DE19612737A1 - Einspritzeinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einspritzeinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, mit einem elektro­ magnetischen Steuerventil zur Druckbeaufschlagung eines Mit­ teldruckraumes aus einem externen Mitteldruckhydraulik­ speicher, sowie mit einem hydraulischen Verstärkungskolben, der einen an den Mitteldruckraum grenzenden Mitteldruckkolben und einen an einen Hochdruckraum grenzenden Hochdruckkolben aufweist, welcher Hochdruckraum einerseits mit einer Kraft­ stoffzuführleitung und andererseits mit einem die Düsennadel umgebenden Düsenraum verbunden ist, wobei in zumindest einer Zwischenstellung des Hochdruckkolbens der Hochdruckraum mit einer Kraftstoffabsteuerleitung verbindbar ist.

Eine derartige Einspritzeinrichtung ist aus dem Artikel "Development of the HEUI Fuel System-Integration of Design, Simulation, Test, and Manufacturing", von A.R. STOCKNER, M.A. FLINN, und F.A. CAMPLIN, SAE Technical Papers Series No. 930271, International Congress and Exposition, Detroit, Michi­ gan, 1.-5. März 1993, bekannt. Die in dem Paper in den Fig. 5, 6 und 20 gezeigte Einspritzeinrichtung mit Einspritzverlaufs­ formung weist eine in den Hochdruckzylinder einmündende Ab­ steuerleitung auf, welche vom Absteuerkolben des Hochdruckkol­ bens bei dessen Hubbewegung überfahren wird. Dadurch wird in einer Zwischenstellung des Hochdruckkolbens eine Strömungsver­ bindung zwischen dem Hochdruckraum und der Absteuerleitung hergestellt, wodurch ein Einspritzverlauf mit einer Vorein­ spritzung realisiert werden kann. Die Absteuerung des Kraft­ stoffes am Beginn der Einspritzung erfolgt dabei allerdings in direkter Abhängigkeit vom Hochdruckkolbenhub, was einige Nach­ teile mit sich bringt. Bei niedrigen Drücken im Mitteldruck­ raum kann es dabei zu zwei separaten, hintereinander folgenden Einspritzungen kommen, was den Nachteil hat, daß es zu einem zweimaligen Öffnen und Schließen der Düsennadel kommt. Während dem Öffnungs- und Schließvorgang der Düsennadel kommt es je­ doch zu einer unerwünschten Verschlechterung der Kraftstoff­ zerstäubung sowie zu einer ungleichmäßigen Aufteilung der ein­ gespritzten Kraftstoffmenge auf die einzelnen Spritzlöcher. Weiters kann durch die bekannte Absteuerung des Kraftstoffes zwar der Einspritzbeginn und die Einspritzdauer, nicht aber die Steigung der Einspritzverlaufskurve am Ende der Einsprit­ zung beeinflußt werden. Die Steigung der Einspritzverlaufs­ kurve bei Einspritzende soll aber möglichst steil sein, um die Rußemissionen der Brennkraftmaschine günstig zu beeinflussen.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und Einspritzeinrichtung zu schaffen, mit welcher ein günsti­ gerer Einspritzverlauf, insbesondere am Beginn und am Ende der Einspritzung, realisiert werden kann.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß zusätzlich zum Hochdruckkolben im Strömungsweg zwischen dem Hochdruckraum und der Kraftstoffabsteuerleitung ein druckabhängiges Absteuerven­ til angeordnet ist, welches in einem engen Bereich des Druckes im Hochdruckraum die Strömungsverbindung zwischen Hochdruck­ raum und Kraftstoffabsteuerleitung freigibt. Die Absteuerung des Kraftstoffes aus dem Hochdruckraum erfolgt dadurch in di­ rekter Abhängigkeit des Druckes im Hochdruckraum und nicht nur in Abhängigkeit des Kolbenhubes des Hochdruckkolbens. Vorteil­ hafterweise ist dabei vorgesehen, daß das Absteuerventil aus einem in einem Absteuerzylinder verschiebbaren Absteuerkolben besteht, dessen eine Stirnfläche über eine Verbindungsleitung zum Hochdruckraum mit Hochdruck beaufschlagbar und dadurch entgegen einer auf den Absteuerkolben wirkende Rückstellkraft auslenkbar ist, wobei der Absteuerzylinder eine zur Kraft­ stoffabsteuerleitung führende Öffnung aufweist, welche bei Auslenkung des Absteuerkolbens von den Steuerkanten eines vom Absteuerkolben gebildeten Absteuerraumes überstrichen wird, welcher Absteuerraum, vorzugsweise über einen von der mit Hochdruck beaufschlagten Stirnfläche des Absteuerkolbens aus­ gehenden Absteuerkanal, mit dem Hochdruckraum strömungsverbun­ den ist. Der Öffnungs- und Schließdruck des Absteuerventiles kann dabei genau durch die Dimensionierung des Absteuerkolbens und die Größe der Gegenkraft voreingestellt werden. Dadurch ist auch bei niedrigem Druck im Mitteldruckraum die Vorein­ spritzung nicht mehr von der Haupteinspritzung getrennt. Ande­ rerseits kann durch die Rückstellkraft die Steilheit der Flanke des Einspritzverlaufes am Beginn der Einspritzung vor­ eingestellt werden.

Der Absteuerraum wird bevorzugt durch eine Umfangsnut am Ab­ steuerkolben gebildet.

Wenn zur zumindest teilweisen Aufbringung der Rückstellkraft eine auf den Absteuerkolben einwirkende Feder vorgesehen ist, so ist die Steilheit der Flanke vor allem durch die Feder und die Abmessungen des Absteuerkolbens sowie der Absteuerleitung bestimmt. Zusätzlich oder anstelle der Feder kann vorgesehen sein, daß zur zumindest teilweisen Aufbringung der Rückstell­ kraft der Absteuerzylinder an dem der Hochdruckmündung entge­ gengesetzten Ende über eine vorzugsweise als Drosselbohrung ausgebildete Mitteldruckleitung mit dem Mitteldruckraum ver­ bunden ist. Dadurch ist es möglich, die Absteuerung auch in Abhängigkeit des Mitteldruckes durchzuführen, wobei die vom Mitteldruck aufgebrachte Gegenkraft der Federkraft überlagert werden kann.

In einer sehr einfachen Ausführungsvariante ist vorgesehen, daß das Absteuerventil im Hochdruckzylindergehäuse angeordnet ist. Die Absteuerung erfolgt bei dieser Ausführungsvariante weitgehend unabhängig vom Hub des Hochdruckkolbens.

In einer anderen, bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgese­ hen, daß das Absteuerventil in den Hochdruckkolben integriert ist. Vorteilhafterweise weist dabei der Hochdruckzylinder im Bereich der Mündung des Kraftstoffabsteuerkanals eine mit der Öffnung des Absteuerzylinders verbundene Längsnut auf, deren Länge vorzugsweise dem Hub des Steuerkolbens entspricht. Das Absteuerventil wird dabei mit dem Hochdruckkolben mitbewegt. Diese Ausführung macht nur Änderungen im Hochdruckkolben selbst erforderlich, weshalb auch herkömmliche Einspritzdüsen der eingangs genannten Art umgerüstet werden können. Durch ge­ eignete Dimensionierung der Längsnut im Hochdruckkolben kann die Absteuerung Druck- und Hubabhängig erfolgen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsvariante der erfin­ dungsgemäßen Einspritzdüse im Längsschnitt,

Fig. 2 das Absteuerventil aus Fig. 1 in vergrößerter Darstellung in einer ersten Stellung,

Fig. 3 das Absteuerventil aus Fig. 1 in einer anderen Stellung,

Fig. 4 eine weitere Ausführungsvariante der erfin­ dungsgemäßen Einspritzdüse im Längsschnitt,

Fig. 5 bis 7 das Absteuerventil aus Fig. 4 in vergrö­ ßerter Darstellung in verschiedenen Stellungen,

Fig. 8a bis 8e verschiedene Parameter der Einspritzdüse während eines Einspritzvorganges.

Funktionsgleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen ver­ sehen.

Fig. 1 zeigt eine Einspritzeinrichtung 1 für eine Brennkraft­ maschine mit Direkteinspritzung. Die Einspritzeinrichtung 1 weist einen Elektromagneten 2 zur Betätigung eines Steuerven­ tiles 3 auf, welches vorzugsweise als 3/2-Wegventil ausgeführt ist und die Strömungsverbindung zwischen einer Steuerleitung 4 und einem Mitteldruckraum 5 freigibt oder unterbricht sowie gegengleich die Strömungsverbindung zwischen einer Lecköllei­ tung 4a und dem Mitteldruckraum 5 unterbricht oder freigibt. Die Steuerleitung 4 geht von einem nicht weiters dargestellten Mitteldruckhydraulikspeicher aus. Die Leckölleitung 4a mündet in einen nicht weiters dargestellten Leckölbehälter. An den Mitteldruckraum 5 grenzt ein hydraulischer Verstärkungskol­ ben 6, welcher einen Mitteldruckkolben 7 und einen Hochdruck­ kolben 8, der geringeren Querschnitt als der Mitteldruckkol­ ben 7 hat, aufweist. Der hydraulische Verstärkungskolben 6 wird über eine Feder 9 in der Ruhelage gehalten. Der Hoch­ druckkolben 8 grenzt stirnseitig an einen Hochdruckraum 10, der vom Hochdruckkolben 8 und dem Hochdruckzylinder 11a des Hochdruckzylindergehäuses 11 gebildet ist. In den Hochdruck­ raum 10 mündet eine mit einem nicht weiters dargestellten Kraftstoffversorgungssystem verbundene Kraftstoff­ zuführleitung 12, welche mit einem Rückschlagventil 12a verse­ hen ist. Weiters ist der Hochdruckraum 10 über eine Hochdruck­ leitung 13 mit einem die Düsennadel 14 umgebenden Düsenraum 15 verbunden.

Vom Hochdruckraum 10 geht weiters eine Verbindungsleitung 16 aus, welche über ein Absteuerventil 17 mit einer Kraftstoffab­ steuerleitung 18 verbunden ist.

Das Absteuerventil 17 bzw. 17′ kann, wie in Fig. 1 gezeigt, im Hochdruckzylinder 11 vorgesehen sein, oder gemäß Fig. 4 in den Hochdruckkolben 8′ integriert sein.

Wie aus den Detaildarstellungen in Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, besteht das Absteuerventil 17 aus einem Absteu­ erkolben 19, welcher in einem Absteuerzylinder 20 verschiebbar ist. Die Verbindungsleitung 16 mündet in den vom Absteuerzy­ linder 20 aufgespannten Raum, so daß eine Stirnfläche 25 des Absteuerkolbens 19 mit Hochdruck beaufschlagbar ist. Auf den Absteuerkolben 19 wirkt eine Rückstellkraft durch eine Fe­ der 21 ein und definiert dessen Ruheposition. Anstelle oder zusätzlich zur Feder 21 kann der Absteuerzylinder 20 über eine Mitteldruckleitung 22 mit dem Mitteldruckraum 5 verbunden sein, wie durch die strichlierte Linie 22 angedeutet ist. Der Absteuerkolben 19 weist in seinem mittleren Bereich eine Um­ fangsnut 23 auf, in welchen ein Absteuerkanal 24, der eine Strömungsverbindung zwischen der Umfangsnut 23 und der Verbin­ dungsleitung 16 herstellt, einmündet. Im Beispiel ist der Ab­ steuerkanal 24 durch eine Längsbohrung 24a und eine Querboh­ rung 24b im Absteuerkolben 19 gebildet. Wird die Stirnflä­ che 25 des Absteuerkolbens 19 mit Druck beaufschlagt, über­ streichen die Steuerkanten 26 und 27 der Umfangsnut 23 eine Öffnung 28 im Absteuerzylinder 20, welche zur Kraftstoffab­ steuerleitung 18 führt. Dabei wird, wie in Fig. 2 durch den Pfeil 29 symbolisiert ist, der Strömungsweg zwischen dem Ab­ steuerkanal 24 und der Kraftstoffabsteuerleitung 18 freigege­ ben, wodurch der Kraftstoff in direkter Abhängigkeit vom Druck im Hochdruckraum 10 abgesteuert wird. Die Absteuerung erfolgt dabei in einem relativ kleinen Druckbereich. Ab Überschreiten des vordefinierten Absteuerdruckes, welcher durch die Rück­ stellkraft und die Lage der Steuerkanten 26 und 27 vorbestimmt ist, wird die Öffnung 28 wieder durch die Mantelfläche 19a des Absteuerkolbens 19 verschlossen, wie in Fig. 3 dargestellt ist.

Die in den Fig. 4 bis 7 gezeigte Ausführungsvariante einer Einspritzdüse 1 mit Absteuerventil 17′ unterscheidet sich von dem in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Beispiel nur dadurch, daß das Absteuerventil 17′ im Hochdruckkolben 8′ integriert ist. Der Hochdruckkolben 8′ ist dabei hohl ausgeführt, wobei der Absteuerzylinder 20′ durch eine Längsbohrung gebildet wird, in welcher der Absteuerkolben 19′ verschiebbar gelagert ist. Der Absteuerkolben 19′ wird wie im vorigen Beispiel durch eine Rückstellkraft in einer Ausgangslage gehalten, welche Rück­ stellkraft beispielsweise durch eine Feder 21′ und/oder eine Mitteldruckleitung 22′ im Mitteldruckkolben 7′ zwischen dem Absteuerzylinder 20′ und dem Mitteldruckraum 5′ gebildet sein kann. Der Absteuerzylinder 20′ steht über eine Verbindungslei­ tung 16′ mit dem Hochdruckraum 10′ in Strömungsverbindung, so daß die Stirnfläche 25′ des Absteuerkolbens 19′ mit Hochdruck beaufschlagt wird. Bei ansteigendem Druck im Hochdruckraum 10′ sowie in der Verbindungsleitung 16′ wird der Absteuerkol­ ben 19′ entgegen der Rückstellkraft ausgelenkt, wobei in einer in Fig. 6 gezeigten Zwischenstellung die Strömungsverbindung zwischen der Verbindungsleitung 16′ und der Kraftstoffabsteu­ erleitung 18′ hergestellt ist. Analog zum vorigen Beispiel weist dazu der Absteuerkolben 19′ einen aus einer Längsboh­ rung 24a′ und einer Querbohrung 24b′ gebildeten Absteuerka­ nal 24′ auf, welcher in eine Umfangsnut 23′ des Ab­ steuerkolbens 19′ einmündet. Der Hochdruckkolben 8′ weist im Bereich der Mündung 28a′ der Kraftstoffabsteuerleitung 18′ in den Hochdruckzylinder 11a′ eine Längsnut 29 auf, deren Länge etwa dem Hub des Hochdruckkolbens 8′ entspricht. Die Längs­ nut 29 ist über die Öffnung 28′ mit dem Absteuerzylinder 20′ verbunden.

Fig. 5 zeigt den Absteuerkolben 19′ in seiner oberen Endlage, in welche er die Strömungsverbindung zwischen der Kraft­ stoffabsteuerleitung 18′ und dem Hochdruckraum 10′ unter­ bricht.

Fig. 6 zeigt eine Zwischenstellung des Absteuerkolbens 19′, in welcher die Strömungsverbindung zwischen dem Hochdruckraum 10′ und der Kraftstoffabsteuerleitung 18′ hergestellt ist.

Fig. 7 zeigt den Absteuerkolben 19′ in seiner Ruhelage, wäh­ rend der die Strömungsverbindung zwischen Hochdruckraum 10′ und Kraftstoffabsteuerleitung 18′ unterbunden ist.

Die in Fig. 8 gezeigten Diagramme a) bis e) zeigen den Verlauf verschiedener Parameter während eines Einspritzdüsenhubes, je­ weils über die Zeit T aufgetragen. Fig. 8a zeigt den Schaltim­ puls S für den Elektromagnet 2, Fig. 8b den Hub h_M des Steuer­ ventiles 3, 3′ Fig. 8c den Einspritzdruck p im Düsenraum 15, 15′ Fig. 8d den Hub h_N der Düsennadel 14 und Fig. 8e den Hub h_A des Absteuerkolbens 19 bzw. 19′.

Der Elektromagnet 2, 2′ wird durch Anlegen eines Schaltimpul­ ses S zum Zeitpunkt t₁ betätigt. Durch Bewegen des Steuerven­ tiles 3 wird der Mitteldruckraum 5, 5′ oberhalb des Mittel­ druckkolbens 7, 7′ mit der Hochdrucksteuerleitung 4, 4′ ver­ bunden, wodurch der hydraulische Verstärkungskolben 6, 6′, be­ stehend aus Mitteldruckkolben 7, 7′ und Hochdruckkolben 8, 8′, nach unten bewegt wird. Diese Bewegung bewirkt einen Druckan­ stieg im Hochdruckraum 10, 10′ wobei das Verhältnis der Drücke im Mitteldruckraum 5, 5′ und Hochdruckraum 10, 10′ nä­ herungsweise dem Verhältnis der Querschnittsflächen vom Mit­ teldruckkolben 7, 7′ zum Hochdruckkolben 8, 8′ entspricht.

Nach Erreichen des Öffnungsdruckes p₀ der Düsennadel 14, 14′ zum Zeitpunkt t₂ öffnet die Düsennadel 14, 14′ und der Ein­ spritzvorgang beginnt. Nach Erreichen des Öffnungsdruckes p₁ des Absteuerkolbens 19, 19′ zum Zeitpunkt t₃ wird Kraftstoff durch die zentrale Absteuerbohrung 24a, 24a′ und die Querboh­ rung 24b, 24b′ innerhalb des Absteuerkolbens 19, 19′ aus dem Hochdruckraum 10, 10′ abgesteuert, was zu einer Verlangsamung der Druckanstiegsgeschwindigkeit führt.

Zum Zeitpunkt t₄ wird der Schließdruck p₂ des Absteu­ erkolbens 19, 19′ erreicht. Dies führt zu einer Sperrung der Öffnung 28, 28′. Dadurch wird der Druckanstieg wieder steiler und der Hauptteil der Einspritzung erfolgt.

Zum Zeitpunkt t₅ wird durch die Aktivierung des Elek­ tromagneten 2 das Einspritzende eingeleitet.

Während des Einspritzendes wird wieder der Druck p₂ unter­ schritten, was zu einer kurzzeitigen Freigabe der Öffnung 28, 28′ durch den Absteuerkolben 19, 19′ führt. Aufgrund des zu­ sätzlich entweichenden Kraftstoffes aus dem Hochdruckraum 10, 10′ kommt es zu einer Beschleunigung des Druckabfalls.

Nach dem neuerlichen Schließen des Absteuerkolbens 19, 19′ zum Zeitpunkt t₇ verlangsamt sich der Druckabfall wieder leicht bis durch Erreichen des Düsenschließdruckes der Einspritzvor­ gang zum Zeitpunkt t₈ beendet wird.

Claims (8)

1. Einspritzeinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Di­ rekteinspritzung, mit einem elektromagnetischen Steuer­ ventil zur Druckbeaufschlagung eines Mitteldruckraumes aus einem externen Mitteldruckspeicher, sowie mit einem hydraulischen Verstärkungskolben, der einen an den Mit­ teldruckraum grenzenden Mitteldruckkolben und einen an einen Hochdruckraum grenzenden Hochdruckkolben aufweist, welcher Hochdruckraum einerseits mit einer Kraftstoffzu­ führleitung und andererseits mit einem die Düsennadel um­ gebenden Düsenraum verbunden ist, wobei in zumindest einer Zwischenstellung des Hochdruckkolbens der Hochdruckraum mit einer Kraftstoffabsteuerleitung verbindbar ist, da­ durch gekennzeichnet, daß zusätzlich zum Hochdruckkol­ ben (8, 8′) im Strömungsweg zwischen dem Hochdruck­ raum (10, 10′) und der Kraftstoffabsteuerleitung (18, 18′) ein druckabhängiges Absteuerventil (17, 17′) angeordnet ist, welches in einem engen Bereich des Druckes im Hoch­ druckraum (10, 10′) die Strömungsverbindung zwischen Hoch­ druckraum (10, 10′) und Kraftstoffabsteuerleitung (18, 18′) freigibt.

2. Einspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Absteuerventil (17, 17′), aus einem in einem Absteuerzylinder (20, 20′) verschiebbaren Absteuer­ kolben (19, 19′) besteht, dessen eine Stirnfläche (25, 25′) über eine Verbindungsleitung (16, 16′) zum Hoch­ druckraum (10, 10′) mit Hochdruck beaufschlagbar und da­ durch entgegen einer auf den Absteuerkolben (19, 19′) wir­ kende Rückstellkraft auslenkbar ist, wobei der Absteu­ erzylinder (20, 20′) eine zur Kraftstoffabsteuer­ leitung (18, 18′) führende Öffnung (28, 28′) aufweist, welche bei Auslenkung des Absteuerkolbens (19, 19′) von den Steuerkanten (26, 27,; 26′, 27′) eines vom Absteuer­ kolben (19, 19′) gebildeten Absteuerraumes (31, 31′) über­ strichen wird, welcher Absteuerraum (31, 31′), vor­ zugsweise über einen von der mit Hochdruck beaufschlagten Stirnfläche (25, 25′) des Absteuerkolbens (19, 19′) aus­ gehenden Absteuerkanal (24, 24′), mit dem Hochdruck­ raum (10, 10′) strömungsverbunden ist.

3. Einspritzeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Absteuerraum (31, 31′) durch eine Um­ fangsnut (23, 23′) des Absteuerkolbens (19, 19′) gebildet ist.

4. Einspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß zur zumindest teilweisen Auf­ bringung der Rückstellkraft eine auf den Absteuerkol­ ben (19, 19′) einwirkende Feder (21, 21′) vorgesehen ist.

5. Einspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß zur zumindest teilweisen Auf­ bringung der Rückstellkraft der Absteuerzylinder (20, 20′) an dem der Mündung der Verbindungsleitung (16, 16′) entge­ gengesetzten Ende über eine vorzugsweise als Dros­ selbohrung ausgebildete Mitteldruckleitung (22, 22′) mit dem Mitteldruckraum (5, 5′) verbunden ist.

6. Einspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß das Absteuerventil (17) im Hoch­ druckzylindergehäuse (11) angeordnet ist.

7. Einspritzeinrichtung mit einem in den Hochdruckzylinder mündenden Kraftstoffabsteuerkanal nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Absteuerven­ til (17′) in den Hochdruckkolben (8′) integriert ist.

8. Einspritzeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Bereich der Mündung (28a′) des Kraft­ stoffabsteuerkanals (18′) in den Hochdruckzylinder (11a′) der Hochdruckkolben (8′) eine mit der Öffnung (28′) des Absteuerzylinders (20′) verbundene Längsnut (29′) auf­ weist, deren Länge vorzugsweise etwa dem Hub des Hoch­ druckkolbens (8′) entspricht.