DE19939420B4 - Kraftstoffeinspritzverfahren und -system für eine Brennkraftmaschine - Google Patents
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Abstract
Bei einem Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff mit mindestens zwei unterschiedlich hohen Kraftstoffdrücken über Injektoren (8) in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, wobei der höhere Kraftstoffdruck in einem zentralen Druckspeicher (6) gelagert wird, wird der tiefere Kraftstoffdruck jederzeit während des Einspritzvorganges durch Absteuern des höheren Kraftstoffdruckes lokal für jeden Injektor (8) einzeln erzeugt, wobei die Absteuerung über ein Wege-Ventil aktivierbar bzw. deaktivierbar ist. Ein entsprechendes Kraftstoffeinspritzsystem (1) mit einem zentralen Druckspeicher (6) zum Speichern des höheren Kraftstoffdruckes weist dazu für jeden Injektor (8) jeweils eine lokale Absteuereinheit (28) auf, mittels der aus dem höheren Kraftstoffdruck der tiefere Kraftstoffdruck dissipativ erzeugt werden kann, wobei die lokale Absteuereinheit (28) zur Aktivierung bzw. Deaktivierung der Absteuerung ein Wege-Ventil (9) aufweist. So kann eine verbesserte Dosierung des tieferen Kraftstoffdruckes erreicht werden.
Description
- Die Erfindung geht aus von einem Kraftstoffeinspritzverfahren für eine Brennkraftmaschine nach der Gattung des Patentanspruchs 1.
- Ein derartiges Einspritzsystem ist beispielsweise durch die
DE 196 12 737 A1 bekanntgeworden. - Zum besseren Verständnis der nachfolgenden Beschreibung werden zunächst einige Begriffe näher erläutert: Bei einem druckgesteuerten Kraftstoffeinspritzsystem wird durch den im Düsenraum eines Injektors herrschenden Kraftstoffdruck ein Ventilkörper (z.B, eine Düsennadel) gegen die Wirkung einer Schließkraft aufgesteuert und so die Einspritzöffnung für eine Einspritzung des Kraftstoffes freigegeben. Der Druck, mit dem Kraftstoff aus dem Düsenraum in den Zylinder austritt, wird als Einspritzdruck bezeichnet. Unter einem hubgesteuerten Kraftstoffeinspritzsystem wird im Rahmen der Erfindung verstanden, daß das Öffnen und Schließen der Einspritzöffnung eines Injektors mit Hilfe eines verschieblichen Ventilglieds aufgrund des hydraulischen Zusammenwirkens der Kraftstoffdrücke in einem Düsenraum und in einem Steuerraum erfolgen. Weiterhin ist im folgenden eine Anordnung als zentral bezeichnet, wenn sie gemeinsam für alle Zylinder vorgesehen ist; und als lokal, wenn sie für nur einen einzelnen Zylinder vorgesehen ist.
- Bei dem aus der
DE 196 12 737 A1 bekannten Kraftstoffeinspritzsystem wird ein tieferer Kraftstoffdruck durch ein druckgesteuertes Absteuerventil erzeugt, das in einem relativ kleinen Druckbereich den im Hochdruckraum herrschenden Hochdruck zur Niederdruckseite hin absteuert. Das Absteuerventil umfasst einen Absteuerkolben mit einem zwischen zwei Steuerkanten mündenden Absteuerkanal, der mit einer Öffnung des Absteuerzylinders zusammenwirkt. Der Absteuerkolben wird durch den im Hochdruckraum herrschenden Kraftstoffdruck gegen die Wirkung einer Feder aufgesteuert, so dass in dem durch die Lage der Steuerkanten vorbestimmten Druckbereich die Absteuerung erfolgt und der im Hochdruckraum herrschende Kraftstoffdruck auf einem tieferen Druckplateau gehalten ist. Wenn die Steuerkanten die Öffnung überfahren haben, baut sich im Hochdruckraum der Kraftstoffdruck auf ein höheres Druckplateau auf. Bei diesem bekannten Kraftstoffeinspritzsystem sind der Öffnungsdruck des Absteuerventils und die Dauer des tieferen Druckplateaus durch die Feder und die Lage der Steuerkanten fest vorgegeben. - Aus der
DE 696 05 075 T2 ist ein Kraftstoffeinspritzsystem bekannt, bei dem zwei unterschiedliche Kraftstoffdrücke jeweils in einer Druckkammer gelagert sind. - Außerdem ist aus der
EP 0 711 914 A1 ein druckgesteuertes Kraftstoffeinspritzsystem bekannt, bei dem mit Hilfe einer Hochdruckpumpe Kraftstoff auf einen ersten hohen Kraft stoffdruck von etwa 1200 bar komprimiert und in einem ersten Druckspeicher gespeichert wird. Weiterhin wird der unter Hochdruck stehende Kraftstoff auch in einen zweiten Druckspeicher gefördert, in welchem durch Regelung seiner Kraftstoffzufuhr mittels eines 2/2-Wegventils ein zweiter hoher Kraftstoffdruck von ca. 400 bar aufrechterhalten wird. Über eine zentrale Ventilsteuereinheit und eine zentrale Verteilereinrichtung wird entweder der tiefere oder höhere Kraftstoffdruck in den Düsenraum eines Injektor geleitet. Dort wird durch den Druck ein federbelasteter Ventilkörper von seinem Ventilsitz abgehoben, so daß Kraftoff aus der Düsenöffnung austreten kann. Bei diesem bekannten Einspritzsystem kann der tiefere Kraftstoffdruck, z.B. für die Voreinspritzung, aufgrund von Leitungsverlusten der relativ langen Injektorzuleitungen nicht optimal dosiert werden. - Aus der WO 98/09068 A1 ist weiterhin ein hubgesteuertes Einspritzsystem bekannt, bei dem ebenfalls zwei Druckspeicher zur Lagerung der beiden Kraftstoffdrücke vorgesehen sind. Auch hier erfolgt die Zumessung des jeweiligen Kraftstoffdruckes über zentrale Ventileinheiten.
- Vorteile der Erfindung
- Um Öffnungszeitpunkt und -dauer der Einspritzung des tieferen Kraftstoffdrucks individuell einstellen zu können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den tieferen Kraftstoffdruck nicht zentral, sondern für jeden Injektor jeweils lokal über eine Absteuereinheit dissipativ zu erzeugen. Aufgrund der kurzen Leitung zwischen der lokalen Absteuereinheit und dem Düsenraum des Injektors sind Leitungsverluste auf ein Minimum reduziert. Aufgrund der lo kalen Erzeugung des tieferen Druckes ist kein zweiter Druckspeicher erforderlich. Weitere Vorteile bestehen in der guten Reproduzierbarkeit der Vor- und Nacheinspritzung mit dem tieferen Kraftstoffdruck sowie in einem verringerten Einfluß von Bauteiltoleranzen auf die Vor- und Nacheinspritzung.
- Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
- Zeichnung
- Verschiedene Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystemen, bei denen der tiefere Kraftstoffdruck für jeden Injektor einzeln dissipativ erzeugt wird, sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen:
-
1 ein erstes hubgesteuertes Kraftstoffeinspritzsystem für eine Einspritzung mit zwei unterschiedlich hohen Kraftstoffdrücken, mit jeweils einer lokalen Absteuereinheit und einem lokalen Akkumulatorraum für jeden Injektor; -
2 ein zweites hubgesteuertes Kraftstoffeinspritzsystem mit einer gegenüber1 modifizierten Druckerzeugung des höheren Kraftstoffdruckes; -
3 ein drittes hubgesteuertes Kraftstoffeinspritzsystem ohne lokalen Akkumulatorraum, aber mit einer gegenüber1 modifizierten lokalen Absteuereinheit für jeden Injektor; und -
4 ein der3 entsprechendes viertes Kraftstoffeinspritzsystem, allerdings mit druckgesteuerten Injektoren. - Beschreibung der Ausführungsbeispiele
- Bei dem in
1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel eines hubgesteuerten Kraftstoffeinspritzsystems1 fördert eine mengengeregelte Hochdruckpumpe2 Kraftstoff3 aus einem Vorratstank4 mit hohem Druck über eine Förderleitung5 in einen zentralen Druckspeicher6 (Hochdruck-Common-Rail), von dem mehrere, der Anzahl einzelner Zylinder entsprechende Hochdruckleitungen7 zu den einzelnen, in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragenden Injektoren8 (Einspritzeinrichtung) abführen. In1 ist lediglich einer der Injektoren8 näher dargestellt. Im Druckspeicher6 kann ein erster höherer Kraftstoffdruck von ca. 300 bar bis 1800 bar gelagert werden. - Der in der Hochdruckleitung
7 anstehende höhere Kraftstoffdruck wird mittels Bestromens eines 3/2-Wege-Ventils9 über eine Druckleitung10 in einen Düsenraum11 des Injektors8 geleitet. Die Einspritzung mit dem höheren Kraftstoffdruck (Haupteinspritzung) erfolgt mit Hilfe eines in einer Führungsbohrung axial verschiebbaren kolbenförmigen Ventilglieds12 (Düsennadel), dessen konische Ventildichtfläche13 mit einer Ventilsitzfläche am Injektorgehäuse zusammenwirkt und so die dort vorgesehenen Einspritzöffnungen14 verschließt. Innerhalb des Düsenraums11 ist eine in Öffnungsrichtung des Ventilglieds12 weisende Druckfläche des Ventilgliedes12 dem dort herrschenden Druck ausgesetzt, wobei sich der Düsenraum11 über einen Ringspalt zwischen dem Ventilglied12 und der Führungsbohrung bis an die Ventildichtfläche13 des Injektors8 fortsetzt. Durch den im Düsenraum11 herrschenden Druck wird das die Einspritzöffnungen14 abdichtende Ventilglied12 gegen die Wirkung einer Schließkraft (Schließfeder15 ) aufgesteuert, wobei der Federraum16 mittels einer Leckageleitung17 druckentlastet ist. Am Ventilglied12 greift koaxial zu der Schließfeder15 ein Druckstück18 an, das mit seiner der Ventildichtfläche13 abgewandten Stirnseite19 einen Steuerraum20 begrenzt. Der Steuerraum20 hat von der Druckleitung10 her einen Kraftstoffzulauf mit einer ersten Drossel21 und einen Kraftstoffablauf zu einer Druckentlastungsleitung22 mit einer zweiten Drossel23 , die durch ein Steuerorgan in Form eines 2/2-Wege-Ventils24 mit einer Leckageleitung25 verbindbar ist. Über den Druck im Steuerraum20 wird das Druckstück18 in Schließrichtung druckbeaufschlagt. Durch Betätigen (Bestromen) des 2/2-Wege-Ventils24 kann der Druck im Steuerraum20 abgebaut werden, so daß in der Folge der in Öffnungsrichtung auf das Ventilglied12 wirkende Druck im Düsenraum11 den in Schließrichtung auf das Ventilglied12 wirkenden Druck übersteigt. Die Ventildichtfläche13 hebt von der Ventilsitzfläche ab, so daß eine Einspritzung mit dem Kraftstoffdruck erfolgt. Dabei läßt sich der Entlastungsvorgang des Steuerraums20 und somit die Hubsteuerung des Ventilglieds12 über die Dimensionierung der beiden Drosseln21 ,23 beeinflussen. Durch Schließen des 2/2-Wege-Ventils24 wird die Einspritzung dann beendet. - Diese Einspritzung mit dem höheren Kraftstoffdruck (Haupteinspritzung) erfolgt bei bestromtem 3/2-Wege-Ventil
9 hubgesteuert über das 2/2-Wege-Ventil24 . Während der Haupteinspritzung wird ein nahe dem Düsenraum11 an die Druckleitung10 angeschlossener Akkumulatorraum26 mit dem unter dem höheren Kraftstoffdruck stehenden Kraftstoff gefüllt. Durch Umschalten des 3/2-Wege-Ventils9 zurück in den unbestromten Zustand wird die Haupteinspritzung beendet und die Druckleitung10 über ein auf einen zweiten tieferen Kraftstoffdruck (ca. 300 bar) eingestelltes Druckbegrenzungsventil27 mit der Leckageleitung25 verbunden. Die Leckageleitung25 dient der Druckentlastung und kann in den Vorratstank4 zurückführen. Infolge der Umschaltung baut sich der in der Druckleitung10 , im Akkumulatorraum26 und im Düsenraum11 zunächst noch herrschende höhere Kraftstoffdruck auf den tieferen Kraftstoffdruck ab. Dieser tiefere Kraftstoffdruck dient zur Vor- und/oder Nacheinspritzung (HC-Anreicherung zur Abgasnachbehandlung). - Die Einspritzung mit dem im Akkumulatorraum
26 gelagerten tieferen Kraftstoffdruck erfolgt bei unbestromtem 3/2-Wege-Ventil9 hubgesteuert über das 2/2-Wege-Ventil24 und kann entweder nach der Haupteinspritzung als Nacheinspritzung oder vor der Haupteinspritzung als Voreinspritzung erfolgen. Sofern der Akkumulatorraum26 auch nach einer Nacheinspritzung noch ausreichend mit unter Druck stehendem Kraftstoff gefüllt ist, kann dieser Kraftstoff beim nächsten Einspritzzyklus für eine Voreinspritzung genutzt werden. Die Größe des Akkumulatorraums26 ist an die Erfordernisse der Vor- und Nacheinspritzung angepaßt, wobei die Funktion des Akkumulatorraums26 auch eine genügend dimensionierte Druckleitung erfüllen kann. - Die in
1 insgesamt mit28 bezeichnete lokale Absteuereinheit aus 3/2-Wege-Ventil9 und Druckbegrenzungsventil27 kann entweder innerhalb des Injektorgehäuses (1a ) oder außerhalb (1b ) angeordnet sein. - Nachfolgend werden in der Beschreibung zu den weiteren Figuren lediglich die Unterschiede zum Kraftstoffeinspritzsystem nach
1 behandelt. Identische bzw. funktionsgleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet und werden nicht näher erläutert. - Das in
2 gezeigte Einspritzsystem30 entspricht mit Ausnahme der Erzeugung des höheren Kraftstoffdruckes dem Einspritzsystem1 . Die Hochdruckpumpe2 fördert Kraftstoff in einen ersten zentralen Druckspeicher31 (Niederdruck-Common-Rail). Der dort unter einem Druck von ca. 300 bis 1000 bar gelagerte Kraftstoff wird mittels einer zentralen Druckübersetzungseinheit auf den höheren Kraftstoffdruck (ca. 600 bis ca. 2000 bar) komprimiert und im zweiten zentralen Druckspeicher6 gelagert. Die Druckübersetzungseinheit umfaßt eine Ventileinheit32 zur Druckübersetzungsansteuerung, einen Druckübersetzer33 mit einem Druckmittel34 in Form eines verschieblichen Kolbenelements sowie zwei Rückschlagventile35 und36 . Das Druckmittel34 kann einenends mit Hilfe der Ventileinheit32 an den ersten Druckspeicher31 angeschlossen werden, so daß es durch den in einer Primärkammer37 befindlichen Kraftstoff einenends druckbeaufschlagt wird. Ein Differenzraum38 ist mittels einer Leckageleitung39 druckentlastet, so daß das Druckmittel34 zur Verringerung des Volumens einer Druckkammer40 in Kompressionsrichtung verschoben werden kann. Dadurch wird der in der Druckkammer40 befindliche Kraftstoff entsprechend dem Flächenverhältnis von Primärkammer37 und Druckkammer40 auf den höheren Kraftstoffdruck verdichtet und dem zweiten Druckspeicher6 zugeführt. Das Rückschlagventil35 verhindert den Rückfluß von komprimiertem Kraftstoff aus dem zweiten Druckspeicher6 . Wird die Primärkammer37 mit Hilfe der Ventileinheit32 an eine Leckageleitung41 angeschlossen, so erfolgen die Rückstellung des Druckmittels34 und die Wiederbefüllung der Druckkammer40 , die über das Rückschlagventil36 an den ersten Druckspeicher61 angeschlossen ist. Aufgrund der Druckverhältnisse in der Primärkammer37 und in der Druckkammer40 öffnet das Rückschlagventil36 , so daß die Druckkammer40 unter dem Kraftstoffdruck des ersten Druckspeichers61 steht und das Druckmittel34 hydraulisch in seine Ausgangsstellung zurückgefahren wird. Zur Verbesserung des Rückstellverhaltens können eine oder mehrere Federn in den Räumen37 ,38 und40 angeordnet sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Akkumulatorraum26 in der Druckleitung10 zwischen der lokalen Absteuereinheit28 und dem Zulauf zum Steuerraum20 angeordnet und ist die Ventileinheit32 lediglich beispielhaft als 3/2-Wege-Ventil dargestellt. - Anders als beim Einspritzsystem
30 weist das Einspritzsystem50 der3 eine modifizierte lokale Absteuereinheit51 und keinen Akkumulatorraum auf. Die Absteuereinheit51 umfaßt ein 3/2-Wegeventil52 , um den im zweiten Druckspeicher6 gelagerten höheren Kraftstoffdruck entweder durchzuschalten oder dissipativ mittels einer Drossel53 und eines auf den tieferen Kraftstoffdruck eingestellten und mit einer Leckageleitung54 verbundenen Druckbegrenzungsventils55 abzusteuern. Der jeweils anstehende Druck wird dann wie in1 über die Druckleitung10 zum hubgesteuerten Injektor8 weitergeleitet, wobei ein Rück schlagventil56 ein Abströmen des höheren Kraftstoffdruckes über das Rückschlagventil55 verhindert. - Das ansonsten dem Einspritzsystem
50 entsprechende Einspritzsystem60 (4 ) verwendet druckgesteuerte Injektoren61 , bei denen das Ventilglied12 allein durch den jeweils im Düsenraum11 herrschenden höheren bzw. tieferen Kraftstoffdruck aufgesteuert wird. Der jeweils nach der lokalen Absteuereinheit51 anstehende Kraftstoffdruck wird mittels eines in der Druckleitung10 angeordneten 3/2-Wege-Ventils62 durchgeschaltet. Eine Vor- oder Nacheinspritzung mit dem tieferen Kraftstoffdruck erfolgt bei bestromtem 3/2-Wege-Ventil52 und bestromtem 3/2-Wege-Ventil62 . Wird das 3/2-Wege-Ventil52 in den unbestromten Zustand zurückgeschaltet, kann auf eine Einspritzung mit dem höheren Kraftstoffdruck umgeschaltet werden. Am Ende der Haupteinspritzung kann das 3/2-Wege-Ventil52 entweder für eine Nacheinspritzung mit dem tieferen Kraftstoffdruck erneut bestromt werden, oder das 3/2-Wege-Ventil62 wird auf Leckage63 zurückgeschaltet. Dadurch werden die Druckleitung10 und der Düsenraum11 druckentlastet, so daß das federbelastete Ventilglied12 die Einspritzöffnungen14 wieder verschließt. - Bei einem Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff mit mindestens zwei unterschiedlich hohen Kraftstoffdrücken über Injektoren
8 in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, wobei der höhere Kraftstoffdruck in einem zentralen Druckspeicher6 gelagert wird, wird der tiefere Kraftstoffdruck jederzeit während des Einspritzvorganges durch Absteuern des höheren Kraftstoffdruckes lokal für jeden Injektor8 einzeln erzeugt, wobei die Absteuerung über ein Wege-Ventil aktivierbar bzw. deaktivierbar ist. Ein ent sprechendes Kraftstoffeinspritzsystem1 mit einem zentralen Druckspeicher6 zum Speichern des höheren Kraftstoffdruckes weist dazu für jeden Injektor8 jeweils eine lokale Absteuereinheit28 auf, mittels der aus dem höheren Kraftstoffdruck der tiefere Kraftstoffdruck dissipativ erzeugt werden kann, wobei die lokale Absteuereinheit28 zur Aktivierung bzw. Deaktivierung der Absteuerung ein Wege-Ventil9 aufweist. So kann eine verbesserte Dosierung des tieferen Kraftstoffdruckes erreicht werden.
Claims (10)
- Kraftstoffeinspritzsystem (
1 ;30 ;50 ;60 ) für eine Brennkraftmaschine, bei dem Kraftstoff mit zwei unterschiedlich hohen Kraftstoffdrücken in Brennräume der Brennkraftmaschine über Injektoren (8 ;61 ) eingespritzt werden kann, mit jeweils einer lokalen Absteuereinheit (28 ;51 ) für jeden Injektor (8 ;61 ), mittels der aus dem höheren Kraftstoffdruck der tiefere Kraftstoffdruck dissipativ erzeugt werden kann, wobei jede lokale Absteuereinheit (28 ;51 ) zur Aktivierung bzw. Deaktivierung der Absteuerung ein Absteuerventil aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Absteuerventil als elektrisch angesteuertes 3/2-Wege-Ventil (9 ;52 ) mit Anschlüssen für einen zentralen Druckspeicher (6 ), einer zu einem Düsenraum (11 ) des Injektors (8 ;61 ) führenden Druckleitung (10 ) und einer Leckageleitung (25 ;54 ) ausgebildet ist und dass in der Leckageleitung (25 ;54 ) ein auf den tieferen Kraftstoffdruck eingestelltes Druckbegrenzungsventil (27 ;55 ) angeordnet ist. - Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leckageleitung (
54 ) stromaufwärts des Druckbegrenzungsventils (55 ) über ein Rückschlagventil (56 ) mit der Druckleitung (10 ) verbunden ist. - Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem 3/2-Wege-Ventil (
52 ) und dem Druckbegrenzungsventil (55 ) eine Drossel (53 ) vorgesehen ist. - Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem zentralen Druckspeicher (
6 ) für den höheren Kraftstoffdruck mindestens ein weiterer Druckspeicher (61 ) mit nachgeschalteter Druckübersetzungseinheit vorgesehen ist. - Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckübersetzungseinheit mindestens ein Druckmittel (
34 ) mit einer Anordnung zur Wiederbefüllung aufweist. - Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lokale Absteuereinheit (
28 ;51 ) im Injektor (8 ;61 ) integriert ist. - Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lokale Absteuereinheit im Bereich des zentralen Druckspeichers (
6 ) für den höheren Kraftstoffdruck vorgesehen ist. - Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lokale Absteuereinheit (
28 ;51 ) an einer beliebigen Stelle zwischen dem zentralen Druckspeicher (6 ) für den höheren Kraftstoffdruck und dem Düsenraum (11 ) des Injektors (8 ;61 ) angeordnet ist. - Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektoren (
61 ) für eine Drucksteuerung ausgebildet sind. - Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektoren (
8 ) für eine Hubsteuerung ausgebildet sind.
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