdüsensteuerraum 32 entsprechend
der in 2 angedeuteten Pfeilrichtung. Dadurch werden die Ventilöffnungen
der Einspritzdüse 37 freigegeben und der im Düsenraum 30 befindliche
Kraftstoff wird mit dem im Hochdruckspeicherraum 1 herrschenden Druck
in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine eingespritzt.
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Um
den Kraftstoff mit einem gegenüber dem im Hochdruckspeicherraum 1 erhöhten
Druck in den Brennraum einzuspritzen, wird durch Betätigung
des Aktors 2, wie in 3 dargestellt,
der Steuerkolben 3 der Steuereinrichtung 39 und
der Ventilkörper des Drosselventils 4 in Pfeilrichtung
weiter verschoben. Dabei wird durch das Drosselventil 4 ein
Teilquerschnitt zwischen der Zulaufleitung 13 und dem Ventilraum 14 freigegeben.
Gleichzeitig dringt ein am Ventilkörper des Drosselventils 4 angeordneter
Kolben 15 in ein am Ventilraum 14 angeordnetes
Einmündungsteil 12 ein und verschließt
somit die Verbindungsleitung 11. Durch den Druck des über
die Zulaufleitung 13 und über das Drosselventil 4 und
die Leitung 16 in den Druckübersetzer-Arbeitsraum 17 zugeführten
Kraftstoffes wird der Kolben 18 entgegen der Wirkung einer
Rückstellfeder 20 in Pfeilrichtung verschoben.
Dabei wird der im Rückraum 19 befindliche Kraftstoff
durch den Kolben 18 verdrängt. Über die
Teilleitung 23 gelangt der verdrängte Kraftstoff
in die Verbindungsleitung 35. Von dort gelangt ein Teil des
Kraftstoffes über die Teilleitung 24 zum Volumenausgleich
in den Zylinderraum 41, während der andere Teil
des Kraftstoffes über die Steuereinrichtung 39 und
der Leitung 8 der Rücklaufleitung 6 zugeführt wird.
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Durch
die Verschiebung des Kolbens 18 wird auch der über
die Kolbenstange mit dem Kolben 18 verbundene Druckübersetzungskolben 22 verschoben,
wobei durch die unterschiedlichen Kolbendurchmesser der in dem Hochdruckraum 25 befindliche Kraftstoff
komprimiert wird. Dieser mit einem gegenüber dem Hochdruckspeicherraum 1 höheren
Druck komprimierte Kraftstoff gelangt von dem Hochdruckraum 25 über
die in die Hochdruckleitung 21 einmündende Kraftstoffleitung 28 und
die Einspritzleitung 29 in den Düsenraum 30 und
wird dort über die Einspritzdüse 37 in
den Brennraum eingespritzt.
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Zwischen
der Einmündung der Zulaufleitung 13 und der Kraftstoffleitung 28 in
die Hochdruckleitung 21 ist in der Hochdruckleitung 21 ein
Rückschlagventil 27 angeordnet. Durch dieses Rückschlagventil 27 wird
verhindert, dass der höher komprimierte Kraftstoff in den
Hochdruckspeicherraum 1 zurückfließen
kann.
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In 4 ist
die Einspritzung des Kraftstoffes mit einem nochmals gegenüber
der 3 erhöhten Druck dargestellt. Gegenüber
der 3 wird durch den Aktor 2 der Steuerkolben 3 der
Steuereinrichtung 39 und der Ventilkörper des
Drosselventils 4 in Pfeilrichtung weiter verschoben, so
dass das Drosselventil 4 die Verbindung zwischen der Zulaufleitung 13 und
der Leitung 16 vollständig freigibt. Durch den
in den Druckübersetzer-Arbeitsraum 17 gelangenden, nicht
gedrosselten Kraftstoffstrom wird der Kolben 18 und somit
der Druckübersetzungskolben 22 weiter in Pfeilrichtung
verschoben. Die Einspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum erfolgt
analog den Ausführungen zu 3, aber
mit einem höheren Druck.
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Durch
den Piezo-Aktor 2 ist auch jede beliebige Zwischenstellung
des Öffnungsgrades des Drosselventils 4 einstellbar,
so dass der Einspritzdruck und die Einspritzmenge durch entsprechendes schnelles
Schließen und Öffnen oder positionsgenaues Ansteuern
des regelbaren Drosselventils 4 einstellbar sind. Dadurch
ist es möglich, der Brennkammer der Verbrennungskraftmaschine
bedarfsgerecht regelbar Kraftstoff mit unterschiedlichen Drücken
und mit unterschiedlicher Einspritzmenge einzuspritzen. Das hat
zur Folge, dass die spezifische Leistung der Verbrennungskraftmaschine
verbessert und der Ausstoß von Emissionen reduziert wird.
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In
der 5 ist der Einspritzvorgang beendet und die Einspritzdüse 37 wieder
geschlossen. Dazu wird der Aktor 2 entlastet und unterstützt
durch die Federkraft der Rückstellfeder 9 wird
der Steuerkolben 3 und der Ventilkörper des Drosselventils 4 in
der in 5 dargestellten Pfeilrichtung verschoben. Der Ventilkörper
des Drosselventils 4 verschließt die Zulaufleitung 13 und
gibt gleichzeitig die oben ausführlich beschriebene Verbindung
zwischen dem Ventilraum 14 und der Rücklaufleitung 6 frei.
Der in dem Ventilraum 14 und dem Druckübersetzer-Arbeitsraum 17 befindliche
komprimierte Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicherraum 1 kann
somit durch die Rückbewegung des Kolbens 18, die
durch die Rückstellfeder 20 unterstützt
wird, über die Rücklaufleitung 6 ablaufen,
wodurch die Räume wieder druckentlastet werden. Durch die
Rückbewegung der Kolbeneinheit 18 und 22 der
Druckübersetzungseinheit 38 wird auch der in dem
Zylinderraum 41 befindliche Kraftstoff über die
in die Verbindungsleitung 35 mündende Teilleitung 24 der
Rücklaufleitung 6 zugeführt. Mit Beendigung
des Schließvorganges wird durch den Steuerkolben 3 die
in den Zylinderraum 5 mündende Leitung 7 und
die Verbindungsleitung 35 verschlossen. Das Kraftstoffeinspritzsystem
hat wieder die in 1 dargestellte Ausgangsstellung
erreicht.
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- 1
- Hochdruckspeicherraum
- 2
- Aktor
- 3
- Steuerkolben
- 4
- Drosselventil
- 5
- Zylinderraum
- 6
- Rücklaufleitung
- 7
- Leitung
- 8
- Leitung
- 9
- Rückstellfeder
- 10
- Zylinderraum
- 11
- Verbindungsleitung
- 12
- Einmündungsteil
- 13
- Zulaufleitung
- 14
- Ventilraum
- 15
- Kolben
- 16
- Leitung
- 17
- Druckübersetzer-Arbeitsraum
- 18
- Kolben
- 19
- Rückraum
- 20
- Rückstellfeder
- 21
- Hochdruckleitung
- 22
- Druckübersetzungskolben
- 23
- Teilleitung
- 24
- Teilleitung
- 25
- Hochdruckraum
- 26
- Teilleitung
- 27
- Rückschlagventil
- 28
- Kraftstoffleitung
- 29
- Einspritzleitung
- 30
- Düsenraum
- 31
- Drosselstelle
- 32
- Einspritzdüsensteuerraum
- 33
- Federelement
- 34
- Einspritznadel
- 35
- Verbindungsleitung
- 36
- Rückstellfeder
- 37
- Einspritzdüse
- 38
- Druckübersetzungseinheit
- 39
- Steuereinrichtung
- 40
- Steuerstange
- 41
- Zylinderraum
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10249840
A1 [0003]
- - DE 102005007606 A1 [0004]
- - EP 0711914 B1 [0005]
- - DE 19910970 A1 [0006]