DE102022211470A1

DE102022211470A1 - Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102022211470A1
Application number: DE102022211470.1A
Authority: DE
Inventors: Achim Koehler; Christian Langenbach; Francesco Lucarelli
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-10-28
Filing date: 2022-10-28
Publication date: 2024-05-08

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung (10) für eine Brennkraftmaschine mit einem Niederdruckbereich und einem Hochdruckbereich, mit einer Vorförderpumpe (12) im Niederdruckbereich, die Kraftstoff aus einem Kraftstofftank (14) zu einer Hochdruckförderpumpe (32) fördert, mit mindestens einem im Niederdruckbereich angeordneten Injektor (30), über den über eine Zuleitung (18) nach der Vorförderpumpe (12) Kraftstoff in den Abgasbereich der Brennkraftmaschine einspritzbar ist, wobei der im Niederdruckbereich stromabwärts der Vorförderpumpe (12) herrschende Druck während der Einspritzung durch den Injektor (30) durch ein zwischen der Vorförderpumpe (12) und der Hochdruckförderpumpe (32) angeordnetes Schaltventil (24) mit schaltbarer Drossel (28) erhöht wird. Die schaltbare Drossel (28) ist im Schaltventil (24) als ein im Gehäuse (44, 102) axial bewegliches Ventilelement (40) ausgeführt, welches mit einem Federelement (48) beaufschlagt ist. Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der Kraftstoffeinspritzeinrichtung (10) zum Einspritzen von Kraftstoff in ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine zur Regeneration eines Dieselpartikelfilters.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine mit einem Niederdruckbereich und einem Hochdruckbereich, mit einer Vorförderpumpe im Niederdruckbereich, die Kraftstoff aus einem Kraftstofftank zu einer Hochdruckförderpumpe fördert, mit mindestens einem im Niederdruckbereich angeordneten Injektor, über welchen über einen Abzweig nach der Vorförderpumpe Kraftstoff in den Abgasbereich der Brennkraftmaschine einspritzbar ist, wobei der im Niederdruckbereich stromabwärts der Vorförderpumpe herrschende Druck während der Einspritzung durch den Injektor durch ein zwischen der Vorförderpumpe und der Hochdruckförderpumpe angeordnetes Schaltventil mit schaltbarer Drossel erhöht wird. Die schaltbare Drossel im Schaltventil ist als eine im Gehäuse axial bewegliches Ventilelement ausgeführt, welches mit einem Federelement beaufschlagt ist. Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der Kraftstoffeinspritzeinrichtung zur Einspritzung von Kraftstoff in ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine zur Regeneration eines Dieselpartikelfilters.
Stand der Technik
Bei Kraftstoffeinspritzsystemen, beispielsweise bei Common-Rail-Einspritzsystemen werden teilweise HCI-Systeme (Hydro Carbon Injection) zur Regeneration von im Abgassystem eingebauten Dieselpartikelfiltern eingesetzt. Der erforderliche Druck für das HCI-System wird heute teilweise noch über eine separate, elektrisch betriebene Kraftstoffpumpe erzeugt. Aus Kostengründen ist das HCI-System jedoch idealerweise von einer Niederdruckförderpumpe des Kraftstoffeinspritzsystems mit zu versorgen. Hierbei handelt es sich in der Regel um eine elektrisch betriebene Kraftstoffpumpe (EKP). Alternativ wäre eine Versorgung auch mit einer mechanisch gekoppelten Förderpumpe denkbar. Dies stellt sich insbesondere bei Varianten mit zusätzlicher druckseitiger Kraftstofffiltrierung einfach dar.
Häufig werden Werte von ca. 5 bar hinsichtlich des erforderlichen Drucks erzeugt. Höhere Druckwerte haben aufgrund der feineren Zerstäubung jedoch Vorteile. Es ist gegenüber typischen Auslegungen von Niederdrucksystemen ohne HCI-Einspritzung, die Drücke von 3 bis 4 bar aufweisen, eine Druckanhebung um mindestens 1,5 bar erforderlich.
Aufgrund der erforderlichen Antriebsleistung ist es nicht zielführend, eine Förderpumpe dauerhaft auf einem erhöhten Druckniveau zu betreiben, wie man es durch eine einfache Lösung mittels eines eingestellten Druckregelventils erreichen könnte. Abgesehen von den dauerhaft hohen mechanischen Belastungen der eingesetzten Komponenten würde unnötig CO₂ erzeugt werden.
DE 10 2009 047 488 A1 bezieht sich auf eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung für eine Brennkraftmaschine. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung umfasst einen Niederdruckbereich und einen Hochdruckbereich. Im Niederdruckbereich ist eine Förderpumpe vorgesehen, durch die Kraftstoff aus einem Kraftstoffvorratsbehälter zu wenigstens einer Hochdruckförderpumpe gefördert wird. Durch die wenigstens eine Hochdruckförderpumpe wird Kraftstoff unter Hochdruck in den Hochdruckbereich gefördert, wobei im Niederdruckbereich wenigstens ein Kraftstoffinjektor vorgesehen ist, der eine Verbindung mit dem Niederdruckbereich stromabwärts der Förderpumpe aufweist und durch den Kraftstoff in den Abgasbereich der Brennkraftmaschine einspritzbar ist, wobei der im Niederdruckbereich stromabwärts der Förderpumpe herrschende Druck während der Einspritzung durch den Kraftstoffinjektor erhöht wird. Zwischen der Förderpumpe und der Hochdruckförderpumpe ist eine verstellbare Drosseleinrichtung angeordnet, wobei die Verbindung des Kraftstoffinjektors mit dem Niederdruckbereich zwischen der Förderpumpe und der Drossel liegt.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung für eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen, mit einem Niederdruckbereich und einem Hochdruckbereich und mit einer Vorförderpumpe im Niederdruckbereich, die Kraftstoff aus einem Kraftstofftank zu einer Hochdruckförderpumpe fördert, mit mindestens einem im Niederdruckbereich angeordneten Injektor, über den mittels eines Abzweigs nach der Vorförderpumpe Kraftstoff in den Abgasbereich der Brennkraftmaschine einspritzbar ist, wobei der im Niederdruckbereich stromabwärts der Vorförderpumpe herrschende Druck während der Einspritzung durch den Injektor durch ein zwischen der Vorförderpumpe und der Hochdruckförderpumpe angeordnetes Schaltventil mit schaltbarer Drossel erhöht wird. Die schaltbare Drossel ist im Schaltventil als ein im Gehäuse axial bewegliches Ventilelement ausgeführt, das mit einem Federelement beaufschlagt ist.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass eine dauerhaft auf die Komponenten einwirkende mechanische Belastung in Gestalt eines Druckniveaus signifikant herabgesetzt wird, wobei der Druck nur dann erhöht wird, wenn die Einspritzung von Kraftstoff zur Regeneration des Dieselpartikelfilters in das Abgassystem der Verbrennungskraftmaschine vorgenommen wird. Dadurch kann ein größtenteils niedriges Druckniveau erreicht werden, was sich außerordentlich günstig auf Verschleißerscheinungen und Verlustleistungen der Komponenten auswirkt.
In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ist das axial bewegliche Ventilelement als beweglicher Kolben, insbesondere als Doppelkolben ausgebildet. Eine derartige Ausführung des axial beweglichen Ventilelements ist in fertigungstechnischer Hinsicht besonders einfach und kostengünstig herstellbar.
In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist der Doppelkolben mit einem ersten Kolbenkopf und einem zweiten, diesem gegenüberliegenden Kolbenkopf versehen, wobei die beiden Kolbenköpfe über eine Einschnürung miteinander verbunden sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist der Doppelkolben durch eine in einem Federraum des Gehäuses gelagerte Feder in eine einer Ruhelage des Schaltventils entsprechende, erste Schaltstellung gestellt. Dadurch kann erreicht werden, dass in der Ruhelage des Schaltventils bei Normalbetrieb der Druck auf einem die Lebensdauer der Komponenten der Kraftstoffeinspritzeinrichtung begünstigenden Niveau gehalten wird.
In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist im Gehäuse des Schaltventils ein Einstich ausgeführt, in den eine Zulaufbohrung mündet, derart, dass der erste Kolbenkopf des Doppelkolbens, im Gehäuse vom Fluid umgeben, reibungsarm und verkantungsfrei geführt ist. Durch diese Ausgestaltung wird erreicht, dass geringe Schaltkräfte zur Bewegung des axial bewegbaren Ventilelements in Gestalt eines Doppelkolbens aufgebracht werden müssen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffeinspritzeinrichtung weist das Schaltventil an der schaltbaren Drossel eine stationäre Drosselstelle auf, die als

- achsparallel zum beweglichen Ventilelement verlaufende Stufenbohrung oder
- schräg im Gehäuse verlaufende Stufenbohrung oder
- Bohrung in einer in das Gehäuse eingelassenen Lauffläche oder
- in einen der Kolbenköpfe eingelassene Stufenbohrung ausgeführt ist.

Mithin kann die erfindungsgemäß vorgeschlagene Kraftstoffeinspritzeinrichtung so gestaltet werden, dass diese den unterschiedlichsten Anforderungen genügen kann.
In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffeinspritzeinrichtung weist die Stufenbohrung einen in einem ersten Durchmesser ausgeführten Abschnitt und einen in einem zweiten Durchmesser ausgeführten Abschnitt auf, wobei der zweite Durchmesser den ersten Durchmesser übersteigt. Durch die Stufung der Durchmesser kann in der Stufenbohrung besagte Drosselstelle fertigungstechnisch auf äußerst einfache Weise dargestellt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffeinspritzeinrichtung sind die Kolbenaxialflächen des Doppelkolbens über eine von der Zulaufbohrung abzweigende erste Schrägbohrung und über eine von der Stufenbohrung abzweigende, zweite Schrägbohrung oder unmittelbar über die in den Federraum mündende, schräg verlaufende Stufenbohrung beaufschlagt. Dadurch kann ein stabiles hydraulisches System mit schnellen Ansprechzeiten erreicht werden, wobei die entsprechenden hydraulischen Räume stets gefüllt sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffeinspritzeinrichtung verläuft im Gehäuse eine den ersten Kolbenkopf des Doppelkolbens fluidbeaufschlagende Längsnut oder im Gehäuse ist eine solche ausgebildet, die eine Teillänge aufweist, so dass diese eine in das Gehäuse eingelassene Lauffläche übergreift. Anstelle der zuerst genannten Ausführungsvarianten von Stufenbohrungen zur Beaufschlagung der Kolbenaxialflächen besteht auch die Möglichkeit, im Gehäuse Längsnuten einzufräsen oder auf andere spanabhebende Weise vorzusehen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist in das aus einem Kunststoffmaterial gefertigte Gehäuse des Schaltventils eine tiefgezogene Hülse eingelassen, deren dem in axialer Richtung beweglichen Ventilelement zugewandte Innenseite mit einer Beschichtung zur Verbesserung der Leichtgängigkeit versehen ist. Durch die Ausgestaltung des Gehäuses aus Kunststoffmaterial lässt sich Gewicht einsparen, wohingegen die Laufflächen für das in axialer Richtung bewegliche Ventilelement in Gestalt des Doppelkolbens aus einem metallischen Material fertigt sind, was die Funktionalität begünstigt.
Weiterhin münden in vorteilhafter Weise, bezogen auf die der Ruhelage entsprechende erste Schaltstellung des beweglichen Ventilelements, die Zulaufbohrung und eine Ablaufbohrung innerhalb eines Ventilraums des Gehäuses. Durch diese Ausgestaltung von Zulauf- und Ablaufbohrung kann eine sehr kompakte Bauweise des Gehäuses des Schaltventils erreicht werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffeinspritzeinrichtung sind die Kolbenaxialflächen der ersten und zweiten Kolbenköpfe des Doppelkolbens durch eine erste Bohrung im ersten Kolbenkopf und eine Stufenbohrung im zweiten Kolbenkopf, ausgehend vom Ventilraum fluidbeaufschlagt, wobei in den Ventilraum die Zulaufbohrung mündet.
Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Betrieb einer Vorförderpumpe einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung, wobei die Vorförderpumpe eine elektrisch betriebene Pumpe (EKP) ist, die mit konstanter Leistung läuft. Alternativ zu diesem Betriebsverfahren zum Betrieb der Vorförderpumpe kann diese ebenfalls als eine elektrisch betriebene Pumpe mit variabler Drehzahl ausgestaltet sein, wobei die Vorförderpumpe bei dieser Betriebsvariante, je nach Arbeitspunkt der Hochdruckförderpumpe gesteuert, eine drehzahlabhängige Menge arbeitspunktabhängig liefert.
Des Weiteren kann ein Betriebsverfahren zum Betrieb der Vorförderpumpe derart ausgestaltet sein, dass die Vorförderpumpe ebenfalls als eine elektrisch betriebene Pumpe ausgeführt ist, die druckgeregelt mit variabler Drehzahl derart betrieben wird, dass sich an einer der Vorförderpumpe nachgeordneten Hochdruckförderpumpe ein konstanter Druck oder ein Druck gemäß einer definierten Kennlinie einstellt.
Schließlich bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der Kraftstoffeinspritzeinrichtung zur Einspritzung von Kraftstoff in ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine zur Regeneration eines Dieselpartikelfilters.
Vorteile der Erfindung
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffeinspritzeinrichtung kann in einem Abgasnachbehandlungssystem eine Hydrocarboninjektion (HCI) verwirklicht werden, wobei der einzuspritzende Kraftstoff, etwa im Rahmen der Regeneration eines Dieselpartikelfilters, im Moment der Einspritzung einen ausreichend hohen Druck aufweist. Je höher der Druck des einzuspritzenden Mediums, desto besser ist dessen Zerstäubung, was die Verteilung des Kraftstoffs bei der Regeneration eines Dieselpartikelfilters erheblich begünstigt. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung lässt sich in vorteilhafter Weise das bereits im Kraftstoffeinspritzsystem befindliche Niederdrucksystem ohne Einsatz zusätzlicher Pumpen nutzen. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ist im Normalbetrieb, welcher der Ruhelage des ersten Schaltventils in einer ersten Schaltposition entspricht, ein normaler Betrieb des Niederdruckteils des Einspritzsystems gewährleistet und lediglich im Rahmen der Regenerationsphasen des Dieselpartikelfilters wird kurzzeitig für die Einspritzphasen des Injektors für Kraftstoff in das Abgasnachbehandlungssystem der Druck entsprechend gesteigert. Dadurch unterliegen die Komponenten des Niederdrucksystems, insbesondere die Vorförderpumpe in die Lebensdauer begünstigendem Maße einer normalen mechanischen Belastung. Des Weiteren kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung Antriebsenergie eingespart werden.
Durch die Erfindung besteht die Möglichkeit, den Betriebsdruck der Vorförderpumpe zeitlich begrenzt anzuheben, so dass für die Dauer des Regenerationsbetriebs im Injektor ein erhöhter Druck herrscht, unter welchem der Kraftstoff besser zerstäubt und im Rahmen der Regeneration des Dieselpartikelfilters wirkungsvoller in diesen eingebracht werden kann. In der Ruhelage der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffeinspritzeinrichtung wird in dieser das Druckniveau möglichst niedrig gehalten, was für die Lebensdauer der beteiligten Komponenten sowie für die Leistungsaufnahme der Vorförderpumpe von enormem Vorteil ist.
Das größtenteils niedrig gehaltene Druckniveau im Niederdruckbereich wirkt sich günstig auf Verschleiß und Verlustleistung der eingesetzten Komponenten und damit auch günstig auf den Kraftstoffverbrauch beziehungsweise die sich daraus ergebenden CO₂-Emissionen aus.
Andererseits wirkt sich ein nur temporär erzeugtes hohes Druckniveau günstig auf die Qualität der Abgasnachbehandlung aus und ist durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung einfach und kostengünstig realisierbar, ohne dass zusätzliche Komponenten einzusetzen wären. Insbesondere bei wenig gegendruckabhängigen Pumpenkonzepten hat die Druckerhöhung im Rahmen der Partikelregeneration nur einen geringen Einfluss auf die Fördermenge. Es können im Wesentlichen einfache Komponenten im Niederdruckbereich der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffeinspritzeinrichtung eingesetzt werden, was zu einer robusten Funktion und damit geringen Mehrkosten führt. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann die Höhe des Druckanstiegs einfach über die Detailkonstruktion ausgelegt werden, zum einen durch die Federkraft, zum anderen durch die Wahl geeigneter Drosseln.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung kann das Schaltventil wahlweise als getrenntes Bauteil an beliebiger Stelle zwischen der Vorförderpumpe und der Hochdruckförderpumpe verbaut werden oder noch im Bereich des Tanks beziehungsweise der Tankeinbaueinheit platziert werden oder als Bestandteil eines Hochdruckförderpumpengehäuses ausgeführt sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffeinspritzeinrichtung,
2.1 einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Schaltventils mit einem axial beweglichen Ventilelement in Gestalt eines Doppelkolbens in einer seiner Ruhelage entsprechenden ersten Schaltposition,
2.2 das in 2.1 in seiner ersten Schaltposition befindliche, axial bewegliche Ventilelement in seiner zweiten Schaltposition,
3 ein erstes Ausführungsbeispiel des Schaltventils der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzeinrichtung,
4 ein zweites Ausführungsbeispiel des Schaltventils der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffeinspritzeinrichtung,
5 eine dritte Ausführungsvariante des Schaltventils der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzeinrichtung, gelagert in einer tiefgezogenen Stahlhülse in einem aus Kunststoff gefertigten Gehäuse,
6 eine weitere, vierte Ausführungsvariante des Schaltventils mit einer in ein ebenfalls aus Kunststoffmaterial gefertigtes Gehäuse eingelassenen Lauffläche und darin beweglich aufgenommenem Doppelkolben,
7.1 und 7.2 das erfindungsgemäß vorgeschlagene Schaltventil für den Fall, dass dieses in umgekehrter Strömungsrichtung vom Fluid durchströmt wird und
8 eine weitere, fünfte Ausführungsvariante des Schaltventils mit in den beiden Kolbenköpfen integrierten Bohrungen zur hydraulischen Anbindung.

Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
1 zeigt ein Prinzipschaubild einer erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10. Diese umfasst eine Vorförderpumpe 12, die im Niederdruckbereich der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 liegt. Der Niederdruckbereich erstreckt sich bis zur Hochdruckförderpumpe 32.
Die Vorförderpumpe 12 fördert Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 14 über eine sich zu diesem erstreckende Zuleitung 16. Der durch die Vorförderpumpe 12 auf ein Druckniveau zwischen 3 und 4 bar vorverdichtete Kraftstoff wird über die Zuleitung 16 zu einem ersten Schaltventil 24 geleitet. Vor dem Schaltventil 24 befindet sich eine Zuleitung 18 zu einem hier schematisch dargestellten Injektor 30. Über den Injektor 30 wird im Rahmen einer HCI-Einspritzung Kraftstoff in das Abgasnachbehandlungssystem einer Brennkraftmaschine eingeleitet, was zum Beispiel dann erforderlich ist, wenn der in diesem verbaute Dieselpartikelfilter einer Regeneration zu unterziehen ist.
In der Zuleitung 18 zum Injektor ist eine stationäre Drosselstelle 20 aufgenommen, hinter der sich ein Rücklauf 22 befindet, der zum Schaltventil 24 zurückverläuft. In der Darstellung gemäß 1 ist das Schaltventil 24 in einer seiner Ruhelage entsprechenden ersten Schaltposition 26 dargestellt. In dieser ersten Schaltposition 26 gemäß 1 wird durch die Vorförderpumpe 12 vorverdichteter Kraftstoff mit einem Druckniveau zwischen 3 und 4 bar zur Hochdruckförderpumpe 32 geleitet, durch welche der Kraftstoff nochmals verdichtet wird.
Im Schaltventil 24, welches Teil der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 gemäß 1 ist, befindet sich eine schaltbare Drossel 28. Über die schaltbare Drossel 28 kann der Druck in der Zuleitung 18 zum Injektor 30 für die Einspritzphasen, während derer Kraftstoff in das Abgasnachbehandlungssystem eingespritzt wird, kurzzeitig erhöht werden, wohingegen in der der Ruhelage entsprechenden Schaltposition 26 der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 im Normalbetrieb ein niedrigeres Druckniveau herrscht, wodurch die mechanische Belastung der im Niederdruckbereich der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 verbauten Komponenten herabgesetzt wird, was die Lebensdauer günstig beeinflusst.
Wird bei Regeneration des Dieselpartikelfilters der Injektor 30 geöffnet, ergibt sich ein zusätzlicher Volumenstrom vom Schaltventil 24 zum Injektor 30 durch die Zuleitung 18. Dabei fällt an der stationären Drosselstelle 20 Druck ab, der an den Steuerflächen des Schaltventils 24 zu einer Änderung der Druckverhältnisse führt. Damit wird ein Ventilelement in eine andere Schaltstellung bewegt, nämlich die zweite Schaltstellung 50, wodurch ein Hauptstrom von der Vorförderpumpe 12 zur Hochdruckförderpumpe 32 aufgestaut wird. Dies erfolgt durch die schaltbare Drossel 28 derart, dass sich der Druck, der am Injektor 30 zur Verfügung steht, erhöht. Auslegungsgemäß wird jedoch der Hauptstrom, der zur Hochdruckförderpumpe 32 gefördert wird, volumetrisch nur wenig bis gar nicht beeinflusst. In jedem Fall ist die minimale Rücklaufmenge der Hochdruckpumpe 32 sichergestellt, womit auch der Druck an der Hochdruckförderpumpe 32 nahezu unverändert bleibt. Dadurch sind Kühlung und Schmierung der Hochdruckförderpumpe 32 gewährleistet.
Sobald der Regenerationsprozess des Dieselpartikelfilters abgeschlossen ist und die Einspritzung durch den Injektor 30 beendet ist, wird der Durchfluss über die stationäre Drosselstelle 20 gleich null, so dass der Druck in einem Federraum steigt und den gleichen Wert annimmt wie vor der Einspritzung. Ein bewegliches Ventilelement 40 wird von einer Feder 48 wieder in seine Ausgangsstellung, nämlich die erste Schaltposition 26 zurückgestellt.
Den Darstellungen gemäß den 2.1 und 2.2 ist zu entnehmen, dass das Schaltventil 24 als axial bewegbares Ventilelement 40 einen beweglichen Kolben 42 in Gestalt eines Doppelkolbens 43 aufweist. Der Doppelkolben 43 umfasst einen ersten Kolbenkopf 77 sowie einen zweiten Kolbenkopf 78, die miteinander über eine Einschnürung 46 verbunden sind. Das Schaltventil 24 gemäß der Darstellung in 2.1 befindet sich in der ersten Schaltposition 26, demnach in seiner Ruhelage. Über eine Zulaufbohrung 54 durch das Gehäuse 44 strömt einem Ventilraum 76 des Schaltventils 24 ein erster Zulaufvolumenstrom 68 zu. Aus dem Ventilraum 76 strömt über eine Ablaufbohrung 56 ein erster Ablaufvolumenstrom 70 ab. Die beiden Volumenströme 68, 70 entsprechen einander, so dass die in 2.1 dargestellte erste Schaltposition 26 dem in 1 gemäß dem Prinzipschaubild dargestellten Zustand der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 entspricht.
Wie aus der Darstellung gemäß 2.1 des Weiteren hervorgeht, befindet sich innerhalb des Gehäuses 44 ein umlaufender Einstich 52, der in einer Breite 66 ausgebildet ist. In diesen mündet die Zulaufbohrung 54. Durch den Einstich 52, in dem gemäß der Darstellung in 2.2 der erste Kolbenkopf 77 des Doppelkolbens 43 eingefahren ist, stellt sicher, dass der Doppelkolben 43 reibungsarm und verkantungsfrei im Gehäuse 44 geführt ist.
Der als axial bewegliches Ventilelement 40 dienende Doppelkolben 43 ist durch ein Federelement 48 beaufschlagt, welches in einem Federraum 80 angeordnet ist. Der Federraum 80 ist durch einen in den 2.1 und 2.2 nicht dargestellten Stopfen 94 beziehungsweise durch einen Anschlussstutzen 100 verschlossen. Mittels des Stopfens 94 kann eine zweite Anschlagposition 64 des Doppelkolbens 43 eingestellt werden. Während in 2.1 der Doppelkolben 43 die erste Schaltposition 26 einnimmt, die einer Ruhelage des Doppelkolbens 43 entspricht, ist in der 2.2 die zweite Schaltposition 50 wiedergegeben. Diese wird erreicht, sobald über den Injektor 30, wie in 1 dargestellt, Kraftstoff in den Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine eingespritzt wird, insbesondere dann, wenn der Dieselpartikelfilter regeneriert wird. Durch den zusätzlichen Volumenstrom im Injektor 30 durch die Zuleitung 18 stellt sich an den Steuerflächen des Doppelkolbens 43 eine Änderung der Druckverhältnisse ein Damit wird das axial bewegliche Ventilelement 40, d. h. der Doppelkolben 43, in die zweite Schaltposition 50 bewegt, wodurch der Hauptstrom (vgl. den zweiten Zulaufstrom 72 bei erhöhtem Druckniveau 74) aufgestaut wird. Damit ändert sich der Druck, der an der Zuleitung 18 beziehungsweise am Injektor 30 zur Verfügung steht. Auslegungsgemäß wird der Hauptstrom, der weiter über das Schaltventil 24 strömt, nahezu unverändert gehalten. Sobald der Regenerationsprozess abgeschlossen ist und der Injektor 30 schließt, wird der Durchfluss über die Drosselstelle 20 zu null. Der Druck im Federraum 80 steigt auf den gleichen Wert wie an der gegenüberliegenden Steuerfläche, so dass der Doppelkolben 43 von der Feder 48 in seine erste Schaltposition 26, d. h. in seine Ruhelage, bewegt wird. Wie aus den 2.1 und 2.2 des Weiteren hervorgeht, ist der Einstich 52 mit der Zulaufbohrung 54 verbunden, über die der Kraftstoff zugeführt wird. Der Kraftstoff wird nach Durchströmung des Ventilraums 76 über die Ablaufbohrung 56 abgeführt. Die Zu- und die Ablaufbohrungen 54, 56 haben beispielsweise einen Durchmesser von 7 mm bis 8 mm, die Einschnürung 46 des Doppelkolbens 43 lässt zusammen mit dem Gehäuse 44 eine Querschnittsfläche von 85 mm² bis 100 mm² frei, wobei diese Maße als beispielhafte Maße anzusehen sind. Dies ist zum Beispiel dann möglich, wenn die Kolbenköpfe 77, 78 mit einen Kolbendurchmesser 60 von 14 mm bis 15 mm und einem Durchmesser 58 im Bereich der Einschnürung 46 von zum Beispiel 7 mm ausgelegt werden. Über die Länge der Einschnürung 46 tritt idealerweise kein Druckabfall im Fluid auf, da ein solcher eine Bewegung des Doppelkolbens 43 zur Folge hätte.
Der Einstich 52 hat eine Breite 66 leicht oberhalb des Bohrungsdurchmessers der Zulaufbohrung 54 und eine Tiefe in der Größenordnung von zumindest 0,1 mm, typischerweise nicht mehr als 2 mm. Der Zweck des Einstichs 52 ist darin zu sehen, dass eine allseitige radiale Druckbelastung auf den Doppelkolben 43, hier beispielsweise auf den ersten Kolbenkopf 77 dargestellt werden kann, um eine einseitige Anlage beispielsweise des ersten Kolbenkopfs 77 am Gehäuse 44 und damit hohe Reibung zu vermeiden.
Abweichend von den oben genannten Größendimensionen sind auch größere Dimensionierungen der erwähnten Komponenten möglich.
In der in 2.2 dargestellten zweiten Schaltposition 50 bewegt sich der Doppelkolben 43 nach unten in die zweite Anschlagposition 64. Damit wird der offene Querschnitt im Bereich der Zulaufbohrung 54 soweit reduziert, dass ein Druckabfall zwischen der Zulaufbohrung 54 und der Ablaufbohrung 56 von beispielsweise 2 bis 3 bar entsteht, so dass sich die schaltbare Drosselstelle 28 ergibt. Typischerweise wird der Einstich 52 im Gehäuse 44 beispielsweise in einer Länge von 0,6 mm bis 0,9 mm nicht vom Doppelkolben 43 verdeckt, so dass an dieser Stelle der gewünschte Druckabfall entsteht. Systeme mit kleineren Gesamtmengen erfordern kleinere offene Querschnitte, wohingegen Systeme mit größeren Gesamtmengen entsprechend größere Querschnitte benötigen.
Der Ventilkolbenhub, d. h. die axiale Bewegung des Doppelkolbens 43 als axial bewegliches Ventilelement, wird axial über zwei Drücke gesteuert. Auf der der Feder 48 gegenüberliegenden Seite liegt der Zulaufdruck der Vorförderpumpe 12 an, während der Federraum 80 hinter der stationären Drosselstelle 20 angebunden ist.
In der in 2.1 dargestellten ersten Schaltposition 26 des Doppelkolbens 43, d. h. der Ruhelage des Schaltventils 24, sind die Druckflächen an beiden Kolbenaxialflächen 92 identisch. Das Schaltventil 24 wird von der Feder 48 in der ersten Anschlagposition 62 gehalten. Die Federkraft der Feder 48 liegt in der Größenordnung von beispielsweise 5 N. In der in 2.2 dargestellten zweiten Schaltposition 50 unterscheiden sich die Drücke an den Kolbenaxialflächen 92. Ein Minimalwert von 0,5 bar ist anzustreben, gegebenenfalls jedoch mehr.
Der Darstellung gemäß 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des Schaltventils 24 der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 zu entnehmen.
Gemäß dieser ersten Ausführungsvariante erfolgt die Beaufschlagung der Kolbenaxialflächen 92 des als beweglicher Kolben 42 eingesetzten Doppelkolbens 43 einerseits ausgehend von der Zulaufbohrung 54 über eine erste Schrägbohrung 88 und andererseits ausgehend von der Zulaufbohrung 54 über eine achsparallel zum Doppelkolben 43 verlaufende parallele Stufenbohrung 82. Von dieser parallelen Stufenbohrung 82 zweigt eine zweite Schrägbohrung 90 ab und mündet in den Federraum 80. In diesem ist die Feder 48 aufgenommen. Die Kolbenaxialfläche 92 des zweiten Kolbenkopfes 78 ist somit ebenfalls indirekt über die Zulaufbohrung 54 mit Kraftstoff beaufschlagt. Der Federraum 80 ist, wie in 3 dargestellt, über einen Stopfen 94 verschlossen. Die Feder 48 stützt sich auf dem Stopfen 94 ab. Der Stopfen 94 kann in das Gehäuse 44 eingeschraubt, eingeschweißt oder eingestemmt sein, so dass dieser in seiner axialen Position fixiert ist. Über die Axialposition des Stopfens 94 lässt sich die in 2.2 angedeutete zweite Anschlagsposition 64 je nach Erfordernissen einstellen.
Aus der Darstellung gemäß 3 geht zudem hervor, dass die stationäre Drosselstelle 20 gemäß der Darstellung in 1 durch die parallele Stufenbohrung 82 gebildet ist. Die parallele Stufenbohrung 82 umfasst einen Abschnitt, der in einem ersten Durchmesser 84 ausgebildet ist und einen sich an diesen anschließenden Abschnitt, der in einem zweiten Durchmesser 86 ausgebildet ist. Der zweite Durchmesser 86 übersteigt den ersten Durchmesser 84, so dass durch diesen die Drosselwirkung erreicht wird.
Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass sich in dem Ausführungsbeispiel des Schaltventils 24 gemäß der Darstellung in 3 der als schaltbare Drossel 28 dienende Doppelkolben 43 in seiner ersten Schaltposition 26, d. h. seiner Ruhelage befindet.
Die stationäre Drosselstelle 20 wird im in 3 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel durch die achsparallele Stufenbohrung 82 dargestellt. Der erforderliche Drosseldurchmesser ergibt sich aus der Druckdifferenz zum Schalten des Schaltventils 24 und dem erforderlichen Volumenstrom für den Injektor 30. Typischerweise liegt der Drosseldurchmesser im Bereich zwischen 0,6 mm bis 0,8 mm bei einer Druckdifferenz von 0,5 bar und Mengen von 10 I/h bis 18 I/h. Beide Kolbenaxialflächen 92 des Doppelkolbens 43 sind durch die jeweiligen Schrägbohrungen 88, 90 angebunden. Die dem Federelement 48 gegenüberliegende Fläche ist an die Zulaufbohrung 54 angeschlossen, der Federraum 80 an die parallele Stufenbohrung 82. Die Dynamik des Schaltventils 24 kann durch den Durchmesser einer oder beider Schrägbohrungen 88, 90 beeinflusst werden. Prinzipiell haben sich kleine Durchmesser als vorteilhaft erwiesen, da dann die Abhängigkeit von Druckpulsationen minimiert werden kann. Aufgrund der zu erwartenden Kolbenleckagen am Doppelkolben 43 ist es besonders vorteilhaft, wenn die Anbindung zum Federraum 80 tendenziell kleiner und die Anbindung an die dem Federraum 80 gegenüberliegende Fläche größer ausgeführt wird. Insbesondere hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass der Durchfluss zu der dem Federraum 80 gegenüberliegenden Fläche nicht kleiner ist als die dortige Kolbenleckage, um instabile Situationen zu vermeiden.
Der Federraum 80 kann, wie in 3 dargestellt, durch den Stopfen 94 verschlossen sein. Der Stopfen 94 kann verschraubt, verpresst oder verschweißt sein. Über seine Tiefe ergibt sich die zweite Anschlagposition 64 des Doppelkolbens 43 und damit der erreichbare Druckanstieg über das Schaltventil 24. Sofern das Schaltventil 24 nicht in ein anderes Bauteil des Niederdruckbereichs der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 integriert ist, sind Anschlussmöglichkeiten für drei Volumenströme vorzusehen, beispielsweise durch Schlauchstutzen oder einfach lösbare Schnellkupplungen.
In 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des Schaltventils 24 der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 dargestellt.
In dieser Ausführungsvariante verläuft ausgehend von der Zulaufbohrung 54 eine schräg orientierte Stufenbohrung 96 durch das Gehäuse 44. Die schräg verlaufende Stufenbohrung 96 mündet in den Federraum 80, so dass dieser mit Kraftstoff beaufschlagt ist, insbesondere die Kolbenaxialfläche 92 des zweiten Kolbenkopfs 78. Im Gegensatz zur Darstellung gemäß 3 ist in dieser zweiten Ausführungsvariante des Schaltventils 24 der Federraum 80 durch einen Anschlussstutzen 100 verschlossen, der gleichzeitig die zweite Anschlagsposition 64 des Doppelkolbens 43 definiert. Auch der Anschlussstutzen 100 kann in das Gehäuse 44 eingeschraubt, eingedreht, mit diesem stoffschlüssig verbunden oder in dieses eingestemmt sein.
Auch in der in 4 dargestellten zweiten Ausführungsvariante des Schaltventils 24 steht dieses in seiner ersten Schaltposition 26, d. h. die Zulaufbohrung 54 und die Ablaufbohrung 56 sind hinsichtlich ihrer Querschnitte vollständig freigegeben, so dass die Hochdruckförderpumpe 32 (vgl. Darstellung gemäß 1) kontinuierlich mit unter Vorförderdruck stehendem Kraftstoff beaufschlagt ist. Der Vorförderdruck liegt in der Größenordnung zwischen 3 und 4 bar.
In der zweiten Ausführungsvariante des Schaltventils 24 gemäß 4 ist die stationäre Drossel 20 durch die schrägverlaufende Stufenbohrung 96 dargestellt.
Die Dimensionierung ist identisch zum ersten Ausführungsbeispiel des Schaltventils 24 gemäß 3. In dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist der Federraum 80 unmittelbar durch die schrägverlaufende Stufenbohrung 96 beaufschlagt und damit auch die Kolbenaxialfäche 92 des zweiten Kolbenkopfs 78. Demgegenüber erfolgt die Beaufschlagung der Kolbenaxialfläche 92 des ersten Kolbenkopfs 77 des Doppelkolbens 43 über eine in das Gehäuse 44 beispielsweise eingefräste Längsnut 98. Diese verbindet die Zulaufbohrung 54 über den Einstich 52 mit der Kolbenaxialfläche 92 des ersten Kolbenkopfs 77. Vorteil dieser Lösung ist der insgesamt einfache Aufbau, da weniger Bohrungen erforderlich sind. Insbesondere kann der Anschlussstutzen 100 zum Abschluss des Federraums 80 und die Einstellung des Hubwegs des Doppelkolbens 43 hinsichtlich des Erreichens der zweiten Anschlagposition 64 dienen.
Aus 5 ergibt sich ein weiteres, drittes Ausführungsbeispiel des Schaltventils 24 der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10. In dieser dritten Ausführungsvariante des Schaltventils 24 ist das Gehäuse 102 als Kunststoffteil ausgebildet. In das Gehäuse 102 ist eine tiefgezogene Hülse 104 aus metallischem Material eingelassen. Die tiefgezogene Hülse 104 ist in das Gehäuse 102 aus Kunststoffmaterial eingespritzt und bildet die Lauffläche für die Kolbenköpfe 77, 78 des als axial bewegliches Ventilelement 40 fungierenden Doppelkolbens 43. Die radiale Druckverteilung wird durch die Aufweitung der tiefgezogenen Hülse 104 sichergestellt. Zur Erhöhung der Einstellgenauigkeit können gegebenenfalls die Kanten der tiefgezogenen Hülse 104 mechanisch nachbearbeitet sein. In einer vorteilhaften Ausführungsvariante kann eine Innenseite der tiefgezogenen Hülse 104 mit einer Beschichtung 106 zur Verbesserung der Leichtgängigkeit des Doppelkolbens 43 versehen sein.
In der dritten Ausführungsvariante des Schaltventils 24 gemäß 5 befinden sich im Gehäuse 102 aus Kunststoffmaterial die stationäre Drosselstelle 20, ausgeführt als zur Achse des Doppelkolbens 43 parallele Stufenbohrung 82, mit dem Abschnitt im ersten Durchmesser 84 und dem sich an diesen anschließenden Abschnitt im zweiten Durchmesser 86. Der Federraum 80 ist in dieser Ausführungsvariante durch den Stopfen 94 verschlossen. Die Beaufschlagung der Kolbenaxialfläche 92 des ersten Kolbenkopfs 77 erfolgt durch die in das Gehäuse 102 aus Kunststoffmaterial eingebrachte erste Schrägbohrung 88. Auch in dieser Ausführungsvariante des Schaltventils 24 ist das als Doppelkolben 43 ausgebildete, axial bewegliche Ventilelement 40 in seiner ersten Schaltposition 26 dargestellt, d. h. die Querschnittsflächen von Zulaufbohrung 54 und Ablaufbohrung 56 sind jeweils vollständig freigegeben. Die beiden Kolbenköpfe 77, 78 sind durch die Einschnürung 46 miteinander verbunden. Ein Durchmesser der Einschnürung 46 ist mit Bezugszeichen 58 bezeichnet, wohingegen der Durchmesser der beiden Kolbenköpfe 77, 78 identisch ist und mit Bezugszeichen 60 bezeichnet ist.
6 ist ein viertes Ausführungsbeispiel des Schaltventils 24 der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 zu entnehmen.
Auch in dieser Ausführungsvariante des Schaltventils 24 ist das Gehäuse 102 aus einem Kunststoffmaterial hergestellt. Aus diesem Grund ist in dieses eine Lauffläche 108 eingepresst, die aus metallischem Material gefertigt ist, und die Beweglichkeit des als axial bewegbares Ventilelement 40 ausgebildeten Doppelkolbens 43 sicherstellt. Am Gehäuse 102 aus Kunststoffmaterial befindet sich eine Längsnut 98, die in ihrer Länge so bemessen ist, dass sie die Länge der eingepressten Lauffläche 108 übersteigt, so dass durch die mit von der Zulaufbohrung 54 gespeiste Längsnut 98 die Kolbenaxialflächen 92 der Kolbenköpfe 77, 78 angebunden sind, d. h. mit unter Vorförderdruck stehendem Kraftstoff beaufschlagbar sind. Bei einem Gussteil ist die Längsnut 98 idealerweise bereits in der Gussform entsprechend vorgehalten. Die Längsnut 98 wird von der eingepressten Lauffläche 108 überdeckt, sich ergebende verbleibende Kanäle an Ober- und Unterseite dienen zur hydraulischen Anbindung der Kolbenaxialflächen 92.
In der vierten Ausführungsvariante des Schaltventils 24 gemäß 6 ist die stationäre Drosselstelle 20 durch eine Bohrung 114 im Bereich der Unterseite der eingepressten Lauffläche 108 gebildet. Es ist eine winkelrichtige Ausrichtung vor dem Einpressen erforderlich, damit sich die Bohrung 114 und die Längsnut 98 überdecken. Alternativ besteht die Möglichkeit, die Lauffläche 108 außenseitig oder das Gehäuse 102 aus Kunststoffmaterial innenseitig mit einer umlaufend ausgebildeten Nut zu versehen, die in diesem Fall als Ringkanal dient und die Verbindung zwischen Drosselbohrung 114 und der Längsnut 98 sicherstellt. Der Federraum 80 steht über die Drosselbohrung 114 und die Längsnut 98 sowie eine hydraulische Verbindung 110 mit einem Raum oberhalb des ersten Kolbenkopfes 77 hydraulisch in Verbindung.
In Bezug auf die weiteren Details der vierten Ausführungsvariante des Schaltventils 24 sei auf die vorstehend skizzierten Ausführungsbeispiele verwiesen.
Den Darstellungen der 7.1 und 7.2 ist eine Umkehrung 116 der Strömungsrichtung des Kraftstoffs durch das Schaltventil 24 zu entnehmen.
Wie den 7.1 und 7.2 zu entnehmen ist, wird in dieser Ausführungsvariante das Schaltventil 24 über die Ablaufbohrung 56 mit Kraftstoff versorgt, der durch den Ventilraum 76 über die Zulaufbohrung 54 abströmt. Während in 7.1 das Schaltventil 24 in seiner ersten Schaltposition 26 (hohe Lage) dargestellt ist, befindet sich das Schaltventil 24 in der Darstellung gemäß 7.2 in seiner zweiten Schaltposition 50. In diesem Fall liegt in der Ablaufbohrung 56 der zweite Zulaufstrom 72 mit erhöhtem Druckniveau 74 an, während über die Zulaufbohrung 54 der erste Ablaufvolumenstrom 70 abläuft.
Ansonsten ist das als Doppelkolben 43 ausgebildete, axial bewegliche Ventilelement 40 analog zu den vorstehend dargestellten Ausführungsvarianten des Schaltventils 24 aufgebaut. In den Darstellungen gemäß den 7.1 und 7.2 sind im Vergleich zu den vorstehend dargestellten Ausführungsvarianten des Schaltventils 24 die Anbindungen der Kolbenaxialflächen 92 der beiden Kolbenköpfe 77, 78 des Doppelkolbens 43 in hydraulischer Hinsicht zu modifizieren.
8 schließlich zeigt eine fünfte Ausführungsvariante des Schaltventils 24 der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10. Aufgrund des Umstands, dass im Bereich der Einschnürung 46 des Doppelkolbens 43 das Druckniveau der Vorförderpumpe 12 anliegt und nicht das bereits angedrosselte Druckniveau, kann die Anbindung der beiden Kolbenaxialflächen 92 des Doppelkolbens 43 durch Bohrungen 120, 122 in den Kolbenteilen 77, 78 vorgenommen werden. Dadurch wird die Ausbildung des Gehäuses 44 nochmals wesentlich vereinfacht. Der dem Federraum 80 gegenüberliegende Bereich wird durch eine achsparallele Bohrung, d. h. die Stufenbohrung 122 im zweiten Kolbenteil 78, angebunden. Der Durchmesser beträgt hier ebenso wie in den anderen Ausführungsbeispielen zum Beispiel 0,6 mm bis 0,8 mm in Bezug auf den ersten Durchmesser 84 der Stufenbohrung 122, die sich an den Abschnitt mit zweitem Durchmesser 86 anschließt, der in einer Größenordnung zwischen 1 mm bis 3 mm liegt.
Besonders kostengünstig und verwechslungssicher wird die Ventilausführung dann, wenn der Doppelkolben 43 symmetrisch aufgebaut ist und beidseitig mit einer Stufenbohrung 122 mit dem Durchmesser von 0,6 mm bis 0,8 mm versehen werden kann. Dieser kleine Durchmesser auf der dem Federraum 80 gegenüberliegenden Seite führt zu einer tendenziell verlangsamten Kolbenbewegung, so dass ein langsamer ablaufender Schaltvorgang herbeigeführt wird, was jedoch günstig hinsichtlich auftretender Druckpulsationen ist.
Der Doppelkolben 43 ist bevorzugt als Stahlbauteil ausgeführt, gegebenenfalls mit einer Beschichtung für Leichtgängigkeit und gegen Korrosion und Belagsbildung versehen. Alternativ wäre auch dessen Ausbildung aus Keramik denkbar. Bei Verwendung elektrisch betriebener Pumpen im Kraftstoffeinspritzsystem sind hinsichtlich der Betriebsweise der Vorförderpumpe 12 folgende Varianten möglich:
Der Betrieb über elektrisch angetriebene Pumpen (EKP) kann derart erfolgen, dass ein ungeregeltes System dargestellt wird, wobei die elektrisch betriebene Vorförderpumpe 12 konstant mit hoher Leistung läuft. In der Regel sind keine Drucksensoren innerhalb des Niederdruckbereichs vorhanden. Der Druck stromabwärts des Schaltventils 24 ergibt sich betriebspunktabhängig aus der Kennlinie eines Überströmventils beziehungsweise des Druckregelventils in der Hochdruckförderpumpe 32. Das Schaltventil 24 prägt bei gegebenem Durchfluss in Schaltstellung 2 einen konstanten Offset auf, wobei die Kraftstoffmenge über das Schaltventil 24 typischerweise im Bereich von 150 I/h bis 250 I/h liegt.
Des Weiteren besteht die Möglichkeit der Realisierung eines mengengesteuerten Systems. Die elektrisch betriebene Pumpe, d. h. im vorliegenden Fall die Vorförderpumpe 12 läuft mit variabler Drehzahl und liefert eine drehzahlabhängige Menge, die arbeitspunktabhängig bestimmt wird, so zum Beispiel über ein Kennfeld; das Kennfeld bildet die möglichen Arbeitspunkte der Hochdruckförderpumpe 32 ab. Es sind auch hier keine Drucksensoren erforderlich. Typischerweise bestimmt das Kennfeld eine Drehzahl der Vorförderpumpe 12, die zu einem nahezu konstanten Betriebspunkt eines Überströmventils beziehungsweise eines Druckregelventils in der Hochdruckförderpumpe 32 führt. Somit ist der Druck beidseitig des Schaltventils 24 ebenfalls nahezu konstant. Die maximale Kraftstoffmenge über das Schaltventil 24 ist ebenfalls applikationsabhängig im Bereich zwischen 150 l/h bis 205 l/h zu erwarten. Aufgrund der Drehzahlvariabilität kann die Menge auch auf Werte von zum Beispiel 50 I/h reduziert werden. Da bei solch geringen Werten der Druckabfall über das Schaltventil 24 reduziert ist, kann unter Umständen der Solldruck für die HCI-Einspritzung durch den Injektor 30 nicht mehr erreicht werden. Die Anwendung ist dementsprechend gegebenenfalls anzupassen, so dass hier beispielsweise die Minimaldrehzahl für HC-Betrieb des Injektors 30 anzuheben ist. Unter Umständen ist es sinnvoll, während des HC-Betriebs, d. h. bei aktiviertem Injektor 30 zur Regeneration des Dieselpartikelfilters, die Vorförderpumpe 12 entsprechend auf hoher oder gar maximaler Leistung zu betreiben.
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit der Realisierung eines druckgeregelten Systems, bei dem die Vorförderpumpe 12 mit variabler Drehzahl derart läuft, dass am Eingang der Hochdruckförderpumpe 32 ein konstanter Druck oder ein Druck gemäß einer definierten Kennlinie ansteht. In diesem Fall ist ein Drucksensor erforderlich. Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Schaltventils 24 kann der Drucksensor stromaufwärts oder stromabwärts des Schaltventils 24 verbaut sein. Es ist unter Umständen auch die Verwendung von zwei Drucksensoren sinnvoll. Ein Drucksensor stromabwärts des Schaltventils 24 ermöglicht die Verwendung der unveränderten Kalibrierung für den Förderbetrieb. Es kann jederzeit sichergestellt werden, dass die Hochdruckförderpumpe 32 korrekt mit Kraftstoff versorgt ist. Der Druck am Injektor 30 ist nicht exakt bekannt, kann aber als mengenabhängiger Offset (Kennlinie im Steuergerät) angenommen werden, sofern eine Aktivierung des Injektors 30 im ersten Schritt zu einer Reduzierung der Kraftstoffmenge zur Hochdruckförderpumpe 32 führen sollte, was durch einen Abfall des Drucks registriert wird, wird ein Regler den Solldruck durch Anpassung der Drehzahl wiederherstellen. Eine Vorsteuerung kann diesen Prozess entsprechend beschleunigen.
Wie auch bei der Mengensteuerung kann es bei einem druckgeregelten System erforderlich sein, den Sollwert bei aktivem HC-Betrieb, d. h. bei einspritzendem Injektor 30, anzuheben, was gleichbedeutend mit einer weiteren Erhöhung der Förderpumpenmenge ist. Gegebenenfalls ist auch in diesem Fall ein Betrieb mit Maximalleistung sinnvoll. Ein Drucksensor stromaufwärts des Schaltventils 24 ermöglicht eine exaktere Einstellung des Drucks in der Zuleitung 18 zum Injektor 30. Der Druck an der Hochdruckförderpumpe 32 ist dann nicht bekannt, wird jedoch durch das Überströmventil oder ein Druckregelventil innerhalb der Hochdruckförderpumpe 32 hinreichend genau eingeregelt.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009047488 A1 [0005]

Claims

Kraftstoffeinspritzeinrichtung (10) für eine Brennkraftmaschine mit einem Niederdruckbereich und einem Hochdruckbereich, mit einer Vorförderpumpe (12) im Niederdruckbereich, die Kraftstoff aus einem Kraftstofftank (14) zu einer Hochdruckförderpumpe (32) fördert, mit mindestens einem im Niederdruckbereich angeordneten Injektor (30), in welchen über eine Zuleitung (18) nach der Vorförderpumpe (12) Kraftstoff in den Abgasbereich der Brennkraftmaschine einspritzbar ist, wobei der im Niederdruckbereich stromabwärts der Vorförderpumpe (12) herrschende Druck während der Einspritzung durch den Injektor (30) durch ein zwischen der Vorförderpumpe (12) und der Hochdruckförderpumpe (32) angeordnetes Schaltventil (24) mit schaltbarer Drossel (28) erhöht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die schaltbare Drossel (28) im Schaltventil (24) als ein im Gehäuse (44, 102) axial bewegliches Ventilelement (40) ausgeführt ist, welches mit einem Federelement (48) beaufschlagt ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das axial bewegliche Ventilelement (40) als beweglicher Kolben (42), insbesondere als Doppelkolben (43) ausgebildet ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung (10) gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Doppelkolben (43) einen ersten Kolbenkopf (77) und einen zweiten Kolbenkopf (78) aufweist, die über eine Einschnürung (46) miteinander verbunden sind.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung (10) gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Doppelkolben (43) durch eine in einem Federraum (80) des Gehäuses (44, 102) angeordnete Feder (48) in eine einer Ruhelage des Schaltventils (24) entsprechende erste Schaltstellung (26) gestellt ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (44, 102) ein Einstich (52) ausgeführt ist, in den eine Zulaufbohrung (54) mündet, derart, dass der erste Kolbenkopf (77) im Gehäuse (44, 102) von Fluid umgeben, reibungsarm und verkantungsfrei geführt ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung (10) gemäß den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltventil (24) neben der schaltbaren Drossel (28) eine stationäre Drosselstelle (20) aufweist, die als achsparallel zum beweglichen Ventilelement (40) verlaufende Stufenbohrung (82) oder schräg im Gehäuse (44) verlaufende Stufenbohrung (96) oder als Bohrung (114) in einer in das Gehäuse (44, 102) eingelassenen Lauffläche (108) oder in einem der Kolbenköpfe (77, 78) eingelassene Stufenbohrung (122) ausgeführt ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung (10) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufenbohrung (82, 96, 122) einen in einem ersten Durchmesser (84) ausgeführten Abschnitt und einen in einem zweiten Durchmesser (86) ausgeführten Abschnitt aufweist, wobei der zweite Durchmesser (86) den ersten Durchmesser (84) übersteigt.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung (10) gemäß den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenaxialflächen (92) des Doppelkolbens (43) über eine von der Zulaufbohrung (54) abzweigende erste Schrägbohrung (88), über eine von der Stufenbohrung (82) abzweigende zweite Schrägbohrung (90) oder unmittelbar über die in den Federraum (80) mündende, schräg verlaufende Stufenbohrung (96) mit Fluid beaufschlagt sind.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung (10) gemäß den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (44, 102) eine den ersten Kolbenkopf (77) mit Kraftstoff beaufschlagende Längsnut (98) verläuft oder im Gehäuse (44, 102) eine eine Teillänge (112) der eingepressten Lauffläche (108) übergreifende Längsnut (98) ausgebildet ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung (10) gemäß den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in das aus einem Kunststoffmaterial gefertigte Gehäuse (102) des Schaltventils (24) eine tiefgezogene Hülse (104) aus metallischem Material eingelassen ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung (10) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die tiefgezogene Hülse (104) aus metallischem Material an der dem beweglichen Ventilelement (28) zugewandten Innenseite mit einer Beschichtung (106) zur Verbesserung der Leichtgängigkeit versehen ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung (10) gemäß den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bezogen auf die der Ruhelage entsprechende erste Schaltstellung (26) des beweglichen Ventilelements (28) die Zulaufbohrung (54) und eine Ablaufbohrung (56) im Ventilraum (76) des Gehäuses (44, 102) münden.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung (10) gemäß den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenaxialflächen (92) der ersten und zweiten Kolbenköpfe (77, 78) durch eine erste Bohrung (120) im ersten Kolbenkopf (77) und durch eine Stufenbohrung (122) im zweiten Kolbenkopf (78) vom Ventilraum (76), in den die Zulaufbohrung (54) mündet, mit Fluid beaufschlagt sind.
Verfahren zum Betrieb einer Vorförderpumpe (12) einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorförderpumpe (12) eine elektrisch angetriebene Pumpe (EKP) ist, die konstant mit hoher Leistung läuft.
Verfahren zum Betrieb einer Vorförderpumpe (12) einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorförderpumpe (12) eine elektrisch betriebene Pumpe (EKP) ist, die mengengesteuert mit variabler Drehzahl und einer drehzahlabhängigen Menge arbeitspunktabhängig liefert.
Verfahren zum Betrieb einer Vorförderpumpe (12) einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorförderpumpe (12) eine elektrisch betriebene Pumpe (EKP) ist, die druckgeregelt mit variabler Drehzahl derart betrieben wird, dass sich an einer nachgeordneten Hochdruckförderpumpe (32) ein konstanter Druck oder ein Druck gemäß einer definierten Kennlinie einstellt.
Verfahren zum Betrieb einer Vorförderpumpe (12) einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorförderpumpe (12) eine elektrisch betriebene Pumpe (EKP) ist, die druckgeregelt mit variabler Drehzahl derart betrieben wird, dass sich an dem Schaltventil (24) ein konstanter Druck oder ein Druck gemäß einer definierten Kennlinie einstellt.
Verwendung der Kraftstoffeinspritzeinrichtung (10) gemäß einem der Ansprüchen 1 bis 13 zur Einspritzung von Kraftstoff in ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine zur Regeneration eines Dieselpartikelfilters.