DE4311627B4 - Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen - Google Patents
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Abstract
Kraftstoffeinspritzeinrichtung
für Brennkraftmaschinen
mit einer Kraftstoffhochdruckpumpe (1), die Kraftstoff aus einem
Niederdruckraum (3) in einen druckregelbaren Hochdrucksammelraum
(9) fördert,
der über
Hochdruckleitungen (11) mit in einen Brennraum der zu versorgenden
Brennkraftmaschine ragenden Einspritzventilen (13) verbunden ist,
die jeweils ein mit einem Ventilsitz (53) zusammenwirkendes kolbenförmiges Ventilglied (49)
aufweisen, das mit einem Teil seiner Mantelfläche in einer Bohrung im Ventilgehäuse geführt ist
und mit seinem freien, dem Ventilsitz (53) zugewandten Ende in einen
mit der Hochdruckleitung (11) verbindbaren Einspritzdruckraum (43)
ragt, der von einem mit der Hochdruckleitung (11) und einer ein
Steuerventil (105) enthaltenen Entlastungsleitung (17) in den Niederdruckraum
(3) verbindbaren Steuerdruckraum (81) getrennt ist, dessen Druck
das Ventilglied (49) in Schließrichtung
beaufschlagt, wobei das Ventilglied (49) an seinem in den Einspritzdruckraum
(43) ragenden Teil eine Querschnittsvergrößerung (52) in Richtung des
Steuerdruckraumes (81) aufweist, über die der unter hohem Druck
stehende Kraftstoff das Ventilglied (49) bei einer Druckentlastung
des Steuerdruckraumes...
Description
- Die Erfindung geht von einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Patentanspruchs 1 aus. Bei einer solchen aus der
DE-OS 41 15 103 bekannten Kraftstoffeinspritzeinrichtung dieser Art, die zur Kraftstoffversorgung einer Brennkraftmaschine dient, füllt eine Kraftstoffhochdruckpumpe, die als Kolbenpumpe ausgeführt ist, über eine Hochdruckleitung einen Druckspeicherraum mit Kraftstoff. Von diesem Druckspeicherraum führen Kraftstoffeinspritzleitungen zu den einzelnen Einspritzventilen, die über den Druckspeicherraum miteinander verbunden sind (Common Rail), wobei der Druckspeicher durch eine Drucksteuereinrichtung auf einem bestimmten Druck gehalten wird, so daß an den Einspritzventilen drehzahlunabhängig der Einspritzdruck über das gesamte Betriebskennfeld der zu versorgenden Brennkraftmaschine festgelegt werden kann. - Die in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragenden Einspritzventile weisen dabei ein in einer Führungsbohrung im Ventilgehäuse axial geführtes kolbenförmiges Ventilglied auf, dessen eine Stirnseite eine mit einem Ventilsitz zusammenwirkende konische Dichtfläche aufweist und dessen andere Stirnseite einen Druckraum in der Führungsbohrung im Ventilgehäuse begrenzt, der über eine eine Drossel enthaltene Verbindungsleitung mit einem das Ventilglied umgebenden Einspritzdruckraum und über eine ein elektrisches Steuerventil enthaltene Entlastungsleitung mit einer Rücklaufleitung verbindbar ist. Der Einspritzdruckraum ist über eine Kraftstoffhochdruckleitung mit dem Druckspeicherraum verbunden und weist ständig dessen Druckniveau auf. Das Ventilglied weist im Bereich des Einspritzdruckraumes eine konische Querschnittsverringerung in Richtung Ventildichtfläche auf und wird bei geschlossenem Steuerventil und Druckausgleich zwischen dem stirnseitigen Druckraum und dem Einspritzdruckraum durch eine Ventilfeder mit seiner Ventildichtfläche in Anlage am Ventilsitz gehalten, so daß die Einspritzöffnungen in diesem Bereich verschlossen sind.
- Der Beginn des Öffnungshubes des Ventilgliedes wird durch das elektrische Aufsteuern des Steuerventils in der Entlastungsleitung vom stirnseitigen Druckraum eingeleitet, infolge dessen sich der Hochdruck im stirnseitigen Druckraum schnell entspannt, so daß zwischen diesem und dem Einspritzdruckraum ein Druckgefälle entsteht, das eine Öffnungshubbewegung des Ventilgliedes entgegen der Kraft der Ventilfeder bewirkt, wobei die Drossel in der Verbindungsleitung ein rasches Nachströmen von Kraftstoff in den stirnseitigen Druckraum verhindert. Analog dazu wird das Schließen des Einspritzventils über das Schließen des Steuerventils gesteuert, wobei sich im stirnseitigen Druckraum erneut ein Kraftstoffhochdruck aufbaut, der die Schließkraft der Ventilfeder unterstützt und das Ventilglied erneut an seinen Ventilsitz preßt. Dabei bleibt das Ventilglied bei stromlosem, d.h. geschlossenem Steuerventil durch den Druck im stirnseitigen Druckraum hydraulisch in seiner Anlage am Ventilsitz gehalten.
- Um eine Beeinflussung des Einspritzdruckes im Füll- und Hochdruckraum des Einspritzventils durch das Aufsteuern des stirnseitigen Druckraumes zu vermeiden, ist eine weitere gattungsgemäße Kraftstoffeinspritzeinrichtung aus der ATZ/MTZ Sonderheft Motor und Umwelt 92 bekannt, bei der der stirnseitige Druckraum über ein Drei-Wegeventil mit dem gemeinsamen Druckraum (Common Rail) oder einer Entlastungsleitung verbindbar ist. Dabei erfolgt dort das Füllen des stirnseitigen Steuerdruckraumes ungedrosselt über ein Rückschlagventil und das Entlasten zum Aufsteuern des Einspritzventils gedrosselt. Der Einspritzdruck im Einspritzventil wird dabei durch des Aufsteuern des Steuerdruckraumes in keiner Weise beeinflußt, da die Verbindung zwischen dem Hochdruckleitungssystem und dem stirnseitigen Steuerdruckraum zu diesem Zeitpunkt zugesteuert ist.
- Dabei tritt jedoch bei beiden bekannten Kraftstoffeinspritzeinrichtungen der Nachteil auf, daß der sehr hohe Kraftstoffeinspritzdruck in einer Kraftstoffhochdruckpumpe erzeugt werden muß, die über Hochdruckleitungen mit dem gemeinsamen Druckraum und weiter mit den einzelnen Einspritzventilen verbunden ist. Dies hat zur Folge, daß hinsichtlich der Bauteilbeanspruchung und Auslegung sehr hohe Anforderungen an die Hochdruckpumpe und das Leitungssystem gestellt werden müssen, die eine aufwendige und kostenintensive Fertigung bedingen. Zudem kommt es durch den relativ langen Übertragungsweg von der Hochdruckpumpe bis zur Einspritzstelle zu Druckverlusten, so daß die bekannten Kraftstoffeinspritzeinrichtungen sehr hohe Einspritzdrücke von bis zu 2000 bar nicht erreichen können. Ein weiterer Nachteil an den bekannten Kraftstoffeinspritzeinrichtungen entsteht durch die Verwendung des unter Einspritzhochdruck stehenden Kraftstoffes als Steuerdruckmittel, so daß die Steuerventile vor allem während des Schließens zum Einspritzende relativ hohe Stellkräfte aufbringen müssen, was wiederum eine große Dimensionierung und damit längere Schaltzeiten zur Folge hat.
- Vorteile der Erfindung
- Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß durch die Verwendung eines Verstärkerkolbens im Einspritzventil der sehr hohe Kraftstoffeinspritzdruck erst im Einspritzdruckraum des Einspritzventils erzeugt wird, so daß zum einen die Anforderungen an die den gemeinsamen Druckraum füllende Hochdruckpumpe und das Druckleitungssystem erheblich gesenkt werden und zum anderen sehr hohe Einspritzdrücke von bis zu 2000 bar problemlos erreicht werden können. Von besonderer Bedeutung ist hierbei, daß zwischen dem Einspritzdruckraum und den Austrittsöffnungen des Einspritzventils kein Leitungsweg erforderlich ist, so daß zwischen dem Druckerzeuger und der Einspritzstelle keine Wegverluste auftreten können. Dabei ist es besonders vorteilhaft, den Verstärkerkolben platzsparend axial verschiebbar auf dem kolbenförmigen Ventilglied anzuordnen. Durch die Dimensionierung der wirksamen, für das Übersetzungsverhältnis verantwortlichen Stirnflächen des Verstärkerkolbens läßt sich dabei relativ einfach eine optimale Anpassung der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzeinrichtung an die Erfordernisse der jeweiligen zu versorgenden Brennkraftmaschine erreichen.
- Ein weiterer Vorteil wird durch die Anordnung eines weiteren vom Verstärkerkolben begrenzten Arbeitsraumes erreicht, der zum einen eine sichere und gesteuerte Rückstellbewegung des Verstärkerkolbens ohne Verwendung einer zusätzlichen, die Förderhubbewegung des Verstärkerkolbens ungleichmäßig beeinflussende Rückstellfeder und eine platzsparende Befüllung des Einspritzdruckraumes über einen Kanal im Ventilglied ermöglicht.
- Durch den gegenüber den bekannten Systemen erheblich geringeren Common-Rail-Druck im Hochdruckleitungssystem ist es zudem möglich ein relativ kleines elektrisches Stellglied mit kleiner bewegter Masse als Steuerventil für die Öffnungsbewegung des Einspritzventilgliedes zu verwenden, das eine hohe Einbauflexibilität erlaubt und das extrem kurze Schaltzeiten ermöglicht. Diese kurzen Schaltzeiten werden dabei zudem durch den sehr geringen Hubweg des Ventilgliedes des Steuerventils unterstützt, da durch die geringe gesteuerte Kraftstoffmenge im stirnseitigen Druckraum nur ein geringer Querschnittsbedarf benötigt wird.
- Über den Ausgangsdruck im Common Rail und somit im die Förderhubbewegung auslösenden Arbeitsraum am Verstärkerkolben und das Übersetzungsverhältnis am Verstärkerkolben ist der Druck im Einspritzdruckraum in vorteilhafter Weise genau bestimmbar.
- Dies wird zudem durch die vollständige Entkoppelung von Einspritzung und Füllung unterstützt, die durch die voneinander getrennten Kraftstoffzulaufkanäle möglich ist. Dabei ermöglicht ein 4 Wege-Schieberventil, daß die getrennte Steuerung der verschiedenen Arbeitsräume in vorteilhafter Weise mit nur einem Hochdruck- und einem Entlastungsanschluß erfolgt, wobei das Schieberventil dabei von einem das Aus- oder Einlaßventil betätigenden Nocken angesteuert werden kann.
- Durch die Steuerung des Einspritzzeitpunktes und der Einspritzdauer mittels des mit dem stirnseitigen Druckraum verbundenen Steuerventils, ist das System in einfacher Weise elektrisch und in Abhängigkeit eines verschiedene Betriebsparameter der Brennkraft maschine verarbeitenden Kennfeldes steuerbar, wobei aufgrund der geringen Schaltzeiten auch eine Voreinspritzung und eine Einspritzverlaufsformung möglich ist.
- Ein weiterer Vorteil wird durch das Einmünden der Entlastungsleitung in den Zulauf zur Hochdruckpumpe bei gleichzeitigem Unterbinden des Zurückströmens des abgesteuerten Kraftstoffes in den Vorratsbehälter durch ein Rückschlagventil erreicht, wodurch die Energie des abgesteuerten Kraftstoffes zum Teil erneut bei der Hochdruckerzeugung genutzt werden kann.
- Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
- Zeichnung
- Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- Es zeigen die
1 den schematischen Aufbau der Kraftstoffeinspritzeinrichtung, die2 einen ersten Schnitt durch den unteren Teil eines Einspritzventils mit der Darstellung des Ventilgliedes, des Verstärkerkolbens und der Druckräume, die3 einen zweiten Schnitt durch den oberen Teil des Einspritzventils, in dem die Lage und die Ansteuerung der Kraftstoffkanäle dargestellt ist und die4 das einen Kanal im Einspritzventilglied verschließende Rückschlagventil in einem Schnitt aus der2 . - Beschreibung des Ausführungsbeispiels
- Bei der in der
1 schematisch dargestellten Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist eine Kraftstoffhochdruckpumpe1 saugseitig über eine einen Niederdruckraum3 bildende, ein in Richtung Hochdruckpumpe öffnendes Rückschlagventil5 enthaltene Kraftstoffleitung mit einem Kraftstoffvorratsbehälter7 und druckseitig mit einem Hochdrucksammelraum9 verbunden. Der Hochdrucksammelraum9 ist über Hochdruckleitungen11 mit in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragenden Einspritzventilen13 verbunden, wobei die einzelnen Hochdruckleitungen11 somit über den gemeinsamen Hochdrucksammelraum9 (Common Rail) miteinander verbunden sind. Vom Hochdrucksammelraum9 führt im Ausführungsbeispiel eine Entlastungsleitung17 ab, die zwischen der Hochdruckpumpe1 und dem Rückschlagventil5 in den Niederdruckraum3 einmündet und die zudem über von dieser abzweigende Verbindungsleitungen mit den einzelnen Einspritzventilen13 verbunden ist. Die Druckregelung im Hochdrucksammelraum9 kann neben einer Regelung an der Hochdruckpumpe1 durch ein mögliches Druckventil10 zwischen der Hochdruckpumpe1 und dem Hochdrucksammelraum9 erfolgen, was den Vorteil hat, daß der Druck im Sammelraum9 nach Abschalten der Hochdruckpumpe1 gehalten wird (verbessertes Startverhalten). Um eine Verbesserung der Dynamik beim Absenken des Druckes im Sammelraum9 zu ermöglichen, ist ein Drucksteuerventil15 in die Entlastungsleitung17 zwischen Sammelraum9 und den Verbindungen zu den einzelnen Einspritzventilen13 eingesetzt sein, das seinerseits, wie das Ventil10 oder eine druckregelbare Hochdruckpumpe1 von einem elektronischen Steuergerät19 angesteuert wird. Dieses Steuergerät19 verarbeitet dabei von der zu versorgenden Brennkraftmaschine aufgenommene Betriebsparameter wie z.B. Drehzahl, Last, Temperaturen, Drücke usw. in Abhängigkeit von gespeicherten Kennfeldern und steuert neben dem Druck im Hochdrucksammelraum9 auch die Öffnungszeiten der Einspritzventile13 und die Hochdruckförderpumpe1 . - Soll das Drucksteuerventil
15 nicht vorgesehen werden, hat die Entlastungsleitung17 keine Verbindung zum Hochdrucksammelraum9 . - Der erfindungsgemäße Aufbau der Einspritzventile
13 ist in den2 und3 dargestellt, wobei die2 einen vergrößerten Schnitt durch den unteren, in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragenden Teil, die3 einen Schnitt durch den oberen Teil des Einspritzventils13 zeigt. - Das in der
2 dargestellte Einspritzventil13 besteht dabei aus einem mehrteiligen zylinderförmigen Ventilgehäuse21 , mit einem im Durchmesser verringerten, in den Brennraum der Brennkraftmaschine ragenden Teil23 , der an seinem freien stirnseitigen Ende Einspritzöffnungen25 aufweist. In seinem Inneren weist das Einspritzventil13 eine sich in Richtung Einspritzöffnungen25 über zwei Absätze im Durchmesser verringernde Stufenbohrung auf, deren erster im Durchmesser größter Teil eine Führungsbohrung27 bildet, in der ein im Durchmesser größerer Teil eines als Stufenkolben ausgebildeten Verstärkerkolbens29 axial geführt ist, der mit seiner oberen, den Einspritzöffnungen25 abgewandten Stirnfläche30 einen ersten Arbeitsraum32 in der Führungsbohrung27 begrenzt. Der Verstärkerkolben29 weist in Richtung Einspritzöffnungen25 einen über einen eine Ringschulter37 bildenden Absatz im Durchmesser verringerten Teil31 auf, der in einem durch einen ersten Absatz33 der Stufenbohrung entstandenen verjüngten Bohrungsteil35 der Stufenbohrung geführt ist, wobei zwischen dem ersten Absatz33 und der Ringschulter37 des Verstärkerkolbens29 ein zweiter ringförmiger Arbeitsraum39 begrenzt ist. Die den Einspritzöffnungen25 zugewandte Stirnseite41 des im Durchmesser verringerten Verstärkerkolbenteils31 begrenzt einen ringförmigen Einspritzdruckraum43 , der andererseits durch einen zweiten Absatz45 der Stufenbohrung begrenzt wird. - Der Verstärkerkolben
29 weist eine Axialbohrung47 auf, in der ein mehrteiliges kolbenförmiges Einspritzventilglied49 geführt ist, das an seinem aus dem verjüngten Verstärkerkolbenteil31 herausragenden Teil an dessen Stirnseite eine konische Dichtfläche51 aufweist, mit der es bei Anlage an einer trichterförmigen Ventilsitzfläche53 an der geschlossenen Stirnseite der Stufenbohrung die aus dieser Ventilsitzfläche53 austretenden Einspritzöffnungen25 verschließt, wobei die Stufenbohrung in ihrem im Durchmesser kleinsten Teil55 zwischen dem zweiten Absatz45 und den Einspritzöffnungen25 so ausgelegt ist, daß zwischen dem Ventilglied49 und der Wand des Stufenbohrungsabschnittes55 ein Ringspalt57 verbleibt. Das Einspritzventilglied49 setzt sich im Ausführungsbeispiel aus vier Teilen zusammen, wobei ein erster Teil aus der sogenannten Ventilnadel59 gebildet wird, die eine in Richtung Ventilsitz53 verlaufende konische Querschnittsverringerung52 und an ihrer Stirnseite die Ventildichtfläche51 aufweist, und die sich im geschlossenen Zustand des Einspritzventils13 , d.h. bei Anlage am Ventilsitz53 etwa bis in den Bereich des zweiten Arbeitsraumes39 in die Axialbohrung47 hinein erstreckt. An diese schließt sich ein erster Zwischenkolben61 an, dessen Durchmesser gegenüber der Ventilnadel59 geringfügig kleiner ausgeführt ist, so daß zwischen der Wand der Axialbohrung47 des Verstärkerkolbens29 und der Mantelfläche des ersten Zwischenkolbens61 eine schmale Ringnut63 verbleibt, die in Richtung erster Arbeitsraum32 durch eine Verjüngung der Axialbohrung47 verschlossen ist. Die Ringnut63 kann dabei auch durch eine lokale Verjüngung des ersten Zwischenkolbens61 erreicht werden. An den ersten Zwischenkolben61 schließt sich in axialer Verlängerung im Bereich des ersten Arbeitsraumes32 ein zweiter Zwischenkolben65 an, der in einer axialen Bohrung eines Rohrstutzens67 geführt ist, der seinerseits mit einem scheibenförmigen Kopfstück69 in die Führungsbohrung27 eingesetzt ist und dort mit seiner dem Verstärkerkolben29 zugewandten Stirnseite71 den ersten Arbeitsraum32 begrenzt. - Der zweite Zwischenkolben
65 kommt mit seiner dem ersten Arbeitsraum32 abgewandten Stirnseite zur Anlage an den Boden eines topfförmigen Kolbens73 , dessen offene Seite dem Rohrstutzen67 zugewandt ist, wobei der Kolben73 das Kopfstück69 nie berühren darf, um ein sicheres Aufsetzen der Ventilnadel59 auf ihren Sitz und damit ein sicheres Schließen des Einspritzventils zu gewährleisten. Dabei ist zwischen dem topfförmigen Kolben73 und dem Rohrstutzen67 ein weiterer als Entlastungsraum77 wirkender Arbeitsraum begrenzt. - Mit seiner geschlossenen, dem Entlastungsraum
77 abgewandten Stirnseite79 begrenzt der Kolben73 einen weiteren als Steuerdruckraum81 dienenden Arbeitsraum, der andererseits durch ein die Stufenbohrung verschließendes zylinderförmiges Verrschlußteil83 begrenzt ist. Die axiale Ausdehnung zwischen der Stirnseite79 des Kolbens73 bis zur Anschlagfläche am Verschlußteil83 bestimmt dabei den Ventilnadelhub. - Zur Befüllung bzw. Entlastung der einzelnen Arbeitsräume mit Kraftstoff sind Kraftstoffkanäle im Einspritzventil angeordnet, wobei ein erster Kraftstoffkanal
85 in den ersten Arbeitsraum32 , ein zweiter Kraftstoffkanal87 in den zweiten Arbeitsraum39 , und ein dritter Kraftstoffkanal89 in den Steuerdruckraum81 mündet. Der Entlastungsraum77 ist zudem durch einen in der3 dargestellten Entlastungskanal91 mit der Entlastungsleitung17 verbunden. - Um eine Wandschwächung des Gehäuses des Einspritzventils
13 zu vermeiden ist es auch möglich, den Kraftstoffkanal87 über den ersten Zwischenkolben61 und ein weiteres Zwischenstück zwischen dem ersten Zwischenkolben61 und dem zweiten Zwischenkolben65 zu führen, das dann seinerseits wieder in einem scheibenförmigen Stück zwischen dem ersten Arbeitsraum32 und dem Kopfstück69 axial geführt ist. - Der Einspritzdruckraum
43 wird über eine Verbindungsleitung93 im Ventilglied49 mit dem zweiten Arbeitsraum39 verbunden, die sich aus einer Längsbohrung95 und mit dem Einspritzdruckraum43 verbundenen Querbohrungen97 im Ventilglied49 und einer von der Längsbohrung95 in die Ringnut63 mündende und von dort über eine Öffnung in der Wand des Verstärkerkolbenteils31 zum Arbeitsraum39 führende Bohrung im Verstärkerkolben29 zusammensetzt. Die Austrittsöffnung der Verbindungsleitung93 in den Einspritzdruckraum43 wird dabei durch ein in Richtung Einspritzdruckraum öffnendes Rückschlagventil99 verschlossen, das in der4 näher beschrieben wird. - Die Ansteuerung des Einspritzventilgliedes
49 und die Verbindung der einzelnen Kraftstoffkanäle mit den Hochdruckleitungen11 und der Entlastungsleitung17 ist in einem Schnitt durch den oberen Teil des Einspritzventils13 schematisch in der3 dargestellt. - Dabei verzweigen sich der erste Kraftstoffkanal
85 und der zweite Kraftstoffkanal87 jeweils in zwei Anschlußleitungen, die mit einem als 4 Wegeventil ausgebildeten Schieberventil101 mit zwei Durchtrittsöffnungen verbunden sind. Dieses Schieberventil101 ist zulaufseitig mit jeweils zwei Anschlüssen der Hochdruckleitung11 und der Entlastungsleitung17 verbunden, die so angeordnet sind, daß sowohl der erste als auch der zweite Kraftstoffkanal85 ,87 je nach Stellung des Schieberventils101 mit der Hochdruckleitung11 oder der Entlastungsleitung17 verbindbar ist. - Das Schieberventil arbeitet mit zwei Einstellpositionen, von denen die dargestellte Lage die Verbindung des ersten Kraftstoffkanals
85 mit der Hochdruckleitung11 bei gleichzeitiger Verbindung des zweiten Kraftstoffkanals87 mit der Entlastungsleitung17 zeigt, wobei eine zweite mögliche Einstellposition eine Verbindung des ersten Kraftstoffkanals85 mit der Entlastungsleitung17 bei gleichzeitiger Verbindung des zweiten Kraftstoffkanals87 mit der Hochdruckleitung11 ermöglicht. Das Schieberventil101 kann dabei vom Betätigungsnocken eines Ladungswechselventils, vorzugsweise des Auslaßventils der Brennkraftmaschine gesteuert werden, es ist jedoch auch eine elektrische Ansteuerung in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine möglich. - Der vom stirnseitigen Steuerdruckraum
81 abführende Kraftstoffkanal89 mündet in einen ringförmigen Ventilraum103 eines als 3-Wegeventil ausgeführten Doppelsitzventils, das als Steuerventil105 wirkt, mit einander gegenüberliegend angeordneten Ventilsitzen, an die sich zum einen eine Verbindungsleitung107 zur Hochdruckleitung11 und andererseits eine Verbindungsleitung109 zur Entlastungsleitung17 anschließt. Das Steuerventil105 weist dabei ein kolbenförmiges Ventilglied111 mit zwei axial einander gegenüberliegenden konischen Ventildichtflächen auf und ist über das Ventilglied mit einem elektrischen Stellglied, vorzugsweise einem Elektromagnet oder einem Piezotranslator verbunden, das in Abhängigkeit von Betriebsparametern vom Steuergerät19 angesteuert wird. - Eine in den Entlastungskanal
91 an dessen Verbindung in die Entlastungsleitung17 eingesetzte Drossel110 bewirkt über die Verbindungsleitung109 eine gedämpfte Entlastung des Steuerdruckraumes81 , was eine verzögerte Öffnungsbewegung des Einspritzventilgliedes49 zur Folge hat, über das sich eine Einspritzverlaufsformung vornehmen läßt. Das Befüllen des Steuerdruckraumes81 erfolgt dagegen möglichst ungedrosselt um ein rasches Schließen des Einspritzventilgliedes49 am Ende der Einspritzung zu erreichen. - Das in der
4 in einem Schnitt aus der2 vergrößert dargestellte Rückschlagventil99 besteht aus einem axial auf der Ventilnadel59 geführten rohrförmigen Ventilglied113 mit einem topfförmigen Kopfstück115 , das von einer sich am Stufenbohrungsabsatz45 abstützenden Ventilfeder117 mit seiner offenen Stirnfläche119 an die konische Querschnittsvergrößerung52 der Ventilnadel59 gepreßt wird und das dabei die Austrittsöffnung97 der Verbindungsleitung93 zwischen dem Einspritzdruckraum43 und dem Arbeitsraum39 verschlossen hält und durch den übertragenden Druck aus dem Arbeitsraum39 der auf den Boden des topfförmigen Kopfstückes115 wirkt, geöffnet wird. - Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzeinrichtung arbeitet in folgender Weise.
- Die Kraftstoffhochdruckpumpe
1 fördert den Kraftstoff aus dem Vorratsbehälter7 über den Niederdruckraum3 in Hochdrucksammelraum9 und baut so dort den Kraftstoffhochdruck auf. Über die Hochdruckleitungen11 strömt der unter hohem Druck stehende Kraftstoff zum Einspritzventil13 . - Dort gelangt der Kraftstoffhochdruck in der in den
2 und3 dargestellten Verdichtungsphase, bei der das Steuerventil105 den Steuerdruckraum81 mit der Verbindungsleitung107 zur Hochdruckleitung11 verbindet, über die entsprechende Schieberventilstellung in den ersten Kraftstoffkanal85 und weiter in den ersten Arbeitsraum32 , wo er den Verstärkerkolben29 beaufschlagt und ihn in Folge der gegenüber den Räumen39 und43 größeren wirksamen Druckangriffsfläche in Richtung Einsritzdruckraum43 verschiebt. Dabei sei hier darauf hingewiesen, daß die Befüllung des ersten Arbeitsraumes32 alternativ auch mit jeweils einer seperaten Hochdruckpumpe pro Einspritzventil möglich ist. - Der zweite kolbenseitige Arbeitsraum
39 ist zu diesem Zeitpunkt über den zweiten Kraftstoffkanal87 und Schieberventil101 mit der Entlastungsleitung17 verbunden, so daß der im Arbeitsraum39 befindliche Kraftstoff während der Verstärkerkolbenhubbewegung aus diesem verdrängt wird. Infolge der Hubbewegung des Verstärkerkolbens vergrößert sich der Kraftstoffdruck im Einspritzdruckraum43 auf ein Vielfaches des Hochdruckes in der Hochdruckleitung11 , wobei dieser gegenüber dem Druck im Arbeitsraum39 sehr viel höhere Einspritzdruck das Rückschlagventil99 geschlossen hält. - Soll nun der unter Einspritzhochdruck stehende Kraftstoff zur Einspritzung über die Einspritzöffnungen
25 gelangen, wird das elektrisch betätigte Ventilglied111 des Steuerventils105 derart verstellt, daß der Kraftstoffkanal89 mit der Verbindungsleitung109 zur Entlastungsleitung17 verbunden ist und dessen Verbindung zur Verbindungsleitung107 unterbrochen wird, wobei das Einmünden der Verbindungsleitung109 in den Entlastungskanal dabei gedrosselt erfolgen kann. Infolge der Druckentlastung des Steuerdruckraumes81 ist die hydraulische Blockierung des Einspritzventilgliedes49 aufgehoben und der Einspritzdruck im Einspritzdruckraum43 hebt das Ventilglied49 über die Querschnittsvergrößerung52 von seinem Sitz53 , so daß der unter Einspritzhochdruck stehende Kraftstoff über die Einspritzöffnungen25 in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine eingespritzt wird. - Dabei fällt bei Beginn der Einspritzung der Druck im Einspritzdruckraum
43 zunächst ab, wodurch der Verstärkerkolben29 vom Druck im Arbeitsraum32 nachgedrückt wird und im quasistatischen Strömungszustand nach der Beschleunigungsphase entspricht der Einspritzdruck wieder dem des Ausgangszustandes vermindert um den Reibungsverlust- durch die Verstärkerkolbenbewegung. Dieser Betrag des Druckabfalls in der Beschleunigungsphase wird dabei im wesentlichen durch die Masse des Verstärkerkolbens29 bestimmt, was als Parameter bei der Applikation des Systems bewußt ausgenutz werden kann, um eine Modulation zu Beginn der Einspritzung bzw. eine Voreinspritzung zu ermöglichen. - Das Ende der Hochdruckeinspritzung erfolgt durch ein erneutes Verstellen des Steuerdruckventils
105 , wodurch das Ventilglied113 erneut die Verbindung des Steuerdruckraumes81 zur Verbindungsleitung109 zu- und die Verbindung zur Verbindungsleitung107 auf- steuert. Dabei gelangt der unter Hochdruck stehende Kraftstoff aus der Hochdruckleitung11 über die Verbindungsleitung107 , den Ventilraum103 und den Kraftstoffkanal89 in den Steuerdruckraum81 und preßt das Ventilglied49 über die relativ große Druckfläche79 des Kolbens73 wieder auf den Ventilsitz53 . - Das Befüllen des Einspritzdruckraumes
43 erfolgt zunächst durch das Verschieben des Schieberventils101 , wodurch nun der erste Kraftstoffkanal85 und weiter der erste Arbeitsraum32 mit der Entlastungsleitung17 verbunden sind, so daß sich der Hochdruck in diese entspannt. Gleichzeitig verbindet das Schieberventil101 den zweiten Kraftstoffkanal87 und den zweiten Arbeitsraum39 mit der Hochdruckleitung11 , so daß sich im zweiten Arbeitsraum39 ein Kraftstoffhochdruck aufbaut. Dieser Druck bewirkt zunächst eine Rückstellung des Verstärkerkolbens29 in seine Ausgangsposition, die durch einen Anschlag festgelegt sein kann. Infolge der Rückstellung des Verstärkerkolbens29 sinkt auch der Druck im Einspritzdruckraum43 stark ab, so daß ein Druckgefälle zwischen diesem und dem Arbeitsraum39 entsteht, das das Rückschlagventilglied113 gegen die Kraft der Feder117 von seinem Sitz abhebt, so daß der Kraftstoff vom Arbeitsraum39 in den Einspritzdruckraum43 einströmt. Dieses Füllen ist beendet, wenn sich zwischen den Räumen39 und43 ein Druckgleichgewicht eingestellt hat und die Kraft der Ventilfeder117 nun ausreicht das Rückschlagventil99 erneut zu verschließen. Über eine erneute Verschiebung des Schieberventils101 wird im Anschluß daran erneut die Verdichtungs- bzw. Druckverstärkungsphase eingeleitet. - Der Entlastungsraum
77 ist ständig über den Entlastungskanal91 mit der Entlastungsleitung17 verbunden, wobei das Einmünden in die Entlastungsleitung17 über eine Drossel erfolgen kann, um Druckstöße im System infolge der einzelnen Absteuervorgänge vom Entlastungsraum77 fernzuhalten. - Mit der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist es somit möglich den zur Einspritzung notwendigen sehr hohen Einspritzdruck erst im Einspritzventil zu erzeugen, wobei das axiale Anordnen des Verstärkerkolbens auf dem Ventilglied eine platzsparende Realisierung dieser Druckverstärkung ermöglicht.
Claims (20)
- Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen mit einer Kraftstoffhochdruckpumpe (
1 ), die Kraftstoff aus einem Niederdruckraum (3 ) in einen druckregelbaren Hochdrucksammelraum (9 ) fördert, der über Hochdruckleitungen (11 ) mit in einen Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragenden Einspritzventilen (13 ) verbunden ist, die jeweils ein mit einem Ventilsitz (53 ) zusammenwirkendes kolbenförmiges Ventilglied (49 ) aufweisen, das mit einem Teil seiner Mantelfläche in einer Bohrung im Ventilgehäuse geführt ist und mit seinem freien, dem Ventilsitz (53 ) zugewandten Ende in einen mit der Hochdruckleitung (11 ) verbindbaren Einspritzdruckraum (43 ) ragt, der von einem mit der Hochdruckleitung (11 ) und einer ein Steuerventil (105 ) enthaltenen Entlastungsleitung (17 ) in den Niederdruckraum (3 ) verbindbaren Steuerdruckraum (81 ) getrennt ist, dessen Druck das Ventilglied (49 ) in Schließrichtung beaufschlagt, wobei das Ventilglied (49 ) an seinem in den Einspritzdruckraum (43 ) ragenden Teil eine Querschnittsvergrößerung (52 ) in Richtung des Steuerdruckraumes (81 ) aufweist, über die der unter hohem Druck stehende Kraftstoff das Ventilglied (49 ) bei einer Druckentlastung des Steuerdruckraumes (81 ) von seinem Ventilsitz (53 ) abhebt, dadurch gekennzeichnet, daß das Einspritzventil (13 ) einen Verstärkerkolben (29 ) in Form eines Stufenkolbens aufweist, der mit der Stirnfläche (30 ) seines im Durchmesser größeren Teils einen mit der Hochdruckleitung (11 ) verbindbaren ersten Arbeitsraum (32 ) begrenzt und mit der Stirnfläche (41 ) seines im Durchmesser kleinen Teils wenigstens mittelbar an den Einspritzdruckraum (43 ) angrenzt, der über ein gesteuertes Ventil mit der Hochdruckleitung (11 ) verbindbar ist. - Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkerkolben (
29 ) am Übergang zwischen dem im Durchmesser größeren Teil und dem im Durchmesser geringeren Teil eine Ringschulter (37 ) bildet, mit der er einen zweiten Arbeitsraum (39 ) in einer Führungsbohrung (27 ) einschließt, der im Wechsel mit dem ersten Arbeitsraum (32 ) entweder mit der Hochdruckleitung (11 ) oder mit der Entlastungsleitung (17 ) verbindbar ist. - Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der Hochdruckleitung (
11 ) zum Einspritzdruckraum (43 ) über den zweiten Arbeitsraum (39 ) führt. - Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkerkolben (
29 ) axial verschiebbar auf dem Ventilglied (49 ) geführt ist und ein vom zweiten Arbeitsraum (39 ) ausgehender Verbindungskanal (93 ) zum Einspritzdruckraum (43 ) aus einer Längsbohrung (95 ) und jeweils einer von dieser ausgehenden, in den zweiten Arbeitsraum (39 ) bzw. in den Einspritzdruckraum (43 ) mündenden Querbohrung (97 ) im Ventilglied (49 ) und einer Querbohrung im Verstärkerkolben (29 ) gebildet wird, der durch ein auf dem Ventilglied (49 ) axial angeordnetes Rückschlagventil (99 ) im Einspritzdruckraum (43 ) auf- bzw. zusteuerbar ist. - Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das die Querbohrung (
97 ) des Verbindungskanals (93 ) verschließende Rückschlagventil (99 ) ein rohrförmiges auf dem Ventilglied (49 ) dichtend verschiebbares Rückschlagventilglied (113 ) mit einem topfförmigen Kopfstück (115 ) aufweist, deren Randstirnfläche (119 ) mit der Mantelfläche des Ventilgliedes (49 ) im Bereich der Querschnittserweiterung (52 ) zusammenwirkt und das von einer sich andererseits an einem Absatz (45 ) des Einspritzdruckraumes (43 ) abstützenden Ventilfeder (117 ) beaufschlagt ist. - Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (
49 ) mehrteilig ist und sich aus mehreren axial hintereinander angeordneten Kolben zusammensetzt, von denen ein erster Kolben eine Ventilnadel (59 ) bildet, die stirnseitig eine konische mit dem Ventilsitz (53 ) zusammenwirkende Dichtfläche (51 ) und in ihrem Inneren den Verbindungskanal (93 ) aufweist, an die sich axial ein erster Zwischenkolben (61 ) und in Folge ein zweiter Zwischenkolben (65 ) anschließt, auf den andererseits ein vierter topfförmiger Kolben (73 ) wirkt, der mit seiner einen Stirnfläche (79 ) den Steuerdruckraum (81 ) begrenzt. - Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohrstutzen (
67 ) mit einem scheibenförmigen Kopfstück (69 ) in die Führungsbohrung (27 ) eingesetzt ist, der eine den zweiten Zwischenkolben (65 ) führende Bohrung aufweist und der mit seiner scheibenförmigen, dem ersten Zwischenkolben (61 ) zugewandten Stirnseite (71 ) den ersten Arbeitsraum (32 ) begrenzt. - Kraftstoffeinspritzpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Rohrstutzen (
67 ) und dem vierten topfförmigen Kolben (73 ) ein mit der Entlastungsleitung (17 ) verbundener Entlastungsraum (77 ) gebildet ist. - Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein in den zweiten Arbeitsraum (
39 ) mündender Kraftstoffkanal (87 ) über den ersten Zwischenkolben (61 ) und ein weiteres Zwischenstück zwischen dem ersten Zwischenkolben (61 ) und dem zweiten Zwischenkolben (65 ) geführt ist, das seinerseits wieder in einem scheibenförmigen Stück zwischen dem ersten Arbeitsraum (32 ) und dem Kopfstück (69 ) axial geführt ist. - Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die vom ersten und zweiten Arbeitsraum (
32 ,39 ) ausgehenden Kraftstoffkanäle (85 ,87 ) über ein 4 Wegeventil jeweils mit der Hochdruckleitung (11 ) oder der Entlastungsleitung (17 ) verbindbar sind. - Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das 4 Wegeventil als Schieberventil (
101 ) ausgeführt ist, das synchron zur Drehzahl der zugehörigen Brennkraftmaschine angesteuert wird. - Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das 4- Wegeventil vom Nocken des Aus- oder Einlaßventils derart angesteuert wird, daß ein Kraftstoffkanal mit der Hochdruckleitung (
11 ) und der andere Kraftstoffkanal mit der Entlastungsleitung (17 ) verbunden ist. - Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerdruckraum (
81 ) über einen Kanal (89 ) mit einem 3 Wege Steuerventil (105 ) verbunden ist, von dem je eine Verbindungsleitung (107 ) zur Hochdruckleitung (11 ) und eine Verbindungsleitung (109 ) zur Entlastungsleitung (17 ) abführen. - Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlastung des Steuerdruckraumes (
81 ) gedrosselt und das Befüllen des Steuerdruckraumes (81 ) ungedrosselt und schnell erfolgt. - Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (
105 ) als Doppelsitzventil mit axial gegenüberliegend angeordneten konischen Ventilsitzen ausgeführt ist, an denen jeweils eine der Verbindungsleitungen (107 ,109 ) mündet und zwischen denen ein Steuerventilglied (111 ) mit axial gegenüberliegend angeordneten konischen Dichtflächen durch ein elektrisches Stellglied verschiebbar angeordnet ist. - Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Hochdruckpumpe (
1 ) und dem Hochdrucksammelraum (9 ) ein Drucksteuerventil (10 ) eingesetzt ist. - Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Stellglied als Elektromagnet ausgeführt ist.
- Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Stellglied als Piezotranslator ausgeführt ist.
- Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Einspritzventilen (
13 ) verbundene Entlastungsleitung (17 ) über einen ein Drucksteuerventil (15 ) enthaltenen Leitungsteil mit dem Hochdrucksammelraum (9 ) verbunden ist. - Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlastungsleitung (
17 ) in den Niederdruckraum (3 ) zwischen der Hochdruckförderpumpe (1 ) und einem den Niederdruckraum von einem Kraftstoffvorratsbehälter (7 ) abgrenzenden Rückschlagventil (5 ) einmündet.
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Also Published As
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