DE19847388A1 - Kraftstoffeinspritzsystem mit durch Kraftstoff kühlbaren Einspritzdüsen - Google Patents

Abstract

Ein Kraftstoffeinspritzsystem mit durch Kraftstoff kühlbaren Einspritzdüsen. Eine Kühlung der Einspritzdüsen erfolgt dabei mit einem in Abhängigkeit der Motorbetriebsparameter geregelten Kraftstoff-Volumenstrom.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzsystem mit durch Kraftstoff kühlbaren Einspritzdüsen.

Die Praxis hat gezeigt, daß im Betrieb einer Brenn­ kraftmaschine, insbesondere im Bremsbetrieb eines Die­ selmotors, wobei ein Abgasstau durch eine Bremsstau­ klappe, eine Abgasturboladerturbine oder durch eine Verbindung beider Teile mit einer hinter einer Ab­ gasturboladerturbine angeordneten Bremsstauklappe er­ zeugt wird, Probleme bei den Düsen von Einspritzventi­ len auftreten. Die Einspritzdüsen, insbesondere die Düsenkuppen von Einspritzventilen, zeigen häufig Über­ hitzungsschäden, verbunden mit Verkokungen, die von Kraftstoffrückständen, insbesondere bei Sacklochdüsen im Totraum oder durch Nachtropfen von nicht vollstän­ dig schließenden oder unkontrolliert abhebenden Düsen­ nadeln der Einspritzdüsen, aus der unbefeuerten Motor­ bremsphase stammen.

Da durch die hohen Anforderungen an eine Motorbrems­ leistung die Spaltquerschnitte von Bremsstauklappen sehr gering ausgelegt werden, sinkt der Motordurchsatz aufgrund der hohen Motorgegendrücke und dem damit ver­ ursachten niederen Liefergrad sehr stark ab. Dabei finden Rezirkulationen der aus einem Bremsventil in den Austrittskanal gepreßten heißen Luft zurück in die Zylinder statt. Dies bedeutet, die Öffnungen für die Rezirkulationsmenge können also einmal die Bremsven­ tilkanäle oder für die Hauptrezirkulationsmenge die Austrittsventile selbst sein. Es ist nämlich nicht immer gewährleistet, daß die Austrittsventile nur im üblichen Ladungswechselvorgang öffnen. Durch Druckwel­ len ergeben sich häufig unkontrollierte Öffnungspha­ sen, wodurch eine Aufladung der Zylinder von der Aus­ laßseite her erfolgt, was mit starken Temperaturanhe­ bungen im Zylinderraum verbunden ist, welche die oben erwähnten Probleme mitverursachen.

Die Wirkung von Überhitzungen der Einspritzdüsen, ins­ besondere dessen Düsenkuppen, betrifft eine mechani­ sche Überlastung der Düsenlöcher aufgrund der mit der Temperatur abnehmenden Festigkeitswerte bzw. dauerhaf­ ten Werkstoffveränderungen des Düsenwerkstoffes. Die nachteilige Folge davon ist ein Ausfransen der Düsen­ löcher im normalen befeuerten Betrieb, was die Strahlausbreitung des eingespritzten Kraftstoffes in nachteiliger Weise sehr stark verstimmt bzw. verän­ dert. Auf diese Weise wird die Gemischbildung des Kraftstoffes deutlich verschlechtert, was zu erhebli­ chen Verbrauchs- und Emissionsnachteilen führt.

Eine Verkokung der Düsenlöcher hat ebenfalls eine deutlich nachteilige Wirkung auf die Funktionsfähig­ keit der Einspritzventile mit den gleichen daraus re­ sultierenden Folgen für die Verbrauchs- und Emissions­ werte. Durch eine Verkokung werden die Düsenlöcher teilweise oder sogar vollständig verstopft, was zu asymmetrischen Strahlbildern bei der Einspritzung von Kraftstoff und damit zu einer verschlechterten Ge­ mischbildung mit nachfolgender unvollständiger Ver­ brennung einzelner Strahlenkegel führen kann.

Die vorstehend bei Bremssystemen mit Bremsstauklappen beschriebenen Probleme treten grundsätzlich auch bei höheren Bremsleistungen bei Bremssystemen auf, die einen "Bremsspalt" direkt vor dem Turbinenrad haben bzw. die verstellbare Leitgitter in der Abgasturbine aufweisen.

Auch in der Antriebsbetriebsweise des Motors kann es unter entsprechenden Umständen zu Temperaturproblemen an den Einspritzdüsen kommen, deren nachteilige Aus­ wirkungen sich nicht von den bereits beschriebenen Nachteilen unterscheiden.

Man hat versucht die hohen Temperaturbelastungen an den Einspritzdüsen durch aufwendige Maßnahmen zu redu­ zieren, z. B. durch den Versuch, die entstehende Wärme schneller abzuleiten, um die Temperaturspitzen zu sen­ ken. Neben den daraus resultierenden höheren Aufwen­ dungen war das Ergebnis daraus unzureichend.

In der älteren Anmeldung DE 198 02 626 wird ein Ver­ fahren offenbart, welches die oben genannten Probleme teilweise zu lösen vermag. Die dort beschriebene Lö­ sungsmöglichkeit sieht eine Kraftstoffeinspritzung in bestimmten Phasen des Motorbetriebs der Kompressions­ phase vor, so daß der eingespritzte Kraftstoff nicht zur Zündung gelangt. Dieses Verfahren kann je­ doch nicht in allen Belangen akzeptiert werden, da es einen erhöhten Kraftstoffverbrauch verursacht und un­ verbrannte Kohlenwasserstoffe an die umgebende Atmo­ sphäre emittiert werden. Darüber hinaus ist dieses Verfahren praktisch nur im Motorbremsbetrieb möglich, wobei die maximal realsierbare Motorbremsleistung un­ ter anderem durch die angestrebte Langzeitfestigkeit der Einspritzdüsen begrenzt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Kraftstoffeinspritzsystem zu schaffen, bei dem eine Kühlung der Einspritzdüsen unabhängig vom Betriebszu­ stand des Motors erfolgen kann, wobei kein unverbrann­ ter Kraftstoff in die den Motor umgebende Atmosphäre gelangt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Die Kühlung der Einspritzdüsen erfolgt in besonders vorteilhafter Weise durch fließenden Kraftstoff, wel­ cher die Einspritzdüse durchströmt. Dabei umströmt ein in Abhängigkeit der Motorbetriebsparameter geregelter Kraftstoff-Volumenstrom den vorderen Bereich der Ein­ spritzdüsen. Durch den strömenden Kraftstoff kommt es zu einer erzwungenen Konvektion. Dadurch findet ein annähernd idealer Wärmeübergang von der Einspritzdüse auf den fließenden, als Kühlmittel dienenden Kraft­ stoff statt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Regelung des Kraftstoff-Volumenstroms und damit der Wärmeabfuhr in der Einspritzdüse in idealer Weise durch ein Ventil und eine Drossel im Kraft­ stoffrücklauf erfolgen. Durch die Regelung ist man nun in der Lage, die Einspritzdüse immer dann ideal zu kühlen, wenn dies erforderlich ist und gerade kein Einspritzen von Kraftstoff in den Verbrennungsraum des Motors an der jeweiligen Einspritzdüse erfolgt.

Bezüglich des Motorbetriebs, insbesondere des Motor­ bremsbetriebs, ergeben sich hier einige Vorteile. So wird das Material der Einspritzdüsen bei weitem weni­ ger stark thermisch belastet als ohne die Kühlung mit dem strömenden Kraftstoff, wodurch vor allem eine Ver­ kokung der Düsenlöcher und die damit verbundenen gra­ vierenden Nachteile effektiv vermieden werden. Dies führt ganz allgemein zu einer besseren Kontrollierbar­ keit des gesamten Motorverhaltens und eröffnet die Möglichkeit den Motor besser steuern/regeln zu können. Ansprechverhalten, Leistungsabgabe, Verschleiß und Abgasemissionen lassen sich so weiter optimieren.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dar­ gestellten Ausführungsbeispiel.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Funktionsschema einer Motorsteuerung mit einem Kraftstoffeinspritzsystem;

Fig. 2 einen vereinfachten Hydraulikplan des Kraft­ stoffeinspritzsystems; und

Fig. 3 einen Schnitt durch eine Einspritzdüse des Kraftstoffeinspritzsystems.

In Fig. 1 ist das prinzipielle Funktionsschema einer Motorsteuerung mit Kraftstoffeinspritzsystem darge­ stellt. Neben einem allgemeinen Motorsteuergerät 1 sind Regeleinheiten 2, 3 und 4 für Kraftstoffein­ spritzung, Bremsventile und Abgasturboladersystem gesondert dargestellt.

Der eigentliche Kern des Funktionsschemas ist eine Brennkraftmaschine 5, die nachfolgend als Motor 5 be­ zeichnet wird, mit einer Kupplung 6 und einem Getriebe 7, welches das durch den Motor 5 erzeugte Abtriebs- Drehmoment, hier durch einen Wellenstumpf 8 angedeu­ tet, an den Fahrantrieb (nicht dargestellt) weiterlei­ tet.

Das Abgas des Verbrennungsmotors 5 gelangt über eine Abgasleitung 9 zu einem Abgasturboladersystem 10 mit einer Varioturbine 11, in der ein Teil des Rest­ energieinhalts des Abgases in mechanische Energie um­ gewandelt wird, bevor das Abgas dann in das weitere Abgassystem (nicht dargestellt) des Motors 5 gelangt und an die Atmosphäre abgegeben wird. Mit der durch die Varioturbine 11 gewonnenen mechanischen Energie wird ein Verdichter 12 des Abgasturboladersystems 10 betrieben, der angesaugte Frischluft verdichtet und über eine Ansaugleitung 13 dem Motor 5 zur Verbrennung zuführt.

Um das Abgasturboladersystem 10 entsprechend der Mo­ torbetriebsparameter beeinflussen zu können, weist insbesondere die Varioturbine 11 ein mit der Regelein­ heit 4 des Abgasturboladersystems 10 kommunizierendes Stellglied 14 auf.

Im Inneren des angedeuteten Motors 5 sind nur die für die Erfindung relevanten Teile, nämlich eines der Bremsventile 15 und eine Einspritzdüse 16 dargestellt. Die Elemente der Einspritzdüse 16, wie eine Nadel 17, ein Nadelgehäuse 18 und ein Sammelraum 19 sind in den nachfolgenden Figuren näher erkennbar. Neben der Ein­ spritzdüse 16 und der Regeleinheit 2 der Kraftstoff­ einspritzung 2 gehören auch noch ein Kühlventil 20, ein Einspritzventil 21, eine variable Drossel 22 und eine elektronische Kühlungs-Regeleinheit 23 zu dem Kraft­ stoffeinspritzsystem.

Fig. 2 beschreibt einen vereinfachten Hydraulikplan des Kraftstoffeinspritzsystems, wobei hier im Gegen­ satz zu Fig. 1 auch die Kraftstoffzu- und -ableitungen dargestellt sind. Von einer Kraftstoffspeichereinrich­ tung 24 fördert eine Kraftstoffördereinrichtung, die aus einer Kraftstoffpumpe 25 und einer Steckkolbenpum­ pe 26 besteht, den Kraftstoff zu dem Einspritzventil 16 des Motors 5. Dabei wird der Kraftstoff durch eine Niederdruckleitung 27 zu der Steckkolbenpumpe 26 ge­ fördert, welche dann den Kraftstoffdruck erhöht. Von der Steckkolbenpumpe 26 gelangt der Kraftstoff durch eine Hochdruckleitung 28 zu der Einspritzdüse 16 und durch einen weiteren Teil der Hochdruckleitung 28' zu dem Einspritzventil 21.

In dem Inneren der Einspritzdüse 16 (in Fig. 3 näher beschrieben) ist der Kraftstoff ab einem gewissen Druck in der Lage, die Nadel 17 gegen die Kraft einer Feder 29 von einem Nadelsitz 30 abzuheben. Dadurch gibt die Nadel 17 mehrere Einspritzöffnungen 31 frei und Kraftstoff kann in den Verbrennungsraum (nicht dargestellt) des Motors 5 eingespritzt werden.

Um den für eine Einspritzung erforderlichen Kraft­ stoffdruck in der Einspritzdüse 16 zu erzeugen, wird über das Einspritzventil 21 die Verbindung von der Hochdruckleitung 28' zu einem gedrosselten Rücklauf 32 abgesperrt. Dadurch baut sich in der Hochdruckleitung 28 ein hoher Druck auf, welcher ausreicht, die Nadel 17 gegen die Kraft der Feder 29 von dem Nadelsitz 30 abzuheben, so daß Kraftstoff in den Verbrennungsraum des Motors 5 eingespritzt werden kann. Zu allen Zeit­ punkten, in denen kein Kraftstoff in den Verbrennungs­ raum eingespritzt werden soll, ist das Einspritzventil 21 geöffnet, so daß sich über die gedrosselte Rück­ laufleitung 32 der Druck in der Hochdruckleitung 28 nicht bis zu dem für eine Einspritzung erforderlichen Maß aufbauen kann.

Zu Zeitpunkten, in denen kein Kraftstoff in den Ver­ brennungsraum des Motors 5 eingespritzt wird, bleibt das Einspritzventil 21 geöffnet. Dadurch kann sich in den Hochdruckleitungen 28, 28' und in der Einspritzdü­ se 16 kein ausreichend hoher Druck aufbauen um die Nadel 17 gegen die Kraft der Feder 29 von dem Nadel­ sitz 30 abzuheben. Der dabei in die Einspritzdüse 16 geförderte und nicht eingespritzte Kraftstoff gelangt auf diese Weise über einen ebenfalls gedrosselten Ein­ spritzdüsen-Rücklauf 33 in den gedrosselten Rücklauf 32.

In einer möglichen Ausführungsform des Kraftstoffein­ spritzsystems kann der Einspritzdüsen-Rücklauf 33 eine Verbindungsleitung 34 zu dem Sammelraum 19 aufweisen. Hierdurch gelangt Kraftstoff in den, das Nadelgehäuse 18 umschließenden Sammelraum 19 und ermöglicht so eine Kühlung des vorderen Bereichs des Nadelgehäuses 18 der Einspritzdüse 16. Diese Kühlung durch fließenden Kraftstoff ist immer dann möglich, wenn das Kühlventil 20 geöffnet ist und die variable Drossel 22 einen Kühlrücklauf 35 zur gedrosselten Rücklaufleitung 32 freigibt, und damit einen Kraftstoff-Volumenstrom zu dem Kraftstoffvorratsbehälter 24 ermöglicht.

In einer alternativen, besonders günstigen Ausfüh­ rungsform der Erfindung kann auf diese Verbindungslei­ tung 34 verzichtet werden. Wie in Fig. 3 dargestellt, weist die Einspritzdüse 16 dazu Bohrungen 36 im vorde­ ren Bereich des Nadelgehäuses 18 auf. Der kühlende Kraftstoff-Volumenstrom gelangt durch die Hochdruck­ leitung 28 in das Innere der Einspritzdüse 16 und von dort entlang der Nadel 17 durch die Bohrungen 36 in den Sammelraum 19. Durch die Lage der Bohrungen 36 in der Nähe des thermisch hochbelasteten vorderen Be­ reichs der Nadel 17 ist durch den strömenden Kraft­ stoff eine sehr effektive Abfuhr der überschüssigen Wärmemenge von der Nadel 17 und dem Nadelgehäuse 18 möglich. Auch hier gelangt der fließende, kühlende Kraftstoff bei geöffnetem Kühlventil 20 und offener variabler Drossel 22 in den Kühlrücklauf 35 und von dort über den gedrosselten Rücklauf 32 zurück zu der Kraftstoffspeichereinrichtung 24.

Die Aufgabe der Regelung 23 der Einspritzdüsenkühlung besteht nun in dem Regeln des Einspritzventils 21, des Kühlventils 20 und der variablen Drossel 22 im Kühl­ rücklauf 35. In Fig. 1 wird dies durch die Signallei­ tungen 37 zu den genannten Elementen angedeutet. Die Regelung der beiden Ventile 20, 21 kann einerseits in Abhängigkeit voneinander oder andererseits aber unab­ hängig voneinander erfolgen. Es muß lediglich sicher­ gestellt sein, daß die Regelung 23 der Einspritzdüsen­ kühlung durch eine der Datenleitungen 38 mit der Regel­ einheit 2 der Kraftstoffeinspritzung kommunizieren kann, so daß sichergestellt ist, daß eine ungestörte Kraftstoffeinspritzung immer dann erfolgen kann, wenn dies von der Motorelektronik 1 gefordert wird.

Seitens der Regelung 23 der Einspritzdüsenkühlung wird das Einspritzventil 21 derart geregelt, daß im Falle der Kühlung der Einspritzdüse 16 der Kraftstoffdruck immer unterhalb jenes Drucks gehalten wird, der für ein Abheben der Nadel 17 gegen die Kraft der Feder 29 und damit für eine Einspritzung von Kraftstoff in den Verbrennungsraum des Motors 5 notwendig wäre.

Die Regelung 23 der Einspritzdüsenkühlung beeinflußt dabei über die eine der Signalleitungen 37 die varia­ ble Drossel 22. Durch eine Veränderung des Strömungs­ querschnitts läßt sich der zur bestmöglichen Kühlung der Einspritzdüse 16 erforderliche Kraftstoff- Volumenstrom in Abhängigkeit der Motorbetriebsparame­ ter regeln. Zusätzlich läßt sich über diesen Weg auch der Kraftstoffdruck im Inneren der Einspritzdüse 17 beeinflussen.

Im Allgemeinen wird die Kühlung der Einspritzdüse 16 vorrangig im Bremsbetrieb des Motors 5 erfolgen. In­ formationen über den Betriebszustand des Motors 5 er­ hält die Regelung 23 der Einspritzdüsenkühlung dabei über die Signalleitungen 37, die sie mit der Regelein­ heit 2 der Kraftstoffeinspritzung, der Regeleinheit 3 der Bremsventile und der Regeleinheit 4 des Abgasturbo­ ladersystems verbinden. Dabei kann z. B. der Zustand der Bremsventile 15 über den Betriebszustand des Mo­ tors 5 Auskunft geben. Ähnliches gilt für das Zusam­ menspiel zwischen der Regeleinheit 4 des Abgasturbola­ dersystems, der Regeleinheit 2 der Kraftstoffeinsprit­ zung und der Regelung 23 der Einspritzdüsenkühlung.

Weitere Signalleitungen 39 erlauben der Regelung 23 der Einspritzdüsenkühlung Informationen über die Mo­ tordrehzahl (n) und über den Ladedruck (p), der in etwa proportional dem Zylindergasdruck ist, zu bekom­ men. Diese Größen liefern ein gutes Bild des Motorzu­ standes, insbesondere im Bremsbetrieb des Motors 5. Sie stellen ein gutes Maß für die momentane Bremslei­ stung und damit für die an der Einspritzdüse 16 abzu­ führende Wärmemenge dar.

Während der Kühlung der Einspritzdüse 16, welche ja insbesondere im Bremsbetrieb des Motors 5 stattfinden soll, dienen die Drehzahl des Motors 5 und/oder der Ladedruck als relevante Größen für die quantitative Beeinflussung des kühlenden Kraftstoff-Volumenstroms. Der kühlende Kraftstoff-Volumenstrom wird durch das Öffnen der beiden Ventile 20, 21 initiiert und durch die variable Drossel 22 wird der erforderliche Kraft­ stoff-Volumenstrom und damit die abzuführende Wärme­ menge geregelt.

Zusätzlich kann eine Kühlung der Einspritzdüsen 16 auch in der Antriebsbetriebsweise des Motors 5 Sinn machen. Hierzu kann über eine getaktete Ventilregelung des Kühlventils 20 in Abhängigkeit der Kurbelwellen­ winkelphasen, in denen keine Einspritzung durchgeführt wird, eine Zwischenkühlung der Einspritzdüse 16 erfol­ gen.

Die prinzipiell für die Kühlung der Einspritzdüse 16 vorgesehenen Elemente, insbesondere das Kühlventil 20 und die variable Drossel 22, erlauben darüber hinaus im Zusammenspiel mit der Basiseinspritzdüsenvorrich­ tung, also der vor der Erfindung der Einspritzdüsen­ kühlung vorhandenen Elementen, eine Druckbeeinflussung in der Einspritzdüse 16 über die Erzeugung des reinen Abhebedrucks der Nadel 17 hinaus. Das bedeutet, daß auch auf diese Weise eine Einspritzung erreicht werden kann, und daß das Einspritzprofil des Einspritzstrahls durch die ursprünglich für die Kühlfunktion vorgesehe­ nen Elemente (Einspritzventil 20 und variable Drossel 22) formbar ist. Als idealer Nebeneffekt der vorlie­ genden Erfindung kann also eine Optimierung des Ver­ brennungsvorgangs an sich erfolgen, wodurch sich Lei­ stungs- und Emissionswerte noch weiter verbessern las­ sen sollten.

Claims (7)

1. Kraftstoffeinspritzsystem mit durch Kraftstoff kühlbaren Einspritzdüsen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kühlung der Einspritzdüsen (16) mit einem in Abhängigkeit der Betriebsparameter eines Motors (5) geregelten Kraftstoff-Volumenstrom erfolgt, der die Einspritzdüsen (16) durchströmt und der in einem Rücklauf geführt wird.

2. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von einer Kraftstoffördereinrichtung (25, 26) ein kontinuierlicher Kraftstoff-Volumenstrom zur Ein­ spritzdüse (16) gefördert wird, wobei das Kraft­ stoffeinspritzsystem einen Kraftstoffrücklauf (32, 33) von der Einspritzdüse (16) zu einer Kraft­ stoffspeichereinrichtung (24) aufweist.

3. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse (16) eine Nadel (17) und ein Nadelgehäuse (18) aufweist, wobei um den vorderen Bereich des Nadelgehäuses (18) ein Sammelraum (19) angeordnet ist, und wobei dieser Sammelraum (19) einen Kühlrücklauf (35, 32) zu der Kraftstoffspei­ chereinrichtung (24) aufweist.

4. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlrücklauf (35, 32) zu der Kraftstoffspei­ chereinrichtung (24) wenigstens ein Stellglied (20, 22) zur Regelung des Kraftstoff-Volumenstroms aufweist.

5. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kraftstoffzulauf in den Sammelraum (19) durch Öffnungen (36) im Bereich des Nadelsitzes (30) des Nadelgehäuses (18) und/oder durch eine Verbindung (34) des Sammelraumes (28) mit dem Kraftstoffrück­ lauf (33) der Einspritzdüsen (16) erfolgt.

6. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Kühlung der Einspritzdüsen (16) über eine Kühlungs-Regeleinheit (23) erfolgt, wo­ bei die Kühlungs-Regeleinheit (23) mit wenigstens einer der Regeleinheiten (2, 3, 4) der Kraftstoffe­ inspritzung, der Bremsventilansteuerung oder des Abgasturboladersystems verbunden ist.

7. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff-Volumenstrom zur Kühlung der Ein­ spritzdüsen (16) in Abhängigkeit der Motordrehzahl (n) und/oder des von einem Abgasturboladersystem (10) erzeugten Ladedrucks (p) geregelt wird.