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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Druckverstärkung von
Kraftstoff für
einen Kraftstoffinjektor gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 4. Eine solche Anordnung
und ein solches Verfahren sind aus der
US 5 682 858 A bekannt.
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Bei
der Kraftstoffversorgung von Verbrennungsmotoren werden zunehmend
Einspritzsysteme verwendet, bei denen mit sehr hohen Einspritzdrücken gearbeitet
wird. Insbesondere bei Dieselmotoren, die im LKW-Bereich eingesetzt
werden, haben sich dabei Speichereinspritzsysteme als vorteilhaft erwiesen,
bei denen diese hohen Einspritzdrücke durch Druckübersetzung
erzeugt werden. Ein Beispiel für
einen Kraftstoffinjektor mit Druckverstärkung ist in der genannten
US 5 682 858 A dargestellt.
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Bei
diesem bekannten System ist im Kraftstoffinjektor ein Druckverstärker mit
einem Kolben beweglich angeordnet, der den Druckverstärker in
einen niederdruckseitigen Steuerraum und einen hochdruckseitigen
Arbeitsraum unterteilt. Der hochdruckseitige Arbeitsraum des Druckverstärkers ist
an die Kraftstoffleitung im Kraftstoffinjektor vor der eigentlichen
Einspritzdüse
angeschlossen. Der niederdruckseitige Steuerraum steht über ein
im Kraftstoffinjektor ausgebildetes aktorbetätigtes Servoventil mit einem Druckspeicher
in Verbindung.
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Das
Servoventil ist dabei so ausgelegt, daß im Ausgangszustand, wenn
der Aktor nicht betätigt wird,
das Servoventil die Strömungsverbindung
zwischen dem Druckspeicher und dem Steuerraum des Druckverstärkers unterbricht
und den Steuerraum drucklos hält.
In diesem Betriebszustand füllt
sich der Arbeitsraum des Druckverstärkers über die Kraftstoffleitung mit
Kraftstoff.
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Durch
Ansteuern des Aktors wird das Servoventil dann so geschaltet, daß die Strömungsverbindung
zwischen dem Druckspeicher und dem Steuerraum im Druckverstärker geöffnet und
der Kolben im Druckverstärker
steuerraumseitig mit dem Druck im Druckspeicher beaufschlagt wird.
Der im Steuerraum sich einstellende Druck wird dabei vom Kolben
im Druckverstärker
um ein Vielfaches verstärkt
an den im Arbeitsraum des Druckverstärkers befindlichen Kraftstoff
weitergegeben.
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Der
so unter hohen Druck gesetzte Kraftstoff bewirkt, daß die Einspritzdüse im Kraftstoffinjektor sich öffnet und
Kraftstoff in einen Brennraum des Verbrennungsmotors eingespritzt
wird. Sobald die Ansteuerung des Aktors beendet wird, kehrt das
Servoventil in seinen Ausgangszustand zurück, wobei die Strömungsverbindung
zwischen dem Druckspeicher und dem Steuerraum wieder unterbrochen
und der Steuerraum in den drucklosen Zustand zurückgesetzt wird. Der Druck auf
den Kraftstoff im Arbeitsraum des Druckverstärkers sinkt dann schlagartig
ab und die Einspritzung wird beendet.
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Bei
diesem bekannten Speichereinspritzsystem mit Druckverstärkung wird
die eingespritzte Kraftstoffmenge vom Zeitfenster der Ansteuerung des
Aktors und von der Auslegung der Einspritzdüse, d.h. der von der Düse pro Zeiteinheit
eingespritzten Kraftstoffmenge, bestimmt. Unvermeidliche Fertigungstoleranzen
bei der Einspritzdüse
haben deshalb zwangsläufig
zur Folge, daß die
eingespritzte Kraftstoffmenge von Kraftstoffinjektor zu Kraftstoffinjektor
variiert, was insbesondere bei Mehrzylindermotoren zu einem ungleichmäßigen Verhalten
des Motors, insbesondere zu Rundlaufstörungen führen kann. Weiterhin hängt bei
der bekannten Anordnung das Ende der Einspritzung und damit der
Verbrennungsverlauf in der Brennkammer von einer exakten Ansteuerung
des Aktors und des Servoventils ab.
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Aus
der JP 59-141764 A ist ein Kraftinjektor mit einer Druckverstärkung bekannt,
bei dem ein zwischen einem niederdruckseitigen Steuerraum eines Druckverstärkers und
einem Druckverstärker
geschaltetes, von einem Aktor betätigtes Servoventil im Ausgangszustand
den Steuerkolben im Druckverstärker
mit dem im Druckspeicher herrschenden Druck beaufschlagt, im angesteuerten
Zustand dagegen diese Strömungsverbindung
unterbricht und den Steuerraum drucklos hält. Der Steuerkolben wird weiterhin
von einer Druckfeder beaufschlagt und in der Kraftstoffzuleitung
zum Arbeitsraum ist ein Absperrventil vorgesehen, das die Befüllung des
Druckverstärkers
mit Kraftstoff und damit die Einspritzmenge in Abstimmung mit dem
Servoventil regelt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung und ein Verfahren
zur Druckverstärkung
von Kraftstoff für
einen Kraftstoffinjektor so auszugestalten, daß der Einfluß von Fertigungstoleranzen
und Schaltvorgänge
auf das Einspritzverhalten in den Verbrennungsmotor verringert wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Anordnung gemäß Patentanspruch
1 und ein Verfahren gemäß Patentanspruch
4 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Gemäß der Erfindung
wird ein zwischen einem niederdruckseitigen Steuerraum eines Druckverstärkers und
einem Druckspeicher geschaltetes, von einem Aktor betätigtes Servoventil
so ausgelegt, daß im
Ausgangszustand, wenn der Aktor nicht angesteuert wird, das Servoventil
die Strömungsverbindung
zwischen dem Druckspeicher und dem Steuerraum des Druckverstärkers offenhält und damit
einen Kolben im Druckverstärker
mit dem im Druckspeicher herrschenden Druck beaufschlagt. Erst durch
die Ansteuerung des Aktors wird über
das Servoventil die Strömungsverbindung
zwischen dem Druckspeicher und dem Steuerraum unterbrochen und der
Steuerraum drucklos gehalten, so daß Kraftstoff vom Arbeitsraum
des Druckverstärkers
angesaugt wird.
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Der
Einspritzbeginn über
eine Einspritzdüse wird
durch das Ende der Ansteuerung des Aktors festgelegt. Das Servoventil
kehrt selbsttätig
in seinen Ausgangszustand zurück,
wobei sich die Strömungsverbindung
zwischen dem Druckspeicher und dem Steuerraum des Druckverstärkers wieder öffnet. Der sich
dann im Steuerraum einstellende Druck wird durch einen Kolben im
Druckverstärker
um ein Vielfaches verstärkt
auf den Kraftstoff im Arbeitsraum des Druckverstärkers übertragen. Der so im Arbeitsraum unter
hohen Druck gesetzte Kraftstoff bewirkt das Öffnen der Einspritzdüse und das
Einspritzen von Kraftstoff in eine Brennkammer des Verbrennungsmotors.
Der Einspritzvorgang endet automatisch, sobald der gesamte, im Arbeitsraum
des Druckverstärkers
vorgelagerte Kraftstoff eingespritzt ist.
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Gemäß der Erfindung
wird die Einspritzmenge nur von dem im Arbeitsraum angesaugten Kraftstoff
bestimmt. Fertigungstoleranzen der Einspritzdüse haben also keinen Einfluß auf die
Einspritzmengenzumessung. Weiterhin wird der Einspritzvorgang selbsttätig beendet,
sobald der gesamte, im Arbeitsraum angesaugte Kraftstoff eingespritzt
ist. Dies sorgt für
ein schar fes Einspritzende und damit für verbesserte Verbrennungswerte.
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Die
Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Es
zeigen 1 und 2 ein erfindungsgemäßes Speichereinspritzsystem
mit Druckverstärkung, wobei 1 eine Einstellung mit angesteuertem
Servoventil und 2 eine
Einstellung mit nicht-angesteuertem Servoventil darstellt.
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Das
in 1 und 2 schematisch gezeigte Speichereinspritzsystem
mit Druckverstärkung
für einen
Verbrennungsmotor, insbesondere einen Dieselmotor, besteht im wesentlichen
aus einer Druckversorgung 1, einer Servosteuerung 2,
einem Druckverstärker 3 und
einer Einspritzdüse 4.
Die Servosteuerung 2, der Druckverstärker 3 und die Einspritzdüse 4 sind
dabei vorzugsweise in einem Gehäuse
zu einem Kraftstoffinjektor zusammengefaßt.
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Die
Druckversorgung 1 umfaßt
einen Vorratsbehälter 11,
der mit einem Medium, vorzugsweise Öl oder Kraftstoff, gefüllt ist.
Aus diesem Vorratsbehälter 11 wird
mittels einer Pumpe 12 über
eine Zuleitung 16 ein Druckspeicher 15 gespeist.
Der Druck des Mediums im Druckspeicher 15 wird dabei über ein
Druckbegrenzungsventil 13 und ein Rückschlagventil 14,
die zwischen der Pumpe 12 und dem Druckspeicher 15 in
der Zuleitung 16 angeordnet sind, auf einen geregelten
Wert, vorzugsweise im Bereich von 50 bar bis 250 bar, eingestellt.
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Der
Druckspeicher 15 ist über
einen Zulauf 17, der über
eine Zulaufdrossel 25 führt,
an ein als 3/2-Wegeventil ausgebildetes Servoventil 24 angeschlossen.
Das 3/2-Wegeventil 24 wird über eine als Stößel ausgebildete
Wirkverbindung 23 von einem Aktor 21 betätigt, der
wiederum über
eine Stromversorgung 22 angesteuert wird. Das 3/2-Wegeventil 24 ist
weiterhin so ausgelegt, daß im
Ausgangszustand, wenn der Aktor 21 nicht angesteuert ist,
das 3/2-Wegeventil den Zulauf 17 des Druckspeichers 15 mit
einer Zuleitung 313 zum Druckverstärker 3 verbindet und
so eine offene Druckleitung herstellt. Dieser Ausgangszustand des
3/2-Wegeventils 24 ist in 2 gezeigt.
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Wenn
dann über
die Stromversorgung 22 der Aktor 21 angesteuert
wird, wird das 3/2-Wegeventil 24 so umgeschaltet, daß die Verbindung
zwischen dem Zulauf 17 des Druckspeichers 15 und
der Zuleitung 313 zum Druckverstärker 3 unterbrochen
wird und die Zuleitung 313 zum Druckverstärker 3 stattdessen über einen
Ablauf 18 mit dem Vorratsbehälter 11 in Verbindung
steht. Diese Stellung des 3/2-Wegeventils 24 ist in 1 gezeigt.
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Der
Druckverstärker 3 weist
ein Gehäuse 31 auf,
in dem eine zweistufige zylindrische Innenbohrung ausgebildet ist,
wobei die als Steuerraumbohrung dienende obere Bohrungsstufe 311 einen
größeren Durchmesser
als die als Arbeitsraumbohrung dienende untere Bohrungsstufe 312 besitzt.
In der Innenbohrung des Gehäuses 31 ist
weiterhin axial beweglich ein Stempel 34 angeordnet, der
sich aus einem Steuerkolben 341 und einem Arbeitskolben 342 zusammensetzt.
Der Steuerkolben 341 wird in der Steuerraumbohrung 311 geführt und
ist gegen diese Steuerraumbohrung abgedichtet. Ähnlich wird der Arbeitskolben 342 in
der Arbeitsraumbohrung 312 geführt und ist gegen diese Arbeitsraumbohrung
abgedichtet. Um den Arbeitskolben 342 herum ist weiterhin
eine Druckfeder 36 angeordnet, die auf ihrer einen Seite
gegen die Stufe zwischen der Steuerraumbohrung 311 und
der Arbeitsraumbohrung 312 abgestützt ist und mit ihrer anderen
Seite am Steuerkolben 341 anliegt. Da der Stempel 34 kürzer als
die Innenbohrung im Gehäuse 31 ausgebildet
ist, sind zwischen der Stirnfläche
des Steuerkolbens 341 und dem Gehäuse 31 ein Steuerraum 32 und
zwischen der Stirnfläche
des Arbeitskolbens 342 und dem Gehäuse 31 ein Arbeitsraum 33 ausgebildet.
Der Steuerraum 32 ist dabei über die Zuleitung 313 mit
dem 3/2-Wegeventil 24 verbunden. Weiterhin steht der Arbeitsraum 33 mit
einer Kraftstoffzuleitung 42 und einer Einspritzleitung 41 in
Verbindung, über
die die Einspritzdüse 4 an
eine Kraftstoffversorgung angeschlossen ist.
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Wenn,
wie in 1 dargestellt,
das 3/2-Wegeventil 24 vom Aktor 21 betätigt wird,
stellt das 3/2-Wegeventil eine Verbindung zwischen der Zuleitung 313 in
den Steuerraum 32 und dem Ablauf 18 her, wodurch
der Steuerraum 32 drucklos ge halten wird. Der Druckverstärker 3 stellt
sich dann, wie in 1 gezeigt,
durch die Haltekraft der Druckfeder 36 so ein, daß der Steuerraum 32 auf
ein minimales Volumen reduziert ist und der Arbeitsraum 33 sein
maximales Volumen erhält.
In dieser Stellung des Druckverstärkers 3 füllt sich über die
Kraftstoffzuleitung 42 der Arbeitsraum 33 des
Druckverstärkers 3 mit
Kraftstoff.
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Wenn,
wie in 2 gezeigt, das
3/2-Wegeventil 24 dagegen unbetätigt ist, ist die Verbindung zwischen
dem Zulauf 17 und der Zuleitung 313 in den Steuerraum 32 offen,
so daß Medium
aus dem Druckspeicher 15 über den Zulauf 17,
die Drossel 25, das 3/2-Wegeventil 24 und die
Zuleitung 313 in den Steuerraum 32 gelangt. Die
Zulaufdrossel 25 sorgt dabei für einen kontrollierten Zufluß des unter
Druck stehenden Mediums aus dem Druckspeicher 15. Die dann
vom Medium im Steuerraum 32 auf die Stirnfläche des
Steuerkolbens 341 ausgeübte
Kraft wird von dem mit dem Steuerkolben verbundenen Arbeitskolben 342 auf
den im Arbeitsraum 33 befindlichen Kraftstoff übertragen,
wobei sich wegen der wesentlich kleineren Stirnfläche des
Arbeitskolbens eine Druckverstärkung
einstellt. Das Flächenverhältnis zwischen
der Stirnfläche
des Steuerkolbens 341 und der Stirnfläche des Arbeitskolbens 342,
das die Druckverstärkung
bestimmt, wird dabei vorzugsweise so gewählt, daß im Arbeitsraum 33 ein
Druck von 1500 bar erzielt wird.
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Der
Kraftstoff im Arbeitsraum 33 steht über die Einspritzleitung 41 an
der Einspritzdüse 4 an,
wobei ein dem Druckverstärker 3 in
der Kraftstoffzuleitung 42 vorgeschaltetes Rückschlagventil 44 einen Rückfluß des Kraftstoffes
verhindert. Der hohe Druck des auf die Einspritzdüse 4 wirkende
Kraftstoff bewirkt dann auf herkömmliche
Art, daß sich
die Einspritzdüse 4 öffnet, und
der im Arbeitsraum 33 befindliche Kraftstoff in eine Brennkammer
eines Verbrennungsmotors eingespritzt wird. Während des Einspritzvorgangs
drückt
der aus Steuerkolben 341 und Arbeitskolben 342 bestehende
Stempel 34 den Kraftstoff aus dem Arbeitsraum 33,
bis die in 2 gezeigte
Endstellung mit leerem Arbeitsraum erreicht ist. In dieser Endstellung
ist dann der gesamte Kraftstoff aus dem Arbeitsraum 33 in
die Brennkammer eingespritzt, was zu einem schlagartigen Ende des Einspritzvorgangs
führt.
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Das
in den 1 und 2 gezeigte Speichereinspritzsystem
mit Druckverstärkung
führt folgenden
Einspritzvorgang aus:
Die Druckversorgung 1 sorgt
für einen
geregelten Druck des Mediums im Druckspeicher 15, vorzugsweise
im Bereich von 50 bar bis 250 bar. In der in 2 gezeigten Grundstellung, steht das
nicht-betätigte
3/2-Wegeventil 24 offen, wodurch eine Strömungsverbindung über den
Zulauf 17 und die Zuleitung 313 zum Steuerraum 32 hergestellt
wird und sich dieser mit Medium füllt. Wenn über die Stromversorgung 22 dann
der Aktor 21 angesteuert wird, schaltet dieser über den
Stößel 23 das
3/2-Wegeventil 24 um, wobei die Strömungsverbindung zwischen dem
Druckspeicher 15 und dem Steuerraum 32 unterbrochen
wird. Gleichzeitig öffnet
das 3/2-Wegeventil 24 eine Verbindung zwischen der Zuleitung 313 und
dem Ablauf 18, wodurch der Steuerraum 32 drucklos
eingestellt wird. Die Druckfeder 36 im Druckverstärker 3 drückt dann
den Steuerkolben 341 in den Steuerraum 32 zurück, so daß sich der
Steuerraum 32 leert und das Medium in den Vorratsbehälter 11 zurückfließt. Gleichzeitig
mit dem Steuerkolben 341 wird auch der mit dem Steuerkolben
verbundene Arbeitskolben 342 zurückgezogen und Kraftstoff über die
Kraftstoffzuleitung 42 in den Arbeitsraum 33 angesaugt.
Der zeitliche Ablauf der Befüllungsphase wird
dabei von der Druckkraft der Druckfeder 36 und dem in der
Kraftstoffzuleitung 42 herrschenden Versorgungsdruck bestimmt.
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1 zeigt das Speichereinspritzsystem,
mit minimalem Steuerraum 32 und vollständig mit Kraftstoff gefülltem Arbeitsraum 33.
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Der
Einspritzbeginn in die Brennkammer des Verbrennungsmotors wird durch
Unterbrechung der Stromversorgung 22 des Aktors 21 festgelegt.
Die Ansteuerung des 3/2-Wegeventils 24 über den Aktor 21 und
den Stößel 22 wird
dann beendet und das 3/2-Wegeventil 24 kehrt in seinen
in 2 gezeigten Ausgangszustand
zurück,
bei dem die Strömungsverbindung
vom Druckspeicher 15 über
den Zulauf 17 und die Zuleitung 313 in den Steuerraum 32 geöffnet ist.
Der Druck im Steuerraum 32 steigt dann auf den im Druckspeicher 15 herrschenden
Druck an. Dieser Druck wird über
den Stempel 34 verstärkt
an den im Arbeitsraum 33 befindlichen Kraftstoff weitergegeben.
Der Kraftstoffdruck, der dann vorzugsweise im Bereich von über 1500
bar liegt, steht gleichzeitig über
die Einspritzleitung 41 an der Einspritzdüse 4 an und
bewirkt, daß die
Einspritzdüse 4 sich öffnet und Kraftstoff
in die Brennkammer des Verbrennungsmotors eingespritzt wird. Während dieses
Einspritzvorgangs wird der Steuerkolben 341 des Stempels 34 durch
den im Steuerraum 32 herrschenden Druck des Mediums gegen
die Haltekraft der Druckfeder 36 weggedrückt, so
daß sich
der Steuerraum 32 mit Medium füllt. Gleichzeitig drückt der
mit dem Steuerkolben 341 fest verbundene Arbeitskolben 342 den Kraftstoff
aus dem Arbeitsraum 33 in die Einspritzdüse 4 und
damit in die Brennkammer des Verbrennungsmotors. Sobald die gesamte,
im Arbeitsraum 33 enthaltene Kraftstoffmenge über die
Einspritzdüse 4 in
die Brennkammer eingespritzt ist, sinkt der Kraftstoffdruck an der
Einspritzdüse 4 soweit
ab, daß die Einspritzdüse 4 sich
selbsttätig
schließt,
wodurch der Einspritzvorgang beendet wird. Anschließend kann durch
Ansteuern der Stromversorgung 22 des Aktors 21,
wie in 1 gezeigt, das
3/2-Wegeventil 24 wieder betätigt und die Strömungsverbindung
zwischen Druckspeicher 15 und Steuerraum 32 unterbrochen werden,
so daß – wie oben
dargestellt – eine
neue Kraftstoffansaugung ausgelöst
wird.
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Beim
erfindungsgemäßen Speichereinspritzsystem
bzw. dem Verfahren zu seiner Ansteuerung wird die eingespritzte
Kraftstoffmenge durch die zeitliche Auslegung der Befüllungsphase
des Arbeitsraums 33 des Druckverstärkers 3 und hier insbesondere
durch das Volumen dieses Arbeitsraums bestimmt. Die unvermeidlichen
Fertigungstoleranzen bei der Einspritzdüse 4 haben somit keine
Auswirkung auf die Einspritzmengenzumessung. Weiterhin sorgt die
vollständige
Entleerung des Arbeitsraums 33 beim Einspritzen für ein automatisches
Einspritzende unabhängig
von der Schaltgeschwindigkeit des 3/2-Wegeventils 24. Dieses scharfe
Einspritzende gewährleistet gute
Verbrennungswerte in der Brennkammer des Verbrennungsmotors.