DE4311627B4

DE4311627B4 - Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE4311627B4
Application number: DE4311627A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Ing. Königswieser; Peter Dipl.-Ing. Reisenbichler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1993-04-08
Filing date: 1993-04-08
Publication date: 2005-08-25
Anticipated expiration: 2013-04-09
Also published as: GB2276918B; JPH06299928A; FR2703734B1; DE4311627A1; GB9406887D0; FR2703734A1; GB2276918A; US5413076A

Abstract

Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen mit einer Kraftstoffhochdruckpumpe (1), die Kraftstoff aus einem Niederdruckraum (3) in einen druckregelbaren Hochdrucksammelraum (9) fördert, der über Hochdruckleitungen (11) mit in einen Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragenden Einspritzventilen (13) verbunden ist, die jeweils ein mit einem Ventilsitz (53) zusammenwirkendes kolbenförmiges Ventilglied (49) aufweisen, das mit einem Teil seiner Mantelfläche in einer Bohrung im Ventilgehäuse geführt ist und mit seinem freien, dem Ventilsitz (53) zugewandten Ende in einen mit der Hochdruckleitung (11) verbindbaren Einspritzdruckraum (43) ragt, der von einem mit der Hochdruckleitung (11) und einer ein Steuerventil (105) enthaltenen Entlastungsleitung (17) in den Niederdruckraum (3) verbindbaren Steuerdruckraum (81) getrennt ist, dessen Druck das Ventilglied (49) in Schließrichtung beaufschlagt, wobei das Ventilglied (49) an seinem in den Einspritzdruckraum (43) ragenden Teil eine Querschnittsvergrößerung (52) in Richtung des Steuerdruckraumes (81) aufweist, über die der unter hohem Druck stehende Kraftstoff das Ventilglied (49) bei einer Druckentlastung des Steuerdruckraumes...

Description

Die Erfindung geht von einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Patentanspruchs 1 aus. Bei einer solchen aus der DE-OS 41 15 103 bekannten Kraftstoffeinspritzeinrichtung dieser Art, die zur Kraftstoffversorgung einer Brennkraftmaschine dient, füllt eine Kraftstoffhochdruckpumpe, die als Kolbenpumpe ausgeführt ist, über eine Hochdruckleitung einen Druckspeicherraum mit Kraftstoff. Von diesem Druckspeicherraum führen Kraftstoffeinspritzleitungen zu den einzelnen Einspritzventilen, die über den Druckspeicherraum miteinander verbunden sind (Common Rail), wobei der Druckspeicher durch eine Drucksteuereinrichtung auf einem bestimmten Druck gehalten wird, so daß an den Einspritzventilen drehzahlunabhängig der Einspritzdruck über das gesamte Betriebskennfeld der zu versorgenden Brennkraftmaschine festgelegt werden kann.

Die in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragenden Einspritzventile weisen dabei ein in einer Führungsbohrung im Ventilgehäuse axial geführtes kolbenförmiges Ventilglied auf, dessen eine Stirnseite eine mit einem Ventilsitz zusammenwirkende konische Dichtfläche aufweist und dessen andere Stirnseite einen Druckraum in der Führungsbohrung im Ventilgehäuse begrenzt, der über eine eine Drossel enthaltene Verbindungsleitung mit einem das Ventilglied umgebenden Einspritzdruckraum und über eine ein elektrisches Steuerventil enthaltene Entlastungsleitung mit einer Rücklaufleitung verbindbar ist. Der Einspritzdruckraum ist über eine Kraftstoffhochdruckleitung mit dem Druckspeicherraum verbunden und weist ständig dessen Druckniveau auf. Das Ventilglied weist im Bereich des Einspritzdruckraumes eine konische Querschnittsverringerung in Richtung Ventildichtfläche auf und wird bei geschlossenem Steuerventil und Druckausgleich zwischen dem stirnseitigen Druckraum und dem Einspritzdruckraum durch eine Ventilfeder mit seiner Ventildichtfläche in Anlage am Ventilsitz gehalten, so daß die Einspritzöffnungen in diesem Bereich verschlossen sind.

Der Beginn des Öffnungshubes des Ventilgliedes wird durch das elektrische Aufsteuern des Steuerventils in der Entlastungsleitung vom stirnseitigen Druckraum eingeleitet, infolge dessen sich der Hochdruck im stirnseitigen Druckraum schnell entspannt, so daß zwischen diesem und dem Einspritzdruckraum ein Druckgefälle entsteht, das eine Öffnungshubbewegung des Ventilgliedes entgegen der Kraft der Ventilfeder bewirkt, wobei die Drossel in der Verbindungsleitung ein rasches Nachströmen von Kraftstoff in den stirnseitigen Druckraum verhindert. Analog dazu wird das Schließen des Einspritzventils über das Schließen des Steuerventils gesteuert, wobei sich im stirnseitigen Druckraum erneut ein Kraftstoffhochdruck aufbaut, der die Schließkraft der Ventilfeder unterstützt und das Ventilglied erneut an seinen Ventilsitz preßt. Dabei bleibt das Ventilglied bei stromlosem, d.h. geschlossenem Steuerventil durch den Druck im stirnseitigen Druckraum hydraulisch in seiner Anlage am Ventilsitz gehalten.

Um eine Beeinflussung des Einspritzdruckes im Füll- und Hochdruckraum des Einspritzventils durch das Aufsteuern des stirnseitigen Druckraumes zu vermeiden, ist eine weitere gattungsgemäße Kraftstoffeinspritzeinrichtung aus der ATZ/MTZ Sonderheft Motor und Umwelt 92 bekannt, bei der der stirnseitige Druckraum über ein Drei-Wegeventil mit dem gemeinsamen Druckraum (Common Rail) oder einer Entlastungsleitung verbindbar ist. Dabei erfolgt dort das Füllen des stirnseitigen Steuerdruckraumes ungedrosselt über ein Rückschlagventil und das Entlasten zum Aufsteuern des Einspritzventils gedrosselt. Der Einspritzdruck im Einspritzventil wird dabei durch des Aufsteuern des Steuerdruckraumes in keiner Weise beeinflußt, da die Verbindung zwischen dem Hochdruckleitungssystem und dem stirnseitigen Steuerdruckraum zu diesem Zeitpunkt zugesteuert ist.

Dabei tritt jedoch bei beiden bekannten Kraftstoffeinspritzeinrichtungen der Nachteil auf, daß der sehr hohe Kraftstoffeinspritzdruck in einer Kraftstoffhochdruckpumpe erzeugt werden muß, die über Hochdruckleitungen mit dem gemeinsamen Druckraum und weiter mit den einzelnen Einspritzventilen verbunden ist. Dies hat zur Folge, daß hinsichtlich der Bauteilbeanspruchung und Auslegung sehr hohe Anforderungen an die Hochdruckpumpe und das Leitungssystem gestellt werden müssen, die eine aufwendige und kostenintensive Fertigung bedingen. Zudem kommt es durch den relativ langen Übertragungsweg von der Hochdruckpumpe bis zur Einspritzstelle zu Druckverlusten, so daß die bekannten Kraftstoffeinspritzeinrichtungen sehr hohe Einspritzdrücke von bis zu 2000 bar nicht erreichen können. Ein weiterer Nachteil an den bekannten Kraftstoffeinspritzeinrichtungen entsteht durch die Verwendung des unter Einspritzhochdruck stehenden Kraftstoffes als Steuerdruckmittel, so daß die Steuerventile vor allem während des Schließens zum Einspritzende relativ hohe Stellkräfte aufbringen müssen, was wiederum eine große Dimensionierung und damit längere Schaltzeiten zur Folge hat.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß durch die Verwendung eines Verstärkerkolbens im Einspritzventil der sehr hohe Kraftstoffeinspritzdruck erst im Einspritzdruckraum des Einspritzventils erzeugt wird, so daß zum einen die Anforderungen an die den gemeinsamen Druckraum füllende Hochdruckpumpe und das Druckleitungssystem erheblich gesenkt werden und zum anderen sehr hohe Einspritzdrücke von bis zu 2000 bar problemlos erreicht werden können. Von besonderer Bedeutung ist hierbei, daß zwischen dem Einspritzdruckraum und den Austrittsöffnungen des Einspritzventils kein Leitungsweg erforderlich ist, so daß zwischen dem Druckerzeuger und der Einspritzstelle keine Wegverluste auftreten können. Dabei ist es besonders vorteilhaft, den Verstärkerkolben platzsparend axial verschiebbar auf dem kolbenförmigen Ventilglied anzuordnen. Durch die Dimensionierung der wirksamen, für das Übersetzungsverhältnis verantwortlichen Stirnflächen des Verstärkerkolbens läßt sich dabei relativ einfach eine optimale Anpassung der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzeinrichtung an die Erfordernisse der jeweiligen zu versorgenden Brennkraftmaschine erreichen.

Ein weiterer Vorteil wird durch die Anordnung eines weiteren vom Verstärkerkolben begrenzten Arbeitsraumes erreicht, der zum einen eine sichere und gesteuerte Rückstellbewegung des Verstärkerkolbens ohne Verwendung einer zusätzlichen, die Förderhubbewegung des Verstärkerkolbens ungleichmäßig beeinflussende Rückstellfeder und eine platzsparende Befüllung des Einspritzdruckraumes über einen Kanal im Ventilglied ermöglicht.

Durch den gegenüber den bekannten Systemen erheblich geringeren Common-Rail-Druck im Hochdruckleitungssystem ist es zudem möglich ein relativ kleines elektrisches Stellglied mit kleiner bewegter Masse als Steuerventil für die Öffnungsbewegung des Einspritzventilgliedes zu verwenden, das eine hohe Einbauflexibilität erlaubt und das extrem kurze Schaltzeiten ermöglicht. Diese kurzen Schaltzeiten werden dabei zudem durch den sehr geringen Hubweg des Ventilgliedes des Steuerventils unterstützt, da durch die geringe gesteuerte Kraftstoffmenge im stirnseitigen Druckraum nur ein geringer Querschnittsbedarf benötigt wird.

Über den Ausgangsdruck im Common Rail und somit im die Förderhubbewegung auslösenden Arbeitsraum am Verstärkerkolben und das Übersetzungsverhältnis am Verstärkerkolben ist der Druck im Einspritzdruckraum in vorteilhafter Weise genau bestimmbar.

Dies wird zudem durch die vollständige Entkoppelung von Einspritzung und Füllung unterstützt, die durch die voneinander getrennten Kraftstoffzulaufkanäle möglich ist. Dabei ermöglicht ein 4 Wege-Schieberventil, daß die getrennte Steuerung der verschiedenen Arbeitsräume in vorteilhafter Weise mit nur einem Hochdruck- und einem Entlastungsanschluß erfolgt, wobei das Schieberventil dabei von einem das Aus- oder Einlaßventil betätigenden Nocken angesteuert werden kann.

Durch die Steuerung des Einspritzzeitpunktes und der Einspritzdauer mittels des mit dem stirnseitigen Druckraum verbundenen Steuerventils, ist das System in einfacher Weise elektrisch und in Abhängigkeit eines verschiedene Betriebsparameter der Brennkraft maschine verarbeitenden Kennfeldes steuerbar, wobei aufgrund der geringen Schaltzeiten auch eine Voreinspritzung und eine Einspritzverlaufsformung möglich ist.

Ein weiterer Vorteil wird durch das Einmünden der Entlastungsleitung in den Zulauf zur Hochdruckpumpe bei gleichzeitigem Unterbinden des Zurückströmens des abgesteuerten Kraftstoffes in den Vorratsbehälter durch ein Rückschlagventil erreicht, wodurch die Energie des abgesteuerten Kraftstoffes zum Teil erneut bei der Hochdruckerzeugung genutzt werden kann.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen die 1 den schematischen Aufbau der Kraftstoffeinspritzeinrichtung, die 2 einen ersten Schnitt durch den unteren Teil eines Einspritzventils mit der Darstellung des Ventilgliedes, des Verstärkerkolbens und der Druckräume, die 3 einen zweiten Schnitt durch den oberen Teil des Einspritzventils, in dem die Lage und die Ansteuerung der Kraftstoffkanäle dargestellt ist und die 4 das einen Kanal im Einspritzventilglied verschließende Rückschlagventil in einem Schnitt aus der 2.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Bei der in der 1 schematisch dargestellten Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist eine Kraftstoffhochdruckpumpe 1 saugseitig über eine einen Niederdruckraum 3 bildende, ein in Richtung Hochdruckpumpe öffnendes Rückschlagventil 5 enthaltene Kraftstoffleitung mit einem Kraftstoffvorratsbehälter 7 und druckseitig mit einem Hochdrucksammelraum 9 verbunden. Der Hochdrucksammelraum 9 ist über Hochdruckleitungen 11 mit in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragenden Einspritzventilen 13 verbunden, wobei die einzelnen Hochdruckleitungen 11 somit über den gemeinsamen Hochdrucksammelraum 9 (Common Rail) miteinander verbunden sind. Vom Hochdrucksammelraum 9 führt im Ausführungsbeispiel eine Entlastungsleitung 17 ab, die zwischen der Hochdruckpumpe 1 und dem Rückschlagventil 5 in den Niederdruckraum 3 einmündet und die zudem über von dieser abzweigende Verbindungsleitungen mit den einzelnen Einspritzventilen 13 verbunden ist. Die Druckregelung im Hochdrucksammelraum 9 kann neben einer Regelung an der Hochdruckpumpe 1 durch ein mögliches Druckventil 10 zwischen der Hochdruckpumpe 1 und dem Hochdrucksammelraum 9 erfolgen, was den Vorteil hat, daß der Druck im Sammelraum 9 nach Abschalten der Hochdruckpumpe 1 gehalten wird (verbessertes Startverhalten). Um eine Verbesserung der Dynamik beim Absenken des Druckes im Sammelraum 9 zu ermöglichen, ist ein Drucksteuerventil 15 in die Entlastungsleitung 17 zwischen Sammelraum 9 und den Verbindungen zu den einzelnen Einspritzventilen 13 eingesetzt sein, das seinerseits, wie das Ventil 10 oder eine druckregelbare Hochdruckpumpe 1 von einem elektronischen Steuergerät 19 angesteuert wird. Dieses Steuergerät 19 verarbeitet dabei von der zu versorgenden Brennkraftmaschine aufgenommene Betriebsparameter wie z.B. Drehzahl, Last, Temperaturen, Drücke usw. in Abhängigkeit von gespeicherten Kennfeldern und steuert neben dem Druck im Hochdrucksammelraum 9 auch die Öffnungszeiten der Einspritzventile 13 und die Hochdruckförderpumpe 1.
Soll das Drucksteuerventil 15 nicht vorgesehen werden, hat die Entlastungsleitung 17 keine Verbindung zum Hochdrucksammelraum 9.
Der erfindungsgemäße Aufbau der Einspritzventile 13 ist in den 2 und 3 dargestellt, wobei die 2 einen vergrößerten Schnitt durch den unteren, in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragenden Teil, die 3 einen Schnitt durch den oberen Teil des Einspritzventils 13 zeigt.
Das in der 2 dargestellte Einspritzventil 13 besteht dabei aus einem mehrteiligen zylinderförmigen Ventilgehäuse 21, mit einem im Durchmesser verringerten, in den Brennraum der Brennkraftmaschine ragenden Teil 23, der an seinem freien stirnseitigen Ende Einspritzöffnungen 25 aufweist. In seinem Inneren weist das Einspritzventil 13 eine sich in Richtung Einspritzöffnungen 25 über zwei Absätze im Durchmesser verringernde Stufenbohrung auf, deren erster im Durchmesser größter Teil eine Führungsbohrung 27 bildet, in der ein im Durchmesser größerer Teil eines als Stufenkolben ausgebildeten Verstärkerkolbens 29 axial geführt ist, der mit seiner oberen, den Einspritzöffnungen 25 abgewandten Stirnfläche 30 einen ersten Arbeitsraum 32 in der Führungsbohrung 27 begrenzt. Der Verstärkerkolben 29 weist in Richtung Einspritzöffnungen 25 einen über einen eine Ringschulter 37 bildenden Absatz im Durchmesser verringerten Teil 31 auf, der in einem durch einen ersten Absatz 33 der Stufenbohrung entstandenen verjüngten Bohrungsteil 35 der Stufenbohrung geführt ist, wobei zwischen dem ersten Absatz 33 und der Ringschulter 37 des Verstärkerkolbens 29 ein zweiter ringförmiger Arbeitsraum 39 begrenzt ist. Die den Einspritzöffnungen 25 zugewandte Stirnseite 41 des im Durchmesser verringerten Verstärkerkolbenteils 31 begrenzt einen ringförmigen Einspritzdruckraum 43, der andererseits durch einen zweiten Absatz 45 der Stufenbohrung begrenzt wird.
Der Verstärkerkolben 29 weist eine Axialbohrung 47 auf, in der ein mehrteiliges kolbenförmiges Einspritzventilglied 49 geführt ist, das an seinem aus dem verjüngten Verstärkerkolbenteil 31 herausragenden Teil an dessen Stirnseite eine konische Dichtfläche 51 aufweist, mit der es bei Anlage an einer trichterförmigen Ventilsitzfläche 53 an der geschlossenen Stirnseite der Stufenbohrung die aus dieser Ventilsitzfläche 53 austretenden Einspritzöffnungen 25 verschließt, wobei die Stufenbohrung in ihrem im Durchmesser kleinsten Teil 55 zwischen dem zweiten Absatz 45 und den Einspritzöffnungen 25 so ausgelegt ist, daß zwischen dem Ventilglied 49 und der Wand des Stufenbohrungsabschnittes 55 ein Ringspalt 57 verbleibt. Das Einspritzventilglied 49 setzt sich im Ausführungsbeispiel aus vier Teilen zusammen, wobei ein erster Teil aus der sogenannten Ventilnadel 59 gebildet wird, die eine in Richtung Ventilsitz 53 verlaufende konische Querschnittsverringerung 52 und an ihrer Stirnseite die Ventildichtfläche 51 aufweist, und die sich im geschlossenen Zustand des Einspritzventils 13, d.h. bei Anlage am Ventilsitz 53 etwa bis in den Bereich des zweiten Arbeitsraumes 39 in die Axialbohrung 47 hinein erstreckt. An diese schließt sich ein erster Zwischenkolben 61 an, dessen Durchmesser gegenüber der Ventilnadel 59 geringfügig kleiner ausgeführt ist, so daß zwischen der Wand der Axialbohrung 47 des Verstärkerkolbens 29 und der Mantelfläche des ersten Zwischenkolbens 61 eine schmale Ringnut 63 verbleibt, die in Richtung erster Arbeitsraum 32 durch eine Verjüngung der Axialbohrung 47 verschlossen ist. Die Ringnut 63 kann dabei auch durch eine lokale Verjüngung des ersten Zwischenkolbens 61 erreicht werden. An den ersten Zwischenkolben 61 schließt sich in axialer Verlängerung im Bereich des ersten Arbeitsraumes 32 ein zweiter Zwischenkolben 65 an, der in einer axialen Bohrung eines Rohrstutzens 67 geführt ist, der seinerseits mit einem scheibenförmigen Kopfstück 69 in die Führungsbohrung 27 eingesetzt ist und dort mit seiner dem Verstärkerkolben 29 zugewandten Stirnseite 71 den ersten Arbeitsraum 32 begrenzt.
Der zweite Zwischenkolben 65 kommt mit seiner dem ersten Arbeitsraum 32 abgewandten Stirnseite zur Anlage an den Boden eines topfförmigen Kolbens 73, dessen offene Seite dem Rohrstutzen 67 zugewandt ist, wobei der Kolben 73 das Kopfstück 69 nie berühren darf, um ein sicheres Aufsetzen der Ventilnadel 59 auf ihren Sitz und damit ein sicheres Schließen des Einspritzventils zu gewährleisten. Dabei ist zwischen dem topfförmigen Kolben 73 und dem Rohrstutzen 67 ein weiterer als Entlastungsraum 77 wirkender Arbeitsraum begrenzt.
Mit seiner geschlossenen, dem Entlastungsraum 77 abgewandten Stirnseite 79 begrenzt der Kolben 73 einen weiteren als Steuerdruckraum 81 dienenden Arbeitsraum, der andererseits durch ein die Stufenbohrung verschließendes zylinderförmiges Verrschlußteil 83 begrenzt ist. Die axiale Ausdehnung zwischen der Stirnseite 79 des Kolbens 73 bis zur Anschlagfläche am Verschlußteil 83 bestimmt dabei den Ventilnadelhub.
Zur Befüllung bzw. Entlastung der einzelnen Arbeitsräume mit Kraftstoff sind Kraftstoffkanäle im Einspritzventil angeordnet, wobei ein erster Kraftstoffkanal 85 in den ersten Arbeitsraum 32, ein zweiter Kraftstoffkanal 87 in den zweiten Arbeitsraum 39, und ein dritter Kraftstoffkanal 89 in den Steuerdruckraum 81 mündet. Der Entlastungsraum 77 ist zudem durch einen in der 3 dargestellten Entlastungskanal 91 mit der Entlastungsleitung 17 verbunden.
Um eine Wandschwächung des Gehäuses des Einspritzventils 13 zu vermeiden ist es auch möglich, den Kraftstoffkanal 87 über den ersten Zwischenkolben 61 und ein weiteres Zwischenstück zwischen dem ersten Zwischenkolben 61 und dem zweiten Zwischenkolben 65 zu führen, das dann seinerseits wieder in einem scheibenförmigen Stück zwischen dem ersten Arbeitsraum 32 und dem Kopfstück 69 axial geführt ist.
Der Einspritzdruckraum 43 wird über eine Verbindungsleitung 93 im Ventilglied 49 mit dem zweiten Arbeitsraum 39 verbunden, die sich aus einer Längsbohrung 95 und mit dem Einspritzdruckraum 43 verbundenen Querbohrungen 97 im Ventilglied 49 und einer von der Längsbohrung 95 in die Ringnut 63 mündende und von dort über eine Öffnung in der Wand des Verstärkerkolbenteils 31 zum Arbeitsraum 39 führende Bohrung im Verstärkerkolben 29 zusammensetzt. Die Austrittsöffnung der Verbindungsleitung 93 in den Einspritzdruckraum 43 wird dabei durch ein in Richtung Einspritzdruckraum öffnendes Rückschlagventil 99 verschlossen, das in der 4 näher beschrieben wird.
Die Ansteuerung des Einspritzventilgliedes 49 und die Verbindung der einzelnen Kraftstoffkanäle mit den Hochdruckleitungen 11 und der Entlastungsleitung 17 ist in einem Schnitt durch den oberen Teil des Einspritzventils 13 schematisch in der 3 dargestellt.
Dabei verzweigen sich der erste Kraftstoffkanal 85 und der zweite Kraftstoffkanal 87 jeweils in zwei Anschlußleitungen, die mit einem als 4 Wegeventil ausgebildeten Schieberventil 101 mit zwei Durchtrittsöffnungen verbunden sind. Dieses Schieberventil 101 ist zulaufseitig mit jeweils zwei Anschlüssen der Hochdruckleitung 11 und der Entlastungsleitung 17 verbunden, die so angeordnet sind, daß sowohl der erste als auch der zweite Kraftstoffkanal 85, 87 je nach Stellung des Schieberventils 101 mit der Hochdruckleitung 11 oder der Entlastungsleitung 17 verbindbar ist.
Das Schieberventil arbeitet mit zwei Einstellpositionen, von denen die dargestellte Lage die Verbindung des ersten Kraftstoffkanals 85 mit der Hochdruckleitung 11 bei gleichzeitiger Verbindung des zweiten Kraftstoffkanals 87 mit der Entlastungsleitung 17 zeigt, wobei eine zweite mögliche Einstellposition eine Verbindung des ersten Kraftstoffkanals 85 mit der Entlastungsleitung 17 bei gleichzeitiger Verbindung des zweiten Kraftstoffkanals 87 mit der Hochdruckleitung 11 ermöglicht. Das Schieberventil 101 kann dabei vom Betätigungsnocken eines Ladungswechselventils, vorzugsweise des Auslaßventils der Brennkraftmaschine gesteuert werden, es ist jedoch auch eine elektrische Ansteuerung in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine möglich.
Der vom stirnseitigen Steuerdruckraum 81 abführende Kraftstoffkanal 89 mündet in einen ringförmigen Ventilraum 103 eines als 3-Wegeventil ausgeführten Doppelsitzventils, das als Steuerventil 105 wirkt, mit einander gegenüberliegend angeordneten Ventilsitzen, an die sich zum einen eine Verbindungsleitung 107 zur Hochdruckleitung 11 und andererseits eine Verbindungsleitung 109 zur Entlastungsleitung 17 anschließt. Das Steuerventil 105 weist dabei ein kolbenförmiges Ventilglied 111 mit zwei axial einander gegenüberliegenden konischen Ventildichtflächen auf und ist über das Ventilglied mit einem elektrischen Stellglied, vorzugsweise einem Elektromagnet oder einem Piezotranslator verbunden, das in Abhängigkeit von Betriebsparametern vom Steuergerät 19 angesteuert wird.
Eine in den Entlastungskanal 91 an dessen Verbindung in die Entlastungsleitung 17 eingesetzte Drossel 110 bewirkt über die Verbindungsleitung 109 eine gedämpfte Entlastung des Steuerdruckraumes 81, was eine verzögerte Öffnungsbewegung des Einspritzventilgliedes 49 zur Folge hat, über das sich eine Einspritzverlaufsformung vornehmen läßt. Das Befüllen des Steuerdruckraumes 81 erfolgt dagegen möglichst ungedrosselt um ein rasches Schließen des Einspritzventilgliedes 49 am Ende der Einspritzung zu erreichen.
Das in der 4 in einem Schnitt aus der 2 vergrößert dargestellte Rückschlagventil 99 besteht aus einem axial auf der Ventilnadel 59 geführten rohrförmigen Ventilglied 113 mit einem topfförmigen Kopfstück 115, das von einer sich am Stufenbohrungsabsatz 45 abstützenden Ventilfeder 117 mit seiner offenen Stirnfläche 119 an die konische Querschnittsvergrößerung 52 der Ventilnadel 59 gepreßt wird und das dabei die Austrittsöffnung 97 der Verbindungsleitung 93 zwischen dem Einspritzdruckraum 43 und dem Arbeitsraum 39 verschlossen hält und durch den übertragenden Druck aus dem Arbeitsraum 39 der auf den Boden des topfförmigen Kopfstückes 115 wirkt, geöffnet wird.
Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzeinrichtung arbeitet in folgender Weise.
Die Kraftstoffhochdruckpumpe 1 fördert den Kraftstoff aus dem Vorratsbehälter 7 über den Niederdruckraum 3 in Hochdrucksammelraum 9 und baut so dort den Kraftstoffhochdruck auf. Über die Hochdruckleitungen 11 strömt der unter hohem Druck stehende Kraftstoff zum Einspritzventil 13.
Dort gelangt der Kraftstoffhochdruck in der in den 2 und 3 dargestellten Verdichtungsphase, bei der das Steuerventil 105 den Steuerdruckraum 81 mit der Verbindungsleitung 107 zur Hochdruckleitung 11 verbindet, über die entsprechende Schieberventilstellung in den ersten Kraftstoffkanal 85 und weiter in den ersten Arbeitsraum 32, wo er den Verstärkerkolben 29 beaufschlagt und ihn in Folge der gegenüber den Räumen 39 und 43 größeren wirksamen Druckangriffsfläche in Richtung Einsritzdruckraum 43 verschiebt. Dabei sei hier darauf hingewiesen, daß die Befüllung des ersten Arbeitsraumes 32 alternativ auch mit jeweils einer seperaten Hochdruckpumpe pro Einspritzventil möglich ist.
Der zweite kolbenseitige Arbeitsraum 39 ist zu diesem Zeitpunkt über den zweiten Kraftstoffkanal 87 und Schieberventil 101 mit der Entlastungsleitung 17 verbunden, so daß der im Arbeitsraum 39 befindliche Kraftstoff während der Verstärkerkolbenhubbewegung aus diesem verdrängt wird. Infolge der Hubbewegung des Verstärkerkolbens vergrößert sich der Kraftstoffdruck im Einspritzdruckraum 43 auf ein Vielfaches des Hochdruckes in der Hochdruckleitung 11, wobei dieser gegenüber dem Druck im Arbeitsraum 39 sehr viel höhere Einspritzdruck das Rückschlagventil 99 geschlossen hält.
Soll nun der unter Einspritzhochdruck stehende Kraftstoff zur Einspritzung über die Einspritzöffnungen 25 gelangen, wird das elektrisch betätigte Ventilglied 111 des Steuerventils 105 derart verstellt, daß der Kraftstoffkanal 89 mit der Verbindungsleitung 109 zur Entlastungsleitung 17 verbunden ist und dessen Verbindung zur Verbindungsleitung 107 unterbrochen wird, wobei das Einmünden der Verbindungsleitung 109 in den Entlastungskanal dabei gedrosselt erfolgen kann. Infolge der Druckentlastung des Steuerdruckraumes 81 ist die hydraulische Blockierung des Einspritzventilgliedes 49 aufgehoben und der Einspritzdruck im Einspritzdruckraum 43 hebt das Ventilglied 49 über die Querschnittsvergrößerung 52 von seinem Sitz 53, so daß der unter Einspritzhochdruck stehende Kraftstoff über die Einspritzöffnungen 25 in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
Dabei fällt bei Beginn der Einspritzung der Druck im Einspritzdruckraum 43 zunächst ab, wodurch der Verstärkerkolben 29 vom Druck im Arbeitsraum 32 nachgedrückt wird und im quasistatischen Strömungszustand nach der Beschleunigungsphase entspricht der Einspritzdruck wieder dem des Ausgangszustandes vermindert um den Reibungsverlust- durch die Verstärkerkolbenbewegung. Dieser Betrag des Druckabfalls in der Beschleunigungsphase wird dabei im wesentlichen durch die Masse des Verstärkerkolbens 29 bestimmt, was als Parameter bei der Applikation des Systems bewußt ausgenutz werden kann, um eine Modulation zu Beginn der Einspritzung bzw. eine Voreinspritzung zu ermöglichen.
Das Ende der Hochdruckeinspritzung erfolgt durch ein erneutes Verstellen des Steuerdruckventils 105, wodurch das Ventilglied 113 erneut die Verbindung des Steuerdruckraumes 81 zur Verbindungsleitung 109 zu- und die Verbindung zur Verbindungsleitung 107 auf- steuert. Dabei gelangt der unter Hochdruck stehende Kraftstoff aus der Hochdruckleitung 11 über die Verbindungsleitung 107, den Ventilraum 103 und den Kraftstoffkanal 89 in den Steuerdruckraum 81 und preßt das Ventilglied 49 über die relativ große Druckfläche 79 des Kolbens 73 wieder auf den Ventilsitz 53.
Das Befüllen des Einspritzdruckraumes 43 erfolgt zunächst durch das Verschieben des Schieberventils 101, wodurch nun der erste Kraftstoffkanal 85 und weiter der erste Arbeitsraum 32 mit der Entlastungsleitung 17 verbunden sind, so daß sich der Hochdruck in diese entspannt. Gleichzeitig verbindet das Schieberventil 101 den zweiten Kraftstoffkanal 87 und den zweiten Arbeitsraum 39 mit der Hochdruckleitung 11, so daß sich im zweiten Arbeitsraum 39 ein Kraftstoffhochdruck aufbaut. Dieser Druck bewirkt zunächst eine Rückstellung des Verstärkerkolbens 29 in seine Ausgangsposition, die durch einen Anschlag festgelegt sein kann. Infolge der Rückstellung des Verstärkerkolbens 29 sinkt auch der Druck im Einspritzdruckraum 43 stark ab, so daß ein Druckgefälle zwischen diesem und dem Arbeitsraum 39 entsteht, das das Rückschlagventilglied 113 gegen die Kraft der Feder 117 von seinem Sitz abhebt, so daß der Kraftstoff vom Arbeitsraum 39 in den Einspritzdruckraum 43 einströmt. Dieses Füllen ist beendet, wenn sich zwischen den Räumen 39 und 43 ein Druckgleichgewicht eingestellt hat und die Kraft der Ventilfeder 117 nun ausreicht das Rückschlagventil 99 erneut zu verschließen. Über eine erneute Verschiebung des Schieberventils 101 wird im Anschluß daran erneut die Verdichtungs- bzw. Druckverstärkungsphase eingeleitet.
Der Entlastungsraum 77 ist ständig über den Entlastungskanal 91 mit der Entlastungsleitung 17 verbunden, wobei das Einmünden in die Entlastungsleitung 17 über eine Drossel erfolgen kann, um Druckstöße im System infolge der einzelnen Absteuervorgänge vom Entlastungsraum 77 fernzuhalten.
Mit der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist es somit möglich den zur Einspritzung notwendigen sehr hohen Einspritzdruck erst im Einspritzventil zu erzeugen, wobei das axiale Anordnen des Verstärkerkolbens auf dem Ventilglied eine platzsparende Realisierung dieser Druckverstärkung ermöglicht.

Claims

Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen mit einer Kraftstoffhochdruckpumpe (1), die Kraftstoff aus einem Niederdruckraum (3) in einen druckregelbaren Hochdrucksammelraum (9) fördert, der über Hochdruckleitungen (11) mit in einen Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragenden Einspritzventilen (13) verbunden ist, die jeweils ein mit einem Ventilsitz (53) zusammenwirkendes kolbenförmiges Ventilglied (49) aufweisen, das mit einem Teil seiner Mantelfläche in einer Bohrung im Ventilgehäuse geführt ist und mit seinem freien, dem Ventilsitz (53) zugewandten Ende in einen mit der Hochdruckleitung (11) verbindbaren Einspritzdruckraum (43) ragt, der von einem mit der Hochdruckleitung (11) und einer ein Steuerventil (105) enthaltenen Entlastungsleitung (17) in den Niederdruckraum (3) verbindbaren Steuerdruckraum (81) getrennt ist, dessen Druck das Ventilglied (49) in Schließrichtung beaufschlagt, wobei das Ventilglied (49) an seinem in den Einspritzdruckraum (43) ragenden Teil eine Querschnittsvergrößerung (52) in Richtung des Steuerdruckraumes (81) aufweist, über die der unter hohem Druck stehende Kraftstoff das Ventilglied (49) bei einer Druckentlastung des Steuerdruckraumes (81) von seinem Ventilsitz (53) abhebt, dadurch gekennzeichnet, daß das Einspritzventil (13) einen Verstärkerkolben (29) in Form eines Stufenkolbens aufweist, der mit der Stirnfläche (30) seines im Durchmesser größeren Teils einen mit der Hochdruckleitung (11) verbindbaren ersten Arbeitsraum (32) begrenzt und mit der Stirnfläche (41) seines im Durchmesser kleinen Teils wenigstens mittelbar an den Einspritzdruckraum (43) angrenzt, der über ein gesteuertes Ventil mit der Hochdruckleitung (11) verbindbar ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkerkolben (29) am Übergang zwischen dem im Durchmesser größeren Teil und dem im Durchmesser geringeren Teil eine Ringschulter (37) bildet, mit der er einen zweiten Arbeitsraum (39) in einer Führungsbohrung (27) einschließt, der im Wechsel mit dem ersten Arbeitsraum (32) entweder mit der Hochdruckleitung (11) oder mit der Entlastungsleitung (17) verbindbar ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der Hochdruckleitung (11) zum Einspritzdruckraum (43) über den zweiten Arbeitsraum (39) führt.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkerkolben (29) axial verschiebbar auf dem Ventilglied (49) geführt ist und ein vom zweiten Arbeitsraum (39) ausgehender Verbindungskanal (93) zum Einspritzdruckraum (43) aus einer Längsbohrung (95) und jeweils einer von dieser ausgehenden, in den zweiten Arbeitsraum (39) bzw. in den Einspritzdruckraum (43) mündenden Querbohrung (97) im Ventilglied (49) und einer Querbohrung im Verstärkerkolben (29) gebildet wird, der durch ein auf dem Ventilglied (49) axial angeordnetes Rückschlagventil (99) im Einspritzdruckraum (43) auf- bzw. zusteuerbar ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das die Querbohrung (97) des Verbindungskanals (93) verschließende Rückschlagventil (99) ein rohrförmiges auf dem Ventilglied (49) dichtend verschiebbares Rückschlagventilglied (113) mit einem topfförmigen Kopfstück (115) aufweist, deren Randstirnfläche (119) mit der Mantelfläche des Ventilgliedes (49) im Bereich der Querschnittserweiterung (52) zusammenwirkt und das von einer sich andererseits an einem Absatz (45) des Einspritzdruckraumes (43) abstützenden Ventilfeder (117) beaufschlagt ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (49) mehrteilig ist und sich aus mehreren axial hintereinander angeordneten Kolben zusammensetzt, von denen ein erster Kolben eine Ventilnadel (59) bildet, die stirnseitig eine konische mit dem Ventilsitz (53) zusammenwirkende Dichtfläche (51) und in ihrem Inneren den Verbindungskanal (93) aufweist, an die sich axial ein erster Zwischenkolben (61) und in Folge ein zweiter Zwischenkolben (65) anschließt, auf den andererseits ein vierter topfförmiger Kolben (73) wirkt, der mit seiner einen Stirnfläche (79) den Steuerdruckraum (81) begrenzt.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohrstutzen (67) mit einem scheibenförmigen Kopfstück (69) in die Führungsbohrung (27) eingesetzt ist, der eine den zweiten Zwischenkolben (65) führende Bohrung aufweist und der mit seiner scheibenförmigen, dem ersten Zwischenkolben (61) zugewandten Stirnseite (71) den ersten Arbeitsraum (32) begrenzt.
Kraftstoffeinspritzpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Rohrstutzen (67) und dem vierten topfförmigen Kolben (73) ein mit der Entlastungsleitung (17) verbundener Entlastungsraum (77) gebildet ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein in den zweiten Arbeitsraum (39) mündender Kraftstoffkanal (87) über den ersten Zwischenkolben (61) und ein weiteres Zwischenstück zwischen dem ersten Zwischenkolben (61) und dem zweiten Zwischenkolben (65) geführt ist, das seinerseits wieder in einem scheibenförmigen Stück zwischen dem ersten Arbeitsraum (32) und dem Kopfstück (69) axial geführt ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die vom ersten und zweiten Arbeitsraum (32, 39) ausgehenden Kraftstoffkanäle (85, 87) über ein 4 Wegeventil jeweils mit der Hochdruckleitung (11) oder der Entlastungsleitung (17) verbindbar sind.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das 4 Wegeventil als Schieberventil (101) ausgeführt ist, das synchron zur Drehzahl der zugehörigen Brennkraftmaschine angesteuert wird.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das 4- Wegeventil vom Nocken des Aus- oder Einlaßventils derart angesteuert wird, daß ein Kraftstoffkanal mit der Hochdruckleitung (11) und der andere Kraftstoffkanal mit der Entlastungsleitung (17) verbunden ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerdruckraum (81) über einen Kanal (89) mit einem 3 Wege Steuerventil (105) verbunden ist, von dem je eine Verbindungsleitung (107) zur Hochdruckleitung (11) und eine Verbindungsleitung (109) zur Entlastungsleitung (17) abführen.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlastung des Steuerdruckraumes (81) gedrosselt und das Befüllen des Steuerdruckraumes (81) ungedrosselt und schnell erfolgt.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (105) als Doppelsitzventil mit axial gegenüberliegend angeordneten konischen Ventilsitzen ausgeführt ist, an denen jeweils eine der Verbindungsleitungen (107, 109) mündet und zwischen denen ein Steuerventilglied (111) mit axial gegenüberliegend angeordneten konischen Dichtflächen durch ein elektrisches Stellglied verschiebbar angeordnet ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Hochdruckpumpe (1) und dem Hochdrucksammelraum (9) ein Drucksteuerventil (10) eingesetzt ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Stellglied als Elektromagnet ausgeführt ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Stellglied als Piezotranslator ausgeführt ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Einspritzventilen (13) verbundene Entlastungsleitung (17) über einen ein Drucksteuerventil (15) enthaltenen Leitungsteil mit dem Hochdrucksammelraum (9) verbunden ist.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlastungsleitung (17) in den Niederdruckraum (3) zwischen der Hochdruckförderpumpe (1) und einem den Niederdruckraum von einem Kraftstoffvorratsbehälter (7) abgrenzenden Rückschlagventil (5) einmündet.