WO2001053688A2

WO2001053688A2 - Direktgesteuerte kraftstoffeinspritzeinrichtung für eine kolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: WO2001053688A2
Application number: PCT/EP2000/012777
Authority: WO
Inventors: Gunter GÜRICH; Hermann Josef Laumen; Karl Joachim SCHMÜCKER
Original assignee: Fev Motorentechnik Gmbh
Priority date: 2000-01-18
Filing date: 2000-12-15
Publication date: 2001-07-26
Also published as: DE10001828A1; EP1252432B1; DE50011592D1; WO2001053688A3; ATE309461T1; US20030146305A1; JP2003520325A; EP1252432A2; US6811103B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung für eine Kolbenbrennkraftmaschine mit einem Düsenteil (5) mit Einspritzdüse (13), der einen Druckraum (10) aufweist, in den eine die Einspritzdüse (13) verschließende Düsennadel (9) geführt ist, die bei Druckbeaufschlagung durch den einzuspritzenden Kraftstoff in Öffnungsstellung bewegbar ist, wobei der Druckraum (10) über einen Verbindungskanal (6) mit einem Steuerteil (7) in Verbindung steht, der einen Ventilraum (21) aufweist, in den der Verbindungskanal (6) einerseits und ein mit einer Kraftstoffversorgung (4) verbundener Hochdruckkanal (8) andererseits einmündet und in dem ein als Kolbensystem wirkender Ventilkörper (23) geführt ist, der durch eine Ventilfeder (24) auf einem Ventilsitz (22) in Schließstellung gehalten wird, und mit einem Aktuator (20), der mit dem Ventilkörper (23) in Wirkverbindung steht und diesen bei Aktivierung in Öffnungsrichtung bewegt und den Durchfluß vom Hochdruckkanal (8) in den Verbindungskanal (6) freigibt.

Description

Bezeichnung: Direktgesteuerte Kraftstoffeinspritzeinrichtung für eine Kolbenbrennkraftmaschine

Beschreibung

Als sogenannte Common-Rail-Systeme ausgebildete Kraftstoffeinspritzeinrichtungen für eine Kolbenbrennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung bestehen im wesentlichen aus einem Düsenteil mit Einspritzdüse, der eine die Einspritzdüse verschließende Düsennadel aufweist, die bei Druckbeaufschlagung durch den einzuspritzenden Kraftstoff über eine Servohy- draulik in Öffnungsstellung bewegbar ist. Der erforderliche Vordruck wird über den Hochdruckteil der Kraftstoffversorgung, d. h. den Common-Rail abgenommen. Über die Druckvorgabe im Common-Rail läßt sich sehr flexibel der Einspritzdruck beeinflussen und über die Ansteuerung eines Servoventils und damit der Düsennadel lassen sich Einspritzzeitpunkt und Einspritzdauer ebenfalls mit hoher Flexibilität einstellen.

Will man jedoch mit den vorbekannten Systemen nicht nur die

Einspritzmenge durch eine entsprechende Steuerung der Öffnungszeit bemessen sondern will man auch die Einspritzrate formen, d. h. die Einspritzmenge je Zeiteinheit während der Öffnungszeit variieren, so muß der Hub der Düsennadel gesteu- ert werden. Hierbei wird aber die hydraulische Energie des fliessenden Kraftstoffs unmittelbar vor dem Einspritzloch der Einspritzdüse durch die sogenannte Sitzdrosselung, die vor allem bei geringerem Nadelhub auftritt, in Turbulenzen umgesetzt, da der sich hubabhängig ändernde freie Strömungsquer- schnitt zwischen der Düsennadel und dem Düsennadelsitz als

Drossel wirkt. Die hierbei auftretende erhöhte Turbulenz des fliessenden Kraftstoffs im Bereich des Einspritzlochs beeinflußt die Gemischbildung, so daß sich keine "echte" Ratensteuerung ergibt. Dies ist bei der Kraftstoffdirekteinsprit- zung, d. h. beim Einspritzen des Kraftstoffs unmittelbar in den Zylinderraum nachteilig. Als Folge vorbeschriebenen Turbulenzerhöhung ist bei kleinen Einspritzmengen beispielsweise

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bensystem bildenden Ventilkörper andererseits in Verbindung steht und der über den Aktuator stellbar ist. Durch die Anordnung eines derartigen Druckteilers im Steuerteil ist es möglich, den jeweils gewünschten Einspritzdruck dynamisch einzustellen. Je nach Ausgestaltung kann die Anordnung so getroffen werden, daß sich je nach Art des verwendeten Aktuators über den Stellweg des Aktuators oder über die Kraft des Aktuators der Einspritzdruck vor einer druckgesteuerten Einspritzdüse einstellen läßt.

Weitere Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung sind den Patentansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen zu entnehmen.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltschema einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für ein Kraftstoff- einspritzventil mit Düsenteil und Steuerteil,

Fig. 3 eine abgewandelte Ausführungsform des Steuerteils,

Fig. 4 eine weitere Abwandlung des Steuerteils,

Fig. 5 in größerem Maßstab das Detail A in Fig. 4,

Fig. 6 eine abgewandelte Ausführungsform mit einem in den Steuerteil integrierten Druckteiler,

Fig. 7 den Druckteiler gem. Fig. 6 in größerem Maßstab,

Fig. 8 eine Ausführungsform des Druckteilers mit Stützkolben,

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dung des Steuerteils 7 beispielsweise als Drosselventil ist damit die Möglichkeit gegeben, den aus dem Hochdruckkanal 8 in den Verbindungskanal 6 abströmenden Volumenstrom durch entsprechende Einstellung des Öffnungsquerschnittes im Steu- erteil 7 zu beeinflussen. Da bei einer Druckbeaufschlagung das als Einspritzventil ausgebildete Düsenteil 5 bei dem dargestellten schematischen Beispiel vollständig öffnet, kann über eine entsprechende Änderung der Einstellung des Steuerteils 7 der dem Düsenteil 5 zugeführte Volumenstrom während der Öffnungsdauer der Einspritzdüse 13 variiert werden.

Aufbau und Funktion des Steuerteils 7 werden nachstehend anhand von verschiedenen Ausführungsbeispielen noch näher erläutert werden.

Der Aktuator 20 wird vorteilhaft als sogenannter Festkörper- aktuator ausgebildet. Hierbei wird bevorzugt ein piezoelektrisch arbeitender Aktuator eingesetzt, der in bezug auf seinen Stellweg bzw. , aufgrund seiner mechanischen Nachgie- bigkeit, seine Stellkraft spannungsproportional verstellend ausgebildet ist. Anstelle eines piezo-elektrischen Aktuator ist auch der Einsatz eines magneto-striktiven Aktuators möglich, der in bezug auf seinen Stellweg stromproportional verstellend ausgebildet ist. Da derartige Festkörperaktuatoren sich durch eine hohe Schaltgeschwindigkeit, gute Regelbarkeit des Stellweges und auch große Stellkräfte auszeichnen und darüber hinaus direkt oder ggf. über eine hydraulische Hubübersetzung auf den Stellteil im Steuerteil 7 einwirken, ergibt sich auch bei nur kurzen Öffnungszeiten für den als Einspritzventil ausgebildeten Düsenteil 5 die Möglichkeit einer gezielten Formung der Einspritzrate, d. h. einer gezielten Veränderung des während der Öffnungszeit des Einspritzventils in den Brennraum des betreffenden Zylinders eingeführten Volumenstroms.

Während es grundsätzlich möglich ist, den Düsenteil 5 und den Steuerteil 7 als getrennte Baueinheiten einzusetzen, ist in

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24 und der Druckbeaufschlagung über den Kompensationskolben 25 in Richtung auf den Ventilsitz 22. Hierbei wird dann der Durchtrittsquerschnitt am Ringraum 27.5 freigegeben, so daß der Druck im Verbindungskanal 6 abgebaut werden kann. Die An- Ordnung ist hierbei so bemessen, daß die Freigabe des Durchtrittsquerschnitts zum Ringraum 27.5 praktisch gleichzeitig mit dem Aufsitzen des Sperrteils 23.2 auf dem Ventilsitz 22 freigegeben wird.

Auch bei der von Fig. 3 beschriebenen Ausführungsform des

Entlastungsventils 27 kann durch entsprechende Dimensionierung der Druckabbau am Einspritzventil so geführt werden, daß eine Dampfblasenbildung vermieden wird. Bei der in Fig. 4 beschriebenen Ausführungsform kann dies durch ein zusätzliches, an Leitung 17 angeschlossenes Druckbegrenzungsventil erreicht werden.

Die anhand von Fig. 3 und 4 beschriebenen Ausführungsformen des Steuerteils 7 können in gleicher Weise eingesetzt werden, wie dies anhand von Fig. 2 beschrieben ist, nämlich als Baueinheit kombiniert mit einem Düsenteil 5. Es ist aber auch möglich, wie dies aus der Prinzipdarstellung gem. Fig. 1 erkennbar ist, für alle Bauformen des Steuerteils 7 eine Anordnung zu treffen, bei der der Steuerteil 7 vom Düsenteil 5 ge- trennt angeordnet ist. Dementsprechend ist in der schematischen Darstellung gem. Fig. 1 die zum Steuerteil 7 führende Zweigleitung 26 strichpunktiert angedeutet.

In den nachfolgenden Figuren 6 bis 9 ist eine abgewandelte Ausführungsform der Einspritzdüse gem. Fig. 2 in Form eines

Fließbildes dargestellt, wobei nur die funktionswesentlichen Teile in Einzelheiten wiedergegeben sind. Gleiche Bauteile sind wiederum mit gleichen Bezugszeichen versehen, so daß auf die vorstehende Beschreibung der anderen Ausführungsbeispiele sowohl hinsichtlich des Aufbaus als auch hinsichtlich der Funktion verwiesen werden kann. Bei der Ausführungsform gem. Fig. 6 ist der Ventilanordnung 21.0 ein sogenannter Druckteiler 30 vorgeschaltet. In Fig. 7 ist in größerem Maßstab eine Ausführungsform des Druckteilers 30 dargestellt. Der Druckteiler besteht im wesentlichen aus einem Kolbenkörper 31, der mit seinem oberen Ende mit dem Aktuator 20 in Wirkverbindung steht (Pfeil 20 in Fig. 7) und der an seinem unteren Ende sich über einen Federteller 32 auf einer Rückstellfeder 33 abstützt. Der Kolbenkörper 31 ist mit einem Ventilkörper 34 versehen, der mit einem ersten Ventil- sitz 35.1 zusammenwirkt. In druckentlastetem Zustand wird der Ventilkörper 34 durch die Rückstellfeder 33 auf den ersten Ventilsitz 35.1 gedrückt.

Dem Ventilkörper 34 ist auf seiner der Rückstellfeder 33 zu- gekehrten Seite ein zweiter Ventilsitz 35.2 zugeordnet, der den Ringraum 37 mit dem Abströmraum 39 verbindet, und den der Ventilkörper 34 umso mehr verschließt, je weiter er sich in Richtung des Pfeils 20 bewegt. Somit bildet der Ventilkörper 34 mit den Ventilsitzen 35.1 und 35.2 ein 3/2-Wege- Proportionalventil mit 100% negativer Überdeckung. Durch diese Anordnung steigt der Druck in dem Ringraum 37 annähernd linear mit dem Steilweg des Ventilkörpers 34 von 0 bar, wenn der Ventilkörper an dem Ventilsitz 35.1 anliegt, bis zu dem in der Leitung 8 herrschenden Druck, wenn der Ventilkörper an dem Ventilsitz 35.2 anliegt. Abhängig vom Durchmesser des

Ventilsitzes 35.2 erfolgt eine Rückkoppelung des Druckes in dem Ringraum 37 auf den Aktuator 20, so daß auch ein elektromagnetischer Aktuator eingesetzt werden kann. Der Ventilsitz 35.2 kann als Faßsitz ausgeführt sein, um die Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit zu minimieren.

Dem Ventilkörper 34 ist ein erster Ringraum 36 zugeordnet, in den eine Zweigleitung 8.1 der Hochdruckleitung einmündet und der durch die durch den Ventilsitz 35.1 definierten Schließ- Stellung abgeschlossen ist. Der Ventilkörper 35 ist in einem zweiten Ringraum 37 angeordnet, der über eine Überströmleitung 8.2 mit einem Druckraum 38 in Verbindung steht, der OJ J to to ¹

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J OJ t t μ¹

LΠ o LΠ o LΠ O LΠ

einen hydraulischen Wegübersetzer 43, wie er anhand der Ausführungsform von Fig. 2 und 3 bereits beschrieben ist. Über eine Speiseleitung 44 werden die unvermeidlichen Leckageverluste im Hydraulikraum des hydraulischen Wegübersetzers aus- geglichen. Die beschriebene Wegübersetzung kann- mit allen beschriebenen Varianten des Einspritzsystems kombiniert werden.

In Fig. 10 ist eine Ausgestaltung des Einspritzventils mit einer in zwei Stufen offenbaren Düsennadel 9 dargestellt. Die Düsennadel 9 stützt sich hierbei über eine erste weiche

Schließfeder 16.1 am Gehäuse ab. Ferner ist ein Schiebekörper 16.3 vorgesehen, der sich mit seiner der Düsennadel 9 abgekehrten Seite auf einer zweiten härteren Schließfeder 16.2 abstützt. Der Schiebekörper 16.3 weist einen Stützansatz 16.4 auf, der in Schließstellung der Düsennadel 9 um ein geringes Maß a vor dem Ende des Kolbenkörpers 15 der Düsennadel 9 endet.

Wird über den Verbindungskanal 6 der Druckraum 10 mit einem Druck beaufschlagt, der geringer ist als die Rückstellkraft der Rückstellfeder 16.2, dann öffnet das Einspritzventil nur um einen Hub entsprechend dem Maß a. Wenn der Druckraum 10 mit einem Druck beaufschlagt wird, der größer ist als die Rückstellkraft der Schließfeder 16.2, dann wird die Düsenna- del 9 entsprechend weit zurückgeschoben und das Einspritzventil vollständig geöffnet.

In Fig. 11 ist eine Abwandlung der Ausführungsform gem. Fig. 10 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform stützt sich die Schließfeder 16 auf einem Ausweichkolben 16.5, der auf seiner der Schließfeder abgekehrten Seite einen Druckraum 16.6 aufweist, der über eine Drossel 16.7 an den Verbindungskanal 6 angeschlossen ist. Über diese Anordnung ist eine druckabhängige dynamische Führung der Öffnungsbewegung der Düsennadel 9 möglich. Mit einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung der erfindungsgemäßen Art ist es möglich, auch bei schnelllaufenden Dieselmotoren, insbesondere Dieselmotoren für Personenkraftwagen, die unter Volllast Drehzahlen von 4.000 bis 4.500 Umdrehungen pro Minute aufweisen können und bei denen hohe Einspritzdrücke von etwa 1.500 bis 2.000 bar gegeben sind, kurze Einspritzzeiten von beispielsweise 1,5 Millisekunden zu realisieren und zwar durch eine direkte Ansteuerung des Steuerteils.

Claims

J OJ t t μ>

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5. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (20) einen Übertragskolben (20.3) und das dem Aktuator (20) zugekehrte Ende des Ventilkörpers (23) einen Druckkolben (23.1) aufweist und daß zwischen den beiden Kolben ein Hydraulikraum (20.4) angeordnet ist, wobei der Durchmesser des Druckkolbens (23.1) kleiner ist als der Durchmesser des Übertragungskolbens (20.3) .

6. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Kompensationskolbens (25) je nach der gewünschten Kraftrückkopplung kleiner, gleich oder größer ist als der Durchmesser des bei Druckbeaufschlagung in Öffnungsrichtung wirkenden Teils des Kolbensystems des Ventilkörpers (23).

7. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (20) in bezug auf seinen Stellweg proportional zur aufgebrachten Stell- energie verstellend ausgebildet ist.

8. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Aktuator (20) vorgesehen ist, der in bezug auf seinen Stellweg span- nungsproportional verstellend ausgebildet ist.

9. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Aktuator (20) vorgesehen ist, der in bezug auf seinen Stellweg strom- proportional verstellend ausgebildet ist.

10. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem der anspruche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerteil (7) einen Druckteiler (30) aufweist, der mit dem Hochdruckkanal (6) ei- nerseits und dem ein Kolbensystem bildenden Ventilkörper (23) andererseits in Verbindung steht, der über den Aktuator stellbar ist.

11. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckteiler (20) mit dem Entlastungsventil (27) in Wirkverbindung steht.

12. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Entlastungsventil (27) eine in Schließrichtung auf einen Ventilkörper (27.2) wirkende Ventilfeder (27.3) sowie einen Kolben (27.1) auf- weist, der in Schließrichtung zusätzlich über den Druckteiler (30) beaufschlagbar ist.

13. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckteiler (20) mit einem Druckausgleichskolben (42) versehen ist, der mit dem wirkenden Teildruck gegen die Aktuatorkraft beaufschlagbar ist.

14. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckteiler (20) als

3/2-Wege-Ventil ausgeführt ist, wobei die zwei Ventilsitze des 3/2-Wege-Ventils die zwei Drosselstellen des Druckteilers darstellen.

15. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (35.2) des Druckteilers (20) als Flachsitz ausgeführt ist.