DE19949525B4 - Druckübersetzer für ein Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit hydraulisch unterstützter Wiederbefüllung - Google Patents

Abstract

Druckübersetzer für ein Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen, wobei der Druckübersetzer einen in einer Bohrung (18) verschiebbaren Stufenkolben (5) aufweist, dessen Stirnflächen (7, 9) jeweils einen Druckraum (1, 3) begrenzen, wobei eine erste größere Stirnfläche (7) des Stufenkolbens (5) einen ersten, mit einem Hochdruck-Speicher (25) verbindbaren Druckraum (1) begrenzt, wobei eine zweite, gegenüberliegende kleinere Stirnfläche (9) des Stufenkolbens (5) einen zweiten, mit einer Einspritzdüse (21) verbundenen Druckraum (3) begrenzt, und wobei die Querschnittsänderung (11) des Stufenkolbens (5) und ein Absatz (13) in einem Gehäuse (15) des Druckübersetzers einen Entlastungsraum (17) begrenzen, und mit einem zwischen Hochdruck-Speicher (25, erstem Druckraum (1) und Entlastungsraum (17) angeordneten Steuerventil (23), dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (23) in einer ersten Schaltstellung den Hochdruck-Speicher (25) mit dem ersten Druckraum (1) hydraulisch verbindet und den ersten Druckraum (1) hydraulisch vom Entlastungsraum (17) trennt und welches in einer zweiten Schaltstellung den Hochdruck-Speicher (25) von dem ersten Druckraum (1) hydraulisch trennt...

Description

• Die Erfindung geht aus von einem Druckübersetzer für ein Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen, wobei der Druckübersetzer einen in einer Bohrung verschiebbaren Stufenkolben aufweist, dessen Stirnflächen jeweils einen Druckraum begrenzen, wobei eine erste größere Stirnfläche des Stufenkolbens einen ersten mit einem Hochdruckspeicher hydraulisch verbindbaren Druckraum begrenzt, wobei eine zweite, gegenüberliegende kleinere Stirnfläche des Stufenkolbens einen zweiten, mit einer Einspritzdüse verbundenen Druckraum begrenzt und wobei die Querschnittsänderung des Stufenkolbens und ein Absatz in einem Gehäuse des Druckübersetzers einen Entlastungsraum begrenzen.
• Bei derartigen Druckübersetzern wird die Wiederbefüllung des zweiten Druckraums und der Einspritzdüse bislang von einer auf den Stufenkolben wirkenden Rückstellfeder übernommen. Nachteilig an dieser Ausführung nach dem Stand der Technik ist, dass die Rückstellfeder eine große Federrate aufweisen muss, um die Wiederbefüllung in ausreichend kurzer Zeit zwischen den Einspritzungen zu ermöglichen. Daraus resultieren große Abmessungen der Rückstellfeder. Bei manchen Druckübersetzern, insbesondere solchen mit einem kleinen Übersetzungsverhältnis, ist der erforderliche Bauraum für eine solche Rückstellfeder oft nicht vorhanden.
• Aus der WO 95 21 999 A1 ist ein Injektor mit einem Druckübersetzer und einem Steuerventil bekannt. Zusätzlich ist noch ein Sparventil (differential valve 4) zwischen erstem Druckraum und Entlastungsraum angeordnet.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Druckübersetzer bereitzustellen, dessen Raumanforderung an die Mittel zur Wiederbefüllung des Druckübersetzers gering sind und der dabei einfach aufgebaut ist.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Druckübersetzer für ein Kraftstoffeinspritzsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
• Dieser erfindungsgemäße Druckübersetzer hat den Vorteil, dass der nach Beendigung der Einspritzung im ersten Druckraum anliegende Druck ausgenutzt werden kann, um eine auf die Querschnittsänderung des Stufenkolbens im Entlastungsraum wirkende hydraulische Kraft zu erzeugen, welche den Stufenkolben in seine Ausgangslage vor Beginn der Einspritzung zurückbefördert. Gleichzeitig bricht der Druck im zweiten Druckraum des Druckübersetzers zusammen, so dass die Einspritzung beendet wird. Dadurch wird die Wiederbefüllung des zweiten Druckraums in der Einspritzdüse ermöglicht bzw. wesentlich erleichtert. Außerdem kann durch den möglichen Verzicht auf eine groß dimensionierte Rückstellfeder der Entlastungsraum klein gehalten werden, was insbesondere bei Druckübersetzern mit geringem Übersetzungsverhältnis notwendig ist.
• Eine Variante der Erfindung sieht vor, dass das Steuerventil als 3/2-Steuerventil ausgeführt ist, so dass sämtliche Funktionen des Druckübersetzers einfach und zuverlässig gesteuert werden können.
• Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Steuerventil durch einen Piezoaktor oder einen Elektromagneten betätigt wird, so dass je nach Betriebsbedingungen und erforderlichen Stellkräften ein geeigneter Aktor eingesetzt werden kann.
• Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Rückstellfeder in den Entlastungsraum eingespannt, die sich auf eine ortsfeste Anlage abstützt und dabei den Stufenkolben an seiner entlastungsraumseitigen Querschnittsänderung entgegen seiner Förderbewegung beaufschlagt, so dass die Wiederbefüllung des erfindungsgemäßen Druckübersetzers durch die Rückstellfeder unterstützt wird und der vorhandene Entlastungsraum bestmöglich ausgenutzt wird. Außerdem hat die Rückstellfeder die Aufgabe, bei fehlendem Druck im Hochdruckspeicher des Kraftstoffeinspritzsystems, beispielsweise aufgrund einer Abschaltung der Brennkraftmaschine, den Stufenkolben in seine Ausgangslage zu bewegen.
• Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung fördert ein Leckölrücklauf des Druckübersetzers über ein Rückschlagventil Kraftstoff zur Einspritzdüse, so dass, sobald der Druck im zweiten Druckraum unter den Druck des Leckölrücklaufs sinkt, der Druckübersetzer wiederbefüllt wird, ohne zusätzliche Fördermittel. Das Rückschlagventil verhindert dabei den Rückfluss von Kraftstoff aus dem zweiten Druckraum bzw. der Einspritzdüse in den Leckölrücklauf.
• Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung mündet das Rückschlagventil in den zweiten Druckraum, so dass der Kraftstoff im Hochdruckbereich des Kraftstoffeinspritzsystems, nämlich vom zweiten Druckraum über einen Hochdruckpfad und zur Einspritzdüse, kontinuierlich ausgetauscht wird. Dadurch bleibt der Kraftstoff im Hochdruckbereich relativ kühl, was das Betriebsverhalten des Kraftstoffeinspritzsystems verbessert.
• In weiterer Ergänzung der Erfindung ist das Rückschlagventil federbelastet, so dass ein stabileres Betriebsverhalten des Rückschlagventils erreicht wird.
• Eine andere Variante sieht einen Hubanschlag vor, der die Bewegung des Stufenkolbens in den ersten Druckraum begrenzt, so dass der erste Druckraum stets ein gewisses Mindestvolumen und damit auch eine gewisse "Weichheit" aufweist. Dadurch werden Kraftspitzen abgebaut und die Belastung der einzelnen Bauelemente verringert.
• Bei einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Hubanschlag im ersten Druckraum angeordnet ist, so dass sich eine einfache und kompakte Bauweise ergibt und außerdem der Hubanschlag im Wesentlichen nur Kräfte in axialer Richtung des Stufenkolbens auf diesen überträgt.
• Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der beigefügten Zeichnung, deren Beschreibung sowie den Ansprüchen entnehmbar.
• In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßer Druckübersetzer dargestellt. Zentrale Bestandteile des Druckübersetzers sind der erste Druckraum 1 und der zweite Druckraum 3. Zwischen beiden Druckräumen 1 und 3 ist ein Stufenkolben 5 angeordnet. Die in den ersten Druckraum 1 ragende erste Stirnfläche 7 ist größer als die in den zweiten Druckraum ragende zweite Stirnfläche 9. Das Verhältnis der ersten zur zweiten Stirnfläche 7 und 9 bestimmt das Druckübersetzungsverhältnis des Druckübersetzers. Eine Querschnittsänderung 11 und ein Absatz 13 eines Gehäuses 15 des Druckübersetzers begrenzen einen Entlastungsraum 17. Der Stufenkolben 5 ist in einer Bohrung 18 des Gehäuses 15 geführt.
• Der zweite Druckraum 3 ist über einen Hochdruckpfad 19 mit einer Einspritzdüse 21 verbunden. Ein Steuerventil 23 steuert die Zufuhr von Kraftstoff aus einem Hochdruckspeicher 25 in den ersten Druckraum 1 und den Entlastungsraum 17. Das Steuerventil 23 ist als 3/2-Wegesteuerventil ausgeführt. Ein Anschluss geht zum Hochdruckspeicher 25, ein zweiter Anschluss verbindet das Steuerventil 23 mit dem ersten Druckraum 1 und ein dritter Anschluss des Steuerventils 23 führt zum Entlastungsraum 17. Gesteuert wird das Steuerventil 23 über einen Stellkolben 27, der von einem nicht dargestellten Aktor, beispielsweise einem Piezoaktor oder einen Elektromagneten, zwischen seinen Schaltstellungen hin- und herbewegt wird.
• Wenn der Stellkolben 27 auf einem ersten Dichtsitz 29 aufliegt, besteht eine hydraulische Verbindung zwischen Hochdruckspeicher 25 und erstem Druckraum 1. Der Stufenkolben 5 beginnt, sich in Richtung des zweiten Druckraums 3 zu bewegen und erzeugt dabei in diesem einen dem Übersetzungsverhältnis entsprechend höheren Druck als im ersten Druckraum 1. Sobald der Druck im zweiten Druckraum 3, und damit auch in der Einspritzdüse 21, ausreichend groß ist, um die Schließkraft einer Schließfeder 31 zu überwinden, öffnet die Einspritzdüse 21, und die Einspritzung beginnt.
• Wenn der Stellkolben 27 des Steuerventils 23 auf einen zweiten Dichtsitz 33 gepresst wird, wird die Verbindung zwischen Hochdruckspeicher 25 und erstem Druckraum 1 unterbrochen. Aufgrund der Kompressibilität des im Steuerventil 23 und dem ersten Druckraum 1 unter hohem Druck befindlichen Kraftstoffs und der Elastizität des Gehäuses 15 entsteht ein Druckstoß, welcher über eine Verbindungsleitung 35 in den Entlastungsraum 17 gelangt. Die daraus resultierende, auf die Querschnittsänderung 11 wirkende hydraulische Kraft bewegt den Stufenkolben in Richtung des ersten Druckraums. Da es sich hierbei um einen in hohem Maße instationären Vorgang handelt, greift eine rein statische Betrachtungsweise nicht, welche zu dem Ergebnis kommen würde, dass die erste Stirnfläche 7 größer als die Querschnittsänderung 11 ist und somit keine resultierende Kraft in Richtung des ersten Druckraums entstehen kann. Eine Rückstellfeder 36 dient zur Unterstützung der Rückbewegung des Stufenkolbens 5. Außerdem bewegt sie den Stufenkolben 5 bei abgeschalteter Brennkraftmaschine in seine Ausgangslage.
• Durch die Bewegung des Stufenkolbens 5 in Richtung des ersten Druckraums 1 bricht der Druck im zweiten Druckraum 3 zusammen, so dass die Schließfeder 31 die Einspritzdüse 21 wieder verschließt und die Einspritzung somit beendet ist. Andererseits führt der Zusammenbruch des Drucks im zweiten Druckraum 3 dazu, dass über ein Rückschlagventil 37 Kraftstoff aus einem Leckölrücklauf 39 in den zweiten Druckraum 3 einströmt und somit der Druckübersetzer bzw. die Einspritzdüse 21 wieder gefüllt wird. Der Leckölrücklauf 39 wird u.a. von der Leckage zwischen Stufenkolben 5 und Gehäuse 15 sowie der Steuermenge aus dem Entlastungsraum 17 gefüllt. Damit sich im Entlastungsraum 17 ein ausreichender Druck aufbauen kann, ist zwischen Entlastungsraum 17 und Leckölrücklauf 39 eine Ablaufdrossel 41 angeordnet.
• Das Rückschlagventil 37 ist in der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform federbelastet. Dies muss jedoch nicht so sein.
• Im ersten Druckraum 1 ist ein Hubanschlag 43 dargestellt, welcher dafür sorgt, dass der erste Druckraum 1 immer ein gewisses Mindestvolumen hat. Dieses Mindestvolumen verbessert bei geeigneter Auslegung des erfindungsgemäßen Druckübersetzers das Betriebsverhalten desselben insbesondere beim Wiederbefüllen.
• Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims (10)

1. Druckübersetzer für ein Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen, wobei der Druckübersetzer einen in einer Bohrung (18) verschiebbaren Stufenkolben (5) aufweist, dessen Stirnflächen (7, 9) jeweils einen Druckraum (1, 3) begrenzen, wobei eine erste größere Stirnfläche (7) des Stufenkolbens (5) einen ersten, mit einem Hochdruck-Speicher (25) verbindbaren Druckraum (1) begrenzt, wobei eine zweite, gegenüberliegende kleinere Stirnfläche (9) des Stufenkolbens (5) einen zweiten, mit einer Einspritzdüse (21) verbundenen Druckraum (3) begrenzt, und wobei die Querschnittsänderung (11) des Stufenkolbens (5) und ein Absatz (13) in einem Gehäuse (15) des Druckübersetzers einen Entlastungsraum (17) begrenzen, und mit einem zwischen Hochdruck-Speicher (25, erstem Druckraum (1) und Entlastungsraum (17) angeordneten Steuerventil (23), dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (23) in einer ersten Schaltstellung den Hochdruck-Speicher (25) mit dem ersten Druckraum (1) hydraulisch verbindet und den ersten Druckraum (1) hydraulisch vom Entlastungsraum (17) trennt und welches in einer zweiten Schaltstellung den Hochdruck-Speicher (25) von dem ersten Druckraum (1) hydraulisch trennt und den ersten Druckraum (1) mit dem Entlastungsraum (17) hydraulisch miteinander verbindet.
2. Druckübersetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (23) ein 3/2-Steuerventil (23) ist.
3. Druckübersetzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (23) durch einen Piezo-Aktor oder einen Elektro-Magneten betätigt wird.
4. Druckübersetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückstellfeder (36) in den Entlastungsraum (17) eingespannt ist, die sich auf eine ortsfeste Anlage (13) abstützt und dabei den Stufenkolben (5) an seiner entlastungsraumseitigen Querschnittsänderung (11) entgegen seiner Förderbewegung beaufschlagt.
5. Druckübersetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leckölrücklauf (39) des Druckübersetzers über ein Rückschlagventil (37) Kraftstoff zur Einspritzdüse (21) fördert.
6. Druckübersetzer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil (37) in den zweiten Druckraum (3) mündet.
7. Druckübersetzer nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil (37) federbelastet ist.
8. Druckübersetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hubanschlag (43) vorgesehen ist, der die Bewegung des Stufenkolbens (5) in den ersten Druckraum (1) begrenzt.
9. Druckübersetzer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubanschlag (43) im ersten Druckraum (1) angeordnet ist.
10. Druckübersetzer nach einem der vorhergehenden. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stufenkolben (5) zweiteilig ausgeführt ist.