EP1125049A1 - Kombiniertes hub-/druckgesteuertes kraftstoffeinspritz verfahren und -system für eine brennkraftmaschine - Google Patents

Kombiniertes hub-/druckgesteuertes kraftstoffeinspritz verfahren und -system für eine brennkraftmaschine

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EP1125049A1
EP1125049A1 EP00958207A EP00958207A EP1125049A1 EP 1125049 A1 EP1125049 A1 EP 1125049A1 EP 00958207 A EP00958207 A EP 00958207A EP 00958207 A EP00958207 A EP 00958207A EP 1125049 A1 EP1125049 A1 EP 1125049A1
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EP
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pressure
fuel
injection
chamber
injector
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EP00958207A
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Bernd Mahr
Martin Kropp
Hans-Christoph Magel
Wolfgang Otterbach
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • F02M2200/21—Fuel-injection apparatus with piezoelectric or magnetostrictive elements

Definitions

  • the invention is based on a fuel injection method for an internal combustion engine according to the preamble of claim 1 and on a fuel injection system according to the preamble of claim 4.
  • a fuel injection method and system has become known, for example, from WO 98/09068.
  • the pressure at which fuel emerges from the nozzle chamber into the cylinder is referred to as the injection pressure.
  • a stroke-controlled fuel fine spray system is understood to mean 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 pressure is stroke-controlled, the control chamber and nozzle chamber being directly connected to one another. Since the higher injection pressure also prevails in the control room, corresponding requirements for the sealing function, spring forces and valve member must also be met there.
  • the stroke control enables good reproducibility of the injection with the lower fuel pressure.
  • a pressure-controlled fuel injection system is known from EP 0 711 914 A1, in which either the lower or higher fuel pressure is conducted into the nozzle space of the injector via a valve control unit. There, a spring-loaded valve body is lifted from its valve seat by the pressure, so that fuel can escape from the injection opening.
  • pressure waves are ignited during the injection, which may be desired in the main injection with the higher fuel pressure, but can have a negative influence on the hydraulic behavior of the injection system in the subsequent main injection in the pre-injection with the lower fuel pressure.
  • the lower fuel pressure can also be used for the main injection to implement a boat-shaped injection process.
  • FIG. 1 shows a first fuel injection system for an injection with two, differently high fuel pressures, with a central pressure accumulator and in each case a local accumulator space for each injector;
  • FIG. 2 shows a second fuel injection system with a central distributor device and in each case a local accumulator space for each injector;
  • FIG. 3 shows a third fuel injection system with a central pressure accumulator, a central distributor device and in each case a local accumulator space for each injector;
  • FIG. 4 shows a fourth fuel injection system with two central pressure accumulators, a central pressure booster and in each case a local pressure booster for each injector;
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a stroke / pressure-controlled injector
  • FIG. 6 shows a fifth fuel injection system with the injector shown in FIG. 5, a central pressure accumulator, a central distributor device and a local pressure booster for each injector;
  • FIG. 7 shows a sixth fuel injection system with the injector shown in FIG. 5, two central pressure accumulators and in each case a local pressure booster for each injector;
  • Fig. 8 shows a seventh fuel injection system with the injector shown in Fig. 5 and two central
  • FIG. 9 shows an eighth fuel injection system with the injector shown in FIG. 5 and two central pressure accumulators
  • FIG. 10 shows a ninth fuel injection system with the injector shown in FIG. 5, a central pressure accumulator and a central distributor device;
  • FIG. 11 shows a tenth fuel injection system with the injector shown in FIG. 5, a central pressure accumulator and in each case a local pressure booster for each injector;
  • 12 shows an eleventh fuel injection system with the injector shown in FIG. 5, two central pressure accumulators, a central pressure booster and a central distributor device; and 13 shows a twelfth fuel injection system with the injector shown in FIG. 5, two central pressure accumulators and a central pressure booster.
  • a quantity-controlled high-pressure pump 2 delivers fuel 3 from a storage tank 4 at high pressure via a delivery line 5 into a central pressure accumulator 6 (high-pressure common rail), from which discharge several high-pressure lines 7 corresponding to the number of individual cylinders to the individual injectors 8 (injection device) projecting into the combustion chamber of the internal combustion engine to be supplied.
  • a central pressure accumulator 6 high-pressure common rail
  • a first higher fuel pressure of approximately 300 bar to 1800 bar can be stored in the pressure accumulator 6.
  • the higher fuel pressure present in the high-pressure line 7 is conducted by energizing a 3/2-way valve 9 via a pressure line 10 into a nozzle chamber 11 of the injector 8.
  • the injection with the higher fuel pressure (main injection) is pressure-controlled with the aid of a piston-shaped valve member 12 (nozzle needle) which is axially displaceable in a guide bore, the conical valve sealing surface 13 of which cooperates with a valve seat surface on the injector housing and thus closes the injection openings 14 provided there.
  • a pressure surface of the valve member 12 pointing in the opening direction of the valve member 12 is exposed to the pressure prevailing there, the nozzle chamber 11 continues over an annular gap between the valve member 12 and the guide bore up to the valve sealing surface 13 of the injector 8.
  • the valve member 12 sealing the injection openings 14 is opened against the action of a closing force (closing spring 15), the spring chamber 16 being relieved of pressure by means of a leakage line 17.
  • a closing force closing spring 15
  • the spring chamber 16 being relieved of pressure by means of a leakage line 17.
  • the leakage line 20 serves to relieve pressure and can lead back into the storage tank 4.
  • the higher fuel pressure initially prevailing in the pressure line 10 and the nozzle chamber 11 is reduced to the lower fuel pressure which is stored in an accumulator chamber 21 connected to the connecting line 18.
  • This lower fuel pressure is used for pre-injection and / or post-injection (HC enrichment for exhaust gas aftertreatment).
  • a pressure piece 22 acts coaxially with the closing spring 15 and, with its end face 23 facing away from the valve sealing surface 13, delimits a control chamber 24.
  • the control chamber 24 has a fuel inlet 25 with a first throttle 26 and a fuel outlet from the connecting line 18 to a pressure relief line 27 with a second throttle 28, which can be connected to the leakage line 20 by a control element in the form of a 2/2-way valve 29 is.
  • the pressure piece 22 is pressurized in the closing direction by the pressure in the control chamber 24.
  • Injection takes place with the lower fuel pressure.
  • the relief process of the control chamber 24 and thus the stroke control of the valve member 12 can be influenced by the dimensioning of the two throttles 26, 28.
  • This injection is then ended by closing the 2/2-way valve 29.
  • the injection with the lower system pressure can take place either after the main injection as a post-injection or before the main injection as a pre-injection. If the accumulator space 21 is still sufficiently below even after post-injection
  • Fuel under pressure is filled, this fuel can be used for a pre-injection in the next injection cycle, whereby pre-injection and post-injection is possible for each injection cycle.
  • the size of the accumulator space 21 is based on the requirements of the front and
  • the function of the accumulator 21 can also perform a sufficiently long pressure line.
  • pressure relief valve 19 and accumulator chamber 21 can either be arranged inside the injector housing (FIG. 1 a) or outside (FIG. 1 b).
  • the high-pressure pump 2 can generate a fuel pressure of approx. 300 to approx. 1600 bar and e.g. be a cam pump.
  • a central distributor device 42 distributes this fuel pressure to the individual injectors 43.
  • a non-return valve 44 for each injector 43 which allows the fuel to flow in the direction of the injector 43, and a pressure relief valve 45 that opens at approx. 300 bar and a return flow of fuel from the injector 43 to relieve the distributor device 42 and Allows pressure reduction, provided.
  • Check valve 44 and pressure relief valve 45 form the overall valve arrangement designated 46.
  • the control chamber 24 of the injector 43 now also has its fuel inlet 25 from the pressure line 10 and the accumulator chamber 47 is arranged in the pressure line 10 directly in front of the nozzle chamber 11.
  • the pressure in the control chamber 24 is limited to approximately 300 bar via a pressure limiting valve 48.
  • This pressure limiting valve 48 can also be integrated in the 2/2-way valve 29 or in a corresponding solenoid valve.
  • the fuel present in the injector 43 is at the lower fuel pressure when the 2/2-way valve 41 is not energized.
  • the pilot injection from the local accumulator 47 takes place in a stroke-controlled manner.
  • the 2/2 -way valve 41 is energized, the higher system pressure becomes activated, the pressure in the nozzle chamber 11 and in the control chamber 24 increases, so that the pressure relief valve 48 opens and the pressure there is limited to a low level.
  • the valve member 12 is opened in a pressure-controlled manner by the higher pressure in the nozzle chamber 11.
  • the pressure in the injector 43 drops to the lower fuel pressure via the pressure relief valve 45, so that the stroke control becomes active again and the valve member 12 closes.
  • valve arrangement 46a which limits the pressure is formed by a 3/2-way valve 49 and a pressure relief valve 45a which opens at approximately 300 bar.
  • the pressure line 10 is connected via the
  • 3/2-way valve 49 connected to the distributor device 42. At the end of the main injection, by switching the 3/2-way valve 49, the pressure prevailing in the injector 43 is reduced to the lower fuel pressure for a pre-injection and / or post-injection via the pressure relief valve 45a.
  • the injection system 50 of FIG. 3 uses a central pressure accumulator 6 for the higher fuel pressure.
  • the distributor device 42 Via a 3/2-way valve 51, the distributor device 42 is either connected to the pressure accumulator 6 or switched back to leakage 52 in order to relieve the distributor device 42 at the end of the main injection.
  • the valve arrangement 46a is provided in FIG. 3a and the valve arrangement 46 in FIG. 3b.
  • the injection system 60 shown in FIG. 4 corresponds to the injection system 1 with the exception of the generation of the higher fuel pressure.
  • the high-pressure pump 2 delivers fuel to a first central pressure accumulator 61 (low-pressure common rail).
  • the fuel stored there under a pressure of approx. 200 to 600 bar is compressed to the higher fuel pressure (approx. 600 to approx.
  • the pressure booster unit 62 comprises a valve unit 63 for pressure booster control, a pressure booster 64 with a pressure medium 65 in the form of a displaceable piston element and two check valves 66 and 67.
  • the pressure medium 65 can be connected at one end to the first pressure accumulator 61 with the aid of the valve unit 63 so that it is pressurized at one end by the fuel in a primary chamber 68.
  • a differential space 69 is relieved of pressure by means of a leakage line 70, so that the pressure medium 65 can be displaced in the compression direction in order to reduce the volume of a pressure chamber 71.
  • the fuel in the pressure chamber 71 is compressed to the higher fuel pressure in accordance with the area ratio of the primary chamber 68 and the pressure chamber 71 and supplied to the second pressure accumulator 6.
  • the check valve 66 prevents the backflow of compressed fuel from the second pressure accumulator 6. If the primary chamber 68 is connected to a leakage line 72 with the aid of the valve unit 63, the pressure medium 65 is reset and the pressure chamber 71 is refilled, via the check valve 67 the first pressure accumulator 61 is connected. Due to the pressure conditions in the primary chamber 68 and in the pressure chamber 71, the check valve 67 opens, so that the Pressure chamber 71 is under the fuel pressure of the first pressure accumulator 61 and the pressure medium 65 is hydraulically returned to its starting position. To improve the resetting behavior, one or more springs can be arranged in rooms 68, 69 and 71. In the exemplary embodiment shown, the valve unit 63 is only shown as an example as a 3/2-way valve.
  • the injector 80 shown in FIG. 5 has two pressure lines 82, 83 connected to one another via a check valve 81 for the higher or lower fuel pressure, the control chamber 24 being connected to the pressure line 83. Since the higher fuel pressure is applied to the nozzle chamber 11 via the pressure line 82, the main injection is pressure-controlled. When the lower fuel pressure is applied to the nozzle chamber 11 via the pressure line 83, the pre-injection or post-injection takes place in a stroke-controlled manner.
  • the fuel pressure stored in the pressure accumulator 61 is used as the lower fuel pressure. If necessary, a higher fuel pressure can then be generated from this by means of a local pressure transmission unit 91, which is arranged in a bypass line 92 of the pressure line 10. By means of a valve unit 93 (3/2-way valve) in the bypass line 92, a local pressure booster 94, which is constructed analogously to the central pressure booster 64, can be switched on.
  • the pressure chamber 95 of the local pressure booster 94 is filled with fuel from the pressure accumulator 61, the check valve 81 preventing the return of compressed fuel back into the pressure accumulator 61.
  • the Pressure translation unit 91 including check valve 81 can be located inside the injector 80 (FIG. 6a) or outside (FIG. 6b).
  • FIG. 7a shows an injection system 100, in which, unlike injection system 60 (FIG. 4), the fuel is stored in the second pressure accumulator 6 under the lower fuel pressure. As in FIG. 6, the higher fuel pressure is then generated for each injector 80 by means of the local pressure translation unit 91.
  • the fuel delivered by the high-pressure pump 2 is stored under a pressure of approximately 50 to approximately 200 bar in the central first pressure accumulator 61.
  • the pressure chamber 71 of the central pressure booster 64 can also be filled with fuel from the first pressure accumulator 61, as in FIG. 7a, with fuel 3 'which a fuel pump 2' (feed pump) supplies via a feed line 5 ' promotes another storage tank 4 'in the pressure chamber 71. Since the high pressure side and the low pressure side of the central pressure transmission unit are hydraulically decoupled from one another, different operating materials, e.g. Oil for the low pressure side and fuel for the high pressure side.
  • the injection system 110 of FIG. 8 uses a quantity-controlled two-stage high-pressure pump 111 to generate two different fuel pressures, of which the lower one is stored centrally in the first pressure accumulator 61 and the higher one centrally in the second pressure accumulator 6.
  • the pressure line 83 is continuously connected to the first pressure accumulator 61, while for the main injection the pressure line 82 is connected to the second pressure accumulator 6 via a 3/2-way valve 112.
  • each injector 80 is connected to the pressure accumulator 61 via its own pressure line.
  • the local pressure translation unit 91 can be located inside the injector 80 (FIG. 11a) or outside (FIG. 11b).
  • piezo actuators instead of one or both solenoid valves.
  • Both the stroke-controlled injection with the lower fuel pressure and the pressure-controlled injection with the higher fuel pressure can be carried out with a piezo actuator instead of a solenoid valve.
  • the metering accuracy of the injection can be improved by the high actuating speed of a piezo actuator.
  • An injection course can also be implemented (generally in the case of main injection). If a piezo actuator is used for the stroke control, an outlet throttle may not be necessary due to the low pressure level that can be switched.
  • the injection system 150 of FIG. 12 like the injection system 110 shown in FIG. 8b, uses two pressure accumulators 6, 61 for the higher and the lower fuel pressure, wherein, unlike in FIG. 8b, the higher fuel pressure as in FIG. 4 by means of the central pressure translation unit 62 generated and the higher fuel pressure is distributed centrally in Fig. 3a via the 3/2 way valve 51 and the distributor 42 to the injectors 80.
  • the injection system 160 shown in FIG. 13 differs from the injection system 150 in that it uses the injector 80 shown in FIG. 8a, in which the higher fuel pressure is supplied locally via the 3/2-way valve 112. will measure.
  • the 3/2-way valve 112 can either be arranged inside the injector housing (FIG. 13a) or, in particular together with the check valve 81, outside (FIG. 13b).
  • the lower fuel pressure can also be used for the main injection in order to implement a boot-shaped injection process.
  • the fuel injection with the lower fuel pressure is stroke-controlled and the fuel injection with the higher fuel pressure is pressure-controlled.
  • the control chamber 24 and, via a check valve 81, the nozzle chamber 11 are also connected to a low-pressure fuel supply, and for a main injection with the higher fuel pressure, the nozzle chamber 11 is on the high pressure fuel supply connected.

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Description

Kombiniertes hub-/druckqesteuertes Kraftstoffeinspritz- verfahren und -System für eine Brennkraftmaschine
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Kraftstoffeinspritzverfahren für eine Brennkraftmaschine nach der Gattung des Patentanspruchs 1 sowie von einem Kraftstoffeinspritzsy- stem nach der Gattung des Patentanspruchs 4. Ein derartiges Kraftstoffeinspritzverfahren und -System ist beispielsweise durch die WO 98/09068 bekanntgeworden.
Zum besseren Verständnis der nachfolgenden Beschreibung werden zunächst einige Begriffe näher erläutert: Bei einem druckgesteuerten Kraftεtoffeinspri 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 hubgesteuerten Kraf tstof feinspri tzsystem 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 Düsen- raum 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 in der WO 98/09068 beschriebenen Einspritzsystem erfolgen sowohl die Einspritzung mit dem höheren Kraft- stoffdruck als auch die Einspritzung mit dem tieferen
Kraftstoffdruck hubgesteuert, wobei Steuerraum und Düsenraum miteinander unmittelbar verbunden sind. Da der höhere Einspritzdruck auch im Steuerraum herrscht, sind auch dort entsprechende Anforderungen an Dichtfunktion, Federkräfte und Ventilglied zu erfüllen. Durch die Hubsteuerung ist eine gute Reproduzierbarkeit der Einspritzung mit dem tieferen Kraftstoffdruck möglich. Aus der EP 0 711 914 AI ist ein druckgesteuertes Kraftstoffeinspritzsystem bekannt, bei dem über eine Ventil - Steuereinheit entweder der tiefere oder höhere Kraftstoffdruck in den Düsenraum des Injektors geleitet wird. Dort wird durch den Druck ein federbelasteter Ventilkörper von seinem Ventilsitz abgehoben, so daß Kraftstoff aus der Einspritzöffnung austreten kann. Bei druckgesteuerten Ein- spritzsystemen werden bei der Einspritzung Druckwellen entfacht, die bei der Haupteinspritzung mit dem höheren Kraftstoffdruck zwar gewollt, aber bei der Voreinspritzung mit dem tieferen Kraftstoffdruck einen negativen Einfluß auf das hydraulische Verhalten des Einspritzsystems bei der anschließenden Haupteinspritzung ausüben können.
Vorteile der Erfindung
Zur Verbesserung des Einspritzverhaltens werden erfindungsgemäß das Einspritzverfahren gemäß Patentanspruch 1 und die Kraftstoffeinspritzsysteme gemäß Patentanspruch 4 und 8 vorgeschlagen. Erfindungsgemäße Weiterbildungen sind in den Patentansprüchen 2 und 3 sowie 5 bis 9 enthalten.
Erfindungsgemäß werden die Vorteile eines hubgesteuerten und eines druckgesteuerten Einspritzsystems kombiniert. Damit ergeben sich entscheidende Vorteile:
- flexiblere Vor- und Nacheinspritzung;
- bessere Dosiermöglichkeiten und gute Reproduzierbarkeit der Vor- und Nacheinspritzung durch eine Hubsteuerung und geringen Einspritzdruck; - sehr kleine Baugröße des Injektors, da die Hubsteuerung aufgrund des geringen Druckes als Steuerorgan ein 2/2- Wege-Ventil aufweisen kann;
- Verwendung von schnell schaltenden Magnetventilen bei geringem Strombedarf;
- kleiner Einfluß der Bauteiltoleranzen auf die Vor- und Nacheinspritzung;
- Drucküberhöhung bei der Haupteinspritzung und dreiecks- förmiger Einspritzverlauf;
- geringere Anforderungen an Dichtfunktion, Federkräfte und Ventilglied durch geringeren Druck bei der Vor- und
Nacheinspritzung;
- Wahlmöglichkeit des Einspritzprinzips bei der Haupteinspritzung bei kleinen Einspritzdrücken.
Der tiefere Kraftstoffdruck kann auch für die Haupteinspritzung zur Realisierung eines bootförmigen Einspritz- verlaufs 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 hub- /druckgesteuerten Kraftstoffeinspritzsystemen sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Kraftstoffeinspritzsystem für eine Einspritzung mit zwei, unterschiedlich hohen Kraftstoffdrücken, mit einem zentralen Druckspeicher und jeweils einem lokalen Akkumulatorraum für jeden Injektor;
Fig. 2 ein zweites Kraftstoffeinspritzsystem mit einer zentralen Verteilereinrichtung und jeweils einem lokalen Akkumulatorraum für jeden Injektor;
Fig. 3 ein drittes Kraftstoffeinspritzsystem mit einem zentralen Druckspeicher, einer zentralen Vertei- lereinrichtung und jeweils einem lokalen Akkumulatorraum für jeden Injektor;
Fig. 4 ein viertes Kraftstoffeinspritzsystem mit zwei zentralen Druckspeichern, einem zentralen Druck- Verstärker und jeweils einem lokalen Druckverstärker für jeden Injektor;
Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel eines hub-/druckgesteuerten Injektors;
Fig. 6 ein fünftes Kraftstoffeinspritzsystem mit dem in Fig. 5 gezeigten Injektor, einem zentralen Druckspeicher, einer zentralen Verteilereinrichtung und jeweils einem lokalen Druckverstärker für jeden Injektor;
Fig. 7 ein sechstes Kraftstoffeinspritzsystem mit dem in Fig. 5 gezeigten Injektor, zwei zentralen Druckspeichern und jeweils einem lokalen Druckverstärker für jeden Injektor;
Fig. 8 ein siebtes Kraftstoffeinspritzsystem mit dem in Fig. 5 gezeigten Injektor sowie zwei zentralen
Druckspeichern;
Fig. 9 ein achtes Kraftstoffeinspritzsystem mit dem in Fig. 5 gezeigten Injektor sowie zwei zentralen Druckspeichern;
Fig. 10 ein neuntes Kraftstoffeinspritzsystem mit dem in Fig. 5 gezeigten Injektor, einem zentralen Druckspeicher sowie einer zentralen Verteilereinrich- tung;
Fig. 11 ein zehntes Kraftstoffeinspritzsystem mit dem in Fig. 5 gezeigten Injektor, einem zentralen Druckspeicher sowie jeweils einem lokalen Druckver- stärker für jeden Injektor;
Fig. 12 ein elftes Kraftstoffeinspritzsystem mit dem in Fig. 5 gezeigten Injektor, zwei zentralen Druckspeichern, einem zentralen Druckverstärker sowie einer zentralen Verteilereinrichtung; und Fig. 13 ein zwölftes Kraftstoffeinspritzsystem mit dem in Fig. 5 gezeigten Injektor, zwei zentralen Druckspeichern sowie einem zentralen Druckverstärker.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Bei dem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel eines hub-/druckgesteuerten Kraf stoffeinspritzsystems 1 fördert eine mengengeregelte Hochdruckpumpe 2 Kraftstoff 3 aus einem Vorratstank 4 mit hohem Druck über eine Förderleitung 5 in einen zentralen Druckspeicher 6 (Hochdruck- Common-Rail) , von dem mehrere, der Anzahl einzelner Zylinder entsprechende Hochdruckleitungen 7 zu den einzelnen, in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraf maschine ragenden Injektoren 8 (Einspritzeinrichtung) abführen. In Fig. 1 ist lediglich einer der Injektoren 8 näher dargestellt. Im Druckspeicher 6 kann ein erster höherer Kraftstoffdruck von ca. 300 bar bis 1800 bar gelagert werden.
Der in der Hochdruckleitung 7 anstehende höhere Kraftstoffdruck wird mittels Bestromens eines 3/2-Wege-Ventils 9 über eine Druckleitung 10 in einen Düsenraum 11 des Injektors 8 geleitet. Die Einspritzung mit dem höheren Kraftstoffdruck (Haupteinspritzung) erfolgt druckgesteuert mit Hilfe eines in einer Führungsbohrung axial verschiebbaren kolbenförmigen Ventilglieds 12 (Düsennadel) , dessen konische Ventildichtfläche 13 mit einer Ventilsitzfläche am Injektorgehäuse zusammenwirkt und so die dort vorgese- henen Einspritzöffnungen 14 verschließt. Innerhalb des Düsenraums 11 ist eine in Öffnungsrichtung des Ventilglieds 12 weisende Druckfläche des Ventilgliedes 12 dem dort herrschenden Druck ausgesetzt, wobei sich der Düsenraum 11 über einen Ringspalt zwischen dem Ventilglied 12 und der Führungsbohrung bis an die Ventildichtfläche 13 des Injektors 8 fortsetzt. Durch den im Düsenraum 11 herrschenden Druck wird das die Einspritzöffnungen 14 abdichtende Ven- tilglied 12 gegen die Wirkung einer Schließkraft (Schließfeder 15) aufgesteuert , wobei der Federraum 16 mittels einer Leckageleitung 17 druckentlastet ist. Durch Umschalten des 3/2 -Wege-Ventils 9 zurück in den unbestromten Zustand wird die Haupteinspritzung beendet und die Druckleitung 10 über eine Anschlußleitung 18 und ein auf einen zweiten tieferen Kraftstoffdruck (ca. 300 bar) eingestelltes Druckbegrenzungsventil 19 mit einer Leckageleitung 20 verbunden. Die Leckageleitung 20 dient der Druckentlastung und kann in den Vorratstank 4 zurückführen. Infolge der Umschaltung baut sich der in der Druckleitung 10 und dem Düsenraum 11 zunächst noch herrschende höhere Kraftstoffdruck auf den tieferen Kraftstoffdruck ab, der in einem an die Anschlußleitung 18 angeschlossenen Akkumulatorraum 21 gelagert wird. Dieser tiefere Kraftstoffdruck dient zur Vor- und/oder Nacheinspritzung (HC-Anreicherung zur Abgasnachbehandlung) .
Am Ventilglied 12 greift koaxial zu der Schließfeder 15 ein Druckstück 22 an, das mit seiner der Ventildichtfläche 13 abgewandten Stirnseite 23 einen Steuerraum 24 begrenzt. Der Steuerraum 24 hat von der Anschlußleitung 18 her einen KraftstoffZulauf 25 mit einer ersten Drossel 26 und einen Kraftstoffablauf zu einer Druckentlastungsleitung 27 mit einer zweiten Drossel 28, die durch ein Steuerorgan in Form eines 2/2-Wege-Ventils 29 mit der Leckageleitung 20 verbindbar ist. Über den Druck im Steuerraum 24 wird das Druckstück 22 in Schließrichtung druckbeaufschlagt. Durch Betätigen (Bestromen) des 2/2 -Wege-Ventils 29 kann der Druck im Steuerraum 24 abgebaut werden, so daß in der Folge der in Öffnungsrichtung auf das Ventilglied 12 wirkende Druck im Düsenraum 11 den in Schließrichtung auf das Ventilglied 12 wirkenden Druck übersteigt. Die Ventildicht- fläche 13 hebt von der Ventilsitzfläche ab, so daß eine
Einspritzung mit dem tieferen Kraftstoffdruck erfolgt. Dabei läßt sich der Entlastungsvorgang des Steuerraums 24 und somit die Hubsteuerung des Ventilglieds 12 über die Dimensionierung der beiden Drosseln 26, 28 beeinflussen. Durch Schließen des 2/2 -Wege-Ventils 29 wird diese Einspritzung dann beendet. Die Einspritzung mit dem tieferen Systemdruck kann entweder nach der Haupteinspritzung als Nacheinspritzung oder vor der Haupteinspritzung als Voreinspritzung erfolgen. Sofern der Akkumulatorraum 21 auch nach einer Nacheinspritzung noch ausreichend mit unter
Druck stehendem Kraftstoff gefüllt ist, kann dieser Kraftstoff beim nächsten Einspritzzyklus für eine Voreinspritzung genutzt werden, wodurch für jeden Einspritzzyklus eine Vor- und Nacheinspritzung möglich ist. Die Größe des Akkumulatorraums 21 ist an die Erfordernisse der Vor- und
Nacheinspritzung angepaßt, wobei die Funktion des Akkumulatorraums 21 auch eine genügend lange Druckleitung erfüllen kann.
Die in Fig. 1 insgesamt mit 30 bezeichnete Anordnung aus
3/2 -Wege-Ventil 9, Druckbegrenzungsventil 19 und Akkumulatorraum 21 kann entweder innerhalb des Injektorgehäuses (Fig. la) oder außerhalb (Fig. lb) angeordnet sein.
Nachfolgend werden in der Beschreibung zu den weiteren Figuren lediglich die Unterschiede zum Kraftstoffeinspritzsystem nach Fig. 1 behandelt. Identische bzw. funktions- gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet und werden nicht näher erläutert.
Bei dem in Fig. 2a gezeigten Einspritzsystem 40 ist der zentrale Druckspeicher der Fig. 1 ausgelassen, und der
Druckaufbau erfolgt durch Bestromen eines 2/2 -Wege-Ventils 41. Die Hochdruckpumpe 2 kann einen Kraftstoffdruck von ca. 300 bis ca. 1600 bar erzeugen und z.B. eine Nockenpumpe sein. Eine zentrale Verteilereinrichtung 42 verteilt diesen Kraftstoffdruck auf die einzelnen Injektoren 43.
Hinter der Verteilereinrichtung 42 sind für jeden Injektor 43 noch ein Rückschlagventil 44, das den Kraftstoff in Richtung Injektor 43 durchläßt, und ein bei ca. 300 bar öffnendes Druckbegrenzungsventil 45, das einen Rückfluß von Kraftstoff aus dem Injektor 43 zur Entlastung der Verteilereinrichtung 42 und zum Druckabbau zuläßt, vorgesehen. Rückschlagventil 44 und Druckbegrenzungsventil 45 bilden die insgesamt mit 46 bezeichnete Ventilanordnung. Anders als beim Injektor 8 hat nun auch der Steuerraum 24 des Injektors 43 seinen KraftstoffZulauf 25 von der Druckleitung 10 her und ist der Akkumulatorräum 47 in der Druckleitung 10 unmittelbar vor dem Düsenraum 11 angeordnet. Außerdem ist der Druck im Steuerraum 24 über ein Druckbegrenzungsventil 48 auf ca. 300 bar begrenzt. Dieses Druckbegrenzungsventil 48 kann auch im 2/2-Wege-Ventil 29 bzw. in einem entsprechenden Magnetventil integriert sein.
Durch die Ventilanordnung 46 steht der im Injektor 43 vorhandene Kraftstoff bei nichtbestromtem 2/2 -Wege-Ventil 41 unter dem tieferen Kraftstoffdruck. Durch Öffnen (Bestromen) des 2/2-Wege-Ventils 29 erfolgt hubgesteuert die Voreinspritzung aus dem lokalen Akkumulator 47. Wird durch Bestromen des 2/2 -Wege-Ventils 41 der höhere Systemdruck aktiviert, so steigt der Druck im Düsenraum 11 und im Steuerraum 24 an, so daß das Druckbegrenzungsventil 48 öffnet und der Druck dort auf geringem Niveau begrenzt ist . Durch den höheren Druck im Düsenraum 11 wird das Ven- tilglied 12 druckgesteuert aufgesteuert . Bei Deaktivierung des höheren Kraftstoffdruckes sinkt der Druck im Injektor 43 über das Druckbegrenzungsventil 45 auf den tieferen Kraftstoffdruck ab, so daß die Hubsteuerung wieder aktiv wird und das Ventilglied 12 schließt.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2b ist die den Druck begrenzende Ventilanordnung 46a durch ein 3/2-Wege-Ventil 49 und ein bei ca. 300 bar öffnendes Druckbegrenzungsventil 45a gebildet. Für die Haupteinspritzung wird bei aktivier- tem höheren Kraftstoffdruck die Druckleitung 10 über das
3/2-Wege-Ventil 49 mit der Verteilereinrichtung 42 verbunden. Am Ende der Haupteinspritzung wird dann durch Umschalten des 3/2-Wege-Ventils 49 der im Injektor 43 herrschende Druck über das Druckbegrenzungsventil 45a auf den tieferen Kraftstoffdruck für eine Vor- und/oder Nacheinspritzung abgebaut.
Das Einspritzsystem 50 der Fig. 3 verwendet, anders als das Einspritzsystem 40, einen zentralen Druckspeicher 6 für den höheren Kraftstoffdruck. Über ein 3/2-Wege-Ventil 51 wird die Verteilereinrichtung 42 entweder mit dem Druckspeicher 6 verbunden oder auf Leckage 52 zurückgeschaltet, um am Ende der Haupteinspritzung die Verteilereinrichtung 42 zu entlasten. In Fig. 3a ist die Ventilan- Ordnung 46a und in Fig. 3b die Ventilanordnung 46 vorgesehen . Das in Fig. 4 gezeigte Einspritzsystem 60 entspricht mit Ausnahme der Erzeugung des höheren Kraftstoffdruckes dem Einspritzsystem 1. Die Hochdruckpumpe 2 fördert Kraftstoff in einen ersten zentralen Druckspeicher 61 (Niederdruck- Common-Rail) . Der dort unter einem Druck von ca. 200 bis 600 bar gelagerte Kraftstoff wird mittels einer zentralen Druckübersetzungseinheit 62 auf den höheren Kraftstoffdruck (ca. 600 bis ca. 1800 bar) komprimiert und im zweiten zentralen Druckspeicher 6 gelagert. Die Drucküberset- zungseinheit 62 umfaßt eine Ventileinheit 63 zur Druck- übersetzungsansteuerung, einen Druckübersetzer 64 mit einem Druckmittel 65 in Form eines verschieblichen Kolbenelements sowie zwei Rückschlagventile 66 und 67. Das Druckmittel 65 kann einenends mit Hilfe der Ventileinheit 63 an den ersten Druckspeicher 61 angeschlossen werden, so daß es durch den in einer Primärkammer 68 befindlichen Kraftstoff einenends druckbeaufschlagt wird. Ein Differenzraum 69 ist mittels einer Leckageleitung 70 druckentlastet, so daß das Druckmittel 65 zur Verringerung des Vo- lumens einer Druckkammer 71 in Kompressionsrichtung verschoben werden kann. Dadurch wird der in der Druckkammer 71 befindliche Kraftstoff entsprechend dem Flächenverhältnis von Primärkammer 68 und Druckkammer 71 auf den höheren Kraftstoffdruck verdichtet und dem zweiten Druckspeicher 6 zugeführt. Das Rückschlagventil 66 verhindert den Rückfluß von komprimiertem Kraftstoff aus dem zweiten Druckspeicher 6. Wird die Primärkammer 68 mit Hilfe der Ventileinheit 63 an eine Leckageleitung 72 angeschlossen, so erfolgen die Rückstellung des Druckmittels 65 und die Wiederbefüllung der Druckkammer 71, die über das Rückschlagventil 67 an den ersten Druckspeicher 61 angeschlossen ist. Aufgrund der Druckverhältnisse in der Primärkammer 68 und in der Druckkammer 71 öffnet das Rückschlagventil 67, so daß die Druckkammer 71 unter dem Kraftstoffdruck des ersten Druckspeichers 61 steht und das Druckmittel 65 hydraulisch in seine Ausgangsstellung zurückgefahren wird. Zur Verbesserung des Rückstellverhaltens können eine oder mehrere Fe- dern in den Räumen 68, 69 und 71 angeordnet sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Ventileinheit 63 lediglich beispielhaft als 3/2-Wege-Ventil dargestellt.
Der in Fig. 5 gezeigte Injektor 80 weist zwei über ein Rückschlagventil 81 miteinander verbundene Druckleitungen 82, 83 für den höheren bzw. tieferen Kraftstoffdruck auf, wobei der Steuerraum 24 an die Druckleitung 83 angeschlossen ist. Indem der Düsenraum 11 über die Druckleitung 82 mit dem höheren Kraftstoffdruck beaufschlagt wird, erfolgt die Haupteinspritzung druckgesteuert. Wenn der Düsenraum 11 über die Druckleitung 83 mit dem tieferen Kraftstoffdruck beaufschlagt wird, erfolgt hubgesteuert die Voroder Nacheinspritzung.
Bei dem Einspritzsystem 90 der Fig. 6 wird anders als beim Einspritzsystem 60 (Fig. 4) der im Druckspeicher 61 gelagerte Kraftstoffdruck als tieferer Kraftstoffdruck genutzt. Aus diesem kann dann bei Bedarf auch ein höherer Kraftstoffdruck mittels einer lokalen Druckübersetzungs- einheit 91 erzeugt werden, die in einer Bypaßleitung 92 der Druckleitung 10 angeordnet ist. Mittels einer Ventil - einheit 93 (3/2-Wegeventil) in der Bypaßleitung 92 kann ein lokaler Druckübersetzer 94, der analog dem zentralen Druckübersetzer 64 aufgebaut ist, zugeschaltet werden. Die Druckkammer 95 des lokalen Druckübersetzers 94 wird mit Kraftstoff aus dem Druckspeicher 61 befüllt, wobei das Rückschlagventil 81 den Rücklauf von komprimiertem Kraftstoff zurück in den Druckspeicher 61 verhindert. Die Druckübersetzungseinheit 91 samt Rückschlagventil 81 kann sich innerhalb des Injektors 80 (Fig. 6a) oder außerhalb (Fig. 6b) befinden.
Fig. 7a zeigt ein Einspritzsystem 100, bei dem anders als beim Einspritzsystem 60 (Fig. 4) der Kraftstoff im zweiten Druckspeicher 6 unter dem tieferen Kraftstoffdruck gelagert ist. Wie in Fig. 6 wird dann für jeden Injektor 80 mittels der lokalen Druckübersetzungseinheit 91 der höhere Kraftstoffdruck erzeugt. Im zentralen ersten Druckspeicher 61 ist der von der Hochdruckpumpe 2 geförderte Kraftstoff unter einem Druck von ca. 50 bis ca. 200 bar gelagert. Wie Fig. 7b zeigt, kann die Druckkammer 71 des zentralen Druckübersetzers 64 anstatt wie in Fig. 7a mit Kraftstoff aus dem ersten Druckspeicher 61 auch mit Kraftstoff 3' befüllt werden, den eine Kraftstoffpumpe 2' (Förderpumpe) über eine Förderleitung 5' aus einem weiteren Vorratstank 4' in die Druckkammer 71 fördert. Da die Hochdruckseite und die Niederdruckseite der zentralen Druckübersetzungs- einheit voneinander hydraulisch entkoppelt sind, können für beide Seiten auch unterschiedliche Betriebsstoffe, z.B. Öl für die Niederdruckseite und Kraftstoff für die Hochdruckseite, verwendet werden.
Das Einspritzsystem 110 der Fig. 8 verwendet eine mengengeregelte zweistufige Hochdruckpumpe 111 zur Erzeugung von zwei unterschiedlich hohen Kraftstoffdrücken, von denen der tiefere zentral im ersten Druckspeicher 61 und der höhere zentral im zweiten Druckspeicher 6 gespeichert wer- den. Die Druckleitung 83 ist ständig an den ersten Druckspeicher 61 angeschlossen, während für die Haupteinspritzung die Druckleitung 82 über ein 3/2-Wege-Ventil 112 mit dem zweiten Druckspeicher 6 verbunden wird. Bei unbest- to to H y→ o o o cn o
wird, sondern jeder Injektor 80 über eine eigene Druckleitung an den Druckspeicher 61 angeschlossen ist. Die lokale Druckübersetzungseinheit 91 kann sich innerhalb des Injektors 80 (Fig. 11a) oder außerhalb (Fig. 11b) befinden. Au- ßerdem ist es möglich, anstelle eines oder beider Magnetventile Piezosteller zu verwenden. Für diese Piezosteller ist ein Temperaturausgleich und evtl . eine hydraulische Kopplung vorzusehen. Es kann sowohl die hubgesteuerte Einspritzung mit dem tieferen Kraftstoffdruck als auch die druckgesteuerte Einspritzung mit dem höheren Kraftstoffdruck mit einem Piezosteller anstatt eines Magnetventils ausgeführt werden. Durch die hohe Stellgeschwindigkeit eines Piezostellers kann die Zumeßgenauigkeit der Einspritzung verbessert werden. Weiterhin kann eine Einspritzver- laufsfor ung (im allgemeinen bei der Haupteinspritzung) realisiert werden. Bei Verwendung eines Piezostellers für die Hubsteuerung kann evtl. wegen des geringen zu schaltenden Druckniveaus auf eine Ablaufdrossel verzichtet werden.
Das Einspritzsystem 150 der Fig. 12 verwendet wie das in Fig. 8b gezeigte Einspritzsystem 110 zwei Druckspeicher 6, 61 für den höheren und den tieferen Kraftstoffdruck, wobei anders als in Fig. 8b der höhere Kraftstoffdruck wie in Fig. 4 mittels der zentralen Druckübersetzungseinheit 62 erzeugt und der höhere Kraftstoffdruck wie in Fig. 3a zentral über das 3/2 -Wege-Ventil 51 und die Verteilereinrichtung 42 auf die Injektoren 80 verteilt wird.
Das in Fig. 13 gezeigte Einspritzsystem 160 unterscheidet sich von dem Einspritzsystem 150 durch die Verwendung des in Fig. 8a gezeigten Injektors 80, bei dem der höhere Kraftstoffdruck lokal über das 3/2-Wege-Ventil 112 zuge- messen wird. Das 3/2-Wege-Ventil 112 kann entweder innerhalb des Injektorgehäuses (Fig. 13a) oder, insbesondere zusammen mit dem Rückschlagventil 81, außerhalb (Fig. 13b) angeordnet sein.
Abschließend wird noch darauf hingewiesen, daß der tiefere Kraftstoffdruck auch für die Haupteinspritzung zur Realisierung eines bootförmigen Einspritzverlaufs verwendet werden kann.
Bei einem Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff mit mindestens zwei unterschiedlich hohen Kraftstoffdrücken über Injektoren 80 in den Brennraum einer Brennkraftmaschine erfolgt die Kraftstoffeinspritzung mit dem tieferen Kraftstoffdruck hubgesteuert und die Kraftstoffeinspritzung mit dem höheren Kraftstoffdruck druckgesteuert. Für eine Vor- und/oder Nacheinspritzung und/oder eine Bootinjektion mit dem tieferen Kraftstoffdruck sind der Steuerraum 24 und über ein Rückschlagventil 81 auch der Düsen- räum 11 an eine NiederdruckkraftstoffVersorgung angeschlossen, und für eine Haupteinspritzung mit dem höheren Kraftstoffdruck ist der Düsenraum 11 an die HochdruckkraftstoffVersorgung angeschlossen .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff mit minde- stens zwei unterschiedlich hohen Kraftstoffdrücken über Injektoren (8; 43; 80) in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, wobei die Kraftstoffeinspritzung mit dem tieferen Kraftstoffdruck hubgesteuert erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffeinspritzung mit dem höheren Kraftstoffdruck druckgesteuert erfolgt.
2. Einspritzverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, daß nach der Kraftstoffeinspritzung mit dem höheren Kraftstoffdruck der im Injektor (8; 43) herrschende Kraftstoffdruck auf den tieferen Kraftstoffdruck abgebaut und für mindestens eine Kraftstoffeinspritzung mit dem tieferen Kraftstoffdruck lokal ge- speichert wird.
3. Einspritzverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucksteuerung unabhängig von der Hubsteuerung erfolgt .
4. Kraftstoffeinspritzsystem (1; 40; 50; 60) für eine Brennkraftmaschine, bei dem Kraftstoff unter zwei unterschiedlich hohen Kraftstoffdrücken in den Brenn- räum der Brennkraftmaschine über hubgesteuerte Injektoren (8; 43; 80) eingespritzt werden kann, wobei jeder Injektor (8; 43; 80) jeweils ein kolbenförmiges in einer Führungsbohrung axial verschiebliches, zum Abdichten einer Einspritzöffnung (14) ausgebildetes Ventilglied (12), welches durch einen mit der Führungsbohrung durchgängig verbundenen Düsenraum (11) hindurch geführt und an seinem der Einspritzöffnung (14) abgewandten Ende mittels des in einem Steuerraum
(24) ausgebildeten Druckes in Richtung der Einspritz - Öffnung (14) druckbeaufschlagbar ist, und ein Hubdrucksteuerorgan (2/2-Wege-Ventil 29) zur Druckentlastung des Steuerraums (24) aufweist, wobei der Düsen- räum (11) und der Steuerraum (24) an eine Kraftstoff- versorgung anschließbar sind, insbesondere zum Durchführen des Einspritzverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Haupteinspritzung mit dem höheren Kraftstoffdruck der Düsenraum (11) an eine Hochdruckkraft- Stoffversorgung angeschlossen ist und daß für eine Vor- und/oder Nacheinspritzung und/oder eine Bootinjektion mit dem tieferen Kraftstoffdruck der Düsen- räum (11) und der Steuerraum (24) an einen Akkumulatorraum (21; 47) angeschlossen sind, der während oder nach der Haupteinspritzung gefüllt und vor der Vorbzw. Nacheinspritzung auf den tieferen Kraftstoff- druck entlastet ist .
5. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (3/2-Wege-Ventil 9) , die den Düsenraum (11) entweder mit der Hochdruck- kraftstoffversorgung oder mit dem Akkumulatorräum (21) verbindet.
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