Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer
Kraftstoffeinspritzeinrichtung für eine Brennkraftmaschine
nach der Gattung des Anspruchs 1.
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Eine solche Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist durch die
EP 0 987 431 A2 bekannt. Diese
Kraftstoffeinspritzeinrichtung weist eine
Kraftstoffhochdruckpumpe und ein mit dieser verbundenes
Kraftstoffeinspritzventil für jeden Zylinder der
Brennkraftmaschine auf. Die Kraftstoffhochdruckpumpe weist
einen durch die Brennkraftmaschine in einer Hubbewegung
angetriebenen Pumpenkolben auf, der einen Pumpenarbeitsraum
begrenzt. Das Kraftstoffeinspritzventil weist einen mit dem
Pumpenarbeitsraum verbundenen Druckraum und ein
Einspritzventilglied auf, durch das wenigstens eine
Einspritzöffnung gesteuert wird und das durch den im
Druckraum herrschenden Druck beaufschlagt gegen eine
Schließkraft in Öffnungsrichtung zur Freigabe der wenigstens
einen Einspritzöffnung bewegbar ist. Es ist ein erstes
elektrisch betätigtes Steuerventil vorgesehen, durch das
eine Verbindung des Pumpenarbeitsraums mit einem
Entlastungsraum gesteuert wird. Es ist außerdem ein zweites
elektrisch betätigtes Steuerventil vorgesehen, durch das
eine Verbindung eines Steuerdruckraums mit einem
Entlastungsraum gesteuert wird. Der Steuerdruckraum ist über
eine Drosselstelle mit dem Pumpenarbeitsraum verbunden. Der
Steuerdruckraum ist durch einen Steuerkolben begrenzt, der
sich am Einspritzventilglied in dessen Schließrichtung
abstützt und der durch den im Steuerdruckraum herrschenden
Druck in Schließrichtung des Einspritzventilglieds
beaufschlagt ist. Zu einer Kraftstoffeinspritzung wird das
erste Steuerventil geschlossen und das zweite Steuerventil
geöffnet, so daß sich im Steuerdruckraum kein Hochdruck
aufbauen kann und das Kraftstoffeinspritzventil öffnen kann.
Bei geöffnetem zweitem Steuerventil fließt jedoch aus dem
Pumpenarbeitsraum über den Steuerdruckraum Kraftstoff ab, so
daß die für die Einspritzung zur Verfügung stehende
Kraftstoffmenge der durch den Pumpenkolben geförderten
Kraftstoffmenge verringert wird und außerdem der für die
Einspritzung zur Verfügung stehende Druck verringert wird.
Hieraus folgt, daß der Wirkungsgrad der
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nicht optimal ist und der
Verlauf der Kraftstoffeinspritzung nicht in gewünschter
Weise eingestellt werden kann.
Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit den
Merkmalen gemäß Anspruch 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß
bei zur Kraftstoffeinspritzung geöffnetem zweitem
Steuerventil und somit geöffnetem Kraftstoffeinspritzventil
nur ein geringer Durchflußquerschnitt vom Steuerdruckraum
zum Entlastungsraum freigegeben wird und somit nur eine
geringe Kraftstoffmenge abströmt, wodurch der für die
Einspritzung zur Verfügung stehende Druck und der
Wirkungsgrad der Kraftstoffeinspritzeinrichtung erhöht ist.
Zum Beginn bzw. zur Beendigung der Kraftstoffeinspritzung
wird außerdem ein schnelles Öffnen bzw. Schließen des
Kraftstoffeinspritzventils erreicht, was durch einen infolge
des durch den Steuerkolben gesteuerten veränderlichen
Durchflußquerschnitts auftretenden schnellen Druckabbau bzw.
Druckaufbau im Steuerdruckraum beim Öffnen bzw. Schließen
des zweiten Steuerventils ermöglicht wird.
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In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen
Kraftstoffeinspritzeinrichtung angegeben. Die Ausbildung
gemäß Anspruch 2 ermöglicht auf einfache Weise die Steuerung
des Durchflußquerschnitts.
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Zeichnung
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine
Kraftstoffeinspritzeinrichtung für eine Brennkraftmaschine
in einem Längsschnitt in vereinfachter Darstellung, Fig. 2
einen in Fig. 1 mit II bezeichneten Ausschnitt in
vergrößerter Darstellung mit einem Steuerkolben in einer
ersten Hubstellung und Fig. 3 den Ausschnitt II mit dem
Steuerkolben in einer zweiten Hubstellung.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In den Fig. 1 bis 3 ist eine
Kraftstoffeinspritzeinrichtung für eine Brennkraftmaschine
eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Die Brennkraftmaschine ist
vorzugsweise eine selbstzündende Brennkraftmaschine. Die
Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist vorzugsweise als
sogenannte Pumpe-Düse-Einheit ausgebildet und weist für
jeden Zylinder der Brennkraftmaschine jeweils eine
Kraftstoffhochdruckpumpe 10 und ein mit dieser verbundenes
Kraftstoffeinspritzventil 12 auf, die eine gemeinsame
Baueinheit bilden. Alternativ kann die
Kraftstoffeinspritzeinrichtung auch als sogenanntes Pumpe-
Leitung-Düse-System ausgebildet sein, bei dem die
Kraftstoffhochdruckpumpe und das Kraftstoffeinspritzventil
jedes Zylinders getrennt voneinander angeordnet und über
eine Leitung miteinander verbunden sind. Die
Kraftstoffhochdruckpumpe 10 weist einen Pumpenkörper 14 mit
einer Zylinderbohrung 16 auf, in der ein Pumpenkolben 18
dicht geführt ist, der zumindest mittelbar durch einen
Nocken 20 einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine entgegen
der Kraft einer Rückstellfeder 19 in einer Hubbewegung
angetrieben wird. Der Pumpenkolben 18 begrenzt in der
Zylinderbohrung 16 einen Pumpenarbeitsraum 22, in dem beim
Förderhub des Pumpenkolbens 18 Kraftstoff unter Hochdruck
verdichtet wird. Dem Pumpenarbeitsraum 22 wird Kraftstoff
aus einem Kraftstoffvorratsbehälter 24 des Kraftfahrzeugs
zugeführt.
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Das Kraftstoffeinspritzventil 12 weist einen mit dem
Pumpenkörper 14 verbundenen Ventilkörper 26 auf, der
mehrteilig ausgebildet sein kann, und in dem ein
Einspritzventilglied 28 in einer Bohrung 30
längsverschiebbar geführt ist. Der Ventilkörper 26 weist an
seinem dem Brennraum des Zylinders der Brennkraftmaschine
zugewandten Endbereich wenigstens eine, vorzugsweise mehrere
Einspritzöffnungen 32 auf. Das Einspritzventilglied 28 weist
an seinem dem Brennraum zugewandten Endbereich eine
beispielsweise etwa kegelförmige Dichtfläche 34 auf, die mit
einem im Ventilkörper 26 in dessen dem Brennraum zugewandtem
Endbereich ausgebildeten Ventilsitz 36 zusammenwirkt, von
dem oder nach dem die Einspritzöffnungen 32 abführen. Im
Ventilkörper 26 ist zwischen dem Einspritzventilglied 28 und
der Bohrung 30 zum Ventilsitz 36 hin ein Ringraum 38
vorhanden, der in seinem dem Ventilsitz 36 abgewandten
Endbereich durch eine radiale Erweiterung der Bohrung 30 in
einen das Einspritzventilglied 28 umgebenden Druckraum 40
übergeht. Das Einspritzventilglied 28 weist auf Höhe des
Druckraums 40 durch eine Querschnittsverringerung eine
Druckschulter 42 auf.
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Am dem Brennraum abgewandten Ende des Einspritzventilglieds
28 greift wie in Fig. 1 dargestellt beispielsweise über
eine Hülse 48 eine vorgespannte Schließfeder 44 an, durch
die das Einspritzventilglied 28 in seiner Schließrichtung
zum Ventilsitz 36 hin gedrückt wird. Die Schließfeder 44 ist
in einem Federraum 46 eines Gehäuseteils 50 angeordnet, das
sich an den Ventilkörper 26 anschließt. Der Federraum 46 ist
durch eine zur Bohrung 30 im Ventilkörper 26 koaxiale
Bohrung im Gehäuseteil 50 gebildet.
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An die den Federraum 46 bildende Bohrung schließt sich gemäß
Fig. 1 an dessen der Bohrung 30 abgewandtem Ende im
Gehäuseteil 50 eine weitere koaxiale Bohrung 52 mit
beispielsweise kleinerem Durchmesser als dem Durchmesser des
Federraums 46 an, in der ein Steuerkolben 60 dicht geführt
ist, der sich auf dem Einspritzventilglied 28 abstützt. In
der Bohrung 52 ist in deren dem Federraum 46 abgewandtem
Endbereich durch den Steuerkolben 60 ein Steuerdruckraum 62
begrenzt. Der Steuerkolben 60 stützt sich über eine
gegenüber diesem im Durchmesser kleinere Kolbenstange 61 am
Einspritzventilglied 28 ab. Das dem Einspritzventilglied 28
zugewandte Ende der Kolbenstange 61 ragt von deren einem
Ende in die Hülse 48 hinein und kann in dieser zusätzlich
geführt werden. Vom anderen Ende der Hülse 48 her ragt in
diese das Ende des im Durchmesser gegenüber der Kolbenstange
61 größeren Einspritzventilglieds 28 hinein. Zwischen der
Kolbenstange 61 und dem Einspritzventilglied 28 kann
innerhalb der Hülse 48 eine Ausgleichsscheibe 49 angeordnet
sein, die eine exakte Einstellung der Länge des aus dem
Einspritzventilglied 28 und dem Steuerkolben 60 bestehenden
Verbundes zu ermöglichen, indem eine Scheibe 49 mit der
erforderlichen Dicke verwendet wird. Die Schließfeder 44umgibt die Kolbenstange 61 und stützt sich einerseits an der
Hülse 48, und somit mittelbar am Einspritzventilglied 28,
und andererseits an einem am Übergang von der
Federraumbohrung 46 zu der im Durchmesser kleineren
Steuerdruckraumbohrung 62 gebildeten Ringschulter
anliegenden Federteller 64 ab.
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Zwischen dem Gehäuseteil 50 und dem Pumpenkörper 14 ist eine
Zwischenscheibe 54 angeordnet. Vom Pumpenarbeitsraum 22
führt durch den Pumpenkörper 14, die Zwischenscheibe 54, das
Gehäuseteil 50 und den Ventilkörper 26 ein Kanal 70 zum
Druckraum 40 des Kraftstoffeinspritzventils 12. Vom
Pumpenarbeitsraum 22 führt durch die Zwischenscheibe 54 und
das Gehäuseteil 50 ein Kanal 72 zum Steuerdruckraum 62. Im
Kanal 72 ist im Gehäuseteil 50 eine erste Drosselstelle in
Form einer Drosselbohrung 73 angeordnet. In den
Steuerdruckraum 62 mündet außerdem ein Kanal 74, der eine
Verbindung zu einem Entlastungsraum bildet, als der
zumindest mittelbar der Kraftstoffvorratsbehälter 24 oder
ein anderer Bereich dienen kann, in dem ein geringer Druck
herrscht. Vom Pumpenarbeitsraum 22 oder vom Kanal 70 führt
eine Verbindung 76 zu einem Entlastungsraum 24 ab, die durch
ein erstes elektrisch betätigtes Steuerventil 78 gesteuert
wird. Das Steuerventil 78 kann wie in Fig. 1 dargestellt
als 2/2-Wegeventil ausgebildet sein. Die Verbindung 74 des
Steuerdruckraums 62 mit dem Entlastungsraum 24 wird durch
ein zweites elektrisch betätigtes Steuerventil 80 gesteuert,
das als 2/2-Wegeventil ausgebildet sein kann. Die
Steuerventile 78, 80 können einen elektromagnetischen Aktor
oder einen Piezoaktor aufweisen und werden durch eine
elektronische Steuereinrichtung 82 angesteuert.
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Wie in den Fig. 1 bis 3 dargestellt weist die Bohrung 52
in ihrem Endbereich zur Bildung des Steuerdruckraums 62 eine
radiale Erweiterung auf. Der Kanal 72 mündet in den
Steuerdruckraum 62 in einem Randbereich versetzt zur
Längsachse 59 des Steuerkolbens 60. Der Kanal 74 mündet
vorzugsweise in den Steuerdruckraum 62 koaxial zur
Längsachse 59 des Steuerkolbens 60 und im Kanal 74 ist eine
zweite Drosselstelle in Form einer Drosselbohrung 75
angeordnet. Die Drosselbohrung 75 ist mit Abstand von der
Mündung des Kanals 74 in den Steuerdruckraum 62 im
Gehäuseteil 50 angeordnet. Die Mündung 56 des Kanals 74 in
den Steuerdruckraum 62 ist derart ausgebildet, daß sich der
Querschnitt des Kanals 74 zum Steuerdruckraum 62 hin
vergrößert, wobei die Mündung 56 beispielsweise sich
kegelförmig erweiternd ausgebildet sein kann. Der
Steuerkolben 60 weist an seinem dem Einspritzventilglied 28
abgewandten Ende einen zu seiner Längsachse 59 koaxial
angeordneten, zum Kanal 74 hin abstehenden Zapfen 66 auf,
der im Querschnitt der Mündung 56 angepasst, beispielsweise
gegenüber dem in der Bohrung 52 geführten Bereich des
Steuerkolbens 60 kleiner ist. Der Zapfen 66 ist derart
ausgebildet, daß er sich zum Kanal 74 hin verjüngt, wobei
der Zapfen 66 beispielsweise sich kegelförmig verjüngend
ausgebildet sein kann.
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Der Steuerkolben 60 wirkt mit seinem Zapfen 66 mit der
Mündung 56 des Kanals 74 zur Steuerung eines
Durchflußquerschnitts aus dem Steuerdruckraum 62 in den
Kanal 74 und durch diesen bei geöffnetem zweitem
Steuerventil 80 zum Entlastungsraum 24 zusammen. Wenn der
Steuerkolben 60 sich gemäß Fig. 2 in einer Hubstellung
befindet, in der er mit seinem Zapfen 66 in großem Abstand
von der Mündung 56 des Kanals 74 angeordnet ist, so wird
zwischen dem Zapfen 66 und der Mündung 56 ein großer
Durchflußquerschnitt aus dem Steuerdruckraum 62 in den Kanal
74 freigegeben. Den kleinsten Durchflußquerschnitt für das
Abströmen von Kraftstoff aus dem Steuerdruckraum 62 stellt
dabei die Drosselbohrung 75 im Gehäuseteil 50 dar, die einen
definierten festen Durchflußquerschnitt aufweist. In dieser
Hubstellung befindet sich der Steuerkolben 60 wenn das
Kraftstoffeinspritzventil 12 geschlossen ist und dessen
Einspritzventilglied 28 mit seiner Dichtfläche 34 am
Ventilsitz 36 anliegt. Wenn der Steuerkolben 60 sich in
einer Hubbewegung mit seinem Zapfen 66 auf die Mündung 56
des Kanals 74 zubewegt, so wird der freigegebene
Durchflußquerschnitt geringer. Wenn der Steuerkolben 60
gemäß Fig. 3 mit seinem Zapfen 66 nur mit geringem Abstand
zur Mündung 56 des Kanals 74 angeordnet ist, so wird nur
noch ein Durchflußquerschnitt freigegeben, der geringer ist
als der Durchflußquerschnitt der Drosselstelle 75, so daß
der Durchflußquerschnitt zwischen Zapfen 66 und Mündung 56
die eigentliche Drossselstelle für aus dem Steuerdruckraum
62 abströmenden Kraftstoff darstellt. In dieser Hubstellung
befindet sich der Steuerkolben 60 wenn das
Kraftstoffeinspritzventil 12 geöffnet ist und dessen
Einspritzventilglied 28 mit seiner Dichtfläche 34 vom
Ventilsitz 36 abgehoben ist.
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Nachfolgend wird die Funktion der
Kraftstoffeinspritzeinrichtung erläutert. Beim Saughub des
Pumpenkolbens 18 wird diesem Kraftstoff aus dem
Kraftstoffvorratsbehälter 24 zugeführt. Beim Förderhub des
Pumpenkolbens 18 beginnt die Kraftstoffeinspritzung mit
einer Voreinspritzung, wobei das erste Steuerventil 78 durch
die Steuereinrichtung 82 geschlossen wird, so daß der
Pumpenarbeitsraum 22 vom Entlastungsraum 24 getrennt ist.
Das zweite Steuerventil 80 kann zunächst geschlossen sein,
so daß der Steuerdruckraum 62 vom Entlastungsraum 24
getrennt ist und in diesem derselbe Druck wie im
Pumpenarbeitsraum 22 herrscht, so daß keine
Kraftstoffeinspritzung ergolen kann. Zum Beginn der
Kraftstoffeinspritzung wird durch die Steuereinrichtung 72
das zweite Steuerventil 80 dann geöffnet, so daß der
Steuerdruckraum 62 mit dem Entlastungsraum 24 verbunden ist.
In diesem Fall kann sich im Steuerdruckraum 62 kein
Hochdruck aufbauen, da dieser zum Entlastungsraum 24 hin
entlastet ist. Wenn der Druck im Pumpenarbeitsraum 22 und
damit im Druckraum 40 des Kraftstoffeinspritzventils 12 so
groß ist, daß die durch diesen über die Druckschulter 42 auf
das Einspritzventilglied 28 ausgeübte Druckkraft größer ist
als die Summe der Kraft der Schließfeder 44 und der auf den
Steuerkolben 60 durch den im Steuerdruckraum 62 wirkenden
Restdruck wirkenden Druckkraft, so bewegt sich das
Einspritzventilglied 28 in Öffnungsrichtung 29 und gibt die
wenigstens eine Einspritzöffnung 32 frei. Der Steuerkolben
60 nimmt dabei seine Hubstellung gemäß Fig. 2 ein, in der
zwischen dessen Zapfen 66 und der Mündung 56 des Kanals 74
nur ein geringer Durchflußquerschnitt freigegeben ist, so
daß eine Drosselstelle mit geringerem Durchflußquerschnitt
als dem der Drosselbohrung 75 gebildet ist. Von dem durch
den Pumpenkolben 18 geförderten Kraftstoff kann somit nur
eine geringe Teilmenge über die Drosselstelle zwischen dem
Zapfen 66 und der Mündung 56 durch den Kanal 74 und das
geöffnete zweite Steuerventil 80 in den Entlastungsraum 24
abströmen.
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Zur Beendigung der Voreinspritzung wird durch die
Steuereinrichtung das zweite Steuerventil 80 geschlossen, so
daß der Steuerdruckraum 62 vom Entlastungsraum 24 getrennt
ist. Das erste Steuerventil 78 bleibt in seiner
geschlossenen Stellung. Im Steuerdruckraum 62 baut sich
dabei Hochdruck wie im Pumpenarbeitsraum 22 auf, so daß auf
den Steuerkolben 60 eine große Druckkraft in Schließrichtung
wirkt und das Einspritzventilglied 28 in seine
Schließstellung bewegt wird. Der Steuerkolben 60 nimmt dann
seine Hubstellung gemäß Fig. 3 ein.
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Für eine nachfolgende Haupteinspritzung wird das zweite
Steuerventil 80 durch die Steuereinrichtung 82 geöffnet. Das
Kraftstoffeinspritzventil 12 öffnet dann infolge der
reduzierten Druckkraft auf den Steuerkolben 60 und das
Einspritzventilglied 28 bewegt sich über seinen maximalen
Öffnungshub in seine Öffnungsstellung. Bei der
Öffnungsbewegung des Einspritzventilglieds 28 ist zunächst
der Durchflußquerschnitt der Drosselbohrung 75 als kleinster
Durchflußquerschnitt wirksam, da zwischen dem Zapfen 66 des
steuerkolbens 60 und der Mündung 56 des Kanals 74 ein großer
Durchflußquerschnitt freigegeben ist. Hierdurch wird ein
schnelles Öffnen des Kraftstoffeinspritzventils 12
ermöglicht, da die Drosselbohrung 75 mit relativ großem
Durchflußquerschnitt ausgebildet sein kann. Wenn das
Kraftstoffeinspritzventil 12 ganz geöffnet ist, so ist der
Zapfen 66 des Steuerkolbens 60 mit geringem Abstand von der
Mündung 56 des Kanals 74 angeordnet, so daß nur noch ein
geringer Durchflußquerschnitt freigegeben ist, der geringer
ist als der Durchflußquerschnitt der Drosselbohrung 75. Der
Steuerkolben 60 bleibt in einem Gleichgewichtszustand mit
seinem Zapfen 66 im Abstand von der Mündung 56 des Kanals
74, da bei an der Mündung 56 zur Anlage kommendem Zapfen 66
der Steuerdruckraum 62 ganz vom Entlastungsraum 24 getrennt
wäre, so daß der Druck im Steuerdruckraum 62 ansteigen
würde, was wiederum zur Folge hätte, daß sich das
Einspritzventilglied 28 in Schließrichtung bewegen würde und
sich der Steuerkolben 60 mit seinem Zapfen 66 von der
Mündung 56 entfernen würde. Hierdurch würde wieder ein
größerer Durchflußquerschnitt freigegeben, so daß der Druck
im Steuerdruckraum 62 wieder abnehmen würde und das
Einspritzventilglied 28 sich in Öffnungsrichtung 29 bewegen
würde, so daß der Abstand zwischen Zapfen 66 und Mündung 56
und damit der Durchflußquerschnitt wieder kleiner würde. Der
Zapfen 66 des Steuerkolbens 60 und die Mündung 56 des Kanals
74 bilden einen hydraulischen Anschlag für den Steuerkolben
60 und das Einspritzventilglied 28.
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Zur Beendigung der Haupteinspritzung wird das zweite
Steuerventil 80 durch die Steuereinrichtung 82 in seine
geschlossene Schaltstellung gebracht, so daß der
Steuerdruckraum 62 vom Entlastungsraum 24 getrennt ist und
sich in diesem Hochdruck aufbaut und über die auf den
Steuerkolben 60 wirkende Kraft das Kraftstoffeinspritzventil
12 geschlossen wird. Bei der Schließbewegung des
Einspritzventilglieds 28 wird durch den Steuerkolben 60 ein
großer Durchflußquerschnitt zwischen dessen Zapfen 66 und
der Mündung 56 freigegeben, so daß der Druck im
Steuerdruckraum 62 schnell ansteigt und auf den Steuerkolben
60 eine hohe Druckkraft wirkt, so daß das
Kraftstoffeinspritzventil 12 schnell schließt. Für eine
Nacheinspritzung von Kraftstoff wird das zweite Steuerventil
80 durch die Steuereinrichtung 82 nochmals geöffnet, so daß
infolge des verringerten Drucks im Steuerdruckraum 62 das
Kraftstoffeinspritzventil 12 öffnet. Zur Beendigung der
Nacheinspritzung wird das zweite Steuerventil 80 geschlossen
und/oder das erste Steuerventil 78 geöffnet.