DE4313852A1 - Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Patentanspruchs 1 aus. Bei einer solchen aus der EP 0 307 947 bekannten Kraftstoffeinspritzein­ richtung, die der Kraftstoffversorgung einer Brennkraftmaschine dient, füllt eine Kraftstoffhochdruckpumpe über eine Hochdrucklei­ tung einen Druckspeicherraum mit Kraftstoff hohen Druckes. Von die­ sem Druckspeicherraum führen Kraftstoffeinspritzleitungen zu den einzelnen, in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragenden Einspritzventilen, wobei der Druckspeicherraum durch eine Drucksteuereinrichtung auf einem bestimmten Druck gehalten wird, so daß an den Einspritzventilen drehzahlunabhängig der Einspritzdruck über das gesamte Betriebskennfeld der zu versorgenden Brennkraftma­ schine festgelegt werden kann.

Zur Steuerung der Einspritzzeiten und Einspritzmengen am Einspritz­ ventil, ist jeweils ein elektrisch gesteuertes Ventil in die Ein­ spritzleitungen eingesetzt, das mit seinem Öffnen und Schließen die Kraftstoffhochdruckzufuhr zum Einspritzventil steuert.

Dabei tritt bei der bekannten Kraftstoffeinspritzeinrichtung der Nachteil auf, daß der Einspritzdruck an den Einspritzventilen nicht beliebig frei wählbar, sondern vom Druck im Druckspeicherraum ab­ hängig ist. Um jedoch für eine optimale und schadstoffarme Ver­ brennung im Brennraum der Brennkraftmaschine in jedem Betriebspunkt eine möglichst günstige Kraftstoffaufbereitung zu erreichen, ist es notwendig, neben dem Einspritzzeitpunkt und der Einspritzdauer auch den Einspritzdruck in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brenn­ kraftmaschine variabel einstellen zu können.

Diesen Anforderungen eines frei wählbaren Einspritzdruckes am Ein­ spritzventil, der zudem in sehr kleinen Zeiträumen verstellbar sein muß, genügt die bekannte Kraftstoffeinspritzeinrichtung nicht, da eine einstellbare Druckänderung über das Druckspeichersystem erfol­ gen muß das funktionsbedingt mit einer hohen Trägheit behaftet ist und aufgrund dieser Starrheit keine raschen Druckwechsel ermöglicht.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, hat demgegenüber den Vorteil, daß durch die zusätzliche Anordnung eines Druckraumes zwischen dem Druckspeicherraum und den Einspritzleitungen, der ge­ genüber dem Druckspeicherraum zusteuerbar ist, der Einspritzdruck an den Einspritzventilen im gesamten Kennfeld frei wählbar ist. Der Druck im Druckraum, der über die in diesen mündenden Einspritzlei­ tungen dem Einspritzdruck entspricht, kann durch die Steuerung der Öffnungsdauer des Ventils in der Verbindung zum Druckspeicherraum in Abhängigkeit der Einspritzmenge beliebig eingestellt werden. Durch eine geeignete Steuerung dieses Verbindungsventils läßt sich somit in vorteilhafter Weise auch der Einspritzdruck während der Ein­ spritzung erhöhen und somit der Einspritzverlauf formen.

Um in dem während der Hochdruckeinspritzung vom Druckspeicherraum getrennten, ständig mit allen Einspritzleitungen verbundenen ge­ schlossenen Druckraum (Cominon Rail) einen Druckabfall infolge der eingespritzten Kraftstoffmenge zu vermeiden, kann der Druckraum mit einer Speichereinrichtung verbunden werden, die in vorteilhafter Weise aus einem Speicherkolben gebildet wird, der während der Füll­ phase des Druckraumes vom Kraftstoff entgegen einer Rückstellkraft vorgespannt wird und der während der Einspritzphase das kraftstoff­ gefüllte Volumen um den Betrag der Einspritzmenge verringert, so daß der Druck im Druckraum nahezu konstant gehalten werden kann, wobei die Einspritzarbeit vom Speicherkolben verrichtet wird. Soll die Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit maximalem Einspritzdruck ar­ beiten, bleibt das Verbindungsventil geöffnet und der Speicherkolben verbleibt in Anlage an einem seinen maximalen Speicherhub begrenzen­ den Anschlag.

Zudem wird durch die Auslegung des Druckraumes mit gegenüber dem Druckspeicherraum sehr viel geringerem Volumen erreicht, daß kurze Druckwechselzeiten über die durch das Verbindungsventil gesteuerte Befüllung möglich sind. Dabei ist der Druckraum in vorteilhafter Weise so dimensioniert, daß sowohl das Druckniveau im Druckraum während einer Einspritzung eines Einspritzventils mit Unterstützung der Speichereinrichtung konstant gehalten werden kann, als auch ein rascher Druckabbau im Druckraum über den Einspritzvorgang möglich ist.

Dieser rasche Druckabbau kann dabei durch die vorteilhafte Anordnung einer zusätzlichen Entlastungsleitung vom Druckraum in einen Nieder­ druckraum unterstützt werden, die mittels eines darin angeordneten Magnetventils aufsteuerbar ist.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzein­ richtung besteht darin, daß sie mit Bauteilen bekannter Kraftstoff­ einspritzeinrichtungen kombinierbar ist, so daß keine baulichen Ver­ änderungen an den zu versorgenden Brennkraftmaschinen nötig sind. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, den Patentan­ sprüchen und der Zeichnung entnehmbar.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritz­ einrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nach­ folgenden Beschreibung näher erläutert.

Die Figur zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus der Ein­ spritzeinrichtung, in der die Anordnung und Verknüpfung der einzel­ nen Bauteile gezeigt wird, wobei die Speichereinrichtung als verein­ fachter Schnitt dargestellt ist.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Bei der in der Figur dargestellten Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist eine Kraftstoffhochdruckpumpe 1 über eine Kraftstoffzuführungs­ leitung 3 mit einem kraftstoffgefüllten Niederdruckraum 5 und eine Kraftstoffhochdruckleitung 7 mit einem Druckspeicherraum 9 ver­ bunden. Die Kraftstoffhochdruckpumpe 1 kann dabei z. B. als einzylin­ drige Steckpumpe oder als Reihenpumpe ausgeführt sein und wird über eine Nockenwelle von der zugehörigen Brennkraftmaschine synchron zu dieser angetrieben. Der Druckspeicherraum 9 weist eine, ein steuer­ bares Druckventil 17 enthaltene Entlastungsleitung 19 auf, die in den Niederdruckraum 5 mündet und ist zudem über eine Verbindungslei­ tung 11 mit einem Druckraum 13 verbunden, aus dem Einspritzleitungen 15 abführen, die anderseits mit jeweils einem in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragenden Einspritzventil 21 (In­ jektor) verbunden sind und die zur Steuerung des Einspritzvorganges jeweils ein Magnetventil 23 enthalten. In der Verbindungsleitung 11 ist ein elektrisch ansteuerbares Verbindungsventil 25, vorzugsweise ein Magnetventil angeordnet, über das die Verbindungsleitung 11 zwischen dem Druckraum 13 und dem Druckspeicherraum 9 zusteuerbar ist.

An den Stirnseiten des im Ausführungsbeispiel rohrförmigen Druck­ raumes 13 ist dieser jeweils mit einer Speichereinrichtung 27 ver­ bunden, die im Ausführungsbeispiel aus einer becherförmigen Hülse 29 gebildet ist, in deren offene Stirnseite eine Zylinderbüchse 31 ein­ gepreßt ist, mit einer Zylinderbohrung 33, in die der Druckraum 13 mündet. In der Zylinderbohrung 33 ist ein Speicherkolben 35 axial geführt, der mit seiner einen dem Druckraum 13 zugewandten Stirn­ seite einen Arbeitsraum 36 in der Zylinderbüchse 31 begrenzt und dessen aus der Zylinderbohrung 33 herausragendes Ende einen in die Hülse 29 ragenden Stempel 37 aufweist. An der der Zylinderbüchse 31 abgewandten Stirnseite des Stempels 37 des Speicherkolbens 35 kommt eine Rückstellfeder 39 zur Anlage, die sich andererseits am Boden der Hülse 29 abstützt und die den Speicherkolben 35 in drucklosem Zustand mit dem Stempel 37 in Anlage an einen durch die hülsensei­ tige Stirnseite der Zylinderbüchse 31 gebildeten ersten Anschlag 41 gepreßt hält. Diese Rückstellfeder 39 ist dabei so ausgelegt, daß sie bereits durch einen geringen Druckanstieg im Druckraum 13 vor­ spannbar ist und vom maximalen Einspritzdruck überdrückt wird. Die becherförmige Hülse 29 weist zudem einen vom Boden ausgehenden Zapfen 43 in ihrem Inneren auf, dessen Stirnseite einen zweiten An­ schlag 45 bildet, der den Hubweg des Speicherkolbens 35 in Richtung einer Vergrößerung des Arbeitsraumes 36 begrenzt und so mit seiner Lage das maximale Speichervolumen bestimmt. Da diesem maximalen Speichervolumen für Applikationen an verschiedene Einspritzsysteme eine große Bedeutung zukommt, kann der Zapfen 43 auch durch einen von außen in den Boden der Hülse 29 eingeschraubten Bolzen ersetzt werden, über dessen Einschraubtiefe die Lage des zweiten Anschlages 45 verstellbar ist. Für eine Abführung des über den Speicherkolben 35 in die Hülse 29 eintretenden Leckkraftstoffes ist eine Leckölboh­ rung 47 in den Zapfen 43 eingebracht, die mit einer nicht darge­ stellten Rückführungsleitung in den Niederdruckraum 5 verbunden ist. In den Niederdruckraum 5 münden zudem Rücklaufleitungen 49, die je­ weils von den Magnetventilen 23 abführen und die von den Magnetven­ tilen 23 mit den Einspritzventilen 21 verbunden werden können, so daß am Ende der Einspritzung eine rasche Druckentlastung der Ein­ spritzventile 21 in die Rücklaufleitungen 49 gewährleistet ist. Für eine rasche Druckabsenkung im Druckraum 13 ist dieser über eine zusätzliche Leitung 50 mit dem Niederdruckraum 5 verbunden, wobei diese Verbindungsleitung 50 im Ausführungsbeispiel in die Ent­ lastungsleitung 19 mündet. In der Verbindungsleitung 50 ist dabei ein Ventil 51 angeordnet, das vorzugsweise als 2/2 Wege Magnetventil ausgeführt ist, und über dessen Öffnung sich Zeitpunkt und Zeitdauer der raschen Druckentlastung des Druckraumes 13 steuern lassen. Diese rasche Druckentlastung des Druckraumes 13 erfolgt dabei zum einen, wenn der Druck im Druckraum 13 sehr schnell abgebaut werden soll, weil ein schneller Lastwechsel von Vollast auf Leerlaufbetrieb der zu versorgenden Brennkraftmaschine erfolgen soll, wobei in diesem Fall das Ventil 25 verschlossen bleibt.

Zum anderen kann ein rascher Druckabbau im Druckraum 13 zwischen zwei Einspritzvorgängen notig werden, damit das Druckniveau am Beginn der Einspritzung niedrig ist. Gegen Ende der Einspritzung kann dann durch ein kurzzeitiges Öffnen des Verbindungsventils 25 der Einspritzdruck und damit die Einspritzrate erhöht werden. Damit diese Einspritzdruckmodulierung möglich ist, muß aus dem Druckraum 13 zwischen den Einspritzungen soviel Kraftstoff über die Leitung 50 in den Niederdruckraum 5 abströmen, daß sich im Druckraum 13 der ge­ wünschte Einspritzdruck zu Beginn des Einspritzvorganges einstellt.

Die Magnetventile 17, 23, 25, 51 werden dabei von einem nicht näher dargestellten elektrischen Steuergerät angesteuert, das zudem Be­ triebsparameter der zu versorgenden Brennkraftmaschine verarbeitet.

Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzeinrichtung arbeitet in fol­ gender Weise.

Die Kraftstoffhochdruckpumpe 1 fordert den Kraftstoff aus dem Niederdruckraum 5 in den Druckspeicherraum 9 und baut so in diesem einen Kraftstoffhochdruck auf, der über das Druckventil 17 steuerbar ist, wobei diese Drucksteuerung im Druckspeicherraum 9 auch über eine regelbare Hochdruckförderpumpe erfolgen kann. Dabei wird der Druck im Druckspeicherraum auf einem maximalen ersten Druckniveau von etwa 1500 bar gehalten, wobei das Speichervolumen des Druck­ speichers so groß gewählt ist, daß der Druck während einer Ein­ spritzung kaum abfällt. Dabei ist auch hier der Anschluß eines Aus­ weichkolbens oder eines Membran-Speichers möglich, um eine zusätz­ liche Glättung zu erreichen.

Über die Verbindungsleitung 11 gelangt der unter hohem Druck stehende Kraftstoff bei geöffnetem Verbindungsventil 25 aus dem Druckspeicherraum 9 in den Druckraum 13, in dem gesteuert durch das Verbindungsventil 25 dadurch ein zweites Druckniveau einstellbar ist, das über die Einspritzleitungen 15 dem gewünschten momentanen Einspritzdruck vor den Einspritzventilen 21 entspricht. (Dieser Einspritzdruck im Druckraum 13 ist dabei über die Öffnungsdauer des Verbindungsventils 25 steuerbar.)

Die Steuerung des Einspritzvorganges erfolgt in bekannter Weise durch die Öffnungs- bzw. Schließbewegung der Magnetventile 23 in den Einspritzleitungen 15, wobei das Verbindungsventil 25 bei einem Ein­ spritzdruck unterhalb des ersten Druckniveaus im Druckspeicherraum 9 während der Einspritzphase geschlossen ist. Dabei übernehmen die in der Füllphase während der Einspritzpausen vom Kraftstoffdruck vorge­ spannten Speicherkolben 35 die Einspritzarbeit und gleichen mit ihrer Hubbewegung das durch die eingespritzte Kraftstoffmenge ver­ ringerte Volumen des Druckraumes 13 aus und halten somit den Druck im Druckraum 13 nahezu konstant.

Der Öffnungszeitpunkt und die Öffnungsdauer des Verbindungsventils 25 werden so gewählt, daß zwischen den Einspritzvorgängen der Druck im Druckraum 13 wieder auf das gewünschte Druckniveau gebracht wird. Im stationären Motorbetrieb muß also zwischen den Einspritzungen über das Verbindungsventil 25 jeweils die eingespritzte Kraftstoff­ menge vom Druckspeicherraum 9 in den Druckraum 13 nachfließen. Soll der Einspritzdruck im Druckraum 13 sinken, so muß diese nachströmen­ de Kraftstoffmenge verringert werden und umgekehrt.

Eine Einspritzverlaufsformung kann erreicht werden, wenn der Öff­ nungszeitpunkt des Verbindungsventils 25 so gewählt wird, daß der Druckspeicher 9 gegen Ende einer Einspritzung mit dem Druckraum 13 verbunden ist. Durch diese Steuerungsvariante wird der Einspritz­ druck gegen Ende der Einspritzung auf das hohe Druckniveau des Druckspeichers 9 angehoben. Soll mit dem maximalen Systemdruck ein­ gespritzt werden, bleibt das Verbindungsventil 25 geöffnet, wobei der Speicherkolben 35 in diesem Betriebszustand entgegen der Kraft der Rückstellfeder 39 durch den hohen Kraftstoffdruck in Anlage am zweiten Anschlag 45 gehalten wird und mit seiner Stirnseite die Leckölbohrung 47 verschlossen hält, so daß beim Einspritzen mit dem maximalen Druck des Druckspeichers 9 keine Leckölabführung der Hülse 29 erfolgt.

Um die beschriebene Druckänderung im Druckraum 13 möglichst rasch vornehmen zu können, ist dieser so klein dimensioniert, daß sowohl das Druckniveau während einer Einspritzung mit Unterstützung der Speicherkolben 35 konstant gehalten werden kann, als auch ein rascher Druckabbau im Druckraum 13 möglich ist, bzw. der Einspritz­ druck während des Einspritzvorganges erhöht werden kann.

Die Steuerung des Verbindungsventils 25 erfolgt dabei über das elek­ trische Steuergerät in Abhängigkeit vom Druck im Druckspeicherraum 9, dem gewünschten Druck im Druckraum 13, der Einspritzmenge und der Temperatur.

Durch das erfindungsgemäße Arbeiten mit zwei Druckniveaus ist es so­ mit möglich, den Einspritzdruck drehzahlunabhängig und variabel frei zu wählen, wobei durch das kleine Volumen des Druckraumes 13 und der mit diesem verbundenen Einspritzleitungen 15 (Common Rail) schnelle Druckänderungszeiten möglich sind.

Claims (10)

1. Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen mit einer Kraftstoffhochdruckpumpe (1), die über eine Kraftstoffzuführungslei­ tung (3) mit einem kraftstoffgefüllten Niederdruckraum (5) und eine Kraftstoffhochdruckleitung (7) mit einem Druckspeicherraum (9) ver­ bunden ist, der seinerseits über Einspritzleitungen (15) mit den einzelnen, in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragenden Einspritzventilen (21) verbunden ist, deren Öffnungs- und Schließbewegung jeweils von einem elektrisch angesteuerten Ventil (23) in den Einspritzleitungen (15) gesteuert wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einspritzleitungen (15) über eine gemeinsame Ver­ bindungsleitung (11, 13) mit dem Druckspeicherraum (9) verbunden sind, die mittels eines Verbindungsventils (25) zusteuerbar ist, wo­ bei durch einen Teil der Verbindungsleitung (11) zwischen dem Ver­ bindungsventil (25) und den Einspritzleitungen (15) ein gemeinsamer Druckraum (13) gebildet ist, von dem die Einspritzleitungen (15) ab­ führen.

2. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Druckraum (13) mit einer Speichereinrichtung (27) verbunden ist, die durch den hohen Kraftstoffdruck im Druckraum (13) vorgespannt wird und den Druck im Druckraum (13) während der Kraftstoffeinspritzung über die Einspritzventile (21), durch das Zu­ führen einer der eingespritzten Kraftstoffmenge entsprechenden Kraftstoffmenge aus dem Speichervolumen in den Druckraum (13) auf konstantem Niveau hält.

3. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Speichereinrichtung (27) durch mindestens einen in einer Zylinderbüchse (31) geführten Speicherkolben (35) gebildet wird, der mit seiner einen Stirnseite einen mit dem Druckraum (13) verbundenen Arbeitsraum (36) begrenzt und dessen dem Arbeitsraum (36) abgewandte zweite Stirnseite mit vergrößertem Durchmesser von einer in einem Gehäuse der Druckspeichereinrichtung (27) einge­ spannten Rückstellfeder (39) beaufschlagt wird.

4. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hubbewegung des Speicherkolbens (35) in Richtung einer Vergrößerung des Arbeitsraumes (36) (Speicherbewegung) durch einen gehäusefesten Anschlag (45) begrenzt wird, wobei bei Anlage des Speicherkolbens (35) am Anschlag (45) eine von diesem abführende Leckölleitung (47) des Druckspeichergehäuses durch das, einen Stem­ pel (37) bildende vergrößerte Ende des Speicherkolbens (35) ver­ schlossen ist.

5. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, da­ durch gekennzeichnet, daß das Volumen des gemeinsamen Druckraumes (13) so ausgelegt ist, daß sowohl das Druckniveau im Druckraum (13) während einer Einspritzung an einem Einspritzventil (21) mit Unter­ stützung der Speichereinrichtung (27) konstant gehalten werden kann, als auch ein rascher Druckabbau im Druckraum (13) möglich ist.

6. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß vom Druckspeicherraum (9) eine Entlastungsleitung (19) zum Niederdruckraum (5) abführt, die ein Druckventil (17) enthält, über das der Druck im Druckspeicherraum (9) einstellbar ist.

7. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß vom Druckraum (13) eine zusätzliche Leitung (50) ab­ führt, die in die Entlastungsleitung (19) zum Niederdruckraum (5) mündet und die mittels eines Ventils (51) auf- bzw. zusteuerbar ist, das vorzugsweise als 2/2 Wege-Magnetventil ausgeführt ist.

8. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verbindungsventil (25) und die elektrisch ange­ steuerten Ventile (23) in den Einspritzleitungen (15) als Magnetven­ tile ausgeführt sind.

9. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einspritzventile (21) durch die Magnetventile (23) mit Rücklaufleitungen (49) verbindbar sind, über die eine druckent­ lastende Verbindung zwischen den Einspritzventilen (21) und dem Niederdruckraum (5) aufsteuerbar ist.

10. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach den Ansprüchen 7 und 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Magnetventile (23, 25, 51) von einem elektronischen Steuergerät angesteuert werden, das Betriebsparameter der zu versorgenden Brennkraftmaschine, sowie den Druck im Druck­ speicherraum (9) und im gemeinsamen Druckraum (13) und die Ein­ spritzmengen als Eingangsgrößen verarbeitet.