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Technisches
Gebiet
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Zur Versorgung von Brennräumen selbstzündender
Verbrennungskraftmaschinen mit Kraftstoff können sowohl druckgesteuerte
als auch hubgesteuerte Einspritzsysteme eingesetzt werden. Als Kraftstoffeinspritzsysteme
kommen neben Pumpe-Düse-Einheiten,
Pumpe-Leitung-Düse-Einheiten auch
Speichereinspritzsysteme zum Einsatz. Speichereinspritzsysteme (Common
Rail) ermöglichen
in vorteilhafter Weise, den Einspritzdruck an Last und Drehzahl
der selbstzündenden
Verbrennungskraftmaschine anzupassen. Zur Erzielung hoher spezifischer
Leistungen und zur Reduktion der Emissionen der Verbrennungskraftmaschine
ist generell ein möglichst
hoher Einspritzdruck erforderlich.
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Aus Festigkeitsgründen ist das erreichbare Druckniveau
bei heute eingesetzten Speichereinspritzsystemen zur Zeit auf etwa
1600 bar begrenzt. Zur weiteren Drucksteigerung an Speichereinspritzsystemen
kommen an Common-Rail-Systemen Druckübersetzer zum Einsatz.
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DE 199 10 970 A1 bezieht sich auf eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung.
Diese Kraftstoffeinspritzeinrichtung weist eine zwischen einem Druckspeicherraum
und einem Düsenraum
angeordnete Druckübersetzungseinheit
auf, deren Druckkammer über
eine Druckleitung mit dem Düsenraum
verbunden ist. Weiterhin ist eine an den Druckspeicherraum angeschlossene
Bypass-Leitung vorgesehen. Die Bypass-Leitung ist direkt mit der
Druckleitung verbunden. Die Bypass-Leitung ist für eine Druckeinspritzung verwendbar
und ist parallel zur Druckkammer angeordnet, so daß die Bypass-Leitung
unabhängig
von der Bewegung und Stellung eines verschieblichen Druckmittels
der Druckübersetzungseinheit
durchgängig
ist. Durch diese Maßnahme
wird die Flexibilität
der Einspritzung erhöht.
Ein Differenzraum ist über
ein 2/2-Wege-Ventil mit einer Leckageleitung verbindbar und es besteht eine
Verbindung vom Differenzraum zum Druckspeicherraum. Der Druckübersetzungseinheit
ist eine Ventilanordnung zur Steuerung derselben außerhalb
des Injektors an einer beliebigen Stelle zwischen dem Druckspeicherraum
und dem Injektor zugeordnet.
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DE 190 40 526 A1 betrifft ebenfalls eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung.
Diese weist eine zwischen einem Druckspeicherraum und einem Düsenraum
angeordnete Druckübersetzungseinheit
auf, die eine verschiebliche Kolbeneinheit umfaßt, um den Druck des dem Düsenraum
zuzuführenden Kraftstoffs
zu verstärken.
Die Kolbeneinheit weist zur Steuerung der Druckübersetzungseinheit einen Übergang
von einem größeren zu
einem kleineren Kolbenquerschnitt und einen hierdurch ausgebildeten
Differenzraum auf. Der Differenzraum ist über einen Füllpfad mit einem Füllventil
an den Druckspeicherraum angeschlossen. Es wird eine Verringerung der
Steuermenge während
der Ansteuerung der Druckübersetzungseinheit
und die Durchführung
einer schnellen Rückstellung
der Kolbeneinheit erreicht.
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Angesichts weiter steigender Anforderungen an
die Emissions- und Geräuschentwicklung
selbstzündender
Verbrennungskraftmaschinen sind weitere Maßnahmen am Einspritzsystem
erforderlich, um die in naher Zukunft zu erwartenden verschärften Grenzwerte
zu erfüllen.
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Darstellung
der Erfindung
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Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ist
eine Steuerung eines Kraftstoffinjektors eines Kraftstoffeinspritzsystems
mit einem Aktor möglich,
wodurch der Fertigungsaufwand sowie die Herstellungskosten erheblich
gesenkt werden können. Insbesondere
ist es mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung
möglich,
einen Druckübersetzer unter
Verzicht auf einen separaten Steller direkt über die Bewegung eines Einspritzventilglieds,
welches in vorteilhafter Weise als eine Düsennadel ausgestaltet ist,
zu erreichen. Der Druckübersetzer
kann bei der Öffnungsbewegung
des Einspritzventilgliedes zugeschaltet werden. Der Druckübersetzer
umfaßt
eine dessen Arbeitsraum und Steuerraum trennende Kolbeneinheit,
an der ein Teilhub einstellbar ist, nach dessen Durchfahren der
Druckübersetzer
zugeschaltet werden kann. Damit lassen sich hinsichtlich der Auslegung
eines Kraftstoffinjektors mit einem Druckübersetzer erhebliche Vorteile
erzielen. Es sind beispielsweise mehrfache Voreinspritzungen in
den Brennraum einer selbstzündenden
Verbrennungskraftmaschine ohne Aktivierung des Druckübersetzers
möglich.
Es kann demnach eine Voreinspritzung erzeugt werden, die auf einem
Druckniveau stattfindet, welches im wesentlichen dem im Innenraum
eines Hochdruckspeicherraumes (Common-Rail) herr schenden Druckniveaus
entspricht. Nach Durchfahren des an der Kolbeneinheit des Druckübersetzers eingestellten
Hubweges kann eine Haupteinspritzung mit aktiviertem Druckübersetzer
erzielt werden, wodurch sich während
der Haupteinspritzung ein die Emissionen der selbstzündenden
Verbrennungskraftmaschinen begünstigendes
hohes Druckniveau einstellt, welches höher liegt als dasjenige, welches im
Innenraum eines Hochdruckspeicherraumes (Common-Rail) herrscht.
Dadurch läßt sich
eine bootförmige
Einspritzung erzielen, da die erste Einspritzphase (Voreinspritzphase)
mit einem niedrigeren Druck stattfindet und anschließend eine
Druckerhöhung
auf übersetzten
Einspritzdruck folgt. Durch die Aktivierung des Druckübersetzers
kann während der
Haupteinspritzphase ein Druckaufbau bis auf den maximal zulässigen Druck
bei in Offenstellung befindlichem Einspritzventilglied erreicht
werden. Ferner läßt sich
mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung
der Druckübersetzer
vor dem Schließen des
Einspritzventilgliedes, welches bevorzugt als eine Düsennadel
ausgebildet wird, erreichen, wodurch sich Druckspitzen über dem
maximalen Einspritzdruck beim Nadelschließen vermeiden lassen. Dies
wirkt sich günstig
auf die Lebensdauer des Kraftstoffeinspritzsystems an einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine
aus. Ferner läßt sich
mit der erfindungsgemäßen Lösung eine
einer Haupteinspritzphase nachgeschaltete Nacheinspritzphase unter
sehr hohem Einspritzdruck erreichen, wie auch eine abgesetzte Nacheinspritzung,
die in einer etwas länger
bemessenen Zeitspanne auf die Haupteinspritzung folgt.
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend
eingehender beschrieben.
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Es zeigt:
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1 eine
Ausführungsvariante
eines über ein
Einspritzventilglied betätigten
Druckübersetzers in
einem ersten Zustand,
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2 die
Ausführungsvariante
der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung
gemäß 1 mit einem Druckübersetzer
in einem zweiten Zustand,
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3 eine
weitere Ausführungsvariante
eines über
ein Einspritzventilglied betätigbaren
Druckübersetzers
mit zwei ineinandergeführten
Ventilelementen und
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4 eine
Ausführungsvariante
eines über ein
Einspritzventilglied betätigten
Druckübersetzers mit
zwei Ventilelementen, von denen eines federbeaufschlagt gestaltet
ist.
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Ausführungsvarianten
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1 ist
eine erste Ausführungsvariante
eines über
ein Einspritzventilglied betätigbaren
Druckübersetzers
entnehmbar, welches in einem ersten Zustand dargestellt ist, bei
dem der Steuerraum des Druckübersetzers
vom Rücklauf,
d.h. vom Niederdruckbereich des Kraftstoffeinspritzsystems getrennt ist.
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Von einer Hochdruckquelle 1 aus,
welche beispielsweise als ein Hochdruckspeicherraum (Common-Rail)
ausgebildet sein kann, erstreckt sich ein Hochdruckzulauf 2 zu
einem Druckübersetzer 3. Der
Hochdruckzulauf 2 umfaßt
eine Hochdruckleitung 7, in der ein Rückschlagventil 8 aufgenommen sein
kann. Parallel zur Hochdruckleitung 7 wird durch den Hochdruckzulauf 2 von
der Hochdruckquelle 1 aus ein Parallelzweig 11 beaufschlagt,
in dem ein Füllventil 10 aufgenommen
sein kann. Zu diesem verläuft
ein weiterer Parallelzweig 12, der eine Drosselstelle 13 umfaßt. Der
erstgenannte, das Füllventil 10 aufnehmende
Parallelzweig mündet
ebenso wie der weitere Parallelzweig 12, der die Drosselstelle 13 aufnimmt,
in einem Steuerraum 15 des Druckübersetzers 3. Der
Druckübersetzer 3 umfaßt darüber hinaus
einen Arbeitsraum 14, welcher ebenfalls über den
Hochdruckzulauf 2 mit der Hochdruckquelle 1 in Verbindung
steht.
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Im Druckübersetzer 3 sind der
Arbeitsraum 14 sowie der Steuerraum 15 durch eine
Kolbeneinheit 17 voneinander getrennt. Die Kolbeneinheit 17 kann
sowohl ein- als auch mehrteilig ausgebildet sein und umfaßt einen
Abschnitt, der mit einem größeren Durchmesser
ausgebildet ist und mit seiner Stirnseite den Arbeitsraum 14 des
Druckübersetzers 3 begrenzt,
sowie einen demgegenüber
mit verringertem Durchmesser ausgebildeten Kolbenteil, dessen untere
Stirnseite einen Kompressionsraum 18 des Druckübersetzers 3 begrenzt.
Vom Kompressionsraum 18 des Druckübersetzers 3 aus erstreckt
sich eine Kompressionsleitung 20, welche sich im weiteren
Verlauf mit der Hochdruckzulauf 7, die das Rückschlagventil 8 enthält, vereinigt
und zusammen mit dieser in einen Düsenraumzulauf 9 übergeht.
Innerhalb des Steuerraums 15 des Druckübersetzers 3 ist ein
Federelement 16 aufgenommen, welches eine Unterseite der Kolbeneinheit 17 beaufschlagt
und sich am Boden des Steuerraums 15 abstützt. Der
Druckübersetzer 3 befindet
sich innerhalb des Injektorkörpers 5,
wobei der Steuerraum 15 des Druckübersetzers 3 eine Steuerleitung 19 aufweist,
die ihrerseits mit einem Ringraum 33 eines Ventilelementes 27 verbunden ist.
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Der Düsenzulauf 9, in welchen
sowohl die Hochdruckleitung 7 als auch die Kompressionsleitung 20,
die sich vom Kompressionsraum 18 aus erstreckt, mündet, mündet an
einer Mündungsstelle 37 in
einen Düsenraum 36.
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Vom Düsenraumzulauf 9 zweigt
ein Hochdruckabzweig 22 ab, der ein Zulaufdrosselelement 23 umfaßt. Der
Hochdruckabzweig 22 mündet
in einen Steuerraum 21 innerhalb eines Düsenkörpers 6 des
Kraftstoffinjektors 4. Der Steuerraum 21 ist über ein
als 2/2-Wege-Ventil
ausgebildetes Steuerventil 25 druckentlastbar. Zwischen
dem Steuerventil 25 (2/2-Wege-Ventil) und dem Steuerraum 21 ist
ein Ablaufdrosselelement 24 aufgenommen. Auf der Niederdruckseite
des Steuerventils 25 (2/2-Wege-Ventil) verläuft ein
niederdruckseitiger Rücklauf 26,
der in einen hier nicht dargestellten Kraftstoffbehälter eines Kraftfahrzeuges
mündet.
Das Steuerventil 25 kann sowohl als Magnetventil als auch
als ein Ventil beschaffen sein, welches mit einem Piezoaktor betätigbar ist.
Daneben kann das Steuerventil 25 auch ein Servoventil als
auch ein direkt betätigbares
Ventil sein.
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Der in 1 dargestellte
Kraftstoffinjektor 4 umfaßt ein Einspritzventilglied 34,
welches in vorteilhafter Weise als eine Düsennadel ausgebildet ist. Das
Einspritzventilglied 34 ist in der Ausführungsvariante gemäß 1 durch ein einteiliges
Ventilelement 27 beaufschlagt, welches als ein Ventilkolben beschaffen
sein kann. Die Stirnfläche 29 des
einteilig ausgebildeten Ventilelementes 27 begrenzt den Steuerraum 21,
der über
die Zulaufdrosselstelle 23 befüllbar und über die Ablaufdrosselstelle 24 druckentlastbar
ist. Unterhalb des Steuerraumes 21 ist das als Ventilkolben
ausgebildete einteilige Ventilelement 27 von einem Ringraum 33 umschlossen,
in welchen die Steuerleitung 19 mündet, die den Ringraum 33 mit
dem Steuerraum 15 des Druckübersetzers 3 verbindet.
Am Ringraum 33 ist eine Steuerkante 31 ausgebildet,
die mit einer Steuerkante 30 zusammenwirkt, die am einteilig
ausgebildeten Ventilelement 27 ausgeführt ist. In der Darstellung
gemäß 1 sind die Steuerkanten 30 bzw. 31 um
einen Hubweg h1, vgl. Bezugszeichen 32,
in Überdeckung.
Unterhalb des einteilig ausgebildeten Ventilelements 27 ist
innerhalb des Düsenkörpers 6 ein
weiterer hydraulischer Raum ausgebildet, von welchem ebenfalls ein zweiter
niederdruckseitiger Rücklauf 26.2 zum
in 1 nicht dargestellten
Kraftstoffbehälter
des Kraftfahrzeuges abzweigt.
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Der Düsenraumzulauf 9 beaufschlagt
den Düsenraum 36 des
Kraftstoffinjektors 4 innerhalb des Düsenkörpers 6 mit unter
hohem Druck stehenden Kraftstoff, so daß sich an einer an der Umfangsfläche des
Einspritzventilglieds 34 ausgebildeten Druckschulter 35 eine
in Öffnungsrichtung
wirkende hydraulische Kraft einstellt. Vom Düsenraum 36 innerhalb
des Düsenkörpers 6 erstreckt
sich ein Ringspalt 38 zu einem brennraumseitigen Sitz 40 des Einspritzventilgliedes 34.
Unterhalb des brennraumseitigen Sitzes 40 sind Einspritzöffnungen 39 angeordnet,
die beispielsweise als ringförmige
Lochreihen, als ein oder mehrere konzentrisch zueinander verlaufende Lochkreise
ausgebildet sein können.
In der in 1 dargestellten
Position des Einspritzventilgliedes 34 werden die Einspritzöffnungen 39 durch
das in den brennraumseitigen Sitz 40 gefahrene Einspritzventilglied 34 verschlossen,
so daß kein
Kraftstoff in einen Brennraum 41 der selbstzündenden
Verbrennungskraftmaschine gelangen kann. Die Schließstellung des
Einspritzventilglieds 34 in Bezug auf die Einspritzöffnungen 39 ist
in der Darstellung gemäß 1 mit Bezugszeichen 42 gekennzeichnet.
In dieser Position des Einspritzventilgliedes 34 findet
keine Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum 41 der
selbstzündenden
Verbrennungskraftmaschine statt.
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Entsprechend der Zylinderzahl der
selbstzündenden
Verbrennungskraftmaschine umfaßt
das Kraftstoffeinspritzsystem eine Anzahl von Kraftstoffinjektoren 4,
wobei jeder der Kraftstoffinjektoren 4 einen Druckübersetzer 3 umfaßt sowie
jedem Kraftstoffinjektor 4 ein Steuerventil 25 zugeordnet
ist. Im in 1 dargestellten
Arbeitszustand, d.h. verschlossenen Einspritzöffnungen 42, befindet
sich das Steuerventil 25, welches bevorzugt als 2/2-Wege-Steuerventil
ausgestaltet ist, in seiner Schließstellung, d.h. der Steuerraum 21 des
Einspritzventilgliedes 34 und der niederdruckseitige Rücklauf 26 sind
voneinander getrennt. Durch die Überdeckung
der Steuerkante 31 am Düsenkörper 6 und
der Steuerkante 30 am einteiligen Ventilelement 27 ist
die durch die Steuerkanten 30 bzw. 31 gebildete Schieberdichtung
geschlossen. Das Einspritzventilglied 34 befindet sich
in seiner die brennraumseitigen Einspritzöffnungen 39 verschließenden Stellung 42,
die Kolbeneinheit 17 des Druckübersetzers 3 ist druckausgeglichen,
so daß keine Druckverstärkung stattfindet.
In diesem in 1 dargestellten
Zustand ist das Füllventil 10 in
der ersten Parallelleitung 11, die vom Hochdruckzulauf 2 abzweigt,
geöffnet
und die Kolbeneinheit 17 des Druckübersetzers 3 befindet
sich in ihrer Ausgangslage. Der im Innenraum eines Hochdruckspeicherraumes (Common-Rail)
herrschende Druck, um ein Beispiel für eine Hochdruckquelle 1 zu
nennen, steht über
das geöffnete
Füllventil 10 am
Rückraum 15 des
Druckübersetzers 3 an
und gelangt über
das in der Hochdruckleitung 7 aufgenommene Rückschlagventil 8 zum
Steuerraum 21 des Kraftstoffinjektors 4 sowie
zu dessen Düsenraum 36.
In diesem Betriebszustand kann zu jeder Zeit eine Einspritzung mit
dem in der Hochdruckquelle 1 herrschenden Druckniveau,
dem Rail-Druck-Niveau, stattfinden.
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Wird das Steuerventil 25,
welches bevorzugt als 2/2-Wege-Ventil ausgebildet werden kann, hingegen
in seine Öffnungsstellung
geschaltet, erfolgt eine Druckentlastung des Steuerraumes 21 über die
Ablaufdrossel 24 in den ersten niederdruckseitigen Rücklauf 26.1 auf
die Niederdruckseite des Kraftstoffinjektors 4. Aufgrund
des absinkenden Druckes im Steuerraum 21 des Kraftstoffinjektors 4 überwiegen die
an der Druckschulter 35 des Einspritzventilgliedes 34 angreifenden
hydraulischen Kräfte
und das Einspritzventilglied 34 öffnet. Es beginnt eine Einspritzung
von Kraftstoff durch die brennraumseitigen Einspritzöffnungen 39 in
den Brennraum 41 der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine
auf dem Druckniveau, welches die Hochdruckquelle 1 zur
Verfügung
stellt. Aufgrund der Serienschaltung des einteiligen Ventilelementes 27 mit
dem Einspritzventilglied 34 fährt das einteilige Ventilelement 27 bei einer Öffnungsbewegung
des Einspritzventilgliedes 34 mit seiner Stirnseite 29 in
den Steuerraum 21 des Kraftstoffinjektors 4 ein.
Wird bei dieser Hubbewegung der Hubweg h1 (Bezugszeichen 32) überschritten,
sind die Steuerkanten 30 bzw. 31 nicht mehr in dem in 1 dargestellten, d.h. in
ihrem überdeckten,
Zustand, sondern offen, so daß die
Schieberdichtung geöffnet
steht. Dadurch wird der Steuerraum 15 des Druckübersetzers 3 über die
Steuerleitung 19, die den Steuerraum 15 mit dem
Ringraum 33 verbindet, mit dem zweiten niederdruckseitigen Rücklauf 26.2 verbunden.
Da der Steuerraum 15 des Druckübersetzers 3 nunmehr
in den Niederdruck druckentlastet wird und Füllventil 10 schließt, ist
die Kolbeneinheit 17 des Druckübersetzers 3 nicht
mehr druckausgeglichen, so daß der
Druck innerhalb des Arbeitsraumes 14 des Druckübersetzers 3 überwiegt und
die Kolbeneinheit 17 mit ihrer unteren Stirnseite in den
Kompressionsraum 18 einfährt. Entsprechend der Druckflächenverhältnisse
an der Kolbeneinheit 17 des Druckübersetzers 3, fährt die
Kolbeneinheit 17 in den Kompressionsraum 18 ein,
so daß über die Kompressionsraumleitung 20,
die zusammen mit der Hochdruckleitung 7 von der Hochdruckquelle 1 aus
in den Düsenzulauf 9 mündet, im
Düsenraum 36 ein übersetzter,
d.h. höherer
Druck ansteht, als ihn die Hochdruckquelle 1 allein aufzubringen
vermag. Der Kraftstoff im Kompressionsraum 18 wird beim
Einfahren der Kolbeneinheit 17 mit ihrer unteren Stirnseite in
diesen verdichtet, so daß über den
Düsenzulauf 9 im
Düsenraum 36 ein
höherer,
d.h. übersetzter
Druck ansteht.
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Die Einspritzung erfolgt ab der Überschreitung
des Hubweges h1 (vgl. Bezugszeichen 32)
mit einem übersetzten,
d.h. höheren
Druck. Dadurch läßt sich
eine bootförmige
Einspritzung erzielen. Die erste Einspritzphase, so zum Beispiel
die Voreinspritzphase, erfolgt auf dem Druckniveau, welches die
beispielsweise als Hochdruckspeicherraum (Common-Rail) ausgebildete
Hochdruckquelle 1 zur Verfügung steht, woran sich eine
weitere Einspritzphase auf einem wesentlich höheren Einspritzdruckniveau anschließt, welches
sich durch die Druckflächenverhältnisse
an der Kolbeneinheit 17 des Druckübersetzers 3 ergibt
und über
die Kompressionsraumleitung 20 im Düsenraum 36 im Düsenkörper 6 des
Kraftstoffinjektors 4 ansteht.
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2 zeigt
die Ausführungsvariante
eines Kraftstoffinjektors gemäß 1 mit einem Druckübersetzer
in einem zweiten Zustand.
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In 2 ist
dargestellt, daß die
gehäuseseitige
Steuerkante 31 im Düsenkörper 6 sowie
die Steuerkante 30 des einteiligen Ventilelements 27 außer Überdeckung
sind, wodurch sich eine niederdruckseitige Verbindung 50 zwischen
dem Steuerraum 15 des Druckübersetzers 3 über die
Steuerleitung 19, die in den Ringraum 33, welcher
das einteilig ausgebildete Ventilelement 27 umgibt, einstellt.
Der Steuerraum 15 wird auf diese Weise über den zweiten niederdruckseitigen
Rücklauf 26.2 entlastet,
so daß die
Kolbeneinheit 17 aufgrund des im Arbeitsraum 14 des
Druckübersetzers 3 herrschenden
Druckes das im Kompressionsraum 18 des Druckübersetzers 3 enthaltene
Kraftstoffvolumen verdichtet und über die Kompressionsraumleitung 20,
den Düsenzulauf 9 in
den Düsenraum 36 des
Düsenkörpers 6 fördert. Das
Einspritzventilglied 34 des Kraftstoffinjektors 4 befindet
sich nunmehr in seiner aufgefahrenen Position 51, d.h.
seiner Offenstellung, so daß Kraftstoff
entsprechend des druckübersetzten
erhöhten
Druckniveaus über
den Düsenraum 36,
den Ringspalt 38 und die freigegebenen Einspritzöffnungen 39 mit
sehr hohem Druck in den Brennraum 41 der selbstzündenden
Verbrennungskraftmaschine eingespritzt wird.
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Zum Beenden der Einspritzung wird
das Steuerventil 25, welches bevorzugt als 2/2-Wege-Ventil ausgebildet
ist, geschlossen, so daß sich
im Steuerraum 21 des Einspritzventilgliedes 34 ein Druckaufbau
einstellt. Aufgrund der Beaufschlagung der Stirnseite 29 des
einteiligen Ventilelements 27 bewegt sich das mit diesem
zusammenarbeitende Einspritzventilglied 34 in Schließrichtung.
Bei Erreichen der Steuerkante 31 am Düsenkörper 6 erfolgt eine Überdeckung
der Steuerkanten 30 bzw. 31 miteinander, so daß die durch
diese gebildete Schieberdichtung geschlossen wird. Dadurch wird
die Verbindung des Steuerraums 15 über die Steuerleitung 19 und
den Ringraum 33 in den niederdruckseitigen Rücklauf 26 verschlossen
und der Druckübersetzer 3 somit
deaktiviert. Das Einspritzventilglied 34 bewegt sich weiter
in seinen brennraumseitigen Sitz 40 und verschließt dadurch
zu einem späteren
Zeitpunkt die in den Brennraum 41 der selbstzündenden
Verbrennungskraftmaschine mündenden
Einspritzöffnungen 39.
Da der Druckübersetzer 3 bereits
deaktiviert ist, werden Druckspitzen, die beim Schließen des
Einspritzventilgliedes 34 auftreten, kompensiert.
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Durch den Hubweg h1 (Bezugszeichen 32) und
die Schließgeschwindigkeit
des Einspritzventilgliedes 34 und des Ventilelementes 27 läßt sich
der Abschaltzeitpunkt des Druckübersetzers 3,
d.h. der Zeitpunkt der Überdeckung
der Steuerkanten 30 bzw. 31, optimal auf das Ende
der jeweiligen Einspritzphase abstimmen. Bei kleinen Einspritzmengen wie
zum Beispiel im Rahmen einer Voreinspritzung, kann das Einspritzventilglied 34,
welches bevorzugt als eine Düsennadel
beschaffen ist, nicht vollständig entlang
des gesamten Hubweges h1 (Bezugszeichen 32)
geöffnet
werden, so daß der
Druckübersetzer 3 deaktiviert
bleibt. Somit lassen sich beliebig viele Voreinspritzungen ohne
aktivierten Druck übersetzer 3 realisieren.
Das Druckniveau im Rahmen der Voreinspritzung zur Konditionierung
des im Brennraum 41 enthaltenen Verbrennungsgemisches liegt
im Rahmen dieser Voreinspritzungen auf dem Druckniveau, welches
die Hochdruckquelle 1, zum Beispiel ein Hochdruckspeicherraum
(Common-Rail) zur Verfügung
stellt und nicht auf dem durch den Druckübersetzer 3 erreichbaren
erhöhten
Druckniveau. Die Anzahl und die Dauer der jeweiligen Voreinspritzphasen sowie
die Dauer der Haupteinspritzung auf einem erhöhten Druckniveau kann durch
die Ansteuerzeit des Steuerventils 25 eingestellt werden.
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Aus der Darstellung gemäß 3 geht eine weitere Ausführungsvariante
eines über
ein Einspritzventilglied betätigten
Druckübersetzers
mit zwei ineinandergeführten
Ventilelementen hervor.
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Auch der in 3 dargestellte Kraftstoffinjektor 4 zur
Kraftstoffversorgung einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine
umfaßt
einen im Injektorkörper 5 integrierten
Druckübersetzer 3.
Von einer Hochdruckquelle 1 werden über einen Hochdruckzulauf 2 eine
Hochdruckleitung 7, ein erster Parallelzweig 11 sowie
ein weiterer Parallelzweig 12 sowie der Arbeitsraum 14 des
Druckübersetzers 3 beaufschlagt.
Im ersten Parallelzweig 11 ist ein Füllventil 10, im weiteren
Parallelzweig 12 eine Drosselstelle 13 aufgenommen.
In der Hochdruckleitung 7 ist ein Rückschlagventil 8 aufgenommen.
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Der Druckübersetzer 3 gemäß der weiteren Ausführungsvariante
in 3 umfaßt analog
zum in 1 dargestellten
Druckübersetzer 3 eine
Kolbeneinheit 17, die den Arbeitsraum 14 vom Steuerraum 15 trennt.
Mit der Unterseite der Kolbeneinheit 17 wird der Kompressionsraum 18 im
Injektorkörper 5 des
Druckübersetzers 3 beaufschlagt,
von dem die Kompressionsraumleitung 20 zum Düsenraumzulauf 9 abzweigt
und sich mit der Hochdruckleitung 7 von der Hochdruckquelle 1 vereinigt.
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Im Unterschied zu in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung,
ist das Einspritzventilglied 34 gemäß der Darstellung in 3 von einem mehrteiligen
Ventilelement 28 beaufschlagt. Das mehrteilige Ventilelement 28 umfaßt ein erstes
Ventilelement 28.1 sowie ein dieses umgebendes weiteres,
zweites Ventilelement 28.2. Das erste Ventilelement 28.1 sowie
das weitere Ventilelement 28.2 können kolbenförmig ausgebildet
werden. Eine Ringfläche 60 am zweiten
Ventilelement 28.2 begrenzt teilweise den Steuerraum 21.
Im zweiten Ventilelement 28.2 ist eine Öffnung 61 ausgebildet, über welche
eine Stirnseite 62 des ersten Ventilelements 28.1 mit
dem im Steuerraum 21 herrschenden Druck beaufschlagbar ist.
Gemäß dieser
Ausführungsvariante
ist zwischen dem inneren, ersten Ventilelement 28.1, d.h.
dessen Stirnseite 62, und einem Bund an der Öffnung 61 im zweiten
Ventilelement 28.2 des mehrteiligen Ventilelements 28 ein
Hubweg h1 (Bezugszeichen 32) eingestellt.
Am zweiten Ventilelement 28.2 befindet sich die Steuerkante 30,
die mit einem Sitz eines Ventilraumes 63 zusammenarbeitet.
In den Ventilraum 63 mündet
oberhalb des Sitzes die Steuerleitung 19 vom Steuerraum 15 des
Druckübersetzers 3.
Vom Ventilraum 63 zweigt eine erste Rücklaufleitung 64 zur
Niederdruckseite des Kraftstoffversorgungssystems ab. Am ersten
Ventilelement 28.1 ist ein Kolbenfortsatz 66 ausgebildet,
welcher einen geringeren Durchmesser als der Kolbenteil des ersten
Ventilelements 28.1 aufweist. Der Kolbenfortsatz 66 durchsetzt
einen weiteren, unterhalb des Ventilraums 63 im Düsenkörper 6 angeordneten
Hohlraum, in welchem eine Schließfeder 67 aufgenommen
ist. Die Stirnseite des Kolbenfortsatzes 66 liegt an der
Stirnseite des bevorzugt als Düsennadel
ausgebildeten Einspritzventilgliedes 34 an.
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Bei Druckentlastung des Steuerraums 21 durch
das bevorzugt als 2/2-Wege-Ventil ausgebildete Steuerventil 25 und
gleichzeitiger Beaufschlagung des Düsenraums 36 des Einspritzventilgliedes 34, stellt
sich über
den Düsenraumzulauf 9 im
Düsenraum 36 eine
die Druckschulter 35 des Einspritzventilgliedes 34 beaufschlagende
hydraulische Kraft ein. Das Einspritzventilglied 34 öffnet, so
daß sich
beispielsweise eine Voreinspritzung über die Einspritzöffnung 39 in
einen hier nicht dargestellten Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine
erzielen läßt. Die
Voreinspritzung findet jedoch nur auf dem Druckniveau statt, welches
in der Hochdruckquelle 1 anliegt, da der Druckübersetzer 3 zu
diesem Zeitpunkt noch nicht aktiviert ist. Bei weiterer Druckentlastung des
Steuerraums 21 fährt
die Stirnseite 62 des innenliegend angeordneten, ersten
Ventilelements 28.1 an den bundförmigen Anschlag des zweiten,
außenliegenden
Ventilelements 28.2 an und nimmt das außenliegende, zweite Ventilelement 28.2 in Öffnungsrichtung
mit. Dadurch gibt die Steuerkante 30 am Außenumfang
des zweiten Ventilelements 28.2 die Verbindung des Steuerraums 15 über die
Steuerleitung 19 und den Ventilraum 63 in die
erste Rücklaufleitung 64 frei,
so daß eine
Druckentlastung des Steuerraums 15 des Druckübersetzers 3 stattfindet.
Die Kolbeneinheit 17 des Druckübersetzers 3 fährt demnach in
den Kompressionsraum 18 ein, so daß über die Kompressionsraumleitung 20,
den Düsenraumzulauf 9 an
der Mündungsstelle 37 unter
erhöhten
Druck stehender Kraftstoff in den Düsenraum 36 im Düsenkörper 6 geleitet
wird. Es kann nunmehr eine auf einem entsprechend der Druckverstärkung des
Druckübersetzers 3 erhöhten Druckniveau
liegende Folgeeinspritzung in den Brennraum der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine
erfolgen. Die in 3 dargestellte,
weitere Ausführungsvariante
eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors
umfaßt
neben der ersten Rücklaufleitung 64,
die vom Ventilraum 63 abzweigt, eine zweite Rücklaufleitung 65 in
den Niederdruckbereich des Kraftstoffversorgungssystems, welcher
vom das Schließfederelement 67 aufnehmenden
Hohlraum oberhalb des Einspritzventilgliedes 34 aus abzweigt.
Die Anschlagstelle, ab welcher die Stirnseite 62. des innenliegenden,
er sten Ventilelements 28.1 an das außenliegende, zweite Ventilelement 28.2 anschlägt und dieses
bei weiterer Druckentlastung des Steuerraums 21 in Öffnungsrichtung mitnimmt,
ist in der Darstellung gemäß 3 mit Bezugszeichen 68 identifiziert.
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Die übrigen, vorstehend nicht einzeln
beschriebenen Komponenten des Kraftstoffinjektors 4 gemäß der in 3 dargestellten Ausführungsvariante,
entsprechen im wesentlichen den Komponenten, die in der Ausführungsvariante
des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors
gemäß 1 und 2 bereits beschrieben wurden.
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4 zeigt
eine Ausführungsvariante
eines über
ein Einspritzventilglied betätigten
Druckübersetzers
mit zwei Ventilelementen, von denen eines federbeaufschlagt gestaltet
ist.
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Von der Hochdruckquelle 1 aus
erstreckt sich der Hochdruckzulauf 2 sowohl über einen
Hochdruckleitungszweig 7, der ein Rückschlagventil 8 enthält als auch über einen
ersten Parallelzweig 11 und einen weiteren Parallelzweig 12 zum
Steuerraum 15 des Druckübersetzers 3.
Darüber
hinaus beaufschlagt die Hochdruckquelle 1, zum Beispiel
ein Hochdruckspeicherraum (Common-Rail), den Arbeitsraum 14 des
Druckübersetzers 3 direkt.
Der Arbeitsraum 14 und der Steuerraum 15 des Druckübersetzers 3 sind über eine
Kolbeneinheit 17 voneinander getrennt, wobei die dem Arbeitsraum 14 zuweisende
Stirnfläche
der Kolbeneinheit 17 einen größeren Durchmesser aufweist,
als diejenige Stirnseite der Kolbeneinheit 17, welche den
Kompressionsraum 18 des Druckübersetzers 3 begrenzt.
Vom Kompressionsraum 18 innerhalb des Injektorkörpers 5 des
Kraftstoffinjektors 4 erstreckt sich eine Kompressionsraumleitung 20,
die sich mit der das Rückschlagventil 8 aufnehmenden
Hochdruckleitung 7 vereinigt und in den Düsenraumzulauf 9 übergeht.
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Der Steuerraum 21 innerhalb
des Kraftstoffinjektors 4 wird über einen Hochdruckabzweig 22 mit
Zulaufdrosselstelle 23 druckbeaufschlagt und ist über eine
Ablaufdrosselstelle 24 bei Betätigung eines Steuerventils 25 in
den niederdruckseitigen Rücklauf 26 druckentlastbar.
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Auch in der in 4 dargestellten Ausführungsvariante des Kraftstoffinjektors 4 kommt
ein mehrteilig ausgebildetes Ventilelement 28 zum Einsatz.
Das mehrteilig ausgebildete Ventilelement 28, welches das
Einspritzventilglied 34 im Düsenkörper 6 des Kraftstoffinjektors 4 beaufschlagt,
umfaßt
ein erstes Ventilelement 28.1, dessen Stirnseite 62 den Steuerraum 21 begrenzt.
Das erste Ventilelement 28.1 umfaßt einen Kolbenfortsatz 66,
der mit seiner unteren Stirnseite an der Stirnseite des Einspritzventilgliedes 34 anliegt.
Das erste Ventilelement 28.1 ist von einem zweiten, weiteren
Ventilelement 28.2 umschlossen, wo bei sich zwischen dem
ersten Ventilelement 28.1 und dem zweiten Ventilelement 28.2 ein Durchgangsspalt 72 einstellt.
Im Unterschied zur in 3 dargestellten
Ausführungsvariante
begrenzt das zweite Ventilelement 28.2 nicht den Steuerraum 21,
sondern ist unterhalb des ersten Ventilelements 28.1 angeordnet
und an seiner Ringfläche 60 von
einem Federelement 70 beaufschlagt. Das Federelement 70 stützt sich
an der Oberseite 71 des Ventilraumes 63 im Düsenkörper 6 des
Kraftstoffinjektors 4 ab.
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Durch das im Ventilraum 63 angeordnete
Federelement 70 wird das zweite, hülsenförmig ausgebildete Ventilelement 28.2 mit
seiner Steuerkante 30 in seine Schließstellung gedrückt, so
daß der
Ventilsitz zwischen Steuerkante 30 und Gehäusekante 31 des
Ventilraums 63 in Ruhestellung geschlossen ist und der
Druckübersetzer 3 deaktiviert
ist. Da der Sitz durch die Steuerkanten 30 am zweiten Ventilelement 28.2 und
die Steuerkante 31 am Ventilraum 63 geschlossen
ist, ist eine Druckentlastung des Steuerraums 15 über die
Leitung 19 in den Ventilraum 63 nicht möglich, so
daß sich
die Kolbeneinheit 17 zwischen dem Arbeitsraum 14 und
dem Steuerraum 15 des Druckübersetzers 3 in ihrer
Ausgangsstellung befindet. Zur Erhöhung der Schließkraft auf
die Steuerkante 30 kann eine schließende hydraulische Druckkraft
durch eine entsprechende Druckstufe innerhalb des Ventilraumes 63 erzeugt
werden.
-
Nach Ansteuerung des Steuerventils 25, welches
bevorzugt als 2/2-Wege-Ventil ausgebildet ist, erfolgt eine Druckentlastung
des Steuerraums 21, so daß das erste Ventilelement 28.1 mit
seiner Stirnseite 62 in diesen einfährt. Wird der Steuerraum 21 oberhalb
der Stirnseite 62 des ersten Ventilelements 28.1 solange
druckentlastet, daß die
Stirnseite des Einspritzventilgliedes 34 an der unteren
Ringfläche des
zweiten Ventilelements 28.2 anschlägt, d.h. wird der Hubweg h1 (Bezugszeichen 32) überschritten, wird
der Druckübersetzer 3 durch
das Einspritzventilglied 34 aktiviert, da aufgrund der
an der Druckschulter 35 angreifenden hydraulischen Kraft
im Düsenraum 36 der
Dichtsitz zwischen den Steuerkanten 30 am zweiten Ventilelement 28.2 und
an der Steuerkante 31 des Ventilraumes 63 geöffnet wird
und ein Druckabbau im Steuerraum 15 des Druckübersetzers 3 über die
Leitung 19 in den ersten niederdruckseitigen Rücklauf 64 erfolgen
kann. Dadurch steht im Düsenraum 36 der
im Kompressionsraum 18 des Druckübersetzers 3 verdichtete
Kraftstoff über
die Kompressionsraumleitung 20 dem Düsenraumzulauf 9 an
der Mündungsstelle 37 des
Düsenraumzulaufs 9 in
den Düsenraum 36 an.
Mit der in 4 dargestellten
Lösung
lassen sich bei entsprechender Druckentlastung des Steuerraums 21 des
Einspritzventilgliedes 34 in bestimmten Grenzen, d.h. so
daß der Auffahrweg
des Einspritzventilgliedes 34 unterhalb des Hubweges h1 (Bezugszeichen 32) liegt, Voreinspritzphasen
auf dem in der Hochdruckquelle 1 herrschenden Druckniveau
darstellen, wobei ab einer weiter anhaltenden Druckentlastung des
Steuerraums 21 über
das Einspritzventilglied 34 eine Aktivierung des Druckübersetzers 3 erfolgt,
und eine Haupteinspritzphase mit Rate-Shaping auf einem erhöhten Druckniveau
realisiert werden kann. Entsprechend des Ansteuerzyklus des Steuerventils 25 können ein
oder mehrere Voreinspritzphasen vorgenommen werden, allein abhängig von
den Ansteuerzeiten und dem Ansteuerungsprogramm des Steuerventils 25,
welches bevorzugt als 2/2-Wege-Ventil ausgebildet werden kann. Mit
den erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Ausführungsvarianten
gemäß der 1 und 2 bzw. 3 und 4 kann eine Einspritzung von Kraftstoff
in den Brennraum 41 einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine
unterhalb eines Nadelhubes h1 (Bezugszeichen 32)
mit einem ersten Druckniveau erfolgen, welches beispielsweise dem Druckniveau
einer Hochdruckquelle 1 entspricht. Ab Überschreiten eines Hubweges
h1 (Bezugszeichen 32) erfolgt eine
durch das Einspritzventilglied 34 bewirkte Aktivierung
eines Druckübersetzers 3,
so daß eine
Folgeeinspritzung auf einem erhöhten
Druckniveau sich anschließt.
Dies erlaubt einerseits eine bootförmig verlaufende Einspritzung,
da die erste Einspritzphase (Voreinspritzung) auf einem niedrigeren
Druckniveau stattfindet als die sich anschließende Haupteinspritzung. Durch
die Aktivierung des Druckübersetzers 3 durch
die vertikale Hubbewegung des Einspritzventilgliedes 34 erfolgt
das Anliegen eines erhöhten
Druckniveaus genau dann, wenn dieses gemäß des Verbrennungsfortschrittes
im Brennraum 41 der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine
prozesstechnisch erforderlich ist. Bei kleinen Einspritzmengen kann
eine Voreinspritzung das Einspritzventilglied 34 durch
eine kontrollierte Druckentlastung des Steuerraums 21 hinsichtlich
seiner Entlastungsdauer nicht bis zum Erreichen des Hübweges h1 (Bezugszeichen 32) erfolgen, so
daß der
Druckübersetzer 3 deaktiviert
bleibt. Es sind demnach mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung beliebig
viele Voreinspritzungen auf einem im Vergleich zum aktivierten Druckübersetzer 3 geringen
Druckniveau möglich,
wobei der Kraftstoffinjektor 4 gemäß der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung
lediglich mit einem Steuerventil 25 betreibbar ist.
-
- 1
- Hochdruckquelle
(Common-Rail)
- 2
- Hochdruckzulauf
- 3
- Druckübersetzer
- 4
- Kraftstoffinjektor
- 5
- Injektorkörper
- 6
- Düsenkörper
- 7
- Hochdruckleitung
- 8
- Rückschlagventil
- 9
- Abzweigen
Düsenraumzulauf
- 10
- Füllventil
- 11
- erster
Parallelzweig
- 12
- weiterer
Parallelzweig
- 13
- Drosselstelle
- 14
- Arbeitsraum
- 15
- Steuerraum
- 16
- Federelement
- 17
- Kolbeneinheit
- 18
- Kompressionsraum
- 19
- Steuerleitung
für Steuerraum
- 20
- Kompressionsraumleitung
- 21
- Steuerraum
- 22
- Hochdruckabzweig
zum Steuerraum
- 23
- Zulaufdrosselstelle
- 24
- Ablaufdrosselstelle
- 25
- Steuerventil
(2/2-Wege-Ventil)
- 26.1
- erster
niederdruckseitiger Rücklauf
- 26.2
- zweiter
niederdruckseitiger Rücklauf
- 27
- einteiliges
Ventilelement
- 28
- mehrteiliges
Ventilelement
- 28.1
- erstes
Ventilelement
- 28.2
- zweites
Ventilelement
- 29
- Stirnfläche einteiliges
Ventilelement
- 30
- Steuerkante
Ventilelement
- 31
- Steuerkante
Gehäuse
- 32
- Hubweg
h1
- 33
- Ringraum
Ventilelement
- 34
- Einspritzventilglied
- 35
- Druckschulter
- 36
- Düsenraum
- 37
- Mündungsstelle
Düsenraumzulauf
- 38
- Ringspalt
- 39
- Einspritzöffnung
- 40
- brennraumseitiger
Sitz
- 41
- Brennraum
- 42
- verschlossene
Einspritzöffnung
- 50
- niederdruckseitige
Verbindung
- 51
- Einspritzventilglied
34 (aufgefahrene Position)
- 52
- freigegebene
Einspritzöffnungen
- 60
- Ringfläche zweites
Ventilelement
- 61
- Durchgangsöffnung
- 62
- Stirnseite
erstes Ventilelement
- 63
- Ventilraum
- 64
- erste
Rücklaufleitung
- 65
- zweite
Rücklaufleitung
- 66
- Kolbenfortsatz
- 67
- Schließfeder
- 68
- Anschlag
erstes Ventilelement am zweiten Ventilelement
- 70
- Federelement
für zweites
Ventilelement
- 71
- Anschlag
Federelement
- 72
- Überströmspalt