EP1123463A1 - Kraftstoffeinspritzsystem für eine brennkraftmaschine - Google Patents

Kraftstoffeinspritzsystem für eine brennkraftmaschine

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EP1123463A1
EP1123463A1 EP00958211A EP00958211A EP1123463A1 EP 1123463 A1 EP1123463 A1 EP 1123463A1 EP 00958211 A EP00958211 A EP 00958211A EP 00958211 A EP00958211 A EP 00958211A EP 1123463 A1 EP1123463 A1 EP 1123463A1
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EP
European Patent Office
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pressure
fuel
injection system
fuel injection
injectors
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EP00958211A
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Bernd Mahr
Martin Kropp
Hans-Christoph Magel
Wolfgang Otterbach
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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    • F02M47/027Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
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    • F02M59/10Pumps 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
    • F02M59/105Pumps 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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    • F02M63/00Other 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
    • F02M63/02Fuel-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
    • F02M63/0225Fuel-injection apparatus having a common rail feeding several injectors ; Means for varying pressure in common rails; Pumps feeding common rails

Definitions

  • the invention relates to a fuel injection system for an internal combustion engine according to the preamble of patent claim 1.
  • Such an injection system has become known, for example, from EP 0 711 914 AI.
  • the pressure at which fuel emerges from the nozzle chamber into the cylinder is referred to as the injection pressure.
  • the injection pressure Under a stroke expensive fuel injection system is understood in the context of the invention that the opening and closing of the injection opening of an injector take place with the aid of a displaceable valve member due to the hydraulic interaction of the fuel pressures in a nozzle chamber and in a control chamber.
  • an arrangement is referred to below as central if it is provided for all cylinders together and as local if it is provided for only a single cylinder.
  • fuel is compressed to a first high fuel pressure of approximately 1200 bar with the aid of a high-pressure pump and stored in a first pressure accumulator. Furthermore, the high-pressure fuel is also fed into a second pressure accumulator, in which a second high fuel pressure of approx. 400 bar is maintained by regulating its fuel supply by means of a 2/2-way valve. Via a valve control unit, either the lower or higher fuel pressure is injected into the nozzle area of an injector. passes. There, a spring-loaded valve body is lifted from its valve seat by the pressure, so that fuel can escape from the nozzle opening.
  • a disadvantage of this known fuel injection system is that all of the fuel first has to be compressed to the higher pressure level in order to then relieve some of the fuel again to the lower pressure level.
  • two pressure accumulators are required to store the two fuel pressures.
  • the high-pressure pump as it is driven by the camshaft of the engine, is in permanent operation, even when the desired pressure has already been built up in the respective pressure accumulator. This permanent high pressure generation and the subsequent relief to the low pressure level stand in the way of better efficiency.
  • the fuel pressure is currently limited to a maximum of approx. 1800 bar for reasons of strength.
  • a stroke-controlled injection system is known from WO 98/09068, in which two pressure accumulators are also provided for storing the two fuel pressures.
  • a separate high-pressure pump is provided for each pressure accumulator, which is in permanent operation even when the desired pressure has already been built up in the respective pressure accumulator.
  • a second higher pressure level is generated according to the invention by means of a pressure intensifier. Because this translated print is not in one If the pressure accumulator is stored, a higher injection pressure can be achieved.
  • the two pressure levels can be used to represent a flexible injection such as a boat-shaped injection, pre-injection and post-injection.
  • FIG. 1 shows a first fuel injection system with pressure-controlled injectors and a central pressure translation unit
  • Fig. 2 shows a second injection system with pressure-controlled
  • FIG. 3 shows a third injection system with pressure-controlled injectors and in each case one modified local pressure translation unit for each injector; and too ut in
  • a valve unit 13 can be connected to the delivery line 5 so that it is pressurized at one end by the fuel in a primary chamber 14.
  • a differential space 15 is relieved of pressure by means of a leakage line 16, so that the pressure medium 12 can be displaced in the compression direction to reduce the volume of a pressure chamber 17.
  • the pressure chamber 17 is filled via a check valve 18 provided in the pressure medium 17.
  • the pressure intensifier 11 can be bypassed by a parallel bypass line 19 which can be activated or deactivated by means of the valve unit 13.
  • the valve unit 13 is formed upstream of the pressure intensifier 11 and as a 3/2-way valve.
  • the parts 11, 13 and 19 form the central pressure translation unit 6.
  • Fuel pressure is passed via the pressure line 9 into a nozzle chamber 20 of the injector 10.
  • the injection is pressure-controlled with the aid of a piston-shaped valve member 21 (nozzle needle) which is axially displaceable in a guide bore and whose conical valve sealing surface 22 interacts with a valve seat surface on the injector housing and thus closes the injection openings 23 provided there.
  • a pressure surface of the valve element 21 pointing in the opening direction of the valve element 21 is exposed to the pressure prevailing there, the nozzle space 20 continuing through an annular gap between the valve element 21 and the guide bore up to the valve sealing surface 22 of the injector 10.
  • a check valve arrangement 27 is provided for each injector 10, which allows the fuel in the direction of the injector 10 through a first check valve 28 and the return flow of fuel from the injector 10 by means of a throttle 29 and a second check valve 30 to relieve the Allows distribution device 8 and for pressure reduction.
  • a pre-injection with the lower fuel pressure takes place when the valve unit 13 is de-energized by energizing the 2/2-way valve 7. By energizing the valve unit 13 as well, the main injection then takes place with the higher fuel pressure. For post-injection with the lower fuel pressure, the valve unit 13 is switched back to the de-energized state. If the primary chamber 14 is connected to the inlet of the high-pressure pump 2 with the aid of the valve unit 13 when the 2/2-way valve 7 is not energized, the pressure medium 12 is reset and the pressure chamber 17 is refilled, which is supplied to the delivery line 5 via the check valve 18 connected. Due to the pressure conditions in the primary chamber 14 and in the pressure chamber 17, the check valve 18 opens, so that the pressure chamber 17 is under the fuel pressure of the high-pressure pump 2 and the pressure medium 12 is hydraulically returned to its starting position.
  • one or more springs can be arranged in rooms 14, 15 and 17. J t HH oo in ⁇ cn on
  • Control room 65 limited. From the pressure line 9, the control chamber 65 has a fuel inlet with a first throttle 66 and a fuel outlet to a pressure relief line 67 with a second throttle 68, which can be controlled for leakage 70 by a 2/2-way valve 69.
  • the pressure piece 63 is pressurized in the closing direction by the pressure in the control chamber 65.
  • Fuel under the lower or higher fuel pressure constantly fills the nozzle chamber 20 and the control chamber 65.
  • the 2/2-way valve 69 is actuated (opened)
  • the pressure in the control chamber 65 can be reduced, so that the opening direction is subsequently increased the valve member 21 pressure force in the nozzle chamber 20 exceeds the pressure force acting on the valve member 21 in the closing direction.
  • the valve sealing surface 22 lifts off the valve seat surface and fuel is injected.
  • the pressure relief process of the control chamber 65 and thus the stroke control of the valve member 21 can be influenced by the dimensioning of the two throttles 66 and 68.
  • the end of the injection is initiated by renewed actuation (closing) of the 2/2-way valve 69, which decouples the control chamber 65 from the leakage line 70 again, so that a pressure builds up again in the control chamber 65, which presses the pressure piece 63 in the closing direction can move.
  • the switchover of the fuel to either the lower or the higher fuel pressure takes place for each injector 61 in the local pressure translation unit 53 through the valve unit 55.
  • the pressure translation unit 53 can either be arranged inside the injector housing (FIG. 4a) or outside (FIG. 4b).
  • a fuel injection system 1 for an internal combustion engine in which fuel with at least two different fuel pressures via injectors 10 in o in

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Description

Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine nach der Gattung des Patentanspruchs 1. Ein derartiges Einpritzsystem ist beispielsweise durch die EP 0 711 914 AI bekanntgeworden.
Zum besseren Verständnis der nachfolgenden Beschreibung werden zunächst einige Begriffe näher erläutert: Bei einem druckgesteuerten Kraf tstof f einspri tzsystem wird durch den im Düsenraum eines Injektors herrschenden Kraftstoffdruck ein Ventilkörper (z.B. eine Düsennadel) gegen die Wirkung einer Schließkraft aufgesteuert und so die Einspritzöff- nung für eine Einspritzung des Kraftstoffes freigegeben.
Der Druck, mit dem Kraftstoff aus dem Düsenraum in den Zylinder austritt, wird als Einspri tzdruck bezeichnet. Unter einem hubges teuerten Kraf tstof f einspri tzsys tem wird im Rahmen der Erfindung verstanden, daß das Öffnen und Schließen der Einspritzöffnung eines Injektors mit Hilfe eines verschieblichen Ventilglieds aufgrund des hydraulischen Zusammenwirkens der Kraftstoffdrücke in einem Düsenraum und in einem Steuerraum erfolgen. Weiterhin ist im folgenden eine Anordnung als zentral bezeichnet, wenn sie gemeinsam für alle Zylinder vorgesehen ist, und als lokal , wenn sie für nur einen einzelnen Zylinder vorgesehen ist.
Bei dem aus der EP 0 711 914 AI bekannten druckgesteuerten Kraftstoffeinspritzsystem wird mit Hilfe einer Hochdruck- pumpe Kraftstoff auf einen ersten hohen Kraftstoffdruck von etwa 1200 bar komprimiert und in einem ersten Druckspeicher gespeichert. Weiterhin wird der unter Hochdruck stehende Kraftstoff auch in einen zweiten Druckspeicher gefördert, in welchem durch Regelung seiner Kraftstoffzu- fuhr mittels eines 2/2 -Wegventils ein zweiter hoher Kraftstoffdruck von ca. 400 bar aufrechterhalten wird. Über eine Ventilsteuereinheit wird entweder der tiefere oder höhere Kraftstoffdruck in den Düsenraum eines Injektors ge- leitet. Dort wird durch den Druck ein federbelasteter Ventilkörper von seinem Ventilsitz abgehoben, so daß Kraftstoff aus der Düsenδffnung austreten kann.
Nachteilig bei diesem bekannten Kraftstoffeinspritzsystem ist, daß zunächst der gesamte Kraftstoff erst auf das höhere Druckniveau komprimiert werden muß, um dann einen Teil des Kraftstoffs wieder auf das tiefere Druckniveau zu entlasten. Außerdem sind zwei Druckspeicher erforderlich, um die beiden Kraftstoffdrücke zu lagern. Die Hochdruckpumpe ist, da sie von der Nockenwelle des Motors angetrieben wird, dauerhaft im Betrieb und zwar auch dann, wenn der gewünschte Druck im jeweiligen Druckspeicher bereits aufgebaut ist . Diese permanente Hochdruckerzeugung und die nachfolgende Entlastung auf das Niederdruckniveau stehen einem besseren Wirkungsgrad entgegen. Bei Verwendung von Hochdruckspeichern ist der Kraftstoffdruck aus Festigkeitsgründen derzeit auf maximal ca. 1800 bar beschränkt.
Aus der WO 98/09068 ist ein hubgesteuertes Einspritzsystem bekannt, bei dem ebenfalls zwei Druckspeicher zur Lagerung der beiden Kraftstoffdrücke vorgesehen sind. Für jeden Druckspeicher ist eine eigene Hochdruckpumpe vorgesehen, die dauerhaft im Betrieb ist und zwar auch dann, wenn der gewünschte Druck im jeweiligen Druckspeicher bereits aufgebaut ist .
Vorteile der Erfindung
Zur Verbesserung des Wirkungsgrads wird erfindungsgemäß ein zweites höheres Druckniveau mittels eines Druckübersetzers erzeugt. Da dieser übersetzte Druck nicht in einem Druckspeicher gelagert wird, kann ein höherer Einspritzdruck erreicht werden. Die beiden Druckniveaus können zur Darstellung einer flexiblen Einspritzung wie einer boot- förmigen Einspritzung, Vor- und Nacheinspritzung verwendet werden.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
Zeichnung
Verschiedene Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystemen mit einer hydraulischen Druckübersetzungseinheit, bei denen Kraftstoff mit zwei unterschiedlich hohen Kraftstoffdrücken eingespritzt wird, sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Kraftstoffeinspritzsystem mit druckgesteuerten Injektoren und einer zentralen Druck- übersetzungseinheit ;
Fig. 2 ein zweites Einspritzsystem mit druckgesteuerten
Injektoren und jeweils einer für jeden Injektor vorgesehenen lokalen Druckübersetzungseinheit;
Fig. 3 ein drittes Einspritzsystem mit druckgesteuerten Injektoren und jeweils einer modifizierten lokalen Druckübersetzungseinheit für jeden Injektor; und t o o ut in
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einer Ventileinheit 13 an die Förderleitung 5 angeschlossen werden kann, so daß es durch den in einer Primärkammer 14 befindlichen Kraftstoff einenends druckbeaufschlagt wird. Ein Differenzraum 15 ist mittels einer Leckagelei- tung 16 druckentlastet, so daß das Druckmittel 12 zur Verringerung des Volumens einer Druckkammer 17 in Kompressionsrichtung verschoben werden kann. Dadurch wird der in der Druckkammer 17 befindliche Kraftstoff entsprechend entsprechend dem Flächenverhältnis von Primärkammer 14 und Druckkammer 17 auf den höheren Kraftstoffdruck verdichtet. Die Befüllung der Druckkammer 17 erfolgt über ein im Druckmittel 17 vorgesehenes Rückschlagventil 18. Der Druckübersetzer 11 kann durch eine parallele Bypaßleitung 19 umgangen werden, die mittels der Ventileinheit 13 akti- vierbar bzw. deaktivierbar ist. In Fig. la ist die Ventileinheit 13 vor dem Druckübersetzer 11 und als 3/2-Wege- Ventil ausgebildet. Die Teile 11, 13 und 19 bilden die zentrale Druckübersetzungseinheit 6.
Der an der Verteilereinrichtung 8 jeweils anstehende
Kraftstoffdruck wird über die Druckleitung 9 in einen Düsenraum 20 des Injektors 10 geleitet. Die Einspritzung erfolgt druckgesteuert mit Hilfe eines in einer Führungsbohrung axial verschiebbaren kolbenförmigen Ventilglieds 21 (Düsennadel) , dessen konische Ventildichtfläche 22 mit einer Ventilsitzfläche am Injektorgehäuse zusammenwirkt und so die dort vorgesehenen Einspritzöffnungen 23 verschließt. Innerhalb des Düsenraums 20 ist eine in Öffnungsrichtung des Ventilglieds 21 weisende Druckfläche des Ventilgliedes 21 dem dort herrschenden Druck ausgesetzt, wobei sich der Düsenraum 20 über einen Ringspalt zwischen dem Ventilglied 21 und der Führungsbohrung bis an die Ventildichtfläche 22 des Injektors 10 fortsetzt. Durch den im Düsenraum 20 herrschenden Druck wird das die Einspritzöffnungen 23 abdichtende Ventilglied 21 gegen die Wirkung einer Schließkraft (Schließfeder 24) aufgesteuert , wobei der Federraum 25 mittels einer Leckageleitung 26 druckentla- stet ist. Hinter der Verteilereinrichtung 8 ist für jeden Injektor 10 jeweils noch eine Rückschlagventilanordnung 27 vorgesehen, die den Kraftstoff in Richtung Injektor 10 über ein erstes Rückschlagventil 28 durchläßt und den Rückfluß von Kraftstoff aus dem Injektor 10 mittels einer Drossel 29 und eines zweiten Rückschlagventils 30 zur Entlastung der Verteilereinrichtung 8 und zum Druckabbau zuläßt.
Eine Voreinspritzung mit dem tieferen Kraftstoffdruck er- folgt bei stromloser Ventileinheit 13 durch Bestromen des 2/2-Wege-Ventils 7. Durch Bestromen auch der Ventileinheit 13 erfolgt dann die Haupteinspritzung mit dem höheren Kraftstoffdruck. Für eine Nacheinspritzung mit dem tieferen Kraftstoffdruck wird die Ventileinheit 13 wieder in den stromlosen Zustand zurückgeschaltet. Wird die Primärkammer 14 mit Hilfe der Ventileinheit 13 bei unbestromtem 2/2-Wege-Ventil 7 an den Eingang der Hochdruckpumpe 2 angeschlossen, so erfolgen die Rückstellung des Druckmittels 12 und die Wiederbefüllung der Druckkammer 17, die über das Rückschlagventil 18 an die Förderleitung 5 angeschlossen ist. Aufgrund der Druckverhältnisse in der Primärkammer 14 und in der Druckkammer 17 öffnet das Rückschlagventil 18, so daß die Druckkammer 17 unter dem Kraftstoff- druck der Hochdruckpumpe 2 steht und das Druckmittel 12 hydraulisch in seine Ausgangsstellung zurückgefahren wird.
Zur Verbesserung des Rückstellverhaltens können eine oder mehrere Federn in den Räumen 14, 15 und 17 angeordnet sein. J t H H o o in σ cn o n
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Steuerraum 65 begrenzt. Der Steuerraum 65 hat von der Druckleitung 9 her einen KraftstoffZulauf mit einer ersten Drossel 66 und einen Kraftstoffablauf zu einer Druckentla- stungsleitung 67 mit einer zweiten Drossel 68, die durch ein 2/2-Wege-Ventil 69 auf Leckage 70 steuerbar ist. Über den Druck im Steuerraum 65 wird das Druckstück 63 in Schließrichtung druckbeaufschlagt. Unter dem tieferen oder höheren Kraftstoffdruck stehender Kraftstoff füllt ständig den Düsenraum 20 und den Steuerraum 65. Bei Betätigung (Öffnen) des 2/2-Wege-Ventils 69 kann der Druck im Steuerraum 65 abgebaut werden, so daß in der Folge die in Öffnungsrichtung auf das Ventilglied 21 wirkende Druckkraft im Düsenraum 20 die in Schließrichtung auf das Ventilglied 21 wirkende Druckkraft übersteigt. Die Ventildichtfläche 22 hebt von der Ventilsitzfläche ab, und Kraftstoff wird eingespritzt. Dabei läßt sich der Druckentlastungsvorgang des Steuerraums 65 und somit die Hubsteuerung des Ventil - glieds 21 über die Dimensionierung der beiden Drosseln 66 und 68 beeinflussen. Das Ende der Einspritzung wird durch erneutes Betätigen (Schließen) des 2/2-Wege-Ventils 69 eingeleitet, das den Steuerraum 65 wieder von der Leckageleitung 70 abkoppelt, so daß sich im Steuerraum 65 erneut ein Druck aufbaut, der das Druckstück 63 in Schließrichtung bewegen kann. Die Umschaltung des Kraftstoffs auf entweder den tieferen oder den höheren Kraftstoffdruck erfolgt für jeden Injektor 61 in der lokalen Druckübersetzungseinheit 53 durch die Ventileinheit 55. Die Druckübersetzungseinheit 53 kann entweder innerhalb des Injektorgehäuses (Fig. 4a) oder außerhalb (Fig. 4b) angeordnet sein.
Bei einem Kraftstoffeinspritzsystem 1 für eine Brennkraftmaschine, bei dem Kraftstoff mit mindestens zwei unterschiedlich hohen Kraftstoffdrücken über Injektoren 10 in o in

Claims

Patentansprüche
1. Kraftstoffeinspritzsystem (1; 40; 50; 60) für eine Brennkraftmaschine, bei dem Kraftstoff mit mindestens zwei unterschiedlich hohen Kraftstoffdrücken über Injektoren (10; 61) in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann,
dadurch gekennzeichnet,
daß parallel zu einer Bypaßleitung (19; 45; 58) ein hydraulischer Druckübersetzer (11; 42; 54) zur Erzeugung des höheren Kraftstoffdruckes vorgesehen ist, wobei der Druckübersetzer (11; 42; 54) über eine Ventileinheit (13; 13a; 44; 55) aktivierbar und deaktivierbar ist .
2. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypaßleitung (19; 45; 58) bei aktiviertem Druckübersetzer (11; 42; 54) geschlossen ist .
3. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1 oder 2, da- durch gekennzeichnet, daß die Ventileinheit (13; 44;
55) vor dem Druckübersetzer (11; 42; 54) angeordnet ist .
4. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1 oder 2, da- durch gekennzeichnet, daß die Ventileinheit (13a) nach dem Druckübersetzer (11) angeordnet ist.
Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckübersetzer (11) zentral für alle Injektoren (10) vorgesehen ist .
Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckübersetzer (42; 54) lokal für jeden Injektoren (10; 61) einzeln vorgesehen ist.
Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein zentraler Druckspeicher (51) zur Lagerung des tieferen Kraftstoffdruckes vorgesehen ist.
8. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufteilung des Kraftstoffdruckes auf die einzelnen Injektoren (10; 61) eine zentrale Verteilereinrichtung (8) vorgesehen ist.
9. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektoren (10) für eine Drucksteuerung ausgebildet sind.
10. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektoren (61) für eine Hubsteuerung ausgebildet sind.
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