DE4425339C2 - Einspritzsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Einspritzsysteme zur intermittierenden Zufuhr von Kraftstoff Flüssigkeitsgemischen in Brennräume einer Brennkraftmaschine.

Zur Absenkung der Schadstoffemissionen im Abgas und zur Absenkung des Kraftstoffverbrauchs von Dieselmotoren kann Flüssigkeit mit dem Kraftstoff in die Brennräume des Dieselmotors eingespritzt werden, wobei die Lebensdauer der Einspritzpumpe durch Korrosion und Kavitation stark verkürzt wird, wenn Flüssigkeit und Kraftstoff vor der Einspritzpumpe gemischt werden.

Aus der DE 27 58 057 A1, die als nächstkommender Stand der Technik anzusehen ist, geht es bereits als bekannt hervor, zum Einspritzen von zwei unterschiedlichen Flüssigkeiten in den Brennraum einer Brennkraftmaschine zwei separat steuerbare und koaxial zueinander angeordnete Ventilnadeln zu verwenden. Die beiden Ventilnadeln werden jeweils durch gesonderte Schließfedern auf ihre hintereinanderliegenden Ventilsitze gepreßt. Durch Beaufschlagung der den Ventilsitzen zugeordneten Druckräume werden die Ventilnadeln entgegen der Federkraft von ihrem Ventilsatz abgehoben.

In der DE 39 31 456 A1 ist ein Einspritzsystem dargestellt, bei dem Dieselkraftstoff und eine Zusatzflüssigkeit, z. B. Wasser, gemeinsam in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden. Zur Zufuhr der Flüssigkeiten ist die Einspritzdüse mit zwei Kanälen ausgestattet, die zu einem Raum vor dem Düsennadelsitz führen. Die Zusatzflüssigkeit wird in den Einspritzpausen in der Einspritzdüse eingelagert. Zusatzflüssigkeit und Dieselkraftstoff werden gemeinsam unter dem Druck einer Einspritzpumpe eingespritzt.

Aus der US-C 5 174 247 ist es bekannt, Kraftstoff und Wasser gemeinsam über ein Einspritzventil in einen Zylinder eines Dieselmotors einzuspritzen. Eine Kraftstoff und eine Flüssigkeitszufuhrleitung zu einem Einspritzventil werden abwechselnd geöffnet und geschlossen, so daß ein geschichtetes Kraftstoff Wassergemisch im Einspritzventil gebildet wird.

Aus der EP-C 0 064 146 ist es bekannt, zwei Brennstoffe durch ein Einspritzventil in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine einzuspritzen. Beide Brennstoffe werden dem Einspritzventil getrennt zugeführt und treffen erst im Bereich einer Spitze eines Ventilglieds aufeinander. Innerhalb des Einspritzventils ist ein Kolben vorgesehen, der mit der Spitze des Ventilglieds in Verbindung steht und zwischen Einspritzungen eine Druckabsenkung bewirkt, indem er zusätzliches Volumen vor dem Einspritzöffnung schafft.

Herkömmliche Kraftstoffeinspritzsysteme, wie sie in den beiden obengenannten Schriften offenbart sind, erzeugen den nötigen Hochdruck für die Kraftstoffzufuhr in die Brennräume von Brennkraftmaschinen, wie z. B. Dieselmotoren, mit Pumpen, die von den Brennkraftmaschinen direkt angetrieben sind. Bei niedriger Motordrehzahl kann die Pumpenleistung ungenügend, und die Kraftstoffeinspritzung ungenau werden, was zu Leistungsverlusten und erhöhten Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine führt.

Sogenannte Common-Rail Systeme, mit einer zentralen Pumpe zur Förderung des Kraftstoffs in Hochdruckspeicher, sogenannte Common-Rail Druckspeicher, und von da kontinuierlich, stoßfrei über Leitungen zu den Einspritzventilen, entkoppeln die Einspritzung von Druckschwankungen, die bei herkömmlichen, von den Motoren direkt angetriebenen Pumpen bei großen Drehzahlunterschieden auftreten.

Bekannt ist ein Common-Rail Einspritzsystem (s. The electronically controlled dynamic rail injection system (DIS), Ganser-Hydromag), bei dem aus einem Kraftstoffreservoir mittels einer Hochdruckpumpe Kraftstoff in ein großvolumiges Leitungssystem gefördert wird, das mit Einspritzventilen verbunden ist. Die Einspritzventile sind mit hydraulischem Druck betätigbar, wobei elektromagnetische Ventile das Öffnen und Schließen der Einspritzventile in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine steuern. Ein Nachteil dieses Einspritzsystems ist, daß der von der Pumpe erzeugte hohe Druck über die gesamte Länge der Leitungen bis zu den Einspritzöffnungen der Einspritzventile anliegt, auch wenn keine Einspritzung erfolgt, und daher Leckage des Kraftstoffs beispielsweise sowohl an den Verbindungsstücken der Leitungen als auch an den geschlossenen Einspritzöffnungen vorbei in die Brennräume auftreten kann. Weiterhin gibt dieser Stand der Technik keinen Hinweis darauf, wie eine Flüssigkeit, wie z. B. Flüssigkeit oder Methanol, zusätzlich in den Kraftstoff vor die Einspritzöffnungen gebracht werden kann. Problematisch ist die Schmierung, sowie die Auswahl der Werkstoffe, die Korrosion und Kavitation von Pumpen, die geeignet sind, einen konstanten, auf oder oberhalb des Kraftstoffdrucks liegenden Flüssigkeitsdruck zu erzeugen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Einspritzsystem zur intermittierenden Zufuhr von Kraftstoff Flüssigkeitsgemischen in Brennräume einer Brennkraftmaschine zu schaffen, das den Verschleiß der Pumpen reduziert, Druckschwankungen der Pumpen von den Einspritzventilen fernhält, und Leckage vermeidet.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit einem Einspritzsystem zur intermittierenden Zufuhr von Kraftstoff Flüssigkeitsgemischen in Brennräume einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 1 und 11.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.

Gemäß der Erfindung enthält ein Einspritzsystem hydraulisch betätigte Einspritzventile, die von einem Common-Rail Druckspeicher mit Druck beaufschlagt werden, wobei in jedem Einspritzventil ein Ventilglied und ein Kolben einen Steuerraum und das Ventilglied mit einem Gehäuse des Einspritzventils einen weiteren Steuerraum bilden. Beide Steuerräume sind über schaltbare Ventile wahlweise mit dem Common-Rail Druckspeicher oder einer Niederdruckleitung verbunden. Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser oder Methanol, wird dem Einspritzventil über eine Leitung vor die Einspritzöffnung und Kraftstoff dem Einspritzventil über eine weitere Leitung mit Common-Rail Druck zugeführt. Gemäß der Erfindung wird die Einspritzmenge von den Schaltstellungen des Ventils für den Steuerraum, den das Ventilglied mit dem Gehäuse bildet, bestimmt.

Der Anteil an Flüssigkeit pro Einspritzung wird gemäß der Erfindung mit einem vorzugsweise elektromagnetischen 3/2 Wegeventil zur schaltbaren Verbindung des Steuerraums zwischen Kolben und Ventilglied mit dem Common-Rail Druckspeicher oder der Niederdruckleitung genau bestimmt.

Die separate Zufuhr von Flüssigkeit bei reduziertem Druck vor die Einspritzöffnung des Einspritzventils erfolgt erfindungsgemäß mit einem zusätzlichen Ventil, das durch das Zusammenwirken des Kolbens mit dem Gehäuse des Einspritzventils innerhalb des Einspritzventils gebildet wird, und einem Rückschlagventil in einer Kraftstoffzufuhrleitung genau dosierbar, wobei mit der erfindungsgemäßen Anordnung eines Rückschlagventils in der Leitung für die separate Flüssigkeitszufuhr Kraftstoffgemisch gehindert wird, durch die Leitung für die separate Flüssigkeitszufuhr abzufließen.

Der Kolben und eine Bohrung im Gehäuse des Einspritzventils des erfindungsgemäßen Einspritzsystems können wahlweise mit einer zusätzlichen Abstufung und das Gehäuse mit einer zusätzlichen Leckölbohrung versehen sein.

Bei einem zweiten Einspritzsystem gemäß der Erfindung wird das Kraftstoff Flüssigkeitsgemisch in einer gemeinsamen Leitung vor die Einspritzöffnung gefördert. Die Flüssigkeitsmenge pro Einspritzung ist abhängig von der Einspritzdauer.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen zweiten Einspritzsystems bildet das Ventilglied mit dem Gehäuse das schaltbare Ventil für den Steuerraum zwischen Ventilglied und Kolben, und die Bewegungen des Ventilglieds relativ zum Gehäuse bestimmen den Druck im Steuerraum. Die Dauer des Anliegens eines reduzierten Drucks bestimmt die zugeführte Kraftstoffmenge.

Eine Feder zwischen Ventilglied und Gehäuse verbessert erfindungsgemäß das dynamische Verhalten des Einspritzventils des erfindungsgemäßen zweiten Einspritzsystems.

Verfahren zum Betrieb der o. g. erfindungsgemäßen Einspritzsysteme sind gemäß der Erfindung durch Betätigen zweier Ventile besonders einfach und sicher zu steuern.

Erfindungsgemäß weist ein drittes Einspritzsystem hydraulisch betätigte Einspritzventile auf, die von einem Common-Rail Druckspeicher mit Druck beaufschlagt werden, wobei in jedem Einspritzventil ein Ventilglied und ein Kolben einen Steuerraum und das Ventilglied mit einem Gehäuse des Einpritzventils einen Steuerraum bilden. Der Steuerraum zwischen Ventilglied und Kolben ist über ein schaltbares Ventil wahlweise mit dem Common-Rail Druckspeicher oder einer Leitung mit einem Kraftstoffdruck p0 verbunden. Der Steuerraum zwischen Ventilglied und Gehäuse ist über ein schaltbares Ventil wahlweise mit dem Common-Rail Druckspeicher oder einer Leitung mit einem Kraftstoffdruck p2 verbunden. Flüssigkeit mit einem Druck p1 wird dem Einspritzventil über eine separate Leitung vor die Einspritzöffnung zugeführt. Die Schaltstellungen des Ventils für den Steuerraum zwischen Ventilglied und Gehäuse bestimmen die Einspritzmenge, und die Schaltstellungen des Ventils für den Steuerraum zwischen Ventilglied und Kolben bestimmen die einzuspritzende Flüssigkeitsmenge.

Erfindungsgemäß wird dem Einspritzventil des dritten Einspritzsystems über ein Ventil Kraftstoff wahlweise mit Common-Rail Druck oder Kraftstoffdruck p2 zugeführt.

Die separate Flüssigkeitszufuhr bei reduziertem Druck p1 vor die Einspritzöffnung des Einspritzventils des erfindungsgemäßen dritten Einspritzsystems erfolgt mit einem zusätzlichen Ventil, das durch das Zusammenwirken der äußeren kegelförmigen Schenkel des Ventilglieds mit dem Gehäuse des Einspritzventils innerhalb des Einspritzventils gebildet wird, und einem Rückschlagventil in der Kraftstoffzufuhrleitung genau dosierbar, wobei mit der Anordnung eines Rückschlagventils in der Leitung für die Flüssigkeitszufuhr Kraftstoffgemisch gehindert wird, durch die Leitung für die separate Flüssigkeitszufuhr abzufließen.

Eine Drossel zwischen dem 3/2 Wege-Ventil und dem Steuerraum zwischen Ventilglied und Kolben unterdrückt gemäß der Erfindung Bewegungen des Kolbens relativ zum Ventilglied.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung des dritten Einspritzsystems weist die Erfindung ein 4/2 Wege-Ventil auf, das so angeordnet ist, daß entweder die Kraftstoffzufuhrleitung mit der Leitung mit dem Kraftstoffdruck p2 und der Steuerraum zwischen Ventilglied und Gehäuse mit dem Common-Rail Druckspeicher oder die Kraftstoffzufuhrleitung mit dem Common-Rail Druckspeicher und der Steuerraum zwischen Ventilglied und Gehäuse mit der Leitung mit dem Kraftstoffdruck p2 verbunden ist.

Ein Verfahren zum Betrieb des erfindungsgemäßen dritten Einspritzsystems ist durch Betätigen zweier Ventile besonders einfach und sicher zu steuern.

Ein viertes Einspritzsystem gemäß der Erfindung enthält hydraulisch betätigte Einspritzventile, wobei in jedem Einspritzventil ein Ventilglied mit einem Gehäuse des Einspritzventils einen Steuerraum bildet. Der Steuerraum zwischen Ventilglied und Gehäuse ist über ein schaltbares Ventil wahlweise mit dem Common-Rail Druckspeicher oder einer Leitung mit einem Kraftstoffdruck p0 verbunden. Ein Kolben in einem Verdrängergehäuse bildet mit diesem einen oberen und einen unteren Steuerraum. Der untere Steuerraum und vorzugsweise auch der obere Steuerraum können über ein schaltbares Ventil wechselweise mit dem Druck p0 oder einem Druck p2 beaufschlagt werden. Ist der untere Steuerraum mit dem Druck p2 beaufschlagt, bewegt sich der Kolben von einer unteren in eine obere Stellung im Verdrängergehäuse, so daß über eine Verbindung mit der Kraftstoffzufuhrleitung der Druck vor der Einspritzöffnung im Einspritzventil abgesenkt wird, und Flüssigkeit dem Einspritzventil über eine separate Leitung vor die Einspritzöffnung zufließen kann. Die Schaltstellungen des Ventils für den Steuerraum zwischen Ventilglied und Gehäuse bestimmen die Einspritzmenge, und die des Ventils für die Steuerräume zwischen Verdränger­ gehäuse und Kolben bestimmen die einzuspritzende Flüssigkeitsmenge.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung dieses vierten Einspritzsystems ist nur der untere Steuerraum zwischen Kolben und Verdrängergehäuse mit Druck p2 oder Druck p0 beaufschlagt und eine Feder drückt den Kolben kontinuierlich in eine untere Stellung im Verdrängergehäuse, so daß der Druck im oberen Steuerraum gleich dem Umgebungsdruck sein kann.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des vierten Einspritzsystems ist der Druck im Steuerraum zwischen Ventilglied und Gehäuse und in der Kraftstoffzufuhrleitung von einem 4/2 Wege-Ventil gesteuert. Eine Bypassleitung zur Verbindungsleitung vom Ventil zur Kraftstoffzufuhrleitung und Rückschlagventile sind in der Bypass- und in der Verbindungsleitung vom Ventil zur Kraftstoffzufuhrleitung enthalten.

Eine Kombination der beiden vorhergenannten Ausgestaltungen dieses vierten Einspritzsystems ergibt eine weitere bevorzugte Variante der Erfindung.

Ein Verfahren zum Betrieb des vierten erfindungsgemäßen Einspritzsystems ist mit zwei Ventilen besonders einfach und sicher zu steuern.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Einspritzsystem in einer Phase 1,

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein Einspritzsystem in einer Phase 3,

Fig. 3 einen Querschnitt durch ein Einspritzsystem in einer Phase 4,

Fig. 4 einen Querschnitt durch ein modifiziertes Einspritzsystem in einer Phase 5,

Fig. 5 einen Querschnitt durch ein zweites Einspritzsystem in einer Phase 1,

Fig. 6 einen Querschnitt durch ein zweites Einspritzsystem in einer Phase 2,

Fig. 7 einen Querschnitt durch ein zweites Einspritzsystem in einer Phase 4,

Fig. 8 einen Querschnitt durch ein drittes Einspritzsystem in einer Phase 1,

Fig. 9 einen Querschnitt durch ein drittes Einspritzsystem in einer Phase 2,

Fig. 10 einen Querschnitt durch ein drittes Einspritzsystem in einer Phase 3,

Fig. 11 einen Querschnitt durch ein viertes Einspritzsystem in einer Phase 1,

Fig. 12 einen Querschnitt durch ein viertes Einspritzsystem in einer Phase 2,

Fig. 13 einen Querschnitt durch ein viertes Einspritzsystem in einer Phase 3,

Fig. 14 einen Querschnitt durch eine vorteilhafte Ausgestaltung dieses vierten Einspritzsystems, und

Fig. 15 einen Querschnitt durch eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung dieses vierten Einspritzsystems, und

Fig. 16 einen Querschnitt durch eine Kombination der beiden vorgenannten Ausgestaltungen dieses vierten Einspritzsystems.

Fig. 1-3 stellen jeweils einen Querschnitt dar durch ein erfindungsgemäßes Einspritzventil 1 eines Common-Rail Sytems (nicht dargestellt) dessen Einspritzvorgang in fünf Phasen erfolgt. Einspritzventil 1 ist eines von mehreren Einspritzventilen (nicht dargestellt) des erfindungsgemäßen Einspritzsystems für eine mehrzylindrische Brennkraftmaschine (nicht dargestellt), insbesondere einen Dieselmotor.

Von einem Common-Rail Druckspeicher (nicht dargestellt) des erfindungsgemäßen Einspritzsystems, in dem z. B. Kraftstoff bei hohem Druck pcr, z. B. pcr = 1200-1500 bar, gespeichert ist, führt eine Leitung 2 zum Einspritzventil 1.

Das Einspritzventil 1 weist ein Gehäuse 3 mit mindestens einer Einspritzöffnung 4 und einem rotationssymetrischen Ventilglied 5 auf. In Richtung einer Längsachse des Gehäuses 3 ist das Ventilglied 5 zum Öffnen und Schließen der Einspritzöffnung 4 verschieblich im Gehäuse 3 gelagert.

Das Gehäuse 3 ist vorzugsweise zweiteilig. In einem von der Einspritzöffnung 4 abgewandten Teil 6 weist das Gehäuse 3 eine zentrale Bohrung 7 mit einem Durchmesser a auf.

Ein Teil 8 des Gehäuses 3, das auch die Einspritzöffnung 4 enthält, weist in einem unteren, der Einspritzöffnung 4 benachbarten Abschnitt eine zentrale Bohrung 9 mit dem Durchmesser b, und in einem mittleren, dem Teil 6 zugewandten Abschnitt eine zentrale Bohrung 10 mit dem Durchmesser c auf. Zwischen der zentralen Bohrung 10 und der zentralen Bohrung 7 ist eine zentrale Bohrung 10b mit einem Durchmesser d angebracht. Durchmesser d ist kleiner als Durchmesser a und größer als Durchmesser c. Durchmesser a ist größer als Durchmesser b, und Durchmesser b kleiner als Durchmesser c. Eine Leckoelbohrung 19 ist am Übergang von Teil 6 zu Teil 8 des Gehäuses 3 enthalten. Eine Leckoelbohrung 19b ist am Übergang von Durchmesser d zu Durchmesser c im Gehäuse 3 enthalten.

Ventilglied 5 weist an seiner der Einspritzöffnung 4 abgewandten Seite ein kolbenförmiges Endstück 11 auf, mit dem das Ventilglied 5 in der Bohrung 7 des Teils 6 des Gehäuses 3 geführt ist. Das kolbenförmige Endstück 11 stellt im Querschnitt ein zur Einspritzöffnung 4 geöffnetes E dar, dessen äußere Schenkel 12 auf einem ebenen Absatz 13 anliegen können, den das Teil 8 mit dem Teil 6 des Gehäuses 3 bildet. Eine radial gerichtete Bohrung 14 ist im äußeren Schenkel 12 des kolbenförmigen Endstücks 11 angebracht.

In der Bohrung 7 des Teils 6 bildet das kolbenförmige Endstück 11 des Ventilglieds 5 mit dem Gehäuse 3 einen Steuerraum 15, in den eine Leitung 16 mündet, die den Steuerraum 15 über ein elektromagnetisches 3/2 Wegeventil 17 mit dem Common-Rail Druckspeicher oder mit einer Niederdruckleitung 18 verbindet.

Einspritzventil 1 enthält einen Kolben 20 in der Form eines Hohlkolbens, der koaxial zum Ventilglied 5 angeordnet ist. Das kolbenförmige Endstück 11 und die äußeren Schenkel 12 des Ventilglieds 5 schließen mit einer Stirnfläche 21 des Kolbens 20 einen Steuerraum 22 ein. Kolben 20 weist einen konstanten Innendurchmesser auf und ist flüssigkeitsdicht am Ventilglied 5 verschieblich geführt.

Der Außendurchmesser des Kolbens 20 ist stufenförmig, wobei der Kolben 20 an einem der Einspritzöffnung 4 zugewandten Teil 23 kleineren Durchmessers eine zylindrische Stirnfläche 24 und auf der dem kolbenförmigen Endstück 11 zugewandten Seite eine zylindrische Stirnfläche 21 größeren Durchmessers aufweist. Kolben 20 ist in den zentralen Bohrungen 9, 10, 10b im Gehäuse 3 eng anliegend geführt, so daß keine Flüssigkeit zwischen Kolben 20 und Gehäuse 3 passieren kann. Kolben 20 weist an seinem Außenumfang einen Anschlag 26 auf, der mit einem Ventilsitz 27 im Teil 8 des Gehäuses 3 zusammenwirkt.

Eine Leitung 30 mündet in eine radial gerichtet Bohrung 31 des Teils 6 des Gehäuses 3. Leitung 30 enthält ein elektromagnetisches 3/2 Wege-Ventil 32, das die Leitung 30 entweder mit dem Common-Rail Druckspeicher oder einer Niederdruckleitung 33 verbindet.

Nahe der Einspritzöffnung 4 mündet eine Leitung 35, in die aus einem Reservoir (nicht dargestellt) Flüssigkeit in das Einspritzventil 1 gefördert wird. Leitung 35 enthält ein Rückschlagventil 36, das Abfließen von Kraftstoffgemisch aus dem Bereich vor der Einspritzöffnung 4 durch die Leitung 35 verhindert.

In Leitung 2 ist ein Rückschlagventil 38 enthalten, das die Zufuhr von Kraftstoff durch Leitung 2 zur Einspritzöffnung 4 verhindert, und das Abfließen aus dem Bereich direkt vor der Einspritzöffnung 4 in Richtung der Leitung 2 ermöglicht.

Vor dem Rückschlagventil 38 zweigt von der Leitung 2 eine Bohrung 39 im Teil 8 des Gehäuses 3 ab, die in eine ringförmige Kammer 40 innerhalb der zentralen Bohrung 10 mündet. Teil 23 des Kolbens 20 wirkt mit dem Gehäuse 3 als Ventil und steuert den Zufluß von Kraftstoff aus der Leitung 2 vor die Einspritzöffnung 4.

Fig. 4 stellt einen Querschnitt dar durch ein modifiziertes erfindungsgemäßes Einspritzventil 25 eines Common-Rail Sytems (nicht dargestellt). Konstruktive Merkmale des Einspritzventils 25 gemäß Fig. 4, die den Merkmalen des Einspritzventils 1 gemäß Fig. 1-3 entsprechen, haben die gleichen Bezugszeichen.

Das Teil 8 des Gehäuses 3, das auch die Einspritzöffnung 4 enthält, weist in dem unteren, der Einspritzöffnung 4 benachbarten Abschnitt eine zentrale Bohrung 9 mit dem Durchmesser b, und in einem mittleren, dem Teil 6 zugewandten Abschnitt eine zentrale Bohrung 10 mit dem Durchmesser c auf. Durchmesser a ist größer als Durchmesser b, und Durchmesser b kleiner als Durchmesser c. Eine Leckoelbohrung 19 ist am Übergang von Teil 6 zu Teil 8 des Gehäuses 3 enthalten.

Einspritzventil 1 enthält einen Kolben 20 in der Form eines Hohlkolbens, der koaxial zum Ventilglied 5 angeordnet ist. Das kolbenförmige Endstück 11 und die äußeren Schenkel 12 des Ventilglieds 5 schließen mit einer Stirnfläche 21 des Kolbens 20 einen Steuerraum 22 ein. Kolben 20 weist einen konstanten Innendurchmesser auf und ist flüssigkeitsdicht am Ventilglied 5 verschieblich geführt.

Der Außendurchmesser des Kolbens 20 ist stufenförmig, wobei der Kolben 20 an einem der Einspritzöffnung 4 zugewandten Teil 23 kleineren Durchmessers eine zylindrische Stirnfläche 24 und auf der dem kolbenförmigen Endstück 11 zugewandten Seite eine zylindrische Stirnfläche 21 größeren Durchmessers aufweist. Kolben 20 ist in den zentralen Bohrungen 9, 10 im Gehäuse 3 eng anliegend geführt, so daß keine Flüssigkeit zwischen Kolben 20 und Gehäuse 3 passieren kann. Kolben 20 weist an seinem Außenumfang einen Anschlag 26 auf, der mit einem Ventilsitz 27 im Teil 8 des Gehäuses 3 zusammenwirkt.

Verfahren zum Betrieb des erfindungsgemäßen Einspritzsystems

Kraftstoff ist während des Betriebs der Brennkraftmaschine kontinuierlich mit hohem Druck aus dem Common-Rail Druck­ speicher in der Leitung 2 und Flüssigkeit kontinuierlich mit einem vorzugsweise niedrigeren, einstellbaren Druck in der Leitung 35 der Einspritzventile 1, 25 vorrätig.

In Fig. 1-3 sind die wesentlichen Phasen für den Einspritzvorgang des Einspritzventils 1 dargestellt.

Fig. 1: In einer Phase 1 ist Ventil 17 in einer Stellung, in der Steuerraum 15 mit dem Common-Rail Druckspeicher verbunden ist, und Ventilglied 5 wird von dem Druck auf dessen kolbenförmiges Endstück 11 auf die Einspritzöffnung 4 gepreßt, so daß keine Einspritzung von Einspritzventil 1 stattfindet.

Bohrung 14 im kolbenförmigen Endstück 11 und Bohrung 31 im Teil 6 des Gehäuses 3 liegen übereinander und über Ventil 32 ist Steuerraum 22 ebenfalls mit dem Common-Rail Druckspeicher verbunden, so daß der Anschlag 26 des Kolbens 20 auf den Ventilsitz 27 in der ringförmigen Kammer 40 gedrückt wird, und der Zufluß von Kraftstoff durch die Leitung 2 vor die Ein­ spritzöffnung 4 von dem auf den Ventilsitz gepreßten Anschlag 26, von dem Teil 23 des Kolbens 20 und vom Rückschlagventil 38 verhindert wird.

Phase 2: Ventil 17 ist in einer Stellung, in der Steuerraum 15 mit dem Common-Rail Druckspeicher verbunden ist, und Ventilglied 5 wird von dem Druck auf das kolbenförmige Endstück 11 auf die Einspritzöffnung 4 des Einspritzventils 1 gepreßt (s. Fig. 2).

Ventil 32 verbindet über die Leitung 30 und die Bohrungen 14, 31 den Steuerraum 22 mit der Niederdruckleitung 33. Flüssigkeit aus der Leitung 35 liegt mit niedrigerem Druck als dem Druck im Common-Rail Druckspeicher und höherem Druck als in der Niederdruckleitung 33 vor der Einspritzöffnung 4 an. Kolben 20 hebt mit Anschlag 26 vom Ventilsitz 27 ab und vergrößert das Volumen vor der Einspritzöffnung 4 im Einspritzventil 1, so daß Flüssigkeit aus der Leitung 35 vor die Einspritzöffnung 4 gelangen kann. Die Schaltzeit von Ventil 32 bestimmt die Flüssigkeitsmenge im Einspritzventil 1. Der Kraftstoffzufluß aus Leitung 2 vor die Einspritzöffnung 4 wird vom Rückschlagventil 38 und Teil 23 des Kolbens 20 verhindert.

Fig. 2: In einer Phase 3 sind Ventil 17 und Ventil 32 in der Stellung aus Phase 2 und Kolben 20 gelangt in Anschlag an das kolbenförmige Endstück 11 des Ventilglieds 5. Die Zufuhr von Flüssigkeit vor die Einspritzöffnung 4 aus der Leitung 35 ist beendet. Das Ventilglied 5 hält die Einspritzöffnung 4 verschlossen und Teil 23 des Kolbens 20 und Rückschlagventil 38 verhindern die Zufuhr von Kraftstoff zur Einspritzöffnung 4.

Fig. 3: In einer Phase 4 ist Ventil 17 in einer Stellung, in der Steuerraum 15 mit der Niederdruckleitung 18 verbunden ist, und Ventilglied 5 hebt unter dem Druck aus der Leitung 35 auf die Stirnfläche 24 des Kolbens 20 ab. Der untere Teil 23 des Kolbens 20 gibt den Durchgang von der ringförmigen Kammer 40 zu der Einspritzöffnung 4 frei, so daß der Druck aus dem Common-Rail Druckspeicher auf die Stirnfläche des Ventilglieds 5 an der Einspritzöffnung 4 wirkt und Kraftstoff aus der Leitung 2 mit der vor der Einspritzöffnung 4 vorrätigen Flüssigkeit in den Brennraum (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Die Schaltzeit von Ventil 17 bestimmt die Einspritzmenge. Bohrung 14 im kolbenförmigen Endstück 11 des Ventilglieds 5 ist von der Bohrung 31 im Teil 6 des Gehäuses 3 getrennt.

Phase 5: Ventil 17 und Ventil 32 sind in derselben Stellung wie in Phase 1 (s. Fig. 1). Ventilglied 5 wird von dem Common-Rail Druck auf dessen kolbenförmiges Endstück 11 auf die Einspritzöffnung 4 gepreßt, so daß die Einspritzung durch Einspritzventil 1 abgeschlossen ist. Bohrung 14 im kolbenförmigen Endstück 11 des Ventilglieds 5 ist mit Bohrung 31 im Teil 6 des Gehäuses 3 verbunden, und Druck aus dem Common-Rail Druckspeicher wirkt auf Kolben 20, der sich auf die Einspritzöffnung 4 zu bewegt. Kraftstoff aus der Kammer 40 wird über die Bohrung 39 und Kraftstoff aus dem Bereich vor der Einspritz- Öffnung 4 wird an dem Rückschlagventil 38 vorbei in die Leitung 2 gedrückt. Rückschlagventil 36 verhindert den Rückfluß des Gemisches aus dem Bereich vor der Einspritzöffnung 4 in Leitung 35.

Das Verfahren für das modifizierte erfindungsgemäße Einspritzventil 25 stimmt in den ersten 4 Phasen mit dem anhand Fig. 1-3 für Einspritzventil 1 beschriebenen Verfahren überein.

Bei Einspritzventil 25 schaltet in einer Phase 5 (s. Fig. 4) jedoch zunächst erst das Ventil 32 auf die Leitung zum Common-Rail Druckspeicher um. Ventilglied 5 ist noch von der Einspritzöffnung 4 abgehoben, so daß die Einspritzung durch Einspritzventil 25 andauert. Bohrung 14 im kolbenförmigen Endstück 11 des Ventilglieds 5 ist mit Bohrung 31 im Teil 6 des Gehäuses 3 verbunden, und Druck aus dem Common-Rail Druckspeicher wirkt auf Kolben 20, der sich auf die Einspritzöffnung 4 zu bewegt. Kraftstoff aus der Kammer 40 wird über die Bohrung 39 und Kraftstoff aus dem Bereich vor der Einspritzöffnung 4 wird durch Einspritzöffnung 4 in die Brennräume eingespritzt.

In einer Phase 6 des modifizierten erfindungsgemäßen Einspritzventil 25 sind Ventil 17 und Ventil 32 in derselben Stellung wie in Phase 1 (s. Fig. 1). Ventilglied 5 wird von dem Common-Rail Druck auf dessen kolbenförmiges Endstück 11 auf die Einspritzöffnung 4 gepreßt, so daß die Einspritzung durch das modifizierte erfindungsgemäße Einspritzventil 25 beendet ist.

Fig. 5-7 stellen einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes zweites Einspritzsystem 41 eines Common-Rail Systems (nicht dargestellt) während eines Einspritzvorgangs in mehreren Phasen dar. Entsprechende Elemente des alternativen erfindungsgemäßen Einspritzventils 41 sind mit den Bezugszeichen für das in Fig. 1-3 beschriebene Einspritzventil 1 versehen.

Einspritzventil 41 weist ein Gehäuse 3 mit mindestens einer Einspritzöffnung 4 und einem rotationssymmetrischen Ventilglied 5 auf. In Richtung einer Längsachse des Gehäuses 3 ist das Ventilglied 5 zum Öffnen und Schließen der Einspritzöffnung 4 verschieblich im Gehäuse 3 gelagert.

Das Gehäuse 3 ist vorzugsweise zweiteilig. In einem von der Einspritzöffnung 4 abgewandten Teil 6 weist das Gehäuse 3 eine zentrale Bohrung 7 mit einem Durchmesser a, in einem Teil 8 des Gehäuses 3, das auch die Einspritzöffnung 4 enthält, in einem unteren, der Einspritzöffnung 4 benachbarten Abschnitt des Teils 8, eine zentrale Bohrung 9 mit dem Durchmesser b, und in einem mittleren, dem Teil 6 zugewandten Abschnitt des Teils 8, eine zentrale Bohrung 10 mit dem Durchmesser c auf. Durchmesser a ist größer als Durchmesser b oder c, und Durchmesser b kleiner als Durchmesser c.

Ventilglied 5 weist an seiner der Einspritzöffnung 4 abgewandten Seite ein kolbenförmiges Endstück 11 auf, mit dem das Ventilglied 5 in der Bohrung 7 des Teils 6 des Gehäuses 3 geführt ist. Das kolbenförmige Endstück 11 stellt im Querschnitt ein zur Einspritzöffnung 4 geöffnetes E dar. Zwischen äußeren Schenkeln 12 des kolbenförmigen Endstücks 11 und einem ebenen Absatz 13 des Gehäuses 3 wirkt in axialer Richtung eine Druckfeder 42. Eine radial gerichtete Bohrung 14 und in derselben Winkellage eine weitere radial gerichtete Bohrung 43 in axialer Richtung zur Einspritzöffnung 4 versetzt, sind im Schenkel 12 des kolbenförmigen Endstücks 11 angebracht. Das kolbenförmige Endstück 11 des Ventilglieds 5 bildet in Bohrung 7 des Teils 6 mit dem Gehäuse 3 einen Steuerraum 15, in den eine Leitung 16 mündet, die Steuerraum 15 über ein elektromagnetisches 3/2 Wegeventil 17 mit dem Common-Rail Druckspeicher oder mit einer Niederdruckleitung 18 verbindet.

Einspritzventil 41 enthält einen Kolben 20 in der Form eines Hohlkolbens, der koaxial zum Ventilglied 5 angeordnet ist. Das kolbenförmige Endstück 11 des Ventilglieds 5 schließt mit einer Stirnfläche 21 des Kolbens 20 einen Steuerraum 22 ein. Kolben 20 weist einen konstanten Innendurchmesser auf und ist flüssigkeitsdicht am Ventilglied 5 verschieblich geführt.

Der Außendurchmesser des Kolbens 20 ist stufenförmig, wobei der Kolben 20 an einem der Einspritzöffnung 4 zugewandten Teil 23 kleineren Durchmessers eine zylindrische Stirnfläche 24 und auf der dem kolbenförmigen Endstück 11 zugewandten Seite eine zylindrische Stirnfläche 21 größeren Durchmessers aufweist. Kolben 20 ist in den zentralen Bohrungen 9, 10 im Gehäuse 3 eng anliegend geführt, so daß keine Flüssigkeit zwischen Kolben 20 und Gehäuse 3 passieren kann. Kolben 20 stützt sich an seinem Außenumfang über einen Anschlag 26 auf einer Feder 45 ab, die sich wiederum auf einen Anschlag 46 im Gehäuse 3 des Einspritzventils 41 stützt.

Eine Leitung 30 mündet in eine radial gerichtet Bohrung 31 des Teils 6 des Gehäuses 3. Leitung 30 ist mit dem Common-Rail Druckspeicher verbunden. Eine Leitung 47 mündet in eine radial gerichtet Bohrung 49 des Teils 6 des Gehäuses 3. Leitung 47 ist vorzugsweise über eine Drossel 48 mit einer Niederdruckleitung verbunden. Die Bohrungen 31, 49 im Gehäuse 3 des Einspritzventils 1 sind mit größerem axialem Abstand als die Bohrungen 14, 42 im kolbenförmigen Endstück 11 und in der­ selben Winkellage wie diese Bohrungen 14, 42 angeordnet.

Vor der Einspritzöffnung 4 mündet eine Leitung 50 in das Gehäuse 3 des Einspritzventils 1, die Kraftstoff und Flüssigkeit führt. In der Leitung 50 ist ein Rückschlagventil 51 enthalten, das Abfließen von Kraftstoffgemisch aus dem Bereich vor der Einspritzöffnung 4 in die Leitung 50 verhindert.

Verfahren zum Betrieb des zweiten Einspritzsystems

Kraftstoff und Flüssigkeit ist beim Betrieb der Brennkraftmaschine kontinuierlich mit einem vorzugsweise einstellbarem Druck in der Leitung 50 und vor der Einspritzöffnung 4 vorrätig.

Fig. 5: In einer Phase 1 ist Ventil 17 in einer Stellung, in der Steuerraum 15 mit dem Common-Rail Druckspeicher verbunden ist. Ventilglied 5 wird von dem Druck auf das kolbenförmige Endstück 11 gegen die Kraft der Feder 42 auf die Einspritzöffnung 4 gepreßt, so daß keine Einspritzung stattfindet.

Bohrung 43 im kolbenförmigen Endstück 11 und Bohrung 49 im Gehäuse 3 liegen übereinander, so daß Steuerraum 22 mit der Niederdruckleitung 47 verbunden ist, und Kolben 20 vom Druck aus der Leitung 50 gegen das kolbenförmige Endstück 11 gedrückt wird.

Fig. 6: In einer Phase 2 ist Ventil 17 in einer Stellung, in der Steuerraum 15 mit der Niederdruckleitung 9 verbunden ist, und Ventilglied 5 wird vom Druck aus der Leitung 50 auf den Kolben 20 und unterstützt von der Kraft der Feder 42 von der Einspritzöffnung 4 abgehoben, so daß die Kraftstoff und Flüssigkeit eingespritzt wird.

Bohrung 14 im kolbenförmigen Endstück 11 und Bohrung 31 im Gehäuse 3 liegen übereinander, so daß Steuerraum 22 mit dem Common-Rail Druckspeicher verbunden ist. Kolben 20 wird vom kolbenförmigen Endstück 11 des Ventilglieds 5 weggedrückt und bewegt sich auf die Einspritzöffnung 4 zu, so daß der Einspritzdruck vor der Einspritzöffnung 4 erhöht ist. Rückschlagventil 51 verhindert den Abfluß von Kraftstoffgemisch aus dem Bereich vor der Einspritzöffnung 4 in die Leitung 50.

Phase 3: Die Stellungen von Ventilglied 5 und Ventil 17 entsprechen deren Stellungen aus Phase 2 (s. Fig. 6). Bohrung 14 im kolbenförmigen Endstück 11 und Bohrung 31 im Gehäuse 3 liegen übereinander, so daß Steuerraum 22 mit dem Common-Rail Druckspeicher verbunden bleibt. Kolben 20 bewegt sich vom kolbenförmigen Endstück 11 weiter auf die Einspritzöffnung 4 zu, so daß weiter Kraftstoffgemisch eingespritzt und der Stauraum vor der Einspritzöffnung 4 entleert wird. Die Einspritzmenge wird von der Dauer bestimmt, während der Ventil 17 den Steuerraum 15 mit der Niederdruckleitung 18 verbindet.

Fig. 7: in einer Phase 4 ist Ventil 17 in einer Stellung in der Steuerraum 15 mit dem Common-Rail Druckspeicher verbunden ist. Ventilglied 5 wird von dem Druck auf das kolbenförmigen Endstück 11 gegen die Kraft der Feder 42 auf die Einspritzöffnung 4 gepreßt, so daß keine Einspritzung mehr stattfindet.

Bohrung 42 im kolbenförmigen Endstück 11 und Bohrung 49 im Gehäuse 3 liegen übereinander, so daß Steuerraum 22 mit der Niederdruckleitung 47 verbunden ist. Kolben 20 wird vom Druck aus der Leitung 50 von der Einspritzöffnung 4 weg zu dem kolbenförmigen Endstück 11 gedrückt.

Phase 5: Die Stellungen von Ventilglied 5 und Ventil 17 gleichen deren Stellungen aus Phase 4 (s. Fig. 7). Bohrung 43 im kolbenförmigen Endstück 11 und Bohrung 49 im Gehäuse 3 liegen übereinander, so daß Steuerraum 22 mit der Niederdruckleitung 47 verbunden ist. Kolben 20 wird vom Druck aus der Leitung 50 weiter zu dem kolbenförmigen Endstück 11 gedrückt, so daß der Bereich vor der Einspritzöffnung 4 sich mit Flüssigkeit und Kraftstoff aus der Leitung 50 füllt.

Fig. 8-10 stellen jeweils einen Querschnitt dar durch ein erfindungsgemäßes drittes Einspritzsystem 61 eines Common-Rail Sytems (nicht dargestellt) in vier Phasen eines Einspritzvorgangs. Konstruktive Merkmale des Einspritzsystems 61 gemäß Fig. 8-10, die den Merkmalen des Einspritzsystems 1 gemäß Fig. 1-3 entsprechen, haben die gleichen Bezugszeichen.

Einspritzventil 61 weist ein Gehäuse 3 mit mindestens einer Einspritzöffnung 4 und einem rotationssymetrischen Ventilglied 5 auf. In Richtung einer Längsachse des Gehäuses 3 ist das Ventilglied 5 zum Öffnen und Schließen der Einspritzöffnung 4 verschieblich im Gehäuse 3 gelagert.

In einem von der Einspritzöffnung 4 abgewandten Teil 6 weist das Gehäuse 3 eine zentrale Bohrung 7 mit einem Durchmesser a auf. Ein Teil 8 des Gehäuses 3, das auch die Einspritzöffnung 4 enthält, weist in einem unteren, der Einspritzöffnung 4 benachbarten Abschnitt eine zentrale Bohrung 9 mit dem Durchmesser b, und in einem mittleren, dem Teil 6 zugewandten Abschnitt eine zentrale Bohrung 10 mit dem Durchmesser c auf. Durchmesser a ist größer als Durchmesser b oder c, und Durchmesser b kleiner als Durchmesser c.

Ventilglied 5 weist an seiner der Einspritzöffnung 4 abgewandten Seite ein kolbenförmiges Endstück 11 auf, mit dem das Ventilglied 5 in der Bohrung 7 des Teils 6 des Gehäuses 3 geführt ist. Das kolbenförmige Endstück 11 stellt im Querschnitt ein zur Einspritzöffnung 4 geöffnetes E dar, dessen äußere Schenkel 12 kegelförmig sind und mit einem Ventilsitz 62 des Gehäuses 3 ein Ventil bilden. Eine radial gerichtete Bohrung 14 ist im äußeren Schenkel 12 des kolbenförmigen Endstücks 11 angebracht.

In der Bohrung 7 des Teils 6 bildet das kolbenförmige Endstück 11 des Ventilglieds 5 mit dem Gehäuse 3 einen Steuerraum 15, in den eine Leitung 16 mündet, die den Steuerraum 15 über ein elektromagnetisches 4/2 Wege-Ventil 65 mit dem Common-Rail Druckspeicher oder mit einer Leitung 66 mit einem Kraftstoffdruck p2 verbindet. Von dem 4/2 Wege-Ventil 65 führt eine Leitung 2 zu dem Einspritzventil 61.

Einspritzventil 1 enthält einen Kolben 20 in der Form eines Hohlkolbens, der koaxial zum Ventilglied 5 angeordnet ist. Das kolbenförmige Endstück 11 und die äußeren Schenkel 12 des Ventilglieds 5 schließen mit einer Stirnfläche 21 des Kolbens 20 einen Steuerraum 22 ein. Kolben 20 weist im wesentlichen konstante Innen- und Außendurchmesser auf und ist flüssigkeitsdicht am Ventilglied 5 verschieblich geführt. Kraftstoff kann zwischen Kolben 20 und Gehäuse 3 durch Kanäle 63 in die Bohrung 9 vor der Einspritzöffnung 4 gelangen. Kolben 20 kann an einem Anschlag 64 des Gehäuses 3 anliegen.

Eine mit einer Drossel 67 versehene Leitung 30 mündet in eine radial gerichtet Bohrung 31 (nicht dargestellt) des Teils 6 des Gehäuses 3 und enthält ein elektromagnetisches 3/2 Wege- Ventil 32, das die Leitung 30 entweder mit dem Common-Rail Druckspeicher oder mit einer Leitung 68 mit einem Kraftstoffdruck p0 verbindet.

In der Nähe der Einspritzöffnung 4 mündet eine Leitung 35, in die aus einem Reservoir (nicht dargestellt) Wasser mit einem Druck p1 gefördert wird, in das Einspritzventil 61. In Leitung 35 ist ein Rückschlagventil 36 enthalten, das Abfließen von Kraftstoffgemisch aus dem Bereich vor der Einspritzöffnung 4 durch die Leitung 35 verhindert.

Leitung 2 kann über das Ventil 65 wahlweise mit der Leitung 66 mit dem Kraftstoffdruck p2 oder dem Common-Rail Druckspeicher verbunden werden. In Leitung 2 ist ein Rückschlagventil 38 enthalten, das die Zufuhr von Kraftstoff durch Leitung 2 zur Einspritzöffnung 4 verhindert, und das Abfließen aus der Bohrung 9 direkt vor der Einspritzöffnung 4 in Richtung der Leitung 2 ermöglicht. Vor dem Rückschlagventil 38 zweigt von der Leitung 2 eine Bohrung 39 zum Ventilsitz 62 im Gehäuse 3 ab. Der Zufluß von Kraftstoff aus der Leitung 2 vor die Einspritzöffnung 4 wird von dem kolbenförmigen Endstück 11 gesteuert, dessen äußere Schenkel 12 mit dem Ventilsitz 62 des Gehäuses 3 ein Ventil bilden.

Die Drücke po, p1 und p2 stehen zueinander im Verhältnis po < p1 < p2.

Verfahren zum Betrieb des dritten Einspritzsystems

Kraftstoff ist während des Betriebs der Brennkraftmaschine am Einspritzventil 61 mit hohem Druck aus dem Common-Rail Druckspeicher oder mit dem Kraftstoffdruck p2 in der Leitung 2 und Wasser kontinuierlich mit einem niedrigeren Druck p1 in der Leitung 35 vorrätig.

Fig. 8: In einer Phase 1 ist Ventil 65 in einer Stellung, in der Steuerraum 15 mit dem Common-Rail Druckspeicher verbunden ist, und Ventilglied 5 wird von dem Druck auf dessen kolbenförmiges Endstück 11 auf die Einspritzöffnung 4 und den Ventilsitz 62 gepreßt, so daß keine Einspritzung von Einspritzventil 1 stattfindet. Der Kraftstoffzufluß aus der Leitung 66 mit dem Kraftstoffdruck p2 zur Bohrung 9 vor der Einspritzöffnung 4 durch die Leitung 2 ist unterbrochen durch das kolbenförmige Endstück 11 des Ventilglieds 5, dessen kegelförmige äußere Schenkel 12 auf dem Ventilsitz 62 anliegen, und durch das Rückschlagventil 38.

Bohrung 14 im kolbenförmigen Endstück 11 und Bohrung 31 im Teil 6 des Gehäuses 3 liegen übereinander und über Ventil 32 ist Steuerraum 22 ebenfalls mit dem Common-Rail Druckspeicher verbunden, so daß der Kolben 20 auf dem Anschlag 64 des Gehäuses 3 anliegt. Wasser aus der Leitung 35 liegt mit Druck p1 vor der Einspritzöffnung 4 an.

Fig. 9: In einer Phase 2 ist Ventil 65 in einer Stellung, in der Steuerraum 15 mit dem Common-Rail Druckspeicher verbunden ist, und Ventilglied 5 wird von dem Druck auf das kolbenförmige Endstück 11 auf die Einspritzöffnung 4 des Einspritzventils 1 gepreßt.

Ventil 32 verbindet über die Leitung 30 und die Bohrungen 14, 31 den Steuerraum 22 mit der Leitung 68 mit dem Kraftstoff druck p0. Wasser aus der Leitung 35 liegt mit Druck p1 vor der Einspritzöffnung 4 an. Kolben 20 hebt vom Anschlag 64 ab und vergrößert das Volumen vor der Einspritzöffnung 4 im Einspritzventil 1, so daß Wasser aus der Leitung 35 vor die Einspritzöffnung 4 gelangen kann. Die Schaltzeit von Ventil 32 bestimmt die Wassermenge im Einspritzventil 1. Der Kraftstoffzufluß zur Einspritzöffnung 4 durch die Leitung 2 ist unterbrochen durch das kolbenförmige Endstück 11 des Ventilglieds 5, dessen äußere Schenkel 12 auf dem Ventilsitz 62 anliegen.

Fig. 10: In einer Phase 3 ist Ventil 65 in einer Stellung, in der Steuerraum 15 mit der Leitung 66 mit dem Kraftstoffdruck p2 verbunden ist. Leitung 2 ist über Ventil 65 mit dem Common-Rail Druckspeicher beaufschlagt und Ventilglied 5 hebt ab unter dem Common-Rail Druck auf die kegelförmigen Schenkel 12 des kolbenförmigen Endstücks 11 und dem Druck aus dem Common-Rail Druckspeicher auf die Stirnfläche des Ventilglieds 5 vor Einspritzöffnung 4.

Kraftstoff aus der Leitung 2 mit dem vor der Einspritzöffnung 4 vorrätigen Wasser wird in den Brennraum (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine eingespritzt. Die Schaltzeit von Ventil 65 bestimmt die Einspritzmenge.

Eine Drossel 67 in der Leitung 30 reduziert Druckschwankungen im Steuerraum 22, so daß sich in Phase 3 der Kolben 20 relativ zum Ventilglied 5 nicht bewegt.

Phase 4: Ventil 65 und Ventil 32 gehen zur Herstellung der Ausgangslage in die Stellung von Phase 1 (s. Fig. 8) zurück. Ventilglied 5 wird von dem Common-Rail Druck auf dessen kolbenförmiges Endstück 11 auf die Einspritzöffnung 4 gepreßt, so daß die Einspritzung durch Einspritzventil 61 beendet ist.

Kolben 20 bewegt sich auf Anschlag 64 zu. Kraftstoff Wassergemisch aus dem Bereich vor der Einspritzöffnung 4 wird an Rückschlagventil 38 vorbei in die Leitung 2 gedrückt. Rückschlagventil 36 verhindert den Rückfluß des Gemisches aus dem Bereich vor der Einspritzöffnung 4 in Leitung 35.

Fig. 11-16 stellen jeweils Querschnitte dar durch vierte Einspritzsysteme 100 eines Common-Rail Sytems (nicht dargestellt) deren Einspritzvorgänge sich im wesentlichen jeweils aus 4 Phasen zusammensetzen.

Einspritzsystem 100 enthält ein Einspritzventil 101, das ein Gehäuse 103 mit einer zentralen Bohrung 107, mindestens eine Einspritzöffnung 104 und ein rotationssymetrisches Ventilglied 105 aufweist. In Richtung einer Längsachse des Gehäuses 103 ist das Ventilglied 105 zum Öffnen und Schließen der Einspritzöffnung 104 verschieblich im Gehäuse 103 gelagert.

Ventilglied 105 weist an seiner der Einspritzöffnung 104 abgewandten Seite ein kolbenförmiges Endstück 111 auf, mit dem das Ventilglied 105 in der Bohrung 107 des Gehäuses 103 geführt ist.

In der Bohrung 107 bildet das kolbenförmige Endstück 111 des Ventilglieds 105 mit dem Gehäuse 103 einen Steuerraum 115, in den eine Leitung 116 mündet, die den Steuerraum 115 über ein ektromagnetisches 5/2 Wege-Ventil 125 mit einer Leitung 139 zu dem Common-Rail Druckspeicher oder mit einer Leitung 126 mit einem Druck p0 verbindet. Von dem 5/2 Wege-Ventil 125 führt eine Leitung 117 zu der Leitung 102, die zum Einspritzventil 101 führt, und mündet in einen Steuerraum 106, den das kolbenförmige Endstück 111 mit dem Gehäuse 103 bildet. Leitung 102 kann über das Ventil 125 wahlweise mit der Leitung 126 mit dem Kraftstoffdruck po oder dem Common-Rail Druckspeicher verbunden sein. Ein Rückschlagventil 138 ist in einer Abzweigleitung 137 von der Leitung 126 zu dem 5/2 Wege-Ventil 125 enthalten.

In der Nähe der Einspritzöffnung 104 mündet eine Leitung 108, in die aus einem Reservoir (nicht dargestellt) Flüssigkeit gefördert wird, in das Einspritzventil 101. In Leitung 108 ist ein Rückschlagventil 109 enthalten, das Abfließen von Kraftstoffgemisch aus dem Bereich vor der Einspritzöffnung 104 durch die Leitung 108 verhindert.

Einspritzsystem 100 enthält in einem Verdrängergehäuse 118 einen Kolben 120. Kolben 120 kann von einem oberen Steuerraum 119 und von einem unteren Steuerraum 121 mit Druck beaufschlagt werden. Kolben 120 ist in einer oberen Bohrung 122 und in einer unteren Bohrung 123 des Gehäuses 118 mit einer zentralen Welle 124, 140 geführt. Bohrung 122 weist eine Entlüftungsbohrung 127 auf. Bohrung 123 ist über das Verbindungsstück 128 an die Leitung 102 zu Einspritzventil 101 und an die Leitung 117 zum Ventil 125 angeschlossen.

Eine Leitung 130 mündet in den oberen Steuerraum 119 und eine Leitung 131 in den unteren Steuerraum 121. Ein elektromagnetisches 4/2 Wegeventil 132 verbindet die Leitungen 130, 131 wechselweise entweder mit einer Leitung 133 mit dem Druck p2 oder mit einer Leitung 134 mit einem Druck p0.

Verfahren zum Betrieb des vierten Einspritzsystems

Kraftstoff ist während des Betriebs der Brennkraftmaschine am Einspritzventil 101 mit hohem Druck aus dem Common-Rail Druckspeicher oder mit dem Kraftstoffdruck p0 in der Leitung 102 und Flüssigkeit kontinuierlich in der Leitung 108 vorrätig.

Fig. 11: In einer Phase 1 ist Ventil 125 in einer Stellung, in der Steuerraum 115 mit dem Common-Rail Druck beaufschlagt ist, und Ventilglied 105 wird von dem Druck auf dessen kolbenförmiges Endstück 111 auf die Einspritzöffnung 104 gepreßt, so daß keine Einspritzung von Einspritzventil 101 stattfindet.

Der Kolben 120 ist vom oberen Steuerraum 119 mit dem Druck p2 und vom unteren Steuerraum 121 mit dem Druck p0 beaufschlagt und befindet sich in einer unteren Stellung. Flüssigkeit aus der Leitung 108 liegt vor der Einspritzöffnung 104 an. Kraftstoff liegt aus Leitungen 117, 102 mit Druck p0 vor der Einspritzöffnung 104 an.

Fig. 12: In einer Phase 2 ist Ventil 125 in einer Stellung, in der Steuerraum 115 mit dem Common-Rail Druckspeicher verbunden ist, und Ventilglied 105 wird von dem Druck auf das kolbenförmige Endstück 111 auf die Einspritzöffnung 104 des Einspritzventils 101 gepreßt.

Ventil 132 ist in einer Stellung, in der der Kolben 120 vom oberen Steuerraum 119 mit dem Druck p0 und vom unteren Steuerraum 121 mit dem Druck p2 beaufschlagt wird, und sich daher in eine obere Stellung bewegt. Bei der Bewegung des Kolbens 120 von unten nach oben wird über Bohrung 123, Leitungen 128, 102 der Druck im Steuerraum 106 vor der Einspritzöffnung 104 im Einspritzventil 101 abgesenkt, so daß Flüssigkeit aus der Leitung 108 vor die Einspritzöffnung 104 gefördert wird. Die Schaltzeit von Ventil 132 bestimmt die Flüssigkeitsmenge im Einspritzventil 1.

Fig. 13: In einer Phase 3 ist Ventil 125 in einer Stellung in der Steuerraum 115 mit der Leitung 126 mit dem Kraftstoffdruck p0 verbunden ist. Leitung 102 ist über Ventil 125 mit dem Common-Rail Druckspeicher beaufschlagt und Ventilglied 105 hebt ab unter dem Common-Rail Druck auf das kolbenförmige Endstück 111.

Kraftstoff aus der Leitung 102 mit der vor der Einspritzöffnung 104 vorrätigen Flüssigkeit wird in den Brennraum (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine eingespritzt. Die Schaltzeit von Ventil 125 bestimmt die Einspritzmenge.

Phase 4: Ventil 125 und Ventil 132 gehen zur Herstellung der Ausgangslage in die Stellung von Phase 1 (s. Fig. 11) zurück. Ventilglied 105 wird von dem Common-Rail Druck auf dessen kolbenförmiges Endstück 111 auf die Einspritzöffnung 104 gepreßt, so daß die Einspritzung durch Einspritzventil 101 beendet ist.

Kolben 120 bewegt sich auf die untere Stellung zu. Kraftstoff Flüssigkeitsgemisch aus dem Bereich vor der Einspritzöffnung 104 wird in die Leitungen 117, 126 gedrückt. Rückschlagventil 109 verhindert den Rückfluß des Gemisches aus dem Bereich vor der Einspritzöffnung 104 in Leitung 108.

Fig. 14 stellt einen Querschnitt dar durch ein modifiziertes viertes Einspritzsystem 100 eines Common-Rail Sytems (nicht dargestellt).

Das modifizierte, vierte Einspritzsystem 100 enthält in dem Verdrängergehäuse 118 den Kolben 120. Kolben 120 kann von dem unteren Steuerraum 121 mit Druck beaufschlagt werden. Kolben 120 ist in der oberen Bohrung 122 und in einer unteren Bohrung 123 des Gehäuses 118 mit einer zentralen Welle 124 geführt. Bohrung 122 weist eine Entlüftungsbohrung 127 und eine Druckfeder 141 auf. Bohrung 123 ist über das Verbindungsstück 128 an die Leitung 102 zu Einspritzventil 101 und an die Leitung 117 zum Ventil 125 angeschlossen.

Leitung 130 mündet in den oberen Steuerraum 119 und Leitung 131 in den unteren Steuerraum 121. Ein elektromagnetisches 3/2 Wegeventil 142 verbindet Leitung 131 entweder mit der Leitung 133 mit dem Druck p2 oder mit der Leitung 134 mit dem Druck p0. Leitung 130 schließt an die Leitung 134 mit dem Druck p0 an.

Das Verfahren zum Betrieb des modifizierten vierten Einspritzsystems entspricht dem anhand der Fig. 11-13 beschriebenen Verfahren zum Betrieb des vierten Einspritzsystems bis auf das Merkmal, daß Kolben 120 nicht vom Druck p2 sondern von der Feder 141 in die untere Stellung im Gehäuse 118 gedrückt wird. Ventil 142 beaufschlagt ausschließlich Leitung 131 wahlweise mit Druck p0 oder p2.

Fig. 15 stellt einen Querschnitt dar durch eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung dieses vierten Einspritzsystems.

In der Bohrung 107 des Einspritzventils 101 bildet das kolbenförmige Endstück 111 des Ventilglieds 105 mit dem Gehäuse 103 einen Steuerraum 115, in den die Leitung 116 mündet, die den Steuerraum 115 über ein elektromagnetisches 4/2 Wege-Ventil 145 mit der Leitung 139 zu dem Common-Rail Druckspeicher oder mit der Leitung 126 mit dem Druck p0 verbindet. Von dem 4/2 Wege-Ventil 145 führt die Leitung 117 zu der Leitung 102, die zum Einspritzventil 101 führt, und mündet in den Steuerraum 106, den das kolbenförmige Endstück 111 mit dem Gehäuse 103 bildet. Leitung 102 kann über das 4/2 Wege-Ventil 145 wahlweise mit der Leitung 126 mit dem Kraftstoffdruck po oder dem Common-Rail Druckspeicher verbunden sein.

Eine Bypassleitung 146 ist in der Leitung 117 enthalten. Zwischen den Anschlußpunkten der Bypassleitung 146 ist ein Rückschlagventil 144 in der Leitung 117 enthalten, das in Richtung von dem 4/2 Wege-Ventil 145 zu dem Anschluß der Leitung 117 an die Leitung 102 den Durchfluß sperrt. In der Bypassleitung 146 ist ein Rückschlagventil 143 enthalten, das in Richtung vom Anschluß der Leitung 117 an die Leitung 102 zum 4/2 Wege-Ventil 145 den Durchfluß sperrt.

Das Verfahren zum Betrieb der weiteren vorteilhaften Ausgestaltung dieses vierten Einspritzsystems entspricht dem anhand der Fig. 11-13 beschriebenen Verfahren zum Betrieb des vierten Einspritzsystems bis auf das Merkmal, daß vom 4/2 Wege-Ventil 146 zu der Leitung 102 die Verbindung über die Leitungen 117, 143, 117 hergestellt wird, und daß in Phase 4, bei geschlossenem Einspritzventil 101, der sich in seine untere Stellung bewegende Kolben 120, Kraftstoffgemisch durch die Leitung 117 in die Leitung 126 mit dem Druck p0 verdrängt.

Fig. 16 stellt einen Querschnitt dar durch ein viertes Einspritzsystem 100, das sich aus einer Kombination der weiteren vorteilhaften Ausgestaltung dieses vierten Einspritzsystems gemäß Fig. 15 und dem modifizierten vierten Einspritzsystem gemäß Fig. 14 ergibt.

Claims (15)

1. Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff und einer zusätzlichen Flüssigkeit oder eines Kraftstoff Flüssigkeitsgemischs in Brennräume einer Brennkraftmaschine mit einem Common-Rail-Druckspeicher,
mit einer ersten und zweiten Kraftstoffleitung (16, 30), denen jeweils ein erstes und ein zweites Steuerventil (17, 32) zugeordnet ist, welche eine Verbindung zwischen einem Einspritzventil (1) und dem Druckspeicher oder mit Niederdruckleitungen (18, 33) ermöglichen,
mit einer Ventilnadel (5) in einem Ventilgehäuse (3) zum Öffnen und Schließen von Einspritzöffnungen (4) des Einspritzventils (1), mit einem ersten Steuerkolben (11), welcher an dem den Einspritzöffnungen (4) entgegengesetzten Ende der Ventilnadel (5) angeordnet ist und im Ventilgehäuse (3) einen ersten Steuerraum (15) begrenzt, welcher mit der ersten Kraftstoffleitung (16) in Verbindung steht,
mit einem hülsenförmigen Pumpenkolben (20), welcher koaxial zur Ventilnadel (5) im Ventilgehäuse (3) angeordnet ist, und an seinem den Einspritzöffnungen (4) entgegengesetzten Ende einen zweiten Steuerkolben (21) besitzt, welcher im Ventilgehäuse (3) zwischen dem ersten und zweiten Steuerkolben (11, 21) einen zweiten Steuerraum (22) begrenzt, der mit der zweiten Kraftstoffleitung (30) verbindbar ist, wobei das den Einspritzöffnungen (4) zugewandte Ende des Pumpenkolbens (20) in einem Pumpenarbeitsraum (9) des Ventilgehäuses (3) axial beweglich angeordnet ist,
mit einer dritten Leitung (35) zum Zuführen der zusätzlichen Flüssigkeit oder des Kraftstoff-Flüssigkeitsgemischs in den Pumpenarbeitsraum (9) unter Verwendung eines Rückschlagventils (36), wobei im Saughub des Pumpenkolbens (20) eine vorbestimmte Menge der zusätzlichen Flüssigkeit oder des Kraftstoff Flüssigkeitsgemischs in den Pumpenarbeitsraum (9) einströmt, und wobei die im Pumpenarbeitsraum (9) vorgelagerte Füllung in den Brennraum eingespritzt wird, indem zum Anheben der Ventilnadel (5) der Steuerraum (15) mit der Niederdruckleitung (18 bzw. 66) verbunden wird, und der Pumpenarbeitsraum (9) mit dem Einspritzdruck beaufschlagt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Saughub des Pumpenkolbens (20) eine erste Bohrung (39) im Ventilgehäuse (3) freigegeben wird, über die Kraftstoff aus dem Druckspeicher in den Pumpenarbeitsraum (9) einströmt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerventil (32) ein 3/2-Wegeventil zur Herstellung der Verbindung des Steuerraums (22) mit dem Common-Rail-Druckspeicher oder mit der Niederdruckleitung (33) dient.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenarbeitsraum (9) im Bereich der Einspritzöffnungen (4) eine zweite Bohrung (2) besitzt, die über ein weiteres Rückschlagventil (38) mit dem Druckspeicher verbunden ist, wobei das Rückschlagventil (38) die Zufuhr von Kraftstoff in den Pumpenarbeitsraum (9) verhindert.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine zentrale Bohrung (10) im mittleren Bereich des Teils (8) des Ventilgehäuses (3) eine zentrale Bohrung (10b) und Leckölbohrungen (19, 19b) aufweist, und der Pumpenkolben (20) an die Bohrungen (10, 10b) angepaßt abgestuft ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Steuerkolben (11) eine dritte und eine vierte Bohrung (14, 43) angeordnet ist, denen im Ventilgehäuse (3) korrespondierend eine fünfte und sechste Bohrung (31, 49) zugeordnet ist, diese Bohrungen das zweite Steuerventil bilden, indem die dritte und fünfte Bohrung (14, 31) in der geöffneten Stellung der Ventilnadel (5) miteinander verbunden sind und den zweiten Steuerraum (22) mit dem Druckspeicher verbinden und in der geschlossenen Stellung der Ventilnadel (5) die vierte und sechste Bohrung (43, 49) miteinander verbunden sind und den zweiten Steuerraum (22) mit der Niederdruckleitung (47) verbinden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Feder (42) zwischen dem ersten Steuerkolben (11) und einem Absatz im Ventilgehäuse (3) vorgesehen ist, deren Federkraft in Richtung auf die geöffnete Stellung der Ventilnadel (5) wirkt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Steuerventil (17) ein elektromagnetisches Ventil ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Kraftstoffleitung (30) zwischen dem zweiten Steuerventil (32) und dem zweiten Steuerraum (11) eine Drossel (67) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Steuerventil (65) ein 4/2-Wegeventil ist, welches die Verbindungen zwischen dem Druckspeicher und der Niederdruckleitung einerseits und dem ersten Steuerraum (15) und der ersten bzw. zweiten Bohrung (39 bzw. 2) steuert.

11. Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff und einer zusätzlichen Flüssigkeit oder eines Kraftstoff Flüssigkeitsgemischs in Brennräume einer Brennkraftmaschine mit einem Common-Rail-Druckspeicher,
mit einer ersten Kraftstoffleitung (116), der ein erstes Steuerventil (125, 145) zugeordnet ist, welches eine Verbindung zwischen einem Einspritzventil (101) und dem Druckspeicher oder mit Niederdruckleitungen (126) ermöglicht,
mit einer Ventilnadel (105) in einem Ventilgehäuse (103) zum Öffnen und Schließen von Einspritzöffnungen (104) des Einspritzventils (101), mit einem ersten Steuerkolben (111), welcher an dem den Einspritzöffnungen (104) entgegengesetzten Ende der Ventilnadel (105) angeordnet ist und im Ventilgehäuse (103) einen ersten Steuerraum (115) begrenzt, welcher mit der ersten Kraftstoffleitung (116) in Verbindung steht,
mit einem die Ventilnadel (105) umgebenden, von dem ersten Steuerkolben (111) und dem Gehäuse begrenzten Vorlagerungsraum (106),
mit einem Pumpenkolben (124), der mit einem zweiten Steuerkolben (120) verbunden in einem Gehäuse (118) axial beweglich angeordnet ist, mit einer Bohrung (123) in dem Gehäuse (118) zur Aufnahme des Pumpenkolbens (124), in der der Pumpenkolben (124) den zweiten Steuerkolben führt, mit einer Leitung (128), die die Bohrung (123) über die Leitung (102) mit dem Vorlagerungsraum (106) verbindet,
mit einem oberen Steuerraum (119) und einem unteren Steuerraum (121), die jeweils von dem Gehäuse (118) und dem zweiten Steuerkolben (120) gebildet werden, wobei eine Leitung (130) in den oberen Steuerraum (119) und eine Leitung (131) in den unteren Steuerraum (121) führt, mit einem zweiten Steuerventil (132, 142), das über die Leitung (131) den unteren Steuerraum (121) wahlweise mit einem Druck p2 oder Druck p0 beaufschlagt,
mit einer dritten Leitung (108) zum Zuführen der zusätzlichen Flüssigkeit oder des Kraftstoff Flüssigkeitsgemischs in den Vorlagerungsraum (106) unter Verwendung eines Rückschlagventils (109), wobei im Saughub des Pumpenkolbens (124) eine vorbestimmte Menge der zusätzlichen Flüssigkeit oder des Kraftstoff Flüssigkeitsgemischs in den Vorlagerungsraum (106) einströmt, und wobei die im Vorlagerungsraum (106) vorgelagerte Füllung in den Brennraum eingespritzt wird, indem zum Anheben der Ventilnadel (105) der Steuerraum (115) mit der Niederdruckleitung (126) verbunden wird, und der Vorlagerungsraum (106) über eine Leitung (117) und die Leitung (102) mit dem Einspritzdruck beaufschlagt wird.

12. Einspritzsystem gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Steuerraum (119) über Ventil (132) und Leitung (130) wahlweise mit Druck p2 oder Druck p0 beaufschlagt werden kann.

13. Einspritzsystem gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Steuerraum (119) über Leitung (130) kontinuierlich mit Druck p0 beaufschlagt ist, der untere Steuerraum (121) über ein 3/2 Wege-Ventil (142) und Leitung (131) wahlweise mit Druck p2 oder Druck p0 beaufschlagt werden kann, und eine Feder (141) über eine zentrale Welle (140) den Kolben (120) in eine untere Stellung drückt.

14. Einspritzsystem gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein 4/2 Wege-Ventil (145) die Leitungen (117, 116) wahlweise mit der Niederdruckleitung (126) mit Druck p0 oder mit der Leitung (139) mit Common-Rail-Druck verbindet, eine Bypassleitung (146) mit einem Rückschlagventil (143) in Leitung (117) angeordnet ist, und ein Rückschlagventil (144) in der Leitung (117) zwischen Anschlußstellen der Bypassleitung (146) mit der Leitung (117) angeordnet ist.

15. Einspritzsystem gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Steuerraum (119) über Leitung (130) kontinuierlich mit Druck p0 beaufschlagt ist, der untere Steuerraum (121) über das 3/2 Wege-Ventil (142) und Leitung (131) wahlweise mit Druck p2 oder Druck p0 beaufschlagt werden kann, die Feder (141) über eine zentrale Welle (140) den Kolben (120) in eine untere Stellung drückt, das 4/2-Wege-Ventil (145) die Leitungen (117, 116) wahlweise mit der Niederdruckleitung (126) mit Druck p0 oder mit Leitung (139) mit Common-Rail-Druck verbindet, eine Bypassleitung (146) mit einem Rückschlagventil (143) in Leitung (117) angeordnet ist, und ein Rückschlagventil (144) in der Leitung (117) zwischen Anschlußstellen der Bypassleitung (146) mit der Leitung (117) angeordnet ist.