EP0946828B1 - Kraftstoffeinspritzanlage für eine brennkraftmaschine - Google Patents

Kraftstoffeinspritzanlage für eine brennkraftmaschine Download PDF

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EP0946828B1
EP0946828B1 EP98942475A EP98942475A EP0946828B1 EP 0946828 B1 EP0946828 B1 EP 0946828B1 EP 98942475 A EP98942475 A EP 98942475A EP 98942475 A EP98942475 A EP 98942475A EP 0946828 B1 EP0946828 B1 EP 0946828B1
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EP
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fuel
pressure
additional
injection system
fuel injection
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EP98942475A
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M43/00—Fuel-injection apparatus operating simultaneously on two or more fuels, or on a liquid fuel and another liquid, e.g. the other liquid being an anti-knock additive
    • F02M43/04—Injectors peculiar thereto
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M43/00—Fuel-injection apparatus operating simultaneously on two or more fuels, or on a liquid fuel and another liquid, e.g. the other liquid being an anti-knock additive

Definitions

  • the invention relates to a fuel injection system for an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • Such fuel injection systems are known for example from DE 43 37 048 C2.
  • a two-component nozzle is provided, which is used for the stratified injection of fuel and an additional liquid, for example diesel fuel and water, in order to reduce the pollutant emissions of the internal combustion engine and, if necessary, to increase the efficiency.
  • the so-called common rail technology is also implemented in the known injection system, in which all the injection nozzles that operate the internal combustion engine are supplied with fuel under high pressure from a common rail pressure accumulator.
  • a complex and relatively expensive 3/2-way valve is used for each individual injector for metering the quantity of additional liquid, and a further 3/2-way valve is used for controlling the diesel injection quantity.
  • the fuel supply from the common rail pressure accumulator to the injection nozzle is interrupted with the first 3/2-way valve and, at the same time, a pressure chamber surrounding the injection nozzle, in which fuel under high pressure is stored, by a corresponding position of the first 3 / 2-way valve drained to the fuel low pressure side. Due to the pressure drop occurring in the pressure chamber, a corresponding Line additional liquid pumped into the pressure chamber, which displaces the corresponding fuel volume.
  • the first 3/2-way valve is then brought back into a position which establishes a connection between the common rail pressure accumulator and the pressure chamber in the injection valve.
  • the additional 3/2-way solenoid valve is provided for the precise metering of the quantity of fuel to be injected, which is to follow the upstream additional liquid during the injection surge caused by the next valve opening, which optionally selects the rear of the nozzle needle, which is held in the closed position by a spring connects either to the common rail pressure accumulator or to the low-pressure fuel side, thereby controlling the stroke of the valve needle, the opening and closing of the valve, and thus the desired injection quantity.
  • the known fuel injection system requires the two precisely working and therefore complex 3/2-way control solenoid valves for each individual injector in order to be able to precisely dose both the desired amount of fuel and the required amount of additional liquid.
  • a fuel injection system according to the preamble of claim 1 is known from document EP 0 418 601 A.
  • the fuel injection system according to the invention has the characterizing features of patent claim 1 in order to simplify its construction and thus to make it more economical to manufacture.
  • the two complex and expensive 3/2-way solenoid control valves can be replaced by a single simpler and cheaper 2/2-way valve, because the quantity metering for the additional liquid is functional and constructive from the modules for fuel injection is separated.
  • the advantages known from common rail technology for fuel injection can be exploited.
  • a plurality of additional liquid lines, each leading to different two-substance nozzles can extend from the pressure storage container, and only a single valve unit can be provided for supplying an entire group of two-substance nozzles with additional liquid.
  • FIG. 1 An embodiment of the fuel injection device according to the invention for internal combustion engines is shown in the drawing and is explained in the following description.
  • the figure shows a schematic connection of an embodiment of the fuel injection system according to the invention with a pressure storage container for additional liquid.
  • a high pressure pump 1 supplies from a Tank 14 a common rail pressure accumulator 2 with fuel at a pressure level of approximately 1800 bar.
  • a quantity-metering component must now be arranged, since the previously conventional injection pump by the combination Common rail pressure accumulator 2 and the simpler high pressure pump 1 have been replaced and the rail pressure is constantly present at a certain level.
  • This task is performed in the arrangement according to the invention by a 2/2-way valve MV1.
  • the exact amount is metered via the known (measured or controlled) pressure drop between the commom-rail pressure accumulator 2 and the combustion chamber of the internal combustion engine to be supplied by the two-substance nozzle 3 through a precise time window, the size of which depends on other influencing factors, via an electrical control which is not shown in the drawing.
  • a small piston 3.3 is additionally provided on the blunt axial end of the nozzle needle (injector plunger) 3.1 facing away from the nozzle needle tip. With its end facing away from the nozzle needle 3.1, it protrudes into a space 3.6 which is connected via a line 4 directly to the common nozzle. Rail pressure accumulator 2 is connected and acted upon by the high pressure prevailing there becomes.
  • the additional liquid is injected into the two-substance nozzle 3 from a pressure storage container 7 via a storage valve 10, which can open or close an additional liquid line 13 leading to a check valve 3.4 in the two-substance nozzle 3.
  • the pressure storage tank 7 is charged with additional liquid from a reservoir 12 via a check valve 11 from a pump 8.
  • the pressure in the pressure storage container 7 is kept at a desired level via a pressure control valve 9.
  • the common rail pressure accumulator 2 for the fuel and the pressure accumulator container 7 for the additional liquid are made in one piece in order to save space in the engine compartment of the internal combustion engine.
  • the pump 8 for loading the pressure storage container 7 with additional liquid can be an electrically operated pump, for example a two-stage gear pump, which can deliver additional liquid up to a pressure level of approximately 50 bar.
  • the pressure storage tank 7 according to the invention for additional liquid can be used in engines with a very wide variety of cylinders and for injection systems with a wide variety of designs.

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Description

  • Die Erfindung geht aus von einer Kraftstoffeinspritzanlage für eine Brennkraftmaschine nach der Gattung des Patentanspruchs 1.
  • Derartige Kraftstoffeinspritzanlagen sind beispielsweise aus der DE 43 37 048 C2 bekannt. Dabei ist einerseits eine Zweistoffdüse vorgesehen, die der geschichteten Einspritzung von Kraftstoff und einer Zusatzflüssigkeit, beispielsweise Dieselkraftstoff und Wasser dient, um den Schadstoffausstoß der Brennkraftmaschine zu vermindern und gegebenenfalls den Wirkungsgrad zu erhöhen. Andererseits ist bei der bekannten Einspritzanlage auch die sogenannte Common-Rail-Technik verwirklicht, bei der sämtliche die Brennkraftmaschine bedienenden Einspritzdüsen mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff aus einem Common-Rail-Druckspeicher beschickt werden.
  • Bei der bekannten Kraftstoffeinspritzanlage wird für jeden einzelnen Injektor zur Mengendosierung der Zusatzflüssigkeit ein aufwendiges und relativ teures 3/2-Wegeventil sowie für die Steuerung der Dieseleinspritzmenge ein weiteres 3/2-Wegeventil verwendet. Zum Vorlagern der Zusatzflüssigkeit wird dabei mit dem ersten 3/2-Wegeventil die Kraftstoffzufuhr vom Common-Rail-Druckspeicher zur Einspritzdüse unterbrochen und gleichzeitig ein die Einspritzdüse umgebender Druckraum, in dem unter Hochdruck stehender Kraftstoff gelagert ist, durch eine entsprechende Stellung des ersten 3/2-Wegeventils zur Kraftstoff-Niederdruckseite hin abgelassen. Durch den entstehenden Druckabfall im Druckraum wird über eine entsprechende Leitung Zusatzflüssigkeit in den Druckraum gefördert, die das entsprechende Kraftstoffvolumen verdrängt. Anschließend wird das erste 3/2-Wegeventil wieder in eine Stellung gebracht, die eine Verbindung zwischen dem Common-Rail-Druckspeicher und dem Druckraum im Einspritzventil herstellt. Zur mengengenauen Dosierung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge, die der vorgelagerten Zusatzflüssigkeit bei dem durch die nächste Ventilöffnung hervorgerufenen Einspritzstoß folgen soll, ist das weitere 3/2-Wege-Magnetventil vorgesehen, welches die Rückseite der Düsennadel, die von einer Feder in Schließstellung gehalten wird, wahlweise entweder mit dem Common-Rail-Druckspeicher oder mit der Kraftstoff-Niederdruckseite verbindet und dadurch zeitlich den Hub der Ventilnadel, das Öffnen und Schließen des Ventils und damit die gewünschte Einspritzmenge steuert.
  • Prinzipiell benötigt die bekannte Kraftstoffeinspritzanlage für jeden einzelnen Injektor die beiden genau arbeitenden und damit aufwendigen 3/2-Steuermagnetventile um sowohl die gewünschte Kraftstoffmenge als auch die erforderliche Menge an Zusatzflüssigkeit exakt dosieren zu können.
  • Eine Kraftstoffeinspritzanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus dem Dokument EP 0 418 601 A bekannt.
    • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzanlage weist zur baulichen Vereinfachung und damit zur preisgünstigeren Herstellbarkeit die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 auf. Dadurch können die beiden aufwendigen und teuren 3/2-Magnetsteuerventile durch ein einziges einfacheres und preiswerteres 2/2-Wegeventil ersetzt werden, weil die Mengendosierung für die Zusatzflüssigkeit funktionell und konstruktiv von den Baugruppen zur Kraftstoffeinspritzung getrennt ist. Durch Verwendung des erfindungsgemäßen Druckspeicherbehälters für Zusatzflüssigkeit können die aus der Common-Rail-Technik für die Kraftstoffeinspritzung bekannten Vorteile ausgenutzt werden. Insbesondere können vom Druckspeicherbehälter mehrere, jeweils zu unterschiedlichen Zweistoffdüsen führende Zusatzflüssigkeitsleitungen abgehen und es kann zur Beschickung einer ganzen Gruppe von Zweistoffdüsen mit Zusatzflüssigkeit jeweils nur eine einzige Ventileinheit vorgesehen sein.
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen zu entnehmen.
    • Zeichnung
  • Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Die Figur zeigt eine schematische Beschaltung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzanlage mit einem Druckspeicherbehälter für Zusatzflüssigkeit.
    • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzanlage für eine Brennkraftmaschine zur bifluiden Einspritzung von Kraftstoff (in der Regel Dieselkraftstoff) und einer Zusatzflüssigkeit (in der Regel Wasser) versorgt eine Hochdruckpumpe 1 aus einem Tank 14 einen Common-Rail-Druckspeicher 2 mit Kraftstoff auf einem Druckniveau von etwa 1800 bar. Zwischen dem Common-Rail-Druckspeicher 2 und einem von diesem über eine Einspritzleitung 6 mit Kraftstoff zu versorgenden Druckraum 3.5, der die Düsennadel 3.1 einer Zweistoffdüse 3 umgibt, muß nun ein mengendosierendes Bauelement angeordnet werden, da ja die früher übliche klassische Einspritzpumpe durch die Kombination aus Common-Rail-Druckspeicher 2 und der einfacheren Hochdruckpumpe 1 ersetzt wurde und der Raildruck auf einem gewissen Niveau ständig vorhanden ist. Diese Aufgabe übernimmt bei der erfindungsgemäßen Anordnung ein 2/2-Wegeventil MV1. Dieses sollte als schnelles Magnetventil mit guter Reproduzierbarkeit und mehr oder weniger fließendem Übergang zwischen den beiden Extremstellungen ausgelegt sein, da eventuell ein zeitlich gestaltbarer Einspritzmengenverlauf benötigt wird. Die genaue Mengendosierung wird über den bekannten (gemessenen oder gesteuerten) Druckabfall zwischen dem Commom-Rail-Druckspeicher 2 und dem von der Zweistoffdüse 3 zu versorgenden Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine durch ein genaues Zeitfenster, dessen Größe von anderen Einflußfaktoren abhängt, über eine elektrische Ansteuerung, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist, ermöglicht.
  • Der Aufbau und die Wirkungsweise der verwendeten Zweistoffdüse 3 ist abgesehen von kleineren Details aus dem Stand der Technik bekannt. Beim erfindungsgemäßen System ist jedoch zusätzlich an dem der Düsennadelspitze abgewandten stumpfen axialen Ende der Düsennadel (Injektorstößel) 3.1 ein kleiner Kolben 3.3 vorgesehen, der mit seinem der Düsennadel 3.1 abgewandten Ende in einen Raum 3.6 ragt, welcher über eine Leitung 4 direkt mit dem Common-Rail-Druckspeicher 2 verbunden ist und mit dem dort herrschenden Hochdruck beaufschlagt wird. Dies hat zur Folge, daß zur Bewegung des Injektorstößels 3.1 stets die im wesentlichen gleiche Widerstandskraft überwunden werden muß, da nun bedingt durch die konstanten Kolbenflächenverhältnisse und das Ausschalten der Einflüsse des Absolutdrucks im Common-Rail-Druckspeicher 2 nur ein konstanter Federdruck von einem Druckimpuls aus dem (veränderlichen) Raildruck überwunden werden muß. Damit stellen sich regeltechnisch willkommenere, annähernd konstante Schaltzeiten (Bewegungszeit des Injektorstößels) ein. Zur Belüftung des Raumes 3.2, der das stumpfe axiale Ende der Düsennadel 3.1 aufnimmt, und der gegen den Raum 3.6 hochdruckmäßig abgedichtet ist, ist eine zur Kraftstoff-Niederdruckseite hin führende Belüftungsleitung 5 vorgesehen.
  • Die Einspritzung von Zusatzflüssigkeit in die Zweistoffdüse 3 erfolgt aus einem Druckspeicherbehälter 7 über ein Einlagerungsventil 10, das eine zu einem Rückschlagventil 3.4 in der Zweistoffdüse 3 führende Zusatzflüssigkeitsleitung 13 öffnen oder schließen kann. Der Druckspeicherbehälter 7 wird über ein Rückschlagventil 11 von einer Pumpe 8 aus einem Vorratsbehälter 12 mit Zusatzflüssigkeit beschickt. Der Druck im Druckspeicherbehälter 7 wird über ein Druckregelventil 9 auf einem gewünschten Niveau gehalten.
  • Bei dem in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiel sind der Common-Rail-Druckspeicher 2 für den Kraftstoff und der Druckspeicherbehälter 7 für die Zusatzflüssigkeit einstückig ausgeführt, um Platz im Motorraum der Brennkraftmaschine einzusparen.
  • Vom Druckspeicherbehälter 7 aus können mehrere, jeweils zu unterschiedlichen Zweistoffdüsen führende Zusatzflüssigkeitsleitungen abgehen, die in der Zeichnung pauschal mit "13' " bezeichnet sind. Zur Beschickung einer ganzen Gruppe von Zweistoffdüsen mit Zusatzflüssigkeit kann jeweils auch nur eine einzige Ventileinheit vorgesehen sein, die dann als entsprechendes Mehrwegeventil ausgestaltet sein muß. Ebenso können auch vom Common-Rail-Druckspeicher mehrere Injektoren über geeignete Ventileinheiten mit Kraftstoff beschickt werden.
  • Die Pumpe 8 zur Beschickung des Druckspeicherbehälters 7 mit Zusatzflüssigkeit kann eine elektrisch betriebene Pumpe, beispielsweise eine zweistufige Zahnradpumpe sein, die bis zu einem Druckniveau von ca. 50 bar Zusatzflüssigkeit fördern kann.
  • Der erfindungsgemäße Druckspeicherbehälter 7 für Zusatzflüssigkeit ist bei Motoren mit unterschiedlichster Zylinderzahl und für Einspritzanlagen unterschiedlichsten Aufbaus einsetzbar.

Claims (7)

  1. Kraftstoffeinspritzanlage für eine Brennkraftmaschine mit einer Hochdruckpumpe (1) zur Förderung des Kraftstoffes, vorzugsweise Dieselkraftstoff, in eine Zweistoffdüse (3) sowie mit einer Fördereinrichtung zur Förderung einer über ein Rückschlagventil (3.4) geführten Zusatzflüssigkeit, vorzugsweise Wasser, in eine zu der Zweistoffdüse (3) führende Zusatzflüssigkeitsleitung (13), wobei ein Druckspeicherbehälter (7) mit unter Druck stehender Zusatzflüssigkeit vorgesehen ist, der über die Zusatzflüssigkeitsleitung (13) und das Rückschlagventil (3.4) mit der Zweistoffdüse (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass über die Zusatzflüssigkeitsleitung (13) und das Rückschlagventil (3.4) gesteuert durch ein Einlagerungsventil (10), das in der Zusatzflüssigkeitsleitung eingesetzt ist, die Zweistoffdüse (3) mit einer jeweils vorgebbaren Menge an Zusatzflüssigkeit beschickt wird, wobei der Druckspeicherbehälter mittels einer Pumpe (8) über ein weiteres Rückschlagventil (11) mit Zusatzflüssigkeit beschickt wird und der Innendruck des Druckspeicherbehälters (7) durch ein Druckregelventil (9) auf einem gewünschten Niveau gehalten wird.
  2. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (8) einen elektrischen Antrieb aufweist.
  3. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (8) eine vorzugsweise zweistufige Zahnradpumpe ist.
  4. Kraftstoffeinspritzanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff gefüllter Common-Rail-Druckspeicher (2) vorgesehen ist, der eine zur Zweistoffdüse (3) führende Einspritzleitung (6) mit Kraftstoff beschicken kann.
  5. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckspeicherbehälter (7) für Zusatzflüssigkeit und der Common-Rail-Druckspeicher (2) einstückig ausgeführt sind.
  6. Kraftstoffeinspritzanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vom Druckspeicherbehälter (7) mehrere, jeweils zu unterschiedlichen Zweistoffdüsen führende Zusatzflüssigkeitsleitungen (13') abgehen.
  7. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beschickung einer ganzen Gruppe von Zweistoffdüsen (3) mit Zusatzflüssigkeit jeweils nur eine Einlagerungs-Ventileinheit vorgesehen ist.
EP98942475A 1997-10-22 1998-07-01 Kraftstoffeinspritzanlage für eine brennkraftmaschine Expired - Lifetime EP0946828B1 (de)

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