EP1078160B1 - Kraftstoffeinspritzeinrichtung - Google Patents

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EP1078160B1
EP1078160B1 EP00910561A EP00910561A EP1078160B1 EP 1078160 B1 EP1078160 B1 EP 1078160B1 EP 00910561 A EP00910561 A EP 00910561A EP 00910561 A EP00910561 A EP 00910561A EP 1078160 B1 EP1078160 B1 EP 1078160B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pressure
injection
fuel
valve
chamber
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP00910561A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1078160A1 (de
Inventor
Bernd Mahr
Martin Kropp
Hans-Christoph Magel
Wolfgang Otterbach
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1078160A1 publication Critical patent/EP1078160A1/de
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Publication of EP1078160B1 publication Critical patent/EP1078160B1/de
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    • F02M59/02—Pumps specially adapted for fuel-injection and not provided for in groups F02M39/00 -F02M57/00, e.g. rotary cylinder-block type of pumps of reciprocating-piston or reciprocating-cylinder type
    • F02M59/10—Pumps specially adapted for fuel-injection and not provided for in groups F02M39/00 -F02M57/00, e.g. rotary cylinder-block type of pumps of reciprocating-piston or reciprocating-cylinder type characterised by the piston-drive
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
    • F02M63/02—Fuel-injection apparatus having several injectors fed by a common pumping element, or having several pumping elements feeding a common injector; Fuel-injection apparatus having provisions for cutting-out pumps, pumping elements, or injectors; Fuel-injection apparatus having provisions for variably interconnecting pumping elements and injectors alternatively
    • F02M63/0225—Fuel-injection apparatus having a common rail feeding several injectors ; Means for varying pressure in common rails; Pumps feeding common rails
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    • F02M47/02—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure of accumulator-injector type, i.e. having fuel pressure of accumulator tending to open, and fuel pressure in other chamber tending to close, injection valves and having means for periodically releasing that closing pressure
    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M57/025—Injectors structurally combined with fuel-injection pumps characterised by the pump drive hydraulic, e.g. with pressure amplification
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    • F02M59/105—Pumps specially adapted for fuel-injection and not provided for in groups F02M39/00 -F02M57/00, e.g. rotary cylinder-block type of pumps of reciprocating-piston or reciprocating-cylinder type characterised by the piston-drive hydraulic drive
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    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/21—Fuel-injection apparatus with piezoelectric or magnetostrictive elements

Definitions

  • the invention relates to a fuel injection device according to the preamble of claim 1
  • the fuel injection device according to the invention may be formed both stroke-controlled and pressure-controlled.
  • a stroke-controlled fuel injection device is understood to mean that the opening and closing of the injection opening takes place by means of a displaceable valve member due to the hydraulic interaction of the fuel pressures in a nozzle space and in a control space.
  • a pressure reduction within the control chamber causes a stroke of the valve member.
  • the deflection of the valve member by an actuator take place.
  • a pressure-controlled fuel injection device In a pressure-controlled fuel injection device according to the invention, the pressure prevailing in the nozzle chamber of an injector fuel pressure, the valve member against the action of a closing force (spring) is moved, so that the injection port for injection of the fuel from the nozzle chamber is released into the cylinder.
  • injection pressure The pressure with which fuel exits the nozzle chamber into a cylinder of an internal combustion engine
  • system pressure is understood to mean the pressure below which fuel is available or stored in the fuel injector.
  • a stroke-controlled injection is, for example, by OE 196 19 523 A1 known.
  • the achievable injection pressure is here by the Pressure accumulator (rail) and the high pressure pump to about 1600 to 1800 bar limited.
  • a pressure booster unit is possible, as is known for example from US 5,143,291 or US 5,522,545.
  • the disadvantage of these pressure-translated systems is a lack of Flexibility of injection and a poor quantity tolerance in the Metering of small amounts of fuel.
  • JP 08277762 A In a fuel injection device described in JP 08277762 A are to increase the flexibility of the injection and the metering accuracy of Pre-injection two pressure accumulation chambers with different pressures intended. These two pressure storage rooms require a high Production costs and high production costs, with the maximum Injection pressure continues through the fuel pump and the accumulator chamber is limited.
  • a pressure booster unit arranged in the injector is known from EP 0 691 471 A1 known.
  • a bypass line for a pressure injection and a Pressure chamber of the pressure booster unit are in series, so that the bypass line is only continuous, as long as a sliding piston of the Pressure booster unit is not moved and completely retracted.
  • Each injector one Common Rail Systems is assigned a hydraulic pressure booster unit, the both increasing the maximum injection pressure to high pressures, e.g. greater 1800 bar, as well as the provision of a second injection pressure allows.
  • the bypass line leads to the supply line at the end of the pressure chamber of the pressure booster unit Nozzle space or in the supply line from the pressure booster unit to the nozzle chamber.
  • a Injection of lower pressure fuel can be independent of the position of the Pressure medium of the pressure booster unit done.
  • the pressure booster unit are the accumulator chamber and the injector with a lower stand pressure (rail pressure) acted upon and thus have a longer life.
  • the High pressure pump less stressed.
  • By switching between the injection pressures can be a flexible Post-injection or multiple post-injections at high or low Realize injection pressure.
  • first embodiment of a stroke-controlled fuel injection device 1 is a volume-controlled fuel pump 2 fuel 3 from a storage tank 4 via a feed line 5 in a central pressure reservoir 6 (common rail), from which a plurality of the number of individual cylinders corresponding pressure lines 7 to the individual, in the combustion chamber of the engine to be supplied protruding injectors 8 (injector) dissipate.
  • a first system pressure is generated and stored in the pressure storage chamber 6.
  • This first system pressure is used for pre-injection and, if necessary and post-injection (HC enrichment for exhaust aftertreatment or soot reduction) and for displaying a course of injection with plateau (boat injection).
  • each injector 8 is assigned a respective local pressure booster unit 9, which is located within an injector 8.
  • the pressure booster unit 9 comprises a valve unit for pressure transmission control (3/2-way valve) 10, a check valve 11 and a pressure means 12 in the form of a displaceable piston member.
  • the pressure medium 12 can be connected at one end to the pressure line 7 with the aid of the valve unit 10, so that the pressure medium 12 can be pressurized at one end.
  • a differential space 12 ' is depressurized by means of a leakage line 13, so that the pressure medium 12 can be moved to reduce the volume of a pressure chamber 14.
  • the pressure means 12 is moved in the compression direction, so that the fuel located in the pressure chamber 14 compressed and a control chamber 15 and a nozzle chamber 16 is supplied.
  • the check valve 11 prevents the return of compressed fuel into the accumulator 6.
  • a suitable area ratio in a primary chamber 14 'and the pressure chamber 14 a second higher pressure can be generated. If the primary chamber 14 'connected by means of the valve unit 10 to the leakage line 13, the return of the pressure medium 12 and the refilling of the pressure chamber 14 takes place.
  • the injection takes place via a fuel metering with the help of one in one Guide bore axially displaceable piston-shaped valve member 18 with a conical Valve sealing surface 19 at one end, with which it has a valve seat surface on Injector housing of the injector 8 cooperates.
  • injection openings are provided at the valve seat surface of the Injector housing.
  • Within the nozzle chamber 16 is an in the opening direction of the valve member 18 facing pressure surface which prevails there Exposed to pressure which is supplied via a pressure line 20 to the nozzle chamber 16.
  • Coaxial to a valve spring 21 also engages the valve member 18 to a pressure piece 22 which with its end facing away from the valve sealing surface 19 end face 23 delimits the control chamber 15.
  • the Control chamber 15 has an inlet from the fuel pressure connection with a first throttle 24th and a drain to a pressure relief line 25 with a second throttle 26, the is controlled by a 2/2-way valve 27.
  • the nozzle chamber 16 is placed over an annular gap between the valve member 18 and the Guide bore continues to the valve seat surface of the injector. About the pressure in the Control chamber 15, the pressure member 22 is pressurized in the closing direction.
  • the end of the injection is achieved by pressing (closing) the 2/2-way valve again Introduced 27, which decouples the control chamber 15 again from the leakage line 13, so that in the control chamber 15, a pressure builds up again, the pressure piece 22 in the closing direction can move.
  • the valve units are powered by electromagnets for opening or closing or Switching operated.
  • the electromagnets are controlled by a control unit, the various operating parameters (engine speed, .%) of the supplied Monitor and process internal combustion engine.
  • piezo-actuator elements instead of the solenoid-controlled valve units, piezo-actuator elements (actuator, Actuator) are used, the necessary temperature compensation and possibly a have required force or displacement ratio.
  • the fuel injection device 1 has the between the pressure accumulator chamber 6 and the Nozzle space 16 arranged pressure booster unit 9, whose pressure chamber 14 via the pressure line 20 is connected to the nozzle chamber 16, Furthermore, the to the Pressure accumulator 6 connected bypass line 28 is provided.
  • the bypass line 28 is connected directly to the pressure line 20.
  • the bypass line 28 is for a Injection with rail pressure usable and is arranged parallel to the pressure chamber 14, so that the bypass line 28 regardless of the movement and position of the displaceable Pressure medium 12 of the pressure booster unit 9 is continuous. The flexibility of Injection is increased.
  • the pressure booster unit 9 is arranged in a modification of the fuel injection device 1 outside of the injector 8. This can be anywhere between accumulator chamber 6 and injector 8. The size of the injector 8 decreases. In this case, an integration of the pressure booster unit 9 with associated valve arrangement and the pressure storage chamber 6 in one component is possible.
  • the valve arrangement can also be arranged outside the pressure booster unit 9.
  • a fuel injector 50 of FIG. 3 has a pressure accumulator 51 for fuel at a first system pressure.
  • a higher system pressure is made possible by a pressure booster unit 52, which can be switched on by means of a valve unit 59.
  • the pressure-controlled fuel metering takes place via a valve unit 55, for example a 3/2-way valve.
  • a valve member 56 can be moved against the force of a valve spring 57 when the pressure applied to pressure surfaces 58 pressure exceeds the spring force of the valve spring 57.
  • the 3/2-way valves 55 and 59 are located within an injector 60.
  • FIG. 4 shows a fuel injector 61 similar to FIG. 3, whose fuel metering 62 (3/2-way valve) and pressure-increasing drive 63 (3/2-way valve) are disposed outside the injector 64.
  • fuel injector 61 it is also possible to arrange both valves separately from each other.
  • a simplified and loss-optimized control of a pressure booster unit 70 results from FIG. 5 .
  • the pressure in the differential space 71 formed by a transition from a larger to a smaller piston cross section is used.
  • this differential space is acted upon by a supply pressure (rail pressure).
  • a supply pressure rail pressure
  • the piston 72 is pressure balanced.
  • the piston 72 is pressed into its initial position.
  • this differential space 71 is depressurized and the pressure booster unit generates a pressure boost according to the area ratio.
  • a throttle 75 and a simple 2/2-way valve 76 may be used.
  • the Throttle 75 connects the differential chamber 71 with under supply pressure standing Fuel from a pressure accumulator 77.
  • the 2/2-way valve closes the Difference space 71 to a leakage line 78 at.
  • the throttle 75 should be as small as possible be designed, but still so large that the piston 72 between the injection cycles returns to its original position. As a throttle can also be a pilot leak of the Piston 72 can be used. With closed 2/2-way valve 76 is no Leakage in the guides of the piston 72, since the differential space 71 is pressurized.
  • the throttle can also be integrated in the piston.
  • the injector is under pressure of the accumulator 77.
  • the pressure booster unit is located in the Starting position. Now can be done by the valve 79 an injection with rail pressure. If an injection with higher pressure is desired, the 2/2-way valve 76 triggered (opened) and thus achieved a pressure boost.
  • a 3/2-way valve can also be used.
  • Fig. 6 shows the control via a 3/2-way valve in a stroke-controlled injection system.
  • Fig. 7 shows the control via a 3/2-way valve in a pressure-controlled injection system.
  • the pressure booster unit is activated simultaneously with the valve 27, so there is an injection starting at the rail pressure level with a ramp rising edge to the translated pressure (in the Figure 8 not shown). If the connection of the pressure booster unit is further delayed, it is first injected with rail pressure and by connecting the pressure booster unit results in a boot-shaped injection curve when activating the pressure booster unit. The length of the high-pressure part depends on the activation time of the pressure booster unit. The main injection is terminated by closing the valve 27. If the pressure booster unit is deactivated prior to closing the valve 27, the result is a ramp-down of the injection pressure up to the rail pressure level, as is known from pressure-controlled systems. In the case of post-injection, it is possible to choose between a high and a low injection pressure level. Thus, at a close distance after the main injection, a post-injection with high pressure for reducing soot or a remote post-injection at low injection pressure for exhaust aftertreatment can take place.
  • connection of the pressure booster unit is delayed, it is first injected with rail pressure and by connecting the pressure booster unit results in a boat-shaped injection course.
  • the length of the high-pressure part depends on the activation time of the pressure booster unit.
  • the main injection is stopped by closing the valve 55, whereby the injection pressure decays in turn ramped by relieving the nozzle chamber to the leakage pressure level and the injection is terminated.
  • post-injection it is possible to choose between a high and a low injection pressure level.
  • a post-injection with high pressure for reducing soot or a remote post-injection at low injection pressure for exhaust aftertreatment can take place.

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zum besseren Verständnis der Beschreibung und der Patentansprüche werden nachfolgend einige Begriffe erläutert: Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß der Erfindung kann sowohl hubgesteuert als auch druckgesteuert ausgebildet sein. Im Rahmen der Erfindung wird unter einer hubgesteuerten Kraftstoffeinspritzeinrichtung verstanden, dass das Öffnen und Schließen der Einspritzöffnung mit Hilfe eines verschieblichen Ventilglieds aufgrund des hydraulischen Zusammenwirkens der Kraftstoffdrücke in einem Düsenraum und in einem Steuerraum erfolgt. Eine Druckabsenkung innerhalb des Steuerraums bewirkt einen Hub des Ventilglieds. Alternativ kann das Auslenken des Ventilglieds durch ein Stellglied (Aktor, Aktuator) erfolgen. Bei einer druckgesteuerten Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß der Erfindung wird durch den im Düsenraum eines Injektors herrschenden Kraftstoffdruck das Ventilglied gegen die Wirkung einer Schließkraft (Feder) bewegt, so daß die Einspritzöffnung für eine Einspritzung des Kraftstoffs aus dem Düsenraum in den Zylinder freigegeben wird. Der Druck, mit dem Kraftstoff aus dem Düsenraum in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine austritt, wird als Einspritzdruck bezeichnet, während unter einem Systemdruck der Druck verstanden wird, unter dem Kraftstoff innerhalb der Kraftstoffeinspritzeinrichtung zur Verfügung steht bzw. bevorratet ist. Kraftstoffzumessung bedeutet, eine definierte Kraftstoffmenge zur Einspritzung bereitzustellen. Unter Leckage ist eine Menge an Kraftstoff zu verstehen, die beim Betrieb der Kraftstoffeinspritzeinrichtung entsteht (z.B. eine Führungsleckage), nicht zur Einspritzung verwendet und zum Kraftstofftank zurückgefördert wird. Das Druckniveau dieser Leckage kann einen Standdruck aufweisen, wobei der Kraftstoff anschließend auf das Druckniveau des Kraftstofftanks entspannt wird.
Eine hubgesteuerte Einspritzung ist beispielsweise durch die OE 196 19 523 A 1 bekanntgeworden. Der erreichbare Einspritzdruck ist hier durch den Druckspeicherraum (rail) und die Hochdruckpumpe auf ca. 1600 bis 1800 bar begrenzt.
Zur Erhöhung des Einspritzdruckes ist eine Druckübersetzungseinheit möglich, wie sie beispielsweise aus der US 5,143,291 oder der US 5,522,545 bekannt ist. Der Nachteil dieser druckübersetzten Systeme liegt in einer mangelnden Flexibilität der Einspritzung und einer schlechten Mengentoleranz bei der Zumessung kleiner Kraftstoffmengen.
Bei einer in der JP 08277762 A beschriebenen Kraftstoffeinspritzeinrichtung sind zur Erhöhung der Flexibilität der Einspritzung und der Zumeßgenauigkeit der Voreinspritzung zwei Druckspeicherräume mit unterschiedlichen Drücken vorgesehen. Diese beiden Druckspeicherräume erfordern einen hohen Fertigungsaufwand und hohe Herstellungskosten, wobei der maximale Einspritzdruck weiterhin durch die Kraftstoffpumpe und den Druckspeicherraum begrenzt ist.
Gemäß der Lehre der US 5,803,028 muss ein aufwendig ausgestaltetes Ventil zur Befüllung einer Druckkammer der Druckübersetzungseinheit betätigt werden. Eine ständige Befüllung der Druckkammer mit unter Raildruck stehendem Kraftstoff ist nicht vorgesehen.
Eine im Injektor angeordnete Druckübersetzungseinheit ist aus der EP 0 691 471 A1 bekannt. Eine Bypass-Leitung für eine Druckeinspritzung und eine Druckkammer der Druckübersetzungseinheit liegen in Reihe, so daß die Bypass-Leitung nur durchgängig ist, solange ein verschieblicher Kolben der Druckübersetzungseinheit nicht bewegt wird und vollständig zurückgezogen ist.
Vorteile der Erfindung
Zur Erhöhung der Flexibilität und des maximalen Einspritzdruckes wird eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Patentanspruch 1 vorgeschlagen. Jedem Injektor eines Common Rail Systems wird eine hydraulische Druckübersetzungseinheit zugeordnet, die sowohl eine Erhöhung des maximalen Einspritzdruckes auf hohe Drücke, wie z.B. größer 1800 bar, als auch die Bereitstellung eines zweiten Einspritzdruckes ermöglicht. Die Bypass-Leitung führt am Ende der Druckkammer der Druckübersetzungseinheit in die Zuleitung zum Düsenraum oder in die Zuleitung von der Druckübersetzungseinheit zum Düsenraum. Eine Einspritzung von Kraftstoff geringeren Druckes kann unabhängig von der Stellung des Druckmittels der Druckübersetzungseinheit erfolgen. Durch die Druckübersetzungseinheit sind der Druckspeicherraum und der Injektor mit einem geringeren Standdruck (Raildruck) beaufschlagt und besitzen somit eine größere Lebensdauer. Ebenso ist die Hochdruckpumpe weniger beansprucht. Es besteht die Möglichkeit einer dosierbaren Voreinspritzung mit geringen Toleranzen durch geringen (nichtübersetzten) Einspritzdruck. Durch ein Umschalten zwischen den Einspritzdrücken läßt sich eine flexible Nacheinspritzung oder mehrere Nacheinspritzungen bei hohem bzw. geringem Einspritzdruck realisieren.
Zeichnung
Sieben Beispiele einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung, davon die gemäß den Figuren 5 and 6 erfindungsgemäß, sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen:
Fign. 1 und 2 Fign. 5 und 6
hubgesteuerte Kraftstoffeinspritzeinrichtungen;
Fign. 3 und 4 Fig. 7
druckgesteuerte Kraftstoffeinspritzeinrichtungen;
Fig. 8 und 9
Beispiele möglicher schematischer Kraftstoffeinspritzdruckverläufe.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Bei dem in der Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel einer hubgesteuerten Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1 fördert eine mengengeregelte Kraftstoffpumpe 2 Kraftstoff 3 aus einem Vorratstank 4 über eine Förderleitung 5 in einen zentralen Druckspeicherraum 6 (Common-Rail), von dem mehrere, der Anzahl einzelner Zylinder entsprechende Druckleitungen 7 zu den einzelnen, in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragenden Injektoren 8 (Einspritzvorrichtung) abführen. In der Fig. 1 ist lediglich einer der Injektoren 8 eingezeichnet. Mit Hilfe der Kraftstoffpumpe 2 wird ein erster Systemdruck erzeugt und im Druckspeicherraum 6 gelagert. Dieser erste Systemdruck wird zur Voreinspritzung und bei Bedarf und Nacheinspritzung (HC-Anreicherung zur Abgasnachbehandlung oder Rußreduktion) sowie zur Darstellung eines Einspritzverlaufs mit Plateau (Bootinjektion) verwendet. Zur Einspritzung von Kraftstoff mit einem zweiten höheren Systemdruck ist jedem Injektor 8 jeweils eine lokale Druckübersetzungseinheit 9 zugeordnet, die sich innerhalb eines Injektors 8 befindet. Die Druckübersetzungseinheit 9 umfaßt eine Ventileinheit zur Druckübersetzungsansteuerung (3/2-Wege-Ventil) 10, ein Rückschlagventil 11 und ein Druckmittel 12 in Gestalt eines verschieblichen Kolbenelements. Das Druckmittel 12 kann einenends mit Hilfe der Ventileinheit 10 an die Druckleitung 7 angeschlossen werden, so daß das Druckmittel 12 einenends druckbeaufschlagt werden kann. Ein Differenzraum 12' ist mittels einer Leckageleitung 13 druckentlastet, so daß das Druckmittel 12 zur Verringerung des Volumens einer Druckkammer 14 verschoben werden kann. Das Druckmittel 12 wird in Kompressionsrichtung bewegt, so daß der in der Druckkammer 14 befindliche Kraftstoff verdichtet und einem Steuerraum 15 und einem Düsenraum 16 zugeführt wird. Das Rückschlagventil 11 verhindert den Rückfluß von komprimierten Kraftstoffs in den Druckspeicherraum 6. Mittels eines geeigneten Flächenverhältnisses in einer Primärkammer 14' und der Druckkammer 14 kann ein zweiter höherer Druck erzeugt werden. Wird die Primärkammer 14' mit Hilfe der Ventileinheit 10 an die Leckageleitung 13 angeschlossen, so erfolgt die Rückstellung des Druckmittels 12 und die Wiederbefüllung der Druckkammer 14. Aufgrund der Druckverhältnisse in der Druckkammer 14 und der Primärkammer 14' öffnet das Rückschlagventil 11, so daß die Druckkammer 14 unter Raildruck (Druck des Druckspeicherraums 6) steht und das Druckmittel 12 hydraulisch in seine Ausgangsstellung zurückgefahren wird. Zur Verbesserung des Rückstellverhaltens können eine oder mehrere Federn in den Räumen 12, 14 und 14' angeordnet sein. Mittels der Druckübersetzung kann somit ein zweiter Systemdruck erzeugt werden.
Die Einspritzung erfolgt über eine Kraftstoff-Zumessung mit Hilfe eines in einer Führungsbohrung axial verschiebbaren kolbenförmigen Ventilglieds 18 mit einer konischen Ventildichtfläche 19 an seinem einen Ende, mit der es mit einer Ventilsitzfläche am Injektorgehäuse der Injektoreinheit 8 zusammenwirkt. An der Ventilsitzfläche des Injektorgehäuses sind Einspritzöffnungen vorgesehen. Innerhalb des Düsenraums 16 ist eine in Öffnungsrichtung des Ventilglieds 18 weisende Druckfläche dem dort herrschenden Druck ausgesetzt, der über eine Druckleitung 20 dem Düsenraum 16 zugeführt wird. Koaxial zu einer Ventilfeder 21 greift ferner an dem Ventilglied 18 ein Druckstück 22 an, das mit seiner der Ventildichtfläche 19 abgewandten Stirnseite 23 den Steuerraum 15 begrenzt. Der Steuerraum 15 hat vom Kraftstoffdruckanschluß her einen Zulauf mit einer ersten Drossel 24 und einen Ablauf zu einer Druckentlastungsleitung 25 mit einer zweiten Drossel 26, die durch ein 2/2-Wege-Ventil 27 gesteuert wird.
Der Düsenraum 16 setzt sich über einen Ringspalt zwischen dem Ventilglied 18 und der Führungsbohrung bis an die Ventilsitzfläche des Injektorgehäuses fort. Über den Druck im Steuerraum 15 wird das Druckstück 22 in Schließrichtung druckbeaufschlagt.
Unter dem ersten oder zweiten Systemdruck stehender Kraftstoff füllt ständig den Düsenraum 16 und den Steuerraum 15. Bei Betätigung (Öffnen) des 2/2-Wege-Ventils 27 kann der Druck im Steuerraum 15 abgebaut werden, so daß in der Folge die in Öffnungsrichtung auf das Ventilglied 18 wirkende Druckkraft im Düsenraum 16 den in Schließrichtung auf das Ventilglied 18 wirkende Druckkraft übersteigt. Die Ventildichtfläche 19 hebt von der Ventilsitzfläche ab und Kraftstoff wird eingespritzt. Dabei läßt sich der Druckentlastungsvorgang des Steuerraums 15 und somit die Hubsteuerung des Ventilglieds 18 über die Dimensionierung der Drossel 24 und der Drossel 26 beeinflussen.
Das Ende der Einspritzung wird durch erneutes Betätigen (Schließen) des 2/2-Wege-Ventils 27 eingeleitet, das den Steuerraum 15 wieder von der Leckageleitung 13 abkoppelt, so daß sich im Steuerraum 15 wieder ein Druck aufbaut, der das Druckstück 22 in Schließrichtung bewegen kann.
Die Ventileinheiten werden von Elektromagneten zum Öffnen oder Schließen bzw. Umschalten betätigt. Die Elektromagnete werden von einem Steuergerät angesteuert, das verschiedene Betriebsparameter (Motordrehzahl, ....) der zu versorgenden Brennkraftmaschine überwachen und verarbeiten kann.
An Stelle der magnetgesteuerten Ventileinheiten können auch Piezostellelemente (Aktuator, Aktor) verwendet werden, die einen notwendigen Temperaturausgleich und evtl. eine erforderliche Kraft- bzw. Wegübersetzung besitzen.
Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1 weist die zwischen dem Druckspeicherraum 6 und dem Düsenraum 16 angeordnete Druckübersetzungseinheit 9 auf, deren Druckkammer 14 über die Druckleitung 20 mit dem Düsenraum 16 verbunden ist, Weiterhin ist die an den Druckspeicherraum 6 angeschlossene Bypass-Leitung 28 vorgesehen. Die Bypass-Leitung 28 ist direkt mit der Druckleitung 20 verbunden. Die Bypass-Leitung 28 ist für eine Einspritzung mit Raildruck verwendbar und ist parallel zur Druckkammer 14 angeordnet, so daß die Bypass-Leitung 28 unabhängig von der Bewegung und Stellung des verschieblichen Druckmittels 12 der Druckübersetzungseinheit 9 durchgängig ist. Die Flexibilität der Einspritzung wird erhöht.
Nachfolgend werden in der Beschreibung zu den Figuren 2 bis 9 lediglich Unterschiede zur Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Figur 1 behandelt. Identische Bauteile werden nicht näher erläutert.
Aus der Figur 2 ist ersichtlich, daß die Druckübersetzungseinheit 9 bei einer Abänderung der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1 außerhalb des Injektors 8 angeordnet ist. Dies kann eine beliebige Stelle zwischen Druckspeicherraum 6 und Injektor 8 sein. Die Baugröße des Injektors 8 verringert sich. Dabei ist eine Integration der Druckübersetzungseinheit 9 mit zugehöriger Ventilanordnung und des Druckspeicherraums 6 in einem Bauteil möglich. Die Ventilanordnung kann auch außerhalb der Druckübersetzungseinheit 9 angeordnet sein.
Eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung 50 nach Fig. 3 besitzt einen Druckspeicherraum 51 für Kraftstoff mit einem ersten Systemdruck. Ein höherer Systemdruck wird durch eine Druckübersetzungseinheit 52 ermöglicht, die mit Hilfe der einer Ventileinheit 59 zugeschaltet werden kann. Die druckgesteuerte Kraftstoffzumessung erfolgt über eine Ventileinheit 55, z.B. ein 3/2-Wege-Ventil. Ein Ventilglied 56 kann gegen die Kraft einer Ventilfeder 57 bewegt werden, wenn der an Druckflächen 58 anliegende Druck die Federkraft der Ventilfeder 57 übersteigt. Die 3/2-Wege-Ventile 55 und 59 befinden sich innerhalb eines Injektors 60.
Fig. 4 zeigt ein zu Fig. 3 ähnliche Kraftstoffeinspritzeinrichtung 61, deren Ventileinheiten zur Kraftstoffzumessung 62 (3/2-Wege-Ventil) und zur Druckübersetzungsansteuerung 63 (3/2-Wege-Ventil) außerhalb des Injektors 64 angeordnet sind. Bei der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 61 ist es ebenso möglich, beide Ventile getrennt voneinander anzuordnen.
Eine vereinfachte und verlustoptimierte Ansteuerung einer Druckübersetzungseinheit 70 ergibt sich aus Fig. 5. Zur Steuerung der Druckübersetzungseinheit 70 wird der Druck im durch einen Übergang von einem größeren zu einem kleineren Kolbenquerschnitt ausgebildeten Differenzraum 71 verwendet. Zur Wiederbefüllung und Deaktivierung der Druckübersetzungseinheit wird dieser Differenzraum mit einem Versorgungsdruck (Raildruck) beaufschlagt. Dann herrschen an allen Druckflächen eines Kolbens 72 die gleichen Druckverhältnisse (Raildruck). Der Kolben 72 ist druckausgeglichen. Durch eine zusätzliche Feder 73 wird der Kolben 72 in seine Ausgangsstellung gedrückt. Zur Aktivierung der Druckübersetzungseinheit 70 wird dieser Differenzraum 71 druckentlastet und die Druckübersetzungseinheit erzeugt eine Druckverstärkung gemäß dem Flächenverhältnis. Durch diese Art der Steuerung kann erreicht werden, daß zur Rückstellung der Druckübersetzungseinheit 70 und zum Wiederbefüllen einer Druckkammer 74 eine große Primärkammer 70' nicht druckentlastet werden muß. Bei einer kleinen hydraulischen Übersetzung können damit die Entspannungsverluste stark reduziert werden.
Zur Steuerung der Druckübersetzungseinheit 70 kann anstelle eines aufwendigen 3/2-Wege-Ventils eine Drossel 75 und ein einfaches 2/2-Wege-Ventil 76 verwendet werden. Die Drossel 75 verbindet den Differenzraum 71 mit unter Versorgungsdruck stehendem Kraftstoff aus einem Druckspeicherraum 77. Das 2/2-Wege-Ventil schließt den Differenzraum 71 an eine Leckageleitung 78 an. Die Drossel 75 sollte möglichst klein ausgelegt werden, aber dennoch so groß, daß der Kolben 72 zwischen den Einspritzzyklen in seine Ausgangslage zurückkehrt. Als Drossel kann auch eine Führungsleckage des Kolbens 72 verwendet werden. Bei geschlossenem 2/2-Wege-Ventil 76 entsteht keine Leckage in den Führungen des Kolbens 72, da der Differenzraum 71 druckbeaufschlagt ist. Die Drossel kann auch im Kolben integriert sein.
Sind die 2/2-Wege-Ventile 76 und 79 geschlossen, so steht der Injektor unter dem Druck des Druckspeicherraums 77. Die Druckübersetzungseinheit befindet sich in der Ausgangsstellung. Nun kann durch das Ventil 79 eine Einspritzung mit Raildruck erfolgen. Wird eine Einspritzung mit höherem Druck gewünscht, so wird das 2/2-Wege-Ventil 76 angesteuert (geöffnet) und damit eine Druckverstärkung erreicht.
Zur Steuerung des Drucks im Differenzraum kann auch ein 3/2-Wege-Ventil eingesetzt werden. Fig. 6 zeigt die Steuerung über ein 3/2-Wege-Ventil bei einem hubgesteuerten Einspritzsystem. Fig. 7 zeigt die Steuerung über ein 3/2-Wege-Ventil bei einem druckgesteuerten Einspritzsystem.
Für die hubgesteuerten Systeme ergibt sich ein Einspritzdruckverlauf gemäß Fig. 8 ausgehend vom Ruhezustand (Druckübersetzungseinheit deaktiviert und in Ausgangsstellung). Durch Beschalten der Ventileinheit 27 und deaktiviertem Schaltventil 10 der Druckübersetzungseinheit wird zu Beginn des Einspritzzyklusses eine Voreinspritzung mit geringem (Rail-) Druck über den Bypass eingeleitet. Durch Schließen von Ventil 27 (siehe Fig. 1) wird die Voreinspritzung beendet. Durch mehrfaches Beschalten sind auch mehrfache Voreinspritzungen möglich. Für die Haupteinspritzung kann die vor der Druckübersetzungseinheit angeordnete Ventileinheit 10 bestromt werden, so daß sich im Injektor ein dem Übersetzungsverhältnis entsprechender erhöhter Druck im Düsenraum und Steuerraum ergibt. Durch Öffnen des Ventils 27 wird nun eine Haupteinspritzung eingeleitet (strichpunktierte Linie). Die Beendigung der Haupteinspritzung erfolgt dann wiederum durch Schließen des 2/2-Wege-Ventils 27. Wird die Druckübersetzungseinheit gleichzeitig mit dem Ventil 27 aktiviert, so ergibt sich eine Einspritzung beginnend auf Raildruckniveau mit einer rampenförmig ansteigenden Flanke bis auf den übersetzten Druck (in der Figur 8 nicht gezeigt). Wird die Zuschaltung der Druckübersetzungseinheit noch weiter verzögert, so wird zunächst mit Raildruck eingespritzt und durch Zuschalten der Druckübersetzungseinheit ergibt sich ein bootförmiger Einspritzverlauf bei Aktivieren der Druckübersetzungseinheit. Die Länge des Hochdruckanteils ist abhängig von der Aktivierungszeit der Druckübersetzungseinheit. Die Haupteinspritzung wird durch Schließen des Ventils 27 beendet. Wird die Druckübersetzungseinheit vor dem Schließen des Ventils 27 deaktiviert, so ergibt sich ein rampenförmiger Abfall des Einspritzdruck bis auf Raildruckniveau, wie er von druckgesteuerten Systemen bekannt ist. Bei Nacheinspritzung kann zwischen einem hohen und einem geringen Einspritzdruckniveau gewählt werden. So kann in einem engen Abstand nach der Haupteinspritzung eine Nacheinspritzung mit hohem Druck zur Rußreduktion oder eine abgesetzte Nacheinspritzung bei geringem Einspritzdruck zur Abgasnachbehandlung erfolgen.
Für die druckgesteuerten Systeme ergibt sich ein Einspritzdruckverlauf gemäß Fig. 9 ausgehend vom Ruhezustand (Druckübersetzungseinheit deaktiviert und in Ausgangsstellung). Durch Beschalten der Ventileinheit 55 und deaktiviertem Schaltventil der Druckübersetzungseinheit wird zu Beginn des Einspritzzyklusses eine Voreinspritzung mit geringem Raildruck über den Bypass eingeleitet. Durch mehrfaches Beschalten sind auch mehrfache Voreinspritzungen möglich. Es ergibt sich durch den Druckanstieg im Düsenraum ein rampenförmiger Einspritzdruckverlauf in allen Teilbereichen der Einspritzung. Für die Haupteinspritzung kann die vor der Druckübersetzungseinheit angeordnete Ventileinheit 59 gleichzeitig mit dem Ventil 55 bestromt werden, so daß sich ein rampenförmiger Verlauf des Einspritzdrucks bis zum übersetzten Maximaldruck ergibt (strichpunktierte Linie). Die Beendigung der Haupteinspritzung erfolgt dann wiederum durch Schließen des Ventils 55. Wird die Zuschaltung der Druckübersetzungseinheit verzögert, so wird zunächst mit Raildruck eingespritzt und durch Zuschalten der Druckübersetzungseinheit ergibt sich ein bootförmiger Einspritzverlauf. Die Länge des Hochdruckanteils ist abhängig von der Aktivierungszeit der Druckübersetzungseinheit. Die Haupteinspritzung wird durch Schließen des Ventils 55 beendet, wodurch der Einspritzdruck wiederum durch das Entlasten des Düsenraums auf Leckagedruckniveau rampenförmig abklingt und die Einspritzung beendet wird. Bei Nacheinspritzung kann zwischen einem hohen und einem geringen Einspritzdruckniveau gewählt werden. So kann in einem engen Abstand nach der Haupteinspritzung eine Nacheinspritzung mit hohem Druck zur Rußreduktion oder eine abgesetzte Nacheinspritzung bei geringem Einspritzdruck zur Abgasnachbehandlung erfolgen.
Zusätzlich zu den vorgenannten Bootinjektionen für beide Systeme ist es denkbar, durch eine geeignete Form des Ventilglieds (Düsennadel) und der Gestalt des Düsenraums eine sog. rate-shaping-nozzle zu realisieren. Diese ermöglicht es, im Niederdruckteil der Bootinjektion bzw. bei allen Einspritzungen ein weiteres Druckplateau zu realisieren. Ebenso ist es wiederum denkbar, im Hochdruckteil der Einspritzung (bei Betrieb der Druckübersetzungseinheit) durch Entlastungsbohrungen am Kolben der Druckübersetzungseinheit eine weitere Formung des Einspritzverlaufs zu realisieren.
BEZUGSZEICHENLISTE
1
Kraftstoffeinspritzeinrichtung
2
Kraftstoffpumpe
3
Kraftstoff
4
Kraftstofftank
5
Förderleitung
6
Druckspeicherraum
7
Druckleitung
8
Injektor
9
Druckübersetzungseinheit
10
Ventileinheit
11
Rückschlagventil
12
Druckmittel
12'
Differenzraum
13
Leckageleitung
14
Druckkammer
14'
Primärkammer
15
Steuerraum
16
Düsenraum
18
Ventilglied
19
Ventildichtfläche
20
Druckleitung
21
Ventilfeder
22
Druckstück
23
Stirnseite
24
Drossel
25
Druckentlastungsleitung
26
Drossel
27
2/2-Wege-Ventil
28
Bypass-Leitung
50
Kraftstoffeinspritzeinrichtung
51
Druckspeicherraum
52
Druckübersetzungseinheit
53
Rückschlagventil
54
Bypass-Leitung
55
3/2-Wege-Ventil
56
Ventilglied
57
Ventilfeder
58
Druckfläche
59
Ventileinheit
60
Injektor
61
Kraftstoffeinspritzeinrichtung
62
Ventileinheit zur Kraftstoffzumessung
63
Ventileinheit zur Druckübersetzungsansteuerung
64
Injektor
70
Druckübersetzungseinheit
70'
Primärkammer
71
Differenzraum
72
Kolben
73
Feder
74
Druckkammer
75
Drossel
76
2/2-Wege-Ventil
77
Druckspeicherraum
78
Leckageleitung
79
2/2-Wege-Ventil

Claims (6)

  1. Kraftstoffeinspritzeinrichtung (1; 50; 61) mit einer zwischen einem Druckspeicherraum (6; 51; 77) und einem Düsenraum (16) angeordneten Druckübersetzungseinheit (9; 52; 70), welche ein verschiebbares Druckmittel (12) zur Unterteilung der Druckübersetzungseinheit (9; 52; 70) einenends in eine Druckkammer (14; 37; 74) und anderenends in eine Primärkammer (14') und einen Differenzraum (12') aufweist, wobei die Druckkammer (14; 74) über eine Druckleitung (20) mit dem Düsenraum (16) verbunden ist, und mit einer an den Druckspeicherraum (6; 51; 77) und direkt an die Druckleitung (20) angeschlossenen Bypass-Leitung (28; 54), dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammer (14; 74), die Primärkammer (14') zur Aufnahme von Kraftstoff zur Druckbeaufschlagung des Druckmittels (12) in Richtung der Druckkammer (14; 74) und der Düsenraum (16) über eine Druckleitung (7, 8) ständig durchgängig an den Druckspeicherraum (6; 51; 77) angeschlossen sind, und dass ein Ventil zur Verbindung des zur Aufnahme von Kraftstoff zur Druckbeaufschlagung oder Druckentlastung des Druckmittels (12) vorgesehenen Differenzraums (12') mit einer Leckageleitung oder mit dem Druckspeicherraum (6; 51; 77) vorgesehen ist.
  2. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypass-Leitung (28; 54) ein Rückschlagventil (11; 53) enthält.
  3. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckübersetzungseinheit (9) innerhalb des Injektors (8) angeordnet ist.
  4. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckübersetzungseinheit (9) außerhalb des Injektors (8) angeordnet ist.
  5. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzeinrichtung (50; 61) Mittel zum druckgesteuerten Einspritzen von Kraftstoff umfasst.
  6. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzeinrichtung (1) Mittel zum hubgesteuerten Einspritzen von Kraftstoff umfasst.
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