EP1527271A2 - Injektor zur einspritzung von kraftstoff - Google Patents

Injektor zur einspritzung von kraftstoff

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EP1527271A2
EP1527271A2 EP03722288A EP03722288A EP1527271A2 EP 1527271 A2 EP1527271 A2 EP 1527271A2 EP 03722288 A EP03722288 A EP 03722288A EP 03722288 A EP03722288 A EP 03722288A EP 1527271 A2 EP1527271 A2 EP 1527271A2
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EP
European Patent Office
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injection
injector
pressure
throttle
injector according
Prior art date
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Ceased
Application number
EP03722288A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dirk Baranowski
Wolfgang Bloching
Marco Claudio Pio Brunelli
Christoph Klesse
Wolfgang Reisinger
Christian Taudt
Eckbert Zander
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aumovio Germany GmbH
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP1527271A2 publication Critical patent/EP1527271A2/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M47/00—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M47/02—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure of accumulator-injector type, i.e. having fuel pressure of accumulator tending to open, and fuel pressure in other chamber tending to close, injection valves and having means for periodically releasing that closing pressure
    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F7/00—Casings, e.g. crankcases
    • F02F2007/0097—Casings, e.g. crankcases for large diesel engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
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    • F02M2200/21—Fuel-injection apparatus with piezoelectric or magnetostrictive elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/40—Fuel-injection apparatus with fuel accumulators, e.g. a fuel injector having an integrated fuel accumulator

Definitions

  • the present invention relates to an injector for the injection of fuel and, in particular, to an injector for a common rail injection system which carries out multiple injections.
  • injectors for fuel injection systems are known in different configurations. Such injectors in particular also perform multiple injections.
  • a multiple injection is understood to mean an injection in which the injection process for a work process is divided into several partial injections. Depending on their injection timing, the partial injections are referred to as pre-injection, main injection and post-injection.
  • the pre-injection improves the mixture preparation and thus the onset of combustion during the main injection. This can also improve the exhaust gas values and the combustion noise.
  • the main injection ignites the combustion, the amount of fuel injected being directly proportional to the energy released and thus to the work of the piston.
  • the post-injection serves in particular for exhaust gas aftertreatment and improves the emissions of the vehicle.
  • multiple injections have a number of advantages compared to just a single injection.
  • the rail is usually designed such that the fuel pressure in the rail remains constant during the injection.
  • the rail and the injector are connected by fuel lines, which are partly as separate lines and partly as Drilled holes in the injector. These lines represent a system that is capable of vibrating hydraulically.
  • pressure disturbance occurs, which is triggered, for example, by the start of injection or the end of injection at the nozzle, pressure waves form in the lines. These pressure waves persist even after the end of the injection and only slowly subside again due to the viscous fluid friction.
  • these pressure waves mean that at the start of the next partial injection or a new injection process at the nozzle, the required target pressure (injection pressure) is not available.
  • the injection quantity based on the target pressure and the injection duration no longer corresponds to the target quantity.
  • the current (partial) injection takes place in another phase of the pressure wave, so that too much (positive pressure) or too little (negative pressure) fuel is injected.
  • the exhaust gas values and / or the performance of the engine are no longer achieved at the operating point under consideration.
  • Another way of compensating for pressure waves is by integrating additional fuel stores near the injection nozzle.
  • the arrangement of additional fuel reservoirs near the injection nozzle allows the pressure at the nozzle to be kept more stable, since the amount injected causes a smaller change in pressure the greater the volume of fuel in the vicinity of the nozzle.
  • Such a solution is currently used in large diesel engines in which each injection nozzle is assigned a so-called “single rail” (cf. MTZ 61, 2000, 10 "The accumulator common rail injection system for the MTU series 8000 with 1800 bar system pressure ").
  • the solution proposed there is only suitable to a limited extent for vehicle engines, since vehicle engines only have a small installation space, and as a result, usually no additional storage can be arranged in the vicinity of the nozzle.
  • throttles can dampen the existing pressure waves.
  • a disadvantage of the known throttles is that in the case of longer injection durations in which there is a directed flow from the rail to the nozzle, the throttles cause an undesirable pressure loss due to their throttling action. This pressure loss is noticeable at the nozzle during the injection and thus also leads to deviations in the target injection quantity.
  • an injector for injecting fuel which has a compensation device for the pressure waves generated during an injection.
  • the pressure waves are completely compensated in a reliable manner. It is possible according to the invention to carry out fuel injection at a constant injection pressure so that the quantity of fuel actually injected corresponds to the desired target injection quantity. According to the invention, in particular multiple injections can thereby advantageously be realized and the exhaust gas values and the combustion noise or the consumption values of the engine can thus be positively influenced.
  • the compensation device for the compensation of pressure waves preferably comprises a control device for controlling the pressure level in the rail and a piezo actuator.
  • the piezo actuator detects a frequency of a pressure wave in the high pressure range by converting a mechanical force exerted on the piezo actuator by the pressure wave into an electrical signal.
  • the control device can then based on the signal of the piezo actuator and other information regarding the pressure wave, such as carry out an adjustment of the pressure level of the injection pressure at the start or end of injection of the injector.
  • the adaptation can take place, for example, by means of a pressure control valve which is arranged between a high pressure pump and the rail
  • the injector particularly preferably has a piezo actuator for actuating the control valve of the injector, and this piezo actuator is also used at the same time for detecting the frequency of the pressure wave.
  • the piezo actuator is particularly preferably deflected so far after the end of the injection, that is to say with the control valve closed, that the forces acting on the control valve by a pressure wave can be transmitted completely to the piezo actuator.
  • the piezo actuator is only deflected to such an extent that the control valve does not open a gap from a control chamber to a low-pressure region, so that there is no pressure reduction in the control chamber for opening the injector.
  • control valve is only moved so far by the piezo actuator that it is only completely relieved of its seat, but there is still no pressure reduction in the control chamber.
  • the force exerted by the pressure wave can be transmitted completely to the piezo actuator, which is thus able to detect the frequency of the pressure wave with the greatest accuracy.
  • the compensation device is designed as an anti-resonator.
  • the anti-resonator steams or superimposes a pressure wave created by the injection.
  • the anti-resonator thus enables a substantially constant pressure during the injection period.
  • the anti-resonator is preferably designed as a mechanical anti-resonator.
  • it can be designed, for example, as a spring-mass steamer.
  • the spring-mass steamer can be, for example, a piston coupled to a fuel line, which in turn is coupled to a mechanical or hydraulic spring element.
  • a damping element for example a throttle, is connected in parallel with the piston.
  • the anti-resonator has the same resonance frequency as the hydraulic system and provides strong damping via the damping element. As a result, the pressure wave can be damped in a short time.
  • the anti-resonator is designed as a hydraulic anti-resonator.
  • the dead end line can be designed so that the pressure waves cancel each other out at the nozzle, so that a constant pressure prevails at the nozzle during the injection. That is, the location of the maximum amplitude of the stationary pressure oscillation is moved or shifted from the nozzle towards the dead end.
  • the hydraulic anti-resonator thus enables a partial or complete superimposition of the pressure wave generated by the injection process.
  • the great advantage of a hydraulic anti-resonator is that pressure wave compensation can be achieved without major adjustments for all temperatures and all types of fuels.
  • the compensation device is designed as an asymmetrical throttle.
  • an asymmetrical throttle is understood to mean a throttle in which the throttle has different flow cross sections or resistances in its two flow directions.
  • An ideal asymmetrical throttle allows a flow in one direction to pass freely and throttles the flow in the opposite direction.
  • the asymmetrical throttle is preferably designed as a perforated throttle with a sharp-edged inlet on one side and a rounded inlet on the other side.
  • a perforated throttle with a sharp-edged inlet on one side and a rounded inlet on the other side.
  • the asymmetrical throttle is designed as a backflow throttle, comprising a check valve and a throttle hydraulically connected in parallel with the check valve.
  • the check valve closes in one direction of flow, so that only a small residual cross section is available for the flow in this direction via the throttle connected in parallel.
  • the check valve opens in the other flow direction, so that a larger flow cross-section and thus a lower throttling effect are available for the flow.
  • Such a backflow throttle or an asymmetrical throttle as described above is particularly preferably arranged at a location with high flow velocity. Such a location is, for example, at a connection of the high-pressure line leading to the injector on the rail. At this point the pressure wave has a knot (constant pressure) and the corresponding volume flow wave has a belly (maximum flow velocity).
  • FIG. 1 shows a schematic view of an injector with a compensation device according to a first exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a schematic view of a compensation device according to a second exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 3 shows a schematic view of a compensation device according to a third exemplary embodiment of the present invention
  • Figure 4 is a schematic view of a compensation device according to a fourth embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is a schematic view of a compensation device according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 A first exemplary embodiment of FIG. Invention described.
  • the injector 1 holds a nozzle needle 2 which can open or close a plurality of nozzle openings 3.
  • the nozzle 3 is controlled via a piezo actuator 7 by the piezo actuator 7 actuating a control valve 6 which is lifted from its seat 12 so that a pressure in a control chamber 5 drops and the nozzle needle lifts off its seat.
  • the nozzle needle 2 is reset by means of a return spring 4.
  • an inlet throttle 8 is arranged between a high-pressure line and the control chamber 5 and an outlet throttle 9 is arranged between the control chamber 5 and the control valve 6.
  • a rail 11 is connected to the high-pressure line 18 in a known manner.
  • the sensor effect of the piezo actuator 7 is now used to measure the frequency of a pressure wave which is generated by opening or closing the nozzle openings 3.
  • the piezo actuator 7 is used by the injector 1 to open or close the control valve 6 in order to control the injection process.
  • the piezo actuator can convert electrical voltage into force and electrical charge into elongation.
  • the reversal of these effects is now used to convert a mechanical force exerted on the piezo actuator 7 into an electrical voltage signal. This is called the sensor effect.
  • the piezo actuator 7 is deflected so far in a control pause between two partial injections that it just absorbs the fuel pressure acting on the valve 6 without triggering the pressure reduction in the control chamber 5 that is necessary for an injection. Pressure fluctuations generated by pressure waves can then be measured as a temporal variation of the sensor voltage signal.
  • the sensor voltage thus allows a direct measurement of the pressure wave and thus the speed of sound of the fuel.
  • the frequency of a pressure wave generated thereby can also be supplied to a control unit 26 of the injector as an input variable.
  • the control unit can thus carry out appropriate measures for adapting the pressure changed by the pressure wave for the next injection process.
  • the compensation device of the second exemplary embodiment is designed as a mechanical anti-resonator 13.
  • the mechanical anti-resonator 13 comprises a piston 14, a spring 15, a pressure compensation line 16 connected in parallel with the piston and a throttle 17 arranged in the line 16.
  • the mechanical anti-resonator 13 is arranged between the injection nozzle 3 and the rail 11 on the high-pressure line 18.
  • the piston 14 is coupled to the fuel pressure.
  • the anti-resonator 13 has an oscillation frequency which is matched to the resonance frequency in the high-pressure line. This causes the mechanical anti-resonator to vibrate, whereby a damping tion of the pressure wave takes place via the throttle 17.
  • the pressure waves generated by the injection can be damped quickly so that a constant pressure is again applied to the injection nozzle 3 during the subsequent injection.
  • FIG. 3 shows a compensation device according to a third exemplary embodiment of the present invention.
  • the same parts were again designated with the same reference numerals as in the previous exemplary embodiments.
  • the compensation device is designed as a dead end line 19.
  • the dead end line 19 is arranged in the vicinity of the injection nozzles 3 and is guided through the injector body of the injector 1. This measure allows the fuel volume in the vicinity of the injection nozzles to be increased, so that the injection causes only a minor pressure change in the high-pressure system. Since, according to the invention, the additional fuel accumulator is designed as an integrated dead end line 19, no additional installation space is necessary, since the dead end line 19 is integrated in the injector.
  • the length of the dead end line 19 is selected such that a pressure node K is located exactly in the region of the nozzle 3 when a pressure wave occurs. The amplitude of the pressure pulsation D occurs precisely at the line end 27. A complete superimposition of the pressure wave can thus be achieved.
  • FIG. 4 shows a compensation device according to a fourth exemplary embodiment of the present invention.
  • the combination device according to the fourth exemplary embodiment is designed as an asymmetrical throttle 20.
  • the asymmetrical throttle 20 has a rounded inlet 21 on one side and a sharp-edged inlet 22 on the other side.
  • the asymmetrical throttle 20 is arranged in such a way that the sharp-edged inlet 22 is in the direction of the injection nozzle 3 and the rounded inlet 21 is located in the direction of the rail 11.
  • the asymmetrical throttle 20 thus has a different flow resistance in its two flow directions, throttling being as small as possible in the direction from the rail 11 to the injection nozzle 3 and throttling of the flow being achieved in the direction from the injection nozzle 3 to the rail 11, so that even in the case of Injection occurring pressure waves can be throttled accordingly.
  • FIG. 5 shows a compensation device according to a fifth exemplary embodiment of the present invention.
  • the compensation device is designed as a backflow throttle 23.
  • the return flow throttle 23 comprises a valve 24 and a throttle 25 connected hydraulically in parallel with the valve 24.
  • the valve 24 closes in one flow direction and opens in the other flow direction.
  • the opening direction of the valve is shown by arrow V.
  • the valve 24 opens during the injection, so that a flow in the direction of the nozzle is possible as freely as possible.
  • a large flow cross-section is made available by opening the valve 24, so that only a small throttling is carried out.
  • valve 24 is closed and thus only a small flow cross section is provided via the throttle 25, so that a large throttle function and thus also a good damping function for pressure waves is achieved.
  • the backflow throttle 23 is preferably arranged on a connection of the high-pressure line 18 leading to the nozzle 3 on the rail 11, where the flow field associated with the pressure wave leads to a high flow velocity.
  • the compensation devices according to the invention enable reliable and sufficient compensation of pressure waves, in particular between a short period of time between two partial injections in a multiple injection in a common rail system. This makes it possible to have a large one Number of partial injections to be carried out during an injection process, as a result of which consumption, noise and exhaust gas values can be further improved.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor (1) zur Einspritzung von Kraftstoff. Der Injektor (1) weist eine Kompensationsvorrichtung (7, 13, 19, 20 ,23) auf, um eine bei der Einspritzung erzeugte Druckwelle zu kompensieren. Dabei wird die Druckwelle verlässlich und vollständig durch die Kompensationsvorrichtung kompensiert.

Description

Beschreibung
Injektor zur Einspritzung von Kraftstoff
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor zur Einspritzung von Kraftstoff und insbesondere einen Injektor für ein Common-Rail-Einspritzsystem, welches Mehrfacheinspritzungen ausführt.
Injektoren für Kraftstoffeinspritzsysteme sind in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Hierbei führen derartige Injektoren insbesondere auch Mehrfacheinspritzungen aus. Unter einer Mehrfacheinspritzung wird dabei eine Einspritzung verstanden, bei der der Einspritzvorgang für einen Arbeitsvorgang in mehrere Teileinspritzungen unterteilt wird. Die Teileinspritzungen werden je nach ihrem Einspritzzeitpunkt als Voreinspritzung, Haupteinspritzung und Nacheinspritzung bezeichnet. Die Voreinspritzung verbessert insbesondere die Gemischaufbereitung und damit das Einsetzen der Verbrennung während der Haupteinspritzung. Hierdurch können auch die Abgaswerte und das Verbrennungsgeräusch verbessert werden. Die Haupteinspritzung zündet die Verbrennung, wobei die eingespritzte Kraftstoffmenge direkt proportional zur freiwerdenden Energie und somit zur Arbeit des Kolbens ist. Die Nacheinspritzung dient insbesondere zur Abgasnachbehandlung und verbessert die Emissionen des Fahrzeugs. Somit weisen Mehrfacheinspritzungen im Vergleich mit nur einer einzigen Einspritzung eine Reihe von Vorteilen auf.
Ein Problem bei Mehrfacheinspritzungen in Verbindung mit Com- mon-Rail-Einspritzsystemen liegt jedoch in der Stabilität bzw. Konstanthaltung des Kraftstoffdrucks im Hochdruckbereich der Einspritzanlage . Bei derartigen Einspritzanlagen ist das Rail üblicherweise so ausgelegt, dass der Kraftstoffdruck im Rail während der Einspritzung konstant bleibt. Das Rail und die Einspritzdüse sind durch Kraftstoffleitungen verbunden, welche teilweise als separate Leitungen und teilweise als Bohrungen im Injektor ausgeführt sind. Diese Leitungen stellen hydraulisch ein schwingungsfahiges System dar. Bei Auftreten einer Druckstorung, die z.B. durch einen Beginn der Einspritzung oder eine Beendigung der Einspritzung an der Düse ausgelost wird, bilden sich in den Leitungen Druckwellen aus. Diese Druckwellen bestehen auch nach dem Ende der Einspritzung fort und klingen erst durch die viskose Flussig- keitsreibung langsam wieder ab. Diese Druckwellen bewirken jedoch, dass zu Beginn der nächsten Teileinspritzung bzw. eines neuen Einspritzvorgangs an der Düse nicht der geforderte Solldruck (Einspritzdruck) zur Verfugung steht. Dadurch entspricht die auf dem Solldruck und der Einspritzdauer basierende Einspritzmenge nicht mehr der Sollmenge. Je nach dem Abstand zu einer vorhergehenden (Teil-) einspritzung (Ausloser der Druckwelle) erfolgt die aktuelle (Teil-) einspritzung in einer anderen Phase der Druckwelle, sodass zu viel (Überdruck) oder zu wenig (Unterdruck) Kraftstoff eingespritzt wird. Dadurch werden die Abgaswerte und/oder die Leistung des Motors im betrachteten Betriebspunkt nicht mehr erreicht.
Um die oben beschriebenen Probleme zu losen, wurde schon vorgeschlagen, mittels einer Regeleinrichtung die Einspritzdauer einer Teileinspritzung an die Phasenlage der Einspritzung zur Druckwelle anzupassen. Bei diesem regelungstechnischen Ansatz ist jedoch eine Voraussetzung, dass man den zeitlichen Verlauf der Druckwelle kennt. Hierzu benotigt man neben der Kenntnis des Auslösers der Druckwelle auch die Kenntnis der Druckwellenfrequenz. Der Ausloser der Druckwelle ist durch die vorhergehende Teileinspritzung bekannt. Die Frequenz ist jedoch abhangig von der Geometrie der Leitung (Durchmesserlange) und der Schallgeschwindigkeit der Welle im Kraftstoff. Die Schallgeschwindigkeit hangt jedoch von der Kraftstoffsorte (Winter-, Sommerdiesel, RME-Diesel) und der Kraftstof temperatur ab. Bis heute gibt es jedoch keine praktikable Möglichkeit, die Art des Kraftstoffs im Tank zu identifizieren. Somit ist die durch die Regeleinrichtung durchgeführte Anpassung der Einspritzdauer einer Teileinspritzung nur bedingt wirksam, sodass sich immer noch große Abweichungen zwischen der tatsächlichen Einspritzmenge und der Sollmenge ergeben.
Eine andere Möglichkeit zur Kompensation von Druckwellen besteht durch die Integration von zusätzlichen Kraftstoffspeichern in der Nähe der Einspritzdüse. Durch die Anordnung zusätzlicher KraftstoffSpeicher nahe der Einspritzdüse kann der Druck an der Düse stabiler gehalten werden, da die eingespritzte Menge eine umso geringere Druckänderung bewirkt, je größer das Kraftstoffvolumen in der nähe der Düse ist. Eine derartige Lösung wird aktuell bei Großdieselmotoren eingesetzt, bei denen jeder Einspritzdüse ein sogenanntes "Single- Rail" zugeordnet wird (vgl. MTZ 61, 2000, 10 "Das Akkumula- tor-Common-Rail-Einspritzsystem für die MTU-Baureihe 8000 mit 1800 bar Systemdruck"). Die dort vorgeschlagene Lösung ist jedoch für Fahrzeugmotoren nur bedingt geeignet, da bei Fahrzeugmotoren nur ein geringer Bauraum zur Verfügung steht und dadurch kann üblicherweise in der Nähe der Düse kein Zusatzspeicher angeordnet werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Dämpfung von Druckwellen ist der Einbau von Drosseln zwischen dem Rail und der Düse. Derartige Drosseln können die vorhandenen Druckwellen dämpfen. Ein Nachteil der bekannten Drosseln liegt jedoch darin, dass bei längeren Einspritzdauern, bei denen es zu einer gerichteten Strömung vom Rail zur Düse kommt, die Drosseln durch ihre Drosselwirkung einen unerwünschten Druckverlust verursachen. Dieser Druckverlust macht sich dabei während der Einspritzung an der Düse bemerkbar und führt somit ebenfalls zu Abweichungen an der Solleinspritzmenge.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Injektor mit einer Vorrichtung zur Kompensation von Druckwellen bereitzustellen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit Druckwellen in verlässlicher Weise vollständig dämpfen kann. Diese Aufgabe wird durch einen Injektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelost. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemaß wird ein Injektor zur Einspritzung von Kraftstoff vorgeschlagen, welcher eine Kompensationsvorrichtung für die bei einer Einspritzung erzeugten Druckwellen aufweist. Mittels der erfindungsgemaßen Kompensationsvorrichtung werden dabei die Druckwellen in verlasslicher Weise vollständig kompensiert. Dabei ist es erfindungsgemaß möglich, eine Kraftstoffeinspritzung bei einem konstanten Einspritzdruck auszufuhren, sodass die tatsachlich eingespritzte Kraftstoffmenge der gewünschten Solleinspritzmenge entspricht. Erfindungsgemaß können dadurch insbesondere Mehrfacheinspritzungen m vorteilhafter Weise realisiert werden und somit die Abgaswerte und das Verbrennungsgerausch bzw. die Verbrauchswerte des Motors positiv beeinflusst werden.
Vorzugsweise umfasst die Kompensationsvorrichtung zur Kompensation von Druckwellen eine Regelungseinrichtung zur Regelung der Druckhohe im Rail und einen Piezoaktuator . Der Piezoaktu- ator erfasst dabei eine Frequenz einer Druckwelle im Hochdruckbereich, indem eine auf den Piezoaktuator durch die Druckwelle ausgeübte mechanische Kraft in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Die Regeleinrichtung kann dann basierend auf dem Signal des Piezoaktuators und weiteren Informationen bezüglich der Druckwelle wie z.B. dem Einspritzbeginn bzw. dem Einspritzende des Injektors eine Anpassung der Druckhohe des Einspritzdrucks ausfuhren. Die Anpassung kann beispielsweise mittels eines Druckregelventils erfolgen, welches zwischen einer Hochdruckpumpe und dem Rail angeordnet
Besonders bevorzugt weist der Injektor einen Piezoaktuator zur Betätigung des Steuerventils des Injektors auf und dieser Piezoaktuator wird gleichzeitig auch zu einer Erfassung der Frequenz der Druckwelle verwendet. Dadurch kann die Bauteile- zahl verringert und mehrere Funktionen in den Piezoaktuator des Injektors integriert werden. Besonders bevorzugt wird hierbei der Piezoaktuator nach Beendigung der Einspritzung, d.h. bei geschlossenem Steuerventil, so weit ausgelenkt, dass eine Übertragung der durch eine Druckwelle auf das Steuerventil einwirkenden Kräfte vollständig auf den Piezoaktuator erfolgen kann. Hierbei wird der Piezoaktuator jedoch nur so weit ausgelenkt, dass das Steuerventil keinen Spalt von einem Steuerraum zu einem Niederdruckbereich freigibt, sodass kein Druckabbau im Steuerraum zum Offnen des Injektors auftritt. Mit anderen Worten wird das Steuerventil durch den Piezoaktuator nur so weit bewegt, dass es nur vollständig von seinem Sitz entlastet ist, jedoch noch kein Druckabbau im Steuerraum erfolgt. Dadurch kann die durch die Druckwelle ausgeübte Kraft vollständig auf den Piezoaktuator übertragen werden, welcher damit in der Lage ist, die Frequenz der Druckwelle mit höchster Genauigkeit zu erfassen.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Kompensationsvorrichtung als Antireso- nator ausgebildet. Der Antiresonator dampft bzw. überlagert eine durch die Einspritzung entstehende Druckwelle. Somit ermöglicht der Antiresonator einen im Wesentlichen konstanten Druck wahrend der Einspritzdauer.
Vorzugsweise ist der Antiresonator als mechanischer Antiresonator ausgebildet. Hierbei kann er beispielsweise als ein Feder-Masse-Dampfer ausgebildet sein. Der Feder-Masse-Dampfer kann beispielsweise ein an eine Kraftstoffleitung gekoppelter Kolben sein, welcher seinerseits an ein mechanisches oder hydraulisches Federelement gekoppelt ist. Hierbei ist ein Dampfungselement, z.B. eine Drossel, zum Kolben parallel geschaltet. Der Antiresonator weist die gleiche Resonanzfrequenz wie das hydraulische System auf und stellt eine starke Dampfung über das Dampfungselement bereit. Dadurch kann die Druckwelle m kurzer Zeit gedampft werden. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Antiresonator als hydraulischer Antiresonator ausgebildet. Dies kann beispielsweise durch das Vorsehen einer Totendleitung bereitgestellt werden, welche in der Nähe der Einspritzdüse beginnt und innerhalb des Injektorkörpers verläuft. Hierbei kann die Totendleitung so ausgelegt werden, dass sich die Druckwellen gegenseitig an der Düse auslöschen, sodass an der Düse während der Einspritzung ein konstanter Druck herrscht. D.h. der Ort der maximalen Amplitude der stationären Druckschwingung wird von der Düse in Richtung Totende verlegt bzw. verschoben. Somit ermöglicht der hydraulische Antiresonator eine teilweise bzw. vollständige Überlagerung der durch den Einspritzvorgang erzeugten Druckwelle. Der große Vorteil eines hydraulischen Antiresonators ist dabei, dass die Kompensation von Druckwellen ohne große Anpassungen für alle Temperaturen und alle Arten von Kraftstoffen erreicht werden kann.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Kompensationsvorrichtung als asymmetrische Drossel ausgebildet. Erfindungsgemäß wird unter einer asymmetrischen Drossel eine Drossel verstanden, bei der die Drossel in ihren zwei Strömungsrichtungen jeweils unterschiedliche Strömungsquerschnitte oder -widerstände aufweist. Eine ideale asymmetrische Drossel lässt eine Strömung in eine Richtung ungehindert passieren und drosselt die Strömung in der entgegengesetzten Richtung.
Vorzugsweise ist die asymmetrische Drossel als Lochdrossel mit einem scharfkantigen Einlauf an einer Seite und einem abgerundeten Einlauf an der anderen Seite ausgebildet. Dadurch herrscht an der Seite mit scharfkantigem Einlauf ein hoher Strömungswiderstand und somit eine hohe Drosselwirkung, und an dem verrundeten Einlauf an der anderen Seite ein geringer Strömungswiderstand und somit nur eine geringe Drosselwirkung. Die Lochdrossel mit unterschiedlichen Einlaufen wird dabei derart angeordnet, dass eine maximale Drosselung der Druckwellen möglich ist.
Gemäß einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die asymmetrische Drossel als Rückströmdrossel, umfassend ein Rückschlagventil und eine zum Rückschlagventil hydraulisch parallel geschaltete Drossel, ausgebildet. Dabei schließt das Rückschlagventil in eine Strömungsrichtung, sodass für die Strömung in dieser Richtung nur ein geringer Restquerschnitt über die parallel geschaltete Drossel zur Verfügung steht. In der anderen Strömungsrichtung öffnet das Rückschlagventil, sodass für die Strömung ein größerer Strömungsquerschnitt und somit eine geringere Drosselwirkung bereitsteht. Besonders bevorzugt wird eine derartige Rückströmdrossel oder eine wie vorstehend beschriebene asymmetrische Drossel an einem Ort mit hoher Strömungsgeschwindigkeit angeordnet. Ein derartiger Ort ist beispielsweise an einem Anschluss der zum Injektor führenden Hochdruckleitung am Rail. An diesem Punkt hat die Druckwelle einen Knoten (konstanter Druck) und die korrespondierende Volumenstromwelle einen Bauch (maximale Strömungsgeschwindigkeit) .
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung ist:
Figur 1 eine schematische Ansicht eines Injektors mit einer Kompensationsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Figur 2 eine schematische Ansicht einer Kompensationsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Figur 3 eine schematische Ansicht einer Kompensationsvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, Figur 4 eine schematische Ansicht einer Kompensationsvorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und
Figur 5 eine schematische Ansicht einer Kompensationsvorrichtung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der . Erfindung beschrieben. Wie in Figur 1 gezeigt, u fasst der Injektor 1 eine Düsennadel 2, welche mehrere Düsenöffnungen 3 freigeben bzw. verschließen kann. Die Düse 3 wird über einen Piezoaktuator 7 gesteuert, indem der Piezoaktuator 7 ein Steuerventil 6 betätigt, welches von seinem Sitz 12 abgehoben wird, sodass ein Druck in einem Steuerraum 5 absinkt und die Düsennadel von ihrem Sitz abhebt. Eine Rückstellung der Düsennadel 2 erfolgt mittels einer Rückstellfeder 4. In bekannter Weise ist eine Zulaufdrossel 8 zwischen einer Hochdruckleitung und dem Steuerraum 5 angeordnet und eine Ablaufdrossel 9 ist zwischen dem Steuerraum 5 und dem Steuerventil 6 angeordnet. Ein Rail 11 steht in bekannter Weise mit der Hochdruckleitung 18 in Verbindung.
Erfindungsgemäß wird nun der Sensoreffekt des Piezoaktuators 7 ausgenutzt, um die Frequenz einer Druckwelle, welche durch Öffnen bzw. Schließen der Düsenöffnungen 3 erzeugt wird, zu messen. Der Piezoaktuator 7 dient dem Injektor 1 dazu, das Steuerventil 6 zu öffnen bzw. zu schließen, um den Einspritzvorgang zu steuern. Dazu wird ausgenutzt, dass der Piezoaktuator elektrische Spannung in Kraft und elektrische Ladung in Längendehnung umsetzen kann. Erfindungsgemäß wird nun die Umkehrung dieser Wirkungen dazu genutzt, eine auf den Piezoaktuator 7 ausgeübte mechanische Kraft in ein elektrisches Spannungssignal umzuwandeln. Dies nennt man den Sensoreffekt. Um eine möglichst genaue Erfassung der Frequenz der Druckwelle zu erreichen, wird in einer Ansteuerpause zwischen zwei Teileinspritzungen der Piezoaktuator 7 so weit ausgelenkt, dass er den auf das Ventil 6 einwirkenden Kraftstoffdruck gerade aufnimmt, ohne den für eine Einspritzung notwendigen Druckabbau im Steuerraum 5 auszulösen. Durch Druckwellen erzeugte Druckschwankungen können dann als zeitliche Variation des Sensorspannungssignals gemessen werden. Damit erlaubt die Sensorspannung eine direkte Messung der Druckwelle und damit auch der Schallgeschwindigkeit des Kraftstoffs. Somit kann einer Regelungseinheit 26 des Injektors neben den Eingangsgrößen des Beginns bzw. des Endes der (Teil-) einspritzung auch die Frequenz einer dadurch erzeugten Druckwelle als Eingangsgröße zugeführt werden. Damit kann die Regelungseinheit entsprechende Maßnahmen zur Anpassung des durch die Druckwelle veränderten Drucks für den nächsten Einspritzvorgang durchgeführt werden.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Figur 2 ein Injektor mit einer Kompensationsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind wieder mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet .
Wie in Figur 2 gezeigt, ist die Kompensationsvorrichtung des zweiten Ausführungsbeispiels als mechanischer Antiresonator 13 ausgebildet. Der mechanische Antiresonator 13 umfasst einen Kolben 14, eine Feder 15, eine parallel zum Kolben geschaltete Druckausgleichsleitung 16 und eine in der Leitung 16 angeordnete Drossel 17. Der mechanische Antiresonator 13 ist zwischen der Einspritzdüse 3 und dem Rail 11 an der Hochdruckleitung 18 angeordnet. Hierbei ist der Kolben 14 an den Kraftstoffdruck gekoppelt. Der Antiresonator 13 weist eine Schwingungsfrequenz auf, welche auf die Resonanzfrequenz in der Hochdruckleitung abgeglichen ist. Dadurch wird der mechanische Antiresonator zum Schwingen angeregt, wobei eine Dämp- fung der Druckwelle über die Drossel 17 erfolgt. Dadurch können die durch die Einspritzung erzeugten Druckwellen rasch gedämpft werden, damit bei der nachfolgenden Einspritzung wieder ein konstanter Druck an der Einspritzdüse 3 anliegt.
In Figur 3 ist eine Kompensationsvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei wurden wieder gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen bezeichnet .
Wie in Figur 3 gezeigt, ist die Kompensationsvorrichtung als Totendleitung 19 ausgebildet. Die Totendleitung 19 ist in der Nähe der Einspritzdüsen 3 angeordnet und wird durch den Injektorkörper des Injektors 1 geführt. Durch diese Maßnahme kann das Kraftstoffvolumen in der Nähe der Einspritzdüsen vergrößert werden, sodass durch die Einspritzung nur eine geringere Druckänderung im Hochdrucksystem auftritt. Da erfindungsgemäß der zusätzliche KraftstoffSpeicher als integrierte Totendleitung 19 ausgebildet ist, ist kein zusätzlicher Bauraum notwendig, da die Totendleitung 19 in den Injektor integriert ist. Die Länge der Totendleitung 19 wird dabei derart gewählt, dass sich bei Auftreten einer Druckwelle ein Druckknoten K genau im Bereich der Düse 3 befindet. Dabei tritt die Amplitude der Druckpulsation D genau am Leitungsende 27 auf. Somit kann eine vollständige Überlagerung der Druckwelle erreicht werden.
In Figur 4 ist eine Kompensationsvorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Kombinationsvorrichtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel ist als asymmetrische Drossel 20 ausgebildet. Die asymmetrische Drossel 20 weist dabei auf einer Seite einen abgerundeten Einlauf 21 und auf der anderen Seite einen scharfkantigen Einlauf 22 auf. Die asymmetrische Drossel 20 ist dabei derart angeordnet, dass sich der scharfkantige Einlauf 22 in Richtung der Einspritzdüse 3 befindet und der ab- gerundete Einlauf 21 sich in Richtung des Rails 11 befindet. Somit weist die asymmetrische Drossel 20 in ihren zwei Strömungsrichtungen einen unterschiedlichen Strömungswiderstand auf, wobei in Richtung vom Rail 11 zur Einspritzdüse 3 eine möglichst geringe Drosselung erfolgt und in Richtung von der Einspritzdüse 3 zum Rail 11 eine Drosselung der Strömung erreicht wird, sodass auch bei der Einspritzung auftretende Druckwellen entsprechend gedrosselt werden können.
In Figur 5 ist eine Kompensationsvorrichtung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Wie in Figur 5 gezeigt, ist die Kompensationsvorrichtung als Rückströmdrossel 23 ausgebildet. Die Rückströmdrossel 23 umfasst ein Ventil 24 sowie eine zum Ventil 24 hydraulisch parallel geschaltete Drossel 25. Das Ventil 24 schließt in eine Strömungsrichtung und öffnet in die andere Strömungsrichtung. Die Öffnungsrichtung des Ventils ist durch den Pfeil V dargestellt. Dabei öffnet das Ventil 24 während der Einspritzung, sodass eine Strömung in Richtung der Düse möglichst ungehindert möglich ist. Durch Öffnung des Ventils 24 wird ein großer Strömungsquerschnitt zur Verfügung gestellt, sodass nur eine geringe Drosselung ausgeführt wird. Im Gegensatz dazu wird nach Beendigung der Einspritzung das Ventil 24 geschlossen und somit nur ein geringer Strömungsquerschnitt über die Drossel 25 bereitgestellt, sodass eine große Drosselfunktion und damit auch eine gute Dämpfungsfunk- tion für Druckwellen erreicht wird. Die Rückströmdrossel 23 ist dabei vorzugsweise an einem Anschluss der zur Düse 3 führenden Hochdruckleitung 18 am Rail 11 angeordnet, wo das mit der Druckwelle einhergehende Strömungsfeld zu einer hohen Strömungsgeschwindigkeit führt.
Insgesamt ermöglichen die erfindungsgemäßen Kompensationsvorrichtungen eine sichere und ausreichende Kompensation von Druckwellen, insbesondere zwischen einem kurzen Zeitraum zweier Teileinspritzungen bei einer Mehrfacheinspritzung bei einem Common-Rail-System. Dadurch ist es möglich, eine große Anzahl von Teileinspritzungen während eines Einspritzvorgangs auszuführen, wodurch Verbrauchs-, Geräuschs- und Abgaswerte weiter verbessert werden können.
Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Ä- quivalente zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Injektor zur Einspritzung von Kraftstoff, gekennzeichnet durch eine Kompensationsvorrichtung zur Kompensation von bei der Einspritzung erzeugten Druckwellen, wobei die Druckwellen in verlässlicher Weise vollständig kompensiert werden.
2. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsvorrichtung eine Regelungseinrichtung (26) und einen Piezoaktuator (7) um- fasst, wobei der Piezoaktuator (7) eine Frequenz der Druckwelle durch Umwandlung der auf den Piezoaktuator (7) ausgeübten mechanischen Kraft in ein elektrisches Signal erfasst und die Regelungseinrichtung (26) basierend auf dem Signal des Piezoaktuators (7) und der Informationen über den Einspritzbeginn und das Einspritzende des Injektors eine Anpassung der Druckhöhe des Einspritzdrucks ausführt .
3. Injektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass als Piezoaktuator ein zur Betätigung eines Steuerventils (6) im Injektor vorhandener Piezoaktuator verwendet wird.
4. Injektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktuator (7) nach Beendigung der Einspritzung das Steuerventil (6) so weit auslenkt, dass eine Übertragung der durch eine Druckwelle auf das Steuerventil (6) einwirkenden Kraft vollständig auf den Piezoaktuator (7) erfolgt, wobei durch die Auslenkung des Steuerventils (6) kein Druckabbau in einem Steuerraum (5) auftritt, sodass der Injektor keine Einspritzung ausführt .
5. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsvorrichtung als Anti- resonator ausgebildet ist, welcher eine der durch die Einspritzung erzeugte Druckwelle dämpft und/oder überlagert .
Injektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Antiresonator ein mechanischer Antiresonator ist.
Inj ektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Antiresonator ein Feder-Masse-Dämpfer ist, umfassend einen Kolben (14), eine Feder (15), eine zum Kolben (14) parallel angeordnete Druckausgleichsleitung (16) und eine in der Druckausgleichsleitung (16) angeordnete Drossel (17).
Injektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Antiresonator als hydraulischer Antiresonator ausgebildet ist.
Injektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Antiresonator eine Totendleitung (19) ist, welche in der Nähe der Einspritzdüse (3) integral im Injektor angeordnet ist.
Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsvorrichtung als asymmetrische Drossel ausgebildet ist.
Injektor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die asymmetrische Drossel als Lochdrossel (20) mit einem scharfkantigen Einlauf (22) auf einer Seite und einem verrundeten Einlauf (21) auf der anderen Seite ausgebildet ist.
Injektor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die asymmetrische Drossel als Rückströmdrossel (23) ausgebildet ist, welche ein Ventil (24) und eine zum Ventil (24) hydraulisch parallel geschaltete Drossel (25) umfasst.
13. Injektor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückströmdrossel (23) in einer Leitung zwischen einem Rail (11) und dem Injektor an einer Position angeordnet ist, an der die höchste Strömungsgeschwindigkeit der Druckwelle herrscht.
14. Injektor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückströmdrossel (23) am Anschluss der zum Injektor (1) führenden Leitung (18) am Rail (11) angeordnet ist.
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