DE10342567A1

DE10342567A1 - Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff

Info

Publication number: DE10342567A1
Application number: DE2003142567
Authority: DE
Inventors: Michael Kurz; Matthias Eisenmenger; Achim Brenk; Martin Kropp; Andreas Kellner; Juergen Hammer; Reinhard Tampe; Heike Bastian
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-09-15
Filing date: 2003-09-15
Publication date: 2005-04-14
Also published as: WO2005026527A1; TW200510632A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine mit einem von einem Hochdruckspeicher (5) versorgbaren Einspritzventil, welches ein erstes Düsennadelteil (13), welches mit ersten Einspritzöffnungen (22) zusammenwirkt, und ein zweites Düsennadelteil (17), welches mit zweiten Einspritzöffnungen (24) zusammenwirkt, umfasst. Das erste Düsennadelteil (13) und das zweite Düsennadelteil (17) sind unabhängig voneinander bewegbar, wobei das erste Düsennadelteil (13) von einem ersten Federelement (14) und das zweite Düsennadelteil (17) von einem zweiten Federelement (18) beaufschlagt werden. Zwischen dem Hochdruckspeicher (5) und dem Einspritzventil ist ein als 3/2-Wege-Ventil ausgebildetes Steuerventil (10) aufgenommen, welches während des Einspritzvorgangs einen Kraftstofffluss vom Hochdruckspeicher (5) in einen Druckraum (12) des Einspritzventils ermöglicht und eine Niederdruckleitung (26) zu einem Kraftstoffvorratsbehälter (1) verschließt und welches bei geschlossenen Einspritzöffnungen (22, 24) die Niederdruckleitung (26) vom Druckraum (12) zum Kraftstoffvorratsbehälter (1) öffnet und die Leitung (28) zum Hochdruckspeicher (5) verschließt.

Description

Technisches Gebiet
Zur Kraftstoffversorgung von Verbrennungskraftmaschinen werden heute druck- oder hubgesteuerte Einspritzsysteme eingesetzt. An diese Einspritzsysteme werden zunehmend höhere Anforderungen bezüglich der Ruß- und NO_x-Emissionen gestellt. Zudem wird eine immer höhere spezifische Leistung gewünscht. Insbesondere bei hubgesteuerten Einspritzsystemen entsteht zudem ein unerwünschtes höheres Geräusch als bei druckgesteuerten Einspritzsystemen.

In DE 102 29 417.8 wird ein druckgesteuertes Einspritzsystem mit Druckübersetzer und Koaxial-Variodüse beschrieben. Über eine Kraftstoffhochdruckquelle wird ein Kraftstoffinjektor mit Kraftstoff versorgt. Zwischen einem Einspritzventil und der Kraftstoffhochdruckquelle ist ein Druckverstärker angeordnet. Der Druckverstärker weist einen Übersetzerkolben auf, welcher einen an die Kraftstoffhochdruckquelle anschließbaren Druckraum von einem einen Düsenraum des Kraftstoffinjektors beaufschlagenden Hochdruckraum trennt. Das Einspritzventil des Kraftstoffinjektors umfasst eine Düsennadel, mit welchem einem Brennraum zuweisende Einspritzöffnungen freigebbar oder verschließbar sind. Die Düsennadel umfasst ein erstes Düsennadelteil und ein weiteres, zweites Düsennadelteil, die druckabhängig angesteuert, verschiedene Einspritzquerschnitte an einer Einspritzdüse freigeben bzw. verschließen.

DE 100 38 054 A1 hat eine nockenbetätigte Einspritzeinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einer als Doppelnadeldüse ausgeführten Einspritzdüse zum Gegenstand. Durch die mit ersten Einspritzöffnungen zusammenwirkende erste Düsennadel und mit zweiten Einspritzöffnungen zusammenwirkende zweite Düsennadel sind unterschiedliche Einspritzquerschnitte für den Teillastbetrieb und den Volllastbetrieb realisierbar. Zumindest eine der beiden Düsennadeln weist einen an einen Druckraum grenzenden Steuerkolben auf. In den Druckraum mündet eine Druckleitung, wobei der Druck im Druckraum über ein Ventil steuerbar ist. Vom Druckraum aus erstreckt sich eine Entlastungsleitung, in welcher das Ventil angeordnet ist. Auf die mittels des Steuerkolbens in Schließrichtung betätigte Düsennadel wirkt eine Schließfeder ein. Die beiden Düsennadeln sind konzentrisch zueinander angeordnet, wobei die erste Düsennadel innerhalb der als Hohlnadel ausgebildeten zweiten Düsennadel verschiebbar angeordnet ist.

Ein Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit einem Hochdrucksammelraum, in dem Kraftstoff unter hohem Druck anliegt, mit wenigstens einem Kraftstoffeinspritzventil, das mit dem Hochdrucksammelraum verbunden ist, ist in DE 100 58 130 A1 beschrieben. Durch das Kraftstoffeinspritzventil kann der unter hohem Druck stehende Kraftstoff durch Einspritzöffnungen in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden. Das Kraftstoffeinspritzventil weist einen Steuerraum auf, der durch einen längsverschiebbaren Kolben begrenzt wird und mit dem Kraftstoffeinspritzventil verbunden ist, so dass der Einspritzquerschnitt des Kraftstoffeinspritzventils abhängig vom hydraulischen Druck im Steuerraum gesteuert wird. Es ist ein Niederdrucksammelraum vorhanden, der mit dem Steuerraum verbindbar ist, wobei im Niederdrucksammelraum ein vorgegebener Kraftstoffdruck aufrechterhalten wird, der niedriger ist als der im Hochdrucksammelraum.

Darstellung der Erfindung

Bei den heute eingesetzten, hubgesteuerten Einspritzsystemen entsteht aufgrund ihres rechteckförmigen Einspritzverlaufs im Vergleich zu konventionellen druckgesteuerten Einspritzsystemen ohne Voreinspritzung ein höheres Geräusch. Um dies zu vermeiden, werden eine oder mehrere Voreinspritzungen erzeugt. Aus den Voreinspritzungen resultiert jedoch eine erhöhte Rußemission. Durch den Einsatz von druckgesteuerten Einspritzsystemen sind verbesserte Ruß- und NO_x-Emissionen zu erreichen. Eine Reduzierung der Emissionen bei den druckgesteuerten Einspritzsystemen bei gleichem Geräuschniveau wird im wesentlichen durch einen rampenförmigen Einspritzverlauf und eine am Ende des Einspritzvorgangs realisierbare Drucküberhöhung erreicht. Die mit dem druckgesteuerten Hochdruckeinspritzsystem realisierbare Drucküberhöhung lässt sich jedoch nicht für beliebig hohe Einspritzmengen nutzen. Aus diesem Grunde ist eine effiziente Einspritzung zum Erreichen hoher spezifischer Leistungen nicht mit der Forderung nach kleinen Einspritzöffnungen, die hinsichtlich der Emissionsentwicklung und der Geräuschreduzierung erforderlich sind, vereinbar.

Durch den Einsatz einer Variodüse lässt sich die Drucküberhöhung auch für höhere Einspritzmengen nutzen. Bei der Variodüse ist die Düsennadel in zumindest einen ersten Düsennadelteil und einen zweiten Düsennadelteil geteilt. Die Düsennadelteile lassen sich unabhängig voneinander bewegen, wodurch es möglich ist, dass die Düsennadelteile bei unterschiedlichem Druck öffnen. Hierdurch können im Teillastbereich der Verbrennungskraftmaschine kleine Einspritzöffnungen und im Volllastbereich der Verbrennungskraftmaschine zusätzliche Einspritzöffnungen und damit ein größerer Einspritzquerschnitt freigegeben werden. Variodüsen werden bei Pumpe-Düse-Systemen eingesetzt. Bei Einsatz der Variodüse für Hochdruckspeichersysteme zeigt sich jedoch, dass aufgrund der ständig von Druck beaufschlagten Düse permanent Leckage in Richtung des Brennraums über die Führung der inneren Düsennadel auftritt. Diese Leckage führt zu hohen Kohlenwasserstoff-Emissionen und zu einer schleichenden Schmierölverdünnung.

Aufgrund der hohen Drücke und den damit verbundenen hohen Kräften werden derzeit bei druckgesteuerten Hochdruckspeichersystemen zur Steuerung 3/2-Wege-Ventile mit großem Ventilquerschnitt eingesetzt. Wegen der dynamischen Schaltkräfte kommen dabei magnetventilgesteuerte Servo-Ventile zum Einsatz. Da Magnetventile jedoch nur begrenzte minimale Schaltzeiten aufweisen, müssen die Servo-Kolben langsam abgestimmt werden, um der Forderung nach Kleinstmengenfähigkeit gerecht zu werden. Diese langsame Abstimmung hat jedoch den Nachteil einer größeren Anfälligkeit hinsichtlich der Fertigungstoleranzen und führt zu Mehrkosten in der Fertigung.

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung lassen sich geringe Emissionen beim Einsatz einer druckgesteuerten Einspritzung erreichen. Dies wird dadurch erreicht, dass der Druckraum des Einspritzventils bei geschlossenen Einspritzöffnungen nur mit einem niedrigen Druck beaufschlagt oder drucklos gehalten wird. Der im geschlossenen Zustand des Einspritzventils drucklos gehaltene oder nur mit einem niedrigen Druck beaufschlagte Düsenraum führt auch zu einem geringeren Sitzverschleiß an der Düsennadel.

Der über einen Ringspalt mit einem Druckraum verbundene Düsenraum wird dadurch drucklos gehalten, dass die Kraftstoffzuleitung zum Druckraum über das 3/2-Wege-Ventil, welches als Steuerventil dient, mit dem unter Niederdruck stehenden oder drucklos gehaltenen Kraftstoffvorratsbehälter verbunden ist. Die Düsennadelteile der Düsennadel der Variodüse werden bei geschlossenem Einspritzventil durch Federelemente zum Verschließen der Einspritzöffnungen in Düsennadelsitze gedrückt. Dabei ist jedem Düsennadelteil ein eigenes Federelement zugeordnet. Die Federelemente werden vorzugsweise als Druckfedern ausgebildet und können für die einzelnen Düsennadelteile unterschiedliche Federkräf te aufweisen. Hierdurch ist die Möglichkeit gegeben, dass die Düsennadelteile bei unterschiedlichem Einspritzdruck öffnen.

Bei Umschaltung des 3/2-Wege-Ventils wird die Zuleitung zum Druckraum des Einspritzventils mit dem Hochdruckspeicher verbunden. Die zum Kraftstoffvorratsbehälter führende Niederdruckleitung wird dabei verschlossen. Aufgrund der Wellendynamik beim Einspritzvorgang tritt eine Drucküberhöhung auf. Diese Drucküberhöhung lässt sich bei der Einspritzung nutzen. Bei Erreichen des Öffnungsdrucks des ersten Düsennadelteils öffnet zunächst das erste Düsennadelteil. Die aufgrund der Wellendynamik auftretende Drucküberhöhung führt dazu, dass bei weiter steigendem Druck das zweite Düsennadelteil öffnet. Die hierdurch zusätzlich geöffneten Einspritzöffnungen führen zu einem höheren Düsendurchfluss. Durch die zusätzlich geöffneten Einspritzöffnungen und den damit vergrößerten Einspritzquerschnitt wird bei gleicher Kraftstoffmenge die Einspritzdauer verkürzt. Diese kürzere Einspritzdauer führt dazu, dass im Vergleich zu druckgesteuerten Hochdruckspeichereinspritzsystemen mit einer konventionellen Düse die Drucküberhöhung auch für große Einspritzmengen genutzt werden kann.

Die Steuerung des Einspritzventils kann mit Hilfe eines Magnetventils oder bevorzugt mit Hilfe eines Piezo-Aktors erfolgen. Zur Minimierung der Größe des Piezo-Aktors wird vorzugsweise als Steuerventil ein statisch oder dynamisch druckausgeglichenes 3/2-Wege-Ventil eingesetzt. Dabei bedeutet statisch druckausgeglichen, dass zwischen dem Dichtsitz und der Ventilführung bzw. dem zweiten Dichtsitz keine Druckstufe existiert, so dass am Ventilkolben im geschlossenen und/oder geöffneten Zustand keine statischen Kräfte aufgrund einer Druckstufe wirken und somit das Ventil schnell bewegt werden kann. Bei einem dynamischen Druckausgleich werden durch strömungsmechanische Maßnahmen zusätzlich auch Strömungskräfte wie 3D-Effekte oder Strömungsumlenkungen ausgeglichen. Dynamisch druckausgeglichene Ventile haben das Potential, bei geringem Leistungsbedarf sehr schnell zu arbeiten. Ein zwischen dem Piezo-Aktor und dem Kolben des 3/2-Wege-Ventils angeordneter Kopplerraum dient zur Weg- bzw. Kraftübersetzung des Piezostacks. Gleichzeitig dient er auch zum Temperaturausgleich, da der Hub des Aktors in der Größenordnung der Temperaturausdehnung liegt. Der Schließmechanismus des 3/2-Wege-Ventils kann zum Beispiel in Form eines Sitzes wie Kegelsitz oder Dichtsitz, in Form eines Schiebers oder in Form eines Flachsitzes ausgebildet sein. Mögliche Ausführungsvarianten sind dabei Sitz-Sitz-, Sitz-Flachsitz- oder Sitz-Schieber-Ventile oder auch jegliche weitere Kombinationen, welche dem Fachmann bekannt sind.

Die Befüllung des Kopplerraums des Piezo-Aktors erfolgt über eine Leckspalte am Koppler. Um hier fixierte Verhältnisse zu erhalten, wird durch eine Vorförderpumpe oder ein Druckhalteventil ein konstanter Druck im Niederdruckpfad gehalten. Der Niederdruckpfad umfasst auch den Druckraum und den die Federelemente zum Verschließen der Düsennadelteile aufnehmenden Federraum des Injektors, sowie den Zulaufraum und Ablaufraum des 3/2-Wege-Ventils und den Kopplerraum des Piezo-Aktors. Bei geschlossener Hochdruckleitung und damit gleichem Druck im Zulaufraum und Ablaufraum des 3/2-Wege-Ventils und des Kopplerraums wird der Kolben des 3/2-Wege-Ventils durch eine Feder im ersten Sitz gehalten, so dass kein Kraftstoff vom Hochdruckspeicher in den Düsenraum gelangen kann. Gleichzeitig ist in dieser Position der Weg für den Kraftstoff aus dem Düsenraum in die Leckageleitung freigegeben.

Die Düsennadel des Injektors ist vorzugsweise so ausgebildet, dass das zweite Düsennadelteil im Inneren des ersten Düsennadelteils geführt wird. Um entlang der Führung der Düsennadelteile in Form von Leckage auftretenden Kraftstoff zusammen- und zurückzuführen, können die Düsennadelteile vorzugsweise mit umlaufenden Ringnuten versehen werden. Wenn durch den Druck im Injektor eine Führungsleckage entlang der Nadelführung eines Düsennadelteils der Düsennadel auftritt, kann durch ein lokales Druckhalteventil der Bereich des 3/2-Wege-Ventils und des Kopplerraums vom Federraum abgekoppelt oder entkoppelt werden. Um einen Kraftstoffabfluss zu ermöglichen, kann die Ringnut im inneren Düsennadelteil durch einen Kanal durch den äußeren Düsennadelteil der Ringnut des äußeren Düsennadelteils verbunden werden. Die Ringnut des äußeren Düsennadelteils kann dann über einen weiteren Kanal mit der Ablaufleitung zum Kraftstoffvorratsbehälter verbunden werden.

Um den Einspritzvorgang zu starten, wird mit Hilfe des Piezo-Aktors die Verbindung vom Hochdruckspeicher zum Druckraum des Einspritzventils geöffnet. Der Druck im Druckraum steigt an und durch die Einwirkung des erhöhten Druckes auf eine Druckstufe am ersten Düsennadelteil öffnet das erste Düsennadelteil die zugeordneten Einspritzöffnungen. Hierdurch beginnt der Einspritzvorgang. Um den Hub des ersten Düsennadelteils zu begrenzen, befindet sich vorzugsweise im Federraum ein Anschlag. Aufgrund der durch das Öffnen des Steuerventils auftretenden Wellendynamik und damit verbundenen Drucküberhöhung öffnet sich bei Erreichen des entsprechenden Druckes durch den Druck an der Druckstufe des zweiten Düsennadelteils das zweite Düsennadelteil. Auch hier wird der Hub vorzugsweise durch einen Anschlag im Federraum begrenzt. Das geöffnete zweite Düsennadelteil gibt weitere Einspritzöffnungen frei, wodurch die Menge des eingespritzten Kraftstoffes erhöht wird. Zur Beendigung des Einspritzvorgangs wird mit dem 3/2-Wege-Ventil die Verbindung vom Hochdruckspeicher zum Druckraum geschlossen und gleichzeitig die Verbindung vom Druckraum zur Niederdruckleitung und zum Kraftstoffvorrats behälter freigegeben. Hierdurch sinkt der Druck im Druckraum wieder ab und die Düsennadel schließt.

Die Wellendynamik beim Einspritzvorgang führt jedoch insbesondere aufgrund der langen, dünnen Zulaufbohrung vom Ablaufraum des 3/2-Wege-Ventils in den Druckraum zu Druckschwingungen. Als Nachteil dieser Druckschwingungen zeigt sich, dass die zweite Düsennadel bei Erreichen des Düsenöffnungsdrucks nicht wie vorgesehen durch die erste Druckwelle geöffnet wird, sondern erst aufgrund einer späteren Druckwelle das Öffnen der zweiten Düsennadel ausgelöst wird. Im laufenden Betrieb der Verbrennungskraftmaschine fuhrt dies zu starken Drehmomentschwankungen und damit zu einer ungleichmäßigen Leistungsabgabe der Verbrennungskraftmaschine. Um die Druckschwingungen zu reduzieren, wird entsprechend der erfindungsgemäßen Lösung eine Drossel in die Zulaufbohrung vom Ablaufraum des 3/2-Wege-Ventils in den Druckraum integriert. Durch die Drossel werden die Druckschwingungen deutlich reduziert und der gesamte Druckverlauf stabilisiert. Hierdurch lässt sich ein definierter Öffnungsdruck des zweiten Düsennadelteils erreichen.

Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
Es zeigt:
1 eine Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff nach dem Stand der Technik,
2 eine Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Injektor mit Drossel in der Zulaufleitung;
3 einen erfindungsgemäß ausgebildeten Injektor;
4 eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäß ausgebildeten Injektors;
5 einen Druckverlauf während des Einspritzvorgangs ohne integrierte Drossel;
6 Nadelhübe des zweiten Düsennadelteils entsprechend des Druckverlaufs aus 5;
7 Druckverläufe während des Einspritzvorgangs mit und ohne vorgeschalteter Drossel bei unterschiedlichem Hochdruckspeicherdruck.
1 zeigt eine Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff nach dem Stand der Technik.
Bei der in 1 dargestellten Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff wird der Kraftstoff aus einem Kraftstoffvorratsbehälter 1 mit einem Kraftstoffförderaggregat 3, einem Hochdruckspeicher 5 (Common Rail) zugeführt. Optional kann dabei dem Kraftstoffförderaggregat 3 ein Vorförderaggregat 2 vorgeschaltet sein. Um einen konstanten Eintrittsdruck in das Kraftstoffförderaggregat 3 zu gewährleisten, ist zwischen dem Vorförderaggregat 2 und dem Kraftstoffförderaggregat 3 ein Bypass mit einem Überströmventil 4 angebracht. Bei Druckschwankungen wird Kraftstoff über das Überströmventil 4 zurück in den Kraftstoffvorratsbehälter 1 geleitet.
Der vom Kraftstoffförderaggregat 3 in den Hochdruckspeicher 5 geförderte Kraftstoff weist vorzugsweise einen Druck von bis zu 1800 bar auf. Zum Betrieb der Verbrennungskraftmaschine wird der unter hohem Druck stehende Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher 5 über einen ersten Injektor 6, einen zweiten Injektor 7, einen dritten Injektor 8 und einen vierten Injektor 9 jeweils zugeordneten Brennräumen zugeführt. Die Brennräume sind jeweils den Zylindern einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine zugeordnet, in denen durch das bei der Verbrennung entstehende, expandierende Gas Kolben bewegt werden, die ihrerseits eine Welle antreiben. Neben der hier dargestellten selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine mit vier Zylindern kann die Verbrennungskraftmaschine auch jede andere, dem Fachmann bekannte Anzahl an Zylindern aufweisen.
Bei der in 1 dargestellten Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine ist beispielhaft am vierten Injektor 9 der Aufbau eines Injektors schematisch dargestellt. Der hier dargestellte Injektor umfasst ein Einspritzventil, welches seinerseits eine koaxial ausgebildete Variodüse mit zwei Düsennadelteilen 13, 17 umfasst. Hierbei weist ein erstes Düsennadelteil 13 eine zentrale Bohrung auf, welche ein zweites Düsennadelteil 17 aufnimmt. Das erste Düsennadelteil 13 wirkt dabei mit ersten Einspritzöffnungen 22 und das zweite Düsennadelteil 17 mit zweiten Einspritzöffnungen 24 zusammen. Bei geschlossenen Einspritzöffnungen 22, 24 wird das erste Düsennadelteil 13 durch ein erstes Federelement 14, welches vorzugsweise als Druckfeder ausgebildet ist, und das zweite Düsennadelteil 17 durch ein zweites Federelement 18, welches ebenfalls vorzugsweise als Druckfeder ausgebildet ist, in den jeweiligen Sitz ge drückt. Die Ansteuerung des ersten Düsennadelteils 13 und des zweiten Düsennadelteils 17 erfolgt über ein ebenfalls im Injektor angeordnetes Steuerventil 10. Das Steuerventil 10 ist dabei als 3/2-Wege-Ventil ausgebildet.
Das Steuerventil 10 wird vorzugsweise über einen Piezo-Aktor 27 angesteuert. Neben dem Piezo-Aktor 27 eignet sich aber auch ein direktgesteuertes 3/2-Magnetventil oder ein 2/2-Magnetventil mit servogesteuertem 3/2-Wege-Ventil.
Zur Ansteuerung des Einspritzventils verläuft eine Zuleitung 11 vom Steuerventil 10 in einen Druckraum 12 des Einspritzventils. Bei geöffnetem ersten Düsennadelteil 13 gelangt der Kraftstoff vom Druckraum 12 über einen Ringspalt 20 in einen ersten Düsenraum 21. Vom Düsenraum 21 verlaufen die ersten Einspritzöffnungen 22 in einem Brennraum 25 der Verbrennungskraftmaschine. Bei geöffnetem zweiten Düsennadelteil 17 gelangt der Kraftstoff aus dem ersten Düsenraum 21 in einen zweiten Düsenraum 23, welcher über die zweiten Einspritzöffnungen 24 mit dem Brennraum 25 verbunden ist.
Zum Öffnen des Einspritzventils wird Kraftstoff über eine Hochdruckleitung 28 vom Hochdruckspeicher 5 über das Steuerventil 10 und die Zuleitung 11 in den Druckraum 12 gefördert. Durch die Einwirkung des hohen Druckes im Druckraum 12 auf eine Druckfläche 16 des ersten Düsennadelteils 13 wird das erste Düsennadelteil 13 gegen die Federkraft des Federelements 14 bis an einen ersten Anschlag 15 geführt. Hierdurch wird die Verbindung des Ringspalts 20 zum ersten Düsenraum 21 freigegeben und Kraftstoff kann über die ersten Einspritzöffnungen 22 in den Brennraum 25 gelangen. Bei Erreichen des Düsenöffnungsdrucks des zweiten Düsennadelteils 17 im Düsenraum 21 wird das zweite Düsennadelteil 17 gegen die Federkraft des Federelements 18 in Richtung eines Anschlags 19 bewegt. Hierdurch wird der zweite Düsenraum 23 geöffnet und Kraftstoff gelangt vom ersten Düsenraum 21 in den zweiten Düsenraum 23 und von dort über die zweiten Einspritzöffnungen 24 ebenfalls in den Brennraum 25 der Verbrennungskraftmaschine.
Zur Einsparung von Bauraum sind das erste Federelement 14, welches mit dem ersten Düsennadelteil 13 zusammenwirkt und das zweite Federelement 18, welches mit dem zweiten Düsennadelteil 17 zusammenwirkt, in einem gemeinsamen Federraum 43 angeordnet.
Zum Beendigen des Einspritzvorgangs wird die Hochdruckleitung 28 durch das Steuerventil 10 verschlossen. Gleichzeitig wird die Zuleitung 11 mit einer Niederdruckleitung 26 verbunden, welche den Rücklauf des Kraftstoffs in den Kraftstoffvorratsbehälter 1 gewährleistet. Aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem unter hohem Druck stehenden Kraftstoff im Druckraum 12 und dem niedrigen Druck in der Niederdruckleitung 26 strömt der Kraftstoff aus dem Druckraum 12 über die Zuleitung 11 und die Niederdruckleitung 26 in Richtung des Kraftstoffvorratsbehälters 1. Sobald die Druckkraft an der Druckstufe des zweiten Düsennadelteils 17 und an der Druckstufe 16 des ersten Düsennadelteils 13 unter die Federkräfte der Federelemente 14, 18 gefallen ist, schließen das zweite Düsennadelteil 17 und das erste Düsennadelteil 13.
Zur Unterstützung der Federkräfte des ersten Federelements 14 und des zweiten Federelements 18 beim Verschließen des ersten Düsennadelteils 13 und des zweiten Düsennadelteils 17 ist der Federraum 43 mit Kraftstoff gefüllt, der unter dem gleichen Druck steht wie der Kraftstoff in der Niederdruckleitung 26. Hierzu ist der Federraum 43 mit der Niederdruckleitung 26 verbunden.
Dadurch, dass der Kraftstoff im Druckraum 12 und im Ringspalt 20 bei geschlossenem Einspritzventil nicht von dem im Hochdruckspeicher 5 herrschenden Druck beaufschlagt ist, werden Leckageströmungen in den Federraum 43 und dadurch über die Niederdruckleitung 26 in den Rücklauf vermieden.
2 zeigt eine erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff mit einer Drossel in der Zuleitung.
Während des Einspritzvorgangs wird Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher 5 über die Hochdruckleitung 28, das Steuerventil 10 und die Zuleitung 11 dem Druckraum 12 des Einspritzventils zugeführt. Durch die auf die Druckstufe 16 wirkende Druckkraft durch den unter hohem Druck stehenden Kraftstoff im Druckraum 12 öffnet sich das erste Düsennadelteil 13 gegen die Federkraft des ersten Federelements 14, welche auf einer ersten Stirnfläche 35 des ersten Düsennadelteils 13 aufliegt. Zur Begrenzung des Hubes des ersten Düsennadelteils 13 ist im Federraum 43 ein Anschlag 15 angebracht. Das erste Düsennadelteil 13 stößt mit der Stirnfläche 35 gegen den Anschlag 15, wodurch der Hubweg des ersten Düsennadelteils 13 begrenzt wird. Bei geöffnetem ersten Düsennadelteil 13 strömt Kraftstoff aus dem Ringspalt 20 in den ersten Düsenraum 21. Der Druckraum 21 wird durch eine am zweiten Düsennadelteil 17 ausgebildete Druckstufe 39 begrenzt. Sobald der Druck im Düsenraum 21 und die Druckkraft auf die zweite Druckstufe 39 ausreichend hoch sind, wird das zweite Düsennadelteil 17 gegen die Federkraft des zweiten Federelements 18 bis an den Anschlag 19 bewegt. Das zweite Federelement 18 liegt dabei auf einer zweiten Stirnfläche 37 des als Flansch 36 ausgebildeten oberen Endes des zweiten Düsenelements 17. Bei geöffnetem zweiten Düsennadelteil 17 entsteht eine Verbindung vom ersten Düsenraum 21 in den zweiten Düsenraum 23. Der zweite Düsenraum 23 ist mit zweiten Einspritzöffnungen 24 versehen, durch die der Kraftstoff in den Brennraum 25 eingespritzt wird.
Zur Beendigung des Einspritzvorgangs wird durch das Steuerventil 10 die Hochdruckleitung 28 verschlossen und gleichzeitig eine Verbindung von der Zuleitung 11 zur Niederdruckleitung 26 geöffnet. Hierdurch kann der unter hohem Druck stehende Kraftstoff aus dem Druckraum 12 und dem Ringspalt 20 durch das Steuerventil 10 in Richtung des Kraftstoffvorratsbehälters 1 ablaufen. Sobald der Druck im ersten Düsenraum 21 soweit abgefallen ist, dass die Federkraft des zweiten Federelements 18 höher ist als die Druckkraft, die auf die zweite Druckstufe 39 wirkt, wird das zweite Düsennadelteil 17 in Richtung der zweiten Einspritzöffnungen 24 bewegt. Dabei wird die als Schließkegel 40 ausgebildete Spitze des zweiten Düsennadelteils 17 in einen Sitz 42 des zweiten Düsennadelteils 17 gepresst und verschließt so den zweiten Düsenraum 23. Sobald die Druckkraft auf die Druckstufe 16 so weit abgesunken ist, dass die Federkraft des ersten Federelements 14 größer ist als die Druckkraft wird das erste Düsennadelteil 13 in einen Sitz 38 des ersten Düsennadelteils 13 gedrückt. Durch die Ausbildung der Spitze des Einspritzventils in Form eines Konusses 41 wird erreicht, dass der Sitz 38 des ersten Düsennadelteils 13 die Form einer durchgehenden kreisförmigen Linie aufweist.
Eine gerade Auf- und Abbewegung des ersten Düsennadelteils 13 und des zweiten Düsennadelteils 17 zum Öffnen und Schließen der ersten Einspritzöffnungen 22 und der zweiten Einspritzöffnungen 24 wird dadurch erreicht, dass das erste Düsennadelteil 13 in einer ersten Führung 44 und das zweite Düsennadelteil 17 in einer zweiten Führung 45 geführt werden. Aufgrund des hohen Kraftstoffdruckes beim Einspritzvorgang können in den Führungen 44, 45 Leckageströmungen auftreten. Um den durch die Leckageströmungen in den Führungen 44, 45 befindlichen Kraftstoff zurückführen zu können, ist im ersten Düsennadelteil 13 und im zweiten Düsennadelteil 17 ein Entlastungsmechanismus vorgesehen. Hierzu ist im zweiten Düsennadelteil 17 eine innere Ringnut 31 und im ersten Düsennadelteil 13 eine äußere Ringnut 32 ausgebildet. Der Kraftstoff, welcher durch die Leckageströmungen in die Führungen 44, 45 gelangt ist, sammelt sich in den Ringnuten 31, 32. Der in der inneren Ringnut 31 angesammelte Kraftstoff wird über einen Verbindungskanal 34, der im ersten Düsennadelteil 13 ausgebildet ist, in die äußere Ringnut 32 geleitet. Von der äußeren Ringnut 32 führt eine Leckageleitung 33 in den Niederdruckbereich und zurück in den Kraftstoffvorratsbehälter 1.
Zur Unterstützung der Druckkraft des ersten Federelements 14 und des zweiten Federelements 18 wird der Federraum 43 mit unter Niederdruck stehendem Kraftstoff geflutet.
Hierzu steht der Federraum 43 mit dem Niederdruckteil der Vorrichtung zur Kraftstoffeinspritzung über den Federraumablauf 30 in Verbindung.
Um die während des Einspritzvorgangs auftretenden Druckschwankungen im Druckraum 12 zu reduzieren, ist bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff eine Drossel 29 in der Zuleitung 11 integriert.
3 zeigt einen erfindungsgemäß ausgebildeten Injektor mit einer ersten Ausführungsvariante für das Steuerventil.
Ein Injektor 50, wie er in 3 dargestellt ist, nimmt in einem Gehäuse die Einspritzvorrichtung mit der das erste Düsennadelteil 13 und das zweite Düsennadelteil 17 umfassenden Variodüse auf. Ferner ist im Gehäuse das Steuerventil 10 und der zur Ansteuerung des Steuerventils 10 notwendige Piezo-Aktor 27 aufgenommen. Bei der in 3 dargestellten Ausführungsvariante umfasst das Steuerventil 10 einen Zulaufraum 56, der über die Hochdruckleitung 28 mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff vom Hochdruckspeicher 5 versorgt wird, und einen Ablaufraum 57, der über die Zuleitung 11 mit dem Druckraum 12 des Einspritzventils verbunden ist und an dessen Unterseite die Niederdruckleitung 26, die mit dem Kraftstoffvorratsbehälter 1 verbunden ist, angeordnet ist. Weiterhin umfasst das Steuerventil 10 ein Schließelement 52. Auf der dem Zulaufraum 56 zugewandten Seite ist das Schließelement 52 halbkugelförmig ausgebildet und verschließt so in einem vorzugsweise kegelförmig ausgebildeten Dichtsitz 53 den Zulaufraum 56. Auf der dem Dichtsitz 53 gegenüberliegenden Seite ist das Schließelement 52 in Form eines Flachsitzes 54 ausgebildet. Mit dem Flachsitz 54 wird während des Einspritzvorgangs die an der Unterseite des Ablaufraums 57 aufgenommene Niederdruckleitung 26 verschlossen. Bei verschlossenen Einspritzöffnungen 22, 24 wird das Schließelement 52 mit Hilfe einer Ventilfeder 55 in den Dichtsitz 53 gedrückt. Zum Öffnen der Einspritzöffnungen 22 und 24 wird das Schließelement 52 mit Hilfe eines Ventilkolbens 51 gegen die Federkraft der Ventilfeder 55 nach unten gedrückt und so die Verbindung vom Hochdruckspeicher 5 über die Hochdruckleitung 28 zur Zuleitung 11 in den Druckraum 12 geöffnet.
Um die Baugröße des Piezo-Aktors 27 möglichst gering zu halten, ist dem Piezo-Aktor 27 ein Kopplerraum 61 nachgeschaltet, der als Wegübersetzer wirkt und gleichzeitig die Aufgabe hat, eine Temperaturausdehnung des Ventilkolbens 51 im Betrieb des Injektors 50 zu kompensieren. Die Befüllung des Kopplerraums 61 erfolgt über die Führung des Ventilkolbens 51. Zum Öffnen der Verbindung vom Hochdruckspeicher 5 in den Druckraum 12 wird ein Aktorkolben 62 vom Piezo-Aktor 27 in den Kopplerraum 61 bewegt. Hierdurch komprimiert der Kraftstoff im Kopplerraum 61 und bewegt seinerseits den Ventilkolben 51, wodurch das Schließelement 52 gegen die Ventilfeder 55 bewegt wird. Vorzugsweise ist der Ventilkolben 51 statisch druckausgeglichen ausgeführt. Das heißt, dass die Führung des Ventilkolbens 51 und der Dichtsitz 53 den gleichen Durchmesser aufweisen. Zusätzlich kann das Ventil auch dynamisch druckausgeglichen sein.
In 4 ist ein erfindungsgemäß ausgebildeter Injektor mit einem Steuerventil in einer weiteren Ausführungsvariante dargestellt.
Im Unterschied zu dem in 3 dargestellten Sitz-Flachsitz-Ventil handelt es sich bei dem Steuerventil 10, welches in 4 dargestellt ist, um ein Sitz-Schieber-Ventil. Bei dem als Sitz-Schieber-Ventil ausgebildeten 3/2-Wege-Ventil wird die Verbindung von der Hochdruckleitung 28 zur Zuleitung 11 in den Druckraum 12 durch einen vorzugsweise als Kegeldichtsitz ausgebildeten Ventilsitz 59 zwischen Zulaufraum 56 und Ablaufraum 57 verschlossen. Bei geöffneten Einspritzöffnungen wird die Verbindung von der Zuleitung 11 zur Niederdruckleitung 26 durch einen in Form eines Schiebers 60 ausgebildeten Ventilsitz verschlossen. Vorzugsweise ist auch das in 4 dargestellte Sitz-Schieber-Ventil statisch oder dynamisch druckausgeglichen.
In 5 ist der Druckverlauf im Düsenraum während des Einspritzvorgangs dargestellt.
Bei dem in 5 dargestellten Diagramm ist auf der Abszisse die Zeit in Millisekunden und auf der Ordinate der Druck im Düsenraum in bar aufgetragen. Bei der in 5 dargestellten Kurve sind deutlich die aufgrund der Wellendynamik entstehenden Druckschwingungen im Düsenraum erkennbar. Den drei größten Druckmaxima sind jeweils die durch die senkrechten Linien a, b und c gekennzeichneten Zeiten zugeordnet.
In 6 ist der Nadelhub des zweiten Düsennadelteils in Abhängigkeit von der Drucküberhöhung im Druckraum 12 dargestellt. In 6 ist auf der Abszisse ebenfalls die Zeit in Millisekunden aufgetragen und auf der Ordinate der Nadelhub des zweiten Düsennadelteils in Mikrometern. In 6 zeigt die Kurve d den Nadelhub des zweiten Düsennadelteils in Korrelation mit dem ersten Druckmaximum zum Zeitpunkt des mit der Linie a gekennzeichneten Druckmaximums. Die Kurve e zeigt den Nadelhub des zweiten Düsennadelteils, wenn der zweite Düsennadelteil 17 erst mit dem zweiten Druckmaximum zum mit der Linie b gekennzeichneten Zeitpunkt öffnet. Schließlich ist in Kurve f der Nadelhub des zweiten Düsennadelteils 17 dargestellt, wenn dieser erst mit dem dritten Druckmaximum zum mit der Linie c gekennzeichneten Zeitpunkt öffnet. Dadurch, dass der zweite Düsennadelteil 17 aufgrund von Hub/Hub-Streuungen nicht immer mit dem ersten Druckmaximum den Düsenöffnungsdruck erreicht, sondern auch erst mit der zweiten Druckwelle oder der dritten Druckwelle öffnet, führt das zu starken Drehmomentschwankungen. Die Ursache für die Drehmomentschwankungen ist ein Mengenspringen, da durch die unterschiedlichen Öffnungszeiten unterschiedlich viel Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird.
Zusätzlich zu den experimentell ermittelten Nadelhüben ist in 6 auch ein berechneter Verlauf für den Nadelhub des zweiten Düsennadelteils 17 dargestellt. Dieser ist mit dem Bezugszeichen g gekennzeichnet.
In 7 sind die rechnerisch ermittelten Druckverläufe für unterschiedliche Drücke im Hochdruckspeicher jeweils einmal mit und einmal ohne Drossel dargestellt.
Bei dem in 7 dargestellten Diagramm ist auf der Abszisse die Zeit in Millisekunden und auf der Ordinate der berechnete Druck im Düsenraum in bar dargestellt. Die mit dem Bezugszeichen s gekennzeichnete Kurve zeigt den Druck im Druckraum bei einem Hochdruckspeicherdruck auf einem ersten Druckniveau, wenn in der Zuleitung 11 keine Drossel integriert ist. Kurve t zeigt den Druckverlauf bei einem Hochdruckspeicherdruck auf dem ersten Druckniveau, wenn eine Drossel 29 in die Zuleitung 11 integriert ist. In Kurve u ist der Druckverlauf im Druckraum 12 bei einem Hochdruckspeicherdruck auf einem zweiten niedrigeren Druckniveau dargestellt, wenn keine Drossel 29 in der Zuleitung 11 integriert ist. Der Druckverlauf bei einem Hochdruckspeicherdruck auf dem zweiten Druckniveau mit integrierter Drossel 29 in die Zuleitung 11 ist in Kurve v dargestellt. Schließlich zeigt Kurve w den Druckverlauf im Druckraum 12 bei einem Hochdruckspeicherdruck auf einem dritten, noch niedrigeren Druckniveau ohne Drossel 29 in der Zuleitung 11 und Kurve x den Druckverlauf bei einem Hochdruckspeicherdruck auf dem dritten Druckniveau mit Drossel 29 in der Zuleitung 11.
Bei den in 7 dargestellten Kurvenverläufen lässt sich jeweils erkennen, dass der Druckverlauf bei einer integrierten Drossel 29 n der Zuleitung 11 glatter verläuft und deutlich geringere Druckschwankungen aufweist als der Druckverlauf, wenn keine Drossel 29 in der Zuleitung 11 integriert ist.

1: Kraftstoffvorratsbehälter
2: Vorförderaggregat
3: Kraftstoffförderaggregat
4: Überströmventil
5: Hochdruckspeicher
6: erster Injektor
7: zweiter Injektor
8: dritter Injektor
9: vierter Injektor
10: Steuerventil
11: Zuleitung
12: Druckraum
13: erstes Düsennadelteil
14: erstes Federelement
15: erster Anschlag
16: Druckstufe
17: zweites Düsennadelteil
18: zweites Federelement
19: zweiter Anschlag
20: Ringspalt
21: erster Düsenraum
22: erste Einspritzöffnungen
23: zweiter Düsenraum
24: zweite Einspritzöffnungen
25: Brennraum
26: Niederdruckleitung
27: Piezo-Aktor
28: Hochdruckleitung
29: Drossel
30: Federraumablauf
31: innere Ringnut
32: äußere Ringnut
33: Leckageleitung
34: Verbindungskanal
35: erste Stirnfläche
36: Flansch
37: zweite Stirnfläche
38: Sitz des ersten Düsennadelteils 13
39: zweite Druckstufe
40: Schließkegel
41: Konus
42: Sitz des zweiten Düsennadelteils 17
43: Federraum
44: erste Führung
45: zweite Führung
50: Injektor
51: Ventilkolben
52: Schließelement
53: Dichtsitz
54: Flachsitz
55: Ventilfeder
56: Zulaufraum
57: Ablaufraum
58: Ventilkolben
59: Ventilsitz
60: Schieber
61: Kopplerraum
62: Aktorkolben

Claims

Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine mit einem von einem Hochdruckspeicher (5) versorgbaren Einspritzventil, welches ein erstes Düsennadelteil (13), welches mit ersten Einspritzöffnungen (22) zusammenwirkt und ein zweites Düsennadelteil (17), welches mit zweiten Einspritzöffnungen (24) zusammenwirkt, umfasst, wobei das erste Düsennadelteil (13) und das zweite Düsennadelteil (17) unabhängig voneinander bewegbar sind und das erste Düsennadelteil (13) von einem ersten Federelement (14) und das zweite Düsennadelteil (17) von einem zweiten Federelement (18) beaufschlagt werden und wobei zwischen dem Hochdruckspeicher (5) und dem Einspritzventil ein als 3/2-Wege-Ventil ausgebildetes Steuerventil (10) aufgenommen ist, welches während des Einspritzvorgangs einen Kraftstofffluss über eine Hochdruckleitung (28) und eine Zuleitung (11) vom Hochdruckspeicher (5) in einen Druckraum (12) des Einspritzventils ermöglicht und eine Niederdruckleitung (26) zu einem Kraftstoffvorratsbehälter (1) verschließt und welches bei geschlossenen Einspritzöffnungen (22, 24) die Niederdruckleitung (26) vom Druckraum (12) zum Kraftstoffvorratsbehälter (1) öffnet und die Leitung (28) zum Hochdruckspeicher (5) verschließt, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (10) statisch oder dynamisch druckausgeglichen ist und über einen Piezo-Aktor (27) angesteuert wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuleitung (11) zwischen dem Steuerventil (10) und dem Druckraum (12) eine Drossel (29) aufgenommen ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Federelement (14) und das zweite Federelement (18) in einem gemeinsamen Federraum (43) aufgenommen sind.
Vorrichtung gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Federraum (43) über einen Federraumablauf (30) mit dem Kraftstoffvorratsbehälter (1) verbunden ist.
Vorrichtung gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Düsennadelteil (13) und das zweite Düsennadelteil (17) mit einem Entlastungsmechanismus versehen sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Entlastungsmechanismus das erste Düsennadelteil (13) mit einer äußeren Ringnut (32) und das zweite Düsennadelteil (17) mit einer inneren Ringnut (31) versehen ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Ringnut (31) und die äußere Ringnut (32) über eine Leckageleitung (33) mit dem Kraftstoffvorratsbehälter (1) verbunden sind.
Vorrichtung gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hub des ersten Düsennadelteils (13) durch einen ersten Anschlag (15) und der Hub des zweiten Düsennadelteils (17) durch einen zweiten Anschlag (19) begrenzt wird.
Vorrichtung gemäß einem oder mehrer der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Kraftstoffzufluss in den Druckraum (12) zunächst das erste Düsennadelteil (13) und bei weiter steigendem Druck das zweite Düsennadelteil (17) öffnet.