EP2105604A2 - Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

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EP2105604A2
EP2105604A2 EP09001412A EP09001412A EP2105604A2 EP 2105604 A2 EP2105604 A2 EP 2105604A2 EP 09001412 A EP09001412 A EP 09001412A EP 09001412 A EP09001412 A EP 09001412A EP 2105604 A2 EP2105604 A2 EP 2105604A2
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EP
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fuel
pressure
line
injection system
valve
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EP09001412A
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EP2105604B1 (de
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Christian Klüting
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Original Assignee
Volkswagen AG
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    • 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

Definitions

  • the invention relates to a fuel injection system for an internal combustion engine, in particular for a diesel engine, having at least one working cylinder and at least one injector per cylinder for injecting fuel into each working cylinder, the injector having a quantity valve and an injection nozzle connected to the quantity valve via a first fuel line , according to the preamble of claim 1.
  • the invention is based on the object, an injection system of o.g. To improve the type of Abgresmengen and the beam conditioning and at the same time to achieve a lower dependence of the injected fuel amount of the pilot injection.
  • the Standchristeinstellventil is designed such that this below a first switching pressure in the first fuel line , which is smaller than an opening pressure of the injection nozzle, in a first working position separates the fuel return line, at the first switching pressure and above the first switching pressure and below a second switching pressure which is greater than the first switching pressure and smaller than the opening pressure of the injection nozzle , the fuel return fluidly connects to the first fuel line in a second working position, as well as at and above the second switching pressure in a third working position the fuel return from the first Kr separating off the fuel line.
  • the injection system of the invention achieves a lower application cost, a shortened overall length, a smaller Kraftstoffverteilrohrvolumen or rail volume (space) and lower control quantities. As a result, less drive line for the CR (common rail) pump is required and the efficiency improved, which also requires a CO 2 advantage.
  • a fuel rail connected to the injector via a line (common rail) or fuel storage and a high-pressure pump connected to the fuel rail is provided, wherein the fuel return is connected to a fuel tank.
  • the standard pressure adjustment valve is designed as a 2/3-way valve.
  • the standard pressure adjusting valve has, for example, an axially displaceable piston depending on the pressure in the line in the three working positions, which abuts in the first and third working position on a sealing surface.
  • the standard pressure adjusting valve preferably has a spring element which acts on the piston in the direction of the first switching position with force.
  • an actuator for the flow control valve is designed as an electromagnet or piezoelement or magnetostrictive.
  • a controlled overflow from the first fuel line into the fuel return is achieved by the fact that the Standdruckeinstellventil connects in the second working position, the fuel return to the first fuel line via a throttle.
  • an opposed piston is provided with a pressure chamber axially to the injection nozzle such that the counter-piston exerts an axial force in the direction of the closed position of the injection nozzle at pressure in the pressure chamber.
  • the pressure chamber of the counter-piston is preferably connected to the injector volume via a second fuel line.
  • the quantity valve is designed as a 2/2-way valve.
  • a fuel cooling device is provided in a fuel tank and / or in the fuel return.
  • a preferred embodiment of an injection system according to the invention for an internal combustion engine for example for a diesel engine, comprises a high-pressure pump 10 and a fuel distribution pipe or a rail 12 from which a line 14 with a throttle 16 branches off to an injector or engine cylinder.
  • the injector essentially comprises an injector volume 18, a quantity valve 20 in the form of a 2/2-way valve which is driven, for example, by a piezo element or an electromagnet (not shown), a pressure adjusting valve 22 in the form of a 2/3-way valve and an injection nozzle 24, with nozzle needle spring (passive nozzle).
  • the injection system includes a rail pressure sensor 26 connected to the fuel rail 12, a pressure regulating valve 28 regulating the pressure in the fuel rail 12, a fuel tank 30, and a drain line 28 connected to the pressure regulating valve 28, the fuel tank 30, the stem pressure adjusting valve 22, and the injector 24.
  • Denoted at 34 is an electrical control for the flow control valve 20.
  • a fuel line or return line 36 connects the fuel tank 30 to the pressure adjusting valve 22 and via the pressure control valve 28 to the Kraftstoffverteilrohr 12.
  • For damping the pressure surges generated by the piston of the high-pressure pump 10 is located; between the rail 12 and the injector memory 18 at least one throttle 16.
  • the throttle may be integrated into the injector or into the rail 12.
  • the length of the line 14 between the rail 12 and the injector is the same for all cylinders.
  • the injector memory 18 is formed generated by a hollow of the injector body.
  • the injection quantity release takes place through the 2/2-way valve 20 (flow control valve).
  • the 2/3-way valve 22 stabilizes the positive pressure between the injector 24 and the flow control valve 20.
  • the leak oil flows, possibly through a radiator (not shown), via the leak oil line 32 and the fuel line 36 back to the fuel tank 30.
  • the lines in the injector are as short as possible.
  • a first line 40 connects the injector 24 to the flow control valve 20.
  • a connection of the pressure adjusting valve 22 is connected to the first line 40.
  • the quantity valve is acted upon by a spring 44 in the direction of the closed position with force.
  • the 2/3-way valve 22 has three positions, which in addition Fig. 3 to 5 are illustrated.
  • a first switching position according to Fig. 3 the 2/3-way valve 22 is closed.
  • a second switching position according to Fig. 4 connects the 2/3-way valve 22, the first line 40 to the return line 36 via a formed in the 2/3-way valve 22 throttle 46.
  • a third switching position according to Fig. 5 this connection between the first line 40 and the return line 36 is disconnected again.
  • the 2/3-way valve 22 is designed such that a pressure applied via the first line 40 in the 2/3-way valve 22 switches between the aforementioned switching positions.
  • Fig. 2 a second preferred embodiment of a fuel injection system according to the invention is shown, wherein like reference numerals have functionally identical parts as in Fig. 1 and 3 to 5 so that their explanation in the above description of the Fig. 1 and 3 to 5 is referenced.
  • Fig. 1 includes the second embodiment according to Fig. 2 a counter-piston 38 at the injection nozzle 24.
  • a space for the opposed piston 38 is connected via a second line 42 to the injector volume 18. This counter-piston 38 exerts an additional closing force on the injection nozzle 24.
  • the actuator which actuates the quantity valve 20 is optionally activated in such a way that the quantity valve 20 executes only a partial stroke.
  • the injection rate is represented by throttling via the flow control valve 20. Since it is a 2/2-way valve 20, this throttling does not lead to a reduction of the volumetric efficiency.
  • a seat throttling in the injection nozzle as provided for example in conventional, known CR (common rail) systems, the mixture forming quality is improved.
  • the seat throttling leads to cavitation before and in the nozzle holes and thus to an irregular or uneven distribution of the fuel to the individual injection holes.
  • the second embodiment according to Fig. 2 acts a constantly biased by the pressure in the injector memory 18 piston 38 in addition to the back of the nozzle needle 24 a.
  • the nozzle opening and closing pressure increases with the rail pressure. This allows an additional degree of freedom in the tuning of the injection system.
  • the function corresponds to that of the first embodiment according to FIG Fig. 1 , Like previously described.
  • the flow control valve 20 is 100% static pressure balanced to minimize the actuating forces.
  • the effective cross section of the flow control valve 20 is, for example 4 times, preferably 4 1/2 times as large as that of the injection nozzle 24, so that no appreciable pressure loss via the flow control valve 20 occurs.
  • the 2/3-way valve 22 is in the starting position ( Fig. 3 ) a seat valve.
  • the 2nd switch position and the 3rd switch position are sealed via gaps (slide valve), as shown 4 and 5 seen.
  • the seat seal in the starting position ( Fig. 3 ) allows a secure holding of the stand pressure, since no leakage occurs over the closed valve 22.
  • the passing through the valve 22 amount can be in the embodiment according to Fig. 6 over the length of a plug 48, which releases a throttle cross-section (throttle edge) set. Alternatively, this can be done by adjusting the (transverse) bore diameter in the valve spool.
  • FIG. 7 An enlargement of the pressure spread between the first switching positions ( Fig. 3 ) and the third switch position ( Fig. 5 ) can be achieved by placing the seat of the poppet valve on a larger diameter than the pusher diameter, as in Fig. 7 shown.
  • the sealing diameter for the initial position (first switching position) is analog Fig. 3 designated.
  • the sealing diameter for the third switching position is analog Fig. 5 designated.
  • the pressures, and thus the required spring forces behave like the diameters associated surfaces on which is sealed.
  • the line pressure acting on the upper face shifts the valve spool.
  • the spring force and the spring stiffness, together with the valve travel determine the pressures for the two switching stages.
  • the connection of the branch line to the 2/3-way valve 22 is located in the immediate vicinity of the flow control valve 20 to "level" or to absorb the returning pressure wave after closing the injector 24 there.
  • the injection quantity is metered directly via the quantity valve 20. This eliminates the errors from the timing chain of a conventional injector.
  • a pilot valve is moved via an electromagnet or a piezo actuator. This in turn relieves the back of the injection needle. This lifts off the needle seat and the injection begins.
  • the pilot valve is closed, which leads to a pressure build-up on the back of the injection needle and the initiation of the closing movement.
  • the pressure wave is effectively calmed, which minimizes the quantity effect on the individual injections.
  • the injection quantity corresponds to the amount taken from the reservoir, taking into account the small amount that escapes during pressure build-up and pressure reduction by the 2/3-way valve 22.
  • This Abgresmenge is independent of the injection quantity, it is easily influenced by the accumulator pressure.
  • the Abberichtmenge is small ( ⁇ 2mm 3 ).
  • the operational safety is increased by the 2/3-way valve 22, since small leaks (leaking flow control valve) by shifting the 2/3-way valve 22 in the second switching position ( Fig. 4 ) are intercepted without it comes to a permanent injection.
  • the injector memory 18 is dimensioned large and oriented in the direction of the injector needle axis.
  • the actuator is roughly oriented in the direction of the injector needle axis (on nozzle).
  • the injector memory 18 and the high-pressure port are arranged laterally.
  • the present invention can also be used as injector control for the CRID. In this case, the injector memory 18 is replaced by the pressure booster of the CRID.

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Dieselmotor, mit wenigstens einem Arbeitszylinder und wenigstens einem Injektor pro Arbeitszylinder zum Einspritzen von Kraftstoff in jeweils einen Arbeitszylinder, wobei der Injektor ein Mengenventil (20) und eine mit dem Mengenventil (20) über eine erste Kraftstoffleitung (40) verbundene Einspritzdüse (24) aufweist. Hierbei ist zusätzlich ein Standdruckeinstellventil (22) vorgesehen, welches einerseits mit der ersten Kraftstoffleitung (40) und andererseits mit einem Kraftstoffrücklauf (36) verbunden ist, wobei das Standdruckeinstellventil (22) derart ausgebildet ist, dass dieses unterhalb eines ersten Schaltdruckes in der ersten Kraftstoffleitung (40), welcher kleiner ist als ein Öffnungsdruck der Einspritzdüse (24), in einer ersten Arbeitsstellung den Kraftstoffrücklauf (36) von der Leitung (40) abtrennt, bei dem ersten Schaltdruck und oberhalb des ersten Schaltdruckes sowie unterhalb eines zweiten Schaltdruckes, welcher größer als der erste Schaltdruck und kleiner als der Öffnungsdruck der Einspritzdüse (24) ist, den Kraftstoffrücklauf (36) mit der ersten Kraftstoffleitung (40) in einer zweiten Arbeitsstellung fluidleitend verbindet, sowie bei und oberhalb des zweiten Schaltdruckes in einer dritten Arbeitsstellung den Kraftstoffrücklauf (36) von der ersten Kraftstoffleitung (40) abtrennt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Dieselmotor, mit wenigstens einem Arbeitszylinder und wenigstens einem Injektor pro Arbeitszylinder zum Einspritzen von Kraftstoff in jeweils einen Arbeitszylinder, wobei der Injektor ein Mengenventil und eine mit dem Mengenventil über eine erste Kraftstoffleitung verbundene Einspritzdüse aufweist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Bekannte Einspritzsysteme weisen eine starke Abhängigkeit der Einspritzmenge von der der vorausgehenden Einspritzung auf, was zu Emissions- und Applikationsproblemen sowie einem reduzierten Wirkungsgrad vor allem bei kleinen Einspritzmengen führt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Einspritzsystem der o.g. Art hinsichtlich der Absteuermengen und der Strahlaufbereitung zu verbessern und gleichzeitig eine geringere Abhängigkeit der eingespritzten Kraftstoffmenge von der Voreinspritzung zu erzielen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Kraftstoffeinspritzsystem der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
  • Dazu ist es bei einem Kraftstoffeinspritzsystem der o.g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass zusätzlich ein Standdruckeinstellventil vorgesehen ist, welches einerseits mit der ersten Kraftstoffleitung und andererseits mit einem Kraftstoffrücklauf verbunden ist, wobei das Standdruckeinstellventil derart ausgebildet ist, dass dieses unterhalb eines ersten Schaltdruckes in der ersten Kraftstoffleitung, welcher kleiner ist als ein Öffnungsdruck der Einspritzdüse, in einer ersten Arbeitsstellung den Kraftstoffrücklauf von der Leitung abtrennt, bei dem ersten Schaltdruck und oberhalb des ersten Schaltdruckes sowie unterhalb eines zweiten Schaltdruckes, welcher größer als der erste Schaltdruck und kleiner als der Öffnungsdruck der Einspritzdüse ist, den Kraftstoffrücklauf mit der ersten Kraftstoffleitung in einer zweiten Arbeitsstellung fluidleitend verbindet, sowie bei und oberhalb des zweiten Schaltdruckes in einer dritten Arbeitsstellung den Kraftstoffrücklauf von der ersten Kraftstoffleitung abtrennt.
  • Dies hat den Vorteil, dass ein Einspritzsystem ohne Separationszeitempfindlichkeit und mit reduzierten Absteuermengen bei besserer Strahlaufbereitung durch den Entfall einer Sitzdrossel zur Verfügung steht. Das erfindungsgemäße Einspritzsystem erzielt einen geringeren Applikationsaufwand, eine verkürzte Baulänge, ein kleineres Kraftstoffverteilrohrvolumen bzw. Railvolumen (Bauraum) und geringere Steuermengen. In der Folge wird weniger Antriebsleitung für die CR(Common Rail)-Pumpe benötigt sowie der Wirkungsgrad verbessert, was auch einen CO2-Vorteil bedingt.
  • Zweckmäßigerweise ist ein mit dem Injektor über eine Leitung verbundenes Kraftstoffverteilerrohr (Common Rail) oder Kraftstoffspeicher und eine mit dem Kraftstoffverteilerrohr verbundene Hochdruckpumpe vorgesehen, wobei der Kraftstoffrücklauf mit einem Kraftstoffstank verbunden ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Standdruckeinstellventil als 2/3-Wegeventil ausgebildet.
  • Das Standdruckeinstellventil weist beispielsweise einen axial in Abhängigkeit von dem Druck in der Leitung in die drei Arbeitsstellungen verschiebbaren Kolben auf, welcher in der ersten und der dritten Arbeitsstellung an einer Dichtfläche anschlägt. Hierbei weist das Standdruckeinstellventil bevorzugt ein Federelement auf, welches den Kolben in Richtung der ersten Schaltstellung mit Kraft beaufschlagt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Aktuator für das Mengenventil als Elektromagnet oder Piezoelement oder Magnetorestriktiv ausgebildet.
  • Ein kontrolliertes Überströmen von der ersten Kraftstoffleitung in den Kraftstoffrücklauf erzielt man dadurch, dass das Standdruckeinstellventil in der zweiten Arbeitsstellung den Kraftstoffrücklauf mit der ersten Kraftstoffleitung über eine Drossel verbindet.
  • In einer alternativen Ausführungsform ist ein Gegenkolben mit einem Druckraum axial zur Einspritzdüse derart vorgesehen, dass der Gegenkolben bei Druck im Druckraum eine axiale Kraft in Richtung der Schließstellung der Einspritzdüse ausübt. Hierbei ist bevorzugt der Druckraum des Gegenkolbens über eine zweite Kraftstoffleitung mit dem Injektorvolumen verbunden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Mengenventil als 2/2-Wegeventil ausgebildet.
  • Zweckmäßigerweise ist in einem Kraftstofftank und/oder im Kraftstoffrücklauf eine Kraftstoffkühlvorrichtung vorgesehen.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in
    • Fig. 1
    ein schematisches Schaltbild einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems,
    Fig. 2
    ein schematisches Schaltbild einer zweiten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems,
    Fig. 3
    ein Standdruckeinstellventil in Form eines 2/3-Wegeventils für ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzsystem in schematischer Schnittansicht in einer Ausgangsstellung (erste Sperrstellung),
    Fig. 4
    das Standdruckeinstellventil gemäß Fig. 3 in Durchflussstellung mit Drossel,
    Fig. 5
    das Standdruckeinstellventil gemäß Fig. 3 in zweiter Sperrstellung,
    Fig. 6
    das Standdruckeinstellventil gemäß Fig. 3 in erster Sperrstellung in vergrößerter Darstellung und
    Fig. 7
    eine alternative Ausführungsform des Standdruckeinstellventil in schematischer Schnittansicht.
  • Die in Fig. 1 dargestellte, bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Einspritzsystems für eine Brennkraftmaschine, beispielsweise für einen Dieselmotor, umfasst eine Hochdruckpumpe 10 und ein Kraftstoffverteilrohr bzw. ein Rail 12, von dem zu einem Injektor bzw. Motorzylinder eine Leitung 14 mit einer Drossel 16 abzweigt. Vorliegend ist lediglich aus Gründen einer vereinfachten Darstellung jeweils ein 1-Zylindermotor dargestellt. Der Injektor umfasst im Wesentlichen ein Injektorvolumen 18, ein Mengenventil 20 in Form eines 2/2-Wegeventil, welches beispielsweise von einem Piezoelement oder einem Elektromagnet (nicht dargestellt) angetrieben wird, ein Standdruckeinstellventil 22 in Form eines 2/3-Wegeventils und eine Einspritzdüse 24, mit Düsennadelfeder (passive Düse). Weiterhin weist das Einspritzsystem einen mit dem Kraftstoffverteilrohr 12 verbundenen Raildrucksensor 26, ein den Druck im Kraftstoffverteilrohr 12 regelndes Druckregelventil 28, einen Kraftstofftank 30 sowie eine mit dem Druckregelventil 28, dem Kraftstofftank 30, dem Standdruckeinstellventil 22 und der Einspritzdüse 24 verbundene Leckölleitung 32 auf. Mit 34 ist eine elektrische Steuerung für das Mengenventil 20 bezeichnet. Eine Kraftstoffleitung bzw. Rücklaufleitung 36 verbindet den Kraftstofftank 30 mit dem Standdruckeinstellventil 22 und über das Druckregelventil 28 mit dem Kraftstoffverteilrohr 12. Zur Dämpfung der durch die Kolben der Hochdruckpumpe 10 erzeugten Druckstöße befindet sich; zwischen dem Rail 12 und dem Injektorspeicher 18 mindestens eine Drossel 16. Die Drossel kann in den Injektor bzw. ins Rail 12 integriert sein. Die Leitungslänge der Leitung 14 zwischen Rail 12 und Injektor ist für alle Zylinder gleich. Der Injektorspeicher 18 ist durch eine Aushöhlung des Injektorkörpers erzeugt ausgebildet. Die Einspritzmengenfreigabe erfolgt durch das 2/2-Wegeventil 20 (Mengenventil). Das 2/3-Wegeventil 22 stabilisiert den Standdruck zwischen der Einspritzdüse 24 und dem Mengenventil 20. Das Lecköl fließt, ggf. durch einen Kühler (nicht dargestellt), über die Leckölleitung 32 und die Kraftstoffleitung 36 zurück zum Kraftstofftank 30. Die Leitungen im Injektor sind so kurz wie möglich ausgeführt. Eine erste Leitung 40 verbindet die Einspritzdüse 24 mit dem Mengenventil 20. Ein Anschluss des Standdruckeinstellventils 22 ist mit der ersten Leitung 40 verbunden. Das Mengenventil ist durch eine Feder 44 in Richtung Schließstellung mit Kraft beaufschlagt.
  • Das 2/3-Wegeventil 22 weist drei Stellungen auf, die zusätzlich in Fig. 3 bis 5 veranschaulicht sind. In einer ersten Schaltstellung gemäß Fig. 3 ist das 2/3-Wegeventil 22 geschlossen. In einer zweiten Schaltstellung gemäß Fig. 4 verbindet das 2/3-Wegeventil 22 die erste Leitung 40 mit der Rücklaufleitung 36 über eine in dem 2/3-Wegeventil 22 ausgebildete Drossel 46. In einer dritten Schaltstellung gemäß Fig. 5 ist diese Verbindung zwischen der ersten Leitung 40 und der Rücklaufleitung 36 wieder getrennt. Das 2/3-Wegeventil 22 ist derart ausgebildet, dass ein über die erste Leitung 40 im 2/3-Wegeventil 22 anstehender Druck zwischen den zuvor genannten Schaltstellungen umschaltet. Hierbei ist die erste Schaltstellung gemäß Fig. 3 eine Ausgangsstellung des 2/3-Wegeventil 22 bei einem Druck in der ersten Leitung 40 unterhalb einem ersten Schaltdruck. Bei Überschreiten des ersten Schaltdruckes und unterhalb eines zweiten Schaltdruckes in der ersten Leitung 40 wechselt das 2/3-Wegeventil 22 in die zweite Schaltstellung gemäß Fig. 4, wobei Kraftstoff über die Drossel 46 von der Leitung 40 in den Rücklauf 36 strömt. Bei Überschreiten auch des zweiten Schaltdruckes in der ersten Leitung 40 wechselt das 2/3-Wegeventil 22 schließlich in die dritte Schaltstellung gemäß Fig. 5, so dass die Verbindung zwischen erster Leitung 40 und Rücklauf 36 wieder geschlossen ist. Ausgehend von einem Druck oberhalb des zweiten Schaltdruckes in der ersten Leitung 40 wechselt bei nachlassendem Druck dementsprechend das 2/3-Wegeventil 22 nacheinander von der dritten Schaltstellung zurück in die zweite Schaltstellung und schließlich wieder in die erste Schaltstellung. Das 2/3-Wegeventil 22 ist derart ausgebildet, dass der erste Schaltdruck weit unterhalb des Öffnungsdruckes der Einspritzdüse 24 und der zweite Schaltdruck knapp unterhalb des Öffnungsdruckes der Einspritzdüse 24 liegt.
  • In Fig. 2 ist eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems dargestellt, wobei gleiche Bezugszeichen funktionsgleiche Teile wie in Fig. 1 und 3 bis 5 bezeichnen, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der Fig. 1 und 3 bis 5 verwiesen wird. Zusätzlich zur ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1 umfasst die zweite Ausführungsform gemäß Fig. 2 einen Gegenkolben 38 an der Einspritzdüse 24. Ein Raum für den Gegenkolben 38 ist über eine zweite Leitung 42 mit dem Injektorvolumen 18 verbunden. Dieser Gegenkolben 38 übt eine zusätzliche Schließkraft auf die Einspritzdüse 24 aus.
  • Nachfolgend wird die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems anhand der ersten Ausführungsform gemäß der Fig. 1 erläutert. Diese Erläuterung gilt jedoch analog auch für die zweite Ausführungsform gemäß der Fig. 2.
  • Erste Einspritzung:
    1. 1. Vor der Einspritzung:
      1. a. Die erste Leitung 40 zwischen Mengenventil 20 und Einspritzdüse 24 ist drucklos. Das 2/3-Wegeventil 22 ist geschlossen. Dies ist die Ausgangsstellung des 2/3-Wegeventil 22 gemäß Fig. 3.
      2. b. Das Mengenventil 20 öffnet aufgrund einer Betätigung durch beispielsweise einen Elektromagneten oder ein Piezoelement (nicht dargestellt).
      3. c. Der Druck in der Leitung 40 zwischen Mengenventil 20 und Einspritzdüse 24 steigt, bis er den Öffnungsdruck (erster Schaltdruck) für die 2. Schaltstufe des 2/3-Wegeventils 22 überschreitet und das 2/3-Wegeventils 22 wechselt zur 2. Schaltstellung "Durchfluss mit Drossel 46" (Fig. 4). ,
      4. d. Kraftstoff strömt über die Drossel 46 des 2/3-Wegeventils 22, wie in Fig. 4 dargestellt, in den Rücklauf 36 zum Kraftstofftank 30. Der Druck für die 2. Schaltstufe des 2/3-Wegeventils 22 liegt unter dem Öffnungsdruck der Einspritzdüse 24.
      5. e. Der Druck in der Leitung 40 zwischen Mengenventil 20 und Einspritzdüse 24 steigt weiter. Das 2/3-Wegeventil 22 wechselt bei Überschreiten eines vorbestimmten zweiten Schaltdruckes in der ersten Leitung 40 in die 3. Schaltstufe "zweite Sperrstellung" (Fig. 5). Es sperrt den Durchfluss in die Rücklaufleitung 36 erneut ab. Dieser zweite Schaltdruck ist bevorzugt etwas kleiner als der Öffnungsdruck der Einspritzdüse 24.
    2. 2. Einspritzung:
      1. a. Der weiterhin durch das Mengenventil 20 tretende Kraftstoff hebt den Druck in der Leitung 40 zwischen Mengenventil 20 und Einspritzdüse 24 so weit an, dass der Öffnungsdruck der Einspritzdüse 24 überschritten wird und dementsprechend die Einspritzung beginnt.
      2. b. Da der freie Querschnitt des Mengenventils 20 deutlich größer (ca. 4-5 mal) als der der Einspritzdüse 24 ist, tritt keine merkliche Drosselung über das Mengenventil 20 auf. Der Druckverlust ist beispielsweise kleiner als 5% des Druckes in dem Rail 12.
      3. c. Die federbelastete Einspritzdüse 24 "schnappt" auf, d.h. kaum Nadeldrosselung. Die Nadel schaltet quasi digital von zu nach auf.
    3. 3. Einspritzende:
      • a. Das Mengenventil 20 wird durch die Feder 44 geschlossen. Der Druck in der Leitung 40 zwischen Mengenventil 20 und Einspritzdüse 24 fällt sehr schnell ab.
      • b. Die Einspritzdüse 24 schließt, sobald ein Schließbeginndruck erreicht bzw. unterschritten wird.
      • c. Das 2/3-Wegeventil 22 bewegt sich in die Mittelstellung (Fig. 4). Über die Drossel 46 in dem 2/3-Wegeventil 22 fließt zusätzlich Kraftstoff aus der Leitung 40 in den Rücklauf 36 ab, so dass der Druckabfall in der Leitung 49 beschleunigt wird.
      • d. Die Einspritzdüse 24 schließt, wobei aufgrund des schnellen Druckabfalls in der ersten Leitung 40 während der Schließphase wenig Kraftstoff austritt. Daraus folgt eine gute Zerstäubung ohne Sitzdrosselung (siehe auch SAE 2003-01-0698). Die zum Mengenventil 20 rücklaufende Druckwelle aufgrund des Schließens der Einspritzdüse 24 wird über die Drossel 46 in dem 2/3-Wegeventil 22 abgebaut. Ein Nachspritzen der Einspritzdüse 24 wird dadurch funktionssicher vermieden.
      • e. Sobald der Standdruck (erster Schaltdruck) in der Leitung 40 zwischen Mengenventil 20 und Einspritzdüse 24 erreicht wird, schließt das 2/3-Wegeventil 22 und es bewegt sich in die Grundstellung zurück (Fig. 3). Der Standdruck bleibt erhalten.
    4. 4. Folgende Einspritzungen:
      Wie oben, wobei jedoch die Leitung 40 bereits unter Standdruck steht und nicht mehr so weit vorgespannt werden muss. Das Öffnen des Mengenventils 20 bewirkt sofort ein Überschreiten des ersten Schaltdruckes in der Leitung 40 und dementsprechend ein Schalten des 2/3-Wegeventils 22 in die 2. Schaltstufe. Der restliche Ablauf wie unter Punkten 3. und 4 oben ist analog. Der Standdruck verhindert Kavitation und ein unbekanntes "Luftvolumen" in der Leitung. Weiterhin ergibt sich ein Wirkungsgradvorteil durch vorweggenommene Kraftstoffkompressibilität.
    Kleinstmengen (fakultativ):
  • Um Einfluss auf den Einspritzverlauf zu nehmen bzw. die Dosierfähigkeit bei Kleinstmengen zu verbessern, wird der Aktuator, der das Mengenventil 20 betätigt, optional derart angesteuert, dass das Mengenventil 20 lediglich einen Teilhub ausführt. Die Einspritzrate wird durch Drosselung über das Mengenventil 20 dargestellt. Da es sich um ein 2/2-Wegeventil 20 handelt führt diese Drosselung nicht zu einer Reduktion des volumetrischen Wirkungsgrades. Gegenüber einer Sitzdrosselung in der Einspritzdüse, wie beispielsweise bei herkömmlichen, bekannten CR(Common Rail)-Systemen vorgesehen, ist die Gemischbildungsgüte verbessert. Die Sitzdrosselung führt zu Kavitation vor und in den Düsenlöchern und damit zu einer unregelmäßigen bzw. ungleichmäßigen Verteilung des Kraftstoffes auf die einzelnen Einspritzlöcher.
  • Bei der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 2 wirkt ein ständig durch den Druck im Injektorspeicher 18 vorgespannter Kolben 38 zusätzlich auf die Rückseite der Düsennadel 24 ein. Dadurch steigt der Düsenöffnungs- und -schließdruck mit dem Raildruck an. Dies erlaubt einen zusätzlichen Freiheitsgrad in der Abstimmung des Einspritzsystems. Die Funktion entspricht der der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1, wie zuvor beschrieben.
  • Das Mengenventil 20 ist zu 100% statisch druckausgeglichen, um die Betätigungskräfte zu minimieren. Zusätzlich ist das Mengenventil 20 größtenteils dynamisch druckausgeglichen ausgebildet..Der effektive Querschnitt des Mengenventils 20 ist beispielsweise 4 mal, bevorzugt 4 1/2-mal so groß wie der der Einspritzdüse 24, damit kein merklicher Druckverlust über das Mengenventil 20 auftritt. Das 2/3-Wegeventil 22 ist in der Ausgangstellung (Fig. 3) ein Sitzventil. Die 2. Schaltstellung und die 3. Schaltstellung werden über Spalte abgedichtet (Schieberventil), wie aus Fig. 4 und 5 ersichtlich. Die Sitzabdichtung in der Ausgangsstellung (Fig. 3) erlaubt ein sicheres Halten des Standdrucks, da keine Leckage über das geschlossene Ventil 22 auftritt. Die durch das Ventil 22 durchtretende Menge lässt sich bei der Ausführung gemäß Fig. 6 über die Länge eines Stopfens 48, der einen Drosselquerschnitt (Drosselkante) freigibt, einstellen. Alternativ kann dies über die Abstimmung der (Quer-) Bohrungsdurchmesser im Ventilschieber erfolgen.
  • Eine Vergrößerung der Druckspreizung zwischen den ersten Schaltstellungen (Fig. 3) und der dritten Schaltstellung (Fig. 5) lässt sich dadurch erzielen, dass der Sitz des Sitzventils auf einen größeren Durchmesser gelegt wird als der Schieberdurchmesser, wie in Fig. 7 dargestellt. Mit 50 ist der Dichtdurchmesser für die Ausgangsstellung (erste Schaltstellung) analog Fig. 3 bezeichnet. Mit 52 ist der Dichtdurchmesser für die dritte Schaltstellung analog Fig. 5 bezeichnet. Die Drücke, und damit die erforderlichen Federkräfte, verhalten sich wie die zu den Durchmessern gehörigen Flächen auf denen abgedichtet wird. Der auf die obere Stirnfläche wirkende Leitungsdruck verschiebt den Ventilschieber. Die Federkraft und die Federsteifigkeit, zusammen mit dem Ventilweg bestimmen die Drücke für die beiden Schaltstufen. Der Anschluss der Stich leitung zum 2/3-Wegeventil 22 befindet sich in unmittelbarer Nähe zum Mengenventil 20, um dort die rücklaufende Druckwelle nach dem Schließen der Einspritzdüse 24 "einzuebnen" bzw. zu absorbieren.
  • Es ergibt sich eine geringere Mengenstreuung durch direkte Freigabe der Einspritzmenge. Die Einspritzmenge wird direkt über das Mengenventil 20 dosiert. Damit entfallen die Fehler aus der Steuerkette eines üblichen Injektors. Bei diesen wird über einen Elektromagneten oder einen Piezoaktuator ein Vorsteuerventil bewegt. Dieses wiederum entlastet die Rückseite der Einspritznadel. Diese hebt vom Nadelsitz ab und die Einspritzung beginnt. Um die Einspritzung zu beenden wird das Vorsteuerventil geschlossen, was zu einem Druckaufbau auf der Rückseite der Einspritznadel und zur Initiation der Schließbewegung führt.
  • Nachfolgend wird die Dämpfung bzw. Verhinderung der Druckwellenwirkung auf die Einspritzmenge näher erläutert. Die meist mit 2/2-Wegeventilen durchgeführte, Vorsteuerung führt dazu, dass die Absteuermenge bedeutsam wird. Bei kleinen Einspritzmengen, beispielsweise Voreinspritzungen von 1 mg, beträgt die Absteuermenge ein Mehrfaches der Einspritzmenge. Die Absteuermenge wird, genau wie die Einspritzmenge, dem Injektor und damit der Kraftstoffverteilleiste entzogen. Dieser Mengenverlust löst eine starke Druckwelle aus. Diese Druckwelle führt ihrerseits zum Effekt der sich verändernden Einspritzmenge in Abhängigkeit des Abstandes zwischen zwei Einspritzungen. Um die Wirkung der Druckwellen zu minimieren werden bei der vorliegenden Erfindung folgende Maßnahmen ergriffen:
    1. 1. Die gesamte dem System entzogenen Menge (Absteuer- und Einspritzmenge) ist minimiert, da damit die Anregung der Druckwellen minimiert wird.
    2. 2. Die Leitungslänge zwischen dem Mengenventil bzw. Vorsteuerventil 20 ist minimiert, damit die Störung möglichst hochfrequent ist. Je größer die Frequenz der Schwingung, desto größer wird die Dämpfung, d.h. die Zeit, nach der die Störung abgeklungen ist, verkürzt sich.
    3. 3. Die Druckwelle wird nah am Entstehungspunkt gedämpft. Die Dämpfung erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystem durch die kombinierte Anwendung eines Volumens (Injektorspeicher 18) und der Drossel 46.
  • Durch die Kombination der drei vorgenannten Maßnahmen wird die Druckwelle wirksam beruhigt, was den Mengeneffekt auf die einzelnen Einspritzungen minimiert.
  • Weiterhin ergeben sich Wirkungsgradvorteile, d.h. geringere Absteuermengen. Die Einspritzmenge entspricht der aus dem Speicher entnommenen Menge unter Berücksichtigung der kleinen Menge die beim Druckaufbau und Druckabbau durch das 2/3-Wegeventil 22 entweicht. Diese Absteuermenge ist unabhängig von der Einspritzmenge, sie wird leicht durch den Speicherdruck beeinflusst. Die Absteuermenge ist klein (<2mm3).
  • Die Betriebsicherheit wird durch das 2/3-Wegeventil 22 gesteigert, da kleine Leckagen (undichtes Mengenventil) durch verschieben des 2/3-Wegeventils 22 in die zweite Schaltstellung (Fig. 4) abgefangen werden, ohne das es zu einer Dauereinspritzung kommt.
  • Durch eine Weg-/Geschwindigkeitsmessung der Nadel des 2/3-Wegeventils 22 und/oder der Düsennadel 24 kann eine für die OBD verwertbare Rückmeldung über den Zustand des Einspritzsystems erzeugt werden:
    • a. Innere Leckage über 2/3-Wegeventil
    • b. Einspritzdauer bzw. Spritzverzug über Düsennadel bzw. 2/3-Wegeventilsensierung
  • Es wird weiterhin eine Baulänge sparende Bauweise insbesondere für 2-V-Motoren (Schrägeinbau) und MSV-Konzepte (MSV = Mehrstufenverbrennung) erzielt mit einer Länge < 130mm bzw. < 100mm. Der Injektorspeicher 18 ist groß dimensioniert und in Richtung der Einspritzdüsennadelachse orientiert. Der Aktuator ist grob in Richtung der Einspritzdüsennadelachse orientiert (auf Düse). Der Injektorspeicher 18 und der Hochdruckanschluss sind seitlich angeordnet. Die vorliegende Erfindung ist auch als Einspritzventilsteuerung für den CRID einsetzbar. In diesem Fall kommt an die Stelle des Injektorspeichers 18 der Druckverstärker des CRID.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Hochdruckpumpe
    12
    Kraftstoffverteilrohr bzw. ein Rail
    14
    Leitung
    16
    Drossel
    18
    Injektorvolumen
    20
    Mengenventil / 2/2-Wegeventil
    22
    Standdruckeinstellventil / 3/2-Wegeventil
    24
    Einspritzdüse
    26
    Raildrucksensor
    28
    Druckregelventil
    30
    Kraftstofftank
    32
    Leckölleitung
    34
    Steuerung für das Mengenventil 20
    36
    Kraftstoffleitung / Rücklaufleitung
    38
    Gegenkolben
    40
    erste Kraftstoffleitung
    42
    zweite Kraftstoffleitung
    44
    Feder
    46
    Drossel in 2/3-Wegeventil 22
    48
    Stopfen
    50
    Dichtdurchmesser für die Ausgangsstellung (erste Schaltstellung)
    52
    Dichtdurchmesser für die dritte Schaltstellung

Claims (12)

  1. Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Dieselmotor, mit wenigstens einem Arbeitszylinder und wenigstens einem Injektor pro Arbeitszylinder zum Einspritzen von Kraftstoff in jeweils einen Arbeitszylinder, wobei der Injektor ein Mengenventil (20) und eine mit dem Mengenventil (20) über eine erste Kraftstoffleitung (40) verbundene Einspritzdüse (24) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Standdruckeinstellventil (22) vorgesehen ist, welches einerseits mit der ersten Kraftstoffleitung (40) und andererseits mit einem Kraftstoffrücklauf (36) verbunden ist, wobei das Standdruckeinstellventil (22) derart ausgebildet ist, dass dieses unterhalb eines ersten Schaltdruckes in der ersten Kraftstoffleitung (40), welcher kleiner ist als ein Öffnungsdruck der Einspritzdüse (24), in einer ersten Arbeitsstellung den Kraftstoffrücklauf (36) von der Leitung (40) abtrennt, bei dem ersten Schaltdruck und oberhalb des ersten Schaltdruckes sowie unterhalb eines zweiten Schaltdruckes, welcher größer als der erste Schaltdruck und kleiner als der Öffnungsdruck der Einspritzdüse (24) ist, den Kraftstoffrücklauf (36) mit der ersten Kraftstoffleitung (40) in einer zweiten Arbeitsstellung fluidleitend verbindet, sowie bei und oberhalb des zweiten Schaltdruckes in einer dritten Arbeitsstellung den Kraftstoffrücklauf (36) von der ersten Kraftstoffleitung (40) abtrennt.
  2. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Injektor über eine Leitung (14) verbundenes Kraftstoffverteilerrohr (12) (Common Rail) oder Kraftstoffspeicher und eine mit dem Kraftstoffverteilerrohr (12) verbundenen Hochdruckpumpe (10) vorgesehen ist.
  3. Kraftstoffeinspritzsystem nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffrücklauf (36) mit einem Kraftstofftank (30) verbunden ist.
  4. Kraftstoffeinspritzsystem nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Standdruckeinstellventil (22) als 2/3-Wegeventil ausgebildet ist.
  5. Kraftstoffeinspritzsystem nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Standdruckeinstellventil (22) einen axial in Abhängigkeit von dem Druck in der Leitung (40) in die drei Arbeitsstellungen verschiebbaren Kolben aufweist, welcher in der ersten und der dritten Arbeitsstellung an einer Dichtfläche anschlägt.
  6. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Standdruckeinstellventil (22) ein Federelement aufweist, welches den Kolben in Richtung der ersten Schaltstellung mit Kraft beaufschlagt.
  7. Kraftstoffeinspritzsystem nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Aktuator für das Mengenventil (20) als Elektromagnet oder Piezoelement oder Magnetorestriktiv ausgebildet ist.
  8. Kraftstoffeinspritzsystem nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Standdruckeinstellventil (22) in der zweiten Arbeitsstellung den Kraftstoffrücklauf (36) mit der ersten Kraftstoffleitung (40) über eine Drossel (46) verbindet.
  9. Kraftstoffeinspritzsystem nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gegenkolben (38) mit einem Druckraum axial zur Einspritzdüse (24) derart vorgesehen ist, dass der Gegenkolben (38) bei Druck im Druckraum eine axiale Kraft in Richtung der Schließstellung der Einspritzdüse (24) ausübt.
  10. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum des Gegenkolbens (38) über eine zweite Kraftstoffleitung (42) mit dem Injektorvolumen (18) verbunden ist.
  11. Kraftstoffeinspritzsystem nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mengenventil (20) als 2/2-Wegeventil ausgebildet ist.
  12. Kraftstoffeinspritzsystem nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Kraftstofftank (30) und/oder im Kraftstoffrücklauf (36) eine Kraftstoffkühlvorrichtung vorgesehen ist.
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