WO2002077440A1 - Kraftstoffinjektor mit vorgeordnetem speichervolumen - Google Patents

Kraftstoffinjektor mit vorgeordnetem speichervolumen Download PDF

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WO2002077440A1
WO2002077440A1 PCT/DE2002/001039 DE0201039W WO02077440A1 WO 2002077440 A1 WO2002077440 A1 WO 2002077440A1 DE 0201039 W DE0201039 W DE 0201039W WO 02077440 A1 WO02077440 A1 WO 02077440A1
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WO
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pressure
fuel
injector
injection system
fuel injection
Prior art date
Application number
PCT/DE2002/001039
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Krinn
Juergen Hanneke
Stefan Stegmeyer
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Filing date
Publication date
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    • 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
    • F02M55/00—Fuel-injection apparatus characterised by their fuel conduits or their venting means; Arrangements of conduits between fuel tank and pump F02M37/00
    • F02M55/02—Conduits between injection pumps and injectors, e.g. conduits between pump and common-rail or conduits between common-rail and injectors
    • F02M55/025—Common rails
    • 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
    • F02M55/00—Fuel-injection apparatus characterised by their fuel conduits or their venting means; Arrangements of conduits between fuel tank and pump F02M37/00
    • F02M55/04—Means for damping vibrations or pressure fluctuations in injection pump inlets or outlets
    • 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

  • fuel injectors are used which are acted upon by fuel under high pressure from a high-pressure plenum chamber via a distributor pipe (rail). Due to the high pressures of> 1350 bar that occur in the fuel injection system, the peak pressure level in fuel injection systems is at a very high level, which affects its fatigue strength with increasing service life.
  • DE 196 19 523 relates to a fuel injection valve in which a valve body projecting into the combustion chamber of the internal combustion engine to be supplied is axially biased against a valve holding body by means of a clamping nut.
  • the valve body has a blind bore extending from the end face facing the valve holding body, which is designed as a guide bore in which a piston-shaped valve member is axially displaceably guided.
  • the guide bore has a radially widened pressure space, which is connected by an annular gap formed between the wall of the guide bore and the valve member shaft to a conical valve seat surface which is formed at the closed end of the guide bore projecting inwards. Injection openings, which open into the combustion chamber of the internal combustion engine to be supplied, adjoin this valve seat surface.
  • the axially displaceable valve member is held in contact with the valve seat by means of a return spring or pretension with a valve sealing surface provided on the combustion chamber end of the valve member.
  • the fuel is supplied to the injection valve via an inlet channel opening into the pressure chamber, which penetrates the valve holding body and, via an injection line, is continuously connected to a high-pressure storage chamber common to all injection valves of the internal combustion engine to be supplied.
  • the piston-shaped valve member has
  • valve member in the area of the pressure chamber an annular shoulder on which the fuel high pressure constantly present in the pressure chamber is applied in the opening direction of the valve member.
  • the valve member is hydraulically guided and blocked into its closed position via an adjacent pressure or piston rod, for which purpose the end face of the pressure rod facing away from the valve seat limits a hydraulic closing pressure chamber.
  • the guide bore leading the valve member widens radially as a result of the high fuel pressure constantly present at the injection valve. In addition to a reduced high-pressure strength of the valve body, this also results in increased leakage between the pressure chamber and a spring chamber provided on the low-pressure side, which impairs the efficiency of the entire fuel injection system.
  • DE 298 14 934 UI relates to a fuel injection valve for internal combustion engines.
  • a fuel injection valve for internal combustion engines is clamped axially by means of a clamping nut against a valve holding body, in which a piston-shaped valve member is axially displaceably guided in a guide bore.
  • the guide bore has a radially widened pressure space which is connected by an annular gap formed between the wall of the guide bore and the valve member by means of a conically inwardly directed valve seat surface. This is followed by injection openings downstream, to which the valve member can be brought into contact with a valve sealing surface under pretension.
  • a fuel inlet channel opening into the pressure chamber is provided, which is permanently connected via an injection line to a high-pressure storage chamber (common rail) common to all injection valves of the internal combustion engines to be supplied.
  • a contact surface of the clamping nut engaging behind the valve body and a counter-abutment surface interacting therewith is conical on the valve body in such a way that a radial tension component is transmitted to the valve body in addition to the axial preload.
  • the advantages of the solution according to the invention lie above all in that the system pressure (chamber pressure) which occurs can be decisively reduced by connecting a volume accumulator directly upstream of the injector for injecting fuel.
  • the distributor pipe can be replaced, which was previously used.
  • the high-pressure supply line extending from the high-pressure pump is connected directly to the storage volume arranged in front of the fuel injector, i.e. connected to the storage volume container located there.
  • the individual storage volumes upstream of the fuel injectors are high-pressure containers, which preferably hold a storage volume between 1 and 10 cm 3 capital.
  • the storage volume upstream of the individual fuel injectors is sufficiently dimensioned to reduce the high pressure peaks in the fuel injector by building up pressure vibrations.
  • high-pressure tanks which only take up a fuel volume between 1 and 10 cm, preferably between 3 and 5 cm, are extremely cheap because of the small space requirement which they take up, so that they can be accommodated in the cylinder head area of internal combustion engines in a space-saving manner.
  • the shaping of the injection course may be a requirement for a shaping of the injection course, the shaping of the injection course in the pre-injection phase, a main injection phase following this and a subsequent post-injection phase, in order to e.g. to ensure an injection sequence that takes the ignition delay into account.
  • the accuracy of the metering time and the fuel volume to be metered depends to a large extent on the tightness of the nozzle seat, i.e. and thus from nozzle seat wear.
  • the solution proposed according to the invention of assigning separate storage volumes directly to the individual fuel injectors can result in a significantly more flexible attachment of the fuel injection system to the respective internal combustion engine, be it to drive passenger cars, commercial vehicles or rail vehicles.
  • FIG. 1 shows a fuel injection system with storage volumes that are directly assigned to the individual fuel injectors, without the need for a distributor tube,
  • FIG. 2 shows a representation of the pressure measuring points in front of a fuel injector
  • FIG. 3 shows the pressure curve on a previous fuel injection system with a first line length
  • FIG. 4 shows the pressure curve on a fuel projector with an upstream storage volume for a first line length
  • Figure 5 shows the pressure curve on a fuel injector with upstream storage volume with a second line length.
  • FIG. 1 shows a fuel injector with storage volumes directly in front of the injector, without the use of distributor pipes.
  • the fuel injection system proposed according to the invention for injecting fuel under high pressure into the combustion chambers of internal combustion engines comprises a high-pressure pump 2, which is only indicated schematically here.
  • a high-pressure feed line 5, which connects the high-pressure pump 2 to a control block 3, is screwed to the high-pressure pump 2 via a line connection 4.
  • a corresponding number of supply sections 6.1, 6.2, 6.3 and 6.4 extend from the control block 3.
  • the supply line sections 6.1, 6.2, 6.3 and 6.4 are connected to the high-pressure-resistant control block 3 via line connections 4.
  • the supply line sections 6.1, 6.2, 6.3, 6.4 can be formed in different tube lengths 7 and extend from the line connection 4 on the control block 3 to the respective fuel injectors 8.1, 8.2, 8.3 and 8.4.
  • four supply sections 6.1, 6.2, 6.3 and 6.4 are received on the control block 3, via which the combustion chambers of a four-cylinder internal combustion engine can be supplied.
  • the storage volumes 13 assigned to the fuel injectors 8.1, 8.2, 8.3 and 8.4 are fastened directly to the injector body 11 of the respective fuel injector 8.1, 8.2, 8.3 and 8.4.
  • the storage volumes offer space for a fuel volume of 1 to 10 cm, preferably between 3 and 5 cm.
  • the configuration of a fuel injection system according to the invention offers the advantage of dispensing with a distributor pipe (rail), since the high-pressure supply line 5 passes directly into the supply line sections 6.1, 6.2, 6.3 and 6.4 with the interposition of a control block 3.
  • the pressure load under which the fuel injectors 8.1, 8.2, 8.3 and 8.4 are operated can be considerably reduced.
  • the pressure load arises due to pressure fluctuations occurring in the line system between the high-pressure manifold (common rail) and the injector body 11 due to the interposed line length.
  • this line length can be reduced almost to 0 if the storage volume 13 is connected directly upstream of the injector body 11 of the fuel injectors 8.1, 8.2, 8.3 and 8.4.
  • the fuel injectors 8.1, 8.2, 8.3 and 8.4 as shown in FIG. 1 each comprise an injector body 11, on which a fuel outflow 12, which is shown schematically here, is provided.
  • a nozzle body 10 extends below the injector body 11 of the fuel injectors 8.1, 8.2, 8.3 and 8.4 and is penetrated by a nozzle needle (not shown in FIG. 1).
  • a nozzle needle not shown in FIG. 1
  • the injection nozzle can be both a seat hole nozzle and a blind hole nozzle.
  • the representation according to FIG. 1 shows a representation of pressure measuring points on a fuel injector. From the fuel injection system as shown in FIG. 1, one of the fuel injectors, namely the fuel injector 8.1, is selected as an example in accordance with FIG. To determine the various pressure prevailing in the injector body of the fuel injector 8.1 and in the supply line section 6.1, various measuring points are provided on the fuel injector 8.1. The pressure prevailing in the supply line section 6.1 is determined at a measuring point 20, while the chamber pressure prevailing inside the injector is determined at a further measuring point 21. Furthermore, a measuring point 22 for the high-pressure duct is provided in the area of the fuel injector 8.1 near the nozzle, as shown in FIG. 2.
  • the fuel injector 8.1 essentially comprises an actuator 23 with which an opening or closing movement of a nozzle needle 26 can be triggered.
  • the actuator 23 can be designed both as a piezo actuator and as a solenoid valve or as a mechanically hydraulic actuating unit.
  • a spring element 25 is received in the interior of a bore extending through the injector body 28.
  • the nozzle needle 26 is enclosed in the area of the nozzle body 29 by a nozzle chamber 27, in which the high-pressure fuel volume for injection at the injection cone 31 is present in a combustion chamber, not shown here, of an internal combustion engine.
  • the storage volume 13 is integrated in the supply section 6.1 immediately before the high-pressure connection 30 on the injector body 28.
  • Decisive for the reduction of pressure peaks in the injector housing 28 of the fuel injector 8.1 is the fact that the storage volume 13 is connected directly upstream of the injector body 28, so that the storage volume 13 can serve as a damping element for pressure fluctuations occurring in dynamic injector operation.
  • the length 7 (see illustration in FIG. 1) of the high-pressure supply line section 6.1, which extends from the high-pressure pump 2 or from the control block 3 to the storage volume 13, is of secondary importance, since the arrangement of the storage volume 13 directly on the injector body 28 of the fuel injector 8.1 is established Cushions pressure fluctuations without excessive pressure.
  • FIG. 3 shows the pressure curve in previous fuel injection systems with fuel injectors without an upstream storage volume.
  • the resulting pressure curve plotted against the actuation time 41 of the respective fuel injectors 8.1, 8.2, 8.3 and 8.4, is represented by reference numeral 40.
  • the pressure inside the injector body 28 assumes maximum values over the actuation time 41, which reach their local maxima at the actuation times 41 identified by reference numeral 46.
  • the resulting pressure maxima 46 lie significantly above the system pressure 45, designated 45, with which the fuel injection system is operated.
  • the pressure curve 43 in the feed line to the injector, when plotted over the triggering time of the fuel injector is also considerably above the system pressure level 45.
  • the maxima of the pressure curve 43 in the feed system of the fuel injector are set at the local maxima 46, which also occur in the interior of the injector body 28 when the pressure curve 44 is present.
  • the pressure profile 44 in the high-pressure bore part of the injector body 28, ie in the area of the pressure rod 24 and nozzle needle 26, has a hoof-shaped, trapezoidal profile which is essentially characterized by a constant level after the pressure has been built up.
  • the pressure profiles shown in FIG. 3 correspond to those which occur in a fuel injector at the measuring points 20, 21 and 22 shown in FIG.
  • Characteristic of the pressure curves shown in FIG. 3 are the high pressure peaks in the area of the local maxima 46 in relation to the system pressure 45 with regard to the chamber pressure curve 42 and with regard to the supply pressure curve 43 in the distributor pipe to the fuel injector.
  • FIG. 4 shows the pressure profiles on a fuel injector with an upstream storage volume, the supply line sections to the storage volumes upstream of the fuel injector being designed in a first line length.
  • the pressure curve 40 is plotted against the control time 41 of a fuel projector, the injector body of which is directly connected upstream of a storage volume.
  • the system pressure prevailing in the fuel injection system is identified by reference numeral 45.
  • the illustration according to FIG. 4 shows that the pressure level at which the pressure profiles 42, 43, 44 corresponding to the measuring points 20, 21 and 22 of the fuel projector 8 according to the illustration in FIG. 2 are at a considerably lower level.
  • the chamber pressure curve 42 which occurs in the interior of the injector body 28, is only insignificantly above the system pressure 45 with which the fuel injection system is operated in accordance with the configuration in FIG. 1.
  • the line pressure curve 43 in the supply line section 6.1 to the fuel projector configured according to the invention runs only insignificantly above the constant system pressure of the fuel injection system identified by reference numeral 45.
  • FIG. 5 shows the pressure profiles on a fuel injector which is provided with an upstream storage volume, the feed lines of which are formed in a second line length.
  • the pressure curve 42 which arises in the interior of the injector body 28 is characterized by a local maximum 46 at the beginning of the actuation. Thereafter, the chamber pressure curve 42 inside the injector body 28 runs essentially at a pressure level that is higher than the system pressure 45.
  • the pressure curve 44 in the high-pressure channel, i.e. in the area of the nozzle needle 26 and the nozzle chamber 27 inside the injector body 28 its local maximum 46 approximately after half of the activation time 41. This corresponds roughly to the local maximum 46 in FIG.
  • the storage volumes 13 directly upstream of the fuel injectors 8.1, 8.2, 8.3 and 8.4 are acted upon directly via the high-pressure pump 2 or the intermediate control block 3, the high-pressure plenum and distributor pipes, which caused the pressure peaks which had previously occurred during operation of the injector, can be dispensed with entirely become.
  • the omission of manifolds offers the possibility of a more flexible attachment of a fuel injection system to the internal combustion engine.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kraftstoffeinspritzsystem zur Versorgung der Brennräume einer Verbrennungskraftmaschine mit Kraftstoff, welches eine Hochdruckpumpe (2) umfasst. Über die Hochdrruckpumpe (2) wird eine Anzahl von Kraftstoffinjektoren (8.1 bis 8.4) mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagt. Den einzelnen Kraftstoffinjektoren (8.1 bis 8.4) ist jeweils ein Speichervolumen (13) zugeordnet, we1ches über eine Hochdruckzuleitung (5) von der Hochdruckpumpe (2) direkt beaufschlagt ist.

Description

Kraftstoffinjektor mit vorgeordnetem Speichervolumen
Technisches Gebiet
Bei Kraftstoffeinspritzsystemen zum Einspritzen von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff, kommen Kraftstoffinjektoren zum Einsatz, die über ein Verteilerrohr (Rail) von ei- nem Hochdrucksammelraum mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff beaufschlagt werden. Durch die im Kraftstoffeinspritzsystem auftretenden hohen Drücke von > 1350 bar, liegt das Spitzendruckniveau in Kraftstoffeinspritzsystemen auf einem sehr hohen Niveau, was dessen Dauerfestigkeit mit zunehmender Lebensdauer beeinträchtigt.
Stand der Technik
DE 196 19 523 bezieht sich auf ein Kraftstoffeinspritzventil, bei dem ein in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragender Ventilkörper mittels einer Spannmutter axial gegen einen Ventilhaltekörper vorgespannt ist. Der Ventilkörper weist eine von der dem Ventilhaltekörper zugewandten Stirnfläche ausgehende Sackbohrung auf, die als Führungsbohrung ausgebildet ist, in der ein kolbenförmiges Ventilglied axial verschiebbar geführt ist. Dabei weist die Führungsbohrung einen radial erweiterten Druckraum auf, der durch einen zwischen der Wand der Führungsbohrung und dem Ventilgliedschaft gebildetem Ringspalt mit einer konischen Ventilsitzfläche verbunden ist, die am nach Innen ra- genden geschlossenen Ende der Führungsbohrung gebildet ist. An diese Ventilsitzfläche schließen sich stromabwärts Einspritzöffnungen an, die in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine münden. Dabei wird das axial verschiebbare Ventilglied mittels einer Rückstellfeder oder Vorspannung mit einer am brennraumseitigen Ende des Ventilgliedes vorgesehenen Ventildichtfläche in Anlage am Ventilsitz gehalten. Die Kraft- stoffzufiihrung zum Einspritzventil erfolgt über einen in den Druckraum mündenden Zulaufkanal, der den Ventilhaltekörper durchdringt und weiter über eine Einspritzleitung ständig mit einem f r sämtliche Einspritzventile der zu versorgenden Brennkraftmaschine gemeinsamen Hochdruckspeicherraum verbunden ist. Das kolbenförmige Ventilglied weist
im Bereich des Druckraumes eine Ringschulter auf, an der der im Druckraum ständig anstehende Kraftstoffhochdruck in Öffnungsrichtung des Ventilgliedes anliegt. Das Ventilglied wird dabei über eine anliegende Druck- bzw. Kolbenstange hydraulisch in seine Schließlage geführt und blockiert, wozu die dem Ventilsitz abgewandte Stirnfläche der Druckstange einen hydraulischen Schließdruckraum begrenzt. Bei dem aus DE 196 19 523 bekannten Kraftstoffeinspritzventil ist jedoch der Umstand von Nachteil, daß sich infolge des ständig am Einspritzventil anliegenden Kraftstoffhochdruckes die das Ventilglied führende Führungsbohrung radial aufweitet. Neben einer verringerten Hochdruckfestigkeit des Ventilkörpers hat dies auch eine verstärkte Leckage zwischen dem Druckraum und einem niederdruckseitig vorgesehenen Federraum zur Folge, was den Wirkungsgrad des gesamten Kraftstoffeinspritzsystems beeinträchtigt.
DE 298 14 934 UI bezieht sich auf ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen. Ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen ist mittels einer Spannmutter axial gegen einen Ventilhaltekörper verspannt, in dem ein kolbenförmiges Ventilglied in einer Führungsbohrung axial verschiebbar geführt ist. Die Führungsbohrung weist einen radial erweiterten Druckraum auf, der durch eine zwischen der Wandung der Führungsbohrung und dem Ventilglied gebildeten Ringspalt mittels einer konisch einwärts gerichteten Ventilsitzfläche verbunden ist. An diese schließen sich stromabwärts Einspritzöffnungen an, an welche das Ventilglied unter Vorspannung mit einer Ventildichtfläche in Anlage bringbar ist. Ferner ist ein in den Druckraum mündender Kraftstoffzulaufkanal vorgesehen, der über eine Einspritzleitung ständig mit einem für sämtliche Einspritzventile der zu versorgenden Verbrennungskraftmaschinen gemeinsamen Hochdruckspeicherraum (Common Rail) verbunden ist. Ein den Ventilkörper hintergreifende Anlagefläche der Spannmutter und eine mit dieser zusammenwirkenden Gegenanschlagfläche ist am Ventilkörper derart konisch ausgebildet, daß neben der axialen Vorspannung eine radiale Spannungskomponente auf den Ventilkörper übertragen wird.
Vorteile und Darstellung der Erfindung
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung liegen vor allem darin, daß durch das Vorschalten eines Volumenspeichers direkt vor dem Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff der auftretende Systemdruck (Kammerdruck) entscheidend reduziert werden kann. Mit Hilfe der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung läßt sich das Verteilerrohr ersetzen, was bisher verwendet wurde. Zu diesem Zweck wird die sich von der Hochdruckpumpe aus erstreckende Hochdruckzuleitung mit dem jeweils vor dem Kraftstoffinjektor angeordnete Speichervolumen direkt verbunden, d.h. an den dort angeordneten Speichervolumenbehälter angeschlossen. Zwischen der Hochdruckpumpe und dem einzelnen, den Kraftstoffinjektoren vorgeschalteten Speichervolumina befindet sich lediglich ein Steuerblock, der die Druckbeaufschlagung der Speichervolumina der einzelnen Kraftstoffinjektoren steuert.
Die einzelnen, den Kraftstoffinjektoren vorgeschalteten Speichervolumina sind Hochdruckbehälter, die bevorzugt ein Speichervolumen zwischen 1 .und 10 cm3 aufzunehmen vermögen. Dies den einzelnen Kraftstoffinjektoren jeweils vorgeschaltete Speichervolumen ist ausreichend bemessen, um die hohen Druckspitzen im Kraftstoffmjektor durch den Aufbau von Druckschwingungen zu reduzieren. Andererseits sind Hochdruckbehälter, die lediglich ein Kraftstoffvolumen zwischen 1 und 10 cm , bevorzugt zwischen 3 und 5 cm aufnehmen, äußerst günstig wegen des geringen Platzbedarfes, welche diese beanspruchen, so daß sie sich bauraumsparend im Zylinderkopfbereich von Verbrennungskraftmaschinen unterbringen lassen.
Durch das Dämpfungsvermögen des Speichervolumens am Kraftstoffmjektor können Spit- zendrücke bedeutend herabgesetzt werden, so daß sich die Dauerfestigkeit des Kraftstoffinjektors erheblich erhöhen läßt. Neben dem vorteilhaften Einfluß auf die Dauerfestigkeit des Kraftstoffinjektorkörpers, hat die drastische Herabsetzung des Speicherdruckniveaus erhebliche Vorteile hinsichtlich des Düsensitzverschleisses. Die Genauigkeit der Fertigung des Düsensitzes im Injektorgehäuse eines Kraftstoffinjektors hat erheblichen Einfluß auf die Zumeßgenauigkeit des Kraftstoffvolumens in den Brennraum während der einzelnen Phasen der Verbrennung. Je nach Anwendung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffeinspritzsystems kann die Anforderung an eine Formung des Einspritzverlaufes bestehen, wobei die Formung des Einspritzverlaufes in Voreinspritzphase, eine dieser nachgeordnete Haupteinspritzphase und eine sich an diese anschließende Nachein- spritzphase unterteilt sein kann, um z.B. eine dem Zündverzug Rechnung tragende Einspritzabfolge zu gewährleisten. Die Genauigkeit des Zumeßzeitpunktes und das zuzumessende Kraftstoffvolumen ist im hohen Maße abhängig von der Dichtheit des Düsensitzes, d.h. und damit vom Düsensitzverschleiß.
Neben der Reduktion der Komponentenanzahl durch den Fortfall des Verteilerrohres, kann mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung der Zuordnung separater Speichervolumen direkt zu den einzelnen Kraftstoffinjektoren ein wesentlich flexiblerer Anbau des Kraftstoffeinspritzsystems an der jeweiligen Verbrennungskraftmaschine, sei es zum Antrieb von Personenkraftwagen, Nutzfahrzeugen oder Schienenfahrzeugen führen.
Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher beschrieben. Es zeigt:
Figur 1 ein Kraftstoffeinspritzsystem mit Speichervolumina, die direkt den einzelnen Kraftstoffinjektoren zugeordnet sind unter Verzicht auf Verteiler- röhre,
Figur 2 eine Wiedergabe der Druckmeßstellen vor einem Kraftstoffinjektor,
Figur 3 den Druckverlauf an einem bisherigen Kraftstoffeinspritzsystem mit einer ersten Leitungslänge,
Figur 4 den Druckverlauf an einem Kraftstoffmjektor mit vorgeordnetem Speichervolumen bei einer ersten Leitungslänge und
Figur 5 den Druckverlauf an einem Kraftstoffinjektor mit vorgeordnetem Speichervolumen bei einer zweiten Leitungslänge.
Ausfuhrungsvarianten
Die Darstellung gemäß Figur 1 zeigt einen Kraftstoffinjektor mit Speichervolumina direkt vor dem Injektor unter Verzicht auf Verteilerrohre.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Kraftstoffeinspritzsystem zum Einspritzen von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff in die Brennräume von Verbrennungskraftmaschinen umfaßt eine Hochdruckpumpe 2, die hier lediglich schematisch angedeutet ist. An der Hochdruckpumpe 2 ist über einen Leitungsanschluß 4 eine Hochdruckzuleitung 5 angeschraubt, die die Hochdruckpumpe 2 mit einem Steuerblock 3 verbindet. Vom Steuerblock 3 erstrecken sich, je nach Anzahl der zu versorgenden Brennräume der Verbrennungskraftmaschine, eine entsprechende Anzahl von Zuleitungsabschnitten 6.1, 6.2, 6.3 und 6.4. Die Zuleitungsabschnitte 6.1, 6.2, 6.3 und 6.4 sind über Leitungsanschlüsse 4 mit dem hochdruckfesten Steuerblock 3 verbunden.
Die Zuleitungsabschnitte 6.1, 6.2, 6.3, 6.4 können in verschiedenen Rohrlängen 7 ausgebildet sein und erstrecken sich vom Leitungsanschluß 4 am Steuerblock 3 zu den jeweili- gen Kraftstoffinjektoren 8.1, 8.2, 8.3 und 8.4. In der Anordnung gemäß Figur 1 sind am Steuerblock 3 vier Zuleitungsabschnitte 6.1, 6.2, 6.3 und 6.4 aufgenommen, über welche die Brennräume einer Vierzylinder- Verbrennungskraftmaschine versorgt werden können. Daneben ist es selbstverständlich auch möglich, am Steuerblock 3, der der Hochdruckpumpe 2 nachgeschaltet ist, eine andere Anzahl von Zuleitungsabschnitten 6.1, 6.2, 6.3 und 6.4 anzuschließen, beispielsweise um eine Sechs- oder eine Achtzylinderverbrennungskraftma- schien oder auch einen Dreizylindermotor mit Kraftstoff zu versorgen.
Die den Kraftstoffinjektoren 8.1, 8.2, 8.3 und 8.4 jeweils zugeordneten Speichervolumina 13 sind unmittelbar am Injektorköφer 11 des jeweiligen Kraftstoffinjektors 8.1, 8.2, 8.3 und 8.4 befestigt. Die Speichervolumina bieten Raum zur Aufnahme eines Kraftstoffvolu- mens von 1 bis 10 cm , bevorzugt zwischen 3 und 5 cm . Durch das Vorschalten des Speichervolumens 13 direkt vor den jeweiligen Kraftstoffmjektor 8.1, 8.2, 8.3 und 8.4 kann der beim Betrieb des Kraftstoffinjektors 8.1, 8.2, 8.3 und 8.4 entstehender Spitzendruck (Kammerdruck) der durch die Dynamik des Injektorbetriebes entsteht, erheblich reduziert werden. Daneben bietet die erfindungsgemäße Konfiguration eines Kraftstoffeinspritzsystems den Vorteil, auf ein Verteilerrohr (Rail) zu verzichten, da die Hochdruckversorgungsleitung 5 unter Zwischenschaltung eines Steuerblockes 3 direkt in die Zuleitungsabschnitte 6.1, 6.2, 6.3 und 6.4 übergeht. Dadurch kann die Druckbelastung, unter welcher die Kraftstoffinjektoren 8.1, 8.2, 8.3 und 8.4 betrieben werden, erheblich reduziert werden. Die Druckbelastung entsteht durch sich einstellende Druckschwingungen im Leitungssystem zwischen Hochdrucksammelraum (Common Rail) und den Injektorköφer 11 aufgrund der zwischengeschalteten Leitungslänge. Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann diese Leitungslänge nahezu auf 0 reduziert werden, wenn das Speichervolumen 13 dem Injektorköφer 1 1 der Kraftstoffinjektoren 8.1, 8.2, 8.3 und 8.4 direkt vorgeschaltet wird. Durch die Reduktion von Druckschwingungen mittels des erfindungsgemäß den Kraftstoffinjektoren 8.1, 8.2, 8.3 und 8.4 zugeordneten Speichervolumens 13 kann die mechanische Beanspruchung des Materials, aus welchem die Kraftstoffinjektoren 8.1, 8.2, 8.3 und 8.4 gefertigt sind, erheblich herabgesetzt werden. Ein vorteilhafter, sich einstellender Nebenef- fekt ist der Umstand, daß mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung der Düsen- sitzverschleiß aufgrund erheblich herabgesetzter, im Injektorköφer auf Düsennadel und Druckstange einwirkender Drücke, herabgesetzt werden kann.
Die Kraftstoffinjektoren 8.1, 8.2, 8.3 und 8.4 gemäß der Darstellung in Figur 1 umfassen jeweils einen Injektorköφer 11, an dem ein hier schematisch wiedergegebener Kraftstoffablauf 12 vorgesehen ist. Unterhalb des Injektorköφers 11 der Kraftstoffinjektoren 8.1, 8.2, 8.3 und 8.4 erstreckt sich ein Düsenköφer 10 der von einer in Figur 1 nicht dargestellten Düsennadel durchzogen ist. An den Düsenköφer 10, mit der Kraftstoffinjektoren 8.1, 8.2, 8.3 und 8.4 schließt sich eine Einspritzdüse 9 an, die gemäß der Darstellung in Figur 1 lediglich prinzipienhaft wiedergegeben ist. Bei der Einspritzdüse kann es sich sowohl um eine Sitzlochdüse als auch um eine Sacklochdüse handeln.
Der Darstellung gemäß Figur 1 ist eine Wiedergabe von Druckmeßstellen an einem Kraft- stoffinjektor zu entnehmen. Aus dem Kraftstoffeinspritzsystem gemäß der Darstellung in Figur 1 ist gemäß Figur 2 einer der Kraftstoffinjektoren, nämlich der Kraftstoffmjektor 8.1 beispielhaft herausgegriffen. Zur Ermittlung der verschiedenen, im Injektorköφer des Kraftstoffinjektors 8.1 und im Zuleitungsabschnitt 6.1 herrschenden Drucks sind am Kraftstoffmjektor 8.1 verschiedene Meßstellen vorgesehen. Der im Zuleitungsabschnitt 6.1 herrschende Druck wird an einer Meßstelle 20 ermittelt, während der im Injektorinneren herrschende Kammerdruck an einer weiteren Meßstelle 21 ermittelt wird. Ferner ist im düsennäheren Bereich des Kraftstoffin- jektors 8.1 gemäß der Darstellung in Figur 2 eine Meßstelle 22 für den Hochdruckkanal vorgesehen.
Der Kraftstoffinjektor 8.1 umfaßt im wesentlichen einen Aktor 23, mit welchem eine Öff- nungs- bzw. Schließbewegung einer Düsennadel 26 ausgelöst werden kann. Der Aktor 23 kann sowohl als Piezoaktor als auch als Magnetventil oder als mechanisch hydraulische Stelleinheit ausgebildet sein. Unterhalb des seitlich am Injektorköφer des Kraftstoffiηjek- tors 8.1 aufgenommenen Hochdruckanschlusses 30, erstreckt sich eine Druckstange 24, welche die Stellbewegungen die durch die Betätigung des Aktors 23 initiiert werden, an die Düsennadel 26 überträgt. Zwischen Druckstange 24 und Düsennadel 26 ist in das Innere einer sich durch den Injektorköφer 28 erstreckenden Bohrung ein Federelement 25 aufge- nommen. Die Düsennadel 26 wird im Bereich des Düsenköφers 29 von einem Düsenraum 27 umschlossen, in welchem das unter hohem Druck stehende Kraftstoffvolumen zur Einspritzung am Einspritzkegel 31 in einen hier nicht dargestellten Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine ansteht.
In der Darstellung gemäß Figur 2 ist das Speichervolumen 13 im Zuleitungsabschnitt 6.1 unmittelbar vor dem Hochdruckanschluß 30 am Injektorköφer 28 integriert. Entscheidend für die Reduzierung von Druckspitzen im Injektorgehäuse 28 des Kraftstoffinjektors 8.1 ist der Umstand, daß das Speichervolumen 13 dem Injektorköφer 28 unmittelbar vorgeschaltet ist, so daß sich das Speichervolumen 13 als Dämpfungselement für sich an dynamischen Injektorbetrieb einstellenden Druckschwingungen dienen kann. Dabei ist die sich von der Hochdruckpumpe 2 bzw. vom Steuerblock 3 zum Speichervolumen 13 erstreckende Länge 7 (vergleiche Darstellung gemäß Figur 1) des Hochdruckzuleitungsabschnittes 6.1 von untergeordneter Bedeutung, da die Anordnung des Speichervolumens 13 unmittelbar am In- jektorköφer 28 des Kraftstoffinjektors 8.1 sich einstellende Druckschwingungen ohne Drucküberhöhung abfedert.
Der Darstellung gemäß Figur 3 ist der Druckverlauf in bisherigen Kraftstoffeinspritzsystemen mit Kraftstoffinjektoren ohne vorgeordnetem Speichervolumen zu entnehmen. Mit Bezugszeichen 40 ist der sich einstellende Druckverlauf, aufgetragen über der Ansteuerzeit 41 der jeweiligen Kraftstoffinjektoren 8.1, 8.2, 8.3 und 8.4, wiedergegeben. Entsprechend des Druckverlaufes 42 in einer im Gehäuseinneren des Injektorköφers 28 ausgebildeten Kammer nimmt der Druck im Inneren des Injektorköφers 28 über der Ansteuerzeit 41 Höchstwerte an, die ihre lokalen Maxima bei den mit Bezugszeichen 46 gekennzeichneten Ansteuerzeiten 41 erreichen. Die sich einstellende Druckmaxima 46 liegen erheblich über den mit Bezugszeichen 45 bezeichneten Systemdruck 45, mit welchem das Kraftstoffeinspritzsystem betrieben wird. Der Druckverlauf 43 in der Zuleitung zum Injektor liegt aufgetragen über der Ansteuerzeit des Kraftstoffinjektors ebenfalls erheblich über dem Systemdruckniveau 45. Der den Druckverlauf im Leitungsabschnitt, d.h. einem Verteilerrohr (Common Rail) entsprechende Druckverlauf 43 folgt im wesentlichen dem Druckverlauf, der sich im Inneren des injektorköφers 28 einstellt, jedoch auf einem niedrigeren Druckniveau. Die Maxima des Druckverlaufes 43 im Zuleitungssystem des Kraftstoffin- jektors stellen sich an den lokalen Maxima 46 ein, die sich auch beim Druckverlauf 44 im Inneren des Injektorköφers 28 einstellen. Demgegenüber nimmt gemäß der Darstellung in Figur 3 der Druckverlauf 44 im Hochdruckbohrungsteil des Injektorköφers 28, d.h. im Bereich der Druckstange 24 und Düsennadel 26 ein hufförmiges einen trapezförmigen Verlauf ein, der im wesentlichen durch ein konstantes Niveau nach abgeschlossenem Druckaufbau geprägt ist.
Die in Figur 3 dargestellten Druckverläufe entsprechen denjenigen, welche sich in einem Kraftstoffinjektor an den in Figur 2 bezeichneten Meßstellen 20, 21 und 22 einstellen. Kennzeichnend für die in Figur 3 wiedergegebene Druckverläufe sind die im Vergleich zum Systemdruck 45 herrschenden hohen Druckspitzen im Bereich der lokalen Maxima 46 hinsichtlich des Kammerdruckverlaufes 42 und hinsichtlich des Zuleitungsdruckverlaufes 43 in Verteilerrohr zum Kraftstoffmjektor.
Figur 4 gibt demgegenüber die Druckverläufe an einem Kraftstoffmjektor mit vorgeordnetem Speichervolumen wieder, wobei die Zuleitungsabschnitte zu den dem Kraftstoffmjek- tor jeweils vorgeordneten Speichervolumen in einer ersten Leitungslänge ausgelegt sind.
Analog zur Darstellung gemäß Figur 4 ist der Druckverlauf 40 über der Ansteuerzeit 41 eines Kraftstoffmjektors aufgetragen, dessen Injektorköφer unmittelbar ein Speichervolumen vorgeschaltet ist. Der im Kraftstoffeinspritzsystem herrschende Systemdruck ist mit Bezugszeichen 45 gekennzeichnet.
Der Darstellung gemäß Figur 4 ist zu entnehmen, daß das Druckniveau, auf welchem die Druckverläufe 42, 43, 44 entsprechend der Meßstellen 20, 21 und 22 des Kraftstoffmjektors 8 gemäß der Darstellung in Figur 2, auf einem erheblich niedrigeren Niveau liegen. Der Kammerdruckverlauf 42, der sich im Inneren des Injektorköφers 28 einstellt, liegt nur unwesentlich über dem Systemdruck 45, mit welchem das Kraftstoffeinspritzsystem gemäß der Konfiguration in Figur 1 betrieben wird. Ebenso verläuft der Leitungsdruckverlauf 43 im Zuleitungsabschnitt 6.1 zum erfindungsgemäß konfigurierten Kraftstoffmjektor nur unwesentlich über den mit Bezugszeichen 45 gekennzeichneten, konstanten Systemdruck des Kraftstoffeinspritzsystemes. Lediglich der Druckverlauf 44 im Hochdruckkanal, d.h. im Bereich der Düsennadel 26 im Injektorköφer 28 liegt im Bereich eines sich ausbildenen lokalen Maximums 46 über dem Systemdruck 45, mit welchem der mit einem direkt vorgeschalteten Speichervolumen versehene Kraftstoffmjektor betrieben wird.
Der Darstellung gemäß Figur 5 sind die Druckverläufe an einem Kraftstoffinjektor zu entnehmen, der mit einem vorgeordneten Speichervolumen versehen ist, dessen Zuleitungen in einer zweiten Leitungslänge ausgebildet sind. Der sich im Inneren des Injektorköφers 28 einstellende Druckverlauf 42 ist durch ein lokales Maximum 46 zu Beginn der Ansteue- rung gekennzeichnet. Danach verläuft der Kammerdruckverlauf 42 im Inneren des Injektorköφers 28 im wesentlichen auf einem im Vergleich zum Systemdruck 45 erhöht liegenden Druckniveau. Analog zur Darstellung gemäß Figur 4 nimmt der Druckverlauf 44 im Hochdruckkanal, d.h. im Bereich von Düsennadel 26 und Düsenraum 27 im Inneren des Injektorköφers 28 sein lokales Maximum 46 etwa nach der Hälfte der Ansteuerzeit 41 an. Dies entspricht in etwa dem sich einstellenden lokalen Maximums 46 in Figur 4 des Hochdruckverlaufes 44, wenn die Zuleitung zum Speichervolumen in einer ersten Leitungslänge 7 (vergleiche Darstellung in Figur 1) ausgebildet ist. Ein Vergleich der lokalen Maxima 46 der Druckverläufe 44 und 42 aus den Figuren 4 und 5 zeigt, daß die Zuleitungslänge zum Kraftstoffmjektor 8.1, 8.2, 8.3 und 8.4 jeweils vorgeschalteten Speichervolumen 13 in be- zug auf die sich einstellenden Druckmaxima und die Druckbelastung des Injektorköφers 28 von untergeordneter Bedeutung ist. Ein mit einem direkt vorgeschalteten Speichervolumen 13 versehener Injektorköφer 28 eines Kraftstoffinjektors 8.1, 8.2, 8.3 und 8.4 ist hinsichtlich seiner Dauerbelastbarkeit und der sich einstellenden Druckspitzen in mechanischer Hinsicht wesentlich geringer beansprucht als ein Kraftstoffinjektor ohne Speicher- volumen (vergleiche Druckverläufe gemäß der Darstellung in Figur 2). Da die den Kraftstoffinjektoren 8.1, 8.2, 8.3 und 8.4 jeweils direkt vorgeschalteten Speichervolumen 13 direkt über die Hochdruckpumpe 2 bzw. den zwischengeschalteten Steuerblock 3 beaufschlagt werden, kann der Hochdrucksammelraum sowie Verteilerrohre, die die sich beim Betrieb des Injektors bisher einstellenden Druckspitzen verursachten, völlig verzichtet werden. Daneben bietet der Verzicht auf Verteilerrohre die Möglichkeit eines flexibleren Anbaus eines Kraftstoffeinspritzsystemes an der Verbrennungskraftmaschine.

Claims

Patentansprüche
1. Kraftstoffeinspritzsystem zur Versorgung der Brennräume einer Verbrennungskraftmaschine mit Kraftstoff, welches eine Hochdruckpumpe (2) umfaßt, über welche eine Anzahl von Kraftstoffinjektoren (8.1 bis 8.4) mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagt werden, dadurch gekennzeichnet, daß den einzelnen Kraftstoffinjektoren (8.1 bis 8.4) jeweils ein Speichervolumen (13) direkt vorgeschaltet ist.
2. Kraftstoffeinspritzsystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichervolumina (13) der Kraftstoffinjektoren (8.1 bis 8.4) über eine Hochdruckpumpe (2) direkt mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff beaufschlagbar sind.
3. Kraftstoffeinspritzsystem gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß den einzelnen, den Kraftstoffinjektoren (8.1 bis 8.4) vorgeschalteten Speichervolumina (13) ein Steuerblock (3) vorgeschaltet ist.
4. Kraftstoffeinspritzsystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spei- chervolumen (13) zwischen 1 und 10 cm liegt.
5. Kraftstoffeinspritzsystem gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Spei- chervolumen (13) bevorzugt zwischen 3 und 5 cm beträgt.
6. Kraftstoffeinspritzsystem gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungsabschnitte (6.1 bis 6.4) zu den einzelnen Speichervolumina (13) in beliebiger Länge ausgeführt sind.
7. Kraftstoffeinspritzsystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser der Zuleitungsabschnitte (6.1 bis 6.4) zu den Speichervolumina (13) zwischen 2 und 10 mm liegen.
8. Kraftstoffeinspritzsystem gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser der Zuleitungsabschnitte (6.1 bis 6.4) bevorzugt 3 mm betragen.
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