WO2002055871A2 - Kraftstoffeinspritzeinrichtung - Google Patents

Kraftstoffeinspritzeinrichtung Download PDF

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    • F02M63/0225—Fuel-injection apparatus having a common rail feeding several injectors ; Means for varying pressure in common rails; Pumps feeding common rails

Definitions

  • the invention relates to a fuel injection device according to the preamble of patent claim 1.
  • the fuel injection device is designed to be pressure-controlled.
  • a pressure-controlled fuel injection device is understood to mean that the fuel pressure prevailing in the nozzle space of an injector moves a nozzle needle against the action of a closing force (spring), so that the injection opening is released for injecting the fuel from the nozzle space into the cylinder ,
  • injection pressure The pressure at which fuel emerges from the nozzle chamber into a cylinder of an internal combustion engine
  • system pressure is understood to mean the pressure at which fuel is available or is stored within the fuel injection device.
  • Fuel metering means providing a defined amount of fuel for injection.
  • Leakage is an amount of fuel that is generated during operation of the fuel injector (e.g. a pilot leak or control amount) that is not used for injection and is returned to the fuel tank.
  • the pressure level of this leakage can have a standing pressure, the fuel then being expanded to the pressure level of the fuel tank.
  • the injection pressure can be adapted to the load and speed.
  • a pre-injection is often carried out here to reduce noise.
  • Pressure-controlled injection is known to be cheap for reducing emissions.
  • a 3/2-way valve which is difficult to manufacture is used for each injector, or two 2/2-way valves are used.
  • a pressure booster is possible, as is known, for example, from US Pat. No. 5,143,291 or US Pat. No. 5,522,545.
  • the disadvantage of these pressure-boosted systems is a lack of flexibility in the injection and a poor quantity tolerance when metering small amounts of fuel.
  • a fuel injection device according to claim 1 is proposed.
  • the use of a single 2/2-way valve as a metering valve per cylinder in combination with a pressure booster leads to a cheaper system.
  • a common rail injection system results which uses two 2/2-way valves to control both the pressure booster and the injector. Both injection concepts allow a very high maximum injection pressure, a pre-injection at a lower pressure level and the realization of a boat injection during the main injection. drawing
  • Fig. 1 shows a first pressure-controlled fuel injection device with a
  • Fig. 2 shows a second pressure-controlled fuel injection device with a
  • Fig. 3 shows a third pressure-controlled fuel injection device with a
  • a fuel pump conveys fuel from a storage tank via a delivery line into one of the FIGS.
  • Central pressure storage chamber (common rail), not shown, from which a plurality of pressure lines 2, corresponding to the number of individual cylinders, lead to the individual injectors 3 projecting into the combustion chamber of the internal combustion engine to be supplied, only one of the injectors 3 is shown in FIG. 1.
  • a first system pressure is generated and stored in the pressure storage space. This first system pressure is used for pre-injection and if necessary and post-injection (HC enrichment for exhaust gas aftertreatment or soot reduction) and to represent an injection process with plateau (boat injection).
  • a local pressure booster 4 is assigned to each injector 3 for injecting fuel with a second higher system pressure.
  • the pressure booster 4 interacts with a 3/2-way valve 5 for controlling the pressure boosting, a check valve 6 and a pressure medium 7 in the form of a displaceable piston.
  • the pressure medium 7 can be connected at one end to the pressure line 2 with the aid of the valve 5, so that the pressure medium 7 can be pressurized at one end.
  • a differential space 8 is relieved of pressure by means of a leakage line 9, so that the pressure medium 7 can be displaced to reduce the volume of a pressure chamber 10.
  • the pressure medium 7 is moved in the compression direction, so that the fuel located in the pressure chamber 10 compresses and is supplied to a control chamber 11 and a nozzle chamber 12.
  • the check valve 6 prevents the backflow of compressed fuel into the pressure storage space.
  • a second higher pressure can be generated by means of a suitable area ratio in a primary chamber 13 and the pressure chamber 10. If the primary chamber 13 is connected to the leakage line 9 with the aid of the valve 5, the pressure medium 7 is reset and the pressure chamber 10 is refilled. Due to the pressure conditions in the pressure chamber 10 and the primary chamber 13, the check valve 6 opens, so that the pressure chamber 10 is under rail pressure (pressure of the pressure storage space) and the pressure medium 7 is hydraulically returned to its starting position.
  • one or more springs can be arranged in rooms 8, 10 or 13. A second system pressure can thus be generated by means of the pressure amplification.
  • 2/2-way valves 14, which are designed as directly actuated force-balanced solenoid valves, are used as metering valves. But it can also be a Be a piezo actuator with a corresponding coupler space.
  • the injection for each cylinder is realized in a pressure-controlled manner.
  • a pressure line 15 is connected to the nozzle chamber 12.
  • the injection takes place with the aid of a piston-shaped nozzle needle 16 which is axially displaceable in a guide bore and has a conical valve sealing surface at one end, with which it cooperates with a valve seat surface on the injector housing. Injection openings are provided on the valve seat surface of the housing.
  • a pressure surface pointing in the opening direction of the nozzle needle 16 is exposed to the pressure prevailing there, which is supplied to the nozzle chamber 12 via the pressure line 15.
  • the injector 3 has a first pressure relief throttle 17 and a second pressure relief throttle 18.
  • the pressure line 19 has a permanent, continuous connection to the leakage line 20 via the pressure relief throttle 1 8.
  • the pressure line is via the pressure relief throttle 1 8 and the control chamber 1 1
  • the injector 3 In addition to a pressure relief throttle 17 which is always continuous, the injector 3 therefore has the further pressure relief throttle 18 which can be closed by a stroke of the nozzle needle 16.
  • the smaller pressure relief throttle 1 7 leads to less leakage during injection.
  • the pressure in the nozzle chamber 1 2 initially drops only via the pressure relief throttle 17 and the nozzle needle 16 begins to close. This releases the pressure relief throttle 18, which is still closed, so that the closing process of the nozzle needle 16 is greatly accelerated.
  • FIG. 2 shows a further embodiment (fuel injection device 21) in which, in addition to controlling the Pressure amplifier 4 also a 2/2-way valve 22 is used.
  • the valve 22 In the unshared state, the valve 22 has no flow. The rail pressure from the pressure storage space is available for metering at valve 14. The pressure booster 4 has returned to its initial position. If the valve 22 is switched to flow, the pressure booster 4 causes an increase in the rail pressure. This increased pressure is now present at the metering valve 14.
  • Both 2/2-way valves can be switched with one actuator, as shown in FIG. 3 (fuel injection device 23).
  • the actuator (magnetic actuator or piezo actuator) is connected to both valves and is 3-stage, i.e. H. one rest and two switch positions. The two switch positions are controlled with different control voltages. At rest, both valves have no flow. In the first switching position, only the valve 24 is switched to flow and thus an injection with rail pressure is generated. In the second switching position, the valve 24 and the valve 25 are switched to flow and there is an injection with the pressure increased by the pressure booster 4. If the first switching position is first realized and the second switching position is formed after a certain delay during the injection, a boat injection results.

Abstract

Eine druckgesteuerte Kraftstoffeinspritzeinrichtung (1) weist einen gemeinsamen Druckspeicherraum , einen Injektor (3) pro Zylinder und einen lokalen, jedem Injektor (3) zugeordneten Druckverstärker (4) auf. Ein 2/2-Wege-Ventil (14) ist zum Zumessen von Kraftstoff an den Injektor (3) vorgesehen ist.

Description

B E S C H R E I B U N G
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 .
Zum besseren Verständnis der Beschreibung und der Patentansprüche werden nachfolgend einige Begriffe erläutert: Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß der Erfindung ist druckgesteuert ausgebildet. Im Rahmen der Erfindung wird unter einer druckgesteuerten Kraftstoffeinspritzeinrichtung verstanden, dass durch den im Düsenraum eines Injektors herrschenden Kraftstoffdruck eine Düsennadel gegen die Wirkung einer Schließkraft (Feder) bewegt wird, so dass die Einspritzöffnung für eine Einspritzung des Kraftstoffs aus dem Düsenraum in den Zylinder freigegeben wird. Der Druck, mit dem Kraftstoff aus dem Düsenraum in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine austritt, wird als Einspritzdruck bezeichnet, während unter einem Systemdruck der Druck verstanden wird, unter dem Kraftstoff innerhalb der Kraftstoffeinspritzeinrichtung zur Verfügung steht bzw. bevorratet ist. Kraftstoffzumessung bedeutet, eine definierte Kraftstoffmenge zur Einspritzung bereitzustellen. Unter Leckage ist eine Menge an Kraftstoff zu verstehen, die beim Betrieb der Kraftstoffeinspritzeinrichtung entsteht (z.B. eine Führungsleckage oder Steuermenge), nicht zur Einspritzung verwendet und zum Kraftstofftank zurückgefördert wird. Das Druckniveau dieser Leckage kann einen Standdruck aufweisen, wobei der Kraftstoff anschließend auf das Druckniveau des Kraftstofftanks entspannt wird.
Bei Common Rail Systemen kann der Einspritzdruck an Last und Drehzahl angepaßt werden. Zur Geräuschminderung wird hier oft eine Voreinspritzung durchgeführt. Zur Reduzierung von Emissionen ist eine druckgesteuerte Einspritzung bekanntermaßen günstig. Bei den bekannten druckgesteuerten Common Rail Systemen wird pro Injektor jedoch ein aufwendig zu fertigendes 3/2-Wege-Ventil oder es werden zwei 2/2-Wege-Ventile verwendet.
Zur Erhöhung des Einspritzdruckes ist ein Druckverstärker möglich, wie er beispielsweise aus der US 5,143,291 oder der US 5,522,545 bekannt ist. Der Nachteil dieser druckverstärkten Systeme liegt in einer mangelnden Flexibilität der Einspritzung und einer schlechten Mengentoleranz bei der Zumessung kleiner Kraftstoffmengen.
Vorteile der Erfindung
Zur Kostenersparnis bei der Fertigung einer Kraftstoffeinrichtung insbesondere für kleine Motoren wird eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Patentanspruch 1 vorgeschlagen. Die Verwendung eines einzigen 2/2-Wege-Ventils als Zumeßventil pro Zylinder in Kombination mit einem Druckverstärker führt zu einem kostengünstigeren System. Es ergibt sich in Weiterbildung der Erfindung ein Common Rail Einspritzsystem, das mit zwei 2/2-Wege-Ventilen sowohl eine Ansteuerung des Druckverstärkers als auch des Injektors realisiert. Beide Einspritzkonzepte erlauben einen sehr hohen maximalen Einspritzdruck, eine Voreinspritzung bei niedrigerem Druckniveau und die Realisierung einer Bootinjektion bei der Haupteinspritzung. Zeichnung
Drei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzeinrichtung sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste druckgesteuerte Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit einem
Druckverstärker;
Fig. 2 eine zweite druckgesteuerte Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit einem
Druckverstärker;
Fig. 3 eine dritte druckgesteuerte Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit einem
Druckverstärker.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Bei dem in der Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel einer druckgesteuerten Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1 fördert eine Kraftstoffpumpe Kraftstoff aus einem Vorratstank über eine Förderleitung in einen in den Fign. nicht gezeigten zentralen Druckspeicherraum (Common-Rail), von dem mehrere, der Anzahl einzelner Zylinder entsprechende Druckleitungen 2 zu den einzelnen, in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragenden Injektoren 3 abführen, in der Fig. 1 ist lediglich eine der Injektoren 3 eingezeichnet. Mit Hilfe der Kraftstoffpumpe wird ein erster Systemdruck erzeugt und im Druckspeicherraum gelagert. Dieser erste Systemdruck wird zur Voreinspritzung und bei Bedarf und Nacheinspritzung (HC-Anreicherung zur Abgasnachbehandlung oder Rußreduktion) sowie zur Darstellung eines Einspritzverlaufs mit Plateau (Bootinjektion) verwendet. Zur Einspritzung von Kraftstoff mit einem zweiten höheren Systemdruck ist jedem Injektor 3 jeweils ein lokaler Druckverstärker 4 zugeordnet. Der Druckverstärker 4 wirkt mit einem 3/2-Wege-Ventil 5 zur Ansteuerung der Druckverstärkung, einem Rückschlagventil 6 und ein Druckmittel 7 in Gestalt eines verschieblichen Kolbens zusammen. Das Druckmittel 7 kann einenends mit Hilfe des Ventils 5 an die Druckleitung 2 angeschlossen werden, so dass das Druckmittel 7 einenends druckbeaufschlagt werden kann. Ein Differenzraum 8 ist mittels einer Leckageleitung 9 druckentlastet, so dass das Druckmittel 7 zur Verringerung des Volumens einer Druckkammer 10 verschoben werden kann. Das Druckmittel 7 wird in Kompressionsrichtung bewegt, so dass der in der Druckkammer 10 befindliche Kraftstoff verdichtet und einem Steuerraum 11 und einem Düsenraum 12 zugeführt wird. Das Rückschlagventil 6 verhindert den Rückfluß von komprimierten Kraftstoffs in den Druckspeicherraum. Mittels eines geeigneten Flächenverhältnisses in einer Primärkammer 13 und der Druckkammer 10 kann ein zweiter höherer Druck erzeugt werden. Wird die Primärkammer 13 mit Hilfe des Ventils 5 an die Leckageleitung 9 angeschlossen, so erfolgt die Rückstellung des Druckmittels 7 und die Wiederbefüllung der Druckkammer 10. Aufgrund der Druckverhältnisse in der Druckkammer 10 und der Primärkammer 13 öffnet das Rückschlagventil 6, so dass die Druckkammer 10 unter Raildruck (Druck des Druckspeicherraums) steht und das Druckmittel 7 hydraulisch in seine Ausgangsstellung zurückgefahren wird. Zur Verbesserung des Rückstellverhaltens können eine oder mehrere Federn in den Räumen 8, 10 oder 13 angeordnet sein. Mittels der Druckverstärkung kann somit ein zweiter Systemdruck erzeugt werden.
Als Zumeßventile werden 2/2-Wege-Ventile 14 verwendet, die als direkt betätigte kraftausgeglichene Magnetventile ausgebildet sind. Es kann aber auch ein Piezoaktor mit entsprechendem Kopplerraum sein. Mit Hilfe des Zumeßventils 14 wird die Einspritzung für jeden Zylinder druckgesteuert realisiert. Mit Hilfe des Ventils 14 wird eine Druckleitung 15 mit dem Düsenraum 12 verbunden. Die Einspritzung erfolgt mit Hilfe einer in einer Führungsbohrung axial verschiebbaren kolbenförmigen Düsennadel 16 mit einer konischen Ventildichtfläche an ihrem einen Ende, mit der sie mit einer Ventilsitzfläche am Injektorgehäuse zusammenwirkt. An der Ventilsitzfläche des Gehäuses sind Einspritzöffnungen vorgesehen. Innerhalb des Düsenraums 12 ist eine in Öffnungsrichtung der Düsennadel 16 weisende Druckfläche dem dort herrschenden Druck ausgesetzt, welcher dem Düsenraum 12 über die Druckleitung 1 5 zugeführt wird.
Der Injektor 3 weist eine erste Druckentlastungsdrossel 17 und eine zweite Druckentlastungsdrossel 18 auf. Über die Druckentlastungsdrossel 1 8 besitzt die Druckleitung 19 eine permanente durchgängige Verbindung zur Leckageleitung 20. Über die Druckentlastungsdrossel 1 8 und den Steuerraum 1 1 ist die Druckleitung
1 9 nur bei geschlossener Einspritzöffnung mit der Leckageleitung 20 verbunden.
Der Injektor 3 weist neben einer stets durchgängigen Druckentlastungsdrossel 17 daher die weitere durch einen Hub der Düsennadel 16 verschließbare Druckentlastungsdrossel 18 auf. Die kleinere Druckentlastungsdrossel 1 7 führt zu einer während der Einspritzung geringeren Leckage. Bei Beendigung der Einspritzung sinkt der Druck im Düsenraum 1 2 zunächst nur über die Druckentlastungsdrossel 17 ab und die Düsennadel 16 beginnt mit dem Schließvorgang. Dadurch wird die noch verschlossene Druckentlastungsdrossel 1 8 freigegeben, so dass der Schließvorgang der Düsennadel 16 stark beschleunigt wird.
Zur Steuerung des Druckverstärkers 4 zeigt Fig. 2 eine weitere Ausführungsform (Kraftstoffeinspritzeinrichtung 21 ) bei der zusätzlich zur Steuerung des Druckverstärkers 4 ebenfalls ein 2/2-Wege-Ventil 22 eingesetzt wird. Im ungeschaiteten Zustand hat das Ventil 22 keinen Durchfluß. Es steht der Raildruck aus dem Druckspeicherraum zur Zumessung an Ventil 14 an. Der Druckverstärker 4 ist in seine Ausgangsstellung zurückgefahren. Wird das Ventil 22 auf Durchfluß geschaltet, dann bewirkt der Druckverstärker 4 eine Erhöhung des Raildrucks. Dieser erhöhte Druck steht nun am Zumeßventil 14 an.
Beide 2/2-Wege-Ventile können mit einem Aktor geschaltet werden, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist (Kraftstoffeinspritzeinrichtung 23). Der Aktor (Magnetaktor oder Piezosteller) ist dabei mit beiden Ventilen verbunden und ist 3-stufig ausgeführt, d. h. eine Ruhe- und zwei Schaltstellungen. Die beiden Schaltstellungen werden mit unterschiedlichen Steuerspannungen angesteuert. In Ruhestellung haben beide Ventile keinen Durchfluß. In der ersten Schaltstellung wird nur das Ventil 24 auf Durchfluß geschaltet und damit eine Einspritzung mit Raildruck erzeugt. In der zweiten Schaltstellung sind das Ventil 24 und das Ventil 25 auf Durchfluß geschaltet und es erfolgt eine Einspritzung mit dem durch den Druckverstärker 4 erhöhten Druck. Wird zunächst die erste Schaltstellung realisiert und nach einer gewissen Verzögerung während der Einspritzung die zweite Schaltstellung ausgebildet, so ergibt sich eine Bootinjektion.

Claims

P AT E N T A N S P R Ü C H E
1. Druckgesteuerte Kraftstoffeinspritzeinrichtung (1 ; 21 ; 23) mit einem gemeinsamen Druckspeicherraum, mit einem Injektor (3) pro Zylinder und mit einem lokalen, jedem Injektor (3) zugeordneten Druckverstärker (4), dadurch gekennzeichnet, dass ein 2/2-Wege-Ventil (14; 24) zum Zumessen von Kraftstoff an den Injektor (3) vorgesehen ist.
2. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein 2/2-Wege-Ventil (22) zur Ansteuerung des Druckverstärkers (4) vorgesehen ist.
3. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass, die Betätigung beider Steuerventile mit einem gemeinsamen Aktor vorgesehen ist.
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