DE19939425B4 - Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff mit mindestens zwei unterschiedlich hohen Kraftstoffdrücken über Injektoren (10) in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, wobei die Kraftstoffeinspritzung mit dem höheren Kraftstoffdruck druckgesteuert erfolgt, wird während der Kraftstoffeinspritzung mindestens ein tieferer Kraftstoffdruck erzeugt. Dazu weist ein Kraftstoffeinspritzsystem (1) für jeden Injektor (10) eine lokale Absteuereinheit (11) auf, die über eine Ventileinheit (12) aktivierbar bzw. deaktivierbar ist.

Description

  • Die Erfindung geht aus von einem Kraftstoffeinspritzsystem nach der Gattung des Patentanspruchs 1.
  • Ein derartiges Einspritzsystem ist beispielsweise durch die DE 196 12 737 A1 bekanntgeworden.
  • Zum besseren Verständnis der nachfolgenden Beschreibung werden zunächst einige Begriffe näher erläutert: Bei einem druckgesteuerten Kraftstoffeinspritzsystem wird durch den im Düsenraum eines Injektors herrschenden Kraftstoffdruck ein Ventilkörper (z.B. eine Düsennadel) gegen die Wirkung einer Schließkraft aufgesteuert und so die Einspritzöffnung für eine Einspritzung des Kraftstoffes freigegeben. Der Druck, mit dem Kraftstoff aus dem Düsenraum in den Zylinder austritt, wird als Einspritzdruck bezeichnet. Unter einem hubgesteuerten Kraftstoffeinspritzsystem wird im Rahmen der Erfindung verstanden, daß das Öffnen und Schließen der Einspritzöffnung eines Injektors mit Hilfe eines verschieblichen Ventilglieds aufgrund des hydraulischen Zusammenwirkens der Kraftstoffdrücke in einem Düsenraum und in einem Steuerraum erfolgen. Weiterhin ist im folgenden eine Anordnung als zentral bezeichnet, wenn sie gemeinsam für alle Zylinder vorgesehen ist, und als lokal, wenn sie für nur einen einzelnen Zylinder vorgesehen ist.
  • Das aus der eingangs genannten DE 196 12 737 A1 bekannte Kraftstoffeinspritzsystem weist ein elektromagnetisches Steuerventil zur Druckbeaufschlagung eines Mitteldruckraumes, einen hydraulischen Verstärkungskolben und einen an einen Hochdruckraum grenzenden Hochdruckkolben auf. Der Hochdruckraum ist einerseits mit einer Kraftstoffzuführleitung und andererseits mit einem die Düsennadel umgebenden Düsenraum verbunden, wobei in mindestens einer Zwischenstellung des Hochdruckkolbens der Hochdruckraum mit einer Kraftstoffabsteuerleitung verbindbar ist. Um einen günstigeren Einspritzverlauf, insbesondere am Beginn und am Ende der Einspritzung, zu erreichen, ist vorgesehen, dass zusätzlich zum Hochdruckkolben im Strömungsweg zwischen Hochdruckraum und Kraftstoffabsteuerleitung ein druckabhängiges Absteuerventil angeordnet ist, welches in einem engen Bereich des Druckes im Hochdruckraum die Strömungsverbindung zwischen Hochdruckraum und Kraftstoffabsteuerleitung freigibt.
  • Aus der EP 0 711 914 A1 ist ein druckgesteuertes Kraftstoffeinspritzsystem bekannt, bei dem mit Hilfe einer Hochdruckpumpe Kraftstoff auf einen ersten hohen Kraftstoffdruck von etwa 1200 bar komprimiert und in einem ersten Druckspeicher gespeichert wird. Weiterhin wird der unter Hochdruck stehende Kraftstoff auch in einen zweiten Druckspeicher gefördert, in welchem durch Regelung seiner Kraftstoffzufuhr mittels eines 2/2-Wegventils ein zweiter hoher Kraftstoffdruck von ca. 400 bar aufrechterhalten wird. Über eine Ventilsteuereinheit wird entweder der tiefere oder höhere Kraftstoffdruck in den Düsenraum eines Injektors geleitet. Dort wird durch den Druck ein federbelasteter Ventilkörper von seinem Ventilsitz abgehoben, so daß Kraftstoff aus der Düsenöffnung austreten kann.
  • Nachteilig bei diesem bekannten Kraftstoffeinspritzsystem ist, daß zunächst der gesamte Kraftstoff erst auf das höhere Druckniveau komprimiert werden muß, um dann einen Teil des Kraftstoffs auf ein tieferes Druckniveau zu entlasten und in einem weiteren Druckspeicher zu lagern. Außerdem sind zwei Druckspeicher erforderlich, um die beiden Kraftstoffdrücke zu lagern.
  • Aus der WO 98/09068 A1 ist ein hubgesteuertes Einspritzsystem bekannt, bei dem ebenfalls zwei Druckspeicher zur Lagerung der beiden Kraftstoffdrücke vorgesehen sind. Für jeden Druckspeicher ist eine eigene Hochdruckpumpe vorgesehen, die dauerhaft im Betrieb ist und zwar auch dann, wenn der gewünschte Druck im jeweiligen Druckspeicher bereits aufgebaut ist.
  • Vorteile der Erfindung
  • Zur Verbesserung des Einspritzverhaltens und des Wirkungsgrads wird erfindungsgemäß das Kraftstoffeinspritzsystem gemäß Patentanspruch 1 vorgeschlagen. Eine erfindungsgemäße Weiterbildung ist im Unteranspruch enthalten.
  • Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, ein tieferes Druckniveau während des jeweiligen Einspritzzyklus mittels einer ein 3/2-Wege-Ventil aufweisenden lokalen Absteuereinheit zu erzeugen, die, da sie unabhängig von der Nockenwelle ist, bei Bedarf gezielt ansteuerbar ist. Auch durch einen Druckübersetzer, der nicht permanent im Betrieb ist, lassen sich Verluste durch Reibung reduzieren.
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
  • Zeichnung
  • Verschiedene Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystemen mit einer zentralen Verteilereinrichtung, bei denen Kraftstoff mit zwei, unterschiedlich hohen Kraftstoffdrücken eingespritzt wird, sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein Kraftstoffeinspritzsystem, das nicht Gegenstand der Erfindung ist, mit druckgesteuerten Injektoren und einer lokal dissipativen Erzeugung des tieferen Kraftstoffdruckes;
  • 2 ein erstes erfindungsgemäßes Einspritzsystem mit druckgesteuerten Injektoren und einer modifizierten lokal dissipativen Erzeugung des tieferen Kraftstoffdruckes;
  • 3 ein Einspritzsystem, das nicht Gegenstand der Erfindung ist, mit druckgesteuerten Injektoren und einer zentralen piezoelektrischen Ventileinheit zur Formung des Kraftstoffeinspritzverlaufs;
  • 4 ein Einspritzsystem, das nicht Gegenstand der Erfindung ist, mit druckgesteuerten Injektoren, einem zentralen Druckverstärker und der lokal dis sipativen Erzeugung des tieferen Kraftstoffdruckes nach 1; und
  • 5 ein zweites erfindungsgemäßes Einspritzsystem mit druckgesteuerten Injektoren, einem zentralen Druckverstärker und der lokal dissipativen Erzeugung des tieferen Kraftstoffdruckes nach 2.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Bei dem in 1a dargestellten ersten Ausführungsbeispiel eines druckgesteuerten Kraftstoffeinspritzsystems 1 fördert eine mengengeregelte Hochdruckpumpe 2 Kraftstoff 3 aus einem Vorratstank 4 mit hohem Druck über eine Förderleitung 5 in einen zentralen Druckspeicher 6 (Hochdruck-Common-Rail). Gesteuert über eine zentrale Ventileinheit 7 (z.B. ein 3/2-Wegventil), wird der Kraftstoff aus dem Druckspeicher 6 zentral über eine Verteilereinrichtung 8 auf mehrere, der Anzahl einzelner Zylinder entsprechende Hochdruckleitungen 9 verteilt, die zu den einzelnen, in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragenden Injektoren 10 (Einspritzeinrichtung) abführen. In 1 ist lediglich einer der Injektoren 10 näher dargestellt. Im Druckspeicher 6 kann ein erster höherer Kraftstoffdruck von ca. 300 bar bis 1800 bar gelagert werden.
  • Aus dem höheren Kraftstoffdruck kann für jeden Injektor 10 über eine lokale Absteuereinheit 11 bei Bedarf ein zweiter tieferer Kraftstoffdruck dissipativ erzeugt werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt die lokale Absteuereinheit 11 dazu eine Ventileinheit (z.B. ein 2/2-Wege-Ventil) 12, mit dem der höhere Kraftstoffdruck entweder durchgeschaltet oder über eine Drossel 13 auf den tieferen Kraftstoffdruck abgesenkt werden kann. Der jeweils anstehende Druck wird dann über eine Druckleitung 15 in einen Düsenraum 16 des Injektors 10 geleitet. Die Einspritzung erfolgt druckgesteuert mit Hilfe eines in einer Führungsbohrung axial verschiebbaren kolbenförmigen Ventilglieds 17 (Düsennadel), dessen konische Ventildichtfläche 18 mit einer Ventilsitzfläche am Injektorgehäuse zusammenwirkt und so die dort vorgesehenen Einspritzöffnungen 19 verschließt. Innerhalb des Düsenraums 16 ist eine in Öffnungsrichtung des Ventilglieds 17 weisende Druckfläche des Ventilgliedes 17 dem dort herrschenden Druck ausgesetzt, wobei sich der Düsenraum 16 über einen Ringspalt zwischen dem Ventilglied 17 und der Führungsbohrung bis an die Ventildichtfläche 18 des Injektors 10 fortsetzt. Durch den im Düsenraum 16 herrschenden Druck wird das die Einspritzöffnungen 19 abdichtende Ventilglied 17 gegen die Wirkung einer Schließkraft (Schließfeder 20) aufgesteuert, wobei der Federraum 21 mittels einer Leckageleitung 22 druckentlastet ist. Hinter der Verteilereinrichtung 8 ist für jeden Injektor 10 noch eine Rückschlagventilanordnung 23 vorgesehen, die den Kraftstoff in Richtung Injektor 10 über ein erstes Rückschlagventil 24 durchläßt und den Rückfluß von Kraftstoff aus dem Injektor 10 mittels einer Drossel 25 und eines zweiten Rückschlagventils 26 zur Entlastung der Verteilereinrichtung 8 und zum Druckabbau zuläßt.
  • Eine Voreinspritzung mit dem tieferen Kraftstoffdruck erfolgt bei stromloser Ventileinheit 12 durch Bestromen des 3/2-Wege-Ventils 7. Durch Bestromen auch der Ventileinheit 12 erfolgt dann die Haupteinspritzung mit dem höheren Kraftstoffdruck. Für eine Nacheinspritzung mit dem tiefe ren Kraftstoffdruck wird die Ventileinheit 12 wieder in den stromlosen Zustand zurückgeschaltet. Am Ende der Einspritzung wird die zentrale Ventileinheit 7 auf Leckage 27 zurückgeschaltet und damit die Verteilereinrichtung 8 und der Injektor 10 entlastet. Die lokale Ventileinheit 11 kann entweder Teil des Injektorgehäuses sein oder außerhalb des Injektorgehäuses angeordnet sein sein. Die Anordnung aus Hochdruckpumpe 2, Druckspeicher 6 und Ventileinheit 7 ist insgesamt mit 28 bezeichnet.
  • Das Ausführungsbeispiel nach 1b verwendet zur Hochdruckerzeugung eine andere Anordnung 28a, bei der der zentrale Druckspeicher der 1a ausgelassen ist und der höhere Kraftstoffdruck durch Bestromen eines 2/2-Wege-Ventils 7a aufgebaut wird. Die Hochdruckpumpe 2 kann einen Kraftstoffdruck von ca. 300 bis ca. 1000 bar erzeugen und z.B. eine Nockenpumpe sein.
  • Das in 2 gezeigte Einspritzsystem 30 unterscheidet sich vom Einspritzsystem 1 der 1 durch eine modifizierte lokale Absteuereinheit 31. Über eine Ventileinheit (z.B. ein 3/2-Wegeventil) 32 wird der höhere Kraftstoffdruck entweder durchgeschaltet oder dissipativ mittels einer Drossel 33 und eines auf den tieferen Kraftstoffdruck eingestellten und mit einer Leckageleitung 34 verbundenen Druckbegrenzungsventils 35 abgesteuert. Der jeweils anstehende Druck wird dann wie in 1 zum Injektor 10 weitergeleitet, wobei auch hier ein Rückschlagventil 36 ein Abströmen des höheren Kraftstoffdruckes über das Rückschlagventil 35 verhindert. Das Einspritzsystem nach 2a verwendet zur Druckerzeugung die Anordnung 28 und das Einspritzsystem nach 2b die Anordnung 28a.
  • Bei dem in 3 dargestellten Einspritzsystem 40 ist zwischen Druckspeicher 6 und Verteilereinrichtung 8 zentral eine piezoelektrische Ventileinheit 41 vorgesehen, deren Ventilquerschnitt mittels eines Piezostellelements (Aktuator, Aktor) gesteuert wird. Die Anordnung aus Hochdruckpumpe 2, Druckspeicher 6 und piezoelektrischer Ventileinheit 41 ist insgesamt mit 42 bezeichnet. Die Piezostellelemente, die einen notwendigen Temperaturausgleich und evtl. eine erforderliche Kraft- bzw. Wegübersetzung besitzen, dienen der Querschnittssteuerung und damit der Formung des Einspritzverlaufs. Es wird eine unabhängige Voreinspritzung sowohl in der Zeit und in der Einspritzmenge als auch im Einspritzdruck möglich. Die Haupteinspritzung kann flexibel an jeden benötigten Einspritzverlauf angepaßt werden und ermöglicht zusätzlich eine Splitinjektion bzw. eine Nacheinspritzung, die nahe an die Haupteinspritzung angelagert werden kann. Anders als die in 1 gezeigte Rückschlagventilanordnung ist bei der Rückschlagventilanordnung 43 das zweite Rückschlagventil ausgelassen.
  • Anders als beim Einspritzsystem 1 ist im zentralen Druckspeicher 6 des in 4 gezeigten Einspritzsystems 50 Kraftstoff unter einem Druck von ca. 200 bis ca. 1000 bar gelagert. Mittels eines dem Druckspeicher 6 nachgeordneten zentralen Druckübersetzers 51 wird der Kraftstoff aus dem Druckspeicher 6 auf den höheren Kraftstoffdruck komprimiert. Der Druckübersetzer 51 umfaßt ein Druckmittel 52 in Form eines verschieblichen Kolbenelements, das einenends mit Hilfe der Ventileinheit 7 an den Druckspeicher 6 angeschlossen werden kann, so daß es durch den in einer Primärkammer 53 befindlichen Kraftstoff einenends druckbeaufschlagt wird. Ein Differenzraum 54 ist mittels einer Lec kageleitung 55 druckentlastet, so daß das Druckmittel 52 zur Verringerung des Volumens einer Druckkammer 56 in Kompressionsrichtung verschoben werden kann. Dadurch wird der in der Druckkammer 56 befindliche Kraftstoff entsprechend dem Flächenverhältnis von Primärkammer 53 und Druckkammer 56 auf den höheren Kraftstoffdruck verdichtet. Wird die Primärkammer 53 mit Hilfe der Ventileinheit 7 an die Leckageleitung 57 angeschlossen, so erfolgen die Rückstellung des Druckmittels 52 und die Wiederbefüllung der Druckkammer 56, die über ein Rückschlagventil 57 an den Druckspeicher 6 angeschlossen ist. Aufgrund der Druckverhältnisse in der Primärkammer 53 und in der Druckkammer 56 öffnet das Rückschlagventil 57, so daß die Druckkammer 56 unter dem ersten Kraftstoffdruck (Raildruck des Druckspeichers 6) steht und das Druckmittel 52 hydraulisch in seine Ausgangsstellung zurückgefahren wird. Zur Verbesserung des Rückstellverhaltens können eine oder mehrere Federn in den Räumen 53, 54 und 56 angeordnet sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Ventileinheit 7 lediglich beispielhaft als 3/2-Wege-Ventil dargestellt. Die Voreinspritzung mit dem tieferen Kraftstoffdruck erfolgt durch Bestromen der Ventileinheit 7. Durch Bestromen auch der Ventileinheit 12 der lokalen Absteuereinheit 11 erfolgt dann die Haupteinspritzung mit dem höheren Kraftstoffdruck, während für eine Nacheinspritzung mit dem tieferen Kraftstoffdruck die Ventileinheit 12 wieder in den stromlosen Zustand zurückgeschaltet werden kann. Im Ausführungsbeispiel nach 4b, bei dem zur Hochdruckerzeugung die Anordnung 28a vorgesehen ist, wird der der zentrale Druckübersetzer 51 über das 2/2-Wege-Ventil 7a angesteuert und ist die Druckkammer 56 über das Rückschlagventil 57 mit der Primärkammer 53 verbunden.
  • Während beim Einspritzsystem 50 (4) die lokale Absteuereinheit 11 vorgesehen ist, unterscheidet sich das in 5 gezeigte Einspritzsystem 60 durch die Verwendung der lokalen Absteuereinheit 31. Beim Einspritzsystem nach 5a ist zur Hochdruckerzeugung die Anordnung 28 und beim Einspritzsystem nach 5a die Anordnung 28a vorgesehen.

Claims (2)

  1. Kraftstoffeinspritzsystem (30; 60) für eine Brennkraftmaschine, bei dem Kraftstoff mit zwei unterschiedlich hohen Kraftstoffdrücken über Injektoren (10) in Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann, mit jeweils einer lokalen Absteuereinheit (31) für jeden Injektor (10), mittels der aus dem höheren Kraftstoffdruck der tiefere Kraftstoffdruck dissipativ erzeugt werden kann, wobei jede lokale Absteuereinheit (31) zur Aktivierung bzw. Deaktivierung der Absteuerung ein Absteuerventil aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Absteuerventil als elektrisch angesteuertes 3/2-Wege-Ventil (32) zur Beaufschlagung einer zum Düsenraum des Injektors (10) führenden Druckleitung oder einer Leckageleitung (34) mit dem höheren Kraftstoffdruck ausgebildet ist und dass die Leckageleitung (34) eine Drossel (33) und ein Druckbegrenzungsventil (35) aufweist und stromabwärts der Drossel (33) und stromaufwärts des Druckbegrenzungsventils (35) eine über ein Rückschlagventil (36) führende Leitung zur Druckleitung abzweigt.
  2. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzung mit dem höheren und dem tieferen Kraftstoffdruck jeweils druckgesteuert erfolgt.
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