DE10133490A1 - Kraftstoffeinspritzeinrichtung - Google Patents

Abstract

Bei einer hubgesteuerten Kraftstoffeinspritzeinrichtung (1) ist ein Druckspeicherraum (5), eine Primärkammer (10) und eine Druckkammer (14) aufweisender Druckverstärker (8) und eine einen Düsenraum (15) und einen Steuerraum (17) aufweisende Einspritzdüse (7) vorgesehen. Die Druckkammer (14) ist an den Düsenraum (15) angeschlossen. Die Primärkammer (10) und der Steuerraum (17) sind über eine Druckleitung miteinander verbunden, welche Kraftstoff des nicht verstärkten Drucks aus dem Druckspeicherraum (5) führt.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zum besseren Verständnis der Beschreibung und der Patentansprüche werden nachfolgend einige Begriffe erläutert: Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß der Erfindung ist hubgesteuert ausgebildet. Im Rahmen der Erfindung wird unter einer hubgesteuerten Kraftstoffeinspritzeinrichtung verstanden, dass das Öffnen und Schließen der Einspritzöffnung mit Hilfe eines verschieblichen Ventilglieds aufgrund des hydraulischen Zusammenwirkens der Kraftstoffdrücke in einem Düsenraum und in einem Steuerraum erfolgt. Eine Druckabsenkung innerhalb des Steuerraums bewirkt einen Hub des Ventilglieds. Alternativ kann das Auslenken des Ventilglieds durch ein Stellglied (Aktor, Aktuator) erfolgen.

Unter einem Injektor wird eine ventilgesteuerte Einspritzeinheit verstanden, die im Zylinderkopf eingeschraubt ist. Einspritzdüsen der Injektoren öffnen mit Hilfe hydraulischer Verstärkung, wenn der Kraftstofffluss über das Ventil freigegeben wird. Sie spritzen den Kraftstoff direkt in die Brennräume des Motors ein.

Der Druck, mit dem Kraftstoff aus dem Düsenraum in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine austritt, wird als Einspritzdruck bezeichnet, während unter einem Systemdruck der Druck verstanden wird, unter dem Kraftstoff innerhalb der Kraftstoffeinspritzeinrichtung zur Verfügung steht bzw. bevorratet ist. Kraftstoffzumessung bedeutet, eine definierte Kraftstoffmenge zur Einspritzung bereitzustellen. Unter Leckage ist eine Menge an Kraftstoff zu verstehen, die beim Betrieb der Kraftstoffeinspritzeinrichtung entsteht (z. B. eine Führungsleckage), nicht zur Einspritzung verwendet und zum Kraftstofftank zurückgefördert wird. Das Druckniveau dieser Leckage kann einen Standdruck aufweisen, wobei der Kraftstoff anschließend auf das Druckniveau des Kraftstofftanks entspannt wird.

Zur Reduzierung der Emissionen und zur Erzielung hoher spezifischer Leistungen ist ein hoher Einspritzdruck erforderlich. Das erreichbare Druckniveau aus dem Druckspeicherraum ist begrenzt, so dass die Verwendung eines Druckverstärkers erforderlich ist. Eine derartige Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist durch die DE 199 10 970 A1 bekannt geworden.

Mit dieser Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist eine Einspritzung mit einem mittleren, nicht druckübersetzten ersten Systemdruck und eine Einspritzung mit einem übersetzten höheren zweiten Systemdruck möglich. Eine Umschaltung zwischen erstem und zweitem Systemdruck ist jederzeit möglich. Dadurch wird eine flexible Formung des Einspritzdruckverlaufes ermöglicht. Ebenso ist eine gute Zumessung kleiner Mengen gegeben.

Vorteile der Erfindung

Zur Minimierung des Druckniveaus im Steuerraum einer hubgesteuerten Kraftstoffeinspritzeinrichtung und zur Verbesserung der Hochdruckfestigkeit wird eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Patentanspruch 1 vorgeschlagen. Durch diese hydraulische Verschaltung und die Auslegung der Druckfläche des Steuerraums kann auch der niedere, nicht verstärkte Raildruck zur Ansteuerung der Düsennadel verwendet werden. Dies hat den Vorteil, dass das Druckniveau im Steuerraum stark abnimmt und sich dadurch keine Probleme mit der Hochdruckfestigkeit des Steuerraums ergeben. Weiterhin wird die Abdichtung des Steuerraumes erleichtert und ein größeres Führungsspiel am Druckkolben ermöglicht.

Durch die koaxiale Anordnung des Druckverstärkers um die Düsennadel und die Steuerstange herum wird eine sehr kompakte Bauform des Injektors erreicht. Dies ist für den Einbau in moderne Motoren zwingend erforderlich. Der Hochdruck zur Einspritzung wird bei dieser Bauform direkt an der Düsennadel erzeugt und muss nicht durch Bohrungen dorthin geleitet werden. Damit wird das Hochdruckvolumen auf ein Minimum reduziert. Dies erhöht den Wirkungsgrad der Kraftstoffeinspritzeinrichtung. Die Anzahl der unter Hochdruckbelastung stehenden Bauteile wird minimiert. Durch eine mehrteilige Gestaltung der Düsennadelsteuerung durch einen Kolben und eine Druckstange wird eine Doppelführung bzw. ein Verspannen des Kolbens vermieden und ein eventueller minimaler Versatz zwischen den geführten Bauteilen ausgeglichen.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist in der schematischen Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Hydraulikschaltplan der Kraftstoffeinspritzeinrichtung;

Fig. 2 einen Injektor der Kraftstoffeinspritzeinrichtung im Längsschnitt;

Fig. 3 eine Ausschnittsvergrößerung des Injektors nach Fig. 2;

Fig. 4 eine Ausschnittsvergrößerung des Injektors nach Fig. 2.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Bei einer in der Fig. 1 dargestellten hubgesteuerten Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1 fördert eine Kraftstoffpumpe 2 Kraftstoff aus einem Vorratstank 3 über eine Förderleitung 4 in einen zentralen Druckspeicherraum 5, von dem mehrere, der Anzahl einzelner Zylinder entsprechende Druckleitungen 6 zu den einzelnen, in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragenden Einspritzdüsen 7 abführen. In der Figur ist lediglich eine der Einspritzdüsen 7 näher dargestellt. Mit Hilfe der Kraftstoffpumpe 2 wird ein Systemdruck erzeugt und im Druckspeicherraum 5 mit einem ersten, mittleren Systemdruck gespeichert. Dieser erste Systemdruck wird zur Voreinspritzung und bei Bedarf und Nacheinspritzung (HC-Anreicherung zur Abgasnachbehandlung oder Rußreduktion) sowie zur Darstellung eines Einspritzverlaufs mit Plateau (Bootinjektion) verwendet. Zur Einspritzung von Kraftstoff mit einem zweiten höheren Systemdruck ist jeder Einspritzdüse 7 jeweils ein lokaler Druckverstärker 8 zugeordnet. Der Druckverstärker 8 ist über ein 2/2-Wege-Ventil 9 ansteuerbar. Eine Primärkammer 10 ist an die Druckleitung 6 angeschlossen, so dass ein Kolben 11 einenends druckbeaufschlagt ist. Ein Differenzraum 12 ist mittels einer Leckageleitung 13 bei geöffnetem Ventil 9 druckentlastet, so dass der Kolben 11 zur Verringerung des Volumens einer Druckkammer 14 verschoben werden kann. Der Kolben 11 wird in Kompressionsrichtung bewegt, so dass der in der Druckkammer 14 befindliche Kraftstoff verdichtet und einem Düsenraum 15 der Einspritzdüse 7 zugeführt wird. Ein Rückschlagventil 16 verhindert den Rückfluß von komprimierten Kraftstoff in den Druckspeicherraum 5. Ein Steuerraum 17 der Einspritzdüse 7 ist ebenfalls mit der Druckleitung 6 verbunden. Mittels eines geeigneten Flächenverhältnisses in der Primärkammer 10 und der Druckkammer 14 kann ein zweiter höherer Druck erzeugt werden.

Die Einspritzung erfolgt über eine hubgesteuerte Kraftstoffzumessung mit Hilfe einer in einer Führungsbohrung axial verschiebbaren Düsennadel 18 mit einer konischen Ventildichtfläche an ihrem einen Ende, mit der sie mit einer Ventilsitzfläche am Gehäuse der Einspritzdüse 7 zusammenwirkt. Innerhalb eines Düsenraums 15 ist eine in Öffnungsrichtung der Düsennadel 18 weisende Druckfläche 19 dem dort herrschenden Druck ausgesetzt, der über eine Druckleitung 20 dem Düsenraum 15 zugeführt wird. Koaxial zu einer Ventilfeder 21 greift ferner an der Düsennadel 18 ein Druckstück 22 an, das mit seiner der Ventildichtfläche abgewandten Stirnseite (Druckfläche 23) den Steuerraum 17 begrenzt. Der Steuerraum 17 hat vom Kraftstoffdruckanschluß her einen Zulauf mit einer ersten Drossel 24 und einen Ablauf zu einer Leckageleitung 25 mit einer zweiten Drossel 26, die durch ein 2/2-Wege-Ventil 27 gesteuert wird.

Durch eine entsprechende Auslegung der Druckfläche 23 zur Druckfläche 19 (Steuerraum 17/Düsenraum 15) kann auch der niedere, nicht übersetzte Raildruck zur Steuerung der Düsennadel 18 verwendet werden.

Über den Druck im Steuerraum 17 wird das Druckstück 22 in Schließrichtung druckbeaufschlagt. Unter dem ersten oder zweiten Systemdruck stehender Kraftstoff füllt ständig den Düsenraum 15. Unter dem ersten Systemdruck stehender Kraftstoff füllt den Steueraum 17 bei geschlossenem Ventil 27. Bei Aktivierung (Öffnen) des 2/2-Wege-Ventils 27 kann der Druck im Steuerraum 17 abgebaut werden, so dass in der Folge die in Öffnungsrichtung auf die Düsennadel 18 wirkende Druckkraft im Düsenraum 19 den in Schließrichtung auf das Ventilglied 18 wirkende Druckkraft übersteigt. Die Ventildichtfläche hebt von der Ventilsitzfläche ab und Kraftstoff wird eingespritzt. Dabei läßt sich der Druckentlastungsvorgang des Steuerraums 17 und somit die Hubsteuerung der Düsennadel 18 über die Dimensionierung der Drossel 24 und der Drossel 26 beeinflussen.

Das Ende der Einspritzung wird durch Deaktivierung (Schließen) des 2/2-Wege- Ventils 27 eingeleitet, wodurch der Steuerraum 17 wieder von der Leckageleitung 25 abgekoppelt wird, so dass sich im Steuerraum 17 wieder ein Druck aufbaut, der das Druckstück 22 in Schließrichtung bewegen kann.

Der Druckverstärker wird durch Schließen von Ventil 9 deaktiviert. Bei geschlossenem Ventil 9 baut sich im Differenzraum 12 über eine Drossel der erste Systemdruck auf. Dadurch ist der Kolben 11 druckausgeglichen und es findet keine Druckverstärkung statt. Der Kolben 11 wird durch Federkraft in seinen Ausgangslage zurückgefahren. Zur Beschleunigung des Rückstellens kann ein Füllventil vorgesehen werden, das nach erfolgtem Druckaufbau im Differenzraum 12 einen größeren Strömungsquerschnitt zwischen Primärkammer 10 und Differenzraum 12 freigibt.

Die Ventileinheiten können z. B. von Elektromagneten oder Piezoaktoren zum Öffnen oder Schließen bzw. Umschalten betätigt werden. Die Aktoren werden von einem Steuergerät angesteuert, das verschiedene Betriebsparameter (Motordrehzahl, . . .) der zu versorgenden Brennkraftmaschine überwachen und verarbeiten kann.

Aus der Fig. 2 ist der Aufbau des Injektors 7 mit einem Hochdruckanschluss 28 ersichtlich. Der Druckverstärker umfasst den Stufenkolben 11, an dem die Primärkammer 10, der Differenzraum 12 und die Druckkammer 14 ausgebildet sind. Der Stufenkolben 11 ist axial verschiebbar und koaxial zur Düsennadel 18 und der Steuerstange (Druckstück) 22 angeordnet. Die Steuerung der Düsennadel 18 erfolgt über den Kolben 33 und die Steuerstange 22. Die Primärkammer 10 ist mit dem Hochdruckanschluss 28 verbunden. Die Druckkammer 14 wird über das Rückschlagventil 16 mit Kraftstoff aus dem Druckspeicherraum gefüllt. Der Differenzraum 12 ist über eine Drossel 30 mit dem Druckspeicherraum verbunden und über eine Bohrung 31 und das Ventil 9 mit dem Rücklauf verbindbar. Im Ruhezustand verschließt das Ventil 9 die Bohrung 31. Im Ausgangszustand sind damit alle an dem Stufenkolben 11 angrenzenden Räume oder Kammern mit Raildruck beaufschlagt. Der Stufenkolben 11 ist druckausgeglichen. Es findet keine Druckverstärkung statt. Der Stufenkolben 11 wird durch eine Rückstellfeder 32 in seine obere Ausgangslage zurückgestellt.

Die Düsennadel 18 wird über die Steuerstange 22 und einen Kolben 33 mit der Druckkraft aus dem Steuerraum 17 beaufschlagt, so dass die Einspritzöffnung geschlossen wird. Einerseits erfolgt der Anschluss des Steuerraums 17 an die Druckleitung über die Zulaufdrossel 24. Andererseits ist der Steuerraum 17 über die Ablaufdrossel 26 und das Ventil 27 mit dem Rücklauf verbindbar. Die Steuerstange 22 ist in einer Innenbohrung 34 des Stufenkolbens 11 angeordnet. Eine Dichtung 35 schließt die Druckkammer 14 gegenüber dem Stufenkolben 11 und der Düsennadel 18 ab, so dass der in der Druckkammer 14 anstehende Druck nicht in die Innenbohrung 34 gelangen kann (siehe auch Fig. 4). Die Dichtung weist dazu eine Führung gegenüber der Düsennadel 18 auf und eine Dichtfläche gegenüber dem Stufenkolben 11. Die Dichtkraft der Dichtung 35 wird durch eine Feder 36 und eine hydraulische Druckkraft aus einer Druckfläche in der Druckkammer 14 auf den Stufenkolben 11 gedrückt. Zur Verbesserung der Dichtwirkung kann die axiale Dichtfläche eine angeformte Dichtkante aufweisen. Eine weitere Dichtung 37 schließt die Primärkammer 10 und einen Arbeitsraum 38 des Kolbens 33 (siehe Fig. 3).

Im Ruhezustand sind die Ventile 9 und 27 geschlossen. Die Öffnung der Einspritzdüse ist ebenfalls geschlossen und es findet keine Einspritzung statt. Der Stufenkolben ist druckausgeglichen, so dass auch keine Druckverstärkung stattfindet. Die Einspritzung wird durch die hydraulisch gesteuerte Düsennadel 18 bewirkt, die durch den Druck im Steuerraum 17 in der Schließstellung gehalten wird. Wird das Ventil 27 aktiviert und die Drossel 26 mit dem Rücklauf verbunden, dann fällt der Druck im Steuerraum 17 ab und die Düsennadel 18 gibt die Öffnung frei. Wenn das Ventil 27 deaktiviert und damit geschlossen wird, baut sich im Steuerraum 17 wieder Raildruck auf und die Düsennadel 18 schließt die Öffnung.

Die Druckverstärkung wird durch das Ventil 9 gesteuert. Zum Aktivieren der Druckverstärkung öffnet das Ventil 9 und verbindet den Differenzraum 12 (Druckverstärker-Steuerraum) mit dem Rücklauf. Daher fällt der Druck im Differenzraum 12 stark ab. Der Stufenkolben 11 ist nun nicht mehr druckausgeglichen und es erfolgt eine Kompression von Kraftstoff in der Druckkammer 14. Zum Deaktivieren der Druckverstärkung wird das Ventil 9 geschlossen und die Verbindung vom Differenzraum 12 zum Rücklauf ist unterbrochen. Dann baut sich im Differenzraum 12 wieder Raildruck auf und die Druckverstärkung wird beendet.

BEZUGSZEICHEN

1

Kraftstoffeinspritzeinrichtung

2

Kraftstoffpumpe

3

Vorratstank

4

Förderleitung

5

Druckspeicherraum

6

Druckleitung

7

Einspritzdüse

8

Druckverstärker

9

2/2-Wege-Ventil

10

Primärkammer

11

Kolben

12

Differenzraum

13

Leckageleitung

14

Druckkammer

15

Düsenraum

16

Rückschlagventil

17

Steuerraum

18

Düsennadel

19

Druckfläche

20

Druckleitung

21

Ventilfeder

22

Druckstück

23

Druckfläche

24

Drossel

25

Leckageleitung

26

Drossel

27

2/2-Wege-Ventil

28

Hochdruckanschluss

30

Drossel

31

Bohrung

32

Rückstellfeder

33

Kolben

34

Innenbohrung

35

Dichtung

36

Rückstellfeder

38

Arbeitsraum

Claims (12)

1. Hubgesteuerte Kraftstoffeinspritzeinrichtung (1) mit einem ersten Systemdruck und einem durch einen Druckverstärker (8) erzeugten höheren zweiten Systemdruck und mit einer einen Düsenraum (15) und einen Steuerraum (17) aufweisenden Einspritzdüse (7), wobei zur Einspritzung sowohl der erste als auch der zweite Systemdruck verwendet werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass zur Hubsteuerung der Düsennadel der Steuerraum (17) mit Kraftstoff des nicht verstärkten ersten Systemdruckes beaufschlagt wird.

2. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aktivierung des Druckverstärkers (8) der Differenzraum (12) entlastet wird.

3. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzraum (12) durch ein 2/2-Wege-Ventil entlastet wird.

4. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kolben (11) eines Injektors der Kraftstoffeinspritzeinrichtung über ein hydraulisch vorgesteuertes Ventil (9) betätigt wird.

5. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile (9) und (27) von Elektromagneten oder Piezoaktoren zum Öffnen und Schließen betätigt werden.

6. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverstärker (11) koaxial zur Düsennadel (18) und einer Steuerstange (22) angeordnet ist.

7. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Düsenadel (18) über mehrere Elemente z. B. einen Kolben (33) und eine im Kolben (11) geführte Steuerstange (22) erfolgt.

8. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerstange (22) durch den Kolben (11) hindurchragt.

9. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf der Düsennadel (18) axial bewegliche Dichtung (35) den in der Druckkammer (14) anstehenden Druck gegen die Innenbohrung (34) des Kolbens (11) abdichtet.

10. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf der Steuerstange (22) axial beweglich angeordnete Dichtung den Druck in der Primärkammer (10) gegen den Arbeitsraum (38) abdichtet.

11. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (35) radial über eine Führung und axial über eine axiale Anpressung einer Dichtfläche abdichtet, wobei hydraulische Mittel oder Federn zur Erzeugung der benötigten hydraulischen Dichtkraft vorgesehen sind..

12. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Dichtfläche zur Verbesserung der Dichtwirkung eine angeformte Dichtkante besitzt.