EP1377745B1 - Verfahren zum betreiben einer pumpe-düse-einheit sowie pumpe-düse-einheit - Google Patents

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EP1377745B1
EP1377745B1 EP02727288A EP02727288A EP1377745B1 EP 1377745 B1 EP1377745 B1 EP 1377745B1 EP 02727288 A EP02727288 A EP 02727288A EP 02727288 A EP02727288 A EP 02727288A EP 1377745 B1 EP1377745 B1 EP 1377745B1
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EP
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pressure
valve
system pressure
valve element
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Robert Bosch GmbH
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    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/20—Closing valves mechanically, e.g. arrangements of springs or weights or permanent magnets; Damping of valve lift
    • F02M61/205—Means specially adapted for varying the spring tension or assisting the spring force to close the injection-valve, e.g. with damping of valve lift

Definitions

  • Pump-nozzle units comprise a valve element, which from a spring is pressed into its closed position.
  • One of a piston pump driven by a camshaft delivers one System pressure on a pressure surface of the valve element attacks and with which the valve element against the biasing force can be opened.
  • the spring that the valve element in presses its closed position supports itself on her other End on a movable switching element. Will that Moving the switching element towards the valve element increases the biasing force acting on the valve element and the direct related valve opening and closing pressure.
  • the system pressure is initially increased so that the Valve element opens against the spring force. Now it will Switching element moves and the preload increases. This happens so that the valve closing pressure increases faster increased than the system pressure acting.
  • the system pressure will "Overhauled” by the valve closing pressure, so to speak. Despite As the system pressure rises, the valve closes. In the The valve opening pressure remains in the end position of the switching element and the valve closing pressure constantly increased Level.
  • the system pressure is raised further until it is above again of the increased valve opening pressure. Now that opens Again, the valve element against the increased biasing force Main injection. This is ended by the System pressure to a level below the (increased) valve closing pressure is lowered. The switching element is in again moved back to its original position so that the valve opening pressure and the valve closing pressure on again normal level decrease.
  • valve opening pressure is in the known Process limited, otherwise the break between the Pre-injection and the main injection would be too long.
  • some use cases are very high Injection pressure desired. This is particularly the case if there is a post-injection after the main injection should be done. Too low pressure during post-injection can lead to undesirably high soot formation.
  • a fuel injection system is also known from EP 0 805 271 A1, whose pump nozzle injector one pre and one Main injection can inject. This will be done during the Pre-injection the closing pressure increased and the system pressure lowered, which ends the pilot injection. The control this process takes place, among other things, by means of a Overflow valve.
  • the object of the present invention is therefore a method of the type mentioned in such a way that with him post-injection with very high injection pressure possible is.
  • the Preload force only increases so quickly that the valve closing pressure is always below the system pressure. in the This contrasts with the known method excluded that the valve closing pressure the System pressure "outdated” and thereby despite increasing System pressure closes the valve element. So there is much of the period of main injection for the Increasing the preload and thus for increasing the Valve opening pressure available.
  • the preload can therefore be increased much more than is possible with the known methods. Closing the valve element between the The main injection and the post-injection become active causes the system pressure to be lowered. On "Hydraulic" closing as in the known method is not provided here.
  • step c) the system pressure to a value below an elevated Valve closing pressure is lowered, so that Valve element closes, and the biasing force on the Valve element is reduced, the due to lower preload, lower valve opening pressure is always above the system pressure, so that Valve element remains closed.
  • the valve element is already at a relatively high level System pressure closed. This has the advantage that while the overall post-injection is relatively high Injection pressure is present.
  • step c) the switching element in the direction of Biasing force is moved back to its original position.
  • step b) the Switching element is moved hydraulically. Then this is possible if there is a pressure surface on the switching element which is with a pressure, preferably the system pressure, can be applied. In this case for example, on an electrical control of the Switching element can be dispensed with, which security the implementation of the method according to the invention increased.
  • step b) Switching element by successively applying counter at least two pressure areas with the system pressure the application of the biasing element from its Starting position is moved out, the first Printing area always with the system pressure and the second Only then is pressure applied to the system surface is when the switching element is something out of its Has moved out of the starting position.
  • the method according to the invention is particularly preferred then when in addition to the main and post-injection a pre-injection can be carried out. hereby the consumption and emission behavior of the with the Internal combustion engine operated method according to the invention optimized again. It is proposed that before Step a) the system pressure to a value above the normal valve opening pressure is raised, so that Valve element against the action of the Preload element for a pre-injection at normal System pressure opens, and then the system pressure opens a value below the normal valve closing pressure is lowered so that the valve element closes.
  • the on pre-injection carried out in this way takes place at a relatively low system pressure and at one Switching element, which is in the starting position located.
  • valve element Another way to open the valve increase is to counter the valve element Apply pressure to the opening direction. This can in addition or as an alternative to the application of the Valve element done by the biasing element. For this it is also proposed that the valve element against the Opening direction acted upon with system pressure with a time delay becomes. The system pressure is in the area of the valve element anyway before and can therefore without expensive measures Increasing the valve opening pressure can be used.
  • the present invention also relates to a pump-nozzle unit for supplying fuel to a combustion chamber Internal combustion engine, with an injection nozzle for injection the fuel into the combustion chamber, with at least one Valve element, which has at least a first pressure surface has, the force resultant approximately in Opening direction of the valve element shows with a Preload element, which the valve element in the direction of Applied to the closed position, with a switching element on the the biasing element is supported and which along the Direction of action movable by the biasing element is, with a pump device, which one on the first Pressure area of the valve element builds up system pressure, and with a control device which assembles and disassembles the Controls system pressure.
  • Such a pump-nozzle unit is also known from document EP 805 271 A1. As already mentioned at the beginning, it will be used primarily for Motor vehicle diesel internal combustion engines used. To with of such a pump-nozzle unit is as fuel-efficient as possible Emission-optimized operation of the internal combustion engine To be able to implement, it is proposed according to the invention that the characteristic of the pretensioner and the sizes of the Pressure areas are coordinated so that the valve closing pressure while increasing the system pressure during a main injection always remains below the system pressure, so with such Pump-nozzle unit the procedure of the above type can be carried out.
  • the switching element be a first Has printing area and a second printing area
  • the first pressure area of the switching element is smaller than that first pressure surface on the valve element
  • the first Pressure area and the second pressure area of the switching element together are larger than the entire printing area of the Valve element, wherein the first pressure surface of the Switching element is always connected to the pump device, so that it is always pressurized with the system pressure, and the second pressure surface of the switching element only is then connected to the pump device when the Switching element somewhat from its starting position has moved out.
  • a pretensioning device is also particularly simple realize which includes a compression spring.
  • the Pump-nozzle unit according to the invention is between the Valve element and the switching element a pressure chamber available, which of a second printing surface of the Valve element is limited, the force resultant too the force resultant of the first pressure surface of the Valve element is oriented approximately opposite, and a flow channel is provided in the switching element which is from the pressure space to the second pressure area of the switching element leads.
  • valve element alternatively or in addition to the pretension e.g. by means of a compression spring acted upon by hydraulic pressure be, which also the valve opening pressure or Valve closing pressure can be increased.
  • the application takes place in that the pressure space between the Switching element and the valve element fluidly with that Pressure chamber is connected by the second printing area of the switching element is limited.
  • Loading of the Pressure space between the switching element and the valve element with hydraulic pressure only takes place when that Switching element somewhat from its starting position has moved out.
  • the flow channel is a Flow restrictor includes. This builds up the pressure in the Pressure space between valve element and switching element only gradually on. This in turn ensures that during the increase in system pressure from the valve closing pressure is not "caught up".
  • a simple realization for one Flow channel possibly with flow restrictor, consists of a through hole through the shank element. Furthermore, it is also possible to have a gap between the Switching element and a surrounding the switching element Provide housing. This can take the form of, for example Grinding on an area of the outer jacket of the Switching element take place. All of these trainings one Flow channels are easy to implement.
  • the Control device comprises a switching valve; which the Connect the pump device to a low pressure area can. This ensures that when the Pumping device delivers fuel to the valve element however, an increase in system pressure is not desired is the volume flow towards the low pressure area can be drained and therefore there is no system pressure builds.
  • a particularly fast switching of such Switching valve is reached when the switching valve as Actuator has at least one piezo element.
  • valve opening pressures can be achieved.
  • the increased valve opening pressure is more than twice that high than the normal valve opening pressure, further it is preferably 400 to 800 bar, still further preferably at 700 to 800 bar.
  • a 'first embodiment of a unit injector bears overall reference number 10 in FIG. 1 a pump device 12, a nozzle device 14 and a Control device 16.
  • the pump device 12 is a Single-cylinder piston pump 18, which is driven by a cam 20 is driven.
  • the cam 20 is in turn with the Crankshaft of an internal combustion engine (not shown) coupled.
  • the pumping device conveys each delivery stroke 12 fuel from a line, not shown a reservoir 64 via a fuel line 22 to Nozzle device 14.
  • the nozzle device 14 comprises a housing 24 in which one Stepped bore 26 is formed.
  • a valve element 28 In the stepped bore 26 is a valve element 28 with a circular cylindrical cross section guided.
  • the valve element 28 is along its longitudinal axis 29 movable.
  • At the lower end of the housing 24 is one Injection opening 30 is present.
  • the valve element 28 will by a compression spring 32 against a valve seat (not visible) pressed in the area of the injection opening 30.
  • the Valve element 28 has a circumferential oblique first Printing area 34, which of an annular pressure chamber 36 is surrounded.
  • the pressure chamber 36 is in turn with the Fuel line 22 connected.
  • the end of the compression spring remote from the valve element 28 32 is supported on a circular cylindrical switching element 38 from.
  • the switching element 38 has one of the compression springs 32 facing section 40 with a constant diameter and a section 42 facing away from the compression spring 32, which is conical in the manner of a truncated cone rejuvenated.
  • the blunt tip of the conical section 42 forms a first pressure surface 44 of the switching element 38, whereas the sloping surface of the conical Section 42 of the switching element 38 a second pressure surface 46 forms.
  • the switching element 38 can be located in the stepped bore 26 along the longitudinal axis 29 between that in FIG. 1 shown starting position and one by a radial inwardly facing ring web 54 limited switching position move. In this switching position, the sealing edge 48 lies no longer on the oblique pressure surface 46 of the Switching element 38 on, so that the two pressure chambers 50 and 51 are connected.
  • a branch line 56 branches off from the fuel line 22 which leads to the control device 16.
  • the Control device 16 comprises a piezo actuator 58 actuable switching valve 60, which on the output side a low pressure line 62 with the fuel tank 64 connected is.
  • the piezo actuator 58 of the control device 16 is from a control and not shown in the figure Control device controlled. In a not shown Embodiment is used instead of a piezo actuator Magnetic actuator used.
  • the pump-nozzle unit 10 shown in Fig. 1 becomes Injection of fuel into the combustion chamber Internal combustion engine used. There is for every combustion chamber (that is, for each cylinder) of the internal combustion engine own pump-nozzle unit 10 is provided. The fuel can by a "triple injection" in the Coming to the combustion chamber of the internal combustion engine. The procedure after such a triple injection takes place, is now explained with reference to FIGS. 2-5:
  • the cam 20 of the pump device 12 is so with the Crankshaft of the internal combustion engine synchronizes that Single-cylinder piston pump during an injection stroke of the always assigned a delivery stroke to its assigned cylinder performs.
  • Switch valve 60 initially at the beginning of an injection cycle closed (rising edge 66 in Fig. 2). This leads to, 3, an increase in the System pressure in the fuel line 22 and in the sequence also in the pressure chamber 36 (rising edge 68 in FIG. 3).
  • the spring force of the compression spring 32 will Valve element 28 with a certain force against the corresponding valve seat in the area of the injection opening 30 pressed. This will result in a normal valve opening force specified.
  • the increasing pressure in the pressure chamber 36 now acts on the Pressure surface 34 on the valve element 28. Exceeds this resulting force the pressure exerted by the compression spring 32 Closing force becomes the normal valve opening pressure of the valve element 28 is exceeded, the valve element lifts 28 from the valve seat in the region of the injection opening 30 opens.
  • the normal valve opening pressure is in Fig. 3 represented by a dash-dotted curve and is with POVN marked.
  • the opening of the valve element 28 is 5 recognizable on the rising edge 70. By this opening of the valve element 28 becomes a Pre-injection performed.
  • Switch valve 60 opens again (falling edge 72 in FIG. 2). This causes the system pressure in the Fuel line 22, since this is now for Fuel tank 64 is open. This is through the falling edge 74 shown in FIG. 3. Corresponding closes the valve element 28 (falling edge 76 in FIG. 5) as soon as the system pressure P in FIG. 3 is below a normal valve closing pressure PSVN has dropped.
  • the Valve closing pressure PSVN is double in Fig. 3 by one dash-dotted line shown.
  • the switching valve 60 is closed again (increasing Edge 78 in Fig. 2).
  • the system pressure P increases accordingly (Edge 80 in Fig. 3).
  • the valve opening pressure POVN is exceeded, the valve element 28 opens (Rising edge 82 in Fig. 5).
  • the system pressure P exceeds an opening switching pressure POS of the switching element 38.
  • This pressure POS corresponds to the pressure at which the switching element 38 begins to separate from the sealing edge 48. This is again the case when the pressure surface 44 outgoing force the biasing force of the compression spring 32nd exceeds.
  • the second pressing surface 46 With the system pressure P. This will causes the switching element 38 to oppose the Acted upon by the compression spring 32 moved down, until it rests on the ring web 54 (flank 83 in FIG. 4).
  • the starting position is designated by S0, whereas the switch position, in which the Switching element 38 rests on the ring web 54, designated S1 is.
  • the characteristic of the spring 32 and the sizes of the Printing areas 34 and 44 are coordinated so that the valve closing pressure PSV during this increase in System pressure P is always below the system pressure P.
  • the main injection is ended by the fact that the Switch valve 60 is opened again, analogously to the end of Pilot injection.
  • the corresponding falling edges in 2, 3 and 5 bear the reference numerals 88, '90 and 92.
  • the closing of the valve element 28 is brought about by that the system pressure P in Fig. 3 is below the increased valve closing pressure PSVH drops.
  • the drop in system pressure P is limited so that a switching pressure PSS, in which the switching element 38 again in its Starting position S0 returns, is not fallen below.
  • a post-injection is again by closing the Switching valve 60 initiated.
  • the corresponding edges in 2, 3 and 5 bear the reference numerals 94, 96 and 98.
  • the system pressure P again exceeds the increased pressure Valve opening pressure POVH, so that the valve element 28 opens again.
  • the post-injection takes place accordingly high injection pressure.
  • Usual values for a normal one Valve opening pressure is approximately 300 bar, whereas the injection pressure during post-injection due to the increased valve opening pressure POVH is about 500 to 600 bar.
  • Fig. 1st illustrated embodiment of a pump-nozzle unit 10 relate to the design of the switching element 38 the embodiment shown in Fig. 1 was the between the valve element 28 and the switching element 38 formed area of the stepped bore 26 is not under pressure set. In this case, the valve element 28 thus acts only the preload force, which is caused by the compression spring 32 is applied.
  • the switching element 38 lifts from the sealing edge 48, so that the second pressure chamber 51 and the first pressure chamber 50 with the fuel line 22 is connected and thus the two pressure surfaces 44 and 46 with the system pressure P.
  • the Flow channel 110 now also flows into the fuel between the switching element 38 and the valve element 28 formed pressure chamber 108, so that this also a corresponding pressure builds up to the system pressure P.
  • This pressure also acts on that of the compression spring 32 facing printing area (not visible in FIGS. 6 - 8) of the valve element 28, so that this in addition to Biasing force of the compression spring 32 with a corresponding Pressure force is applied.
  • valve opening pressure POV again raised so that in these embodiments particularly high injection pressure of up to 800 bar can be realized.
  • pressure chamber 108 also system pressure could be a hazard exist that act on the switching element 38 hydraulic force resultant becomes smaller than that of the compression spring 32 force exerted on the switching element 38. In this case, the switching element 38 would be in again to move back to its original position.
  • This second Flow channel connects the pressure chamber 108 with the Low pressure area, for example the fuel tank.

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Betreiben einer Pumpe-Düse-Einheit, mit dem Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine dadurch eingespritzt wird, dass ein Ventilelement durch eine Erhöhung eines Systemdrucks gegen eine Vorspannkraft geöffnet wird, wobei das Verfahren nacheinander folgende Schritte umfasst:
  • a) Anheben des Systemdrucks auf einen Wert oberhalb eines normalen Ventilöffnungsdrucks, so dass das Ventilelement gegen die Vorspannkraft zu einer Haupteinspritzung öffnet,
  • b) Erhöhen der Vorspannkraft während des Anhebens des Systemdrucks,
  • c) Absenken des Systemdrucks und Absenken der Vorspannkraft, so dass das Ventilelement schließt.
    • Ein solches Verfahren ist vom Markt her bekannt. Es wird beispielsweise bei Pumpe-Düse-Einheiten von Diesel-Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Derartige Pumpe-Düse-Einheiten umfassen ein Ventilelement, welches von einer Feder in seine Schließstellung gedrückt wird. Eine von einer Nockenwelle angetriebene Kolbenpumpe liefert einen Systemdruck, der an einer Druckfläche des Ventilelements angreift und mit dem das Ventilelement gegen die Vorspannkraft geöffnet werden kann. Die Feder, die das Ventilelement in seine Schließstellung drückt, stützt sich an ihrem anderen Ende an einem beweglichen Schaltelement ab. Wird das Schaltelement auf das Ventilelement zu bewegt, erhöht sich die auf das Ventilelement wirkende Vorspannkraft und der direkt damit zusammenhängende Ventil-Öffnungs- bzw. Ventil-Schließdruck.
    Mit dem bekannten Verfahren kann eine Doppeleinspritzung realisiert werden:
    Dabei wird zunächst der Systemdruck erhöht, so dass das Ventilelement gegen die Federkraft öffnet. Nun wird das Schaltelement bewegt und die Vorspannkraft erhöht. Dies geschieht so, dass der Ventil-Schließdruck sich schneller erhöht als der wirkende Systemdruck. Der Systemdruck wird sozusagen von dem Ventil-Schließdruck "überholt". Trotz steigenden Systemdrucks schließt somit das Ventil. In der Endstellung des Schaltelements bleibt der Ventil-Öffnungsdruck und der Ventil-Schließdruck konstant auf einem erhöhten Niveau.
    Der Systemdruck wird weiter angehoben, bis er wieder oberhalb des erhöhten Ventil-Öffnungsdrucks liegt. Nun öffnet das Ventilelement wieder gegen die erhöhte Vorspannkraft zu einer Haupteinspritzung. Diese wird dadurch beendet, dass der Systemdruck auf ein Niveau unterhalb des (erhöhten) Ventil-Schließdrucks abgesenkt wird. Das Schaltelement wird wieder in seine Ausgangsstellung zurückbewegt, so dass auch der Ventil-Öffnungsdruck und der Ventil-Schließdruck wieder auf ein normales Niveau absinken.
    Die Erhöhung des Ventil-Öffnungsdrucks ist bei dem bekannten Verfahren begrenzt, da ansonsten die Pause zwischen der Voreinspritzung und der Haupteinspritzung zu lang wäre. In einigen Anwendungsfällen ist jedoch ein sehr hoher Einspritzdruck gewünscht. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn nach der Haupteinspritzung noch eine Nacheinspritzung erfolgen soll. Ein zu geringer Druck bei der Nacheinspritzung kann zu einer unerwünscht hohen Rußbildung führen.
    Bekannt ist ferner aus der EP 0 805 271 A1 ein KraftstoffEinspritzsystem, dessen Pumpe-Düse-Injektor eine Vor- und eine Haupteinspritzung einspritzen kann. Hierzu wird während der Voreinspritzung der Schließdruck erhöht und der Systemdruck abgesenkt, was die Voreinspritzung beendet. Die Steuerung dieses Vorgangs erfolgt unter anderem mittels eines Überströmventils.
    Die vorliegende Erfindung hat daher die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass mit ihm eine Nacheinspritzung mit sehr hohem Einspritzdruck möglich ist.
    Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass im Schritt b) ein aufgrund der gestiegenen Vorspannkraft erhöhter Ventil-Schließdruck immer unterhalb des Systemdrucks liegt, so dass das Ventilelement geöffnet bleibt, und dass zwischen den Schritten b) und c) nacheinander folgende Schritte vorgesehen sind:
    b1)
    Absenken des Systemdrucks auf einen Wert unterhalb des Ventil-Schließdrucks, so dass das Ventilelement schließt,
    b2)
    Erhöhen des Systemdrucks, so dass das Ventilelement zu einer Nacheinspritzung bei einem aufgrund der gestiegenen Vorspannkraft erhöhten Ventil-Öffnungsdruck öffnet.
    Vorteile der Erfindung
    Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also die Vorspannkraft nur so schnell erhöht, dass der Ventil-Schließdruck immer unterhalb des Systemdrucks liegt. Im Gegensatz zu dem bekannten Verfahren wird hierdurch ausgeschlossen, dass der Ventil-Schließdruck den Systemdruck "überholt" und hierdurch trotz steigenden Systemdrucks das Ventilelement schließt. Somit steht ein großer Teil des Zeitraums der Haupteinspritzung für die Erhöhung der Vorspannkraft und somit für die Erhöhung des Ventil-Öffnungsdrucks zur Verfügung.
    Die Vorspannkraft kann daher sehr viel stärker erhöht werden als dies bei den bekannten Verfahren möglich ist. Das Schließen des Ventilelements zwischen der Haupteinspritzung und der Nacheinspritzung wird aktiv dadurch bewirkt, dass der Systemdruck abgesenkt wird. Ein "hydraulisches" Schließen wie bei dem bekannten Verfahren ist hier also nicht vorgesehen.
    Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann somit eine Nacheinspritzung bei einem sehr hohen Einspritzdruck realisiert werden. Dies führt insbesondere bei DieselBrennkraftmaschinen zu einem besonders verbrauchs- und emissionsoptimierten Brennverhalten.
    Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
    So wird beispielsweise vorgeschlagen, dass im Schritt c) der Systemdruck auf einen Wert unterhalb eines erhöhten Ventil-Schließdrucks abgesenkt wird, so dass das Ventilelement schließt, und die Vorspannkraft auf das Ventilelement verringert wird, wobei der aufgrund der geringeren Vorspannkraft niedrigere Ventil-Öffnungsdruck immer oberhalb des Systemdrucks liegt, so dass das Ventilelement geschlossen bleibt. Bei dieser WeiterbiLdung wird das Ventilelement also bereits bei einem relativ hohen Systemdruck geschlossen. Dies hat den Vorteil, dass während der gesamten Nacheinspritzung ein relativ hoher Einspritzdruck vorliegt.
    Besonders bevorzugt ist jene Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der das Ventilelement gegen die Vorspannkraft eines Vorspannelements öffnet, welches durch ein bewegliches Schaltelement abgestützt wird, und dass im Schritt b) das Schaltelement während des Anhebens des Systemdrucks entgegen der Vorspannkraft bewegt wird, so dass sich die Vorspannkraft erhöht. Bei dieser Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird also eine mechanische Bewegung, die einfach erzeugt werden kann, zur Veränderung der Vorspannkraft und in der Folge zur Veränderung des Ventil-Öffnungsdrucks bzw. des Ventil-Schließdrucks verwendet.
    In diesem Sinne ist auch jene Weiterbildung gedacht, bei der im Schritt c) das Schaltelement in Richtung der Vorspannkraft in seine Ausgangsstellung zurückbewegt wird.
    Vorgeschlagen wird auch, dass im Schritt b) das Schaltelement hydraulisch bewegt wird. Dies ist dann möglich, wenn am Schaltelement eine Druckfläche vorhanden ist, welche mit einem Druck, vorzugsweise dem Systemdruck, beaufschlagt werden kann. In diesem Fall kann beispielsweise auf eine elektrische Ansteuerung des Schaltelements verzichtet werden, was die Sicherheit bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erhöht.
    Dabei wird besonders bevorzugt, wenn im Schritt b) das Schaltelement durch eine sukzessive Beaufschlagung von mindestens zwei Druckflächen mit dem Systemdruck entgegen der Beaufschlagung durch das Vorspannelement aus seiner Ausgangsstellung herausbewegt wird, wobei die erste Druckfläche immer mit dem Systemdruck und die zweite Druckfläche erst dann mit dem Systemdruck beaufschlagt wird, wenn sich das Schaltelement etwas aus seiner Ausgangsstellung herausbewegt hat.
    Auf diese Weise wird sichergestellt, dass sich das Schaltelement relativ rasch aus der Ausgangsstellung herausbewegt. Darüber hinaus wird eine Hysterese zwischen dem Schaltdruck, bei dem sich das Schaltelement aus der Ausgangsstellung herausbewegt und dem Schaltdruck geschaffen, bei dem sich das Schaltelement wieder in die Ausgangsstellung zurückbewegt. Dies verhindert ein ungewolltes Absenken des Ventil-Öffnungsdrucks bzw. des Ventil-Schließdrucks während des Absenkens des Systemdrucks während der Haupteinspritzung.
    Besonders bevorzugt ist das erfindungsgemäße Verfahren dann, wenn neben der Haupt- und der Nacheinspritzung auch eine Voreinspritzung durchgeführt werden kann. Hierdurch wird das Verbrauchs- und Emissionsverhalten der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen Brennkraftmaschine nochmals optimiert. Hierzu wird vorgeschlagen, dass vor dem Schritt a) der Systemdruck auf einen Wert oberhalb des normalen Ventil-Öffnungsdrucks angehoben wird, so dass das Ventilelement entgegen der Beaufschlagung durch das Vorspannelement zu einer Voreinspritzung bei normalem Systemdruck öffnet, und der Systemdruck anschließend auf einen Wert unterhalb des normalen Ventil-Schließdrucks abgesenkt wird, so dass das Ventilelement schließt. Die auf diese Weise durchgeführte Voreinspritzung erfolgt also bei einem relativ niedrigen Systemdruck und bei einem Schaltelement, welches sich in der Ausgangsstellung befindet.
    Eine andere Möglichkeit, den Ventil-Öffnungsdruck zu erhöhen, besteht darin, das Ventilelement entgegen der Öffnungsrichtung mit Druck zu beaufschlagen. Dies kann zusätzlich oder alternativ zu der Beaufschlagung des Ventilelements durch das Vorspannelement erfolgen. Hierzu wird auch vorgeschlagen, dass das Ventilelement entgegen der Öffnungsrichtung zeitversetzt mit dem Systemdruck beaufschlagt wird. Der Systemdruck liegt im Bereich des Ventilelements sowieso vor und kann daher ohne aufwendige Maßnahmen zur Erhöhung des Ventil-Öffnungsdrucks verwendet werden.
    Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Pumpe-Düse-Einheit zur Zufuhr von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einer Einspritzdüse zum Einspritzen des Kraftstoffs in den Brennraum, mit mindestens einem Ventilelement, welches mindestens eine erste Druckfläche aufweist, deren Kraft-Resultierende in etwa in Öffnungsrichtung des Ventilelements zeigt, mit einem Vorspannelement, welches das Ventilelement in Richtung der Schließstellung beaufschlagt, mit einem Schaltelement, an dem sich das Vorspannelement abstützt und welches längs der Beaufschlagungsrichtung durch das Vorspannelement beweglich ist, mit einer Pumpeinrichtung, welche einen auf die erste Druckfläche des Ventilelements wirkenden Systemdruck aufbaut, und mit einer Steuereinrichtung, welche den Auf- und Abbau des Systemdrucks steuert.
    Eine derartige Pumpe-Düse-Einheit ist auch vom Dokument EP 805 271 A1 her bekannt. Wie bereits eingangs ausgeführt wurde, wird sie vor allem bei Kraftfahrzeug-Dieselbrennkraftmaschinen verwendet. Um mit einer solchen Pumpe-Düse-Einheit einen möglichst verbrauchsund emissionsoptimierten Betrieb der Brennkraftmaschine realisieren zu können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Kennlinie der Vorspanneinrichtung und die Größen der Druckflächen so aufeinander abgestimmt sind, dass der Ventil-Schließdruck während der Erhöhung des Systemsdrucks während einer Haupteinspritzung immer unterhalb des Systemdrucks bleibt, so dass mit einer solchen Pumpe-Düse-Einheit das Verfahren der oben genannten Art durchgeführt werden kann.
    In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Pumpe-Düse-Einheit wird vorgeschlagen, dass das Schaltelement eine erste Druckfläche und eine zweite Druckfläche aufweist, wobei die erste Druckfläche des Schaltelements kleiner ist als die erste Druckfläche am Ventilelement, wobei die erste Druckfläche und die zweite Druckfläche des Schaltelements zusammen größer sind als die gesamte Druckfläche des Ventilelements, wobei die erste Druckfläche des Schaltelemnts immer mit der Pumpeinrichtung verbunden ist, so dass sie immer mit dem Systemdruck beaufschlagt wird, und wobei die zweite Druckfläche des Schaltelements erst dann mit der Pumpeinrichtung verbunden wird, wenn sich das Schaltelement etwas aus seiner Ausgangsstellung herausbewegt hat.
    Bei dieser Pumpe-Düse-Einheit ist eine Hysterese zwischen jenem Systemdruck, bei dem sich das Schaltelement aus der Ausgangsstellung herausbewegt, und jenem Systemdruck vorhanden, bei dem sich das Schaltelement wieder in die Ausgangsstellung zurückbewegt. Hierdurch wird die Betriebssicherheit der Pumpe-Düse-Einheit erhöht.
    Vorgeschlagen wird auch, dass eine Dichtkante vorhanden ist, welche in der Ausgangsstellung des Schaltelements die beiden Druckflächen voneinander trennt. Bei dieser Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Pumpe-Düse-Einheit wird die sukzessive Beaufschlagung des Schaltelements mit dem Systemdruck auf besonders einfache Art und Weise realisiert.
    Besonders einfach ist auch eine Vorspanneinrichtung zu realisieren, welche eine Druckfeder umfasst.
    Bei einer anderen bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Pumpe-Düse-Einheit ist zwischen dem Ventilelement und dem Schaltelement ein Druckraum vorhanden, welcher von einer zweiten Druckfläche des Ventilelements begrenzt wird, deren Kraft-Resultierende zu der Kraft-Resultierenden der ersten Druckfläche des Ventilelements in etwa entgegengesetzt ausgerichtet ist, und bei der im Schaltelement ein Strömungskanal vorgesehen ist, welcher von dem Druckraum zu der zweiten Druckfläche des Schaltelements führt.
    Bei dieser Pumpe-Düse-Einheit kann das Ventilelement alternativ oder zusätzlich zur Vorspannung z.B. mittels einer Druckfeder durch einen Hydraulikdruck beaufschlagt werden, wodurch ebenfalls der Ventil-Öffnungsdruck bzw. der Ventil-Schließdruck erhöht werden kann. Die Beaufschlagung erfolgt dadurch, dass der Druckraum zwischen dem Schaltelement und dem Ventilelement fluidisch mit jenem Druckraum verbunden ist, der von der zweiten Druckfläche des Schaltelements begrenzt wird. Die. Beaufschlagung des Druckraums zwischen dem Schaltelement und dem Ventilelement mit Hydraulikdruck erfolgt somit erst, wenn sich das Schaltelement etwas aus seiner Ausgangsstellung herausbewegt hat.
    Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der Strömungskanal eine Strömungsdrossel umfasst. Hierdurch baut sich der Druck im Druckraum zwischen Ventilelement und Schaltelement nur allmählich auf. Dies stellt wiederum sicher, dass während des Anstiegs des Systemdrucks dieser vom Ventil-Schließdruck nicht "eingeholt" wird.
    Eine einfache Realisierung für einen solchen Strömungskanal, gegebenenfalls mit Strömungsdrossel, besteht in einer Durchgangsbohrung durch das Schaitelement. Ferner ist es auch möglich, einen Spalt zwischen dem Schaltelement und einem das Schaltelement umgebenden Gehäuse vorzusehen. Dies kann beispielsweise in Form eines Anschliffs an einem Bereich des Außenmantels des Schaltelements erfolgen. Alle diese Ausbildungen eines Strömungskanals sind leicht zu realisieren.
    Bei einer anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Pumpe-Düse-Einheit wird vorgeschlagen, dass die Steuereinrichtung ein Schaltventil umfasst; welches die Pumpeinrichtung mit einem Niederdruckbereich verbinden kann. Hierdurch wird erreicht, dass dann, wenn die Pumpeinrichtung Kraftstoff zum Ventilelement hin fördert, eine Druckerhöhung des Systemdrucks jedoch nicht gewünscht ist, der Volumenstrom in Richtung zum Niederdruckbereich abgelassen werden kann und sich somit kein Systemdruck aufbaut.
    Ein besonders schnelles Schalten eines solchen Schaltventils wird dann erreicht, wenn das Schaltventil als Aktor mindestens ein Piezo-Element aufweist.
    Mit der erfindungsgemäßen Pumpe-Düse-Einheit können sehr hohe Ventil-Öffnungsdrücke erreicht werden. Vorzugsweise ist der erhöhte Ventil-Öffnungsdruck mehr als doppelt so hoch'als der normale Ventil-Öffnungsdruck, weiter vorzugsweise liegt er bei 400 bis 800 bar, noch weiter bevorzugt bei 700 bis 800 bar.
    Zeichnung
    Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung im Detail erläutert. In der Zeichnung zeigen:
    Fig. 1:
    eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Pumpe-Düse-Einheit;
    Fig. 2:
    ein Diagramm, in dem der Schaltzustand eines Steuerventils der Pumpe-Düse-Einheit von Fig. 1 über der Zeit dargestellt ist;
    Fig. 3:
    ein Diagramm, in dem der Verlauf des Systemdrucks der Pumpe-Düse-Einheit von Fig. 1 über der Zeit dargestellt ist;
    Fig. 4:
    ein Diagramm, in dem der Schaltzustand eines Schaltelements der Pumpe-Düse-Einheit von Fig. 1 über der Zeit aufgetragen ist;
    Fig. 5:
    ein Diagramm, in dem der Schaltzustand eines Ventilelements der Pumpe-Düse-Einheit von Fig. 1 über der Zeit aufgetragen ist;
    Fig. 6:
    einen Ausschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Pumpe-Düse-Einheit; .
    Fig. 7:
    eine Ansicht ähnlich Fig. 6 eines dritten Ausführungsbeispiels einer Pumpe-Düse-Einheit; und
    Fig. 8:
    eine Ansicht ähnlich Fig. 6 eines vierten Ausführungsbeispiels einer Pumpe-Düse-Einheit.
    Beschreibung der Ausführungsbeispiele
    Ein' erstes Ausführungsbeispiel einer Pumpe-Düse-Einheit trägt in Fig. 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie umfasst eine Pumpeinrichtung 12, eine Düseneinrichtung 14 und eine Steuereinrichtung 16.
    Bei der Pumpeinrichtung 12 handelt es sich um eine Einzylinder-Kolbenpumpe 18, welche von einem Nocken 20 angetrieben wird. Der Nocken 20 ist wiederum mit der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) gekoppelt. Bei jedem Förderhub fördert die Pumpeinrichtung 12 Kraftstoff über eine nicht dargestellte Leitung aus einem Vorratsbehälter 64 über eine Kraftstoffleitung 22 zur Düseneinrichtung 14.
    Die Düseneinrichtung 14 umfasst ein Gehäuse 24, in dem eine Stufenbohrung 26 ausgebildet ist. In der Stufenbohrung 26 ist ein Ventilelement 28 mit kreiszylindrischem Querschnitt geführt. Das Ventilelement 28 ist längs seiner Längsachse 29 beweglich. Am unteren Ende des Gehäuses 24 ist eine Einspritzöffnung 30 vorhanden. Das Ventilelement 28 wird von einer Druckfeder 32 gegen einen Ventilsitz (nicht sichtbar) im Bereich der Einspritzöffnung 30 gedrückt. Das Ventilelement 28 weist eine umlaufende schräge erste Druckfläche 34 auf, welche von einem ringförmigen Druckraum 36 umgeben ist. Der Druckraum 36 ist wiederum mit der Kraftstoffleitung 22 verbunden.
    Das von dem Ventilelement 28 abgelegene Ende der Druckfeder 32 stützt sich an einem kreiszylindrischen Schaltelement 38 ab. Das Schaltelement 38 hat einen der Druckfeder 32 zugewandten Abschnitt 40 mit gleichbleibendem Durchmesser und einen von der Druckfeder 32 abgewandten Abschnitt 42, welcher sich in der Art eines Kegelstumpfes konisch verjüngt. Die stumpfe Spitze des konischen Abschnitts 42 bildet eine erste Druckfläche 44 des Schaltelements 38, wohingegen die schräge Mantelfläche des konischen Abschnitts 42 des Schaltelements 38 eine zweite Druckfläche 46 bildet.
    In die in Fig. 1 dargestellte Ausgangsstellung wird das Schaltelement 38 durch die Druckfeder 32 gedrückt. In dieser Ausgangsstellung liegt ein oberer Bereich der konischen Druckfläche 46 an einer ringförmigen Dichtkante 48 der Stufenbohrung 26 an. Der Bereich oberhalb der ersten Druckfläche 44 des Schaltelements 38 bildet einen ersten Druckraum 50, welcher über eine Zweigleitung 52 ständig mit der Kraftstoffleitung 22 fluidisch verbunden ist. Zwischen dem Gehäuse 24 und der Druckfläche 46 ist ein zweiter ringförmiger Druckraum 51 vorhanden.
    Das Schaltelement 38 kann sich in der Stufenbohrung 26 längs der Längsachse 29 zwischen der in Fig. 1 dargestellten Ausgangsstellung und einer durch einen radial nach innen weisenden Ringsteg 54 begrenzten Schaltstellung bewegen. In dieser Schaltstellung liegt die Dichtkante 48 nicht mehr an der schrägen Druckfläche 46 des Schaltelements 38 an, so dass die beiden Druckräume 50 und 51 miteinander verbunden sind.
    Von der Kraftstoffleitung 22 zweigt eine Zweigleitung 56 ab, welche zu der Steuereinrichtung 16 führt. Die Steuereinrichtung 16 umfasst ein durch einen Piezo-Aktor 58 betätigbares Schaltventil 60, welches ausgangsseitig über eine Niederdruckleitung 62 mit dem Kraftstoffbehälter 64 verbunden ist. Der Piezö-Aktor 58 der Steuereinrichtung 16 wird von einem in der Figur nicht dargestellten Steuer- und Regelgerät angesteuert. In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel wird an Stelle eines Piezoaktors ein Magnetsteller verwendet.
    Die in Fig. 1 dargestellte Pumpe-Düse-Einheit 10 wird zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine verwendet. Dabei ist für jeden Brennraum (also für jeden Zylinder) der Brennkraftmaschine eine eigene Pumpe-Düse-Einheit 10 vorgesehen. Der Kraftstoff kann dabei durch eine "Dreifacheinspritzung" in den Brennraum der Brennkraftmaschine gelangen. Das Verfahren, nach dem eine solche Dreifacheinspritzung erfolgt, wird nun anhand der Fig. 2 - 5 erläutert:
    Der Nocken 20 der Pumpeinrichtung 12 ist so mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine synchronisiert, dass die Einzylinder-Kolbenpumpe während eines Einspritztaktes des ihr zugeordneten Zylinders immer'einen Förderhub durchführt. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, wird das Schaltventil 60 zu Beginn eines Einspritztaktes zunächst geschlossen (ansteigende Flanke 66 in Fig. 2). Dies führt, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, zu einem Anstieg des Systemdrucks in der Kraftstoffleitung 22 und in der Folge auch im Druckraum 36 (ansteigende Flanke 68 in Fig. 3). Durch die Federkraft der Druckfeder 32 wird das Ventilelement 28 mit einer bestimmten Kraft gegen den entsprechenden'Ventilsitz im Bereich der Einspritzöffnung 30 gedrückt. Hierdurch wird eine normale Ventil-Öffnungskraft vorgegeben.
    Der ansteigende Druck im Druckraum 36 wirkt nun auf die Druckfläche 34 am Ventilelement 28. Übersteigt die hieraus resultierende Kraft die von der Druckfeder 32 ausgeübte Schließkraft, wird also der normale Ventil-Öffnungsdruck des Ventilelements 28 überschritten, hebt das Ventilelement 28 vom Ventilsitz im Bereich der Einspritzöffnung 30 ab'und öffnet. Der normale Ventil-Öffnungsdruck ist in Fig. 3 durch eine strichpunktierte Kurve dargestellt und ist mit POVN gekennzeichnet. Das Öffnen des Ventilelements 28 ist in Fig. 5 an der ansteigenden Flanke 70 erkennbar. Durch dieses Öffnen des Ventilelements 28 wird eine Voreinspritzung durchgeführt.
    Die Voreinspritzung wird dadurch beendet, dass das Schaltventil 60 wieder öffnet (abfallende Flanke 72 in Fig. 2). Hierdurch fällt der Systemdruck in der Kraftstoffleitung 22 ab, da diese ja nun zum Kraftstoffbehälter 64 hin offen ist. Dies ist durch die abfallende Flanke 74 in Fig. 3 dargestellt. Entsprechend schließt das Ventilelement 28 (abfallende Flanke 76 in Fig. 5), sobald der Systemdruck P in Fig. 3 unterhalb eines normalen Ventil-Schließdrucks PSVN abgefallen ist. Der Ventil-Schließdruck PSVN ist in Fig. 3 durch eine doppelt strichpunktierte Linie dargestellt.
    Um eine Haupteinspritzung von Kraftstoff durchzuführen, wird das Schaltventil 60 wieder geschlossen (ansteigende Flanke 78 in Fig. 2). Entsprechend steigt der Systemdruck P (Flanke 80 in Fig. 3). Sobald der Ventil-Öffnungsdruck POVN überschritten wird, öffnet das Ventilelement 28 (ansteigende Flanke 82 in Fig. 5).
    Dabei übersteigt der Systemdruck P einen Öffnungs-Schaltdruck POS des Schaltelements 38. Dieser Druck POS entspricht jenem Druck, bei dem das Schaltelement 38 beginnt, sich von der Dichtkante 48 zu lösen. Dies ist wiederum dann der Fall, wenn die von der Druckfläche 44 ausgehende Kraft die Vorspannkraft der Druckfeder 32 übersteigt. Sobald sich das Schaltelement 38 etwas von der Dichtkante 48 gelöst hat, wird auch die zweite Drückfläche 46 mit dem Systemdruck P beaufschlagt. Hierdurch wird bewirkt, dass das Schaltelement 38 sich entgegen der Beaufschlagung durch die Druckfeder 32 nach unten bewegt, bis es am Ringsteg 54 anliegt (Flanke 83 in Fig. 4).
    Dies führt dazu, dass die Druckfeder 32 zusammengepresst wird, was wiederum die auf das Ventilelement 28 von der Druckfeder 32 ausgeübte Federkraft erhöht. Dies führt wiederum zu einem Anstieg des Ventil-Öffnungsdrucks auf einen Wert POVH und des Ventil-Schließdrucks auf einen Wert PSVH in Fig. 3 (Bezugszeichen 84 und 86). Die Schaltstellung des Schaltelements 38 ist aus Fig. 4 ersichtlich.
    Die Ausgangsstellung ist dabei durch S0 bezeichnet, wohingegen die Schaltstellung, bei welcher das Schaltelement 38 am Ringsteg 54 anliegt, mit S1 bezeichnet ist. Die Kennlinie der Feder 32 und die Größen der Druckflächen 34 und 44 sind so aufeinander abgestimmt, dass der Ventil-Schließdruck PSV während dieser Erhöhung des Systemdrucks P immer unterhalb des Systemdrucks P liegt.
    Die Haupteinspritzung wird dadurch beendet, dass das Schaltventil 60 wieder geöffnet wird, analog zum Ende der Voreinspritzung. Die entsprechenden abfallenden Flanken in den Fig. 2, 3 und 5 tragen die Bezugszeichen 88,' 90 und 92. Das Schließen des Ventilelements 28 wird dadurch bewirkt, dass der Systemdruck P in Fig. 3 unter den erhöhten Ventil-Schließdruck PSVH abfällt. Der Abfall des Systemdrucks P wird dabei jedoch so begrenzt, dass ein Schaltdruck PSS, bei dem das Schaltelement 38 wieder in seine Ausgangsstellung S0 zurückkehrt, nicht unterschritten wird.
    Eine Nacheinspritzung wird wieder durch ein Schließen des Schaltventils 60 eingeleitet. Die entsprechenden Flanken in den Fig. 2, 3 und 5 tragen die Bezugszeichen 94, 96 und 98. Der Systemdruck P übersteigt dabei wieder den erhöhten Ventil-Öffnungsdruck POVH, so dass das Ventilelement 28 wieder öffnet. Da.der erhöhte Ventil-Öffnungsdruck POVH erheblich oberhalb des normalen Ventil-Öffnungsdrucks POVN liegt, erfolgt die Nacheinspritzung bei einem entsprechend hohen Einspritzdruck. Übliche Werte für einen normalen Ventil-Öffnungsdruck liegen bei ungefähr 300 bar, wohingegen der Einspritzdruck bei der Nacheinspritzung aufgrund des erhöhten Ventil-Öffnungsdrucks POVH bei ungefähr 500 bis 600 bar liegt.
    Die gesamte Einspritzsequenz wird dadurch beendet, dass das Schaltventil 60 wieder geöffnet wird (abfallende Flanke 100 in Fig. 2). Der Systemdruck P fällt nun wieder vollständig ab und unterschreitet dabei zunächst den erhöhten Ventilschließdruck PSVH (abfallende Flanke 102 in Fig. 3) und dann auch den Schließschaltdruck PSS für das Schaltelement 38. Somit schließt zunächst das Ventilelement 28 (abfallende Flanke 104 in Fig. 5), und dann (wenn P < PSS) bewegt sich auch das Schaltelement 38 wieder in seine Ausgangsstellung zurück (abfallende Flanke 106 in Fig. 4).
    Durch eine solche Nacheinspritzung bei einem relativ hohen Einspritzdruck ist eine verbrauchs- und emissionsoptimale Verbrennung des Kraftstoffs im Brennraum der Brennkraftmaschine möglich. Analog zur Erhöhung der Drücke POV und PSV ist auch hier sichergestellt, dass während des Abfalls des Systemdrucks P die Drücke POV und PSV immer oberhalb des Systemdrucks P liegen.
    In den Fig. 6, 7 und 8 sind weitere Ausführungsbeispiele für eine Pumpe-Düse-Einheit 10 dargestellt. Solche Teile, welche äquivalente Funktionen zu entsprechenden Teilen in Fig. 1 aufweisen, tragen die gleichen Bezugszeichen und sind nicht nochmals im Detail erläutert.
    Die Unterschiede zwischen den.in den Fig. 6 - 8 dargestellten Ausführungsbeispielen und dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Pumpe-Düse-Einheit 10 betreffen die Ausgestaltung des Schaltelements 38. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel war der zwischen dem Ventilelement 28 und dem Schaltelement 38 gebildete Bereich der Stufenbohrung 26 nicht unter Druck gesetzt. Auf das Ventilelement 28 wirkt in diesem Fall also nur die Vorspannkraft, welche durch die Druckfeder 32 aufgebracht wird.
    In den in den Fig. 6 - 8 dargestellten Ausführungsbeispielen ist dagegen der zwischen dem Ventilelement 28 und dem Schaltelement 38 ausgebildete Bereich der Stufenbohrung 26 als Druckraum 108 ausgebildet, welcher über einen Strömungskanal 110 mit dem Druckraum 51 oberhalb der zweiten Druckfläche 46 des Schaltelements 38 verbunden ist. In Fig. 6 ist der Strömungskanal als ebener Anschliff 110 auf der ansonsten kreiszylindrisch gekrümmten Außenfläche des Schaltelements 38 ausgebildet. In Fig. 7 ist stattdessen eine als Strömungsdrossel ausgebildete Durchgangsbohrung 110 durch das Schaltelement 38 hindurchgeführt. In Fig. 8 wiederum ist einfach zwischen dem Schaltelement.38 und der Wand des Gehäuses 24 ein Ringspalt 110 vorhanden. Der Sinn dieser Maßnahmen ist folgender:
    Wenn der Systemdruck P den Öffnungs-Schaltdruck POS des Schaltelements 38 überschreitet, hebt das Schaltelement 38 von der Dichtkante 48 ab, so dass der zweite Druckraum 51 sowie der erste Druckraum 50 mit der Kraftstoffleitung 22 verbunden ist und somit die beiden Druckflächen 44 und 46 mit dem Systemdruck P beaufschlagt werden. Über den Strömungskanal 110 strömt nun der Kraftstoff auch in den zwischen dem Schaltelement 38 und dem Ventilelement 28 gebildeten Druckraum 108, so dass sich in diesem ebenfalls ein entsprechender Druck bis hin.zum Systemdruck P aufbaut. Dieser Druck wirkt auch auf die der Druckfeder 32 zugewandte Druckfläche (in den Fig. 6 - 8 nicht sichtbar) des Ventilelements 28, so dass dieses zusätzlich zur Vorspannkraft der Druckfeder 32 mit einer entsprechenden Druckkraft beaufschlagt wird.
    Hierdurch wird der Ventil-Öffnungsdruck POV nochmals angehoben, so dass bei diesen Ausführungsbeispielen ein besonders hoher Einspritzdruck von bis zu 800 bar realisiert werden kann. Wenn der Druckraum 108 ebenfalls mit dem Systemdruck beaufschlagt wird, könnte die Gefahr bestehen, dass die auf das Schaltelement 38 wirkende hydraulische Kraft-Resultierende kleiner wird als die von der Druckfeder 32 auf das Schaltelement 38 ausgeübte Kraft. In diesem Fall würde sich das Schaltelement 38 wieder in seine Ausgangsstellung zurückbewegen.
    Diese Problematik stellt sich jedoch nur bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine. Bei mittleren und hohen Drehzahlen steigt bei der vorliegenden Pumpe-Düse-Einheit 10 der Einspritzdruck bzw. der Systemdruck kontinuierlich an. Der Druck im Druckraum 108 steigt aufgrund der Strömungsdrossel 110 allerdings nur zeitverzögert an. Somit wird sichergestellt, dass während des Anstiegs des Systemdrucks P der ebenfalls ansteigende Ventil-Schließdruck PSV den Systemdruck P nicht "überholt", und auch der Schließdruck PSS des Schaltelements 38 liegt immer unterhalb des Systemdrucks P. Somit bleiben einerseits das Ventilelement 28 und andererseits das Schaltelement 38 in der gewünschten geöffneten bzw. ausgerückten Position.
    Bei kleinen Drehzahlen bzw. im Leerlauf der Brennkraftmaschine sowie im Startfall steigt der Systemdruck mit der Einspritzdauer nicht weiter an. Es wird gerade so, viel eingespritzt, wie über den Kolben (ohne Bezugszeichen) der Einzylinder-Kolbenpumpe 18 nachgefördert wird. Der Druck liegt hier im Bereich des statischen Öffnungsdrucks des Ventilelements 28. Bei diesem Druck verbleibt das Schaltelement 38 in seiner Ausgangsstellung. Somit besteht keine Fluidverbindung zwischen dem Druckraum 108 und dem Druckraum 50 bzw. der Kraftstoffleitung 22. Dies bedeutet, dass der Druckraum 108 nicht unter Druck gesetzt wird.
    In jenem Übergangsbereich, in dem zwar das Schaltelement 38 aus seiner Ausgangsstellung ausgerückt ist, der Systemdruck sich aber auf ein konstantes Niveau oberhalb des Schaltdrucks POS einstellt, könnte es trotz der Drosselwirkung im Strömungskanal 110 dazu kommen, dass im Druckraum 108 einerseits und in den Druckräumen 50 und 51 andererseits der gleiche Druck herrscht. Um zu verhindern, dass das Schaltelement 38 in einem solchen Falle wieder ungewollt in seine Ausgangsstellung zurückkehrt, können beispielsweise die Flächenverhältnisse zwischen einerseits der dem Druckraum 108 zugewandten Fläche des Schaltelements 38 und andererseits den beiden Druckflächen 50 und 51 entsprechend gewählt werden. Möglich ist auch, den Querschnitt der Strömungsdrossel 110 entsprechend klein zu wählen.
    Wenn durch einen derartig kleinen Querschnitt des Strömungskanals 110 der Druckaufbau in bestimmten Situationen im Druckraum 108 jedoch zu langsam wäre, kann dem durch das Vorsehen eines zweiten Strömungskanals (nicht dargestellt) abgeholfen werden. Dieser zweite Strömungskanal verbindet den Druckraum 108 mit dem Niederdruckbereich, beispielsweise dem Kraftstoffbehälter.
    Durch diesen Strömungskanal, welcher eine entsprechende Strömungsdrosselwirkung hat, wird bewirkt, dass der maximale Druck im Druckraum immer in einem bestimmten Verhältnis zum Systemdruck steht. Bei relativ geringem Druck würde somit auch ein relativ geringer Druck im Druckraum 108 herrschen, wohingegen der Druck im Druckraum 108 bei hohem Systemdruck entsprechend höher ist. Durch diese Maßnahme wird ebenfalls verhindert, dass es durch einen unzulässig starken Anstieg des Drucks im Druckraum 108 zwischen dem Ventilelement und dem Schaltelement zu ungewollten Bewegungen des Schaltelements oder des Ventilelements kommt.

    Claims (20)

    1. Verfahren zum Betreiben einer Pumpe-Düse-Einheit (10), mit dem Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine dadurch eingespritzt wird, dass ein Ventilelement (28) durch eine Erhöhung eines Systemdrucks (P) gegen eine Vorspannkraft geöffnet wird, wobei das Verfahren nacheinander folgende Schritte umfasst:
      a) Anheben (80) des Systemdrucks (P) auf einen Wert oberhalb eines normalen Ventil-Öffnungsdrucks (POVN), so dass das Ventilelement (28) gegen die Vorspannkraft zu einer Haupteinspritzung öffnet (82),
      b) Erhöhen der Vorspannkraft während des Anhebens (80) des Systemdrucks (P),
      c) Absenken (102) des Systemdrucks (P) und Absenken der Vorspannkraft, so dass das Ventilelement (28) schließt (104),
      dadurch gekennzeichnet, dass
      im Schritt b) ein aufgrund der gestiegenen Vorspannkraft erhöhter Ventil-Schließdruck (PSVH) immer unterhalb des Systemdrucks (P) liegt, so dass das Ventilelement (28) geöffnet bleibt, und dass zwischen den Schritten b) und c) nacheinander folgende Schritte vorgesehen sind:
      b1) Absenken (90), des Systemdrucks (P) auf einen Wert unterhalb des erhöhten Ventil-Schließdrucks (PSVH), so dass das Ventilelement (28) schließt (92),
      b2) Erhöhen (96) des Systemdrucks (P), so dass das Ventilelement (28) zu einer Nacheinspritzung bei einem aufgrund der gestiegenen Vorspannkraft erhöhten Ventil-Öffnungsdruck (POVH) öffnet (98).
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt c) der Systemdruck (P) auf einen Wert unterhalb eines erhöhten Ventil-Schließdrucks (PSVH) abgesenkt wird (102), so dass das Ventilelement (28) schließt, und die Vorspannkraft auf das Ventilelement (28) verringert wird, wobei der aufgrund der geringeren Vorspannkraft niedrigere Ventil-Öffnungsdruck (POV) dabei immer oberhalb des Systemdrucks (P) liegt, so dass das Ventilelement (28) geschlossen bleibt.
    3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (28) gegen die Vorspannkraft eines.Vorspannelements (32') öffnet, welches durch ein bewegliches Schaltelement (38) abgestützt wird, und dass im Schritt b) das Schaltelement (38) während des Anhebens (80) des Systemdrucks (P) entgegen der Vorspannkraft bewegt wird (83), so dass sich die Vorspannkraft erhöht.
    4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt c) das Schaltelement (38) in Richtung der Vorspannkraft in seine Ausgangsstellung (S0) zurückbewegt wird (106).
    5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b) das Schaltelement hydraulisch bewegt wird (106).
    6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b) das Schaltelement (38) durch eine sukzessive Beaufschlagung von mindestens zwei Druckflächen (44, 46) mit dem Systemdruck (P) entgegen der Beaufschlagung durch das Vorspannelement (32) aus seiner Ausgangsstellung ( SO) herausbewegt wird, wobei die erste Druckfläche ( 44) immer mit dem Systemdruck (P) und die zweite Druckfläche (46) erst dann mit dem Systemdruck (P) beaufschlagt wird, wenn sich das Schaltelement (38) etwas aus seiner Ausgangsstellung (S0) herausbewegt hat.
    7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt a) der Systemdruck (P) auf einen Wert oberhalb des normalen Ventil-Öffnungsdrucks ( POVN) angehoben wird (68), so dass das Ventilelement (28) entgegen der Beaufschlagung durch das Vorspannelement (32) zu einer Voreinspritzung bei normalem Systemdruck ( P) öffnet (70), und der Systemdruck (P) anschließend auf einen Wert unterhalb des normalen Ventil-Schließdrucks (PSVN) abgesenkt wird (74), so dass das Ventilelement (28) schließt (76).
    8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (28) entgegen der Öffnungsrichtung mit Druck (P) beaufschlagt und hierdurch der Ventil-Öffnungsdruck (POV) erhöht wird.
    9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (28) entgegen der Öffnungsrichtung zeitversetzt mit dem Systemdruck ( P) beaufschlagt wird.
    10. Pumpe-Düse-Einheit (10) zur Zufuhr von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einer Einspritzdüse (30) zum Einspritzen des Kraftstoffs in den Brennraum, mit mindestens einem Ventilelement (28), welches mindestens eine erste Druckfläche (34) aufweist, deren Kraft-Resultierende in etwa in Öffnungsrichtung des Ventilelements ( 28) zeigt, mit einem Vorspannelement (32), welches das Ventilelement (28) in Richtung der Schließstellung beaufschlagt, mit einem Schaltelement (38), an dem sich das Vorspannelement (32) abstützt und welches längs der Beaufschlagungsrichtung durch das Vorspannelement (32) beweglich ist, mit einer Pumpeinrichtung (12), welche einen auf die erste Druckfläche (34) des Ventilelements (28) wirkenden Systemdruck (P) aufbaut, und mit einer Steuereinrichtung (16), welche den Auf- und Abbau des Systemdrucks (P) steuert, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinie der Vorspanneinrichtung (32) und die Größen der Druckflächen (34) so aufeinander abgestimmt sind, dass der Ventil-Schließdruck (PSV) während der Erhöhung des Systemsdrucks (P) während einer Haupteinspritzung immer unterhalb des Systemdrucks (P) bleibt, so dass mit der Pumpe-Düse-Einheit das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchgeführt werden kann.
    11. Pumpe-Düse-Einheit (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (38) eine erste Druckfläche ( 44) und eine zweite Druckfläche (46) aufweist, wobei die erste Druckfläche (44) des Schaltelements (38) kleiner ist als die erste Druckfläche (34) am Ventilelement (28), wobei die erste Druckfläche (44) und die zweite Druckfläche (46) des Schaltelements (38) zusammen größer sind als die gesamte Druckfläche (34) des Ventilelements (28), wobei die erste Druckfläche (44) des Schaltelements (38) immer mit der Pumpeinrichtung (12) verbunden ist, so dass sie immer mit dem Systemdruck (P) beaufschlagt wird, und wobei die zweite Druckfläche (46) des Schaltelements (38) erst dann mit der Pumpeinrichtung (12) verbunden wird, wenn sich das Schaltelement (38) etwas aus seiner Ausgangsstellung (S0) herausbewegt hat.
    12. Pumpe-Düse-Einheit (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dichtkante (48) vorhanden ist, welche in der Ausgangsstellung (S0) des Schaltelements (38) die beiden Druckflächen (44, 46) voneinander trennt.
    13. Pumpe-Düse-Einheit (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspanneinrichtung eine Druckfeder (32) umfasst.
    14. Pumpe-Düse-Einheit (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ventilelement (28) und dem Schaltelement (38) ein Druckraum (108) vorhanden ist, welcher von einer zweiten Druckfläche (112) des Ventilelements (28) begrenzt wird, deren Kraft-Resultierende zu der Kraft-Resultierenden der ersten Druckfläche (34) des Ventilelements (28) in etwa entgegengesetzt ausgerichtet ist, und dass im Schaltelement (38) ein Strömungskanal (110) vorgesehen ist, welcher von dem Druckraum (108) zu der zweiten Druckfläche (46) des Schaltelements (38) führt.
    15. Pumpe-Düse-Einheit (10) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (110) eine Strömungsdrossel umfasst.
    16. Pumpe-Düse-Einheit (10) nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Durchgangsbohrung (110) durch das Schaltelement (38) vorhanden ist.
    17. Pumpe-Düse-Einheit (10) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spalt (110) zwischen dem Schaltelement (38) und einem das Schaltelement (38) umgebenden Gehäuse (24) vorhanden ist.
    18. Pumpe-Düse-Einheit (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (16) ein Schaltventil (60) umfasst, welches die Pumpeinrichtung (12) mit einem Niederdruckbereich (62, 64) verbinden kann.
    19. Pumpe-Düse-Einheit (10) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltventil (60) als Aktor mindestens ein Piezo-Element (58) aufweist.
    20. Pumpe-Düse-Einheit (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der erhöhte Ventil-Öffnungsdruck (POVH) mehr als doppelt so hoch ist als der normale Ventil-Öffnungsdruck (POVN), vorzugsweise bei ungefähr'400 bis 800 bar, weiter vorzugsweise bei 700 bis 800 bar liegt.
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