EP2807366B1 - Vorrichtung zum einspritzen von kraftstoff in den brennraum einer brennkraftmaschine - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a device for injecting fuel into the combustion chamber of an internal combustion engine having at least one injector, which includes a high-pressure accumulator integrated in the injector body, an injection nozzle comprising an axially displaceable nozzle needle, which is surrounded by a nozzle chamber, a high-pressure accumulator and the nozzle chamber connecting high-pressure bore and an inlet bore in order to supply the high-pressure accumulator high-pressure fuel, wherein the inlet bore has a laterally arranged on the injector body lance connection.
- Injection injectors of this type are used in modular common rail systems, which are characterized in that a part of the existing storage volume in the system is present in the injector itself.
- Modular common-rail systems are used in particularly large engines, in which the individual injectors may be mounted at a considerable distance from each other.
- the sole use of a common rail for all injectors is not useful in such engines, as it would come to a massive slump in injection pressure due to the long lines during injection, so with prolonged injection duration, the injection rate would noticeably break.
- it is therefore intended to arrange a high-pressure accumulator inside each injector.
- Such a design is referred to as a modular structure, since each injector has its own high-pressure accumulator and thus can be used as a stand-alone module.
- a high-pressure accumulator is not a common line to understand, but it is a pressure-resistant vessel with an inlet and outlet, whose Diameter is significantly increased compared to the high pressure lines, so that from the high-pressure accumulator a certain amount of injection can be delivered without causing an immediate pressure drop.
- High-pressure fuel is supplied from a high-pressure pump, wherein the supply takes place either via a high-pressure port of the injector at the top of the high-pressure accumulator (so-called top feed) or via a laterally contacting the injector lance (so-called Sidefeed).
- top feed a high-pressure port of the injector at the top of the high-pressure accumulator
- Sidefeed a laterally contacting the injector lance
- Sidefeed the lance opens via a lance connection of the injector in an inlet bore, which opens into the high-pressure accumulator connecting the high-pressure reservoir with the nozzle antechamber high pressure bore.
- the Sidefeed has a number of advantages, especially in large-scale engines, since it allows the leadership of the fuel flow to the injector across the cylinder, whereby the length of the feed can be shortened compared to a pot feed in the rule.
- the Sidefeed in the conventional design has the disadvantage that the high-pressure fuel flows directly from the lance connection to the injection nozzle during the injection, which leads to an insufficient replacement of the fuel in the high-pressure accumulator. Replacing the fuel is important, however, so that it does not lead to deposits or the emergence of residues. The risk of deposits or residues exists especially when using high-viscosity fuels, such as heavy oil in large diesel engines.
- Another disadvantage of the above-described type Sidefeed is that the mouth of the inlet hole in the high-pressure bore, which is usually carried out in the form of a T-connection, is unfavorable strength.
- the invention therefore aims to avoid the above-mentioned disadvantages, in particular to prevent the formation of deposits and residues in the high pressure accumulator of a modular common rail injector.
- the invention provides, starting from a device of the type mentioned in essence, that the inlet bore is formed as a separate hole from the high pressure bore, which connects the lance connection with the high-pressure accumulator directly. This ensures that the entire amount of fuel supplied to the injector is passed through the high-pressure accumulator, so that a sufficient replacement of the fuel in the high-pressure accumulator can take place.
- This fuel guide also promotes the creation of turbulence, resulting in a better ventilation of the high-pressure accumulator.
- a particularly preferred construction provides that the lance connection is formed on a holding body which is connected, in particular screwed, to the end face of the storage tube forming the high-pressure accumulator.
- pressure oscillations also lead to strong fluctuations in the injection rate in fast successive injection events. If, for example, a pressure oscillation at the nozzle seat is induced by a pre-injection, then with a constant opening time of the nozzle needle for the second, subsequent injection, the injected quantity depends on whether the second injection occurred earlier in a maximum or in a minimum of the pressure oscillation. The lowest possible pressure oscillation at the injection nozzle in all operating states of the hydraulic system is therefore desirable.
- WO 2007/143768 A1 One way of reducing pressure pulsations is the WO 2007/143768 A1 can be seen, wherein a parallel to the high-pressure line between the injection nozzle and high-pressure accumulator switched resonator is provided, which has a high-pressure accumulator side Resonatordrossel.
- the resonator throttle is preferably arranged at the inlet of the resonator line into the high-pressure accumulator.
- the inventive design is particularly advantageous for injectors to bear, in which the nozzle needle for controlling its opening and closing movement of the prevailing in a fuel-pressurized control chamber pressure in the axial direction can be acted upon, wherein the control chamber with an inlet throttle having inlet channel and a flow channel having an outlet throttle is in communication and at least one inlet or outlet channel opening or closing control valve is provided with which the pressure in the control chamber is controllable.
- Fig.1 schematically a cross section of an equipped with a high-pressure accumulator injector according to the prior art
- Fig.2 a schematic representation of the inventive design of the injector.
- an injector 1 having an injector 2, a throttle plate 3, a valve plate 4, a holding body 5 and a high-pressure accumulator 6, wherein a screwed to the holding body 5 nozzle retaining nut 7, the injection nozzle 2, the throttle plate 3 and the valve plate 4 together.
- the solenoid valve 13 is closed, so that the high-pressure fuel from the high pressure accumulator 6 via the high pressure line 8, the cross connection 9 and the inlet throttle 10 flows into the control chamber 11 of the injection nozzle 2, the Outflow from the control chamber 11 via the outlet throttle 12 but is blocked at the valve seat of the solenoid valve 13.
- a resonator is used. This consists of a resonator 20, which is the same length and the same Diameter as the high-pressure line 8, and a resonator 21, which is attached to the memory-side end of the resonator 20 and connects them to the memory 6.
- the solenoid valve 13 When closing the solenoid valve 13, the pressure pulse generated at the nozzle seat 16 is propagated via the nozzle chamber 19 into the high-pressure line 8 and the resonator line 20.
- the supply of high-pressure fuel to the high-pressure accumulator 6 takes place at the in Fig. 1 illustrated embodiment of the prior art from the side of the injector 1, via a sidefeed 24.
- the Sidefeed 24 includes a laterally screwed into the injector 1 lance or a lance connector 25 (only in Fig. 2 shown).
- the inlet bore is designated 22 and opens at 23 in the high-pressure bore 8.
- Fig. 2 shows a highly schematic representation of the injector 1, wherein the in Fig.1 Functional components described in more detail, namely the memory 6, the holding body 5, the valve plate 4, the throttle plate 3 and the injection nozzle 2 are only outlined without their individual components, as they are based on the Fig. 1 described individually.
- Fig. 2 shows the construction according to the invention, in which the inlet bore 22 connects the lance connection 25 directly to the high-pressure accumulator 6. This leads to the fact that with each injection the entire injection quantity is taken from the high-pressure accumulator 6, so that over the running time there is sufficient circulation of the accumulator contents.
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Injektor, der einen im Injektorkörper integrierten Hochdruckspeicher, eine Einspritzdüse, die eine axial verschieblich geführte Düsennadel umfasst, die von einem Düsenraum umgeben ist, eine den Hochdruckspeicher und den Düsenraum verbindende Hochdruckbohrung und eine Zulaufbohrung, um dem Hochdruckspeicher Hochdruckkraftstoff zuzuführen, umfasst, wobei die Zulaufbohrung einen seitlich am Injektorkörper angeordneten Lanzenanschluss aufweist.
- Einspritzinjektoren dieser Art werden in modularen Common-Rail-Systemen verwendet, die dadurch gekennzeichnet sind, dass ein Teil des im System vorhandenen Speichervolumens im Injektor selbst vorhanden ist. Modulare Common-Rail-Systeme kommen bei besonders großen Motoren zum Einsatz, bei welchen die einzelnen Injektoren unter Umständen in erheblichem Abstand voneinander angebracht sind. Die alleinige Verwendung eines gemeinsamen Rails für alle Injektoren ist bei solchen Motoren nicht sinnvoll, da es aufgrund der langen Leitungen während der Einspritzung zu einem massiven Einbruch im Einspritzdruck kommen würde, sodass bei längerer Spritzdauer die Einspritzrate merklich einbrechen würde. Bei solchen Motoren ist es daher vorgesehen, einen Hochdruckspeicher im Inneren eines jeden Injektors anzuordnen. Eine solche Bauweise wird als modularer Aufbau bezeichnet, da jeder einzelne Injektor über seinen eigenen Hochdruckspeicher verfügt und somit als eigenständiges Modul eingesetzt werden kann. Unter einem Hochdruckspeicher ist hierbei nicht eine gewöhnliche Leitung zu verstehen, sondern es handelt sich um ein druckfestes Gefäß mit einer Zu- bzw. Ableitung, dessen Durchmesser im Vergleich zu den Hochdruckleitungen deutlich vergrößert ist, damit aus dem Hochdruckspeicher eine gewisse Einspritzmenge abgegeben werden kann, ohne dass es zu einem sofortigen Druckabfall kommt.
- Injektoren von modularen Common-Rail-Systemen wie in der
WO 03/076794 - Die Erfindung zielt daher darauf ab, die oben genannten Nachteile zu vermeiden, insbesondere die Entstehung von Ablagerungen und Rückständen im Hochdruckspeicher eines modularen Common-Rail-Injektors zu verhindern.
- Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Art im Wesentlichen vor, dass die Zulaufbohrung als von der Hochdruckbohrung gesonderte Bohrung ausgebildet ist, die den Lanzenanschluss mit dem Hochdruckspeicher direkt verbindet. Dadurch wird gewährleistet, dass die gesamte Menge des dem Injektor zugeführten Kraftstoffes durch den Hochdruckspeicher geleitet wird, sodass ein ausreichender Austausch des Kraftstoffes im Hochdruckspeicher stattfinden kann. Diese Kraftstoffführung fördert außerdem das Entstehen von Verwirbelungen, wodurch es zu einer besseren Entlüftung des Hochdruckspeichers kommt.
- Eine besonders bevorzugte Konstruktion sieht vor, dass der Lanzenanschluss an einem Haltekörper ausgebildet ist, der stirnseitig mit dem den Hochdruckspeicher bildenden Speicherrohr verbunden, insbesondere verschraubt ist.
- In einem Common-Rail-System werden elektronisch gesteuerte Einspritzinjektoren zum Einspritzen des Kraftstoffs in den Motorbrennraum verwendet. Die in diesen Injektoren verwendeten Servoventile bewirken ein sehr schnelles Schließen der Einspritzdüse. Beim Schließen der Einspritzdüse läuft der Kraftstoff gegen ein geschlossenes Leitungsende, wobei auf Grund der Trägheit des Kraftstoffes der Druck vor der Einspritzdüse deutlich ansteigt. Diese Druckspitze läuft in der Folge in der Hochdruckbohrung zwischen Einspritzdüse und dem Hochdruckspeicher hin und her, wobei am Düsensitz starke Druckpulsationen entstehen, die hier zu starkem Verschleiß führen. Die dabei auftretenden Druckspitzen liegen in ungünstigen Fällen um bis zu 500 bar über dem Raildruck.
- Diese Druckschwingungen führen bei schnell aufeinander folgenden Einspritzvorgängen überdies zu starken Schwankungen der Einspritzrate. Wird zum Beispiel durch eine Voreinspritzung eine Druckschwingung am Düsensitz induziert, so ist bei konstanter Öffnungszeit der Düsennadel für die zweite, nachfolgende Einspritzung die eingespritzte Menge davon abhängig, ob die zweite Einspritzung eher in einem Maximum oder in einem Minimum der Druckschwingung erfolgt ist. Eine möglichst geringe Druckschwingung an der Einspritzdüse in allen Betriebszuständen des hydraulischen Systems ist daher erstrebenswert.
- Eine Möglichkeit der Reduktion von Druckpulsationen ist der
WO 2007/143768 A1 zu entnehmen, wobei eine parallel zur Hochdruckleitung zwischen Einspritzdüse und Hochruckspeicher geschaltene Resonatorleitung vorgesehen ist, die hochdruckspeicherseitig eine Resonatordrossel aufweist. Bevorzugt ist die Resonatordrossel am Eintritt der Resonatorleitung in den Hochdruckspeicher angeordnet. Die aus derWO 2007/143768 A1 bekannte Ausbildung sieht somit vor, dass die Hochdruckleitung in zwei voneinander unabhängige Bereiche geteilt wird, von denen einer mit einer Drossel ausgestattet ist, sodass die Druckschwingungen, die am Düsensitz entstehen, in beiden Bereichen unterschiedlich reflektiert werden und sich die reflektierten Schwingungen aufgrund ihres Phasenversatzes nahezu auslöschen. Diese Art der Reduktion von Druckpulsen funktioniert bei einer herkömmlichen Kraftstoffzuführung mittels Sidefeed nicht optimal, da hier die seitliche Kraftstoffzufuhr in die Hochdruckbohrung mündet, wobei es an der Einmündungsstelle zu Reflexionen und Überlagerungen von Druckwellen kommt, welche die mit dem beschriebenen Resonatorsystem beabsichtigte Auslöschung von Druckwellen stört. Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung, bei der die Zuführung des Kraftstoffes vom Lanzenanschluss direkt in den Hochdruckspeicher erfolgt, wird der störende Einfluss der Mündungsstelle eliminiert, sodass das Resonatorsystem die Druckpulse wesentlich wirksamer reduzieren kann. - Die erfindungsgemäße Ausbildung kommt besonders vorteilhaft bei Injektoren zum Tragen, bei denen die Düsennadel zur Steuerung ihrer Öffnungs- und Schließbewegung von dem in einem mit Kraftstoff unter Druck speisbaren Steuerraum herrschenden Druck in axialer Richtung beaufschlagbar ist, wobei der Steuerraum mit einem eine Zulaufdrossel aufweisenden Zulaufkanal und einem eine Ablaufdrossel aufweisenden Ablaufkanal in Verbindung steht und wenigstens ein den Zu- oder Ablaufkanal öffnendes oder schließendes Steuerventil vorgesehen ist, mit dem der Druck im Steuerraum steuerbar ist.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In dieser zeigen
Fig.1 schematisch einen Querschnitt eines mit einem Hochdruckspeicher ausgestatteten Injektors gemäß dem Stand der Technik undFig.2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Ausbildung des Injektors. - In
Fig.. 1 ist ein Injektor 1 dargestellt, der eine Einspritzdüse 2, eine Drosselplatte 3, eine Ventilplatte 4, einen Haltekörper 5 und einen Hochdruckspeicher 6 aufweist, wobei eine mit dem Haltekörper 5 verschraubte Düsenspannmutter 7 die Einspritzdüse 2, die Drosselplatte 3 und die Ventilplatte 4 zusammenhält. Im Ruhezustand ist das Magnetventil 13 geschlossen, sodass der Hochdruckkraftstoff aus dem Hochdruckspeicher 6 über die Hochdruckleitung 8, die Querverbindung 9 und die Zulaufdrossel 10 in den Steuerraum 11 der Einspritzdüse 2 strömt, der Abfluss aus dem Steuerraum 11 über die Ablaufdrossel 12 aber am Ventilsitz des Magnetventils 13 blockiert ist. Der im Steuerraum 11 anliegende Systemdruck drückt gemeinsam mit der Kraft der Düsenfeder 14 die Düsennadel 15 in den Düsennadelsitz 16, sodass die Spritzlöcher 17 verschlossen sind. Wird das Magnetventil 13 betätigt, gibt es den Durchfluss über den Magnetventilsitz frei, und Kraftstoff strömt aus dem Steuerraum 11 durch die Ablaufdrossel 12, den Magnetventilankerraum und die Niederdruckbohrung 18 zurück in den nicht dargestellten Kraftstofftank. Es stellt sich ein durch die Strömungsquerschnitte von Zulaufdrossel 10 und Ablaufdrossel 12 definierter Gleichgewichtsdruck im Steuerraum 11 ein, der so gering ist, dass der im Düsenraum 19 anliegende Systemdruck die im Düsenkörper längs verschieblich geführte Düsennadel 15 zu öffnen vermag, sodass die Spritzlöcher 17 freigegeben werden und eine Einspritzung erfolgt. - Sobald das Magnetventil 13 geschlossen wird, wird der Ablaufweg des Kraftstoffes durch die Ablaufdrossel 12 gesperrt. Über die Zulaufdrossel 10 wird im Steuerraum 11 wieder Kraftstoffdruck aufgebaut, was eine zusätzliche Schließkraft erzeugt, welche die hydraulische Kraft auf die Druckschulter der Düsennadel 15 vermindert und die Kraft der Düsenfeder 14 übersteigt. Die Düsennadel 15 verschließt den Weg zu den Einspritzöffnungen 17, wobei der Einspritzvorgang beendet wird.
- Aufgrund der Massenträgheit des Kraftstoffs in Speicher 6, Hochdruckleitung 8 und Düsenraum 19 kommt es direkt nach dem Schließen der Düsennadel 15 zu starken Druckschwingungen am Düsensitz 16, da der fließende Kraftstoff in sehr kurzer Zeit abgebremst werden muss. Zur Reduktion der Druckschwingungen kommt ein Resonator zum Einsatz. Dieser besteht aus einer Resonatorleitung 20, welche die gleiche Länge und den gleichen Durchmesser wie die Hochdruckleitung 8 aufweist, sowie einer Resonatordrossel 21, die am speicherseitigen Ende der Resonatorleitung 20 angebracht ist und diese mit dem Speicher 6 verbindet. Beim Schließen des Magnetventils 13 pflanzt sich der am Düsensitz 16 entstehende Druckpuls über den Düsenraum 19 in die Hochdruckleitung 8 und die Resonatorleitung 20 fort. Am Ende der Hochdruckleitung 8 erfolgt eine Reflexion des Druckpulses am offenen Ende am Übergang in den Speicher 6. Gleichzeitig wird der in der Resonatorleitung 20 laufende Druckpuls am geschlossenen Ende an der Resonatordrossel 21 reflektiert. Die beiden reflektierten Druckpulse sind aufgrund der unterschiedlichen Reflexionsart (offenes bzw. geschlossenes Ende) um 180° phasenverschoben, sodass sie sich beim Aufeinandertreffen im Düsenraum 19 auslöschen. Dadurch kommt es zu keinen weiteren Druckpulsen am Düsensitz 16, sodass hier deutlich weniger Verschleiß auftritt.
- Die Zufuhr von Hochdruckkraftstoff zum Hochdruckspeicher 6 erfolgt bei der in
Fig. 1 dargestellten Ausführung gemäß dem Stand der Technik von der Seite des Injektors 1, und zwar über einen Sidefeed 24. Der Sidefeed 24 umfasst eine seitlich in den Injektor 1 eingeschraubte Lanze bzw. einen Lanzenanschluss 25 (nur inFig. 2 dargestellt). Die Zulaufbohrung ist mit 22 bezeichnet und mündet bei 23 in die Hochdruckbohrung 8. So fließt der Kraftstoff während der Einspritzung des Injektors 1 nicht nur aus dem Hochdruckspeicher 6 zur Einspritzdüse 2, sondern auf Grund des Druckabfalls auch von der Zulaufbohrung 22 direkt zur Einspritzdüse 2. Nach Beendigung der Einspritzung wird der Hochdruckspeicher 6 über den aus der Lanze nachfließenden Kraftstoff wieder aufgefüllt. Somit erfolgt mit dieser nachfließenden Menge lediglich ein kleiner Kraftstoffaustausch im Speicher. -
Fig. 2 zeigt eine stark schematisierte Darstellung des Injektors 1, wobei die inFig.1 näher beschriebenen Funktionskomponenten, nämlich der Speicher 6, der Haltekörper 5, die Ventilplatte 4, die Drosselplatte 3 und die Einspritzdüse 2 nur umrissen sind, ohne deren einzelne Bauteile, wie sie anhand derFig. 1 beschrieben wurden, einzeln darzustellen.Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Ausbildung, bei welcher die Zulaufbohrung 22 den Lanzenanschluss 25 direkt mit dem Hochdruckspeicher 6 verbindet. Dies führt dazu, dass bei jeder Einspritzung die gesamte Einspritzmenge aus dem Hochdruckspeicher 6 entnommen wird, sodass es über die Laufzeit zu einer ausreichenden Umwälzung des Speicherinhalts kommt.
Claims (3)
- Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Injektor (1), der einen im Injektorkörper integrierten Hochdruckspeicher (6), eine Einspritzdüse (2), die eine axial verschieblich geführte Düsennadel (15) umfasst, die von einem Düsenraum (19) umgeben ist, eine den Hochdruckspeicher (6) und den Düsenraum (19) verbindende Hochdruckbohrung (8) und eine Zulaufbohrung (22), um dem Hochdruckspeicher (6) Hochdruckkraftstoff zuzuführen, umfasst, wobei die Zulaufbohrung (22) einen seitlich am Injektorkörper angeordneten Lanzenanschluss (25) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zulaufbohrung (22) als von der Hochdruckbohrung (8) gesonderte Bohrung ausgebildet ist, die den Lanzenanschluss (25) direkt mit dem Hochdruckspeicher (6) verbindet, wobei der Lanzenanschluss (25) an einem Haltekörper (5) ausgebildet ist, der stirnseitig mit dem den Hochdruckspeicher (6) bildenden Speicherrohr verbunden, insbesondere verschraubt ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine parallel zur Hochdruckbohrung (8) geschaltene Resonatorbohrung (20) vorgesehen ist, die mit der Einspritzdüse (2) in Verbindung steht und über eine Resonatordrossel (21) in den Hochdruckspeicher (6) mündet.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (15) zur Steuerung ihrer Öffnungs- und Schließbewegung von dem in einem mit Kraftstoff unter Druck speisbaren Steuerraum (11) herrschenden Druck in axialer Richtung beaufschlagbar ist, wobei der Steuerraum (11) mit einem eine Zulaufdrossel (10) aufweisenden Zulaufkanal (9) und einem eine Ablaufdrossel (12) aufweisenden Ablaufkanal in Verbindung steht und wenigstens ein den Zu- oder Ablaufkanal öffnendes oder schließendes Steuerventil (13) vorgesehen ist, mit dem der Druck im Steuerraum (11) steuerbar ist.
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