DE19734354A1 - Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Kraftstoffeinspritzsysteme für Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren, die eine Hochdruckpumpe zur Förderung des Kraftstoffs aus einem Kraftstoffvorrat in einen Hochdruckspeicher und einen über eine Kraftstoffzuführungsleitung an den Hochdruckspeicher angeschlossenen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen des Kraftstoffs in den Brennraum der Brennkraftmaschine während des Einspritzvorgangs aufweisen, wobei der Kraftstoffinjektor eine über einen Kraftstoffkanal mit dem einzuspritzenden Kraftstoff beaufschlagte Einspritzdüse enthält, finden bei Dieselmotoren zunehmend Verwendung. Derartige über einen Hochdruckspeicher (Common Rail) verfügende Kraftstoffeinspritzsysteme haben den großen Vorteil, daß der Einspritzvorgang in Bezug auf Einspritzbeginn, Einspritzdauer und dabei eingespritzter Kraftstoffmenge sehr genau an den jeweiligen Drehzahl und Lastzustand der Brennkraftmaschine angepaßt werden kann. Ein hohes Potential, um Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine zu mindern, besteht in der Formung des Einspritzverlaufs in Bezug auf die während des Einspritzvorgangs pro Zeiteinheit eingespritzte Kraftstoffmenge. Dies wird beispielsweise in MTZ 57 (1996) S. 336-340 dargestellt.

Bei den heutigen Common Rail-Einspritzsystemen wird während des Einspritzvorgangs, nachdem eine Phase des Einspritzbeginns mit steil ansteigendem Kraftstoffstrom abgeschlossen ist, während des eigentlichen Einspritzvorgangs Kraftstoff mit einem nahezu konstanten Massenstrom eingespritzt. Zur Minderung der Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine ist es aber wünschenswert, den eigentlichen Einspritzvorgang so zu gestalten, daß sich ein ansteigender Massenstromverlauf für den einzuspritzenden Kraftstoff einstellt.

Die Gestaltung des Einspritzverlaufs ist Gegenstand vielfältiger Entwicklungen. Aus der DE 196 12 721 A1 ist beispielsweise ein Speichereinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei welcher von einem Mechanismus Gebrauch gemacht wird, der es gestattet, eine Voreinspritzung zu realisieren, bei der eine geringe Kraftstoffmenge in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird, gefolgt von einer dann mit möglichst großem Druck eingespritzten Kraftstoffhauptmenge. Dieser Mechanismus umfaßt eine Kombination einer Rückströmdrossel mit einem in einem Zylinder angeordneten Kolben. Die Rückströmdrossel ist über eine Bypassleitung in Abhängigkeit von der Stellung des Kolbens in dem Zylinder umgehbar, so daß dem Kraftstoff wahlweise ein über die Rückströmdrossel führender Strömungsweg und ein Strömungsweg über die Bypassleitung zur Verfügung steht. Während der Voreinspritzung wird der Kolben von unter hohem Druck stehendem Kraftstoff beaufschlagt und verschoben, wobei der von dem Kolben verdrängte Kraftstoff als Voreinspritzmenge in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Nach der Verschiebung des Kolbens gibt dessen rückseitiges Ende die Bypassleitung frei, über welche dann die Haupteinspritzmenge unter Umgehung der Drossel unter vollem Druck eingespritzt wird. Weiterhin ist aus der DE 43 41 545 A1 eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen bekannt, bei der die Kraftstoffinjektoren eine mit einem hydraulischen Dämpfungsraum zusammenwirkende Drosselstrecke aufweisen, welche bei der Öffnungsbewegung eines den Kraftstoffinjektor steuernden Ventilgliedes zu Beginn des Einspritzvorgangs den Dämpfungsraum gedrosselt entlastet, so daß die Einspritzmenge allmählich ansteigt.

Die Aufgabe der Erfindung ist es ein Kraftstoffeinspritzsystem mit Hochdruckspeicher für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, welche es gestattet einen ansteigenden Massenstromverlauf für die einzuspritzende Kraftstoffmenge zu realisieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Anspruch 1 angegebene Kraftstoffeinspritzsystem gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Gegenstand der Erfindung ist ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Dieselmotor, das eine Hochdruckpumpe zur Förderung des Kraftstoffs aus einem Kraftstoffvorrat in einen Hochdruckspeicher und einen über eine Kraftstoffzuführungsleitung an den Hochdruckspeicher angeschlossenen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen des Kraftstoffs in den Brennraum der Brennkraftmaschine während eines Einspritzvorgangs aufweist. Der Kraftstoffinjektor enthält eine über einen Kraftstoffkanal mit dem einzuspritzenden Kraftstoff beaufschlagte Einspritzdüse. Gemäß der Erfindung ist eine in den Weg des Kraftstoffs zwischen Hochdruckspeicher und Einspritzdüse geschaltete steuerbare Modulationseinrichtung zur zeitabhängigen Steuerung der während des Einspritzvorgangs eingespritzten Kraftstoffmenge vorgesehen. Es findet somit eine funktionelle Trennung bezüglich der Steuerung der Einspritzmenge und dem Öffnen der Einspritzquerschnitte statt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Modulationseinrichtung durch ein Modulationsventil mit steuerbarem Durchgangsquerschnitt gebildet.

Diese Ausführungsform wird vorteilhafterweise dadurch weitergebildet, daß das Modulationsventil einen Ventilsitz und einen in Bezug auf den Ventilsitz verschiebbaren Ventilnadelkörper zur Erzeugung eines variablen Durchgangsquerschnitts zwischen Ventilsitz und Ventilnadelkörper in Abhängigkeit von der Lage des Ventilnadelkörpers und eine Verstelleinrichtung zur Verschiebung des Ventilnadelkörpers gegenüber dem Ventilsitz enthält.

Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Ausführungsform besteht darin, daß die Verstelleinrichtung einen mit dem Ventilnadelkörper verbundenen, beidseitig von Kraftstoff beaufschlagten Kolben enthält, welcher den Ventilnadelkörper aufgrund einer Druckdifferenz des an seinen beiden Seiten anstehenden Kraftstoffdrucks verschiebt.

Diese Ausführungsform ist vorteilhafterweise so ausgestaltet, daß auf der Vorderseite des beidseitig wirkenden Kolbens ein von unter hohem Druck stehendem Kraftstoff in Öffnungsrichtung des Modulationsventils beaufschlagter erster Druckraum und auf der Rückseite des beidseitig wirkenden Kolbens ein von Kraftstoff in Schließrichtung beaufschlagter zweiter Druckraum vorgesehen sind, und daß ein mit einer Drosselstelle versehener Ablaufkanal zur Entlastung des zweiten Druckraums während der Verschiebung des beidseitig wirkenden Kolbens im Sinne eines Öffnens des Modulationsventils vorgesehen ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung dieser Ausführungsform besteht darin, daß das Modulationsventil eine auf den Ventilnadelkörper im Sinne einer Verschiebung in Schließrichtung des Modulationsventils einwirkende Feder enthält.

Der zweite Druckraum ist vorteilhafterweise mit einem Zulaufkanal zur Zuführung von Kraftstoff zu dem zweiten Druckraum versehen, der ein nur in Richtung eines Zustroms von Kraftstoff zu dem zweiten Druckraum bei einer Verschiebung des beidseitig wirkenden Kolbens in Schließrichtung des Modulationsventils durchgängiges Rückschlagventil aufweist.

Zur Verschiebung des beidseitig wirkenden Kolbens in der Schließrichtung des Modulationsventils ist der zweite Druckraum vorzugsweise mit Leckagekraftstoff des Kraftstoffinjektors beaufschlagbar.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Modulationsventil in den zur Einspritzdüse führenden Kraftstoffkanal des Kraftstoffinjektors eingefügt.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, daß der zweite Druckraum einen Zulaufkanal zur Zuführung von unter hohem Druck stehendem Kraftstoff im Sinne eines Schließens des Modulationsventils aufweist, und daß eine Modulationssteuerventileinrichtung zum wahlweisen Öffnen des Ablaufkanals zur Entlastung des zweiten Druckraums über die Drosselstelle im Sinne eines Öffnens des Modulationsventils und zum Öffnen des Zulaufkanals zur Beaufschlagung des zweiten Druckraums im Sinne eines Schließens des Modulationsventils vorgesehen ist.

Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist die Modulationssteuerventileinrichtung vorteilhafterweise durch ein abwechselnd den Zulaufkanal und den Ablaufkanal freigebendes Magnetventil gebildet.

Alternativ hierzu kann die Modulationssteuerventileinrichtung zur Steuerung durch das Injektorsteuerventil mit diesem gekoppelt sein.

Bei der vorstehend genannten alternativen Ausführung der Erfindung ist es von Vorteil, daß der beidseitig wirksame Kolben auf seiner dem zweiten Druckraum zugewandten Seite einen größeren wirksamen Querschnitt als auf der dem ersten Druckraum zugewandten Seite aufweist.

Bei den vorgenannten Ausführungsformen der Erfindung, bei denen ein beidseitig wirkender Kolben mit einem ersten und einem zweiten Druckraum und ein mit einer Drosselstelle versehener Ablaufkanal zur Entlastung des zweiten Druckraums während der Verschiebung des beidseitig wirkenden Kolbens im Sinne eines Öffnens des Modulationsventils vorgesehen sind, ist es von Vorteil, wenn die Drosselstelle so bemessen ist, daß das Modulationsventil im wesentlichen während der gesamten Zeitdauer des Einspritzintervalls zwischen Einspritzbeginn und Einspritzende zunehmend geöffnet wird.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, daß die Verstelleinrichtung durch ein piezoelektrisch betätigtes Element gebildet ist, welches den Ventilnadelkörper in Abhängigkeit von einer an das piezoelektrisch betätigte Element angelegten Steuerspannung verschiebt, und daß eine Steuereinheit zur Erzeugung der Steuerspannung vorgesehen ist.

Bei dieser Ausführungsform wird die Steuerspannung an der Steuereinheit so geregelt, daß das piezoelektrische Element das Modulationsventil im Laufe des Einspritzvorgangs zwischen Einspritzbeginn und Einspritzende zunehmend öffnet.

Bei einer solchen, durch ein piezoelektrisch betätigtes Element gebildeten Verstelleinrichtung ist es von Vorteil, den Ventilnadelkörper und den Ventilsitz so auszubilden, daß ein kleiner Verstellweg des piezoelektrisch betätigten Elements ausreicht, um das Modulationsventil vollständig zu öffnen.

Die erfindungsgemäße Modulationseinrichtung ist vorteilhafterweise so ausgebildet, daß die Kraftstoffmenge im Sinne einer zunehmenden Erhöhung der pro Zeiteinheit eingespritzten Kraftstoffmenge gesteuert wird.

Hierbei ist es insbesondere von Vorteil, wenn die pro Zeiteinheit eingespritzte Kraftstoffmenge während eines zwischen Einspritzbeginn und Einspritzende liegenden Zeitintervalls ansteigend, z. B. linear erhöht wird.

Das Modulationsventil ist vorteilhafterweise zwischen einem minimalen Öffnungsquerschnitt, der jedoch größer als Null ist, und einem maximalen Öffnungsquerschnitt steuerbar.

Hierbei ist es insbesondere von Vorteil, das Modulationsventil so auszubilden, daß es Mittel aufweist, um den Ventilnadelkörper bei minimalem Öffnungsquerschnitt um ein kleines, definiertes Maß von dem Ventilsitz des Modulationsventils abzuheben.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1a eine schematische Blockdarstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems für eine Brennkraftmaschine mit einem Hochdruckspeicher (Common Rail), bei dem die erfindungsgemäße Modulationseinrichtung eingesetzt wird;

Fig. 1b eine schematische Darstellung eines Einspritzinjektors (Ganser-Prinzip);

Fig. 2 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Modulationseinrichtung für ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Modulationseinrichtung für ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 4 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Modulationseinrichtung für ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 5 zwei Zeitdiagramme, die den während Einspritzvorgängen eingespritzten Massenstrom an Kraftstoff für (a) den Einspritzvorgang bei einem herkömmlichen Kraftstoffeinspritzsystem mit Hochdruckspeicher und (b) einen Einspritzvorgang bei einem Kraftstoffeinspritzsystem mit Hochdruckspeicher gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.

Fig. 1a zeigt eine schematische Blockdarstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems für eine Brennkraftmaschine, wie es für Dieselmotoren Anwendung findet. Eine Hochdruckpumpe 1 fördert Kraftstoff aus einem Kraftstoffvorrat 2 zu einem Hochdruckspeicher 3, der nach Art eines ölelastischen Hochdruckspeichers arbeitet und mehrere jeweils über eine Kraftstoffzuführungsleitung 4 an den Hochdruckspeicher 3 angeschlossene Kraftstoffinjektoren 5 mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff versorgt (Common- Rail-System). Die Kraftstoffinjektoren 5 dienen zum Einspritzen des Kraftstoffs in den Brennraum der Brennkraftmaschine während eines Einspritzvorgangs, der nach Einspritzbeginn, Einspritzende und Menge des eingespritzten Kraftstoffs genau definiert ist und durch eine in Fig. 1a nicht gezeigte Steuereinheit in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine, insbesondere Drehzahl und Belastung der Brennkraftmaschine gesteuert wird. Jeder Kraftstoffinjektor 5 enthält eine Einspritzdüse 7, die über einen Kraftstoffkanal 6 mit dem einzuspritzenden Kraftstoff beaufschlagt wird. Der Kraftstoffinjektor 5 verfügt über ein Steuerventil 9, welches als an sich im Stande der Technik bekanntes 3/2-Wegeventil oder als 2/2-Wege-Servoventil ausgebildet ist.

In den Fig. 1a und 1b sind zwei unterschiedliche Typen von Injektoren dargestellt, auf die die Erfindung jeweils anwendbar ist. Grundsätzlich ist die Erfindung jedoch nicht auf diese Injektoren beschränkt. Der in Fig. 1b dargestellte Injektor ist vom Typ "Ganser" und besitzt zur Steuerung der Einspritzung zwei Magnetventile 9a und 9b. Zur Einspritzung findet eine Druckentlastung des mit den Ventilen 9a und 9b verbundenen Steuerraums statt.

Gemäß der Erfindung ist in den Weg des Kraftstoffs zwischen Hochdruckspeicher 3 und Einspritzdüse 7, also in die Kraftstoffzuführungsleitung 4 oder vorzugsweise in den Kraftstoffkanal 6 eine steuerbare Modulationseinrichtung geschaltet, welche der zeitabhängigen Steuerung der während des Einspritzvorgangs eingespritzten Kraftstoffmenge dient. Darunter soll eine Steuerung der während des eigentlichen Einspritzvorgangs zwischen Einspritzbeginn und Einspritzende eingespritzten Kraftstoffstroms, d. h. Kraftstoffmenge pro Zeiteinheit, verstanden werden. Fig. 5a) zeigt in einer grafischen Darstellung die Abhängigkeit des Massenstroms des bei einem Einspritzvorgang eingespritzten Kraftstoffs in Abhängigkeit von der Zeit, wie sie bei einem herkömmlichen Kraftstoffeinspritzsystem mit einem Hochdruckspeicher vorliegt. Nach dem mit I bezeichneten Einspritzbeginn, der ersten Phase des Einspritzvorgangs, in welcher der Massenstrom von Null ansteigt und die durch den Öffnungsvorgang der Einspritzdüse des Kraftstoffinjektors und Trägheitskräfte des Kraftstoffs geprägt ist, nimmt der Kraftstoffstrom in der mit II bezeichneten Phase des eigentlichen Einspritzvorgangs einen im wesentlichen konstanten Wert an. Während des mit III bezeichneten Einspritzendes, der Schlußphase des Einspritzvorgangs, während der die Einspritzdüse des Kraftstoffinjektors schließt, geht der Massenstrom dann wieder auf Null zurück. Wie bereits eingangs festgestellt wurde, ist ein Einspritzvorgang mit praktisch konstantem Massenstrom nicht vorteilhaft in Bezug auf eine Verminderung der Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine.

Fig. 2 zeigt eine steuerbare Modulationseinrichtung des erfindungsgemäßen Hochdruckspeicher-Kraftstoffeinspritzsystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnetes Modulationsventil verfügt über einen Ventilnadelkörper 12, welcher gegenüber einem Ventilsitz 11 in axialer Richtung verschiebbar ist. In Abhängigkeit von der Lage des Ventilnadelkörpers 12 wird zwischen diesem und dem Ventilsitz 11 ein variabler Durchgangsquerschnitt erzeugt. Dieser liegt im Weg des der Einspritzdüse des Kraftstoffinjektors zuzuführenden Kraftstoffs von einem Kraftstoffzulauf 106 zu einem Kraftstoffablauf 107. Der Ventilnadelkörper 12 ist mit einem beidseitig von Kraftstoff beaufschlagbaren Kolben 14 verbunden, welcher in einer Zylinderbohrung 14a verschiebbar gelagert ist. Auf der Vorderseite des beidseitig wirkenden Kolbens 14 befindet sich ein erster Druckraum 15, welcher von dem unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagt wird, der von dem Kraftstoffzulauf 106 kommt. Durch diesen Kraftstoff wird der erste Druckraum 15 im Sinne eines Öffnens des Modulationsventils 10 beaufschlagt. Auf der Rückseite des beidseitig wirkenden Kolbens 14 befindet sich ein zweiter Druckraum 16, welcher von Kraftstoff in Richtung eines Schließens des Modulationsventils 10 beaufschlagt wird. Dieser wird in Form von Leckkraftstoff des Kraftstoffinjektors über einen Leckkraftstoffzulauf 101 dem zweiten Druckraum 16 zugeführt. Ein in dem Leckkraftstoffzulauf 101 vorgesehenes Rückschlagventil 102 ist nur in Richtung des Zustroms des Leckkraftstoffes durchgängig. Über einen Ablaufkanal 18 ist der zweite Druckraum 16 mit einem Leckkraftstoffablauf 105 verbunden. Der Ablaufkanal 18 dient der Entlastung des zweiten Druckraums 16, wobei in dem Ablaufkanal 18 eine Drosselstelle 17 vorgesehen ist. Zwischen dem Leckkraftstoffablauf 105 und dem zweiten Druckraum 16 ist ein weiterer Leckkraftstoffzulauf 103 mit einem Rückschlagventil 104 vorgesehen, welches ähnlich dem Rückschlagventil 102 in Richtung eines Strömens von Leckkraftstoff in den zweiten Druckraum 16 durchgängig ist. Eine an der Rückseite des beidseitig wirkenden Kolbens 14 angreifende Feder 19 bewirkt eine Verschiebung des beidseitig wirkenden Kolbens 14 und damit des Modulationsventils 10 in Schließrichtung.

Der beidseitig wirkende Kolben 14 ist in der Zylinderbohrung 14a so gelagert, daß sich in Schließstellung des Modulationsventils eine mit A bezeichnete minimale Öffnung zwischen Ventilnadelkörper 12 und Ventilsitz 11 ergibt.

Zu Beginn des Einspritzvorgangs befindet sich der Modulationsnadelkörper 12 in Nullstellung, in welcher der Ventilnadelkörper 12 um das Maß A aus dem Ventilsitz 11 angehoben ist. Diese Mindestöffnung A des Modulationsventils stellt sicher, daß am Beginn des Einspritzvorgangs der Kraftstoffdruck nur auf ein solches Maß abgedrosselt wird, welches noch ein zuverlässiges und schnelles Öffnen der Einspritzdüse des Kraftstoffinjektors gestattet. Während des weiteren Verlaufs des Einspritzvorgangs kommt die Drosselwirkung des Durchgangsquerschnitts zwischen Ventilnadelkörper 12 und Ventilsitz 11 zunehmend zum Tragen; der Druck des Kraftstoffs vom Hochdruckspeicher 3 wird gedrosselt und während des weiteren Einspritzvorgangs wird der Ventilnadelkörper 12 aufgrund des in dem ersten Druckraum 15 auf den Kolben 14 einwirkenden Kraftstoffdrucks zunehmend angehoben. Bei der sich dabei ergebenden Verschiebung des beidseitig wirkenden Kolbens 14 wird Kraftstoff aus dem zweiten Druckraum 16 durch den Ablaufkanal 18 verdrängt, wobei die Drosselstelle 17 bewirkt, daß die Verschiebung des Kolbens 14 und damit das Anheben des Ventilnadelkörpers 12 über die gesamte Dauer des eigentlichen Einspritzvorgangs erfolgt. Am Ende des Einspritzvorgangs liegt dann an der Einspritzdüse der volle Druck des Kraftstoffs an. Am Ende des Einspritzvorgangs, wenn durch das Steuerventil des Kraftstoffinjektors die Kraftstoffzufuhr über den Kraftstoffzulaufkanal 106 unterbrochen wird, fällt der Druck in dem ersten Druckraum 15 ab und der Düsennadelkörper 12 wird durch die Wirkung der Feder 19 in ihre Nullstellung zurückgebracht. Der Einspritzvorgang kann dann von Neuem beginnen. Diese Einrichtung ist in besonderer Weise zur Anwendung bei einem Injektor nach Fig. 1a im Kraftstoffkanal 6 geeignet, wo der Kraftstoffdruck nach Beendigung der Einspritzung abfällt.

Fig. 5b) zeigt den zeitlichen Verlauf des Massenstroms des Kraftstoffs beim Einspritzvorgang, wie er durch das erfindungsgemäße Modulationsventil erzeugt wird. Während des Einspritzbeginns I steigt der Massenstrom auf einen Anfangswert des eigentlichen Einspritzvorgangs II an und erhöht sich dann während des letzteren zunehmend auf einen Endwert unmittelbar vor Beginn des Einspritzendes III. Wie ein Vergleich mit Fig. 5a) zeigt, kann der Massenstrom zu Beginn des eigentlichen Einspritzvorgangs II kleiner und zum Ende des eigentlichen Einspritzvorgangs II größer als im Falle des herkömmlichen Kraftstoffeinspritzsystems sein. Wie Fig. 5b) zeigt, steigt der Massenstrom des erfindungsgemäßen Modulationsventils während des eigentlichen Einspritzvorgangs II beispielsweise linear mit der Zeit an.

Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Modulationsventils. Dieses Modulationsventil ist in besonderer Weise zur Anwendung in einem Kraftstoffkanal geeignet, in dem der Kraftstoffdruck auch in den Einspritzpausen nicht abgesenkt wird, wie im Kraftstoffkanal 6 des Injektors nach Fig. 1b oder in der Kraftstoffzuführungsleitung 4 der Injektoren nach den Fig. 1a und 1b. Das Modulationsventil 20 enthält einen Ventilnadelkörper 22, welcher zusammen mit einem Ventilsitz 21 einen variablen Durchgangsquerschnitt bildet, welcher den Durchgang zwischen einem Kraftstoffzulaufkanal 206 und einem Kraftstoffablaufkanal 207 begrenzt. Der durch den Kraftstoffzulaufkanal 206 und den Kraftstoffablaufkanal 207 gebildete Kraftstoffweg befindet sich zwischen dem Hochdruckspeicher 3 und der Einspritzdüse 7 des Kraftstoffeinspritzsystems und zwar entweder in der Kraftstoffzuführungsleitung 4 oder vorzugsweise in dem Kraftstoffkanal 6 des Injektors nach Fig. 1b. Der Ventilnadelkörper 22 ist mit einem beidseitig wirkendem Kolben 24 verbunden, welcher in einer Zylinderbohrung 24a verschiebbar angeordnet ist. Auf der Vorderseite des beidseitig wirkenden Kolbens 24a befindet sich ein erster Druckraum 25, welcher von dem über den Kraftstoffzulaufkanal 206 zuströmenden Kraftstoff beaufschlagt wird, auf der Rückseite des beidseitig wirkenden Kolbens 24 befindet sich ein zweiter Druckraum 26, welcher von Kraftstoff beaufschlagt wird, der über einen Zulaufkanal 203 zuführbar ist. Die Leitung 29 dient zur Entlüftung. Weiterhin ist der zweite Druckraum 26 mit einem Kraftstoffablaufkanal 28 verbunden, über welchen der zweite Druckraum 26 entlastbar ist. Eine Modulationsventilsteuereinrichtung 204 z. B. ein 4/2- oder 3/2-Wegeventil ist für das wahlweise Öffnen des Ablaufkanals 28 zur Entlastung des zweiten Druckraums 26 über eine in dem Ablaufkanal 28 oder im Ventilkörper vorgesehene Drosselstelle 27 und zum Öffnen des Zulaufkanals 203 zur Beaufschlagung des zweiten Druckraums 26 vorgesehen. Der Zulaufkanal 203 ist vorzugsweise mit einer Quelle des von dem Hochdruckspeicher 3 unter hohem Druck gelieferten Kraftstoffs verbunden.

Zu Beginn des Einspritzvorgangs befindet sich der Ventilnadelkörper 22 in seiner Nullstellung, bei der er um ein geringes Maß aus dem Ventilsitz 21 angehoben ist. Die Nullstellung wird durch einen Anschlag des Ventilnadelkörpers 22 sichergestellt. Damit ist die Mindestöffnung zwischen Ventilnadelkörper 22 und Ventilsitz 21 immer vorhanden. Der dadurch freigegebene Mindestdurchgangsquerschnitt stellt sicher, daß zu Beginn des Einspritzvorgangs der Druck des von dem Hochdruckspeicher 3 kommenden Kraftstoffs nur auf ein solches Maß abgedrosselt wird, welches noch ein zuverlässiges und schnelles Öffnen der Einspritzdüse 7 des Kraftstoffeinspritzsystems sicherstellt. Die Modulationssteuerventileinrichtung 204 wird zu Beginn des Einspritzvorgangs so geschaltet, daß der zweite Druckraum 26 über den Kraftstoffablaufkanal 28 und die Drosselstelle 27 freigegeben wird, etwa zur Leckagemenge des Kraftstoffeinspritzsystems. Während des weiteren Verlaufs des Einspritzvorgangs kommt die Drosselwirkung des Durchgangsquerschnitts zwischen dem Ventilnadelkörper 22 und dem Ventilsitz 21 zunehmend zum Tragen. Der Druck des über den Kraftstoffzulaufkanal 206 zugeführten Kraftstoffs wird soweit gedrosselt, daß an der Einspritzdüse 7 ein niedrigerer Druck als im Hochdruckspeicher 3 vorliegt. Während des weiteren Einspritzvorgangs wird der Ventilnadelkörper 22 aufgrund des vom ersten Druckraum 25 auf den beidseitig wirkenden Kolben einwirkenden Kraftstoffs zunehmend angehoben. Dabei wird aus dem zweiten Druckraum 26 Kraftstoff über den Ablaufkanal 28 und die Drosselstelle 27 verdrängt, wobei die Drosselstelle 27 so bemessen ist, daß dieser Vorgang im wesentlichen über die gesamte Dauer des eigentlichen Einspritzvorgangs II, vergleiche Fig. 5b), andauert. Am Ende des Einspritzvorgangs wird der Ablauf 28 durch die Modulationssteuerventileinrichtung 204 wieder geschlossen. Die Modulationssteuerventileinrichtung 204 kann durch ein abwechselnd den Zulaufkanal 203 und den Ablaufkanal 28 freigegebenes Magnetventil gebildet sein, alternativ kann die Modulationssteuerventileinrichtung 204 auch direkt durch das Injektorsteuerventil des Kraftstoffinjektors gesteuert werden. Der zeitliche Verlauf des Kraftstoffmassenstroms bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung entspricht dem in Fig. 5b) gezeigten.

Fig. 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Modulationseinrichtung in Form eines Modulationsventils 30, das sowohl beim Injektor nach Fig. 1a als auch beim Injektor nach Fig. 1b zur Anwendung kommen kann. Ein Ventilnadelkörper 32 bildet zusammen mit einem Ventilsitz 31 einen variablen Durchgangsquerschnitt, welcher durch einen Anschlag auf ein Mindestmaß A in Nullstellung des Modulationsventils begrenzt ist. Der durch das Modulationsventil freigegebene Durchgangsquerschnitt begrenzt den Durchgang von Kraftstoff von einem Kraftstoffzulaufkanal 306 zu einem Kraftstoffablaufkanal 307, welche zusammen im Weg des Kraftstoffs zur Kraftstoffeinspritzdüse 7 des Kraftstoffinjektors liegen. Eine Verstelleinrichtung zur Steuerung des Ventilnadelkörpers 32 ist durch ein piezoelektrisch betätigtes Element 33 gebildet, welches den Ventilnadelkörper 32 in Abhängigkeit von einer an das piezoelektrisch betätigte Element 33 angelegten Steuerspannung verschiebt. Diese Steuerspannung wird durch eine in der Fig. 4 nicht gezeigte Steuereinheit erzeugt. Die Steuereinheit erzeugt die Steuerspannung in einer solchen Weise, daß das piezoelektrische Element das Modulationsventil 30 im Laufe des eigentlichen Einspritzvorgangs II zwischen Einspritzbeginn und Einspritzende zunehmend öffnet, vergleiche 5b), wobei ein zeitlicher Verlauf des Kraftstoffmassenstroms realisiert wird, wie er dort dargestellt ist.

Zu Beginn des Einspritzvorgangs befindet sich der Ventilnadelkörper 32 in seiner Nullstellung, so daß dieser um das Maß A von dem Ventilsitz 31 angehoben ist. Diese Mindestöffnung A des Modulationssteuerventils stellt sicher, daß zu Beginn des Einspritzvorgangs der Kraftstoffdruck nur auf ein solches Maß gedrosselt wird, daß die Einspritzdüse noch zuverlässig und schnell öffnet. Während des weiteren Verlaufs des Einspritzvorgangs kommt die Drosselwirkung des Durchgangsquerschnitts zwischen dem Ventilnadelkörper 32 und dem Ventilsitz 31 zum Tragen. Während des Einspritzvorgangs wird der Ventilnadelkörper 32 mittels des piezoelektrisch betätigten Elements 33 zunehmend angehoben, wobei dieses Anheben über die gesamte Dauer des eigentlichen Einspritzvorgangs II erfolgt. Am Ende des Einspritzvorgangs liegt der volle Kraftstoffdruck an der Einspritzdüse an, es ergibt sich ein Verlauf des Kraftstoffmassenstroms, wie er in Fig. 5b) dargestellt ist. Der Ventilnadelkörper 32 und der Ventilsitz 31 sind so ausgebildet, daß ein kleiner Verstellweg des piezoelektrische betätigten Elements 33 ausreicht, um den vollständigen Durchgangsquerschnitt des Modulationsventils herbeizuführen. Am Ende des Einspritzvorgangs wird der Ventilnadelkörper 32 mittels des piezoelektrischen Elements 33 in seine Nullstellung zurückgeführt, worauf der Einspritzvorgang dann wieder von vorn beginnen kann.

Claims (21)

1. Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Dieselmotor, mit einer Hochdruckpumpe (1) zur Förderung des Kraftstoffs aus einem Kraftstoffvorrat (2) in einen Hochdruckspeicher (3) und einem über eine Kraftstoffzuführungsleitung (4) an den Hochdruckspeicher (3) angeschlossenen Kraftstoffinjektor (5) zum Einspritzen des Kraftstoffs in den Brennraum der Brennkraftmaschine während eines Einspritzvorgangs, wobei der Kraftstoffinjektor (5) eine über einen Kraftstoffkanal (6) mit dem einzuspritzenden Kraftstoff beaufschlagte, die Einspritzlöcher enthaltende Einspritzdüse (7) enthält, gekennzeichnet durch eine in den Weg des Kraftstoffs zwischen Hochdruckspeicher (3) und Einspritzdüse (7) geschaltete steuerbare Modulationseinrichtung zur zeitabhängigen Steuerung der während des Einspritzvorgangs eingespritzten Kraftstoffmenge.

2. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationseinrichtung durch ein Modulationsventil (10; 20; 30) mit steuerbarem Durchgangsquerschnitt gebildet ist.

3. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Modulationsventil (10; 20; 30) einen Ventilsitz (11; 21; 31) und einen in Bezug auf den Ventilsitz (11; 21; 31) verschiebbaren Ventilnadelkörper (12; 22; 32) zur Erzeugung eines variablen Durchgangsquerschnitts zwischen Ventilsitz (11; 21; 31) und Ventilnadelkörper (12; 22; 32) in Abhängigkeit von der Lage des Ventilnadelkörpers (12; 22; 32) und eine Verstelleinrichtung (13; 23; 33) zur Verschiebung des Ventilnadelkörpers (12; 22; 32) gegenüber dem Ventilsitz (11; 21; 31) enthält.

4. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtung (13; 23) einen mit dem Ventilnadelkörper (12; 22) verbundenen, beidseitig von Kraftstoff beaufschlagten Kolben (14; 24) enthält, welcher den Ventilnadelkörper (12; 22) aufgrund einer resultierenden Kraftdifferenz der an seinen beiden Seiten wirkenden Druckkräfte verschiebt.

5. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Vorderseite des beidseitig wirkenden Kolbens (14; 24) ein von unter hohem Druck stehendem Kraftstoff in Öffnungsrichtung des Modulationsventils (10; 20) beaufschlagter erster Druckraum (15; 25) und auf der Rückseite des beidseitig wirkenden Kolbens (14; 24) ein von Kraftstoff in Schließrichtung beaufschlagter zweiter Druckraum (16; 26) vorgesehen sind, und daß ein mit einer Drosselstelle (17; 27) versehener Ablaufkanal (18; 28) zur Entlastung des zweiten Druckraums (16; 26) während der Verschiebung des beidseitig wirkenden Kolbens (14; 24) im Sinne eines Öffnens des Modulationsventils (10; 20) vorgesehen ist.

6. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Modulationsventil (10) eine auf den Ventilnadelkörper (12) im Sinne einer Verschiebung in Schließrichtung des Modulationsventils (10) einwirkende Feder (19) enthält.

7. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Druckraum (16) mit einem Zulaufkanal (101) zur Zuführung von Kraftstoff zu dem zweiten Druckraum (16) versehen ist, der ein nur in Richtung eines Zustroms von Kraftstoff zu dem zweiten Druckraum (16) bei einer Verschiebung des beidseitig wirkenden Kolbens (14) in Schließrichtung des Modulationsventils (10) durchgängiges Rückschlagventil (102) aufweist.

8. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Druckraum (16) mit Leckkraftstoff des Kraftstoffinjektors (5) beaufschlagbar ist.

9. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Modulationsventil (10) in den zur Einspritzdüse (7) führenden Kraftstoffkanal (6) eingefügt ist.

10. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Druckraum (26) einen Zulaufkanal (203) zur Zuführung von unter hohem Druck stehendem Kraftstoff im Sinne eines Schließens des Modulationsventils (20) aufweist, und daß eine Modulationssteuerventileinrichtung (204) zum wahlweisen Öffnen des Ablaufkanals (28) zur Entlastung des zweiten Druckraums (26) über die Drosselstelle (27) im Sinne eines Öffnens des Modulationsventils (20) und zum Öffnen des Zulaufkanals (203) zur Beaufschlagung des zweiten Druckraums (26) im Sinne eines Schließens des Modulationsventils (20) vorgesehen ist.

11. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationssteuerventileinrichtung (204) durch ein abwechselnd den Zulaufkanal (203) und den Ablaufkanal (28) freigebendes Magnetventil gebildet ist.

12. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationssteuerventileinrichtung (204) zur Steuerung durch das Injektorsteuerventil mit diesem gekoppelt ist.

13. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der beidseitig wirksame Kolben (24) auf seiner dem zweiten Druckraum (26) zugewandten Seite einen größeren wirksamen Querschnitt als auf der dem ersten Druckraum (25) zugewandten Seite aufweist.

14. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselstelle (17; 27) so bemessen ist, daß das Modulationsventil (10; 20) im wesentlichen während der gesamten Zeitdauer des Einspritzintervalls zwischen Einspritzbeginn und Einspritzende zunehmend geöffnet wird.

15. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtung (33) durch ein piezoelektrisch betätigtes Element gebildet ist, welches den Ventilnadelkörper (32) in Abhängigkeit von einer an das piezoelektrisch betätigte Element angelegten Steuerspannung verschiebt, und daß eine Steuereinheit zur Erzeugung der Steuerspannung vorgesehen ist.

16. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit die Steuerspannung so erzeugt, daß das piezoelektrische Element das Modulationsventil (30) im Laufe des Einspritzvorgangs zwischen Einspritzbeginn und Einspritzende zunehmend öffnet.

17. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß Ventilnadelkörper (32) und Ventilsitz (31) so ausgebildet sind, daß ein kleiner Verstellweg des piezoelektrisch betätigten Elements ausreicht, um das Modulationsventil (30) vollständig zu öffnen.

18. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationseinrichtung (10; 20; 30) die Kraftstoffmenge im Sinne einer zunehmenden Erhöhung der pro Zeiteinheit eingespritzten Kraftstoffmenge steuert.

19. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die pro Zeiteinheit eingespritzte Kraftstoffmenge während eines zwischen Einspritzbeginn und Einspritzende liegenden Zeitintervalls z. B. linear erhöht wird.

20. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Modulationsventil (10; 20; 30) zwischen einem minimalen Öffnungsquerschnitt, der jedoch größer als Null ist, und einem maximalen Öffnungsquerschnitt steuerbar ist.

21. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 20 in Verbindung mit einem der Ansprüche 3 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Modulationsventil (10; 20; 30) Mittel aufweist, um den Ventilnadelkörper (12; 22; 32) bei minimalem Öffnungsquerschnitt um ein kleines, definiertes Maß von dem Ventilsitz (11; 21; 31) des Modulationsventils (10; 20; 30) abzuheben.