WO2002077441A1 - Verfahren zum einspritzen von kraftstoff in die brennräume einer brennkraftmaschine, sowie kraftstoffeinspritzsystem für eine solche - Google Patents

Verfahren zum einspritzen von kraftstoff in die brennräume einer brennkraftmaschine, sowie kraftstoffeinspritzsystem für eine solche Download PDF

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Günther Schmidt
Albert Kloos
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Mtu Friedrichshafen Gmbh
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    • F02M2200/31—Fuel-injection apparatus having hydraulic pressure fluctuations damping elements
    • F02M2200/315—Fuel-injection apparatus having hydraulic pressure fluctuations damping elements for damping fuel pressure fluctuations

Definitions

  • the invention relates to a method for injecting fuel into the combustion chambers of an internal combustion engine according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a fuel injection system for an internal combustion engine according to the preamble of claim 8.
  • a type of fuel injection has increasingly been used in which a common supply and storage line (common rail) is pressurized with fuel by means of a high-pressure pump under high pressure and from this the fuel under high pressure via a respective high-pressure line of a number each comprising an injection valve
  • Fuel injectors is supplied. The beginning and end of the injection of the fuel into the combustion chambers of the internal combustion engine are controlled by opening and closing the injection valves provided in the fuel injectors.
  • a high-pressure accumulator having a specific fuel storage volume can be provided in each of the high-pressure lines leading to the fuel injectors.
  • Such a type of fuel injection is known for example from DE 197 12 135 C1.
  • the increasingly stringent requirements with regard to limiting pollutant emissions from internal combustion engines tend to necessitate ever higher injection pressures.
  • the maximum permissible pressure in a fuel injection system of the type mentioned with regard to the material load is given by the peak pressures occurring in the system.
  • the highest pressure peaks occur in the fuel injector at the end of the injection.
  • the reason for this is the so-called stagnation or surf pressure, which occurs when the injection valve is closed and can be up to 400 bar above the system pressure.
  • the system pressure of the fuel injection system has to be designed up to the aforementioned 400 bar lower than the maximum pressure that can be tolerated with regard to the material load.
  • the object of the invention is to provide an improved method for injecting fuel into the combustion chambers of an internal combustion engine, and an improved fuel injection system for an internal combustion engine.
  • the object is achieved by the fuel injection method specified in claim 1 or by the fuel injection system specified in claim 8.
  • the invention provides a method for injecting fuel into the combustion chambers of an internal combustion engine, in particular a diesel engine, by means of a fuel injector comprising a number of in each case an injection valve and a fuel supplying the individual fuel injectors via high pressure lines with fuel under high pressure and in turn via a high pressure pump created under high pressure fueled common supply and storage line containing fuel injection system in which the beginning and end of the injection of the fuel into the combustion chambers is controlled by opening and closing the injection valves of the fuel injectors.
  • a defined reduction in the fuel pressure prevailing in the fuel injector takes place during the injection, so that the pressure rising in the fuel injector at the end of the injection due to the dynamic pressure when the injection valve closes does not exceed a predetermined value.
  • the defined lowering of the fuel pressure in the fuel injector is preferably carried out to such a value that the pressure rising in the fuel injector at the end of the injection due to the dynamic pressure when the injection valve closes at the end of the injection does not exceed the fuel pressure prevailing at the start of the injection in the fuel injector, in particular the system pressure PO.
  • the supply of the fuel from the common inlet and storage line to the Fuel injectors take place via one or more, in particular two, high-pressure accumulators provided in the high-pressure lines leading to the fuel injectors and having a specific fuel storage volume, and that the defined lowering of the fuel pressure prevailing in the fuel injector by limiting the inflow of fuel into the from the common inlet and storage line high-pressure lines carrying the high-pressure accumulators.
  • the high-pressure accumulator closer to the injector is preferably designed with a smaller volume than the one located further upstream.
  • At least one high-pressure accumulator, preferably the larger one, is assigned a quantity limiting valve, which is preferably located downstream of the respective high-pressure accumulator.
  • the afterflow of the fuel is limited by in the common inlet and
  • the afterflow of the fuel is limited by dimensioning the diameter D2 of the high-pressure lines leading from the common inlet and storage line to the high-pressure accumulators.
  • An advantage of the injection method according to the invention is that it is possible to work with a high injection pressure at the start of the injection without causing an inadmissible material overload in the fuel injector.
  • the invention provides a fuel injection system for an internal combustion engine, in particular a diesel engine, which has a number of fuel injectors each comprising an injection valve and a common inlet supplying the individual fuel injectors with fuel under high pressure and in turn being pressurized with fuel via a high pressure pump - and storage line, as well as one or more, in particular two, provided in the high pressure lines leading to the fuel injectors contains certain high-pressure accumulators having fuel storage volume, the start and end of the injection of the fuel into the combustion chambers being controlled by opening and closing the injection valves of the fuel injectors.
  • the fuel storage volume of the high-pressure accumulator and the flow resistance of the high-pressure lines leading from the common inlet and storage line to the individual high-pressure accumulators are dimensioned taking into account the maximum injection quantity and duration so that at the end due to the dynamic pressure when the injection valve closes the injection pressure in the fuel injector does not exceed a predetermined value.
  • the fuel storage volume of the high-pressure accumulators and the flow resistance of the high-pressure lines leading to the high-pressure accumulators are preferably dimensioned such that the pressure rising in the fuel injector at the end of the injection when the injection valve closes at the end of the injection does not affect the fuel pressure prevailing in the fuel injector at the start of the injection, in particular the system pressure PO exceeds.
  • the flow resistance of the high-pressure lines leading from the common inlet and storage line to the high-pressure accumulators is determined by throttling points.
  • the flow resistance of the high-pressure lines leading from the common inlet and storage line to the high-pressure accumulators is determined by their diameter D2.
  • Figure 1 is a schematic block diagram of part of a fuel injection system according to an embodiment of the invention.
  • Figure 2 is a schematic cross-sectional view showing the part of a fuel injector comprising the injector
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the pressure conditions prevailing in the fuel injector during an injection process for a conventional fuel injection
  • Figure 4 is a diagram showing the pressure conditions prevailing in the fuel injector during the injection process according to an embodiment of the invention.
  • reference numeral 5 denotes one of typically a plurality of fuel injectors for injecting fuel into the combustion chambers of an internal combustion engine, in particular one
  • the fuel injectors 5 are controlled by means of a control unit (not shown in FIG. 1) in such a way that an amount of fuel optimally matched to the speed and load condition of the internal combustion engine is injected.
  • a control unit not shown in FIG. 1
  • the fuel is first supplied to a common inlet and storage line 1 by means of one or more high-pressure pumps 6, from which branch high-pressure lines 2, 4a, 4b serving to supply the individual fuel injectors 5 branch off.
  • One or more high-pressure accumulators 3a, 3b are provided in the high-pressure lines 2, 4a, 4b leading to the fuel injectors 5.
  • the part of the high-pressure line leading from the common inlet and storage line 1 to the high-pressure accumulator 3a is identified by the reference symbol 2, whereas the sections of the high-pressure line leading from the high-pressure accumulators 3a, 3b to the fuel injector 5 bear the reference symbols 4a and 4b.
  • the high-pressure accumulators 3a and 3b are assigned quantity limiting valves 14a and 14b, which are preferably downstream of the high-pressure accumulators 3a, 3b, but can also be upstream.
  • the high-pressure accumulators 3a, 3b act as oil-elastic accumulators
  • Fuel storage volume under the high pressure supplied by the common supply and storage line 6 fuel is supplied for supply to the fuel injectors 5.
  • the common inlet and storage line 1 also typically has the function of an oil-elastic store, in which the fuel acted upon under the high pressure supplied by the high-pressure pump 6 is kept available for further distribution to the high-pressure stores 3a, 3b via the high-pressure lines 2, 4a, 4b.
  • FIG. 2 shows a part of the injector housing 7 of the fuel injector 5, which projects into the combustion chamber of the internal combustion engine and contains an injection nozzle 13, via which the fuel is injected into the combustion chamber.
  • an injection valve is formed, which is formed by the tip 9 of a nozzle needle 8, which is longitudinally displaceably mounted in the fuel injector 5 in a known manner, and a nozzle needle seat 10 which interacts with the nozzle needle tip 9.
  • the injection valve 9, 10 is opened, fuel which is located in a vestibule 11 and is supplied to the fuel injector 5 under high pressure via the high-pressure line 4a, 4b is released for injection via the injection nozzle 13.
  • the curve labeled A shows the fuel pressure prevailing in the antechamber 1 1 before the injection valve 9, 10, which is the same as the system pressure PO when the injection valve is closed;
  • the curve labeled B shows the pressure in the blind hole 12 during the injection process.
  • the beginning of the injection process, at which the injection valve 9, 10 begins to open, is designated by TV
  • the end of the injection process, at which the injection valve 9, 10 begins to close is designated by T2.
  • curve B shows, the pressure in the blind hole 12 rises relatively quickly from the pressure 0 at the time TV to the pressure P1 at the time T1, which is almost the same as the system pressure prevailing in the antechamber 11.
  • the fuel pressure prevailing in the vestibule 11 dropped slightly against the system pressure PO at time T1 due to the fuel withdrawal.
  • the pressure in the blind hole 12 essentially corresponds to the pressure in the antechamber 11.
  • the pressure in the blind hole 12 falls from the time T2 where the pressure still essentially corresponds to the pressure in the antechamber 1 1, to the pressure 0 at the time T2 ′, at which time the injection valve 9, 10 is completely closed, that is to say the nozzle needle tip 9 rests in the nozzle needle seat 10.
  • FIG. 4 shows a corresponding diagram in which the pressure conditions prevailing in the fuel injector 5 are shown as a function of time, as in the case of occur in the fuel injection method according to the invention or in the fuel injection system according to the invention.
  • the pressure prevailing in the blind hole 12 of the fuel injector 5 is again shown by curve B
  • curve A shows the pressure prevailing in the vestibule 11.
  • the system pressure which is practically completely present in the antechamber 1 1 when the injection valve 9, 10 is closed is denoted by PO.
  • a defined reduction of the prevailing fuel pressure in the antechamber 1 1 of the fuel injector 5 from the initial pressure P1 at time T1 to the fuel pressure P2 at time T2 takes place during the injection, if that
  • the injection valve 9, 10 begins to close.
  • the fuel pressure P2 at the time T2 has such a reduced value that the pressure rising due to the dynamic pressure when the injection valve 9, 10 closes at the end of the injection does not exceed a predetermined value.
  • said defined lowering of the fuel pressure takes place to such a value that the pressure rising due to the dynamic pressure when the injection valve 9, 10 closes does not exceed the fuel pressure prevailing at the start of the injection in the fuel injector 5, in particular the system pressure PO ,
  • the fuel storage volumes of the high pressure accumulators 3a, 3b and the flow resistance of the high pressure line 2 leading from the common inlet and storage line 1 to this are dimensioned taking into account the maximum injection quantity and duration the pressure drop shown in FIG. 4 results.
  • the pressure drop is caused by the fact that the fuel can flow through the high-pressure line 2 less quickly to the high-pressure accumulators 3a, 3b and to the fuel injector 5 than it can via the injection nozzle, see FIG. 2, into the combustion chamber of the internal combustion engine is injected.
  • This limitation of the afterflow of the fuel can take place through a throttle point which is provided in the high-pressure line 2 leading from the common inlet and storage line 1 to the high-pressure accumulator 3a, or, which is preferred, by dimensioning the diameter D2 (inside diameter) of the common inlet and storage line 1 to the high pressure accumulator 3a leading high pressure line 2 and its length.
  • Throttle point or line cross-section and the high-pressure storage volumes are of course matched to the highest load, namely when the internal combustion engine is running at full load.
  • the rail pressure (system pressure) must then be selected to be the highest so that the required injection quantity can be injected within the time available.
  • the fuel pressure in the inlet and storage line 1 is reduced. Due to the limited fuel flow, a drop in the pressure in the antechamber 1 1 according to curve A according to FIG. 4 can also be observed at partial load.
  • the high-pressure accumulator 3b which is closer to the injector and, if possible, integrated in the injector, is preferably designed with a smaller volume than the high-pressure accumulator 3a located further upstream for reasons of space.
  • the smaller second high-pressure accumulator 3b mainly has a damping function due to the short distance to the nozzle holes. Due to the short connection, a rapid pressure equalization can be brought about by rapid inflow of fuel from the high-pressure accumulator 3b in front of the nozzle holes 13, which reduces the amplitude of the surf pressure.
  • the lines 4a and 4b are large
  • Cross-section designed to ensure unimpeded fuel flow.
  • the quantity limiting valves 14a, 14b serve primarily to prevent the afterflow of fuel and continuous injection in the case of needle clamps. In addition, they also have a damping function, which is brought about by the displaceable piston and the flow channels formed in the valve. The quantity limit valves have a favorable effect on the decay behavior of the pressure oscillation at the injection end.
  • the flow control valves should be installed optimally downstream, preferably at the outlet of at least the larger high-pressure accumulator 3a.

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Abstract

Es werden ein Verfahren und ein System zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennräume einer Brennkraftmaschine beschrieben, wobei das Einspritzsystem eine Anzahl von jeweils ein Einspritzventil(9,10) umfassenden Kraftstoffinjektoren (5) und eine die einzelnen Kraftstoffinjektoren (5) mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff versorgende gemeinsame Zulauf- und Speicherleitung (1) enthält. Beginn und Ende der Einspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum wird durch Öffnen und Schliessen des Einspritzventils (9,10) gesteuert. Erfindungsgemäss erfolgt während der Einspritzung eine definierte Absenkung des im Kraftstoffinjektor (5) herrschenden Kraftstoffdrucks, so dass der aufgrund des Staudrucks beim Schliessen des Einspritzventils (9,10) am Ende der Einspritzung im Kraftstoffinjektor (5) ansteigende Druck einen vorgegebenen Wert, insbesondere vorzugsweise den Systemdruck des Kraftstoffeinspritzsystems, nicht überschreitet.

Description

B E S C H R E I B U N G
Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennräume einer Brennkraftmaschine, sowie Kraftstoffeinspritzsystem für eine solche
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennräume einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
Bei Brennkraftmaschinen, insbesondere bei Dieselmotoren hat zunehmend eine Art von Kraftstoffeinspritzung Verwendung gefunden, bei welcher eine gemeinsame Zulauf- und Speicherleitung (Common Rail) mittels einer Hochdruckpumpe unter hohem Druck mit Kraftstoff beaufschlagt und von dieser der unter hohem Druck stehende Kraftstoff über jeweilige Hochdruckleitungen einer Anzahl von jeweils ein Einspritzventil umfassenden
Kraftstoffinjektoren zugeführt wird. Beginn und Ende der Einspritzung des Kraftstoffs in die Brennräume der Brennkraftmaschine werden durch Öffnen und Schließen der in den Kraftstoffinjektoren vorgesehenen Einspritzventile gesteuert. Zusätzlich können jeweils in den zu den Kraftstoffinjektoren führenden Hochdruckleitungen ein bestimmtes Kraftstoffspeichervolumen aufweisende Hochdruckspeicher vorgesehen sein. Eine solche Art der Kraftstoffeinspritzung ist beispielsweise aus der DE 197 12 135 C1 bekannt.
Die sich zunehmend verschärfenden Forderungen hinsichtlich einer Begrenzung der Schadstoffemissionen von Brennkraftmaschinen machen tendenziell immer höhere Einspritzdrücke erforderlich. Der in einem Kraftstoffeinspritzsystem der genannten Art im Hinblick auf die Materialbelastung maximal zulässige Druck ist durch die im System auftretenden Spitzendrücke gegeben. Die höchsten Druckspitzen treten im Kraftstoffinjektor am Ende der Einspritzung auf. Ursache hierfür ist der sogenannte Stauoder Brandungsdruck, der beim Schließen des Einspritzventils auftritt und um bis zu 400 bar über dem Systemdruck liegen kann. Dies bedeutet, dass herkömmlicherweise der Systemdruck des Kraftstoffeinspritzsystems um bis zu den besagten 400 bar niedriger ausgelegt werden muss als der in Hinblick auf die Materialbelastung maximal vertretbare Spitzendruck. Die Aufgabe der Erfindung ist es ein verbessertes Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennräume einer Brennkraftmaschine, sowie ein verbessertes Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 angegebene Kraftstoffeinspritzverfahren bzw. durch das im Anspruch 8 angegebene Kraftstoffeinspritzsystem gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen gekennzeichnet.
Durch die Erfindung wird ein Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennräume einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, mittels eines eine Anzahl von jeweils ein Einspritzventil umfassenden Kraftstoffinjektoren und eine die einzelnen Kraftstoffinjektoren über jeweilige Hochdruckleitungen mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff versorgende und ihrerseits über eine Hochdruckpumpe unter hohem Druck mit Kraftstoff beaufschlagte gemeinsame Zulauf- und Speicherleitung enthaltenden Kraftstoffeinspritzsystems geschaffen, bei dem Beginn und Ende der Einspritzung des Kraftstoffs in die Brennräume durch Öffnen und Schließen der Einspritzventile der Kraftstoffinjektoren gesteuert wird. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass während der Einspritzung eine definierte Absenkung des im Kraftstoffinjektor herrschenden Kraftstoffdrucks erfolgt, so dass der aufgrund des Staudrucks beim Schließen des Einspritzventils am Ende der Einspritzung im Kraftstoffinjektor ansteigende Druck einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet.
Vorzugsweise erfolgt die definierte Absenkung des Kraftstoffdrucks im Kraftstoffinjektor auf einen solchen Wert, dass der aufgrund des Staudrucks beim Schließen des Einspritzventils am Ende der Einspritzung im Kraftstoff injektor ansteigende Druck den zu Beginn der Einspritzung im Kraftstoffinjektor herrschenden Kraftstoff druck, insbesondere den Systemdruck PO nicht überschreitet.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass die Zuführung des Kraftstoffs von der gemeinsamen Zulauf- und Speicherleitung zu den Kraftstoffinjektoren über ein oder mehrere, insbesondere zwei in den zu den Kraftstoffinjektoren führenden Hochdruckleitungen vorgesehene, ein bestimmtes Kraftstoffspeichervolumen aufweisende Hochdruckspeicher erfolgt, und dass die definierte Absenkung des im Kraftstoffinjektor herrschenden Kraftstoffdrucks durch Begrenzung des Nachströmens des Kraftstoffs in den von der gemeinsamen Zulauf- und Speicherleitung zu den Hochdruckspeichern führenden Hochdruckleitungen erfolgt.
Bei Verwendung von zwei Hochdruckspeichern ist der näher zum Injektor liegende Hochdruckspeicher vorzugsweise mit einem kleineren Volumen ausgebildet, als der weiter stromaufwärts liegende. Zumindest einem Hochdruckspeicher, vorzugsweise dem größeren ist ein Mengenbegrenzungsventil zugeordnet, das vorzugsweise stromabwärts des jeweiligen Hochdruckspeichers liegt.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Begrenzung des Nachströmens des Kraftstoffs durch in den von der gemeinsamen Zulauf- und
Speicherleitung zu den Hochdruckspeichern führenden Hochdruckleitungen vorgesehene Drosselstellen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform erfolgt die Begrenzung des Nachströmens des Kraftstoffs durch die Bemessung des Durchmessers D2 der von der gemeinsamen Zulauf- und Speicherleitung zu den Hochdruckspeichern führenden Hochdruckleitungen.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Einspritzverfahrens ist es, dass bei Einspritzbeginn mit einem hohen Einspritzdruck gearbeitet werden kann, ohne dass es zu einer unzulässigen Materialüberlastung im Kraftstoffinjektor kommt.
Weiterhin wird durch die Erfindung ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Dieselmotor geschaffen, das eine Anzahl von jeweils ein Einspritzventil umfassenden Kraftstoffinjektoren und eine die einzelnen Kraftstoffinjektoren mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff versorgende und ihrerseits über eine Hochdruckpumpe unter hohem Druck mit Kraftstoff beaufschlagte gemeinsame Zulauf- und Speicherleitung, sowie jeweils ein oder mehrere, insbesondere zwei, in den zu den Kraftstoffinjektoren führenden Hochdruckleitungen vorgesehene, ein bestimmtes Kraftstoffspeichervolumen aufweisende Hochdruckspeicher enthält, wobei Beginn und Ende der Einspritzung des Kraftstoffs in die Brennräume durch Öffnen und Schließen der Einspritzventile der Kraftstoffinjektoren gesteuert wird. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass das Kraftstoffspeichervolumen der Hochdruckspeicher und der Strömungswiderstand der von der gemeinsamen Zulauf- und Speicherleitung zu den einzelnen Hochdruckspeichem führenden Hochdruckleitungen unter Berücksichtigung der maximalen Einspritzmenge und -dauer so bemessen sind, dass der aufgrund des Staudrucks beim Schließen des Einspritzventils am Ende der Einspritzung im Kraftstoffinjektor ansteigende Druck einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet.
Vorzugsweise sind das Kraftstoffspeichervolumen der Hochdruckspeicher und der Strömungswiderstand der zu den Hochdruckspeichern führenden Hochdruckleitungen so bemessen, dass der aufgrund des Staudrucks beim Schließen des Einspritzventils am Ende der Einspritzung im Kraftstoffinjektor ansteigende Druck den zu Beginn der Einspritzung im Kraftstoffinjektor herrschenden Kraftstoffdruck, insbesondere den Systemdruck PO nicht überschreitet.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems ist es vorgesehen, dass der Strömungswiderstand der von der gemeinsamen Zulauf- und Speicherleitung zu den Hochdruckspeichern führenden Hochdruckleitungen durch Drosselstellen bestimmt ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Strömungswiderstand der von der gemeinsamen Zulauf- und Speicherleitung zu den Hochdruckspeichern führenden Hochdruckleitungen durch deren Durchmesser D2 bestimmt ist.
Wie bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzverfahren ist es auch bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystem ein wesentlicher Vorteil, dass am Einspritzbeginn mit hohen Drücken gearbeitet werden kann, ohne dass es zu unzulässigen Materialüberlastungen in den Kraftstoffinjektoren kommt. Bei einer Kraftstoffeinspritzung ohne die erfindungsgemäße Absenkung des im Kraftstoffinjektor herrschenden Kraftstoffdrucks zum Ende der Einspritzung müssten, wenn gleich hohe Anfangsdrücke erreicht werden sollen, die Kraftstoffinjektoren auf die wesentlich höheren Drücke ausgelegt werden, die aufgrund der beim Schließen des Einspritzventils auftretenden Stau- oder Brandungsdrücke entstehen.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein schematisiertes Blockschaltbild eines Teils eines Kraftstoffeinspritzsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Figur 2 eine schematisierte Querschnittsansicht, die den das Einspritzventil umfassenden Teil eines Kraftstoffinjektors zeigt;
Figur 3 ein Diagramm, welches die im Kraftstoffinjektor während eines Einspritzvorgangs herrschenden Druckverhältnisse für eine herkömmliche Kraftstoffeinspritzung darstellt; und
Figur 4 ein Diagramm, welches die im Kraftstoffinjektor während des Einspritzvorgangs herrschenden Druckverhältnisse gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
Bei dem in Figur 1 dargestellten Teil eines Kraftstoffeinspritzsystems bedeutet das Bezugszeichen 5 einen von typischerweise mehreren Kraftstoffinjektoren zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennräume einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines
Dieselmotors. Die Kraftstoffinjektoren 5 werden mittels einer in Figur 1 nicht dargestellten Steuereinheit so gesteuert, dass eine optimal auf Drehzahl und Belastungszustand der Brennkraftmaschine abgestimmte Kraftstoffmenge eingespritzt wird. Von einem ebenfalls in Figur 1 nicht dargestellten Kraftstoffvorrat wird mittels einer oder mehrerer Hochdruckpumpen 6 der Kraftstoff unter hohem Druck zunächst einer gemeinsamen Zulauf- und Speicherleitung 1 zugeführt, von welcher zur Versorgung der einzelnen Kraftstoffinjektoren 5 dienende Hochdruckleitungen 2, 4a, 4b abzweigen. In den zu den Kraftstoffinjektoren 5 führenden Hochdruckleitungen 2, 4a, 4b sind ein oder mehrere Hochdruckspeicher 3a, 3b vorgesehen. Der von der gemeinsamen Zulauf- und Speicherleitung 1 zu dem Hochdruckspeicher 3a führende Teil der Hochdruckleitung ist mit dem Bezugszeichen 2 gekennzeichnet, wogegen die von den Hochdruckspeichern 3a, 3b zu dem Kraftstoffinjektor 5 führenden Abschnitte der Hochdruckleitung die Bezugszeichen 4a und 4b tragen. Den Hochdruckspeichern 3a und 3b sind Mengenbegrenzungsventile 14a und 14b zugeordnet, die vorzugsweise stromabwärts von den Hochdruckspeichern 3a, 3b liegen, aber auch stromaufwärts liegen können.
Die Hochdruckspeicher 3a, 3b wirken als ölelastische Speicher, in deren
Kraftstoffspeichervolumen unter dem von der gemeinsamen Zulauf- und Speicherleitung 6 gelieferten Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff zur Zuführung zu den Kraftstoffinjektoren 5 vorgehalten wird.
Auch die gemeinsame Zulauf- und Speicherleitung 1 hat typischerweise die Funktion eines ölelastischen Speichers, in welchem der unter dem von der Hochdruckpumpe 6 gelieferten Hochdruck beaufschlagte Kraftstoff zur weiteren Verteilung auf die Hochdruckspeicher 3a, 3b über die Hochdruckleitungen 2, 4a, 4b vorgehalten wird.
Die in Figur 2 dargestellte Querschnittsansicht zeigt einen Teil des Injektorgehäuses 7 des Kraftstoffinjektors 5, welcher in den Brennraum der Brennkraftmaschine ragt und eine Einspritzdüse 13 enthält, über welche der Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird. In diesem Teil des Injektorgehäuses 7 ist ein Einspritzventil ausgebildet, welches durch die Spitze 9 einer in dem Kraftstoffinjektor 5 in bekannter Weise längsverschieblich gelagerten Düsennadel 8 und einen mit der Düsennadelspitze 9 zusammenwirkenden Düsennadelsitz 10 gebildet ist. Beim Öffnen des Einspritzventils 9, 10 wird in einem Vorraum 1 1 befindlicher, unter hohem Druck über die Hochdruckleitung 4a, 4b in den Kraftstoffinjektor 5 gelieferter Kraftstoff zur Einspritzung über die Einspritzdüse 13 freigegeben. Der Düsennadelspitze 9 vorgelagert befindet sich ein Sackloch 12, von welchem die Einspritzdüse 13 abzweigt. Das Öffnen und Schließen des Einspritzventils 9, 10 und damit des Beginns und des Endes der Einspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum der Brennkraftmaschine wird durch die oben genannte Steuereinheit gesteuert.
Das in Figur 3 dargestellte Diagramm zeigt die gegen die Zeit aufgetragenen
Druckverhältnisse bei einer herkömmlichen Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine. Die mit A bezeichnete Kurve zeigt den in dem Vorraum 1 1 yor dem Einspritzventil 9, 10 herrschenden Kraftstoffdruck, der bei geschlossenem Einspritzventil dem Systemdruck PO gleich ist; die mit B bezeichnete Kurve zeigt den Druck im Sackloch 12 während des Einspritzvorgangs. Der Beginn des Einspritzvorgangs, bei dem das Einspritzventil 9, 10 zu öffnen beginnt, ist mit TV bezeichnet, das Ende des Einspritzvorgangs, bei dem das Einspritzventil 9, 10 zu schließen beginnt, ist mit T2 bezeichnet. Wie die Kurve B zeigt, steigt bei Beginn der Einspritzung der Druck im Sackloch 12 relativ schnell vom Druck 0 zum Zeitpunkt TV auf den Druck P1 zum Zeitpunkt T1 an, der dem im Vorraum 11 herrschenden Systemdruck fast gleich ist. Der im Vorraum 11 herrschende Kraftstoffdruck ist zum Zeitpunkt T1 aufgrund der Kraftstoffentnahme geringfügig gegen den Systemdruck PO abgesunken. Während der Zeitspanne von T1 bis T2, also während das Einspritzventil 9, 10 geöffnet ist, entspricht der Druck im Sackloch 12 im wesentlichen dem Druck im Vorraum 11. Während des Schließens des Einspritzventils 9, 10, fällt der Druck im Sackloch 12 vom Zeitpunkt T2 an, wo der Druck im wesentlichen noch dem Druck im Vorraum 1 1 entspricht, auf den Druck 0 zum Zeitpunkt T2' ab, wobei zu diesem Zeitpunkt das Einspritzventil 9, 10 vollständig geschlossen ist, also die Düsennadelspitze 9 im Düsennadelsitz 10 anliegt.
Aufgrund des beim Schließen des Einspritzventils 9, 10 auftretenden Stau- oder
Brandungsdrucks erfolgt im Vorraum 11 eine rapide Druckerhöhung, die um bis zu 400 bar über dem Systemdruck liegen kann. Wie die Kurve A in Figur 3 zeigt, klingt diese Druckspitze unter mehreren Schwingungen bis zum Zeitpunkt T3 wieder ab. Wie bereits eingangs erläutert, stellen diese beim Schließen des Einspritzventils 9, 10 auftretenden Druckspitzen eine wesentliche Beanspruchung für den Kraftstoffinjektor 5 dar.
Figur 4 zeigt ein entsprechendes Diagramm, in welchem die im Kraftstoffinjektor 5 herrschenden Druckverhältnisse in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt sind, wie sie bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzverfahren bzw. bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystem auftreten. In Figur 4 ist der im Sackloch 12 des Kraftstoffinjektors 5 herrschende Druck wieder durch die Kurve B gezeigt, die Kurve A zeigt dem im Vorraum 1 1 herrschenden Druck. Der bei geschlossenem Einspritzventil 9, 10 im Vorraum 1 1 praktisch vollständig anliegende Systemdruck ist mit PO bezeichnet. Beim Öffnen des Einspritzventils 9, 10 also beim Lösen der Düsennadelspitze 9 aus dem Düsennadelsitz 10 zum Zeitpunkt TV beginnt ein schneller Anstieg des im Sackloch 12 des Kraftstoff injektors 5 herrschenden Kraftstoffdrucks bis dieser zum Zeitpunkt T1 praktisch den im Vorraum 1 1 herrschenden Kraftstoff druck erreicht. Letzterer ist zum Zeitpunkt T1 aufgrund der Kraftstoffentnahme geringfügig gegen den Systemdruck PO abgesunken.
Gemäß der Erfindung erfolgt während der Einspritzung eine definierte Absenkung des im Vorraum 1 1 des Kraftstoffinjektors 5 herrschenden Kraftstoffdrucks vom anfänglichen Druck P1 zum Zeitpunkt T1 auf den Kraftstoff druck P2 zum Zeitpunkt T2, wenn das
Schließen des Einspritzventils 9, 10 beginnt. Der Kraftstoffdruck P2 zum Zeitpunkt T2 hat einen solchen abgesenkten Wert, dass der aufgrund des Staudrucks beim Schließen des Einspritzventils 9, 10 am Ende der Einspritzung ansteigende Druck einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet. Bei dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die besagte definierte Absenkung des Kraftstoffdrucks auf einen solchen Wert, dass der aufgrund des Staudrucks beim Schließen des Einspritzventils 9, 10 ansteigende Druck den zu Beginn der Einspritzung im Kraftstoffinjektor 5 herrschenden Kraftstoffdruck, insbesondere den Systemdruck PO nicht überschreitet.
Wiederum zurückkehrend zu dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems, sind die Kraftstoffspeichervolumina der Hochdruckspeicher 3a, 3b und der Strömungswiderstand der von der gemeinsamen Zulauf- und Speicherleitung 1 zu diesem führenden Hochdruckleitung 2 unter Berücksichtigung der maximalen Einspritzmenge und -dauer so bemessen, dass sich der in Figur 4 dargestellte Druckabfall ergibt. Im einzelnen wird der Druckabfall dadurch bewirkt, dass der Kraftstoff über die Hochdruckleitung 2 weniger schnell zu den Hochdruckspeichern 3a, 3b und zum Kraftstoffinjektor 5 nachströmen kann, als er über die Einspritzdüse, vergleiche Figur 2, in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Diese Begrenzung des Nachströmens des Kraftstoffs kann durch eine Drosselstelle erfolgen, die in der von der gemeinsamen Zulauf- und Speicherleitung 1 zu dem Hochdruckspeicher 3a führenden Hochdruckleitung 2 vorgesehen ist, oder, was vorzuziehen ist, durch eine Bemessung des Durchmessers D2 (Innendurchmesser) der von der gemeinsamen Zulauf- und Speicherleitung 1 zu dem Hochdruckspeicher 3a führenden Hochdruckleitung 2 und deren Länge. Drosselstelle bzw. Leitungsquerschnitt und die Hochdruckspeichervolumina sind natürlich auf den höchsten Beanspruchungsfall abgestimmt, nämlich wenn die Brennkraftmaschine mit Volllast läuft. Damit in der zur Verfügung stehenden Zeit die benötigte Einspritzmenge eingespritzt werden kann, ist dann der Raildruck (Systemdruck) am höchsten zu wählen. Bei Teillast wird der Kraftstoffdruck in der Zulauf- und Speicherleitung 1 erniedrigt. Aufgrund des beschränkten Kraftstoffnachlaufs ist aber auch bei Teillast ein Absinken des Drucks im Vorraum 1 1 gemäß Kurve A nach Figur 4 zu beobachten.
Anstelle von zwei in Figur 1 dargestellten Hochdruckspeichem 3a, 3b kann auch nur ein Hochdruckspeicher verwendet werden. Bei Verwendung von zwei Hochdruckspeichern wird vorzugsweise der näher am Injektor liegende, möglichst im Injektor integrierte Hochdruckspeicher 3b aus Platzgründen mit einem kleineren Volumen als der weiter entfernt stromaufwärts liegende Hochdruckspeicher 3a ausgebildet sein.
Dem kleineren zweiten Hochdruckspeicher 3b kommt aufgrund der kurzen Entfernung zu den Düsenlöchem'hauptsächlich eine Dämpfungsfunktion zu. Aufgrund der kurzen Verbindung kann durch schnellen Nachfluss von Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher 3b vor die Düsenlöcher 13 ein schneller Druckausgleich bewirkt werden, was die Amplitude des Brandungsdrucks vermindert. Die Leitungen 4a und 4b sind mit einem großen
Querschnitt ausgebildet, um einen ungehinderten Kraftstoffnachfluss zu gewährleisten.
Die Mengenbegrenzungsventile 14a, 14b dienen in erster Linie dazu, bei Nadelklemmen das Nachströmen von Kraftstoff und Dauereinspritzung zu verhindern. Außerdem kommt ihnen aber auch eine Dämpfungsfunktion zu, die durch den verschiebbaren Kolben und die im Ventil gebildeten Strömungskanäle bewirkt wird. Die Mengenbegrenzungsventile wirken sich günstig auf das Abklingverhalten der Druckschwingung am Einspritzende aus. Für eine optimale Funktion sind die Mengenbegrenzungsventile vorzugsweise stromabwärts am Ausgang zumindest des größeren Hochdruckspeichers 3a anzubringen.
Bezugszeichenliste
gemeinsame Zulauf- und Speicherleitung
Hochdruckleitung a, 3b Hochdruckspeicher a, 4b Hochdruckleitung
Kraftstoffinjektor
Hochdruckpumpe
Injektorgehäuse
Düsennadel
Düsennadelspitze 0 Düsennadelsitz 1 Vorraum 2 Sackloch 3 Einspritzdüse a , 14b Mengenbegrenzungsventil

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennräume einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, mittels eines eine Anzahl von jeweils ein Einspritzventil (9, 10) umfassenden Kraftstoffinjektoren (5) und eine die einzelnen Kraftstoffinjektoren (5) über jeweilige Hochdruckleitungen (2, 4a, 4b) mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff versorgende und ihrerseits über eine Hochdruckpumpe (6) unter hohem Druck mit Kraftstoff beaufschlagte gemeinsame Zulauf- und Speicherleitung (1) enthaltenden Kraftstoffeinspritzsystems, wobei Beginn und Ende der Einspritzung des Kraftstoffs in die Brennräume durch Öffnen und Schließen der Einspritzventile (9, 10) der Kraftstoffinjektoren (5) gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass während der Einspritzung eine definierte Absenkung des im Kraftstoffinjektor (5) herrschenden Kraftstoffdrucks erfolgt, so dass der aufgrund des Staudrucks beim Schließen des Einspritzventils (9, 10) am Ende der Einspritzung im Kraftstoffinjektor (5) ansteigende Druck einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Absenkung des Kraftstoffdrucks im Kraftstoffinjektor (5) so erfolgt, dass der aufgrund des Staudrucks beim Schließen des Einspritzventils (9, 10) am Ende der Einspritzung im Kraftstoffinjektor (5) ansteigende Druck den zu Beginn der Einspritzung im
Kraftstoffinjektor (5) herrschenden Kraftstoffdruck, insbesondere den Systemdruck PO nicht überschreitet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung des Kraftstoffs von der gemeinsamen Zulauf- und Speicherleitung (1) zu den
Kraftstoffinjektoren (5) über einen oder mehrere, insbesondere zwei in jeder der zu den Kraftstoffinjektoren (5) führenden Hochdruckleitungen (2, 4a, 4b) vorgesehene, ein bestimmtes Kraftstoffspeichervolumen aufweisende Hochdruckspeicher (3a, 3b) erfolgt, und dass die definierte Absenkung des im Kraftstoffinjektor (5) herrschenden Kraftstoffdrucks durch Begrenzung des Nachströmens des Kraftstoffs in den von der gemeinsamen Zulauf- und Speicherleitung (1) zu den Hochdruckspeichern (3a, 3b) führenden Hochdruckleitungen (2) erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von zwei Hochdruckspeichern (3a, 3b) der näher zum Injektor liegende Hochdruckspeicher (3b) ein kleineres Volumen besitzt als der weiter stromaufwärts liegende Hochdruckspeicher (3a).
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einem Hochdruckspeicher (3a, 3b) ein Mengenbegrenzungsventil (14a, 14b) zugeordnet ist, das vorzugsweise jeweils stromabwärts des Hochdruckspeichers (3a, 3b) liegt.
6. Verfahren nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
Begrenzung des Nachströmens des Kraftstoffs durch in den von der gemeinsamen Zulauf- und Speicherleitung (1) zu den Hochdruckspeichern (3a, 3b) führenden Hochdruckleitungen (2) vorgesehene Drosselstellen erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
Begrenzung des Nachströmens des Kraftstoffs durch die Bemessung des Durchmessers D2 der von der gemeinsamen Zulauf- und Speicherleitung (1) zu den Hochdruckspeichern (3a, 3b) führenden Hochdruckleitungen (2) erfolgt.
8. Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Dieselmotor, das eine Anzahl von jeweils ein Einspritzventil (9, 10) umfassenden Kraftstoffinjektoren (5) und eine die einzelnen Kraftstoffinjektoren (5) mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff versorgende und ihrerseits über eine Hochdruckpumpe (6) unter hohem Druck mit Kraftstoff beaufschlagte gemeinsame Zulauf- und Speicherleitung (1), sowie ein oder mehrere, insbesondere zwei, jeweils in den zu den Kraftstoff injektoren (5) führenden Hochdruckleitungen (2, 4a, 4b) vorgesehene, ein bestimmtes Kraftstoffspeichervolumen aufweisende Hochdruckspeicher (3a, 3b) enthält, wobei Beginn und Ende der Einspritzung des Kraftstoffs in die Brennräume durch Öffnen und Schließen der Einspritzventile (9, 10) der Kraftstoffinjektoren (5) gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffspeichervolumen der Hochdruckspeicher (3a, 3b) und der Strömungswiderstand der von der gemeinsamen Zulauf- und Speicherleitung (1) zu den Hochdruckspeichern (3a, 3b) führenden Hochdruckleitungen (2) unter Berücksichtigung der maximalen Einspritzmenge und -dauer so bemessen sind, dass der aufgrund des Staudrucks beim Schließen des Einspritzventils (9, 10) am Ende der Einspritzung im Kraftstoffinjektor (5) ansteigende Druck einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet.
9. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffspeichervolumen der Hochdruckspeicher (3a, 3b) und der Strömungswiderstand der von der gemeinsamen Zulauf- und Speicherieitung (1) zu den Hochdruckspeichern (3a, 3b) führenden Hochdruckleitung (2) so bemessen sind, dass der auf Grund des Staudrucks beim Schließen des Einspritzventils (9, 10) am Ende der Einspritzung im Kraftstoffinjektor (5) ansteigende Druck den zu Beginn der Einspritzung im Kraftstoffinjektor (5) herrschenden Kraftstoff druck, insbesondere den Systemdruck PO nicht überschreitet.
10. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Anordnung mit jeweils zwei Hochdruckspeichern (3a, 3b) der näher zum Injektor liegende Hochdruckspeicher (3b) ein kleineres Volumen besitzt, als der weiter stromaufwärts liegende Hochdruckspeicher (3a).
1 1. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einem Hochdruckspeicher (3a, 3b) ein Mengenbegrenzungsventil (14a, 14b) zugeordnet ist, das vorzugsweise jeweils stromabwärts des Hochdruckspeichers (3a, 3b) liegt.
12. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungswiderstand der von der gemeinsamen Zulauf- und Speicherieitung (1) zu den Hochdruckspeichern (3a, 3b) führenden Hochdruckleitungen (2) durch Drosselstellen bestimmt ist.
13. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungswiderstand der von der gemeinsamen Zulauf- und Speicherieitung (1) zu den Hochdruckspeichern (3a, 3b) führenden Hochdruckleitungen (2) durch deren Durchmesser D2 bestimmt ist.
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