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EP2156050B1 - Druckverstärkungssystem für mindestens einen kraftstoffinjektor - Google Patents

Druckverstärkungssystem für mindestens einen kraftstoffinjektor Download PDF

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Publication number
EP2156050B1
EP2156050B1 EP08749561A EP08749561A EP2156050B1 EP 2156050 B1 EP2156050 B1 EP 2156050B1 EP 08749561 A EP08749561 A EP 08749561A EP 08749561 A EP08749561 A EP 08749561A EP 2156050 B1 EP2156050 B1 EP 2156050B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pressure
pressure booster
chamber
booster piston
booster
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Not-in-force
Application number
EP08749561A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2156050A1 (de
Inventor
Dominik Kuhnke
Dirk Vahle
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2156050A1 publication Critical patent/EP2156050A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2156050B1 publication Critical patent/EP2156050B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
    • F02M63/02—Fuel-injection apparatus having several injectors fed by a common pumping element, or having several pumping elements feeding a common injector; Fuel-injection apparatus having provisions for cutting-out pumps, pumping elements, or injectors; Fuel-injection apparatus having provisions for variably interconnecting pumping elements and injectors alternatively
    • F02M63/0225—Fuel-injection apparatus having a common rail feeding several injectors ; Means for varying pressure in common rails; Pumps feeding common rails
    • F02M63/0265—Pumps feeding common rails
    • F02M63/027—More than one high pressure pump feeding a single common rail
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M59/00—Pumps specially adapted for fuel-injection and not provided for in groups F02M39/00 -F02M57/00, e.g. rotary cylinder-block type of pumps
    • F02M59/02—Pumps specially adapted for fuel-injection and not provided for in groups F02M39/00 -F02M57/00, e.g. rotary cylinder-block type of pumps of reciprocating-piston or reciprocating-cylinder type
    • F02M59/10—Pumps specially adapted for fuel-injection and not provided for in groups F02M39/00 -F02M57/00, e.g. rotary cylinder-block type of pumps of reciprocating-piston or reciprocating-cylinder type characterised by the piston-drive
    • F02M59/105—Pumps specially adapted for fuel-injection and not provided for in groups F02M39/00 -F02M57/00, e.g. rotary cylinder-block type of pumps of reciprocating-piston or reciprocating-cylinder type characterised by the piston-drive hydraulic drive
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M57/00—Fuel-injectors combined or associated with other devices
    • F02M57/02—Injectors structurally combined with fuel-injection pumps
    • F02M57/022—Injectors structurally combined with fuel-injection pumps characterised by the pump drive
    • F02M57/025—Injectors structurally combined with fuel-injection pumps characterised by the pump drive hydraulic, e.g. with pressure amplification
    • F02M57/026—Construction details of pressure amplifiers, e.g. fuel passages or check valves arranged in the intensifier piston or head, particular diameter relationships, stop members, arrangement of ports or conduits

Definitions

  • the invention relates to a pressure boosting system for at least one fuel injector of an internal combustion engine having a hydraulic pressure booster according to the preamble of claim 1.
  • a fuel injection system with pressure boosting in which a central hydraulic pressure booster is provided for all fuel injectors, is out EP 1125 046 B1 known.
  • the fuel delivered by means of a high-pressure pump is fed to a central pressure accumulator (first common rail).
  • the central pressure booster is connected downstream of the central pressure accumulator in the conveying direction of the fuel and supplies the pressure-intensified fuel to a further pressure accumulator (second common rail), from which several, corresponding to the number of injectors discharge pressure lines to the individual fuel injectors.
  • a pressure booster piston having a first piston portion with a first pressure booster piston part with a larger diameter and a second piston portion with a second pressure booster piston part with a small diameter D 22 .
  • the one pressure booster piston part acts on a high pressure chamber and the other pressure booster piston part acts on a controllable from a switching valve control chamber or differential pressure chamber.
  • the pressure intensifier piston is guided axially movable within a base body.
  • the pressure intensifier piston is assigned to the pressure booster piston part with the larger diameter on the opposite end side of a pressure surface which is exposed to a working space which acts as a hydraulic storage space and which is acted upon by the system pressure of the first common rail.
  • a fuel injection system in which the fuel is conveyed by a high-pressure pump in an accumulator volume.
  • This accumulator volume provides fuel at a first injectable pressure level for a plurality of injectors.
  • the injection system comprises a hydraulic pressure booster with an intensifier piston exposed to fuel in the pressure control chamber on one side. A second end of the smaller effective area piston than the first side is connected to the boost chamber.
  • a piston guide with surrounding annular space is provided in the region of the base body.
  • a disadvantage of the known pressure booster system is the relatively large amount of control for controlling the pressure booster. If a translated injection pressure is required for multiple injections of small injection quantities, the control chamber or differential pressure chamber is required of the booster with each injection to relieve. This results in a large tozusteuemde control amount, which is thus attributable to the amount lost in the injection system. Multiple injections within the scope of a cylinder stroke movement are only possible within a narrow window in terms of time, since with each triggering of the pressure intensifier the differential pressure chamber must again fill up with fuel. In addition, as the injection pressures increase, the amount of leakage increases in proportion to the fourth power across the gap width in the pressure boost piston guide, adversely affecting the hydraulic efficiency of such fuel injection systems.
  • the object of the present invention is to minimize the loss quantities occurring due to leaks at guide gaps, in order to thus increase the efficiency of the pressure boosting of the fuel injection system.
  • the object of the invention is achieved with the characterizing measures of claim 1.
  • the hydraulic pressure intensifier used has a piston guide body formed on the main body for at least one of the pressure intensifier piston parts, which is at least partially surrounded by an annular space, which in turn is part of the hydraulic storage space. The same pressure prevails in the annulus as in the hydraulic storage space. Due to the surrounding annular space, in particular in the state of pressure transmission, the piston guide body receives an externally acting support pressure, as a result of which inner piston guides are opened or expanded less widely. As a result, the guide gaps are reduced and the leakage amount is minimized.
  • a component load induced in the guide body is thereby reduced to the differential pressure between the storage volume and the high-pressure volume, so that the expense with regard to a high-pressure-resistant design and execution of the entire hydraulic booster can be reduced.
  • the pressure booster system according to the invention is also optimized on the part of the space requirement for individual system components. Overall, a significant increase in the overall efficiency of the pressure boosting system is achieved.
  • the first pressure booster piston part with the larger diameter D 21 is provided on the pressure boosting High pressure chamber and the second pressure booster piston part with the smaller diameter D 22 acts on the control chamber, and that the first pressure booster piston part with the larger diameter D 21 adjacent to the hydraulic storage space.
  • the high-pressure chamber is arranged inside the piston guide body.
  • the high-pressure chamber is delimited by a spring-loaded high-pressure sleeve, which is guided axially movably on the pressure intensifier piston and is set against the piston guide body at a sealing point. The diameter of the sealing point is less than or equal to a diameter D 21 of the first pressure booster piston part of the pressure booster piston.
  • the control chamber of the booster is executed within the piston guide body and pressurized by the second pressure booster piston part with the smaller diameter D 22 .
  • control chamber and high-pressure chamber can also be provided vice versa, in which case the second pressure booster piston part with the smaller diameter D 22 acts on the high-pressure chamber provided for pressure boosting and the first pressure booster piston part with the larger diameter D 21 on the control chamber.
  • the high-pressure chamber is formed inside the piston guide body. The control chamber, which is acted upon by the pressure intensifier piston part with the larger diameter D 21 , then adjoins the hydraulic storage space.
  • a filling line is provided in all embodiments, which branches off from the hydraulic storage space and via which the control chamber and / or the high-pressure chamber are refilled after the pressure translation phase.
  • the pressure intensifier is provided centrally for a plurality of fuel injectors and is arranged between a high-pressure pump and a high-pressure accumulator. Due to a modular design of high-pressure pump, pressure booster, high-pressure accumulator and fuel injector, such a central pressure booster can be used on all known installation spaces of internal combustion engines. Due to the arrangement of the central hydraulic pressure booster between the high-pressure pump and high-pressure accumulator (common rail), the central pressure booster per injection cycle one
  • the central pressure intensifier can be designed in its high-pressure delivery to the maximum possible injection quantity of at least one fuel injector.
  • the hydraulic storage space is filled directly from the high-pressure pump via a high-pressure inlet with fuel.
  • the main body, in which the hydraulic storage space is formed may be constructed in one or more parts.
  • the volume of the hydraulic storage space is designed so that the pressure drop is reduced during fuel extraction and the pressure oscillations are damped from the pump delivery to a tolerable for the pressure gain level.
  • At least one bore leads to at least one filling valve.
  • the filling valve is in turn connected via a bore with the hydraulic storage space.
  • From the storage space at least one connecting bore extends to a valve and from there to the control room.
  • From the high-pressure chamber there is at least one hydraulic connection to a high-pressure valve, from where at least one outlet runs to the high-pressure accumulator.
  • the pressure booster piston is acted upon by a return spring, which moves it back into its initial position, so that it rests with one end against a limit stop.
  • the spring force of the return spring is designed such that the high pressure piston of the central pressure booster is brought back to its initial position at the stop limit after the pressure boost at a sufficiently high speed.
  • the pressure in the storage space of the high pressure pump via the inlet further constructed by check valves on the high-pressure flow to the high pressure accumulator from there, the fuel reaches the fuel injectors in a first switching position of a switching valve.
  • the pressure booster is not activated, so that the pumped by the high-pressure pump fuel passes in the bypass operation of the booster to the high-pressure accumulator (common rail).
  • the pressure booster will be activated.
  • the switching valve which is a 3/2-way valve, electrically, hydraulically or pneumatically operated brought into a second switching position. In this second switching position, the control chamber of the pressure booster is connected to the pressure relief via the switching valve with a pressure booster return.
  • FIG. 1 shown fuel injection system shows a modular design of a high-pressure injection system 10, which can be applied, for example, to all installation spaces of internal combustion engines.
  • the high-pressure injection system 10 comprises a fuel tank 12, from which fuel is conveyed via a high-pressure pump 14, which is supplied to a hydraulic pressure booster 16.
  • the hydraulic pressure booster 16 is connected via a pressure booster inlet 44 on the one hand with the already mentioned high-pressure pump 14 and applied on the other hand a high-pressure accumulator 18 (common rail).
  • the high-pressure accumulator 18 are in one of the standing under system pressure fuel to be supplied number of fuel injectors corresponding number of connecting lines to fuel injectors 20, which in the illustration FIG. 1 are indicated only schematically.
  • the central hydraulic pressure booster 16 supplies according to FIG. 1 thus all fuel injectors 20 with pressure-translated fuel.
  • the fuel under high pressure is indicated by the arrows - into the combustion chamber of a self-igniting: internal combustion engine injected.
  • On the return side there is an injector return 22 on the fuel injector 20 into which a pressure booster return 24, which is connected to a switching valve 26, for example a 3/2-way valve, opens.
  • Both the pressure booster return 24 and the injector return 22 provide the low pressure side of the fuel injection system as shown in FIG FIG. 1 in which the discarded amount, be it control amount or leakage amount, is returned to the fuel tank 12.
  • the pressure booster 16 Due to the arrangement of the central pressure booster 16 between the high-pressure pump 14 and the high pressure accumulator 18, the pressure booster 16 per injection cycle of a fuel injector 20 only once with the switching valve 26 to control. As a result, the amount of control or leakage is significantly reduced depending on the number of injections.
  • the high pressure pump 14 has less fuel to deliver and can be made smaller.
  • the pressure booster 16 is designed in its high-pressure delivery to the maximum possible injection quantity of at least one of the fuel injectors 20.
  • the hydraulic pressure booster 16 according to FIG. 2 comprises a base body 30, which may be constructed in one or more parts.
  • a hydraulic storage space 48 is integrated in the main body 30, a hydraulic storage space 48 is integrated.
  • the hydraulic storage chamber 48 is acted upon by the high-pressure pump 14 via the pressure booster inlet 44 with fuel.
  • the storage volume of the hydraulic storage chamber 48 is designed so that the pressure drop is reduced and can be pressure vibrations resulting from the promotion of the high-pressure pump 14, damped to an endurable for the pressure amplification measure.
  • the central pressure amplifier 16 further comprises a pressure booster piston 32.
  • This in turn comprises a first piston portion with a first pressure booster piston part 54, designed in diameter D 21 , and a second piston portion with a second pressure booster piston part 56, designed in diameter D 22nd
  • the pressure amplifier 16 also includes a high-pressure chamber 50 for pressure boosting or pressure transmission and a control chamber 52, the latter being also referred to as the differential pressure chamber.
  • a piston guide body 36 is formed, which is surrounded by an annular space 49.
  • the annular space 49 is part of the hydraulic storage space 48 and extends in the axial direction over the guide length for the pressure booster piston 32 within the base body 30.
  • the pressure that rests in the hydraulic storage chamber 48 and is provided by the high-pressure pump 14, represents a mean pressure compared to the increased pressure in the high-pressure chamber 50 and the prevailing in the control chamber 52 low pressure, which occurs when driving the control chamber 52 sets due to the derivation of the control amount via the pressure booster return 24.
  • the pressure booster piston 32 acts with a first pressure surface on the first pressure booster piston part 54 with the larger diameter D 21 on the high-pressure chamber 50 and a second pressure surface on the second pressure booster piston part 56 with the smaller diameter D 22 on the control chamber 52 a.
  • the pressure booster piston 32 acts with the first pressure surface on the first pressure booster piston part 54 with the larger diameter D 21 on the control chamber 52 and with a second pressure surface on the second pressure booster piston part 56 with the smaller diameter D 22 on the high-pressure chamber 52 a.
  • the pressure booster piston 32 is acted upon by a restoring spring 34, which on the other hand is supported on the piston guide body 36 on the one hand and a collar 33 formed on the pressure booster piston part 56 on the other hand.
  • the pressure booster piston 32, the return spring 34 and the piston guide body 36 are in turn arranged in the storage space 48, that this surrounds the piston guide body 36 in the region of the leadership of the pressure booster piston 32, expediently in the region of the first pressure booster piston part 54 formed with diameter D 21.
  • a high-pressure drain 46 which extends to the high-pressure accumulator 18 (common rail).
  • a high pressure valve 40 which is designed as a check valve and a return flow of fuel prevents the pressure amplifier 16.
  • From the high-pressure chamber 50 of the high-pressure amplifier 16 further extends a line to the switching valve 26, in which a filling valve 38 is received, via which the high-pressure chamber 50 is filled via a filling line 58 starting from the storage space 48 again with fuel.
  • Another line connects a further connection of the switching valve 26 with the control chamber 52. The refilling of the control chamber 52 after the pressure relief on actuation of the switching valve 26 via the further line according to the in FIG. 2 illustrated switching position of the switching valve 26, also via the filling line 58 from the storage space 48 starting.
  • the return spring 34 which is arranged between the guide body 36 and a collar 33 on the pressure booster piston 32, pushes the pressure booster piston 32 in its initial position, so that it rests with a stop limit 42 on the base body 30.
  • the spring force of the return spring 34 is designed so that the pressure booster piston 32 is brought back to the starting position at the stop limit 42 after the pressure boost at a sufficiently high speed.
  • the pressure amplifier 16 is to be controlled.
  • the switching valve 26 is brought electrically, hydraulically or pneumatically in a second switching position.
  • the control chamber 52 is connected to the pressure booster return 24.
  • the filling valve 38 in turn is closed in the direction of the pressure booster return 24. If the pressure in the high-pressure chamber 50 rises above the pressure on the side of the high-pressure drain 46, the compressed fuel is conveyed further into the high-pressure accumulator 18 (common rail) by the high-pressure valve 40.
  • the high-pressure accumulator 18 is thus filled with the increased pressure from the high-pressure chamber 50 from there, the fuel injectors 20 are then acted upon by the increased fuel pressure, so that the injection via the fuel injectors with the overlying the delivery pressure of the high-pressure pump 14 fuel pressure.
  • the pressure in the high-pressure chamber 50 increases until a force equilibrium is again established at the pressure intensifier piston 32.
  • the control chamber 52 Upon deactivation of the switching valve 26, the control chamber 52 is hydraulically connected to the storage space 48 again. Due to this hydraulic connection, the pressure in the control chamber 52 increases and the pressure booster piston 32 terminates the process of pressure transmission according to the pressure transmission ratio i in the high pressure chamber 50. At the same time, the high pressure valve 40 closes due to the upcoming pressure difference. The spring force of the return spring 34 now presses the pressure booster piston 32 with the stop limit 42 to the main body 30 of the pressure booster 16. During this period fuel is sucked from the storage space 48 via the filling valve 38 into the high-pressure chamber 50. If the pressure booster piston 32 has reached the limit stop 42, the switching valve 26 can be actuated for renewed pressure transmission. Before reaching the stop limit 42, although a renewed control is possible, but not meaningful due to the then still indefinite reset position of a first pressure booster piston part 54 and a second pressure booster piston part 56 having pressure booster piston 32.
  • FIG. 3 The figure sequence of Figures 3.1 to 3.4 shows the operating phases of the booster 16 according to FIG. 2 , namely starting position, pressure ratio, refilling and again the starting position.
  • the storage space 48 in the main body 30 is pressurized via the pressure booster inlet 44 with pressurized fuel.
  • the pressure that prevails in the storage space 48 is available via the filling line 58 both in the control chamber 52 and via the filling valve 38 in the high-pressure chamber 50.
  • the in Figur3.1 illustrated initial position of the pressure booster 16 is not activated by the switching valve 26. How out Figure 3.1 it can be seen, the memory space 48 and the control chamber 52 are short-circuited due to the switching position of the switching valve 26.
  • Figure 3.2 shows the self-adjusting activation of the booster 16 during a pressure booster operation.
  • the switching valve 26 is energized and the .Steuerraum 52 with the booster return 24, ie the low-pressure region of the fuel injection system 10utz..Afar the pressure relief of the control chamber 52.
  • the .Steuerraum 52 with the booster return 24, ie the low-pressure region of the fuel injection system 10 makes..Aperfect the pressure relief of the control chamber 52.
  • the stockpiled in the high pressure chamber 50 fuel by further retraction of the pressure booster piston 32, in particular the first pressure booster piston part 54 is compressed.
  • the pressure prevailing in the high-pressure chamber 50 maximum pressure is derived via the high-pressure valve 40 in the high-pressure drain 46 and passes from there to in Figure 3.2 not shown high-pressure accumulator 18 (common rail).
  • An outflow of the fuel from the high pressure chamber 50 is not possible contrary to the effective direction of the filling valve 38. This locks in the direction of medium pressure, which in Figure 3.2 Port geometry shown on the switching
  • Figure 3.3 shows in contrast a refilling phase of the pressure booster, wherein the switching valve 26 again in his in Figure 3.1 shown switching position is switched back.
  • Out Figure 3.3 shows that the storage space 48 is pressurized via the pressure booster inlet 44 continuously with pressurized, according to the pressure level of the high-pressure pump 14 pre-compressed fuel.
  • the fuel stored in the storage space 48 flows via the filling line 58 and via the switching valve 26 both to the control chamber 52 and fills it, as well as the high-pressure chamber via the filling valve 38, so that in this again fuel is filled.
  • the pressure booster piston 32 moves with its first pressure booster piston part 54 and its second pressure booster piston part 56 back to its original position Figure 3.4 back, in which the stopper limit 42 touches the inside of the base body 30.
  • FIG. 4 shows that according to this embodiment, the pressure booster 16 includes the base body 30 in which the piston guide body 36 is formed.
  • the main body 30 of the storage space 48 is formed, which via the pressure booster inlet 44 of the in FIG. 1 shown high pressure pump 14 is acted upon by the highest pressure level stagnant pressure.
  • the pressure booster piston 32 In the storage space 48 is also the pressure booster piston 32, on which the collar 33 is executed, on which the return spring 34 is supported.
  • the return spring 34 On the other hand, is supported on an annular surface, the piston guide body 36 from.
  • the number of leakage points to the low pressure at the pressure booster piston 32 is higher.
  • the time of pressure boosting as in Figure 3.2 shown, are present at the guides two leakage points of high pressure and medium pressure to return pressure level.
  • the pressure booster with reversed control and high pressure chamber 52 and 50 respectively based on the embodiment of Figure 2, a refilling of the control chamber 52 through the storage chamber 48, the filling line 58, the short circuit on the switching valve 26, while refilling the by Reference numeral 50 designated high-pressure chamber through the filling valve 38 from the storage space 48 takes place.
  • the high-pressure outlet is designated by reference numeral 46 and the pressure-valve return associated with the switching valve 26 is designated by reference numeral 24.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of the booster 16, wherein the high-pressure chamber 50 is limited by a high-pressure sleeve 60.
  • the high-pressure chamber 50 is limited by the piston guide body 36 is in the in FIG. 5 illustrated embodiment of the booster 16 of the high-pressure chamber 50 bounded by a first pressure booster piston part 54 recorded high-pressure sleeve 60.
  • the high-pressure sleeve 60 is acted upon by a biasing spring 64. This is based as well as the return spring 34 on the collar 33 of the first pressure booster piston part 54 of the pressure booster piston 32 from.
  • the biasing spring 64 By the action of the biasing spring 64 is a biting edge of the high-pressure sleeve 60, forming a sealing point 62, employed against the piston guide body 3.6.
  • the return spring 34 which is supported on the collar 33 of the first pressure booster piston part 54, passes through the entire storage space 48 and is supported on the base body 30.
  • the second pressure booster piston part 56 of the pressure booster piston 32 projects into the piston guide body 36.
  • the high pressure sleeve 60 takes over in addition to the sealing of the high pressure chamber 50 via the sealing point 62, the filling function of the high pressure chamber 50.
  • a constructive advantage of this variant is the fact that the high pressure sleeve 60 is guided by the pressure booster piston 32.
  • the sealing diameter at the sealing point 62 must always be smaller or at most the same size as the piston diameter of the first pressure booster piston part 54, ie D 21 . So that the high-pressure sleeve 60 is always held in a defined starting position, this is acted upon by the biasing spring 64.
  • the design of the spring force for the biasing spring 64 is interpreted as a function of the spring force of the return spring 34 and the remaining annular surface between the sealing point 62 and the piston diameter of the second pressure booster piston part 56 D 22 .
  • the refilling of the control chamber 52 can in this embodiment in principle via the high-pressure chamber 50, the filling line 66 and by using the short circuit switching position of the switching valve 26, as in FIG. 5 shown, done. Due to the lifting movement of the high pressure sleeve 60 when refilling the high pressure chamber 50, this can perform uncontrolled opening and closing movements. Without suitable countermeasures, this would lead to high wear on the sealing point 62 and on the guidance of the pressure booster piston 32, which negatively influenced the function of the embodiment of the pressure booster 16. With a suitable adjustment of seat geometry and pressure level, a clean switching function is ensured.
  • the high-pressure valve 40 is received, which is formed in this embodiment as a check valve.
  • the high pressure sleeve 60 is also used to limit the high pressure chamber 50.
  • This includes an external recess in which a Hubanschlagelement 70 which is fixed to the piston guide body 36 engages, and thus defines the maximum Axialhub 68 of the high-pressure sleeve 60 relative to the piston guide body 36. If the high-pressure sleeve 60 has passed through its maximum permissible stroke 68, the stroke stop element 70 limits further lifting movements.
  • the Hubanschlagelement 70 between the return spring 34 and the piston guide body 36 is arranged. The biasing force of the return spring 34 prevents lifting of the Hubanschlagiatas 70 of the bearing surface on the piston guide body 36, which is part of the base body 30 of this embodiment of the booster 16.
  • a bypass 72 is located on the piston guide body 36 between the storage space 48 and the working space of the high-pressure sleeve 60
  • FIG. 6 illustrated embodiment of the booster 16
  • the connection of the storage chamber 48 extends to the control chamber 52 via the preferably designed as a 3/2-way valve switching valve 26. This closes the low-pressure side pressure booster return 24 in the in FIG.
  • the biasing spring 64 and the return spring 34 are based on the collar 33 of the first booster piston part 54 from.
  • the storage space 48 which acts on the guide body 36 with an externally acting support pressure to keep the leakage amounts low, is analogous to the above-described embodiments of the pressure booster 16 via the pressure booster inlet 44 from the high pressure pump 14 (see illustration FIG. 1 ).

Landscapes

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Abstract

Es wird ein Druckverstärkungssystem für mindestens einen Kraftstoffinjektor eines Hochdruckeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine mit einem hydraulischen Druckverstärker (16), der von einem Schaltventil (26) angesteuert wird vorgeschlagen. Der hydraulische Druckverstärker ist mit einem Druckverstärkerkolben (32) ausgeführt, der einen ersten Druckverstärkerkolbenteil (54) mit einem Durchmesser D21 und einen zweiten Druckverstärkerkolbenteil (56) mit einem Durchmesser D22 aufweist, wobei der Durchmesser D21 größer ist als der Durchmesser D22. Der Druckverstärkerkolben (32) ist mit dem ersten Druckverstärkerkolbenteil (54) mit dem größeren Durchmesser D21 innerhalb eines mit Druck beaufschlagten hydraulischen Speicherraumes (48) angeordnet, der wiederum innerhalb eines Grundkörpers (30) ausgebildet ist. Der Grundkörper (30) weist einen Kolbenführungskörper (36) für mindestens einen der Druckverstärkerkolbenteile (54, 56) auf. Der Kolbenführungskörper (36) ist zumindest teilweise von einem Ringraum (49) umgeben, der Teil des hydraulischen Speicherraums (48) ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Druckverstärkungssystem für mindestens einen Kraftstoffinjektor einer Brennkraftmaschine mit einem hydraulischen Druckverstärker nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
    • Stand der Technik
  • Ein Kraftstoffeinspritzsystem mit Druckverstärkung, bei dem für alle Kraftstoffinjektoren ein zentraler hydraulischer Druckverstärker vorgesehen ist, ist aus EP 1125 046 B1 bekannt. Dabei wird der mittels einer Hochdruckpumpe geförderte Kraftstoff einem zentralen Druckspeicher (erstes Common-Rail) zugeführt. Der zentrale Druckverstärker ist dem zentralen Druckspeicher in Förderrichtung des Kraftstoffs nachgeschaltet und führt den druckverstärkten Kraftstoff einem weiteren Druckspeicher (zweites Common-Rail) zu, von dem aus mehrere, der Anzahl der Injektoren entsprechende Druckleitungen zu den einzelnen Kraftstoffinjektoren abführen. Der in EP 1125 046 B1 beschriebene zentrale Druckverstärker, aber auch die weiterhin bekannten, in Kraftstoffinjektoren integrierte Druckverstärker (z. B. DE 103 25620 A1 ), weisen einen Druckverstärkerkolben auf, der einen ersten Kolbenabschnitt mit einem ersten Druckverstärkerkolbenteil mit einem größeren Durchmesser und einen zweiten Kolbenabschnitt mit einem zweiten Druckverstärkerkolbenteil mit einem kleinen Durchmesser D22 besitzt. Der eine Druckverstärkerkolbenteil wirkt dabei zur Druckverstärkung auf einen Hochdruckraum und der andere Druckverstärkerkolbenteil auf einen von einem Schaltventil ansteuerbaren Steuerraum bzw. Differenzdruckraum ein. Dabei ist der Druckverstärkerkolben innerhalb eines Grundkörpers axial beweglich geführt. Dem Druckverstärkerkolben ist an dem Druckverstärkerkolbenteil mit dem größeren Durchmesser an der gegenüberliegenden Stirnseite eine Druckfläche zugeordnet, die einem Arbeitsraum ausgesetzt ist, der als hydraulischer Speicherraum wirkt und der mit dem Systemdruck des ersten Common-Rails beaufschlagt ist.
  • Aus US 2006/0150954 ist weiterhin ein Kraftstoffeinspritzsystem bekannt, in dem der Kraftstoff von einer Hochdruckpumpe in ein Druckspeichervolumen befördert wird. Dieses Druckspeichervolumen stellt Kraftstoff auf einem ersten injizierbaren Druckniveau für eine Mehrzahl von Injektoren bereit. Das Einspritzsystem umfasst einen hydraulischen Druckverstärker mit einem Verstärkerkolben, der auf einer Seite Kraftstoff in der Druckkontrollkammer ausgesetzt ist. Ein zweites Ende des Kolbens mit kleinerer effektiver Fläche als die erste Seite ist mit der Verstärkungskammer verbunden. Weiterhin ist im Bereich des Grundkörpers eine Kolbenführung mit umgebendem Ringraum vorgesehen.
  • Nachteilig bei den bekannten Druckverstärkungssystem ist die relativ große Steuermenge zur Ansteuerung des Druckverstärkers. Wird für Mehrfacheinspritzungen kleiner Einspritzmengen eine übersetzter Einspritzdruck benötigt, ist der Steuerraum bzw. Differenzdruckraum des Druckverstärkers mit jeder Einspritzung zu entlasten. Dadurch ergibt sich eine große abzusteuemde Steuermenge, die somit der Verlustmenge im Einspritzsystem zuzurechnen ist. Mehrfacheinspritzungen im Rahmen einer Zylinderhubbewegung sind zeitlich auch nur innerhalb eines eng bemessenen Fensters möglich, da sich mit jeder Ansteuerung des Druckverstärkers dessen Differenzdruckraum wieder mit Kraftstoff füllen muss. Darüber hinaus erhöht sich mit steigenden Einspritzdrücken die Verlustmenge proportional zur vierten Potenz über die Spaltbreite In der Führung des Druckverstärkerkolbens, was den hydraulischen Wirkungsgrad derartiger Kraftstoffeinspritzsysteme negativ beeinflusst.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die aufgrund von Leckagen an Führungsspalten auftretenden Verlustmengen zu minimieren, um somit den Wirkungsgrad der Druckverstärkung des Kraftstoffeinspritzsystems zu erhöhen.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Die Aufgabe der Erfindung wird mit den kennzeichnenden Maßnahmen des Anspruchs 1 gelöst. Der eingesetzte hydraulische Druckverstärker weist einen am Grundkörper ausgebildeten Kolbenführungskörper für mindestens einen der Druckverstärkerkolbenteile auf, welcher zumindest teilweise von einem Ringraum umgeben ist, der wiederum Teil des hydraulischen Speicherraums ist. Im Ringraum herrscht somit der gleiche Druck wie im hydraulischen Speicherraum. Durch den umgebenden Ringraum erhält insbesondere im Zustand der Druckübersetzung der Kolbenführungskörper einen von außen einwirkenden Stützdruck, wodurch innenliegende Kolbenführungen weniger weit öffnen bzw. aufgeweitet werden. Folglich werden die Führungsspalte reduziert und die Leckagemenge minimiert. Außerdem wird dadurch eine im Führungskörper induzierte Bauteilbelastung auf den Differenzdruck zwischen Speichervolumen und Hochdruckvolumen reduziert, so dass der Aufwand hinsichtlich einer hochdruckfesten Auslegung und Ausführung des gesamten hydraulischen Druckverstärkers verringert werden kann. Das erfindungsgemäße Druckverstärkungssystem ist außerdem seitens des Bauraumbedarfs für einzelne Systemkomponenten optimiert. Insgesamt wird eine erhebliche Steigerung des Gesamtwirkungsgrades des Druckverstärkungssystems erreicht.
  • Durch die Maßnahmen der Unteransprüche sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung möglich.
  • Dabei ist der erste Druckverstärkerkolbenteil mit dem größeren Durchmesser D21 auf den zur Druckverstärkung vorgesehenen Hochdruckraum und der zweite Druckverstärkerkolbenteil mit dem kleineren Durchmesser D22 auf den Steuerraum einwirkt, und dass der erste Druckverstärkerkolbenteil mit dem größeren Durchmesser D21 an den hydraulischen Speicherraum angrenzt. Gemäß einer Ausführungsvariante ist der Hochdruckraum innerhalb des Kolbenführungskörpers angeordnet. Gemäß einer anderen Ausführungsvariante ist der Hochdruckraum von einer federbeaufschlagten Hochdruckhülse begrenzt, die an dem Druckverstärkerkolben axial beweglich geführt und an einer Dichtstelle an den Kolbenführungskörper angestellt ist. Der Durchmesser der Dichtstelle ist dabei kleiner oder gleich einem Durchmesser D21 des ersten Druckverstärkerkolbenteiles des Druckverstärkerkolbens. Bei diesen Ausführungsformen ist der Steuerraum des Druckverstärkers innerhalb des Kolbenführungskörpers ausgeführt und vom zweiten Druckverstärkerkolbenteil mit dem kleineren Durchmesser D22 druckbeaufschlagt.
  • Die Anordnung von Steuerraum und Hochdruckraum kann auch umgekehrt vorgesehen sein, wobei dann der zweite Druckverstärkerkolbenteil mit dem kleineren Durchmesser D22 auf den zur Druckverstärkung vorgesehenen Hochdruckraum und der erste Druckverstärkerkolbenteil mit dem größeren Durchmesser D21 auf den Steuerraum einwirkt. Der Hochdruckraum ist dabei innerhalb des Kolbenführungskörpers ausgebildet. Der Steuerraum, auf den der Druckverstärkerkolbenteil mit dem größeren Durchmesser D21 einwirkt, grenzt dann an den hydraulischen Speicherraum an.
  • Weiterhin ist bei allen Ausführungsformen eine Befüllleitung vorgesehen, welche vom hydraulischen Speicherraum abzweigt und über welche der Steuerraum und/oder der Hochdruckraum nach der Druckübersetzungsphase wiederbefüllt werden.
  • Besonders vorteilhaft ist es, dass der Druckverstärker zentral für mehrere Kraftstoffinjektoren vorgesehen und zwischen einer Hochdruckpumpe und einem Hochdruckspeicher angeordnet ist. Bedingt durch einen modularen Aufbau von Hochdruckpumpe, Druckverstärker, Hochdruckspeicher und Kraftstoffinjektor lässt sich ein derart zentraler Druckverstärker an allen bekannten Bauräumen von Brennkraftmaschinen einsetzen. Durch die Anordnung des zentralen hydraulischen Druckverstärkers zwischen Hochdruckpumpe und Hochdruckspeicher (Common-Rail) ist der zentrale Druckverstärker pro Einspritzzyklus eines
  • Kraftstoffinjektors nur einmal anzusteuern. Dadurch wird die Steuermenge und die Leckagemenge in Abhängigkeit von der Anzahl der Einspritzungen erheblich reduziert. Aufgrund dieses Umstandes kann auch die Hochdruckpumpe kleiner dimensioniert ausgeführt werden, da weniger Kraftstoff zu fördern ist, da die Anzahl der Wiederbefüllphasen des Steuerraumes des zentralen hydraulischen Druckverstärkers erheblich reduziert ist.
  • Der zentrale Druckverstärker kann dadurch in seiner Hochdruckfördermenge auf die maximal mögliche Einspritzmenge mindestens eines Kraftstoffinjektors ausgelegt werden.
  • Zweckmäßig ist weiterhin, wenn der hydraulische Speicherraum von der Hochdruckpumpe über einen Hochdruckzulauf direkt mit Kraftstoff befüllt wird. Der Grundkörper, in dem der hydraulische Speicherraum ausgebildet ist, kann ein- oder mehrteilig aufgebaut sein. Das Volumen des hydraulischen Speicherraums ist dabei so auszulegen, dass der Druckabfall bei Kraftstoffentnahme reduziert wird und die Druckschwingungen aus der Pumpenförderung auf ein für die Druckverstärkung tolerables Maß gedämpft werden.
  • Vom Hochdruckraum des zentralen Druckverstärkers führt mindestens eine Bohrung zu mindestens einem Füllventil. Das Füllventil ist seinerseits über eine Bohrung mit dem hydraulischen Speicherraum verbunden. Vom Speicherraum verläuft mindestens eine Verbindungsbohrung zu einem Ventil und von dort zum Steuerraum. Aus dem Hochdruckraum heraus besteht mindestens eine hydraulische Verbindung zu einem Hochdruckventil, von wo mindestens ein Ablauf zum Hochdruckspeicher verläuft.
  • Der Druckverstärkerkolben ist durch eine Rückstellfeder beaufschlagt, die diesen in dessen Ausgangslage zurückbewegt, so dass dieser mit einem Ende an einer Anschlagsbegrenzung anliegt. Die Federkraft der Rückstellfeder ist derart ausgelegt, dass der Hochdruckkolben des zentralen Druckverstärkers nach der Druckverstärkung mit ausreichend hoher Geschwindigkeit wieder in seine Ausgangsstellung an der Anschlagsbegrenzung gebracht wird.
  • Bei Einspritzdrücken unterhalb des maximalen Förderdrucks der Hochdruckpumpe wird in einer ersten Schaltstellung eines Schaltventils der Druck im Speicherraum von der Hochdruckpumpe über den Zulauf weiter durch Rückschlagventile über den Hochdruckablauf zum Hochdruckspeicher aufgebaut Von dort gelangt der Kraftstoff zu den Kraftstoffinjektoren. Während dieses Betriebs ist der Druckverstärker nicht angesteuert, so dass der von der Hochdruckpumpe geförderte Kraftstoff im Bypassbetrieb des Druckverstärkers zum Hochdruckspeicher (Common-Rail) gelangt.
  • Sind Einspritzdrücke gefordert, die über dem Maximalförderdruck der Hochdruckpumpe liegen, wird der Duckverstärker anzusteuern. Dazu wird das Schaltventil, bei dem es sich um ein 3/2-Wege-Ventil handelt, elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch betätigt in eine zweite Schaltstellung gebracht. In dieser zweiten Schaltstellung wird der Steuerraum des Druckverstärkers zur Druckentlastung über das Schaltventil mit einem Druckverstärkerrücklauf verbunden.
    • Ausführungsbeispiele
  • Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
  • Es zeigen:
    • Figur 1
    eine Systemaufbau eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einem zentralen hydraulischen Druckverstärker,
    Figur 2
    ein erstes Ausführungsbeispiel eines hydraulischen Druckverstärkers,
    Figur 3.1
    die Ausgangsstellung des hydraulischen Druckverstärkers gemäß Figur 2,
    Figur 3.2
    die Druckübersetzungsphase des hydraulischen Druckverstärkers gemäß Figur 2,
    Figur 3.3
    eine Wiederbefüllphase des erfindungsgemäß vorgeschlagenen hydraulischen Druckverstärkers gemäß Figur 2,
    Figur 3.4
    die Ausgangsstellung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen hydraulischen Druckverstärkers gemäß Figur 2,
    Figur 4
    ein zweites Ausführungsbeispiel des hydraulischen Druckverstärkers, welches nicht Teil der Erfindung ist,
    Figur 5
    eine drittes Ausführungsbeispiel des hydraulischen Druckverstärkers und
    Figur 6
    eine viertes Ausführungsbeispiel des hydraulischen Druckverstärkers.
  • Das in Figur 1 dargestellte Kraftstoffeinspritzsystem zeigt eine modulare Bauweise eines Hochdruckeinspritzsystems 10, das beispielsweise an allen Bauräumen von Brennkraftmaschinen appliziert werden kann. Das Hochdruckeinspritzsystem 10 umfasst einen Kraftstofftank 12, aus welchem über eine Hochdruckpumpe 14 Kraftstoff gefördert wird, der einem hydraulischen Druckverstärker 16 zugeleitet wird. Der hydraulische Druckverstärker 16 ist über einen Druckverstärkerzulauf 44 einerseits mit der bereits erwähnten Hochdruckpumpe 14 verbunden und beaufschlagt andererseits einen Hochdruckspeicher 18 (Common-Rail). Im Hochdruckspeicher 18 befinden sich in einer der mit unter Systemdruck stehendem Kraftstoff zu versorgenden Anzahl von Kraftstoffinjektoren entsprechenden Anzahl Anschlussleitungen zu Kraftstoffinjektoren 20, die in der Darstellung gemäß Figur 1 nur schematisch angedeutet sind. Der zentrale hydraulische Druckverstärker 16 versorgt gemäß Figur 1 somit alle Kraftstoffinjektoren 20 mit druckübersetzten Kraftstoff. Es ist aber auch denkbar, die nachfolgend beschriebenen hydraulischen Druckverstärker 16 dezentral in denjeweiligen Kraftstoffinjektor 20 zu integrieren.
  • Am brennraumseitigen Ende der Kraftstoffinjektoren wird der unter hohem Druck stehende Kraftstoff- angedeutet durch die Pfeile - in den Brennraum einer selbstzundenden:Bennkraftmaschine eingespritzt. Rücklaufseitig befindet sich am Kraftstoffinjektor 20 ein Injektorrücklauf 22, in welchen ein Druckverstärkerrücklauf 24, der an einem Schaltventil 26, beispielsweise ein 3/2-Wege-Ventil angeschlossen ist, mündet. Sowohl der Druckverstärkerrücklauf 24 als auch der Injektorrücklauf 22 stellen die Niederdruckseite des Kraftstoffeinspritzsystems gemäß der Darstellung in Figur 1 dar, in welchen die abgesteuerte Menge, sei es Steuermenge oder Leckagemenge, in den Kraftstofftank 12 zurückgefördert wird.
  • Bedingt durch die Anordnung des zentralen Druckverstärkers 16 zwischen der Hochdruckpumpe 14 und dem Hochdruckspeicher 18 ist der Druckverstärker 16 pro Einspritzzyklus eines Kraftstoffinjektors 20 nur einmal mit dem Schaltventil 26 anzusteuern. Dadurch wird die Steuer- oder Leckagemenge in Abhängigkeit von der Anzahl der Einspritzungen erheblich reduziert. Die Hochdruckpumpe 14 hat weniger Kraftstoff zu fördern und kann kleiner dimensioniert werden. Der Druckverstärker 16 ist in seiner Hochdruckfördermenge auf die maximal mögliche Einspritzmenge von mindestens einem der Kraftstoffinjektoren 20 auszulegen.
  • Der hydraulische Druckverstärker 16 gemäß Figur 2 umfasst einen Grundkörper 30, der ein- oder mehrteilig aufgebaut sein kann. Im Grundkörper 30 ist ein hydraulischer Speicherraum 48 integriert. Der hydraulische Speicherraum 48 wird über den Druckverstärkerzulauf 44 von der Hochdruckpumpe 14 mit Kraftstoff beaufschlagt. Das Speichervolumen des hydraulischen Speicherraums 48 ist so ausgelegt, dass der Druckabfall reduziert wird und sich Druckschwingungen, die sich aus der Förderung der Hochdruckpumpe 14 ergeben, auf ein für die Druckverstärkung erträgliches Maß dämpfen lassen.
  • Der zentrale Druckverstärker 16 umfasst weiterhin einen Druckverstärkerkolben 32. Dieser wiederum umfasst einen ersten Kolbenabschnitt mit einem ersten Druckverstärkerkolbenteil 54, ausgelegt im Durchmesser D21, sowie einen zweiten Kolbenabschnitt mit einem zweiten Druckverstärkerkolbenteil 56, ausgelegt im Durchmesser D22. Der Druckverstärker 16 umfasst außerdem einen Hochdruckraum 50 zur Druckverstärkung bzw. Druckübersetzung sowie einen Steuerraum 52, wobei letzterer auch als Differenzdruckraum bezeichnet wird. Am Grundkörper 30 ist ein Kolbenführungskörper 36 ausgebildet, der von einem Ringraum 49 umgeben ist. Im Kolbenführungskörper 36 ist beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 der erste Druckverstärkerkolbenteil 54 mit dem Durchmesser D21 und der zweite Druckverstärkerkolbenteil 56 mit dem Durchmesser D22 axial beweglich geführt. Der Ringraum 49 ist Teil des hydraulischen Speicherraums 48 und erstreckt sich in axialer Richtung über die Führungslänge für den Druckverstärkerkolben 32 innerhalb des Grundkörpers 30. Dadurch wirkt der im hydraulischen Speicherraum 48 anliegende Druck von außen auf den Kolbenführungskörper 36. Der Druck, der im hydraulischen Speicherraum 48 anliegt und von der Hochdruckpumpe 14 bereitgestellt wird, stellt einen Mitteldruck dar im Vergleich zu dem verstärkten Druck im Hochdruckraum 50 und dem im Steuerraum 52 herrschenden Niederdruck, der sich bei Ansteuern des Steuerraums 52 aufgrund des Ableitens der Steuermenge über den Druckverstärkungsrücklauf 24 einstellt.
  • Das Druckübersetzungsverhältnis i des Druckverstärkers 16 gemäß der in Figur 2 dargestellten Prinzipskizze ergibt sich zu: i = D 21 2 / D 21 2 - D 22 2
    Figure imgb0001
  • Bei den Ausführungsbeispielen in Figur 1 und 2 sowie 5 und 6 wirkt der Druckverstärkerkolben 32 mit einer ersten Druckfläche am ersten Duckverstärkerkolbenteil 54 mit dem größeren Durchmesser D21 auf den Hochdruckraum 50 und mit einer zweiten Druckfläche am zweiten Druckverstärkerkolbenteil 56 mit dem kleineren Durchmesser D22 auf den Steuerraum 52 ein. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 ist es umgekehrt. Dort wirkt der Druckverstärkerkolben 32 mit der ersten Druckfläche am ersten Duckverstärkerkolbenteil 54 mit dem größeren Durchmesser D21 auf den Steuerraum 52 und mit einer zweiten Druckfläche am zweiten Druckverstärkerkolbenteil 56 mit dem kleineren Durchmesser D22 auf den Hochdruckraum 52 ein.
  • Der Druckverstärkerkolben 32 ist durch eine Rückstellfeder 34 beaufschlagt, die sich am Kolbenführungskörper 36 einerseits und einem am Druckverstärkerkolbenteil 56 ausgebildeten Bund 33 andererseits abstützt. Der Druckverstärkerkolben 32, die Rückstellfeder 34 und der Kolbenführungskörper 36 sind ihrerseits so im Speicherraum 48 angeordnet, dass dieser den Kolbenführungskörper 36 im Bereich der Führung des Druckverstärkerkolbens 32 umgibt, zweckmäßigerweise im Bereich des mit Durchmesser D21 ausgebildeten ersten Druckverstärkerkolbenteils 54. Durch diese Maßnahme sind die Führungen des Druckverstärkerkolbens 32 von außen zum Zeitpunkt der Druckverstärkung durch einen Stützdruck beaufschlagt Dieser Stützdruck von außen bewirkt, dass sich aufgrund des im Inneren des Druckverstärkers 16 herrschenden Druckes vergrößerte Führungsspiel weniger aufweitet, was andernfalls zu einem unerwünschten Abströmen von Führungsleckage führen würde, was wiederum den hydraulischen Wirkungsgrad des Druckverstärkers 16 negativ beeinflussen würde.
  • Vom Hochdruckraum 50 zweigt ein Hochdruckablauf 46 ab, der sich zum Hochdruckspeicher 18 (Common-Rail) erstreckt. Im Hochdruckablauf 46 befindet sich ein Hochdruckventil 40, welches als Rückschlagventil ausgebildet ist und ein Rückströmen von Kraftstoff zum Druckverstärker 16 verhindert. Vom Hochdruckraum 50 des Hochdruckverstärkers 16 erstreckt sich weiterhin eine Leitung zum Schaltventil 26, in der ein Füllventil 38 aufgenommen ist, über welches der Hochdruckraum 50 über eine Befüllleitung 58 ausgehend vom Speicherraum 48 wieder mit Kraftstoff befüllt wird. Eine weitere Leitung verbindet einen weiteren Anschluss des Schaltventils 26 mit dem Steuerraum 52. Die Wiederbefüllung des Steuerraumes 52 nach dessen Druckentlastung bei Betätigung des Schaltventils 26 erfolgt über die weitere Leitung gemäß der in Figur 2 dargestellten Schaltstellung des Schaltventils 26, auch über die Befüllleitung 58 vom Speicherraum 48 ausgehend.
  • Die Rückstellfeder 34, die zwischen dem Führungskörper 36 und einem Bund 33 am Druckverstärkerkolben 32 angeordnet ist, drückt den Druckverstärkerkolben 32 in dessen Ausgangslage, so dass dieser mit einer Anschlagsbegrenzung 42 am Grundkörper 30 anliegt. Die Federkraft der Rückstellfeder 34 ist so ausgelegt, dass der Druckverstärkerkolben 32 nach der Druckverstärkung mit ausreichend hoher Geschwindigkeit wieder in die Ausgangsstellung an der Anschlagsbegrenzung 42 gebracht wird.
  • Bei Einspritzdrücken unterhalb des maximalen Förderdruckes der Hochdruckpumpe 14 wird in der in Figur 1 und 2 dargestellten ersten Schaltstellung des Schaltventils 26 der Druck der Hochdruckpumpe 14 über den Druckverstärkerzulauf 44 in den Speicherraum 48 und von dort weiter über die als Rückschlagventile ausgebildeten Hochdruckventile 38, 40 über den Hochdruckablauf 46 zum Hochdruckspeicher 18 gefördert. Von dort aus gelangt der Kraftstoff zu den mit unter Systemdruck stehendem Kraftstoff zu versorgenden Kraftstoffinjektoren 20. Der von der Hochdruckpumpe 14 verdichtete Kraftstoff gelangt somit im so genannten Bypassbetrieb von der Hochdruckpumpe 14 direkt zum Hochdruckspeicher 18 (Common-Rail), d.h. der Druckverstärker 16 ist in diesem Betriebsmodus nicht aktiv.
  • Um Einspritzdrücke über dem Maximalförderdruck der Hochdruckpumpe 14 zu erreichen, ist der Druckverstärker 16 anzusteuern. Dazu wird das Schaltventil 26 elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch in eine zweite Schaltstellung gebracht. In dieser Schaltstellung des Schaltventils 26 wird der Steuerraum 52 mit dem Druckverstärkerrücklauf 24 verbunden. Kraftstoff strömt aus dem druckentlasteten Steuerraum 52 über das Schaltventil 26 in den Druckverstärkerrücklauf 24 ab und von dort in den in Figur 1 dargestellten Niederdruckbereich des Kraftstoffeinspritzsystems zurück in den Kraftstofftank 12. Aufgrund der Druckabsenkung im Steuerraum 52 wird der Druckverstärkerkolben 32 entgegen der Federkraft der Rückstellfeder 34 axial bewegt, so dass das erste Druckverstärkerkolbenteil 54, ausgebildet im Durchmesser D21, in den Hochdruckraum 50. drückt und dort den Druck erhöht. Das Füllventil 38 wiederum ist dabei in Richtung des Druckverstärkerrücklaufs 24 geschlossen. Steigt der Druck dabei im Hochdruckraum 50 über den Druck auf der Seite des Hochdruckablaufes 46 hin an, wird der verdichtete Kraftstoff durch das Hochdruckventil 40 weiter in den Hochdruckspeicher 18 (Common-Rail) gefördert. Der Hochdruckspeicher 18 wird somit mit dem erhöhten Druck aus dem Hochdruckraum 50 befüllt Von dort werden dann die Kraftstoffinjektoren 20 mit dem erhöhten Kraftstoffdruck beaufschlagt, so dass die Einspritzung über die Kraftstoffinjektoren mit dem über dem Förderdruck der Hochdruckpumpe 14 liegenden Kraftstoffdruck erfolgt. Der Druck im Hochdruckraum 50 steigt so lange an, bis sich erneut ein Kräftegleichgewicht am Druckverstärkerkolben 32 einstellt.
  • Bei Deaktivierung des Schaltventils 26 wird der Steuerraum 52 wieder mit dem Speicherraum 48 hydraulisch verbunden. Aufgrund dieser hydraulischen Verbindung steigt der Druck im Steuerraum 52 an und der Druckverstärkerkolben 32 beendet den Vorgang der Druckübersetzung gemäß des Druckübersetzungsverhältnisses i im Hochdruckraum 50. Gleichzeitig schließt sich auch das Hochdruckventil 40 aufgrund der anstehenden Druckdifferenz. Die Federkraft der Rückstellfeder 34 drückt nun den Druckverstärkerkolben 32 mit der Anschlagsbegrenzung 42 an den Grundkörper 30 des Druckverstärkers 16. Während dieser Zeitspanne wird Kraftstoff aus dem Speicherraum 48 über das Füllventil 38 in den Hochdruckraum 50 angesaugt. Ist der Druckverstärkerkolben 32 an der Anschlagsbegrenzung 42 angelangt, kann das Schaltventil 26 zur erneuten Druckübersetzung angesteuert werden. Vor Erreichen der Anschlagsbegrenzung 42 ist zwar eine erneute Ansteuerung möglich, aber aufgrund der dann noch unbestimmten Rückstellposition des einen ersten Druckverstärkerkolbenteil 54 und einen zweiten Druckverstärkerkolbenteil 56 aufweisenden Druckverstärkerkolbens 32 nicht sinnvoll.
  • Die Figurensequenz der Figuren 3.1 bis 3.4 zeigt die Betriebsphasen des Druckverstärkers 16 gemäß Figur 2, nämlich Ausgangsstellung, Druckübersetzung, Wiederbefüllphase sowie erneut die Ausgangsstellung. Bei Figur 3.1 ist der Speicherraum 48 im Grundkörper 30 über den Druckverstärkerzulauf 44 mit unter Druck stehendem Kraftstoff beaufschlagt. Der Druck, der im Speicherraum 48 herrscht, steht über die Befüllleitung 58 sowohl im Steuerraum 52 als auch über das Füllventil 38 im Hochdruckraum 50 an. In der in Figur3.1 dargestellten Ausgangsstellung ist der Druckverstärker 16 durch das Schaltventil 26 nicht aktiviert. Wie aus Figur 3.1 hervorgeht, sind aufgrund der Schaltstellung des Schaltventils 26 der Speicherraum 48 und der Steuerraum 52 kurzgeschlossen.
  • Figur 3.2 zeigt die sich einstellende Aktivierung des Druckverstärkers 16 während eines Druckübersetzungsvorgangs. Dazu wird das Schaltventil 26 bestromt und der .Steuerraum 52 mit dem Druckverstärkerrücklauf 24, d.h. dem Niederdruckbereich des Kraftstoffeinspritzsystems 10 verbunden..Aufgrund der Druckentlastung des Steuerraumes 52.fährt der zweite Druckverstärkerkolbenteil 56 in den Steuerraum 52 ein, so dass der im Hochdruckraum 50 bevorratete Kraftstoff durch weiteres Einfahren des Druckverstärkerkolbens 32, insbesondere des ersten Druckverstärkerkolbenteiles 54, komprimiert wird. Der im Hochdruckraum 50 herrschende Höchstdruck wird über das Hochdruckventil 40 in den Hochdruckablauf 46 abgeleitet und gelangt von dort zum in Figur 3.2 nicht dargestellten Hochdruckspeicher 18 (Common-Rail). Ein Abströmen des Kraftstoffes aus dem Hochdruckraum 50 ist entgegen der Wirkrichtung des Füllventils 38 nicht möglich. Dieses sperrt in Richtung Mitteldruck ab, die in Figur 3.2 dargestellte Anschlussgeometrie am Schaltventil 26 zum Niederdruck.
  • Figur 3.3 zeigt demgegenüber eine Wiederbefüllungsphase des Druckverstärkers, wobei das Schaltventil 26 wieder in seine in Figur 3.1 dargestellte Schaltstellung zurückgeschaltet ist. Aus Figur 3.3 geht hervor, dass der Speicherraum 48 über den Druckverstärkerzulauf 44 kontinuierlich mit unter Druck stehendem, entsprechend des Druckniveaus der Hochdruckpumpe 14 vorverdichteten Kraftstoff beaufschlagt ist. Der in dem Speicherraum 48 bevorratete Kraftstoff strömt über die Befüllleitung 58 und über das Schaltventil 26 sowohl dem Steuerraum 52 zu und befüllt diesen, als auch dem Hochdruckraum über das Füllventil 38 zu, so dass in diesem ebenfalls wieder Kraftstoff eingefüllt wird. Aufgrund der Wirkung der Rückstellfeder 34, die sich einerseits am Kolbenführungskörper 36 und andererseits am Bund 33 des Druckverstärkerkolbens 32 abstützt, fährt der Druckverstärkerkolben 32 mit seinem ersten Druckverstärkerkolbenteil 54 und seinem zweiten Druckverstärkerkolbenteil 56 wieder in seine Ausgangslage gemäß Figur 3.4 zurück, in der die Anschlagbegrenzung 42 die Innenseite des Grundkörpers 30 berührt.
  • In der in Figur 3.4 dargestellten Ausgangsstellung herrschen dieselben Druck- und Hubverhältnisse wie bereits im Zusammenhang mit der in Figur 3.1 dargestellten Ausgangsstellung des Druckverstärkers 16 beschrieben, so dass sich weitere Ausführungen dazu erübrigen.
  • Der Darstellung gemäß Figur 4 ist eine Ausführungsform , welche nicht Teil der Erfindung ist, mit vertauschtem Steuer- und Hochdruckraum zu entnehmen. Figur 4 zeigt, dass gemäß dieser Ausführungsform der Druckverstärker 16 den Grundkörper 30 umfasst, in dem der Kolbenführungskörper 36 ausgebildet ist. Im Grundkörper 30 ist der Speicherraum 48 ausgebildet, der über den Druckverstärkerzulauf 44 von der in Figur 1 dargestellten Hochdruckpumpe 14 mit unter deren Höchstdruckniveau stehendem Druck beaufschlagt wird. Im Speicherraum 48 befindet sich darüber hinaus der Druckverstärkerkolben 32, an dem der Bund 33 ausgeführt ist, an dem sich die Rückstellfeder 34 abstützt. Die Rückstellfeder 34. stützt sich andererseits an einer Ringfläche, des Kolbenführungskörpers 36 ab.
  • Im Unterschied zur in Figur 2 dargestellten Ausführungsform des Druckverstärkers 16 wird in der Ausführungsform gemäß Figur 4 der Hochdruckraum 50 durch den zweiten Druckverstärkerkolbenteil 56 mit dem kleinen Durchmesser D22 begrenzt, während der Steuerraum 52 durch den ersten Druckverstärkerkolbenteil 54 des Druckverstärkerkolbens 32 mit dem größeren Durchmesser D21 begrenzt wird. Durch diese Änderung im Vergleich zur Ausführungsform gemäß Figur 2 ergibt sich ein geändertes Druckübersetzungsverhältnis i gemäß nachfolgender Beziehung: i = D 21 / D 22 2
    Figure imgb0002
  • Bei dieser Ausführungsform ist die Anzahl der Leckagestellen zum Niederdruck am Druckverstärkerkolben 32 höher. Zum Zeitpunkt der Druckverstärkung, wie in Figur 3.2 dargestellt, liegen an den Führungen zwei Leckagestellen von Hochdruck und Mitteldruck auf Rücklaufdruckniveau vor.
  • Bei dieser Ausführungsform des Druckverstärkers mit vertauschtem Steuer- und Hochdruckraum 52 beziehungsweise 50, jeweils bezogen auf die Ausführungsform gemäß Figur 2, erfolgt eine Wiederbefüllung des Steuerraumes 52 durch den Speicherraum 48, die Befüllleitung 58, den Kurzschluss am Schaltventil 26, während eine Wiederbefüllung des durch Bezugszeichen 50 bezeichneten Hochdruckraumes durch das Füllventil 38 vom Speicherraum 48 aus erfolgt. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass auch gemäß dieser Ausführungsform des Druckverstärkers 16 der Hochdruckablauf durch Bezugszeichen 46 gekennzeichnet ist und der dem Schaltventil 26 zugeordnete Druckverstärkerrücklauf mit Bezugszeichen 24 bezeichnet ist.
  • Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Druckverstärkers 16, bei dem der Hochdruckraum 50 durch eine Hochdruckhülse 60 begrenzt ist. Im Unterschied zu den in den Figuren 2 und 4 dargestellten Ausführungsformen des Druckverstärkers 16, bei denen der Hochdruckraum 50 durch den Kolbenführungskörper 36 begrenzt ist, wird in der in Figur 5 dargestellten Ausführungsform des Druckverstärkers 16 der Hochdruckraum 50 durch eine am ersten Druckverstärkerkolbenteil 54 aufgenommene Hochdruckhülse 60 begrenzt. Die Hochdruckhülse 60 ist durch eine Vorspannfeder 64 beaufschlagt. Diese stützt sich ebenso wie die Rückstellfeder 34 am Bund 33 des ersten Druckverstärkerkolbenteiles 54 des Druckverstärkerkolbens 32 ab. Durch die Wirkung der Vorspannfeder 64 ist eine Beißkante der Hochdruckhülse 60, eine Dichtstelle 62 bildend, gegen den Kolbenführungskörper 3.6 angestellt. Die Rückstellfeder 34, die sich am Bund 33 des ersten Druckverstärkerkolbenteiles 54 abstützt, durchzieht den gesamten Speicherraum 48 und stützt sich am Grundkörper 30 ab. Der zweite Druckverstärkerkolbenteil 56 des Druckverstärkerkolbens 32 ragt in den Kolbenführungskörper 36 hinein.
  • Bei dem in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiel übernimmt die Hochdruckhülse 60 zusätzlich zur Abdichtung des Hochdruckraumes 50 über die Dichtstelle 62 die Befüllfunktion des Hochdruckraumes 50. Ein konstruktiver Vorteil dieser Variante ist der Umstand, dass die Hochdruckhülse 60 durch den Druckverstärkerkolben 32 geführt ist. Dazu muss der Dichtdurchmesser an der Dichtstelle 62 stets kleiner oder maximal gleich groß sein wie der Kolbendurchmesser des ersten Druckverstärkerkolbenteiles 54, d.h. D21. Damit die Hochdruckhülse 60 stets in einer definierten Ausgangsstellung gehalten wird, ist diese durch die Vorspannfeder 64 beaufschlagt. Die Auslegung der Federkraft für die Vorspannfeder 64 ist in Abhängigkeit von der Federkraft der Rückstellfeder 34 und der verbleibenden Ringfläche zwischen der Dichtstelle 62 und dem Kolbendurchmesser des zweiten Druckverstärkerkolbenteiles 56 D22 auszulegen. Je kleiner diese verbleibende Ringfläche bei gleichbleibender Federkraft der Rückstellfeder 34 wird, umso geringer darf die Federkraft sein, die durch die Vorspannkraft 64 auf die Hochdruckhülse 60 ausgeübt wird.
  • Die Wiederbefüllung des Steuerraums 52 kann in dieser Ausführungsform prinzipiell über den Hochdruckraum 50, die eine Befüllleitung 66 sowie unter Nutzung der Kurzschlussschaltstellung des Schaltventils 26, wie in Figur 5 dargestellt, erfolgen. Bedingt durch die Hubbewegung der Hochdruckhülse 60 bei Wiederbefüllung des Hochdruckraumes 50, kann diese unkontrollierte Öffnungs- und Schließbewegungen ausführen. Ohne geeignete Gegenmaßnahmen würde dies zu einem hohen Verschleiß an der Dichtstelle 62 und an der Führung des Druckverstärkerkolbens 32 führen, die die Funktion der Ausführungsform des Druckverstärkers 16 negativ beeinflussten. Mit einer geeigneten Abstimmung von Sitzgeometrie und Druckstufe ist eine saubere Schaltfunktion gesichert.
  • Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass in den Hochdruckablauf 46, der sich zum in Figur 5 nicht dargestellten Hochdruckspeicher 18 erstreckt, das Hochdruckventil 40 aufgenommen ist, welches in dieser Ausführungsform als Rückschlagventil ausgebildet ist.
  • Bei dem in Figur 6 gezeigten weiteren Ausführungsbeispiel des Druckverstärkers 16 wird zur Begrenzung des Hochdruckraumes 50 ebenfalls die Hochdruckhülse 60 eingesetzt. Diese umfasst eine äußere Eindrehung, in welche ein Hubanschlagelement 70, welches am Kolbenführungskörper 36 fixiert ist, eingreift und somit den maximalen Axialhub 68 der Hochdruckhülse 60 relativ zum Kolbenführungskörper 36 definiert. Hat die Hochdruckhülse 60 ihren maximal zulässigen Hub 68 durchfahren, begrenzt das Hubanschlagelement 70 weitere Hubbewegungen. Dazu ist das Hubanschlagelement 70 zwischen der Rückstellfeder 34 und dem Kolbenführungskörper 36 angeordnet. Die Vorspannkraft der Rückstellfeder 34 verhindert dabei ein Abheben des Hubanschlagelementes 70 von dessen Auflagefläche am Kolbenführungskörper 36, der Teil des Grundkörpers 30 dieser Ausführungsform des Druckverstärkers 16 ist.
  • Damit die Wiederbefüllung des Hochdruckraumes 50 während des Hubanschlages der Hochdruckhülse 60 am Hubanschlagelement 70 nicht unterbrochen wird, befindet sich am Kolbenführungskörper 36 ein Bypass 72 zwischen dem Speicherraum 48 und dem Arbeitsraum der Hochdruckhülse 60. In der in Figur 6 dargestellten Ausführungsform des Druckverstärkers 16 verläuft die Anbindung des Speicherraums 48 an den Steuerraum 52 über das bevorzugt als 3/2-Wege-Ventil ausgebildete Schaltventil 26. Dieses verschließt den niederdruckseitigen Druckverstärkerrücklauf 24 in der in Figur 6 dargestellten Schaltstellung und gibt diesen bei Betätigung zum Beispiel eines Elektromagneten frei, wodurch der Steuerraum 52 druckentlastet wird, der erste Druckverstärkerkolbenteil 54 in den Hochdruckraum 50 einfährt und das dort bevorratete Kraftstoffvolumen über das Hochdruckventil 40 über den Hochdruckablauf 46 in den Hochdruckspeicher 18 (Common-Rail) drückt.
  • Auch in der in Figur 6 dargestellten Ausführungsform des Druckverstärkers 16 stützen sich die Vorspannfeder 64 und die Rückstellfeder 34 am Bund 33 des ersten Druckverstärkerkolbenteiles 54 ab. Der Speicherraum 48, welcher den Führungskörper 36 mit einem von außen wirkenden Stützdruck beaufschlagt, um die Leckagemengen gering zu halten, wird analog zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen des Druckverstärkers 16 über den Druckverstärkerzulauf 44 von der Hochdruckpumpe 14 (vergleiche Darstellung gemäß Figur 1) beaufschlagt.

Claims (9)

  1. Druckverstärkungssystem für mindestens einen Kraftstoffinjektor (20) eines Hochdruckeinspritzsystem (10) einer Brennkraftmaschine mit einem hydraulischen Druckerstärker (16), welcher mit einem Druckverstärkerkolben (32) ausgeführt ist, der einen ersten Druckverstärkerkolbenteil (54) mit einem Durchmesser D21 und einen zweiten Druckverstärkerkolbenteil (56) mit einem Durchmesser D22 aufweist, wobei der Durchmesser D21 größer ist als der Durchmesser D22, wobei der eine Druckverstärkerkolbenteil auf einen Hochdruckraum (50) und der andere Druckverstärkerkolbenteil auf einen von einem Schaltventil (26) ansteuerbaren Steuerraum (52) einwirkt, und wobei der Druckverstärkerkolben (32) mit dem ersten Druckverstärkerkolbenteil (54) mit dem größeren Durchmesser D21 innerhalb eines mit Druck beaufschlagten hydraulischen Speicherraumes (48) angeordnet ist, der innerhalb eines Grundkörpers (30) ausgebildet ist, wobei der Grundkörper (30) einen Kolbenführungskörper (36) für mindestens einen der Druckverstärkerkolbenteile (54, 56) aufweist, und der Kolbenführungskörper (36) zumindest teilweise von einem Ringraum (49) umgeben ist, welcher Teil des hydraulischen Speicherraums (48) ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Druckverstärkerkolbenteil (54) mit dem größeren Durchmesser D21 auf den zur Druckverstärkung vorgesehenen Hochdruckraum (50) und der zweite Druckverstärkerkolbenteil (56) mit dem kleineren Durchmesser D22 auf den Steuerraum (52) einwirkt, und dass der erste Druckverstärkerkolbenteil (54) mit dem größeren Durchmesser D21 an den hydraulischen Speicherraum (48) angrenzt.
  2. Druckverstärkungssystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckraum (50) innerhalb des Kolbenführungskörper (36) angeordnet ist.
  3. Druckverstärkungssystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckraum (50) von einer federbeaufschlagten Hochdruckhülse (60) begrenzt ist, die an dem Druckverstärkerkolben (32) axial beweglich geführt und an einer Dichtstelle (62) an den Kolbenführungskörper (36) angestellt ist.
  4. Druckverstärkungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Dichtstelle (62) kleiner oder gleich einem Durchmesser D21 des ersten Druckverstärkerkolbenteiles (54) des Druckverstärkerkolbens (32) ist.
  5. Druckverstärkungssystem gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum (52) des Druckverstärkers (16) innerhalb des Kolbenführungskörpers (36) ausgeführt ist und vom zweiten Druckverstärkerkolbenteil (56) des Druckverstärkerkolbens (32) druckbeaufschlagt ist.
  6. Druckverstärkungssystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Befüllleitung (58) vorgesehen ist, welche vom hydraulischen Speicherraum (48) abzweigt und über welche der Steuerraum (52) und/oder der Hochdruckraum (50) nach der Druckübersetzungsphase wiederbefüllt werden.
  7. Druckverstärkungssystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverstärker (10) zentral für mehrere Kraftstoffinjektoren (20) vorgesehen und zwischen einer Hochdruckpumpe (14) und einem Hochdruckspeicher (18) angeordnet ist.
  8. Druckverstärkungssystem gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverstärker (16) bei Drücken unterhalb des Maximalförderdruckes der Hochdruckpumpe (14) inaktiv ist und der Maximalförderdruck der Hochdruckpumpe (14) den Hochdruckspeicher (18) über das Speichervolumen (48), ein Füllventil (40) und einen Hochdruckzulauf (46) beaufschlagt.
  9. Druckverstärkungssystem gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverstärker (16) bei geförderten Kraftstoffen oberhalb des Maximalförderdruckes der Hochdruckpumpe (14) aktiviert ist und dessen Steuerraum (52) zur Druckentlastung über das Schaltventil (26) mit einem Druckverstärkerrücklauf (24) verbunden ist.
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