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Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung,
mit einer als Hubkolbenpumpe ausgebildeten Kraftstoffpumpe, die
zum Einspritzen in den Brennraum einer Brennkraftmaschine Kraftstoff
zu einem Injektor fördert.
Zur Steuerung von Beginn und Ende einer Einspritzung wird ein Querschnitt
der Düsennadel
mit dem von der Kraftstoffpumpe gelieferten Kraftstoff beaufschlagt,
der eine Öffnungskraft
an der Düsennadel
in Öffnungsrichtung
bewirkt. Entsprechend der Fördercharakteristik
der Hubkolbenpumpe steigt der Kraftstoffdruck bis zum Erreichen eines
Höchstdrucks
an, um dann wieder abzufallen. Bei derartigen herkömmlichen
Einspritzsystemen erfolgt eine Einspritzung häufig in niedrigen Druckbereichen
im Druckanstieg und im Druckabfall, die keine optimale Zerstäubung des
eingespritzten Kraftstoffs zulassen.
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Aus der
US 4,403,585 geht ein Kraftstoffeinspritzsystem
mit einem Einspritzventil als bekannt hervor, bei welchem der Öffnungsdruck
des Einspritzventils in Abhängigkeit
von verschiedenen Motorparametern eingestellt werden kann, wie beispielsweise
der Motordrehzahl, Kühlmitteltemperatur oder
der Steuerstangenstellung. Die jeweils optimalen Öffnungsdrücke sind
in einem Speicher abgelegt. Um den Einspritzbeginn zu variieren,
wird die Düsennadelzuhaltekraft
durch hydraulische Beaufschlagung eines auf die Ventilschließfeder wirkenden
Kolbens variiert.
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Im Weiteren ist es beispielsweise
aus der
DE 25 00 644
C2 bekannt, dass Kraftstoffeinspritzventile in Folge der
unter schiedlichen Beaufschlagungsquerschnitte für den Kraftstoff in geschlossenem
und geöffnetem
Zustand eine Differenz zwischen Öffnungs-
und Schließdruck
aufweisen. Für
den Öffnungsvorgang
ist der außerhalb
des Düsennadelsitzes
liegende Ringquerschnitt, für
den Schließvorgang
jedoch der gesamte Querschnitt der Düsennadel maßgebend, was der Grund dafür ist, dass
der Schließdruck
stets unter dem Öffnungsdruck
liegt. Für
den Verbrennungsablauf ist dieser Effekt unerwünscht, da der Kraftstoff im
Einspritzbereich nach Erreichen des Spitzendrucks mit abfallendem
Druck immer schlechter zerstäubt
wird. Deshalb wird der Schließdruck über den
durch die Nadelgeometrie bestimmten Wert angehoben, indem die Düsennadel nach
Einspritzbeginn mit einer zusätzlichen
Schließkraft
beaufschlagt wird. Hierzu dient ein Ventil, das einen Steuerraum über eine
Drossel mit der Einspritzleitung verbindet. Im Steuerraum wird ein
auf die Düsennadel
wirkender Kolben druckbeaufschlagt. Nach dem Schließen der
Düsennadel
wird der Druck im Steuerraum über
eine Drosselstelle abgebaut, die mit einer Kraftstoffleckleitung
in Verbindung steht.
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Der im Patentanspruch 1 angegebenen
Erfindung liegt das Problem zu Grunde, eine konventionelle Kraftstoffeinspritzeinrichtung
derart zu verbessern, dass der Einspritzverlauf über dem gesamten Bereich optimiert
ist.
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Dieses Problem wird durch die im
Patentanspruch aufgeführten
Merkmale dadurch gelöst,
dass nicht nur die in Schließrichtung
gerichtete Kraft vor Beginn einer Einspritzung (Öffnungsdruck) in Abhängigkeit
von Motorbetriebsparametern variabel einstellbar ist, sondern auch
die auf die Düsennadel
in Schließrichtung
wirkende Kraft nach Beginn einer Einspritzung (Schließdruck)
veränderbar
ist. Vorteil ist, dass dadurch der Düsennadelhub in Abhängigkeit
beliebiger Motorbetriebsparameter so beeinflusst werden kann, dass
Einspritzbereiche mit schlechter Zerstäubung im Druckanstieg, aber
auch im Druckabfall vermieden oder zumindest reduziert werden. Die
Einspritzung ist in jedem Motorbetriebspunkt optimal, da die Düsennadelöffnungskraft
und die Düsennadelschließkraft optimal
eingestellt werden können.
Außerdem
kann bei geeignetem Zusammenspiel zwischen Öffnungskraft und Zudrückkraft
auf die Düsennadel
die Einspritzung so beeinflusst werden, dass eine Vor-, Haupt- und
eventuell sogar Nacheinspritzung möglich ist.
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Gemäß besonders zweckmäßiger Ausgestaltungen
werden die Zuhaltekräfte
durch pneumatischen oder hydraulischen Druck aus einer oder mehreren
Druckquellen erzeugt, wobei der Druck unmittelbar auf die Düsennadelrückseite,
auf einen Kolben, der auf die Düsennadelrückseite
drückt,
oder auf einen Kolben, der die Schließfedervorspannung verändert, wirkt,
wobei auch Kombinationen von diesen Kolbenanordnungen geeignet sind.
Ferner ist es möglich,
durch magnetische Kräfte
auf die Düsennadelschließkräfte einzuwirken.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
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Die 1 zeigt
einen Vergleich der Einspritzratenverläufe für ein System herkömmlicher
Art und ein erfindungsgemäß optimiertes
System;
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2 zeigt
ein Einspritzsystem mit zwei erfindungsgemäß in im Öffnungs- und Schließdruck veränderlichen
Injektoren, denen jeweils eine Kraftstoffpumpe zugeordnet ist;
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3a und 3b zeigen zwei Ausführungsbeispiele
für Injektoren,
bei denen die auf die Düsennadel
in Schließrichtung
wirkende Kraft zur Erzielung eines höheren Schließdrucks
als auf Grund der Düsennadelgeometrie
möglich
selbsttätig
erhöht
wird, nachdem die Düsennadel
den Öffnungshub
ausgeführt
hat;
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4a bis 4f zeigen über ein
Steuerventil gesteuerte Ausführungsbeispiele,
wobei der aus einer gemeinsamen Steuerleitung entnommene Steuerdruck
nacheinander auf zwei verschiedene Kolben zur Erzielung des Öffnungs-
und Schließdrucks
wirkt.
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5a bis 5c zeigen über ein
Steuerventil gesteuerte Ausführungen,
wobei der Steuerdruck aus zwei separaten Steuerleitungen zur Beaufschlagung
eines oder zweier Steuerräume
entnommen wird;
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6a bis 6c zeigen Ausführungen,
bei denen zur Steuerung des Schließdrucks der in der Einspritzleitung
anstehende Druck benutzt wird.
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Die Erfindung dient der Verbesserung
der Einspritzung konventioneller Systeme, bei denen eine Hubkolbenpumpe
den Kraftstoff zu den Injektoren liefert. Bei den betroffenen Systemen
schwankt der an der Düsennadel
in Öffnungsrichtung
wirkende Kraftstoffdruck entsprechend der Fördercharakteristik der Kraftstoffpumpe
während
der Einspritzung. Solche Systeme werden in der Literatur auch als druckgesteuerte
Systeme bezeichnet. Die Erfindung hat sich das Ziel gesetzt, durch
Verringerung der Einspritzmengen mit geringem Zerstäubungsdruck
zu Beginn und zu Ende der Einspritzung die Qualität der Einspritzung
im gesamten Einspritzbereich zu verbessern. Das wird dadurch erreicht,
dass die auf die Düsennadel
in Schließrichtung
wirkenden Kräfte
vor einer Einspritzung und nach Beginn der Einspritzung unabhängig voneinander
variabel einstellbar sind. Bei einigen Systemen, wenn zwei im Druck
unabhängig
voneinander steuerbare Steuerleitungen verwendet werden, ist die
Variabilität
noch zusätzlich
erhöht. Der
Steuerdruck kann entweder aktiv durch eine Pumpe oder passiv durch
Benutzung der Ventilleckage erzeugt werden. Bei einigen nachstehend
ausgeführten
Gestaltungen wird der Kraftstoffdruck zur Steuerung herangezogen.
Die Erfindung im weiteren auch dazu benutzt werden, durch entsprechende Steuerung
eine Vor- oder Nacheinspritzung darzustellen.
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In 1 ist
der Einspritzratenverlauf eines Einspritzsystems ohne Beeinflussung
des Öffnungs- und
Schließdrucks
(gestrichelter Verlauf) und mit Beeinflussung des Öffnungs-
und Schließdrucks
(durchgezogener Verlauf) dargestellt. Es ist zu erkennen, dass sich
durch die Erfindung beim optimierten System steilere Öffnungs-
und Schließflanken
bei erhöhtem
Spitzendruck erreichen lassen, ähnlich
einem Verlauf, wie er bei Druckspeichereinspritzsystemen erzielt
wird.
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In 2 ist
ein derartiges Einspritzsystem mit zwei Injektoren dargestellt,
denen jeweils eine Kraftstoffpumpe 1 zugeordnet ist. Der
Pumpenkolben 3 der Kraftstoffpumpe 1 wird von
einem Nocken 2 angetrieben. Der Druck in der Einspritzleitung 4,
die mit der Zulaufleitung 6 des Injektors 5 verbunden
ist, nimmt auf Grund der Charakteristik der Kraftstoffpumpe 1 bis
zu einem Höchstwert
zu, um dann wieder abzufallen. Der Kraftstoff wird somit zum Injektor nur
während
der Einspritzphase geliefert. Die Einspritzung wird durch Beaufschlagung
des Düsenraums 11 mit
dem Kraftstoffdruck gesteuert, der auf einen Bund an der Düsennadel 12 wirkt.
Die Injektoren 5 besitzen mit dem Steuerdruck von Steuerleitungen 9 beaufschlagbare
Steuerräume 13, 14,
um sowohl den Öffnungsdruck
als auch den Schließdruck zu
variieren. Unter Öffnungsdruck
wird dabei der Druck in der Einspritzleitung 4 verstanden,
bei dem die Düsennadel 12 öffnet. Unter
Schließdruck
wird derjenige Druck in der Einspritzleitung 4 verstanden, bei
dem die Düsennadel
12 schließt. Es kann,
wie dargestellt, eine gemeinsame Steuerleitung 9 vorgesehen
sein, die an alle Injektoren angeschlossen ist. Die entsprechenden
konstruktiven Möglichkeiten sind
an Hand der nachfolgenden Figuren dargestellt.
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Zur Variierung des Öffnungs-
und Schließdrucks
besitzen die Injektoren 5 in den Ausführungen nach den 3a und 3b einen ersten Steuerraum 13 und
einen zweiten Steuerraum 14. Im Steuerraum 13 ist
zugleich auch die Schließfeder 15 untergebracht, die
an der Düsennadel 12 eine
Kraft in Schließrichtung
aufbringt. Die Steuerräume 13 und 14 können mit
dem Druck eines Steuermediums beaufschlagt werden, um an der Düsennadel 12 zusätzliche
Kräfte in
Schließrichtung über die
den Steuerräumen 13, 14 zugeordneten
Kolben 16, 17 aufzubringen. In 3a sind beide Steuerräume 13, 14 an
Steuerleitungen 7, 8 angeschlossen, die von einer
gemeinsamen Steuerleitung 9 abzweigen. Die Ausführung gemäß 3b ist zur Ausführung gemäß 3a lediglich darin unterschiedlich,
als dass dort keine gemeinsame Steuerleitung 9, sondern
separate Steuerleitungen 7, 8 für den Öffnungsdruck
und den Schließdruck verwendet
werden. Dementsprechend können
bei der Ausführung
nach 3b unterschiedliche
Druckniveaus für
Schließ-
und Öffnungsdruck
Anwendung finden. Der Kolben 16 dient als Niederhaltekolben, durch
den durch Druckbeaufschlagung der Öffnungsdruck festgelegt wird.
Der Kolben 16 ist, wie angedeutet, dichtend geführt. Eine
dichtende Führung
des Kolbens 16 kann entfallen. In diesem Fall würde die Düsennadel
mit ihrer Rückseite
selbst als Kolben 16 dienen, vorausgesetzt, dass ausreichende Übertrittquerschnitte
zwischen der Federstelze und ihrer Führung vorgesehen sind. Entsprechendes
gilt auch für die
weiter unten beschriebenen Figuren. Der Kolben 17 dient
als Schließkolben,
durch den durch Druckbeaufschlagung der Schließdruck festgelegt wird. Beide
Kolben 16, 17 wirken über Stelzen an der Düsennadel 12 in
Schließ richtung.
Zur Erzielung des Einspritzratenverlaufs gemäß 1 wird der erste Steuerraum 13 vor
Beginn einer Einspritzung mit dem geeigneten Steuerdruck beaufschlagt.
Der zweite Steuerraum 14 wird mit Steuerdruck beaufschlagt, nachdem
die Düsennadel 12 einen
Hub ausgeführt hat.
Dies erfolgt mit Hilfe des Ventils 18 selbsttätig, indem
durch den Düsennadelhub
von einer mit dem Schließkolben 17 gekoppelten
Ventilstange 19 das Ventil 18 aufgedrückt wird,
so dass der Steuerdruck im zweiten Steuerraum 14 anliegt.
Die gleiche selbsttätige
Zuschaltung erfolgt auch beim Ausführungsbeispiel nach 3b, wobei, wie erwähnt, lediglich der
Unterschied besteht, dass zwei separate Steuerleitungen 7, 8 vorhanden
sind, die eine völlig
unabhängige
Steuerung von Öffnungs-
und Schließdruck erlauben.
Der zweite Steuerraum 14 ist bei beiden Ausführungen
jeweils über
eine Drossel 20 mit einer Entlastungsleitung 21 verbunden. Über die
Entlastungsleitung 21 erniedrigt sich der Druck im zweiten Steuerraum 14,
wenn die Einspritzung beendet ist. Dies erfolgt wiederum selbsttätig, da
das Ventil 18 durch die Düsennadel 12 selbsttätig geschlossen wird.
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Mit den Ausführungsformen nach den 4a bis 4f sind Injektoren 5 zusammengefasst,
bei denen entweder ein 2/2-Steuerventil 23 oder
ein 3/2-Steuerventil 24 eine gemeinsame Steuerleitung 9 für Öffnungs-
und Schließdruck
beherrscht. Von der gemeinsamen Steuerleitung 9 zweigen
jeweils Steuerleitungen 7 und 8 zu ersten (13)
und zweiten (14) Steuerräumen ab, um durch Druckbeaufschlagung der
zugeordneten Kolben 16 und 17 das Öffnungs- und
Schließverhalten
des Injektors zu beeinflussen.
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Bei 4a dient
ein 2/2-Steuerventil in Kombination mit einer in einer Entlastungsleitung 21 angeordneten
Drossel 20 zur Steuerung. Mit der Drossel 20 erfolgt
nach dem Düsen schließen eine
Entlastung des zweiten Steuerraums 14, der den Schließdruck regelt.
Der erste Steuerraum 13 bleibt mit dem Steuerdruck beaufschlagt,
der natürlich
vor der nächsten
Einspritzung in geeigneter Weise angepasst wird, um einen vorgesehenen Öffnungsdruck zu
erzielen. Zur Anpassung des Drucks ist eine Steuereinrichtung vorgesehen,
die jedoch nicht näher dargestellt
ist. Bei Beginn der nächsten
Einspritzung ist nur der erste Steuerraum 13 mit dem in
der Steuerleitung 9 bzw. 7, 8 herrschenden
Druck beaufschlagt.
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Beim Ausführungsbeispiel nach der 4b erfolgt die Steuerung
direkt über
ein 3/2-Steuerventil 24, das auch die Entlastung steuert.
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Bei der Ausführungsform nach 4c wird nicht der Federraum
zur Druckbeaufschlagung benutzt, vielmehr sind zwei hintereinander
angeordnete separate Steuerkolben 16 und 17 vorgesehen,
deren Steuerräume 13, 14 über ein
3/2-Steuerventil 24 mit der Steuerleitung 9 verschaltet
werden.
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Die 4d und 4e entsprechen den Ausführungsformen
gemäß den 4b und 4a mit dem Unterschied, dass die Einstellung
des Öffnungsdrucks über die
Veränderung
der Federvorspannung der Schließfeder 15 erfolgt,
wozu im Raum der Schließfeder 15 ein
dichtend geführter
Kolben 16 vorgesehen ist, der eine obere Abstützung für die Schließfeder 15 bildet.
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Die 4f zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines elektromagnetisch betätigten
Steuerventils 20, das eine vom Steuerraum 14 wegführende Entlastungsleitung 21 öffnet. Der
Schließdruck
kann in Kombination mit einer Zulaufdrossel in der Steuerleitung 8 durch
Variierung des Öffnungsquerschnitts
unabhängig
vom Steuerdruck in der Steuerleitung 9 verändert werden.
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Die 5a bis 5c zeigen Ausführungsmöglichkeiten
unter Verwendung zweier separater Steuerleitungen 7, 8 für Düsenöffnungs-
und Düsenschließdruck,
die von einem 3/2-Steuerventil
geschaltet werden.
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Die Ausführungsformen nach den 5a und 5b bedienen sich jeweils eines einzigen
Steuerraums 51 mit zugeordnetem Kolben 52, der
jeweils nacheinander, nämlich
vor Beginn einer Einspritzung mit dem in der ersten (7)
und nach Beginn und vor dem Ende der Einspritzung mit dem Druck
in der zweiten (8) Steuerleitung über eine Leitung 50 beaufschlagt
wird. Der Druck in der zweiten Steuerleitung ist höher als
der Druck in der ersten Steuerleitung. Nachdem die Düsennadel 12 geschlossen
hat, wird der Steuerraum auf den niedrigeren Druck der Steuerleitung 7 entlastet.
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Gemäß Ausführungsform der 5c werden zwei miteinander gekoppelte
Kolben 16, 17 mit zugehörigen Steuerräumen 13, 14 verwendet,
die unabhängig
voneinander mit Steuerdruck aus den Steuerleitungen 7, 8 beaufschlagbar
sind. Die Steuerleitung 7 für den Öffnungsdruck bleibt ständig mit
dem entsprechenden Steuerraum 13 verbunden, und nur die Steuerleitung 8 für den Schließdruck muss
durch ein 3/2-Steuerventil gesteuert werden, das nach Beendigung
der Einspritzung den Steuerraum 14 mit einer Entlastungsleitung 21 verbindet.
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Bei den Ausführungsbeispielen nach den 6a bis 6c wird zur Steuerung des Schließdrucks der
in der Einspritzleitung 4 anstehende Kraftstoffdruck verwendet.
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Bei der Ausführungsform nach 6a wird zur Steuerung von Öffnungs-
und Schließdruck
ein Steuerraum 51 mit zugeordnetem Kolben 52 verwendet,
der nacheinander mit dem in der Steuerleitung 7 und dem
in der Einspritzleitung 4 anstehenden Druck beaufschlagt
wird. Das 2/2-Steuerventil 23 verbindet die Steuerleitung 8 mit
der Einspritzleitung 4, wenn der Druck in der Einspritzleitung
ein vorgegebenes Niveau unterschreitet. Der Kolben 52 ist
so ausgelegt, dass bei Beaufschlagung mit dem Kraftstoffdruck ein
sofortiges Schließen
der Düsennadel
erfolgt.
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Gemäß den 6b und 6c dienen
wiederum separate Steuerräume 13, 14 mit
zugeordneten Kolben 16, 17 zur Steuerung von Öffnungs-
und Schließdruck.
Beiden Injektoren ist gemeinsam, dass ein Steuerventil 31 verwendet
wird, das auf einen Druckabfall in der Einspritzleitung 4 reagiert.
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Im Fall von 6b ist das Steuerventil 31 auf zwei
einander gegenüberliegenden
Flächen
einerseits mit dem Druck in einer Leitung 32, die mit der Steuerleitung 7 über ein
Rückschlagventil 33 mit Drosselbypass
in Verbindung steht, beaufschlagt und andererseits mit dem in der
Einspritzleitung 4 herrschenden Druck der in der Leitung 30 ansteht.
Auf Grund der Flächenverhältnisse
sperrt das Steuerventil 31 während einer Einspritzung bei
ausreichendem Kraftstoffdruck eine Steuerleitung 8 für den Schließdruck.
Erst wenn ein ausreichender Abfall des Einspritzdrucks gegen Ende
der Einspritzung auftritt, wird das Steuerventil 31 in
eine Lage verschoben, in der ein Durchgang geöffnet wird, so dass der Steuerraum
mit dem Steuerdruck aus der Steuerleitung 8 beaufschlagt
wird. Bei Beaufschlagung des Kolbens 17 mit dem Steuerdruck
wird die Düsennadel 12 sofort
in Schließstellung
verschoben. Nach Einspritzende erfolgt die Entlastung des Steuerraums 14 über eine
Entlastungsleitung mit Drossel bei gleichzeitigem Verschluss der
Steuerleitung 8.
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Der Injektor gemäß 6c arbeitet in ähnlicher Weise. Lediglich die
Bauart des Steuerventils 31 ist unterschiedlich.
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Solange ein hoher Einspritzdruck
an dem Ventilkolben anliegt, bleibt die zum Kolben 17 führende Steuerleitung 8 verschlossen.
Erst bei einem Druckabfall in der Einspritzleitung 4 wird
die Steuerleitung 8 für
den Schließdruck
vom Steuerventil 31 frei gegeben.