DE19746492A1 - Kraftstoffeinspritzanlage für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Kraftstoffeinspritzanlage für eine Brennkraftmaschine nach der Gattung des Patentan­ spruchs 1.

Derartige Kraftstoffeinspritzanlagen sind beispielsweise aus der DE 43 37 048 C2 bekannt. Dabei ist einerseits eine Zwei­ stoffdüse vorgesehen, die der geschichteten Einspritzung von Kraftstoff und einer Zusatzflüssigkeit, beispielsweise Die­ selkraftstoff und Wasser dient, um den Schadstoffausstoß der Brennkraftmaschine zu vermindern und gegebenenfalls den Wir­ kungsgrad zu erhöhen. Andererseits ist bei der bekannten Einspritzanlage auch die sogenannte Common-Rail-Technik ver­ wirklicht, bei der sämtliche die Brennkraftmaschine bedie­ nenden Einspritzdüsen mit unter Hochdruck stehendem Kraft­ stoff aus einem Common-Rail-Druckspeicher beschickt werden.

Nachteilig bei der bekannten Kraftstoffeinspritzanlage ist, daß für jeden einzelnen Injektor zur Mengendosierung der Zu­ satzflüssigkeit ein aufwendiges und relativ teures 3/2-Wege­ ventil sowie für die Steuerung der Dieseleinspritzmenge ein weiteres 3/2-Wegeventil benötigt wird. Zum Vorlagern der Zu­ satzflüssigkeit wird dabei mit dem ersten 3/2-Wegeventil die Kraftstoffzufuhr vom Common-Rail-Druckspeicher zur Ein­ spritzdüse unterbrochen und gleichzeitig ein die Einspritz­ düse umgebender Druckraum, in dem unter Hochdruck stehender Kraftstoff gelagert ist, durch eine entsprechende Stellung des ersten 3/2-Wegeventils zur Kraftstoff-Niederdruckseite hin abgelassen. Durch den entstehenden Druckabfall im Druck­ raum wird über eine entsprechende Leitung Zusatzflüssigkeit in den Druckraum gefördert, die das entsprechende Kraft­ stoffvolumen verdrängt. Anschließend wird das erste 3/2-We­ geventil wieder in eine Stellung gebracht, die eine Verbin­ dung zwischen dem Common-Rail-Druckspeicher und dem Druck­ raum im Einspritzventil herstellt. Zur mengengenauen Dosie­ rung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge, die der vorgela­ gerten Zusatzflüssigkeit bei dem durch die nächste Ventil­ öffnung hervorgerufenen Einspritzstoß folgen soll, ist das weitere 3/2-Wege-Magnetventil vorgesehen, welches die Rück­ seite der Düsennadel, die von einer Feder in Schließstellung gehalten wird, wahlweise entweder mit dem Common-Rail-Druck­ speicher oder mit der Kraftstoff-Niederdruckseite verbindet und dadurch zeitlich den Hub der Ventilnadel, das Öffnen und Schließen des Ventils und damit die gewünschte Einspritzmen­ ge steuert.

Prinzipiell benötigt die bekannte Kraftstoffeinspritzanlage für jeden einzelnen Injektor die beiden genau arbeitenden und damit aufwendigen 3/2-Steuermagnetventile um sowohl die gewünschte Kraftstoffmenge als auch die erforderliche Menge an Zusatzflüssigkeit exakt dosieren zu können.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzanlage weist zur baulichen Vereinfachung und damit zur preisgünstigeren Her­ stellbarkeit die kennzeichnenden Merkmale des Patentan­ spruchs 1 auf. Dadurch können die beiden aufwendigen und teuren 3/2-Magnetsteuerventile durch einfachere und preis­ wertere 2/2-Wegeventile ersetzt werden, wobei gleichzeitig die Möglichkeit eröffnet wird, die Mengendosierung für die Zusatzflüssigkeit auf ein einziges, genau arbeitendes Do­ sierventil zu verlagern, das eine ganze Gruppe von Injekto­ ren bedienen kann. Während das zweite 2/2-Wegeventil ledig­ lich die Öffnungs- und Schließzeit für die Zusatzflüssig­ keitsvorlagerung bestimmt, wird die Mengendosierung für die einzuspritzende Kraftstoffmenge durch eine entsprechende Zeitsteuerung des ersten 2/2-Wegeventils in der Einspritz­ leitung zwischen dem Common-Rail-Druckspeicher und dem Druckraum bewirkt.

Um gleichbleibende Druckverhältnisse im Leitungssystem zu gewährleisten und insbesondere auch bei hohen Temperaturen ein Ausgasen der Zusatzflüssigkeit, in der Regel Wasser, bei Überschreiten des Siedepunktes zu verhindern, empfiehlt sich der Einsatz eines Rückschlagventils zwischen dem zweiten 2/2-Wegeventil und der Kraftstoff-Niederdruckseite.

Vorteilhaft ist es auch, wenn die Düsennadel am stumpfen En­ de ihres Injektorstößels in radialer Verlängerung einen kleinen Kolben trägt, der in einen mit Hochdruck vom Common- Rail-Druckspeicher beaufschlagten Raum ragt, welcher seiner­ seits druckdicht gegen den die Düsennadel umgebenden Raum abgedichtet ist. Durch die Beaufschlagung der gleichbleiben­ den Kolbenfläche mit dem Common-Rail-Druck werden die Steu­ erbewegungen der Düsennadel beim Einspritzvorgang unabhängig von den Absolutdruckverhältnissen im Common-Rail-Druckspei­ cher, weil zur Bewegung des Injektorstößels stets der glei­ che Widerstand, nämlich die Federkraft der Ventilfeder über­ wunden werden muß, so daß die Bewegungskräfte konstant blei­ ben. Dadurch ergeben sich regeltechnisch günstige konstante Schaltzeiten, die durch die jeweilige Bewegungszeit des In­ jektorstößels bestimmt werden.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Kraftstoffeinspritzanlage, bei der zur Förderung der Zusatzflüssigkeit eine Membran verwendet wird, deren eine Seite mit dem im Common-Rail-Druckspeicher herrschenden Hochdruck beaufschlagt ist, und deren andere Seite aufgrund der Druckimpulse im Common-Rail-Druckspeicher entweder di­ rekt oder über einen Hebelmechanismus eine Förderung der Zu­ satzflüssigkeit in die zur Zweistoffdüse führende Zusatz­ flüssigkeitsleitung bewirkt.

Die indirekte Förderung von Zusatzflüssigkeit kann bei­ spielsweise über einen Pumpenkolben erfolgen, der durch ei­ nen Hebelmechanismus mit der Membran verbunden ist und bei Druckänderungen im Common-Rail-Druckspeicher, die zu einer Membranbewegung führen, eine entsprechende Menge an Zusatz­ flüssigkeit fördert. Zum Ausgleich für eine Membranwegtrift beispielsweise bei unterschiedlichen Common-Rail-Basisdrüc­ ken sowie zur genauen Regelung der Mengendosierung der ge­ förderten Zusatzflüssigkeit kann das Hebelverhältnis und da­ mit das Hubvolumen des Pumpenkolbens durch einen Verstellme­ chanismus beeinflußt werden, der beispielsweise mittels ei­ nes Elektromotors angetrieben werden kann. Aufgrund der Pro­ portionalität der entnommenen Kraftstoffmenge zur geförder­ ten Zusatzflüssigkeitsmenge dürften aber kaum Verstellungen erforderlich sein, so daß die erfindungsgemäße Anordnung ei­ ne hohe Betriebsstabilität aufweist.

Zur Abdämpfung kleinerer Druckschwankungen mit höheren Fre­ quenzen kann bei einer Weiterbildung das Fördersystem für die Zusatzflüssigkeit als eine Art "hydraulischer Tiefpaß" ausgebildet sein, bei dem eine massive Trennwand (auch Mas­ senwand) die Membran an einem Ende des Common-Rail-Druck­ speichers einspannt, wobei in der Massenwand eine Blenden­ bohrung vorgesehen ist, die einen gedämpften Druckausgleich zwischen dem Common-Rail-Druckspeicher und dem Raum zwischen der Massenwand und der Membran zuläßt. Im elektrischen Ana­ logon eines Tiefpaßfilters entspräche dabei die Massenwand der Induktivität, die Blendenbohrung dem ohmschen Widerstand und die Membran einem Kondensator. Im Ergebnis können sich dadurch nur noch größere niederfrequente Druckschwankungen aufgrund von großen Volumenbewegungen des Kraftstoffes auf die Membranbewegung und damit auf die Förderung von Zusatz­ flüssigkeit auswirken.

Ganz besonders bevorzugt ist auch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzanlage, bei der ein weiterer Common-Rail-Druckspeicher zur Aufnahme von unter Druck stehender Zusatzflüssigkeit vorgesehen ist, welcher über ein 2/2-Wegeventil mit der zur Zweistoffdüse führenden Zusatzflüssigkeitsleitung verbunden ist und ähnliche Vortei­ le aufweist wie der an sich bekannte Common-Rail-Druckspei­ cher für Kraftstoff. Insbesondere läßt sich bei Verwendung eines solchen weiteren Common-Rail-Druckspeichers der oben beschriebene Fördermechanismus für die Zusatzflüssigkeit er­ heblich vereinfachen, indem die Membran über ein Rückschlag­ ventil direkt und ohne Zwischenschaltung eines einen Pumpen­ kolben antreibenden Hebelmechanismus durch Weitergabe ent­ sprechender Druckstöße an den weiteren Common-Rail-Druck­ speicher die Förderung von Zusatzflüssigkeit bewirken.

Ein besonderer Vorteil der Verwendung eines weiteren Common- Rail-Druckspeichers für Zusatzflüssigkeit besteht darin, daß das 2/2-Wegeventil in der Zusatzflüssigkeitsleitung eine ganze Gruppe von Injektoren versorgen kann, wobei lediglich sichergestellt werden muß, daß keine zeitlichen Überschnei­ dungen der Zumeßvorgänge für die einzelnen Injektoren auf­ treten.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegen­ stands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen zu entnehmen.

Zeichnung

Vier Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Kraftstoff­ einspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Be­ schreibung erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Beschaltung eines ersten Ausfüh­ rungsbeispiels der erfindungsgemäßen Kraftstoffein­ spritzanlage mit zwei 2/2-Wegeventilen zur Mengen­ steuerung der Förderung bzw. Einspritzung von Kraft­ stoff und Zusatzflüssigkeit durch eine schematisch im Längsschnitt dargestellte Zweistoffdüse, wobei die Zusatzflüssigkeitsleitung zur Zweistoffdüse von einem Trennkolbensystem mit Gleichdruckventilanord­ nung beschickt wird.

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit membranbetrie­ bener Zusatzflüssigkeitspumpe, wobei die Membran vom Druck im Common-Rail-Druckraum angesteuert wird und über einen Hebelmechanismus einen Förderpumpenkolben treibt;

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel analog Fig. 2, al­ lerdings mit einem weiteren Common-Rail-Druckspei­ cher für Zusatzflüssigkeit; und

Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel analog Fig. 3, das ebenfalls einen weiteren Common-Rail-Druckbehälter für die Zusatzflüssigkeit aufweist, wobei aber die Membran ohne Hebelmechanismus und ohne Pumpenkolben lediglich durch Druckstöße die Förderung der Zusatz­ flüssigkeit direkt bewirkt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Bei dem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzanlage für eine Brennkraftmaschine zur bifluiden Einspritzung von Kraftstoff (in der Regel Dieselkraftstoff) und einer Zusatzflüssigkeit (in der Regel Wasser) versorgt eine Hochdruckpumpe 1 einen Common-Rail-Druckspeicher 2 mit Kraftstoff auf einem Druck­ niveau von etwa 1800 bar. Zwischen dem Common-Rail-Druck­ speicher 2 und einem von diesem über eine Einspritzleitung 6 mit Kraftstoff zu versorgenden Druckraum 3.5, der die Düsen­ nadel 3.1 einer Zweistoffdüse 3 umgibt, muß nun ein mengen­ dosierendes Bauelement angeordnet werden, da ja die früher übliche klassische Einspritzpumpe durch die Kombination aus Common-Rail-Druckspeicher 2 und der einfacheren Hochdruck­ pumpe 1 ersetzt wurde und der Raildruck auf einem gewissen Niveau ständig vorhanden ist. Diese Aufgabe übernimmt bei der erfindungsgemäßen Anordnung ein erstes 2/2-Wegeventil MV1. Dieses sollte als schnelles Magnetventil mit guter Re­ produzierbarkeit und mehr oder weniger fließendem Übergang zwischen den beiden Extremstellungen ausgelegt sein, da eventuell ein zeitlich gestaltbarer Einspritzmengenverlauf benötigt wird. Die genaue Mengendosierung wird über den be­ kannten (gemessenen oder gesteuerten) Druckabfall zwischen dem Commom-Rail-Druckspeicher 2 und dem von der Zweistoffdü­ se 3 zu versorgenden Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine durch ein genaues Zeitfenster, dessen Größe von anderen Ein­ flußfaktoren abhängt, über eine elektrische Ansteuerung, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist, ermöglicht.

Der Aufbau und die Wirkungsweise der verwendeten Zweistoff­ düse 3 ist abgesehen von kleineren Details aus dem Stand der Technik bekannt. Beim erfindungsgemäßen System ist jedoch zusätzlich an dem der Düsennadelspitze abgewandten stumpfen axialen Ende der Düsennadel (Infektorstößel) 3.1 ein kleiner Kolben 3.3 vorgesehen, der mit seinem der Düsennadel 3.1 ab­ gewandten Ende in einen Raum 3.6 ragt, welcher über eine Leitung 4 direkt mit dem Common-Rail-Druckspeicher 2 verbun­ den ist und mit dem dort herrschenden Hochdruck beaufschlagt wird. Dies hat zur Folge, daß zur Bewegung des Injektorstö­ ßels 3.1 stets die im wesentlichen gleiche Widerstandskraft überwunden werden muß, da nun bedingt durch die konstanten Kolbenflächenverhältnisse und das Ausschalten der Einflüsse des Absolutdrucks im Common-Rail-Druckspeicher 2 nur ein konstanter Federdruck von einem Druckimpuls aus dem (verän­ derlichen) Raildruck überwunden werden muß. Damit stellen sich regeltechnisch willkommenere, annähernd konstante Schaltzeiten (Bewegungszeit des Injektorstößels) ein. Zur Belüftung des Raumes 3.2, der das stumpfe axiale Ende der Düsennadel 3.1 aufnimmt, und der gegen den Raum 3.6 hoch­ druckmäßig abgedichtet ist, ist eine zur Kraftstoff-Nieder­ druckseite hin führende Belüftungsleitung 5 vorgesehen.

Für die Einbringung von Zusatzflüssigkeit muß nun, wie im Prinzip aus dem Stand der Technik an sich bekannt, ein Weg für den durch die Zusatzflüssigkeit zu verdrängenden Kraft­ stoff aus der Zweistoffdüse 3 freigegeben werden. Dies ge­ schieht durch geeignetes Beschalten eines zweiten 2/2-Wege­ ventils MV2, dessen Eingang über eine Zufuhrleitung 7 mit der Einspritzleitung 6 und dessen Ausgang über eine Abfuhr­ leitung 8 mit der Kraftstoff-Niederdruckseite verbunden ist. Wenn Zusatzflüssigkeit zudosiert werden soll, ist das erste 2/2-Wegeventil MV1 geschossen und das zweite 2/2-Wegeventil wird auf Durchgang geschaltet. Dadurch entweicht unter Hoch­ druck stehender Kraftstoff aus dem Druckraum 3.5 über die Einspritzleitung 6, die Zufuhrleitung 7, die Abfuhrleitung 8 und ein Rückschlagventil 9 zur Kraftstoff-Niederdruckseite, in der Regel den Kraftstofftank. Dadurch kann Zusatzflüssig­ keit von einer zur Zweistoffdüse 3 führenden Zusatzflüssig­ keitsleitung 15 über ein Rückschlagventil 3.4 (mit p₀ = 15 bar) in den Druckraum 3.5 nachströmen. Die fluidführenden Bohrungen der Zweistoffdüse 3 und die Leitungslängen müssen allerdings so dimensioniert werden und die Leitungen so an­ gebracht sein, daß keine Zusatzflüssigkeit in den Kraft­ stofftank gelangen kann.

Vor dem eigentlichen Einspritzvorgang der Zusatzflüssigkeit muß die richtige Menge derselben zugemessen und bei noch niedrigem Systemdruck in die Zweistoffdüse 3 gefördert wer­ den. Dies wird mittels einer sogenannten M-Pumpe 13 bewirkt, die eine Betriebsflüssigkeit auf einem Vordruckniveau von ungefähr 2,5 bar in einen Trennkolben-Adapter 10 mit einem Trennkolben 11 und einem Gleichdruckventil 12 fördert. Der Trennkolben-Adapter 10 separiert die Betriebsflüssigkeit (in der Regel Dieselkraftstoff) der M-Pumpe 13 von der einzu­ bringenden Zusatzflüssigkeit (in der Regel Wasser). Dabei wird die Wasserseite eines Laufzylinders im Trennkolben 11 von einer Füllpumpe 14 über ein Rückschlagventil 16 mit Zu­ satzflüssigkeit auf niedrigem Druck (p < 2 bar) beschickt. Zum richtigen Zeitpunkt vor der eigentlichen Einspritzung, also zwischen den Einspritztakten, wird von der M-Pumpe 13 eine gewünschte Menge an Betriebsflüssigkeit mit einem höhe­ ren Druck als demjenigen, mit dem das Rückschlagventil 3.4 der Zweistoffdüse 3 eingestellt ist, an den Trennkolben 11 abgegeben. Dadurch wird die Menge an Zusatzflüssigkeit, die auf der anderen Seite des Trennkolbens 11 der Menge an Be­ triebsflüssigkeit der M-Pumpe 13 entspricht, über das Gleichdruckventil 12 an die Zusatzflüssigkeitsleitung 15 weitergegeben. Das Gleichdruckventil 12 dient zur Druckent­ spannung bzw. zur richtigen Vordruckversorgung der Zusatz­ flüssigkeitsleitung 15 zwischen dem Trennkolben-Adapter 11 und der Zweistoffdüse 3.

Das zweite 2/2-Wegeventil MV2 kann übrigens ein relativ ein­ faches und kostengünstigeres Ventil als das erste 2/2-Wege­ ventil MV1 sein, da die Exaktheit des letzteren für die Funktion der Kraftstoffverdrängung aus dem Druckraum 3.5 zum Zwecke der Vorlagerung von Zusatzflüssigkeit nicht unbedingt benötigt wird und im übrigen nur ein eindeutiges ja/nein- Verhalten des Ventils MV2 erforderlich ist.

Das in Fig. 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzanlage unterscheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten durch eine Modifikation des für die Förderung der Zusatzflüssigkeit verantwortlichen Teils der Anlage. Um die teure M-Pumpe 13 aus Fig. 1 durch preisgünstigere Aggregate zu ersetzen, ist nunmehr eine Pum­ pe für die Zusatzflüssigkeit mit dem Common-Rail-Druckspei­ cher 20 gekoppelt. Dazu ist eine Membran 21.1 mittels einer Massenwand 21.2 an einem Ende des Common-Rail-Druckspeichers 20 angelenkt, wobei die Massenwand 21.2 aufgrund einer leicht kegeligen Außenkontur die Membran 21.1 druckdicht in einen Hochdruckraum 20.1 des Common-Rail-Druckspeichers 20 einspannt. In der Massenwand 21.2 ist eine Blendenbohrung 21.3 vorgesehen, durch die Kraftstoff aus dem Hochdruckraum 20.1 in einen Raum 21.4, der von der Membran 21.1 und der Massenwand 21.2 umschlossen wird, je nach Druckgefällerich­ tung eindringen oder aus diesem austreten kann.

Ein Hebelmechanismus 22 ist einerseits mit der dem Raum 21.4 abgewandten Seite der Membran 21.1, andererseits mit einem Pumpenkolben 23.1 verbunden. Außerdem ist der Hebelmechanis­ mus 22 auf einem längsbeweglich geführten Schieber 24.1 drehbar gelagert. Aus Druckschwankungen im Hochdruckraum 20.1 aufgrund von ruckartiger Entnahme der Einspritzmenge an Kraftstoff ergibt sich eine Bewegung der Membran 21.1. Durch den Membranweg wird eine Hin- und Herbewegung des Hebelme­ chanismus 22 verursacht, welche wiederum einen entsprechen­ den Hub des Pumpenkolbens 23.1 zur Folge hat. Der Pumpenkol­ ben 23.1 wird über eine Druckfeder 23.2 entsprechend vorge­ spannt, so daß in keiner Bewegungsphase irgendwelche "Lose" entstehen können.

Während der Ansaugphase saugt der Pumpenkolben 23.1 über ei­ ne Leitung 29 mit einem Rückschlagventil 27 unterstützt durch eine Vorförderpumpe 20 eine entsprechende Menge an Zu­ satzflüssigkeit aus einem Tank 25. Beim Ausschieben wird die Wassermenge über die Zusatzflüssigkeitsleitung 15 und das Rückschlagventil 3.4 in die Zweistoffdüse 3 geschoben, falls das zweite 2/2-Wegeventil MV2 zum Dirigieren der Wassermenge durch einen Befehl des in der Zeichnung nicht dargestellten Motor-Managements geöffnet wurde.

Zur Vermeidung von Gewaltbrüchen beispielsweise in Folge ei­ ner Fehlfunktion des 2/2-Wegeventils MV2 ist ein Überdruck­ rückschlagventil 28 in einer von der Zusatzflüssigkeitslei­ tung 15 abzweigenden, direkt in den Vorratsbehälter 25 mün­ denden Überdruckleitung angeordnet, welches bei Überschrei­ ten eines entsprechenden Schwellendrucks aufmacht und eine Verbindung zwischen der Zusatzflüssigkeitsleitung 15 und dem Vorratsbehälter 25 herstellt.

Um die gewünschte Menge an Zusatzflüssigkeit richtig dosie­ ren zu können, wird der Schieber 24.1 von einem Elektromotor 24.3, welcher eine im Schieber 24.1 eingeschraubte Spindel 24.2 trägt, entsprechend einem Drehbefehl des Motor-Manage­ ments auf- oder abbewegt. Dadurch verstellt sich das Hebel­ verhältnis der Hebelanordnung 22, so daß unterschiedliche Hubvolumina des Pumpenkolbens 23.1 eingestellt werden kön­ nen. Auf diese Weise kann die Pumpeinrichtung entweder von einem Einspritzvorgang zum anderen in den gleichen Injektor 3 unterschiedliche Mengen an Zusatzflüssigkeit zumessen oder weitere an der Zusatzflüssigkeitsleitung 15 angeschlossene Injektoren (in der Zeichnung angedeutet durch eine Reihe paralleler Pfeile) können individuell mit der für sie je­ weils richtigen Menge an Zusatzflüssigkeit beschickt werden.

Auf die Bewegungssteuerung des Schiebers 24.1 nimmt auch der Kraftstoffdruck im Hochdruckraum 20.1, der mit einem Druck­ steuerventil 20.2 variierbar ist, über eine Membranwegtrift Einfluß. Um einigermaßen genaue Mengenzumessungen der einzu­ spritzenden Zusatzflüssigkeit vornehmen zu können, sollten entweder die Druckschwankungen im Hochdruckraum 20.1 gemes­ sen und mit der Membrankennung durch das Motor-Management berechnet werden. Von diesem kann dann der entsprechende Drehbefehl an den Elektromotor 24.3 abgegeben werden, wobei auch eine Lageerkennung der Spindel 24.2 hilfreich ist.

Alternativ kann auch der momentane Hub des Pumpenkolbens 23.1 gemessen und mit anderen wichtigen, momentan vorliegen­ den Daten sowie dem aktuellen Änderungswunsch verglichen und verrechnet werden, um möglichst schnell eine Anpassung an neue Verhältnisse (beispielsweise Änderung der Gaspedalstel­ lung durch den Fahrer eines motorbetriebenen Fahrzeugs) ge­ winnen zu können.

Nervöse Reaktionen der Membran 21.1, die durch Druckspitzen oder sonstige kleinere Druckschwankungen mit höheren Fre­ quenzen im Hochdruckraum 20.1 verursacht werden und einer genauen Zumessung der erforderlichen Zusatzflüssigkeit ab­ träglich sind, werden durch eine geeignete Dimensionierung und Abstimmung der Massenwand 21.2 mit der Blendenbohrung 21.3 und dem Federverhalten der Membran 21.1 abgedämpft. Im dynamischen Zusammenwirken der drei genannten Elemente wird sich nämlich ein Verhalten einstellen, welches einem hydrau­ lischen Tiefpaß gleichkommt, wobei die Massenwand 21.2 im elektrischen Analog einer Induktivität, die Blendenbohrung 21.3 einem ohmschen Widerstand und die Membran 21.1 einem Kondensator entspricht. Auf diese Weise können lediglich größere niederfrequente Druckschwankungen, die sich aus ent­ sprechenden größeren Volumenbewegungen im Hochdruckraum 20.1 ergeben, Auswirkungen auf die Membranbewegungen haben. Ein derartiger hydraulischer Tiefpaß wirkt sich außerdem vor­ teilhaft auf die Druckverhältnisse im Hochdruckraum 21.1 aus, da hiervon auch eine Dämpfung von Druckschwankungen stattfindet.

Die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der nach Fig. 2 im wesentlichen dadurch, daß zur Wasser­ versorgung der Zweistoffdüse 3 jetzt ein weiterer Common- Rail-Druckspeicher 32 zur Aufnahme von unter Druck stehender Zusatzflüssigkeit vorgesehen ist, der über ein weiteres 2/2- Wegeventil MV3 mit der zur Zweistoffdüse 3 führenden Zusatz­ flüssigkeitsleitung 15 sowie über ein Rückschlagventil 31 mit der Förderseite des membrangetriebenen Pumpenkolbens 23.1 verbunden ist.

Eine kompakte und raumsparende Gesamtanordnung ergibt sich, wenn, wie in Fig. 3 gezeigt, der weitere Common-Rail-Druck­ speicher 32 für die Zusatzflüssigkeit mit dem Common-Rail- Speicher 30, der den Hochdruckraum 30.1 für den Kraftstoff umfaßt, einstückig verbunden ist.

Die Funktion der Mengenzumessung von Zusatzflüssigkeit wird bei dieser Ausführungsform unter anderem auch dadurch er­ leichtert, daß sie von der Funktion der Förderung von Zu­ satzflüssigkeit getrennt ist. Auf diese Weise kann die Men­ genzumessung auch genauer erfolgen.

Zur Kosteneinsparung (höhere Stückzahlen) kann das weitere 2/2-Wegeventil MV3 baugleich mit dem ersten 2/2-Wegeventil MV1 gestaltet werden, wobei das 2/2-Wegeventil MV3 aller­ dings tauglich für den Betrieb mit der Zusatzflüssigkeit sein muß. Außerdem kann das weitere 2/2-Wegeventil MV3 eine ganze Gruppe von Zweistoffdüsen 3 versorgen, solange keine zeitlichen Überschneidungen der Zumeßvorgänge für die ver­ schiedenen Injektoren vorliegen. In welchen Injektor die je­ weils zugemessene Menge an Zusatzflüssigkeit abgehen soll, bestimmt wiederum ein einfach aufgebautes zweites 2/2-Wege­ ventil MV2, das allerdings für jede Zweistoffdüse der Gruppe vorhanden sein muß.

Um den steuerungstechnisch verwertbaren Druckabfall zwischen dem weiteren Common-Rail-Druckspeicher 32 mit Zusatzflüssig­ keit und dem Rest der hydraulischen Widerstandskette kon­ stant zu halten, ist der weitere Common-Rail-Druckspeicher 32 über ein Druckhalteventil 33 (p₀ = const) mit dem Vor­ ratsbehälter 25 für Zusatzflüssigkeit verbunden. Am Ende der hydraulischen Widerstandskette ist ein weiteres Druckhalte­ ventil 43 in der Abfuhrleitung 8 vorgesehen, die das zweite 2/2-Wegeventil MV2 mit der Kraftstoff-Niederdruckseite ver­ bindet.

Zur Abführung einer möglichen Leckage von Zusatzflüssigkeit aus dem den Hebelmechanismus 22 einschließenden Raum ist ei­ ne Leckageleitung 35 angebracht, die in den Vorratsbehälter 25 mündet.

Die Förderung der Zusatzflüssigkeit aus dem Zusatzbehälter 25 erfolgt über ein Rückschlagventil 34. Zur Unterstützung des Fluidförderung kann auch noch eine in der Zeichnung nicht dargestellte Pumpe vorgesehen sein.

Fig. 4 schließlich zeigt eine Weiterbildung der Ausführungs­ form nach Fig. 3, bei der auf einen Hebelmechanismus 22 so­ wie auf eine Verstellmimik verzichtet wurde. Die Förderung und Zumessung wird hier direkt von der an den Hochdruckraum 40.1 des Common-Rail-Druckspeichers 40 für Kraftstoff ange­ lenkten Membran 41.1 bewirkt, welche bei entsprechendem Überdruck im Hochdruckraum 40.1 einen Druckstoß an einen mit Zusatzflüssigkeit beschickten Raum 43 abgibt, der über das Rückschlagventil 31 in den weiteren Common-Rail-Druckspei­ cher 42 weitergegeben wird. Die übrigen Funktionen sind ganz analog zu denen des Ausführungsbeispiels nach Fig. 3.

Claims (21)

1. Kraftstoffeinspritzanlage für eine Brennkraftmaschine mit einer Hochdruckpumpe (1) zur Förderung des Kraft­ stoffes, vorzugsweise Dieselkraftstoff, in eine Zwei­ stoffdüse (3) sowie mit einer Fördereinrichtung zur Förderung einer über ein Rückschlagventil (3.4) geführ­ ten Zusatzflüssigkeit, vorzugsweise Wasser, in eine zu der Zweistoffdüse (3) führende Zusatzflüssigkeitslei­ tung (15), welche mit einem eine Düsennadel (3.1) der Zweistoffdüse (3) umgebenden Druckraum (3.5) verbunden ist, ferner mit einer Ventilanordnung zum Vorlagern der Zusatzflüssigkeitsmenge in der Zweistoffdüse (3), wobei das Öffnen und Schließen der Düsennadel (3.1) durch den Druck eines mit Kraftstoff unter Hochdruck gefüllten Common-Rail-Druckspeichers (2; 20; 30; 40) erfolgt, die Ventilanordnung zumindest teilweise in der Einspritz­ leitung (6) angeordnet ist und beim Vorlagern der Zu­ satzflüssigkeit die Kraftstoffzufuhr zur Einspritzdüse (3) unterbricht und den Druckraum (3.5) mit einer Kraftstoff-Niederdruckseite verbindet, und ansonsten die Verbindung zur Kraftstoff-Niederdruckseite unter­ bricht und den Druckraum (3.5) mit Hochdruckkraftstoff beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes 2/2-Wegeventil (MV1) in der Einspritz­ leitung (6) zwischen dem Common-Rail-Druckspeicher (2; 20; 30; 40) und dem Druckraum (3.5) sowie ein zweites 2/2-Wegeventil (MV2), dessen Eingang über eine Zufuhr­ leitung (7) mit der Einspritzleitung (6) an einer Stel­ le zwischen dem ersten 2/2-Wegeventil (MV1) und dem Druckraum (3.5), und dessen Ausgang über eine Abfuhr­ leitung (8) mit der Kraftstoff-Niederdruckseite ver­ bunden ist, vorgesehen sind.

2. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in der Abfuhrleitung (8) zwischen dem zweiten 2/2-Wegeventil (MV2) und der Kraftstoff-Nieder­ druckseite ein Rückschlagventil (9) vorgesehen ist.

3. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß an dem der Düsennadelspitze abgewandten stumpfen axialen Ende der Düsennadel (3.1) in deren axialer Verlängerung ein Kolben (3.3) fest, vorzugsweise einstückig mit der Düsennadel (3.1) ver­ bunden ist, welcher mit seinem der Düsennadel (3.1) ab­ gewandten axialen Ende in einen Raum (3.6) ragt, der gegen den das stumpfe axiale Ende der Düsennadel (3.1) aufnehmenden Raum (3.2) der Zweistoffdüse (3) druckfest abgedichtet und mit dem im Common-Rail-Druckspeicher (2; 20; 30; 40) herrschenden Hochdruck beaufschlagt ist.

4. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der das stumpfe axiale Ende der Dü­ sennadel (3.1) aufnehmende Raum (3.2) über eine Belüf­ tungsleitung (5) mit der Kraftstoff-Niederdruckseite verbunden ist.

5. Kraftstoffeinspritzanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an einem druck­ führenden Ende des Common-Rail-Druckspeichers (20; 30; 40) eine Membran (21.1; 41.1) angelenkt ist, deren eine Seite mit dem im Common-Rail-Druckspeicher (20; 30; 40) herrschenden Hochdruck beaufschlagt ist, und deren an­ dere Seite bei Druckschwankungen im Common-Rail-Druck­ speicher (20; 30; 40) direkt oder indirekt Zusatzflüs­ sigkeit aus einem Vorratsbehälter (25) und letztlich in die zur Zweistoffdüse (3) führende Zusatzflüssigkeits­ leitung (15) fördern kann.

6. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die dem Hochdruck im Common-Rail- Druckspeicher (20; 30) abgewandte andere Seite der Mem­ bran (21.1) mit einem Hebelmechanismus (22) verbunden ist, der bei entsprechender Bewegung der Membran (21.1) einen Pumpenkolben (23.1) antreiben kann, welcher Zu­ satzflüssigkeit aus dem Vorratsbehälter (25) fördert.

7. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in einer Leitung (29) vom Vorratsbe­ hälter (25) zum Pumpenkolben (23.1), von der die zur Zweistoffdüse (3) führende Zusatzflüssigkeitsleitung (15) abzweigt, eine Vorförderpumpe (26) zur Förderung der Zusatzflüssigkeit über größere Distanzen und/oder gegen ein geodätisches Gefälle vorgesehen ist.

8. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in der Leitung (29) zwischen der Vor­ förderpumpe (26) und dem Abzweigpunkt der zur Zwei­ stoffdüse (3) führenden Zusatzflüssigkeitsleitung (15) ein Rückschlagventil (27) angeordnet ist.

9. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß von der zur Zweistoffdüse (3) führen­ den Zusatzflüssigkeitsleitung (15) eine zum Vorratsbe­ hälter (25) führende Überdruckleitung mit einem Über­ druckrückschlagventil (28) vorgesehen ist, das bei Überschreiten eines entsprechenden Schwellendruckes in der Zusatzflüssigkeitsleitung (15) öffnet und die Zu­ satzflüssigkeitsleitung (15) direkt mit dem Vorratsbe­ hälter (25) verbindet.

10. Kraftstoffeinspritzanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verstellmecha­ nismus zur Verstellung des Hebelmechanismus (22) und damit des vom Pumpenkolben (23.1) bewegten Hubvolumens vorgesehen ist.

11. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Verstellmechanismus von einem Elektromotor (24.3) angetrieben ist.

12. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Elektromotor (24.3) eine Spindel (24.2) antreibt, die in einem längsbeweglichen Schieber (24.1) eingeschraubt ist, auf welchem ein Hebel des He­ belmechanismus (22) drehbar gelagert ist.

13. Kraftstoffeinspritzanlage nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (21.1; 41.1) über eine Massenwand (21.2) druckdicht im Common- Rail-Druckspeicher (20; 30; 40) eingespannt ist, wobei die Massenwand (21.2) eine Blendenbohrung (21.3) auf­ weist, durch die Kraftstoff je nach Druckgefällerich­ tung in einen Raum (21.4) zwischen der Membran (21.1; 41.1) und der Massenwand (21.2) eindringen oder aus diesem austreten kann.

14. Verfahren zum Betrieb einer Kraftstoffeinspritzanlage nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Common-Rail-Druckspeicher (20; 30; 40) auftretende Druckschwankungen gemessen und daraus ent­ sprechend der Membrankennung und dem aktuellen Bedarf an zu fördernder Zusatzflüssigkeit Steuerbefehle an den Verstellmechanismus abgeleitet werden.

15. Verfahren zum Betrieb einer Kraftstoffeinspritzanlage nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der momentane Hub des Pumpenkolbens (23.1) gemessen und daraus entsprechend der Membranken­ nung und dem aktuellen Bedarf an zu fördernder Zusatz­ flüssigkeit Steuerbefehle an den Verstellmechanismus abgeleitet werden.

16. Kraftstoffeinspritzanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Com­ mon-Rail-Druckspeicher (32) zur Aufnahme von unter Druck stehender Zusatzflüssigkeit vorgesehen ist, der über ein 2/2-Wegeventil (MV3) mit der zur Zweistoffdüse (3) führenden Zusatzflüssigkeitsleitung (15) und über ein Rückschlagventil (31) mit der Förderseite des mem­ brangetriebenen Pumpenkolbens (23.1) verbunden ist.

17. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein weiterer Common-Rail-Druckspei­ cher (42) zur Aufnahme von unter Druck stehender Zu­ satzflüssigkeit vorgesehen ist, der über ein 2/2-Wege­ ventil (MV3) mit der zur Zweistoffdüse (3) führenden Zusatzflüssigkeitsleitung (15) und über ein Rückschlag­ ventil (31) mit der Förderseite der Zusatzflüssigkeit fördernden Membran (41.1) verbunden ist.

18. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 16 oder 17, da­ durch gekennzeichnet, daß der weitere Common-Rail- Druckspeicher (32; 42) für Zusatzflüssigkeit vorzugs­ weise einstückig integriert ist mit dem Common-Rail- Druckspeicher für (30; 40) Kraftstoff.

19. Kraftstoffeinspritzanlage nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das 2/2-Wegeventil (MV3) in der Zusatzflüssigkeitsleitung (15) baugleich mit dem ersten 2/2-Wegeventil (MV1) in der Einspritz­ leitung (6) ist.

20. Kraftstoffeinspritzanlage nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das 2/2-Wegeventil (MV3) in der Zusatzflüssigkeitsleitung (15) eine Gruppe von mehreren Zweistoffdüsen (3) zeitlich nacheinander versorgt.

21. Kraftstoffeinspritzanlage nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Common- Rail-Druckspeicher (32; 42) für Zusatzflüssigkeit über ein Druckhalteventil (33) mit dem Vorratsbehälter (25) für Zusatzflüssigkeit und das zweite 2/2-Wegeventil (MV2) über ein weiteres Druckhalteventil (43) mit der Kraftstoff-Niederdruckseite verbunden ist.