WO2001027466A1 - Druckübersetzer für ein kraftstoffeinspritzsystem für brennkraftmaschinen - Google Patents

Druckübersetzer für ein kraftstoffeinspritzsystem für brennkraftmaschinen Download PDF

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    • F02M63/0003—Fuel-injection apparatus having a cyclically-operated valve for connecting a pressure source, e.g. constant pressure pump or accumulator, to an injection valve held closed mechanically, e.g. by springs, and automatically opened by fuel pressure
    • F02M63/0007—Fuel-injection apparatus having a cyclically-operated valve for connecting a pressure source, e.g. constant pressure pump or accumulator, to an injection valve held closed mechanically, e.g. by springs, and automatically opened by fuel pressure using electrically actuated valves

Definitions

  • the invention is based on a pressure intensifier for a fuel injection system for internal combustion engines, the pressure intensifier having a stepped piston that can be displaced in a bore, the end faces of which each delimit a pressure chamber, a first larger end face of the stepped piston delimiting a first pressure chamber that can be hydraulically connected to a high-pressure accumulator, one of which second, opposite smaller end face of the
  • Step piston delimits a second pressure chamber connected to an injection nozzle, and the change in cross-section of the step piston and a shoulder in a housing of the pressure booster limit a relief chamber.
  • the invention is therefore based on the object of providing a pressure intensifier whose space requirements for the means for refilling the pressure intensifier are low and which is of simple construction.
  • a pressure intensifier for a fuel injection system for internal combustion engines having a stepped piston which can be displaced in a bore, the end faces of which each delimit a pressure chamber, a first, larger end face of the stepped piston delimiting a first pressure chamber which can be hydraulically connected to a high-pressure accumulator , wherein a second, opposite smaller end face of the step piston delimits a second pressure chamber connected to an injection nozzle, the cross-sectional change of the step piston and a shoulder in a housing of the pressure booster delimiting a relief chamber, and wherein the first pressure chamber and the
  • Relief chamber are hydraulically connectable.
  • This pressure booster according to the invention has the advantage that the pressure present in the first pressure chamber after the end of the injection can be used to generate a hydraulic force which acts on the cross-sectional change of the step piston in the relief chamber and which returns the step piston to its starting position before the start of injection. At the same time, the pressure in the second pressure chamber of the pressure booster collapses, so that the injection is ended. This will make the Refilling of the second pressure chamber in the injection nozzle enables or significantly facilitates.
  • the possible elimination of a large-sized return spring means that the relief space can be kept small, which is particularly necessary in the case of pressure intensifiers with a low transmission ratio.
  • a variant of the invention provides that between the high-pressure accumulator, the first pressure chamber and the relief chamber and control valve, in particular a 3/2 control valve is arranged, which hydraulically separates the high-pressure accumulator from the relief chamber or the high-pressure accumulator from the relief chamber and the first pressure chamber, so that all functions of the Pressure converter can be controlled easily and reliably.
  • control valve is actuated by a piezo actuator or an electromagnet, so that a suitable actuator can be used depending on the operating conditions and the required actuating forces.
  • a return spring is clamped in the relief chamber, which is supported on a stationary system and thereby acts on the step piston at its cross-sectional change on the relief chamber side against its conveying movement, so that the refilling of the pressure booster according to the invention is supported by the return spring and the existing relief chamber is used in the best possible way.
  • the return spring has the task of moving the stepped piston to its starting position when there is no pressure in the high-pressure accumulator of the fuel injection system, for example due to a shutdown of the internal combustion engine.
  • a leak oil return from the pressure booster conveys fuel to the injection nozzle via a check valve, so that as soon as the pressure in the second pressure chamber drops below the pressure of the leak oil return, the pressure booster is refilled without additional funding.
  • the check valve prevents the backflow of fuel from the second pressure chamber or the injection nozzle into the leak oil return.
  • the check valve opens into the second pressure chamber, so that the fuel in the high-pressure region of the fuel injection system, namely from the second pressure chamber via a high-pressure path and to the injection nozzle, is continuously exchanged.
  • the fuel remains relatively cool in the high pressure range, which improves the operating behavior of the fuel injection system.
  • the check valve is spring-loaded, so that a more stable operating behavior of the check valve is achieved.
  • Another variant provides a stroke stop which limits the movement of the stepped piston into the first pressure chamber, so that the first pressure chamber always has a certain minimum volume and thus also a certain "softness”. This reduces the force peaks and reduces the load on the individual components.
  • the stroke stop is arranged in the first pressure chamber, so that there is a simple and compact construction and, in addition, the stroke stop essentially only transmits forces to the step piston in the axial direction thereof.
  • a pressure intensifier according to the invention is shown in the drawing. Central components of the pressure booster are the first pressure chamber 1 and the second pressure chamber 3. A stepped piston 5 is arranged between the two pressure chambers 1 and 3. The first end surface 7 projecting into the first pressure chamber 1 is larger than the second end surface 9 projecting into the second pressure chamber. The ratio of the first to the second end surfaces 7 and 9 determines the pressure transmission ratio of the pressure intensifier. A cross-sectional change 11 and a shoulder 13 of a housing 15 of the pressure booster delimit a relief space 17.
  • the stepped piston 5 is guided in a bore 18 of the housing 15.
  • the second pressure chamber 3 is connected to an injection nozzle 21 via a high pressure path 19.
  • a control valve 23 controls the supply of fuel from a high-pressure accumulator 25 into the first pressure chamber 1 and the relief chamber 17.
  • the control valve 23 is designed as a 3/2-way control valve.
  • a connection goes to the high-pressure accumulator 25, a second connection connects the control valve 23 to the first pressure chamber 1 and a third connection of the control valve 23 leads to the relief chamber 17.
  • the control valve 23 is controlled by an actuating piston 27 which is actuated by an actuator, not shown, for example one Piezo actuator or an electromagnet, is moved back and forth between its switching positions.
  • the leak oil return 39 is filled, inter alia, by the leakage between the stepped piston 5 and the housing 15 and the amount of charge from the relief chamber 17. So that a sufficient pressure can build up in the relief space 17, an outlet throttle 41 is arranged between the relief space 17 and the leak oil return 39.
  • the check valve 37 is spring-loaded in the embodiment shown in the drawing. However, this does not have to be the case.
  • a stroke stop 43 is shown in the first pressure chamber 1, which ensures that the first pressure chamber 1 always has a certain minimum volume.
  • this minimum volume improves the operating behavior of the pressure intensifier, in particular when refilling.

Abstract

Es wird ein Einspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit Druckübersetzer vorgeschlagen, bei dem der Stufenkolben (5) des Druckübersetzers durch einen Druckstoss in seine Ausgangslage zurückbewegt wird. Gleichzeitig wird der zweite Druckraum (3) bzw. die Einspritzdüse (21) aus dem Leckölrücklauf (39) wiederbefüllt.

Description

DRUCKUBERSETZER FÜR EIN KRAFTSTOFFEINSPRITZSYSTEM FÜR BRENNKRAFTMASCHINEN
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Druckübersetzer für ein Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen, wobei der Druckübersetzer einen in einer Bohrung verschiebbaren Stufenkolben aufweist, dessen Stirnflächen jeweils einen Druckraum begrenzen, wobei eine erste größere Stirnfläche des Stufenkolbens einen ersten mit einem Hochdruckspeicher hydraulisch verbindbaren Druckraum begrenzt, wobei eine zweite, gegenüberliegende kleinere Stirnfläche des
Stufenkolbens einen zweiten, mit einer Einspritzdüse verbundenen Druckraum begrenzt und wobei die Querschnittsänderung des Stufenkolbens und ein Absatz in einem Gehäuse des Druckübersetzers einen Entlastungsraum begrenzen.
Bei derartigen Druckübersetzern wird die Wiederbefüll ng des zweiten Druckraums und der Einspritzdüse bislang von einer auf den Stufenkolben wirkenden Rückstellfeder übernommen. Nachteilig an dieser Ausführung nach dem Stand der Technik ist, dass die Rückstellfeder eine große Federrate aufweisen muss, .um die Wiederbefüllung in ausreichend kurzer Zeit zwischen den Einspritzungen zu ermöglichen. Daraus resultieren große Abmessungen der Rückstellfeder. Bei manchen Druckübersetzern, insbesondere solchen mit einem kleinen Übersetzungsverhältnis, ist der erforderliche Bauraum für eine solche Rückstellfeder oft nicht vorhanden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Druckübersetzer bereitzustellen, dessen Raumanforderung an die Mittel zur Wiederbefüllung des Druckubersetzers gering sind und der dabei einfach aufgebaut ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Druckübersetzer für ein Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen, wobei der Druckübersetzer einen in einer Bohrung verschiebbaren Stufenkolben aufweist, dessen Stirnflächen jeweils einen Druckraum begrenzen, wobei eine erste, größere Stirnfläche des Stufenkolbens einen ersten, mit einem Hochdruckspeicher hydraulisch verbindbaren Druckraum begrenzt, wobei eine zweite, gegenüberliegende kleinere Stirnfläche des Stufenkolbens einen zweiten, mit einer Einspritzdüse verbundenen Druckraum begrenzt, wobei die Querschnittsändεrung des Stufenkolbens und ein Absatz in einem Gehäuse des Druckübersetzers einen Entlastungsraum begrenzen und wobei der erste Druckraum und der
Entlastungsraum hydraulisch miteinander verbindbar sind.
Dieser erfindungsgemäße Druckübersetzer hat den Vorteil, dass der nach Beendigung der Einspritzung im ersten Druckraum anliegende Druck ausgenutzt werden kann, um eine auf die Querschnittsänderung des Stufenkolbens im Entlastungsraum wirkende hydraulische Kraft zu erzeugen, welche den Stufenkolben in seine Ausgangslage vor Beginn der Einspritzung zurückbefördert. Gleichzeitig bricht der Druck im zweiten Druckraum des Druckubersetzers zusammen, so dass die Einspritzung beendet wird. Dadurch wird die Wiederbefüllung des zweiten Druckraums in der Einspritzdüse ermöglicht bzw. wesentlich erleichtert. Außerdem kann durch den möglichen Verzicht auf eine groß dimensionierte Rückstellfeder der Entlastungsraum klein gehalten werden, was insbesondere bei Druckübersetzern mit geringem Übersetzungsverhältnis notwendig ist.
Eine Variante der Erfindung sieht vor, dass zwischen Hochdruckspeicher, erstem Druckraum und Entlastungsraum und Steuerventil, insbesondere ein 3/2 -Steuerventil angeordnet ist, welches den Hochdruckspeicher vom Entlastungsraum oder den Hochdruckspeicher vom Entlastungsraum und dem ersten Druckraum hydraulisch trennt, so dass sämtliche Funktionen des Druckubersetzers einfach und zuverlässig gesteuert werden können.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Steuerventil durch einen Piezoaktor oder einen Elektromagneten betätigt wird, so dass je nach Betriebsbedingungen und erforderlichen Stellkräften ein geeigneter Aktor eingesetzt werden kann.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Rückstellfeder in den Entlastungsraum eingespannt, die sich auf eine ortsfeste Anlage abstützt und dabei den Stufenkolben an seiner entlastungsraumseitigen Querschnittsänderung entgegen seiner Förderbewegung beaufschlagt, so dass die Wiederbefüllung -des erfindungsgemäßen Druckübersetzers durch die Rückstellfeder unterstützt wird und der vorhandene Entlastungsraum bestmöglich ausgenutzt wird. Außerdem hat die Rückstellfeder die Aufgabe, bei fehlendem Druck im Hochdruckspeicher des Kraftstoffeinspritzsystems , beispielsweise aufgrund einer Abschaltung der Brennkraftmaschine, den Stufenkolben in seine Ausgangslage zu bewegen. Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung fördert ein Leckölrücklauf des Druckubersetzers über ein Rückschlagventil Kraftstoff zur Einspritzdüse, so dass, sobald der Druck im zweiten Druckraum unter den Druck des Leckölrücklaufs sinkt, der Druckübersetzer wiederbefüllt wird, ohne zusätzliche Fördermittel. Das Rückschlagventil verhindert dabei den Rückfluss von Kraftstoff aus dem zweiten Druckraum bzw. der Einspritzdüse in den Leckölrücklauf .
Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung mündet das Rückschlagventil in den zweiten Druckraum, so dass der Kraftstoff im Hochdruckbereich des Kraftstoffeinspritzsystems , nämlich vom zweiten Druckraum über einen Hochdruckpfad und zur Einspritzdüse, kontinuierlich ausgetauscht wird. Dadurch bleibt der Kraftstoff im Hochdruckbereich relativ kühl, was das Betriebsverhalten des Kraftstoffeinspritzsystems verbessert .
In weiterer Ergänzung der Erfindung ist das Rückschlagventil federbelastet, so dass ein stabileres Betriebsverhalten des Rückschlagventils erreicht wird.
Eine andere Variante sieht einen Hubanschlag vor, der die Bewegung des Stufenkolbens in den ersten Druckraum begrenzt, so dass der erste Druckraum stets ein gewisses Mindestvolumen und damit auch eine gewisse "Weichheit" aufweist. Dadurch werden Kraftspitzen abgebaut und die Belastung der einzelnen Bauelemente verringert.
Bei einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Hubanschlag im ersten Druckraum angeordnet ist, so dass sich eine einfache und kompakte Bauweise ergibt und außerdem der Hubanschlag im Wesentlichen nur Kräfte in axialer Richtung des Stufenkolbens auf diesen überträgt . Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der beigefügten Zeichnung, deren Beschreibung sowie den Ansprüchen entnehmbar.
In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßer Druckübersetzer dargestellt. Zentrale Bestandteile des Druckubersetzers sind der erste Druckraum 1 und der zweite Druckraum 3. Zwischen beiden Druckräumen 1 und 3 ist ein Stufenkolben 5 angeordnet. Die in den ersten Druckraum 1 ragende erste Stirnfläche 7 ist größer als die in den zweiten Druckraum ragende zweite Stirnfläche 9. Das Verhältnis der ersten zur zweiten Stirnfläche 7 und 9 bestimmt das Druckübersetzungsverhältnis des Druckübersetzers. Eine Querschnittsänderung 11 und ein Absatz 13 eines Gehäuses 15 des Druckübersetzers begrenzen einen Entlastungsraum 17.
Der Stufenkolben 5 ist in einer Bohrung 18 des Gehäuses 15 geführt .
Der zweite Druckraum 3 ist über einen Hochdruckpfad 19 mit einer Einspritzdüse 21 verbunden. Ein Steuerventil 23 steuert die Zufuhr von Kraftstoff aus einem Hochdruckspeicher 25 in den ersten Druckraum 1 und den Entlastungsraum 17. Das Steuerventil 23 ist als 3/2- Wegesteuerventil ausgeführt. Ein Anschluss geht zum Hochdruckspeicher 25, ein zweiter Anschluss verbindet das Steuerventil 23 mit dem ersten Druckraum 1 und ein dritter Anschluss des Steuerventils 23 führt zum Entlastungsraum 17. Gesteuert wird das Steuerventil 23 über einen Stellkolben 27, der von einem nicht dargestellten Aktor, beispielsweise einem Piezoaktor oder einen Elektromagneten, zwischen seinen Schaltstellungen hin- und herbewegt wird.
Wenn der Stellkolben 27 auf einem ersten Dichtsitz 29 aufliegt, besteht eine hydraulische Verbindung zwischen Hochdruckspeicher 25 und Steuerraum 1. Der Stufenkolben 5 beginnt, sich in Richtung' des zweiten Druckraums 3 zu bewegen und erzeugt dabei in diesem einen dem Übersetzungsverhältnis entsprechend höheren Druck als im ersten Druckraum 1. Sobald der Druck im zweiten Druckraum 3, und damit auch in der Einspritzdüse 21, ausreichend groß ist, um die Schließkraft einer Schließfeder 31 zu überwinden, öffnet die Einspritzdüse 21, und die Einspritzung beginnt.
Wenn der Stellkolben 27 des Steuerventils 23 auf einen zweiten Dichtsitz 33 gepresst wird, wird die Verbindung zwischen Hochdruckspeicher 25 und erstem Druckraum 1 unterbrochen. Aufgrund der Kompressibilität des im Steuerventil 23 und dem ersten Druckraum 1 unter hohem Druck befindlichen Kraftstoffs und der Elastizität des Gehäuses 15 entsteht ein Druckstoß, welcher über eine
Verbindungsleitung 35 in den Entlastungsraum 17 gelangt. Die daraus resultierende, auf die Querschnittsänderung 11 wirkende hydraulische Kraft bewegt den Stufenkolben in Richtung des ersten Druckraums. Da es sich hierbei um einen in hohem Maße instationären Vorgang handelt, greift eine rein statische Betrachtungsweise nicht, welche zu dem Ergebnis kommen würde, dass die erste Stirnfläche 7 größer als die Querschnittsänderung 11 ist und somit keine resultierende Kraft in Richtung des ersten Druckraums entstehen kann. Eine Rückstellfeder 36 dient zur
Unterstützung der Rückbewegung des Stufenkolbens 5. Außerdem bewegt sie den Stufenkolben 5 bei abgeschalteter Brennkraftmaschine in seine Ausgangslage.
Durch die Bewegung des Stufenkolbens 5 in Richtung des ersten Druckraums 1 bricht der Druck im zweiten Druckraum 3 zusammen, so dass die Schließfeder 31 die Einspritzdüse 21 wieder verschließt und die Einspritzung somit beendet ist. Andererseits führt der Zusammenbruch des Drucks im zweiten Druckraum 3 dazu, dass über ein Rückschlagventil 37
Kraftstoff aus einem Leckölrücklauf 39 in den zweiten Druckraum 3 einströmt und somit der Druckübersetzer bzw. die Einspritzdüse 21 wieder gefüllt wird. Der Leckölrücklauf 39 wird u.a. von der Leckage zwischen Stufenkolben 5 und Gehäuse 15 sowie der Ξteuermenge aus dem Entlastungsraum 17 gefüllt. Damit sich im Entlastungsraum 17 ein ausreichender Druck aufbauen kann, ist zwischen Entlastungsraum 17 und Leckölrücklauf 39 eine Ablaufdrossel 41 angeordnet.
Das Rückschlagventil 37 ist in der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform federbelastet. Dies muss jedoch nicht so sein.
Im ersten Druckraum 1 ist ein Hubanschlag 43 dargestellt, welcher dafür sorgt, dass der erste Druckraum 1 immer ein gewisses Mindestvolumen hat. Dieses Mindestvolumen verbessert bei geeigneter Auslegung des erfindungsgemäßen Druckübersetzers das Betriebsverhalten desselben insbesondere beim Wiederbefüllen.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims

Ansprüche
1. Druckübersetzer für ein Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen, wobei der Druckübersetzer einen in einer Bohrung (18) verschiebbaren Stufenkolben (5) aufweist, dessen Stirnflächen (7, 9) jeweils einen
Druckraum (1, 3) begrenzen, wobei eine erste größere Stirnfläche (7) des Stufenkolbens (5) einen ersten, mit einem Hochdruck-Speicher (25) verbindbaren Druckraum (1) begrenzt, wobei eine zweite, gegenüberliegende kleinere Stirnfläche (9) des Stufenkolbens (5) einen zweiten, mit einer Einspritzdüse (21) verbundenen Druckraum (3) begrenzt, und wobei die Querschnittsänderung (11) des Stufenkolbens (5) und ein Absatz (13) in einem Gehäuse (15) des Druckubersetzers einen Entlastungsraum (17) begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Druckraum (1) und der Entlastungsraum (17) hydraulisch miteinander verbindbar sind.
2. Druckübersetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Hochdruck-Speicher (25, erstem Druckraum (1) und Entlastungsraum (17) ein Steuerventil (23) angeordnet ist, welches den Hochdruck- Speicher (25) vom Entlastungsraum (17) oder den Hochdruck- Speicher (25) vom Entlastungsraum (17) und dem ersten Druckraum (1) hydraulisch trennt.
3. Druckübersetzer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (23) ein 3/2- Steuerventil (23) ist.
4. Druckübersetzer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (23) durch einen Piezo-Aktor oder einen Elektro-Magneten betätigt: wird.
5. Druckübersetzer nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückstellfeder (36) in den Entlastungsraum (17) eingespannt ist, die sich auf eine ortsfeste Anlage (13) abstützt und dabei den Stufenkolben (5) an seiner entlastungsrau seitigen Querschnittsänderung (11) entgegen seiner Förderbewegung beaufschlagt.
6. Druckübersetzer nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leckölrücklauf (39) des Druckübersetzers über ein Rückschlagventil (37) Kraftstoff zur Einspritzdüse (21) fördert.
7. Druckübersetzer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil (37) in den zweiten Druckraum (3) mündet.
8. Druckübersetzer nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil (37) federbelastet ist .
9. Druckübersetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hubanschlag (43) vorgesehen ist, der die Bewegung des Stufenkolbens (5) in den ersten Druckraum (1) begrenzt.
10. Druckübersetzer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubanschlag (43) im ersten Druckraum (1) angeordnet ist.
11. Druckübersetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stufenkolben (5) zweiteilig ausgeführt ist.
PCT/DE2000/003386 1999-10-14 2000-09-28 Druckübersetzer für ein kraftstoffeinspritzsystem für brennkraftmaschinen WO2001027466A1 (de)

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