DE10014450A1 - Vorrichtung zur Einspritzung von Kraftstoff mit variablem Einspritzdruckverlauf - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff mit einem Injektor (1), der einen Druckraum (13) enthält. Vom Druckraum (13) aus erstreckt sich eine Hochdruckleitung (5) durch das Injektorgehäuse (2), in welchem eine mittels einer Düsennadel (4) verschließbare Düse (3) angeordnet ist, wobei die Düsennadel (4) mittels eines Kraftspeichers (7) beaufschlagt ist. Es sind über ein Aktorelement (11) unabhängig voneinander einstellbare und ansteuerbare Steuerventile (8, 10) vorgesehen, die über einen Kopplungsraum (9) miteinander in Verbindung stehen und über die der Einspritzdruckverlauf (24) steuerbar ist.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff mit variablem Einspritzdruckverlauf, wie beispielsweise bei Hochdruckeinspritz­ systemen, die zur Kraftstoffversorgung von Brennkraftmaschinen eingesetzt wer­ den können.

Stand der Technik

EP 0 823 549 A2 bezieht sich auf eine Injektoranordnung zum Einspritzen von Kraftstoff. Ein Ankerelement betätigt sowohl ein Ablaufventil als auch ein Steu­ ernadelventil, welches den Druck in einer Steuerkammer regelt. Bei Beaufschla­ gung der Steuerkammer mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff, wird eine die Kraft einer Druckfeder unterstützende Kraft auf das Steuerteil ausgeübt. Das Ab­ laufventil und das Steuernadelventil werden über eine elektromagnetische An­ steuerung über ein gemeinsames Bauteil gesteuert. Bei dieser aus dem Stand der Technik bekannten Lösung sind das Steuernadelventil und die Oberseite des Steu­ ernadelventils Teile einer Steuerkammer und so dimensioniert, daß das Steuema­ delventil zu allen Zeiten im wesentlichen druckausgeglichen ist. Aus der gewähl­ ten Anordnung gemäß EP 0 823 549 A2 ergibt sich, daß die Steuerteilglieder, d. h. Steuerteil und Nadelventil am Einspritzventil abhängig vom entsprechenden Stromniveau sich ansteuern lassen, wobei ein erstes niedrigeres Stromniveau zur Betätigung des ersten Steuergliedes benötigt wird. Hierbei wird das Nadelventil durch die mechanische Kopplung partiell betätigt. Über ein zweites höheres Stromniveau wird das Nadelventil voll betätigt. Problematisch bei dieser Lösung des Standes der Technik ist die exakte Einhaltung von Einstellparametern.

Es sind Lösungen aus dem Stand der Technik bekannt, bei denen eine Formung des Einspritzverlaufes dadurch erreicht wird, daß ein Teil eines Kraftstoffvolu­ mens über einen leicht geöffnetes Steuerventil wieder abgeblasen wird. Diese Vorgehensweise ist unter der Bezeichnung CCRS (Current Controlled Rate Sha­ ping) bekannt.

Eine andere aus dem Stand der Technik bekannte Variante zur Steuerung des Ein­ spritzdruckverlaufes besteht in einer Drucksteuerung über den Steuerventilhub.

Darstellung der Erfindung

Bei der Lösung gemäß der vorliegenden Erfindung lassen sich durch die vorteil­ hafte getrennte Auslegung der Steuerventile mit geringerem Aufwand dieselben so einstellen, daß über die Ansteuerung der Steuerventile des Injektors der Verlauf des Einspritzdruckes, entsprechend vorgegebener Werte formbar ist. Es können die für die Einspritzung relevanten Parameter für die Voreinspritzung, die Druck­ aufbauphase mit Bootphase, eine Druckbegrenzung sowie die Absteuerrate varia­ bel je nach Einsatzzweck vorgegeben werden. Da der Bootdruck während der Druckaufbauphase unabhängig von der Auslegung der Düse, des Pumpenkolben­ durchmessers im Injektor, sowie der Nockenwellenauslegung festgelegt werden kann, kann die Injektor-Pumpenanordnung für verschiedene Motorauslegungen verwendet werden, da an einem Injektor die für den jeweiligen Einspritzvorgang relevanten Parameter je nach Anwendungsfall für die jeweilige Brennkraftma­ schine nach spezifischen Parametern voreinstellbar sind.

Die Anordnung der Steuerventile nebeneinander und die zwischen diesen verlau­ fende Hochdruckleitung gestattet eine enorm bauraumsparende Bauform des In­ jektors. Voreinspritzdrücke und Absteuerraten können dank der Aktoransteuerung der Steuerventile unabhängig vom Drehzahl- und Lastmoment an der Brenn­ kraftmaschine variiert werden, wodurch eine Formung des jeweils angestrebten Einspritzdruckverlaufes in weiten Bereichen vorgegeben werden kann. Die Ferti­ gungstoleranzen des im Injektorgehäuse aufgenommenem Aktorkolbens lassen sich erhöhen, so daß eine günstigere Fertigung dieses Bauteils erzielt werden kann.

Ein weiterer sich aus der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ergebender Vorteil liegt darin, daß die Steuerventile entgegen der sie mit unterschiedlichen Kräften beaufschlagenden Federn in ihrer jeweiligen Sitzen zurückgefahren wer­ den können. Dadurch läßt sich eine Abdichtung erzielen, so daß die Druckbau­ phase (Bootinjection) weitgehend verlustfrei erfolgen kann, da den Druckaufbau verzögernde Leckageverluste dank der Dichtwirkung an den Steuerventilsitzen unterbleiben.

Zur Realisierung der Voreinspritzung - individuell an die jeweilige Motorausle­ gung angepaßt - wird das erste Steuerventil in seine Endstellung gefahren. Die Steuerung der Haupteinspritzung erfolgt durch das Schließen des zweiten Steuer­ ventils, über welches auch eine Druckbegrenzung dergestalt erfolgen kann, daß dieses in eine teilweise geöffnete Position gefahren wird. Ein Teil des Kraftstoffes kann in ein Reservoir abströmen, so daß das Pumpenelement im Injektor gegen übermäßige Belastung geschützt werden kann. Dadurch lassen sich außerdem höhere Nockengeschwindigkeiten erzielen und somit eine Anhebung des Druckes bei kleineren Drehzahlen und kleineren Lastmomenten erzielen.

Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Konfiguration eines Injektors mit zwei inte­ grierten Steuerventilen,

Fig. 2 die vergrößert dargestellten Komponenten der Steuerventile, die über einen Kopplungsraum mit dem Druckraum im Injektorgehäu­ se des Injektors verbunden sind,

Fig. 3 eine schematische Wiedergabe der räumlichen Anordnung von Steuerventilen, Hochdruckleitungen und Aktorkolben,

Fig. 4 eine Darstellung der Abfolge der Ansteuerung von Aktor und Steu­ erventilen und dem sich daraus ergebenden Verlauf des Einspritz­ druckes, und

Fig. 5 ein Injektor mit in seinem Gehäuse aufgenommenen Steuerventi­ len.

Ausführungsvarianten

Die Darstellung gemäß Fig. 1 zeigt eine schematische Wiedergabe einer Lnjek­ torkonfiguration mit zwei in das Injektorgehäuse integrierten, über einen einzel­ nen Aktor betätigbaren Steuerventilen.

Ein hier nur schematisch wiedergegebener Injektor 1 umfaßt ein Injektorgehäuse 2 in dessen der Brennkraftmaschine zuweisenden Ende eine Düse 3 aufgenommen ist. Die Düse 3 wird mittels einer Düsennadel 4 verschlossen, die sich von einer Steuerkammer 6 aus erstreckt. In die Steuerkammer 6 mündet eine Hochdruck­ leitung 5, die sich durch das Innere des Injektorgehäuse 2 erstreckt und den Druckraum 13, der von einem Aktorkolben 12 beaufschlagt ist, miteinander ver­ bindet. Die Düsennadel 4 wird an dem der Düse 3 abgewandten Ende von einem Kraftspeicher 7 beaufschlagt. Der Kraftspeicher 7 - beispielsweise ausgestaltet als eine Schraubenfeder - wird vom Gehäuse 2 des Injektors 1 umschlossen.

Die Einspritzdrucksteuerung erfolgt durch zwei in die Hochdruckzuleitung inte­ grierte Steuerventile 8 bzw. 10. Das erste Steuerteil 8 steht niederdruckseitig mit dem zweiten Niederdruckbereich 17 in Verbindung, während das zweite Steuer­ ventil über ein Gleichdruckventil 14 - oder alternativ ein Drosselelement - mit einem ersten Niederdruckbereich 16 in Verbindung steht. Über ein Federelement 15 oder auch ein beliebig anders ausgestaltetes Einstellelement am Gleichdruck­ ventil 14 läßt sich der Öffnungsdruck im Niederdruckbereich 16 des zweiten Steuerventiles 10 einstellen, so daß über dieses die Druckbelastung einer Druck­ kammer 13 durch den Aktorkolben 12 einstellbar ist. Über das zum Teil geöffnete zweite Steuerventil 10 kann dann Kraftstoff abströmen, so daß die Belastungs­ grenze der mechanischen Komponenten, die in das Innere des Injektorgehäuses 2 eingelassen sind, nicht überschritten wird.

Die beiden, den Steuerventilen 8, 10, jeweils zugeordneten Federelemente 31 bzw. 32 erlauben die Voreinstellung der Betätigungsdrücke an beiden. Steuerven­ tilen 8 bzw. 10. Die Betätigungsdrücke an den beiden Steuerventilen 8, 10 werden vorzugsweise relativ niedrig gewählt, so daß die Steuerventile 8 bzw. 10 nahezu kraftlos sind. Dabei gilt:

Hubvolumen des Steuerventils 10 < Hubvolumen des Steuerventils 8.

In der in Fig. 1 schematisch wiedergegebenen Konfiguration befinden sich die beiden Steuerventile 8 bzw. 10 im öffnenden Zustand; d. h. der Kraftstoff kann in Richtung der eingezeichneten Pfeile jeweils in den zweiten Niederdruckbereich 17 bzw. über das Gleichdruckventil 14, bei Überschreitung des dort eingestellten Druckes in den ersten Niederdruckbereich 16 abströmen.

Werden die beiden Steuerventile 8 bzw. 10, angesteuert durch das Aktorelement 11 - vorzugsweise ausgebildet als ein Piezo-Aktor - entgegen der Wirkung der Druckfedern 31 bzw. 32 in die untere Position gefahren, wird die die Düsennadel 4 beaufschlagende Steuerkammer 6 über die Hochdruckleitung 5 mit dem unter Höchstdruck stehenden Kraftstoffvorrat im Druckraum 13 verbunden.

Fig. 2 zeigt in vergrößerter Darstellung die Komponenten im Injektor, die über einem im Injektorgehäuse vorgesehenen Kopplungsraum 9 miteinander verbun­ den sind.

Die Steuerventile 8 bzw. 10 enthalten jeweils ein Steuerteil, welches bevorzugt zylindrisch ausgebildet ist. Der Querschnitt des Steuerteiles des ersten Steuerven­ tiles 8, die Fläche A₁ ist größer bemessen, als die Querschnittsfläche A₂ des Steu­ erteiles am zweiten Steuerventil 10. Beide Steuerteile der beiden Steuerventile 8 bzw. 10 ragen in den Kopplungsraum 9 ein, der mit dem Aktor 11 druckbeauf­ schlagt wird. Das erste Steuerventil 8 steht mit einem Niederdruckbereich 17 in Verbindung, in dem Kraftstoff vom ersten Steuerventil 8 abströmen kann. In den ersten Niederdruckbereich 16 strömt überschüssiger Kraftstoff vom zweiten Steu­ erventil 10 aus ab. Die beiden Steuerventile 8, 10 enthalten jeweils mit unter­ schiedlichen Federkonstanten ausgeführte Kraftspeicher 31, 33, mit denen an die jeweilige Ventilfunktion angepaßte Federkräfte F₁, F₂ erzeugt werden.

Der Kopplungsraum 9, die Leitung und der Kopplungskanal 9.1 über den Steuer­ ventilen 8, 10 untereinander verbunden sind, bildet ein Kanalsystem, dessen Druckentlastung über eine Teilöffnung, beispielsweise des zweiten Steuerventiles 10 möglich ist. Das Gleichdruckventil 14 kann dem Steuerventil 10 vorgeschaltet werden, mit ihm wird der Druck der Bootphase eingestellt. Dann läßt sich der maximal zulässige Belastungsdruck für die mechanischen Komponenten im In­ jektorgehäuse 2 am Gleichdruckventil 14 einstellen, welches im Abströmbereich in ein Reservoir, beispielsweise in den Kraftstofftank mündend, vorgesehen ist. Zwischen den beiden Steuerventilen 8 bzw. 10 ist die sich im wesentlichen verti­ kal erstreckende Hochdruckbohrung 18 aufgenommen, die den unter extrem ho­ hem Druck stehenden Kraftstoff an die Düse 3 leitet, die vom Injektorgehäuse 2 in den Brennraum einer Brennkraftmaschine hineinragt. Die räumliche Anordnung der beiden Steuerventile 8 bzw. 10 sowie der Verlauf der Hochdruckbohrung 18 geht aus der Darstellung gemäß Fig. 3 hervor.

Über den in dieser schematischen Draufsicht dargestellten Aktorkolben 11 bildet sich der Kopplungsraum 9 (vgl. Fig. 2), von dem aus die den Kopplungsraum 9 mit Druck beaufschlagende Leitung 9.1 abzweigt, die selbst als Teil des Kopp­ lungsraumes 9 anzusehen ist. In den Kopplungskanal 9.1 hineinragend dargestellt sind die beiden Kolbenflächen der Steuerventile 8, 10 eingefahren, die über dem vom Piezo-Aktor 11 beaufschlagten Druckraum 13 mit dem unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagt.

Die Hochdruckbohrung 18 ist zwischen den beiden Steuerventilen 8, 10 verlau­ fend angeordnet und gestattet eine extrem kompakte Bauform des Injektorgehäu­ ses 2 des Injektors 1. In gestrichelter Darstellung sind die die Steuerventile 8 bzw. 10 jeweils umgebenden Steuerkammern gezeigt, ebenso wie die Abströmleitung vom zweiten Steuerventil 10, dessen Kolben eine geringere Kolbenfläche A₂ auf­ weist, als der Kolben des ersten Steuerventiles 8 zum ersten Niederdruckbereich 16 führend.

Fig. 4 zeigt die Abfolge der Ansteuerung vom Aktor, die jeweilige Hubbewe­ gungen der Steuerventile, aufgetragen über die Zeit, und der sich daraus ergeben­ de Einspritzdruckverlauf, aufgetragen über die Zeit.

In Fig. 4 sind fünf Diagramme übereinanderliegend aufgetragen, die die jeweili­ gen Hubbewegungen, Drücke sowie den erzeugten Einspritzdruckverlauf, aufge­ tragen über die Zeitachse, wiedergegeben. Die Zeitachse läßt sich in eine Vorein­ spritzphase 25 eine Druckaufbauphase 26 sowie eine Druckabbauphase 30 unter­ teilen. Im Kopplungsraum 9, 9.1 stellt sich demzufolge der im darunterliegenden Diagramm gegebene Druckverlauf 21 ein, ebenfalls unterteilbar in einen ersten, der Voreinspritzung entsprechenden Druckanstieg und einen sich daran anschlie­ ßenden weiteren Druckanstieg, der der Haupteinspritzung entspricht.

In den darunterliegenden beiden Diagrammen, jeweils bezeichnet mit den Be­ zugszeichen 22 und 23, sind die Hubwege der beiden Steuerventile 8, 10 wieder­ gegeben. Aus dem Diagramm 22 ist ersichtlich, daß über das erste Steuerventil 8 sowohl die Voreinspritzung 25 gesteuert wird und ein Teil der Haupteinspritzung erfolgt. Die Haupteinspritzung beansprucht eine größere Zeitspannung, um die benötigte Kraftstoffmenge in den Brennraum der Brennkraftmaschine einzusprit­ zen. Der Düsennadelhub, im untersten Diagramm 24 (obere Kurve) bleibt wäh­ rend der Haupteinspritzung konstant, so daß das zur Verbrennung benötigte Kraft­ stoffvolumen nur über eine längere Zeitspanne in den Brennraum zu transportie­ ren, d. h. einzuspritzen ist.

Im Diagramm 23 ist der Hubweg des Steuerteiles des zweiten Steuerventiles 10 über der Zeitachse aufgetragen. Das zweite Steuerventil 10 bleibt während der Voreinspritzphase 25 vollständig geöffnet. Erst gegen Ende der Haupteinspritzung schließt das zweite Steuerventil 10 und trägt so zu einer Erhöhung des Einspritz­ druckes, vergl. Diagramm 24, gegen Ende der Haupteinspritzung bei. Aus einem Vergleich der beiden, die Hubwege der Steuerventile 8 bzw. 10 darstellenden Diagramme 22 und 23, läßt sich der Verlauf des Einspritzdruckes gemäß Dia­ gramm 24 ableiten, vorausgesetzt, der Düsennadelhub 4 ist konstant, verläuft wie eingezeichnet und besteht aus einer Öffnungsbewegung am Beginn der Vorein­ spritzung 25 und der Öffnung der Düsennadel 4, während der Haupteinspritzung über die im Diagramm 24 eingezeichnete Zeitspanne.

Die Ansteuerung der Steuerventile 8, 10 über den Aktor 11 ermöglicht eine indi­ viduell vornehmbare Festlegung des von Anfang und Ende der Voreinspritzung und der Haupteinspritzung, abhängig von der Auslegung der Brennkraftmaschine. Die Druckaufbauphase (Bootphase) läßt sich je nach Anwendungsfall individuell voreinstellen. Ferner kann der Einspritzdruckverlauf durch gezieltes Ansteuern des zweiten Steuerventiles 10 gegen Ende der Haupteinspritzung signifikant er­ höht werden.

Wie oben bereits beschrieben besteht ferner die Möglichkeit, die Absteuerrate überschüssigen Kraftstoffes zur Vermeidung von Drucküberlastung des Injektors 1 an einem Gleichdruckventil 14, welches den Abströmbereich des zweiten Steu­ erventils 10 zugeordnet ist, einzustellen und zu verändern.

In der Darstellung gemäß Fig. 5 ist ein kompaktbauender Injektor dargestellt, in dessen Injektorgehäuse ein Gleichdruckventil integriert ist, welches einem Steu­ erventil zugeordnet ist.

Der Injektor 1 gemäß Fig. 5 umfaßt ein Injektorgehäuse 2, in dessen oberen Teil der Kolben 12 eingelassen ist, der in einen Pumpraum 13 hineinragt. Vom Pumpraum 13 im Injektorgehäuse 2 erstreckt sich die Hochdruckleitung 5 zur Steuerkammer 6 einer Düse 3, die mittels der Düsennadel 4 verschließ- und frei­ gebbar ist. Die Düsennadel 4 ihrerseits wird durch eine Druckfeder 7 beauf­ schlagt, die vom Injektorgehäuse 2 umschlossen ist. Den Steuerventilen 8, 10, von denen hier nur eines dargestellt ist, ist eine Gleichdruckventil 14 zugeordnet, wel­ ches über die Bohrung 27 im Injektorgehäuse 2 mit dem ersten Niederdruckbe­ reich 16 verbunden ist, und überschüssigen, zur Druckbegrenzung abgeblasenen Kraftstoff wieder in einen Vorratstank zurückführt. Auf der gegenüberliegenden Seite des Injektorgehäuses 2 ist eine Bohrung 27 vorgesehen, über welche über­ schüssiger Kraftstoff einem zweitem Niederdruckbereich 17, 16 zuführbar ist.

In der in Fig. 5 dargestellten Konfiguration ist das Injektorgehäuse 2 des Injek­ tors 1 beispielsweise mehrstufig aufgebaut, wobei durch Zentrierelemente 28 bzw. 29 sichergestellt ist, daß eine Leckageverluste vermindernde Anordnung der das Injektorgehäuse 2 im Bereich der Düsennadeln 4 bildenden Bauteile gewährleistet ist.

Bezugszeichenliste

1

Injektor

2

Injektorgehäuse

3

Düse

4

Düsennadel

5

Hochdruckzuleitung

6

Kammer

7

Druckfeder

8

erstes Steuerventil

9

Kopplungsraum

9.1

Kopplungskanal

10

zweites Steuerventil

11

Piezo-Aktor

12

Kolben

13

Pumpraum

14

Gleichdruckventil

15

Feder

16

erster Niederdruckbereich

17

zweiter Niederdruckbereich

18

Hochdruckbohrung

19

Verlauf Aktorhub

20

Verlauf Hub von

12

21

Druckverlauf im Kopplungsraum

22

Hubverlauf vom ersten Steuerventil

23

Hubverlauf vom zweiten Steuerventil

24

Einspritzdruck/Düsennadelhub

25

Einspritzphase

26

Druckaufbauphase (Bootphase)

27

Gehäusebohrung

28

Zentrierelement

29

Zentrierelement

30

Druckabbauphase

31

erster Kraftspeicher (F₁

)

32

zweiter Kraftspeicher (F₂

)

Claims (12)

1. Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff mit einem Injektor (1), einen Druckraum (13) enthaltend, von dem aus sich eine Hochdruckzuleitung (5) durch ein Injektorgehäuse (2) erstreckt, in welchem eine mittels einer Dü­ sennadel (4) verschließbare Düse (3) angeordnet ist, wobei die Düsennadel (4) mittels eines Kraftspeichers (7) beaufschlagt ist, dadurch gekennzeich­ net, daß unabhängig voneinander einstellbar und über ein Aktorelement (11) ansteuerbare Steuerventile (8, 10) vorgesehen und über einen Kopp­ lungsraum (9) miteinander verbunden sind, mit welchen der Einspritz­ druckverlauf (2) steuerbar ist.

2. Vorrichtung zum Einspritzen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerventile (8, 10) nacheinander geschaltet werden.

3. Vorrichtung zum Einspritzen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einem der Steuerventile (8, 10) ein Gleichdruckventil (14) zugeordnet ist.

4. Vorrichtung zum Einspritzen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Aktorelement (11) ein Piezo-Aktor vorgesehen ist.

5. Vorrichtung zum Einspritzen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einem der Steuerventile (8, 10) im Abströmbereich ein Drosselelement zugeordnet ist.

6. Vorrichtung zum Einspritzen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerventile (8, 10) Druckfederelemente (31, 32) enthalten, wobei für die erzeugbaren Kräfte gilt F₂ < F₁.

7. Vorrichtung zum Einspritzen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilfläche A₁ des ersten Steuerventiles (8) größer ist, als die Ventilfläche A₂ des zweiten Steuerventiles (10).

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druck­ aufbauphase (26) an der Düse (3) durch Ansteuerung des ersten Steuer­ ventiles (8) in seine Endstellung eingeleitet wird.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haupt­ einspritzung durch Schließen des zweiten Steuerventiles (10) erfolgt, wel­ ches zur Druckbegrenzung im Druckraum (13) in teilgeöffnete Position verfahrbar ist.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Absteu­ errate am Injektor (1) durch ein Gleichdruckventil (14) einstellbar ist.

11. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Entla­ stungsdruck am Gleichdruckventil (14) einstellbar ist.

12. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Absteu­ errate am Injektor (1) durch eine Teilöffnung des zweiten Steuerventiles (10) einstellbar ist.