EP1370764B1 - Verfahren zum einspritzen von kraftstoff in die brennräume einer brennkraftmaschine, sowie kraftstoffeinspritzsystem für eine solche - Google Patents

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EP1370764B1
EP1370764B1 EP02727441A EP02727441A EP1370764B1 EP 1370764 B1 EP1370764 B1 EP 1370764B1 EP 02727441 A EP02727441 A EP 02727441A EP 02727441 A EP02727441 A EP 02727441A EP 1370764 B1 EP1370764 B1 EP 1370764B1
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EP
European Patent Office
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pressure
fuel
injection
injector
reservoirs
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Günther Schmidt
Albert Kloos
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    • F02M2200/31—Fuel-injection apparatus having hydraulic pressure fluctuations damping elements
    • F02M2200/315—Fuel-injection apparatus having hydraulic pressure fluctuations damping elements for damping fuel pressure fluctuations

Definitions

  • the invention relates to a method for injecting fuel into the combustion chambers of an internal combustion engine according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a fuel injection system for an internal combustion engine according to the preamble of claim 8.
  • a type of fuel injection has increasingly been used in which a common inlet and storage line (common rail) is pressurized by a high-pressure pump under high pressure with fuel and from this the high-pressure fuel via respective high-pressure lines of a number is supplied from each injector comprehensive fuel injectors.
  • the beginning and end of the injection of the fuel into the combustion chambers of the internal combustion engine are controlled by opening and closing the injectors provided in the fuel injectors.
  • high pressure lines a certain Kraftstoffspeichenrolumen having high-pressure accumulator may be provided.
  • Such a type of fuel injection is known for example from DE 197 12 135 C1.
  • EP 0 780 569 A1 discloses an injection system as known which has a high-pressure accumulator and associated lines leading to the injection valves. To dampen pressure pulsations, the lines are connected via throttling devices on the high-pressure accumulator. Since the lines downstream of the throttling devices are small-volume compared to the pressure accumulator, in order to maintain a continuous injection, the fuel quantity flowing through the throttle devices during an injection from the pressure accumulator per unit time is the same as the injected fuel quantity per unit time. Therefore, the system pressure in the injector is the same at the beginning and at the end of an injection. As a result of the pressure pulsations generated when the injection valve closes due to the back pressure, pressure increases occur at the end of the injection.
  • the increasingly stringent requirements for limiting pollutant emissions from internal combustion engines tend to require ever higher injection pressures.
  • the maximum permissible pressure in a fuel injection system of the type mentioned with regard to the material load is given by the peak pressures occurring in the system.
  • the highest pressure peaks occur in the fuel injector at the end of the injection.
  • congestion or surf pressure that occurs when the injector closes and can be up to 400 bar above the system pressure.
  • the system pressure of the fuel injection system has to be designed to be lower by up to the said 400 bar than the maximum pressure which is acceptable in terms of material load.
  • the object of the invention is to provide an improved method for injecting fuel into the combustion chambers of an internal combustion engine, as well as an improved fuel injection system for an internal combustion engine.
  • the object is achieved by the fuel injection method specified in claim 1 or by the specified in claim 8 fuel injection system.
  • a method for injecting fuel into the combustion chambers of an internal combustion engine, in particular a diesel engine, by means of a fuel injectors comprising a number of injection valves and a fuel supplying the individual fuel injectors via respective high-pressure lines with high-pressure fuel and, in turn, via a high-pressure pump created under high pressure fueled common inlet and storage line containing fuel injection system, is controlled at the beginning and end of the injection of the fuel into the combustion chambers by opening and closing the injectors of the fuel injectors.
  • One or more high-pressure accumulators are provided in each of the lines leading to the fuel injectors.
  • a defined lowering of the fuel pressure prevailing in the fuel injector from an initial pressure p1 to a pressure p2 at the time T2, when the closing of the injection valve starts, is limited by restricting the afterflow of fuel during the injection, so that the pressure rising in the fuel injector due to the back pressure when closing the injector at the end of the injection does not exceed a predetermined value.
  • the defined reduction of the pressure prevailing in the fuel injector pressure is effected by limiting the subsequent flow in the leading from the common inlet and storage line to the Hochdruckspeichem high pressure lines.
  • the defined reduction of the fuel pressure in the fuel injector preferably takes place to such a value that the pressure rising in the fuel injector at the end of the injection due to the back pressure when the injector closes becomes equal to Beginning of the injection in the fuel injector prevailing fuel pressure, in particular does not exceed the system pressure P0.
  • the high-pressure accumulator closer to the injector is preferably designed with a smaller volume than the one located further upstream.
  • At least one high-pressure accumulator, preferably the larger one, is associated with a quantity-limiting valve, which preferably lies downstream of the respective high-pressure accumulator.
  • the limitation of the afterflow of the fuel is effected by throttle points provided in the high-pressure lines leading from the common supply and storage line to the high-pressure accumulators.
  • the limitation of the afterflow of the fuel by the dimensioning of the diameter D2 of the leading from the common inlet and storage line to the high-pressure accumulators high pressure lines.
  • One advantage of the injection method according to the invention is that it is possible to work with a high injection pressure at the start of injection without there being any inadmissible overloading of the material in the fuel injector.
  • the invention provides a fuel injection system for an internal combustion engine, in particular a diesel engine, which supplies a number of each injector comprehensive fuel injectors and the individual fuel injectors with fuel under high pressure fuel and in turn acted upon by a high-pressure pump at high pressure with fuel common inlet - And storage line, and in each case one or more, in particular two, provided in the leading to the fuel injectors high pressure lines, a contains certain fuel storage volume having high-pressure accumulator, wherein the beginning and end of the injection of the fuel is controlled in the combustion chambers by opening and closing the injection valves of the fuel injectors.
  • the fuel storage volume of the high-pressure accumulator and the flow resistance of the high-pressure lines leading from the common inlet and storage line to the individual high-pressure accumulators are dimensioned taking into account the maximum injection quantity and duration so that during injection, less fuel in the High pressure accumulator nachströmt is injected as a lowering of the prevailing in the fuel injector fuel pressure is from an initial, to the system pressure slightly lower pressure p1 to a fuel pressure p2 at time T2, when the closing of the injector starts, so that due to the back pressure when closing the injector At the end of the injection in the fuel injector increasing pressure does not exceed a predetermined value.
  • the fuel storage volume of the high-pressure accumulators and the flow resistance of the high-pressure accumulators leading to the high-pressure accumulators are preferably dimensioned such that the pressure rising in the fuel injector at the end of the injection due to the stagnation pressure does not exceed the fuel pressure prevailing at the beginning of the injection in the fuel injector, in particular the system pressure P0
  • the flow resistance of the high-pressure lines leading from the common supply and storage line to the high-pressure accumulators is determined by throttle points
  • the flow resistance of the leading from the common inlet and storage line to the high-pressure accumulators high pressure lines is determined by the diameter D2.
  • reference numeral 5 denotes one of typically several fuel injectors for injecting fuel into the combustion chambers of an internal combustion engine, in particular a diesel engine.
  • the fuel injectors 5 are controlled by means of a control unit not shown in Figure 1 so that an optimally matched to speed and load condition of the engine fuel quantity is injected.
  • the fuel is initially supplied to a common supply and storage line 1 by means of one or more high-pressure pumps 6, from which high-pressure lines 2, 4a, 4b serving to supply the individual fuel injectors 5 branch off.
  • One or more high-pressure accumulators 3a, 3b are provided in the high-pressure lines 2, 4a, 4b leading to the fuel injectors 5.
  • the part of the high-pressure line leading from the common supply and storage line 1 to the high-pressure accumulator 3a is designated by the reference numeral 2, whereas the sections of the high-pressure line leading from the high-pressure accumulators 3a, 3b to the fuel injector 5 bear the reference symbols 4a and 4b.
  • the high-pressure accumulators 3a and 3b are associated with quantity-limiting valves 14a and 14b, which are preferably downstream of the high-pressure accumulators 3a, 3b, but may also be upstream.
  • the high-pressure accumulators 3 a, 3 b act as oil-elastic accumulators, in whose fuel storage volume the fuel supplied to the fuel injectors 5 is supplied under the high-pressure supplied by the common supply and storage line 6.
  • the common inlet and storage line 1 typically has the function of an oil-elastic storage in which the supplied under the high pressure pump 6 supplied high pressure fuel for further distribution to the high pressure accumulator 3a, 3b via the high pressure lines 2, 4a, 4b is maintained.
  • FIG. 2 shows a part of the injector 7 of the fuel injector 5, which projects into the combustion chamber of the internal combustion engine and an injection nozzle 13, via which the fuel is injected into the combustion chamber.
  • an injection valve is formed, which is formed by the tip 9 of a longitudinally displaceably mounted in the fuel injector 5 in a known manner nozzle needle 8 and a cooperating with the nozzle needle tip 9 nozzle needle seat 10.
  • opening the injection valve 9, 10 located in an antechamber 11 supplied under high pressure via the high-pressure line 4a, 4b in the fuel injector 5 fuel for injection via the injection nozzle 13 is released. Upstream of the nozzle needle tip 9 is a blind hole 12, from which the injection nozzle 13 branches off.
  • the opening and closing of the injection valve 9, 10 and thus the beginning and the end of the injection of the fuel into the combustion chamber of the internal combustion engine is controlled by the above-mentioned control unit.
  • the diagram shown in FIG. 3 shows the pressure ratios plotted against time in a conventional injection of fuel into the combustion chamber of an internal combustion engine.
  • the curve marked A shows the pressure prevailing in the antechamber 11 in front of the injection valve 9, 10 fuel pressure, which is equal to the system pressure P0 when the injection valve is closed;
  • the curve labeled B shows the pressure in the blind hole 12 during the injection process.
  • T1 ' the beginning of the injection process, in which the injection valve 9, 10 begins to open
  • T2 the end of the injection process, in which the injection valve 9, 10 begins to close
  • the pressure in the blind hole 12 increases relatively quickly from the pressure 0 at time T1 'to the pressure P1 at the time T1, which is almost equal to the system pressure prevailing in the antechamber 11.
  • the ruling in the vestibule 11 fuel pressure has dropped slightly at time T1 due to the fuel extraction against the system pressure P0.
  • the pressure in the blind hole 12 substantially corresponds to the pressure in the antechamber 11.
  • the pressure in the blind hole 12 drops from the time T2 at; where the pressure substantially still corresponds to the pressure in the antechamber 11, to the pressure 0 at time T2 'from, at which time the injection valve 9, 10 is completely closed, so the nozzle needle tip 9 in the nozzle needle seat 10 is applied.
  • FIG. 4 shows a corresponding diagram in which the pressure conditions prevailing in the fuel injector 5 are shown as a function of time, as in FIG occur the fuel injection method according to the invention or in the fuel injection system according to the invention.
  • the pressure prevailing in the blind hole 12 of the fuel injector 5 is shown again by the curve B, the curve A shows the pressure prevailing in the antechamber 11.
  • the closed at the injection valve 9, 10 in the antechamber 11 completely fully applied system pressure is designated P0.
  • the fuel pressure P2 at time T2 has such a lowered value that the pressure rising due to the back pressure when closing the injection valve 9, 10 at the end of the injection does not exceed a predetermined value.
  • the said defined reduction of the fuel pressure to a value such that the increasing due to the back pressure when closing the injector 9, 10 pressure does not exceed the prevailing at the beginning of the injection in the fuel injector 5 fuel pressure, in particular the system pressure P0 ,
  • the fuel storage volumes of the high-pressure reservoirs 3a, 3b and the flow resistance of the high-pressure line 2 leading to this from the common supply and storage line 1 are dimensioned taking into account the maximum injection quantity and duration the pressure drop shown in FIG. 4 results.
  • the pressure drop is caused by the fact that the fuel via the high-pressure line 2 can flow less quickly to the high-pressure accumulators 3a, 3b and the fuel injector 5, as he via the injection nozzle, see Figure 2, in the combustion chamber of the internal combustion engine is injected.
  • This limitation of the afterflow of the fuel can be carried out by a throttle point, which is provided in the leading from the common inlet and storage line 1 to the high-pressure accumulator 3a high-pressure line 2, or, which is preferable, by a dimensioning of the diameter D2 (inner diameter) of the common inlet and storage line 1 to the high-pressure accumulator 3a leading high-pressure line 2 and the length thereof.
  • Throttle point or line cross-section and the high-pressure storage volumes are of course tuned to the highest load case, namely when the internal combustion engine is running at full load. So that the required injection quantity can be injected in the available time, then the rail pressure (system pressure) is to be selected highest.
  • the fuel pressure in the inlet and storage line 1 is lowered. Due to the limited fuel overrun, however, a drop in the pressure in the antechamber 11 according to curve A according to FIG. 4 can also be observed at partial load.
  • the high-pressure accumulator 3b which is located closer to the injector and is preferably integrated in the injector, is preferably designed with a smaller volume than the further upstream high-pressure accumulator 3a.
  • the smaller second high-pressure accumulator 3b is mainly due to the short distance to the Düsenlöchern'a damper function. Due to the short connection can be effected by fast flow of fuel from the high-pressure accumulator 3b in front of the nozzle holes 13, a rapid pressure equalization, which reduces the amplitude of the surf pressure.
  • the lines 4a and 4b are formed with a large cross-section to ensure an unimpeded fuel Nachhne.
  • the quantity-limiting valves 14a, 14b serve primarily to prevent the flow of fuel and continuous injection in the case of needle clamps. In addition, they also have a damping function, which is caused by the displaceable piston and the flow channels formed in the valve. The quantity limiting valves have a favorable effect on the decay behavior of the pressure oscillation at the end of injection.
  • the flow control valves are preferably downstream of the output of at least the larger high-pressure accumulator 3a to install.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennräume einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
  • Bei Brennkraftmaschinen, insbesondere bei Dieselmotoren hat zunehmend eine Art von Kraftstoffeinspritzung Verwendung gefunden, bei welcher eine gemeinsame Zulauf- und Speicherleitung (Common Rail) mittels einer Hochdruckpumpe unter hohem Druck mit Kraftstoff beaufschlagt und von dieser der unter hohem Druck stehende Kraftstoff über jeweilige Hochdruckleitungen einer Anzahl von jeweils ein Einspritzventil umfassenden Kraftstoffinjektoren zugeführt wird. Beginn und Ende der Einspritzung des Kraftstoffs in die Brennräume der Brennkraftmaschine werden durch Öffnen und Schließen der in den Kraftstoffinjektoren vorgesehenen Einspritzventile gesteuert. Zusätzlich können jeweils in den zu den Kraftstoffinjektoren führenden Hochdruckleitungen ein bestimmtes Kraftstoffspeichenrolumen aufweisende Hochdruckspeicher vorgesehen sein. Eine solche Art der Kraftstoffeinspritzung ist beispielsweise aus der DE 197 12 135 C1 bekannt.
  • Aus der EP 0 780 569 A1 geht ein Einspritzsystem als bekannt hervor, das einen Hochdruckspeicher und damit verbundene, zu den Einspritzventilen führende Leitungen aufweist. Zur Dämpfung von Druckpulsationen sind die Leitungen über Drosseleinrichtungen am Hochdruckspeicher angeschlossen. Da die Leitungen stromab der Drosseleinrichtungen im Vergleich zum Druckspeicher kleinvolumig sind, ist, um eine kontinuierliche Einspritzung aufrechtzuerhalten, die über die Drosseleinrichtungen während einer Einspritzung aus dem Druckspeicher nachströmende Kraftstoffmenge pro Zeiteinheit gleich groß wie die eingespritzte Kraftstoffmenge pro Zeiteinheit. Deshalb ist der Systemdruck im Injektor zu Beginn und am Ende einer Einspritzung gleich groB. Durch beim Schließen des Einspritzventils auf Grund des Staudrucks erzeugten Druckpulsationen kommt es zu Drucküberhöhungen am Ende der Einspritzung.
  • Die sich zunehmend verschärfenden Forderungen hinsichtlich einer Begrenzung der Schadstoffemissionen von Brennkraftmaschinen machen tendenziell immer höhere Einspritzdrücke erforderlich. Der in einem Kraftstoffeinspritzsystem der genannten Art im Hinblick auf die Materialbelastung maximal zulässige Druck ist durch die im System auftretenden Spitzendrücke gegeben. Die höchsten Druckspitzen treten im Kraftstoffinjektor am Ende der Einspritzung auf. Ursache hierfür ist der sogenannte Stau- oder Brandungsdruck, der beim Schließen des Einspritzventils auftritt und um bis zu 400 bar über dem Systemdruck liegen kann. Dies bedeutet, dass herkömmlicherweise der Systemdruck des Kraftstoffeinspritzsystems um bis zu den besagten 400 bar niedriger ausgelegt werden muss als der in Hinblick auf die Materialbelastung maximal vertretbare Spitzendruck.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es ein verbessertes Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennräume einer Brennkraftmaschine, sowie ein verbessertes Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine zu schaffen.
  • Die Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 angegebene Kraftstoffeinspritzverfahren bzw. durch das im Anspruch 8 angegebene Kraftstoffeinspritzsystem gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Durch die Erfindung wird ein Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennräume einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, mittels eines eine Anzahl von jeweils ein Einspritzventil umfassenden Kraftstoffinjektoren und eine die einzelnen Kraftstoffinjektoren über jeweilige Hochdruckleitungen mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff versorgende und ihrerseits über eine Hochdruckpumpe unter hohem Druck mit Kraftstoff beaufschlagte gemeinsame Zulauf- und Speicherleitung enthaltenden Kraftstoffeinspritzsystems geschaffen, bei dem Beginn und Ende der Einspritzung des Kraftstoffs in die Brennräume durch Öffnen und Schließen der Einspritzventile der Kraftstoffinjektoren gesteuert wird. In jeder der zu den Kraftstoffinjektoren führenden Leitungen sind ein oder mehrere Hochdruckspeicher vorgesehen. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass während der Einspritzung eine definierte Absenkung des im Kraftstoffinjektor herrschenden Kraftstoffdrucks von einem anfänglichen Druck p1 auf einen Druck p2 zum Zeitpunkt T2, wenn das Schließen des Einspritzventits beginnt, durch Beschränkung des Nachströmens von Kraftstoff während der Einspritzung erfolgt, so dass der aufgrund des Staudrucks beim Schließen des Einspritzventils am Ende der Einspritzung im Kraftstoffinjektor ansteigende Druck einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet. Die definierte Absenkung des im Kraftstoffinjektor herrschenden Drucks erfolgt durch Begrenzung des Nachströmens in den von der gemeinsamen Zulauf- und Speicherleitung zu den Hochdruckspeichem führenden Hochdruckleitungen.
  • Vorzugsweise erfolgt die definierte Absenkung des Kraftstoffdrucks im Kraftstoffinjektor auf einen solchen Wert, dass der aufgrund des Staudrucks beim Schließen des Einspritzventils am Ende der Einspritzung im Kraftstoffinjektor ansteigende Druck den zu Beginn der Einspritzung im Kraftstoffinjektor herrschenden Kraftstoffdruck, insbesondere den Systemdruck P0 nicht überschreitet.
  • Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass die Zuführung des Kraftstoffs von der gemeinsamen Zulauf- und Speicherleitung zu den Kraftstoffinjektoren über zwei in den zu den Kraftstoffinjektoren führenden Hochdruckleitungen vorgesehene, ein bestimmtes Kraftstoffspeichervolumen aufweisende Hochdruckspeicher erfolgt.
  • Bei Verwendung von zwei Hochdruckspeichern ist der näher zum Injektor liegende Hochdruckspeicher vorzugsweise mit einem kleineren Volumen ausgebildet, als der weiter stromaufwärts liegende. Zumindest einem Hochdruckspeicher, vorzugsweise dem größeren ist ein Mengenbegrenzungsventil zugeordnet, das vorzugsweise stromabwärts des jeweiligen Hochdruckspeichers liegt.
  • Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäBen Verfahrens erfolgt die Begrenzung des Nachströmens des Kraftstoffs durch in den von der gemeinsamen Zulauf- und Speicherleitung zu den Hochdruckspeichern führenden Hochdruckleitungen vorgesehene Drosselstellen.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform erfolgt die Begrenzung des Nachströmens des Kraftstoffs durch die Bemessung des Durchmessers D2 der von der gemeinsamen Zulauf- und Speicherleitung zu den Hochdruckspeichern führenden Hochdruckleitungen.
  • Ein Vorteil des efindungsgemäBen Einspritzverfahrens ist es, dass bei Einspritzbeginn mit einem hohen Einspritzdruck gearbeitet werden kann, ohne dass es zu einer unzulässigen Materialüberlastung im Kraftstoffinjektor kommt.
  • Weiterhin wird durch die Erfindung ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Dieselmotor geschaffen, das eine Anzahl von jeweils ein Einspritzventil umfassenden Kraftstoffinjektoren und eine die einzelnen Kraftstoffinjektoren mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff versorgende und ihrerseits über eine Hochdruckpumpe unter hohem Druck mit Kraftstoff beaufschlagte gemeinsame Zulauf- und Speicherleitung, sowie jeweils ein oder mehrere, insbesondere zwei, in den zu den Kraftstoffinjektoren führenden Hochdruckleitungen vorgesehene, ein bestimmtes Kraftstoffspeichervolumen aufweisende Hochdruckspeicher enthält, wobei Beginn und Ende der Einspritzung des Kraftstoffs in die Brennräume durch Öffnen und Schließen der Einspritzventile der Kraftstoffinjektoren gesteuert wird. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass das Kraftstoffspeichervolumen der Hochdruckspeicher und der Strömungswiderstand der von der gemeinsamen Zulauf- und Speicherleitung zu den einzelnen Hochdruckspeichern führenden Hochdruckleitungen unter Berücksichtigung der maximalen Einspritzmenge und -dauer so bemessen sind, dass während der Einspritzung, dadurch dass weniger Kraftstoff in die Hochdruckspeicher nachströmt als eingespritzt wird, eine Absenkung des im Kraftstoffinjektors herrschenden Kraftstoffdrucks erfolgt von einem anfänglichen, zum Systemdruck geringfügig niedrigeren Druck p1 auf einen Kraftstoffdruck p2 zum Zeitpunkt T2, wenn das Schließen des Einspritzventils beginnt, so dass der auf Grund des Staudrucks beim Schließen des Einspritzventils am Ende der Einspritzung im Kraftstoffinjektor ansteigende Druck einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet.
  • Vorzugsweise sind das Kraftstoffspeichervolumen der Hochdruckspeicher und der Strömungswiderstand der zu den Hochdruckspeichernführenden Hochdruckleitungen so bemessen, dass der aufgrund des Staudrucks beim Schließen des Einspritzventils am Ende der Einspritzung im Kraftstoffinjektor ansteigende Druck den zu Beginn der Einspritzung im Kraftstoffinjektor herrschenden Kraftstoffdruck, insbesondere den Systemdruck P0 nicht überschreitet
  • Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems ist es vorgesehen, dass der Strömungswiderstand der von der gemeinsamen Zulauf- und Speicherleitung zu den Hochdruckspeichern führenden Hochdruckleitungen durch Drosselstellen bestimmt ist
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Strömungswiderstand der von der gemeinsamen Zulauf- und Speicherleitung zu den Hochdruckspeichern führenden Hochdruckleitungen durch deren Durchmesser D2 bestimmt ist.
  • Wie bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzverfahren ist es auch bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystem ein wesentlicher Vorteil, dass am Einspritzbeginn mit hohen Drücken gearbeitet werden kann, ohne dass es zu unzulässigen Materialüberlastungen in den Kraftstoffinjektoren kommt.
  • Bei einer Kraftstoffeinspritzung ohne die erfindungsgemäße Absenkung des im Kraftstoffinjektor herrschenden Kraftstoffdrucks zum Ende der Einspritzung müssten, wenn gleich hohe Anfangsdrücke erreicht werden sollen, die Kraftstoffinjektoren auf die wesentlich höheren Drücke ausgelegt werden, die aufgrund der beim Schließen des Einspritzventils auftretenden Stau- oder Brandungsdrücke entstehen.
  • Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1 ein schematisiertes Blockschaltbild eines Teils eines Kraftstoffeinspritzsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
    • Figur 2 eine schematisierte Querschnittsansicht, die den das Einspritzventil umfassenden Teil eines Kraftstoffinjektors zeigt;
    • Figur 3 ein Diagramm, welches die im Kraftstoffinjektor während eines Einspritzvorgangs herrschenden Druckverhältnisse für eine herkömmliche Kraftstoffeinspritzung darstellt; und
    • Figur 4 ein Diagramm, welches die im Kraftstoffinjektor während des Einspritzvorgangs herrschenden Druckverhältnisse gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
  • Bei dem in Figur 1 dargestellten Teil eines Kraftstoffeinspritzsystems bedeutet das Bezugszeichen 5 einen von typischerweise mehreren Kraftstoffinjektoren zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennräume einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors. Die Kraftstoffinjektoren 5 werden mittels einer in Figur 1 nicht dargestellten Steuereinheit so gesteuert, dass eine optimal auf Drehzahl und Belastungszustand der Brennkraftmaschine abgestimmte Kraftstoffmenge eingespritzt wird. Von einem ebenfalls in Figur 1 nicht dargestellten Kraftstoffvorrat wird mittels einer oder mehrerer Hochdruckpumpen 6 der Kraftstoff unter hohem Druck zunächst einer gemeinsamen Zulauf- und Speicherleitung 1 zugeführt, von welcher zur Versorgung der einzelnen Kraftstoffinjektoren 5 dienende Hochdruckleitungen 2, 4a, 4b abzweigen.
  • In den zu den Kraftstoffinjektoren 5 führenden Hochdruckleitungen 2, 4a, 4b sind ein oder mehrere Hochdruckspeicher 3a, 3b vorgesehen. Der von der gemeinsamen Zulauf- und Speicherleitung 1 zu dem Hochdruckspeicher 3a führende Teil der Hochdruckleitung ist mit dem Bezugszeichen 2 gekennzeichnet, wogegen die von den Hochdruckspeichern 3a, 3b zu dem Kraftstoffinjektor 5 führenden Abschnitte der Hochdruckleitung die Bezugszeichen 4a und 4b tragen. Den Hochdruckspeichern 3a und 3b sind Mengenbegrenzungsventile 14a und 14b zugeordnet, die vorzugsweise stromabwärts von den Hochdruckspeichern 3a, 3b liegen, aber auch stromaufwärts liegen können.
  • Die Hochdruckspeicher 3a, 3b wirken als ölelastische Speicher, in deren Kraftstoffspeichervolumen unter dem von der gemeinsamen Zulauf- und Speicherleitung 6 gelieferten Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff zur Zuführung zu den Kraftstoffinjektoren 5 vorgehalten wird.
  • Auch die gemeinsame Zulauf- und Speicherleitung 1 hat typischerweise die Funktion eines ölelastischen Speichers, in welchem der unter dem von der Hochdruckpumpe 6 gelieferten Hochdruck beaufschlagte Kraftstoff zur weiteren Verteilung auf die Hochdruckspeicher 3a, 3b über die Hochdruckleitungen 2, 4a, 4b vorgehalten wird.
  • Die in Figur 2 dargestellte Querschnittsansicht zeigt einen Teil des Injektorgehäuses 7 des Kraftstoffinjektors 5, welcher in den Brennraum der Brennkraftmaschine ragt und eine Einspritzdüse 13 enthält, über welche der Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird. In diesem Teil des Injektorgehäuses 7 ist ein Einspritzventil ausgebildet, welches durch die Spitze 9 einer in dem Kraftstoffinjektor 5 in bekannter Weise längsverschieblich gelagerten Düsennadel 8 und einen mit der Düsennadelspitze 9 zusammenwirkenden Düsennadelsitz 10 gebildet ist. Beim Öffnen des Einspritzventils 9, 10 wird in einem Vorraum 11 befindlicher, unter hohem Druck über die Hochdruckleitung 4a, 4b in den Kraftstoffinjektor 5 gelieferter Kraftstoff zur Einspritzung über die Einspritzdüse 13 freigegeben. Der Düsennadelspitze 9 vorgelagert befindet sich ein Sackloch 12, von welchem die Einspritzdüse 13 abzweigt.
  • Das Öffnen und Schließen des Einspritzventils 9, 10 und damit des Beginns und des Endes der Einspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum der Brennkraftmaschine wird durch die oben genannte Steuereinheit gesteuert.
  • Das in Figur 3 dargestellte Diagramm zeigt die gegen die Zeit aufgetragenen Druckverhältnisse bei einer herkömmlichen Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine. Die mit A bezeichnete Kurve zeigt den in dem Vorraum 11 vor dem Einspritzventil 9, 10 herrschenden Kraftstoffdruck, der bei geschlossenem Einspritzventil dem Systemdruck P0 gleich ist; die mit B bezeichnete Kurve zeigt den Druck im Sackloch 12 während des Einspritzvorgangs. Der Beginn des Einspritzvorgangs, bei dem das Einspritzventil 9, 10 zu öffnen beginnt, ist mit T1' bezeichnet, das Ende des Einspritzvorgangs, bei dem das Einspritzventil 9, 10 zu schließen beginnt, ist mit T2 bezeichnet. Wie die Kurve B zeigt, steigt bei Beginn der Einspritzung der Druck im Sackloch 12 relativ schnell vom Druck 0 zum Zeitpunkt T1' auf den Druck P1 zum Zeitpunkt T1 an, der dem im Vorraum 11 herrschenden Systemdruck fast gleich ist. Der im Vorraum 11 herrschende Kraftstoffdruck ist zum Zeitpunkt T1 aufgrund der Kraftstoffentnahme geringfügig gegen den Systemdruck P0 abgesunken. Während der Zeitspanne von T1 bis T2, also während das Einspritzventil 9, 10 geöffnet ist, entspricht der Druck im Sackloch 12 im wesentlichen dem Druck im Vorraum 11. Während des Schließens des Einspritzventils 9, 10, fällt der Druck im Sackloch 12 vom Zeitpunkt T2 an; wo der Druck im wesentlichen noch dem Druck im Vorraum 11 entspricht, auf den Druck 0 zum Zeitpunkt T2' ab, wobei zu diesem Zeitpunkt das Einspritzventil 9, 10 vollständig geschlossen ist, also die Düsennadelspitze 9 im Düsennadelsitz 10 anliegt.
  • Aufgrund des beim Schließen des Einspritzventils 9, 10 auftretenden Stau- oder Brandungsdrucks erfolgt im Vorraum 11 eine rapide Druckerhöhung, die um bis zu 400 bar über dem Systemdruck liegen kann. Wie die Kurve A in Figur 3 zeigt, klingt diese Druckspitze unter mehreren Schwingungen bis zum Zeitpunkt T3 wieder ab. Wie bereits eingangs erläutert, stellen diese beim Schließen des Einspritzventils 9, 10 auftretenden Druckspitzen eine wesentliche Beanspruchung für den Kraftstoffinjektor 5 dar.
  • Figur 4 zeigt ein entsprechendes Diagramm, in welchem die im Kraftstoffinjektor 5 herrschenden Druckverhältnisse in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt sind, wie sie bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzverfahren bzw. bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystem auftreten. In Figur 4 ist der im Sackloch 12 des Kraftstoffinjektors 5 herrschende Druck wieder durch die Kurve B gezeigt, die Kurve A zeigt dem im Vorraum 11 herrschenden Druck. Der bei geschlossenem Einspritzventil 9, 10 im Vorraum 11 praktisch vollständig anliegende Systemdruck ist mit P0 bezeichnet. Beim Öffnen des Einspritzventils 9, 10 also beim Lösen der Düsennadelspitze 9 aus dem Düsennadelsitz 10 zum Zeitpunkt T1' beginnt ein schneller Anstieg des im Sackloch 12 des Kraftstoffinjektors 5 herrschenden Kraftstoffdrucks bis dieser zum Zeitpunkt T1 praktisch den im Vorraum 11 herrschenden Kraftstoffdruck erreicht. Letzterer ist zum Zeitpunkt T1 aufgrund der Kraftstoffentnahme geringfügig gegen den Systemdruck P0 abgesunken.
  • Gemäß der Erfindung erfolgt während der Einspritzung eine definierte Absenkung des im Vorraum 11 des Kraftstoffinjektors 5 herrschenden Kraftstoffdrucks vom anfänglichen Druck P1 zum Zeitpunkt T1 auf den Kraftstoffdruck P2 zum Zeitpunkt T2, wenn das Schließen des Einspritzventils 9, 10 beginnt. Der Kraftstoffdruck P2 zum Zeitpunkt T2 hat einen solchen abgesenkten Wert, dass der aufgrund des Staudrucks beim Schließen des Einspritzventils 9, 10 am Ende der Einspritzung ansteigende Druck einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet. Bei dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die besagte definierte Absenkung des Kraftstoffdrucks auf einen solchen Wert, dass der aufgrund des Staudrucks beim Schließen des Einspritzventils 9, 10 ansteigende Druck den zu Beginn der Einspritzung im Kraftstoffinjektor 5 herrschenden Kraftstoffdruck, insbesondere den Systemdruck P0 nicht überschreitet.
  • Wiederum zurückkehrend zu dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems, sind die Kraftstoffspeichervolumina der Hochdruckspeicher 3a, 3b und der Strömungswiderstand der von der gemeinsamen Zulauf- und Speicherleitung 1 zu diesem führenden Hochdruckleitung 2 unter Berücksichtigung der maximalen Einspritzmenge und -dauer so bemessen, dass sich der in Figur 4 dargestellte Druckabfall ergibt. Im einzelnen wird der Druckabfall dadurch bewirkt, dass der Kraftstoff über die Hochdruckleitung 2 weniger schnell zu den Hochdruckspeichern 3a, 3b und zum Kraftstoffinjektor 5 nachströmen kann, als er über die Einspritzdüse, vergleiche Figur 2, in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Diese Begrenzung des Nachströmens des Kraftstoffs kann durch eine Drosselstelle erfolgen, die in der von der gemeinsamen Zulauf- und Speicherleitung 1 zu dem Hochdruckspeicher 3a führenden Hochdruckleitung 2 vorgesehen ist, oder, was vorzuziehen ist, durch eine Bemessung des Durchmessers D2 (Innendurchmesser) der von der gemeinsamen Zulauf- und Speicherleitung 1 zu dem Hochdruckspeicher 3a führenden Hochdruckleitung 2 und deren Länge. Drosselstelle bzw. Leitungsquerschnitt und die Hochdruckspeichervolumina sind natürlich auf den höchsten Beanspruchungsfall abgestimmt, nämlich wenn die Brennkraftmaschine mit Volllast läuft. Damit in der zur Verfügung stehenden Zeit die benötigte Einspritzmenge eingespritzt werden kann, ist dann der Raildruck (Systemdruck) am höchsten zu wählen. Bei Teillast wird der Kraftstoffdruck in der Zulauf- und Speicherleitung 1 erniedrigt. Aufgrund des beschränkten Kraftstoffnachlaufs ist aber auch bei Teillast ein Absinken des Drucks im Vorraum 11 gemäß Kurve A nach Figur 4 zu beobachten.
  • Anstelle von zwei in Figur 1 dargestellten Hochdruckspeichern 3a, 3b kann auch nur ein Hochdruckspeicher verwendet werden. Bei Verwendung von zwei Hochdruckspeichern wird vorzugsweise der näher am Injektor liegende, möglichst im Injektor integrierte Hochdruckspeicher 3b aus Platzgründen mit einem kleineren Volumen als der weiter entfernt stromaufwärts liegende Hochdruckspeicher 3a ausgebildet sein.
  • Dem kleineren zweiten Hochdruckspeicher 3b kommt aufgrund der kurzen Entfernung zu den Düsenlöchern'hauptsächlich eine Dämpfungsfunktion zu. Aufgrund der kurzen Verbindung kann durch schnellen Nachfluss von Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher 3b vor die Düsenlöcher 13 ein schneller Druckausgleich bewirkt werden, was die Amplitude des Brandungsdrucks vermindert. Die Leitungen 4a und 4b sind mit einem großen Querschnitt ausgebildet, um einen ungehinderten Kraftstoffnachfluss zu gewährleisten.
  • Die Mengenbegrenzungsventile 14a, 14b dienen in erster Linie dazu, bei Nadelklemmen das Nachströmen von Kraftstoff und Dauereinspritzung zu verhindern. Außerdem kommt ihnen aber auch eine Dämpfungsfunktion zu, die durch den verschiebbaren Kolben und die im Ventil gebildeten Strömungskanäle bewirkt wird. Die Mengenbegrenzungsventile wirken sich günstig auf das Abklingverhalten der Druckschwingung am Einspritzende aus. Für eine optimale Funktion sind die Mengenbegrenzungsventile vorzugsweise stromabwärts am Ausgang zumindest des größeren Hochdruckspeichers 3a anzubringen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    gemeinsame Zulauf- und Speicherleitung
    2
    Hochdruckleitung
    3a, 3b
    Hochdruckspeicher
    4a, 4b
    Hochdruckleitung
    5
    Kraftstoffinjektor
    6
    Hochdruckpumpe
    7
    Injektorgehäuse
    8
    Düsennadel
    9
    Düsennadelspitze
    10
    Düsennadelsitz
    11
    Vorraum
    12
    Sackloch
    13
    Einspritzdüse
    14a, 14b
    Mengenbegrenzungsventil

Claims (13)

  1. Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennräume einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, mittels eines eine Anzahl von jeweils ein Einspritzventil (9, 10) umfassenden Kraftstoffinjektoren (5) und eine die einzelnen Kraftstoffinjektoren (5) über jeweilige Hochdruckleitungen (2, 4a, 4b) mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff versorgende und ihrerseits über eine Hochdruckpumpe (6) unter hohem Druck mit Kraftstoff beaufschlagte gemeinsame Zulauf- und Speicherleitung (1) enthaltenden Kraftstoffeinspritzsystems, wobei die Zuführung des Kraftstoffs von der Speicherleitung (1) über einen oder mehrere, in jeder der zu den Kraftstoffinjektoren (5) führenden Hochdruckleitungen (2, 4a, 4b) vorgesehene Hochdruckspeicher (3a, 3b) erfolgt, und wobei Beginn und Ende der Einspritzung des Kraftstoffs in die Brennräume durch Öffnen und Schließen der Einspritzventile (9, 10) der Kraftstoffinjektoren (5) gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass während der Einspritzung durch Beschränkung des Nachströmens des Kraftstoffs derart, dass weniger Kraftstoff zu den Hochdruckspeichern (3a, 3b) nachströmt, als eingespritzt wird, eine definierte Absenkung des im Kraftstoffinjektor (5) herrschenden Kraftstoffdrucks erfolgt von einem anfänglichen, geringfügig zum Systemdruck niedrigeren Druck p1 auf einen Druck p2 zum Zeitpunkt T2, wenn das Schließen des Einspritzventils (9, 10) beginnt, so dass der aufgrund des Staudrucks beim Schließen des Einspritzventils (9, 10) am Ende der Einspritzung im Kraftstoffinjektor (5) ansteigende Druck einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet, wobei die definierte Absenkung des im Kraftstoffinjektor (5) herrschenden Kraftstoffdrucks durch Begrenzung des Nachströmens des Kraftstoffs in den von der gemeinsamen Zulauf- und Speicherleitung (1) zu den Hochdruckspeichern (3a, 3b) führenden Hochdruckleitungen (2) erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Absenkung des Kraftstoffdrucks im Kraftstoffinjektor (5) so erfolgt, dass der aufgrund des Staudrucks beim Schließen des Einspritzventils (9, 10) am Ende der Einspritzung im Kraftstoffinjektor (5) ansteigende Druck den zu Beginn der Einspritzung im Kraftstoffinjektor (5) herrschenden Kraftstoffdruck, insbesondere den Systemdruck P0 nicht überschreitet.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung des Kraftstoffs von der gemeinsamen Zulauf- und Speicherleitung (1) zu den Kraftstoffinjektoren (5) über zwei in jeder der zu den Kraftstoffinjektoren (5) führenden Hochdruckleitungen (2, 4a, 4b) vorgesehene, ein bestimmtes Kraftstoffspeichervolumen aufweisende Hochdruckspeicher (3a, 3b) erfolgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von zwei Hochdruckspeichern (3a, 3b) der näher zum Injektor liegende Hochdruckspeicher (3b) ein kleineres Volumen besitzt als der weiter stromaufwärts liegende Hochdruckspeicher (3a).
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einem Hochdruckspeicher (3a, 3b) ein Mengenbegrenzungsventil (14a, 14b) zugeordnet ist, das vorzugsweise jeweils stromabwärts des Hochdruckspeichers (3a, 3b) liegt.
  6. Verfahren nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzung des Nachströmens des Kraftstoffs durch in den von der gemeinsamen Zulauf- und Speicherleitung (1) zu den Hochdruckspeichern (3a, 3b) führenden Hochdruckleitungen (2) vorgesehene Drosselstellen erfolgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzung des Nachströmens des Kraftstoffs durch die Bemessung des Durchmessers D2 der von der gemeinsamen Zulauf- und Speicherleitung (1) zu den Hochdruckspeichern (3a, 3b) führenden Hochdruckleitungen (2) erfolgt.
  8. Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Dieselmotor, das eine Anzahl von jeweils ein Einspritzventil (9, 10) umfassenden Kraftstoffinjektoren (5) und eine die einzelnen Kraftstoffinjektoren (5) mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff versorgende und ihrerseits über eine Hochdruckpumpe (6) unter hohem Druck mit Kraftstoff beaufschlagte gemeinsame Zulauf- und Speicherleitung (1), sowie ein oder mehrere, insbesondere zwei, jeweils in den zu den Kraftstoffinjektoren (5) führenden Hochdruckleitungen (2, 4a, 4b) vorgesehene, ein bestimmtes Kraftstoffspeichervolumen aufweisende Hochdruckspeicher (3a, 3b) enthält, wobei Beginn und Ende der Einspritzung des Kraftstoffs in die Brennräume durch Öffnen und Schließen der Einspritzventile (9, 10) der Kraftstoffinjektoren (5) gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffspeichervolumen der Hochdruckspeicher (3a, 3b) und der Strömungswiderstand der von der gemeinsamen Zulauf- und Speicherleitung (1) zu den Hochdruckspeichern (3a, 3b) führenden Hochdruckleitungen (2) unter Berücksichtigung der maximalen Einspritzmenge und -dauer so bemessen sind, dass während der Einspritzung, dadurch, dass weniger Kraftstoff in die Hochdruckspeicher (3a, 3b) nachströmt, als eingespritzt wird, eine Absenkung des im Kraftstoffinjektor herrschenden Kraftstoffdrucks von einem anfänglichen, zum Systemdruck geringfügig niedrigeren Druck p1 auf einen Kraftstoffdruck p2 zum Zeitpunkt T2 erfolgt, wenn das Schließen des Einspritzventils (9, 10) beginnt, so dass der aufgrund des Staudrucks beim Schließen des Einspritzventils (9, 10) am Ende der Einspritzung im Kraftstoffinjektor (5) ansteigende Druck einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet.
  9. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffspeichervolumen der Hochdruckspeicher (3a, 3b) und der Strömungswiderstand der von der gemeinsamen Zulauf- und Speicherleitung (1) zu den Hochdruckspeichern (3a, 3b) führenden Hochdruckleitung (2) so bemessen sind, dass der auf Grund des Staudrucks beim Schließen des Einspritzventils (9, 10) am Ende der Einspritzung im Kraftstoffinjektor (5) ansteigende Druck den zu Beginn der Einspritzung im Kraftstoffinjektor (5) herrschenden Kraftstoffdruck, insbesondere den Systemdruck P0 nicht überschreitet.
  10. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Anordnung mit jeweils zwei Hochdruckspeichern (3a, 3b) der näher zum Injektor liegende Hochdruckspeicher (3b) ein kleineres Volumen besitzt, als der weiter stromaufwärts liegende Hochdruckspeicher (3a).
  11. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einem Hochdruckspeicher (3a, 3b) ein Mengenbegrenzungsventil (14a, 14b) zugeordnet ist, das vorzugsweise jeweils stromabwärts des Hochdruckspeichers (3a, 3b) liegt.
  12. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungswiderstand der von der gemeinsamen Zulauf- und Speicherleitung (1) zu den Hochdruckspeichern (3a, 3b) führenden Hochdruckleitungen (2) durch Drosselstellen bestimmt ist.
  13. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungswiderstand der von der gemeinsamen Zulauf- und Speicherleitung (1) zu den Hochdruckspeichern (3a, 3b) führenden Hochdruckleitungen (2) durch deren Durchmesser D2 bestimmt ist.
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