DE10358266B4

DE10358266B4 - Kraftstoff-Einspritzsystem für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE10358266B4
Application number: DE2003158266
Authority: DE
Inventors: Rainer Werner Dr. Jorach; Horst Ressel; Wolfgang Dr. Scheibe
Original assignee: LOrange GmbH
Current assignee: LOrange GmbH
Priority date: 2003-12-11
Filing date: 2003-12-11
Publication date: 2008-06-05
Anticipated expiration: 2023-12-12
Also published as: DE10358266A1

Abstract

Kraftstoff-Einspritzsystem für mit Dieselkraftstoff betriebene Brennkraftmaschinen, insbesondere mit Schweröl betriebene Brennkraftmaschinen, mit einem Kraftstoff-Einspritzinjektor, der eine Steuereinheit mit einem Steuerventil und mit Anschlüssen an eine einen Hochdruckspeicher als Druckquelle umfassende Hochdruckseite, eine Niederdruckseite sowie eine Düse umfasst, deren Düsennadel auf ihre Öffnungslage mit Hochdruck beaufschlagt, auf ihre Schließlage federbelastet und in ihrer Schließlage über eine Haltekraft gehalten ist, wobei das elektrisch angesteuerte Steuerventil in einer Durchlaufverbindung von Hochdruckseite und Niederdruckseite liegt, die Durchlaufverbindung hochdruckseitig einen Anschluss zu einem rückseitig zur Düsennadel liegenden Steuerraum aufweist und wobei bei abgeschalteter Brennkraftmaschine über das Steuerventil in seiner Öffnungsstellung bei in Schließlage gehaltener Düsennadel die Durchlaufverbindung zwischen der Niederdruckseite und der Hochdruckseite freigegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoff-Einspritzsystem einen über den Hochdruckspeicher mit Kraftstoff-Einspritzinjektor (1) laufenden Heizkreislauf aufweist und dass die bei abgeschalteter Brennkraftmaschine und in Schließlage gehaltener Düsennadel (6) freigegebene Durchlaufverbindung als Langzeitverbindung geschaltet wird und Teil des Heizkreislaufs des Kraftstoff-Einspritzsystems...

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoff-Einspritzsystem für Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Die Beanspruchungen von Kraftstoff-Einspritzsystemen sind aufgrund der im Arbeitsbetrieb moderner Brennkraftmaschinen gestiegenen Anforderungen an die Aufbereitung des Kraftstoffes und der in Verbindung damit geforderten, sehr hohen Arbeitsdrücke bis in den Bereich von über 2.000 bar stetig größer geworden, zumal bei Einsätzen in Groß-Brennkraftmaschinen, zum Beispiel für Schiffsantriebe, auch Kraftstoffe niedriger Qualität, wie Schweröle, zum Einsatz kommen. Hierdurch ergeben sich Zusatzanforderungen, sei es unter dem Gesichtspunkt der Entlastung besonders beanspruchter Teile, wie beispielsweise der Düsenteile, oder der Verbesserung der Arbeitsbedingungen für die Brennkraftmaschinen, so beispielsweise und insbesondere unter Kaltstartbedingungen.
Bei einem aus der DE 44 45 586 A1 bekannten, im Oberbegriff des Anspruches 1 berücksichtigten Kraftstoff-Einspritzsystem für Brennkraftmaschinen werden zum Druckabbau im Hochdruckspeicher nach Abstellen der Brennkraftmaschine die in der Ansteuerung der Kraftstoffinjektoren vorgesehenen Steuerventile gegebenenfalls mehrfach, also taktend, kurzzeitig zur Schaltung einer Kurzschlussverbindung vom an den Hochdruckspeicher angeschlossenen Steuerraum zur Niederdruckseite angesteuert. Dies, um den Druck im Hochdruckspeicher auf einen bei abgeschalteter Brenn kraftmaschine gewünschten Wert abzusenken, der oberhalb eines Schwellwertes liegt, bei dem die Düsennadel der Düse des Kraftstoffinjektors öffnen würde. So soll mit geringem Aufwand, insbesondere ohne Zusatzeinrichtungen, eine Druckabsenkung im System erreicht werden, bei der Reparatur und Wartungsarbeiten ohne Gefahr vorgenommen werden können.
Zur Erwärmung des Kraftstoffs bei abgeschalteter Brennkraftmaschine ist es bei Einspritzsystemen für insbesondere mit Schweröl betriebenen Brennkraftmaschinen aus der DE 196 45 243 A1 bekannt, im Zulauf auf deren Hochdruckspeicher parallel zur Hochdruckpumpe einen Heizkreislauf anzuschließen, der nachgeordnet zu einer Vorförderpumpe eine Heizeinrichtung aufweist. Die Hochdruckpumpe, und parallel hierzu ausgehend von der Vorförderpumpe die Heizeinrichtung, sind an das eine Ende des lang gestreckten, als Common Rail ausgebildeten Hochdruckspeichers angeschlossen und am anderen Ende des Hochdruckspeichers ist ein Überströmventil vorgesehen, über das in geöffnetem Zustand der Hochdruckspeicher gegen den Kraftstoffvorratsbehälter kurzgeschlossen ist. Das Überströmventil, das rücklaufseitig zum Einspritzinjektor angeschlossen und druckbeaufschlagt geschlossen gehalten ist, ist bei abgeschalteter Brennkraftmaschine dementsprechend geöffnet und gibt den den Hochdruckspeicher durchlaufenden Heizkreislauf frei. Nicht eingebunden ist in den Heizkreislauf der Einspritzinjektor, so dass dieser bei abgeschalteter Brennkraftmaschine allenfalls über die seitens der Brennkraftmaschine unmittelbar abgegebene Wärme auf Temperatur gehalten wird.
Zur Temperierung des den Kraftstoffinjektoren bei einem Common Rail-System zugeführten Kraftstoffes ist es des Weiteren aus der DE 199 45 436 C1 bekannt, in die Wandung des Hochdruckspeichers integrierte Temperierleitungen vorzusehen, die teils an den Kühlkreislauf und teils an den von den Kraftstoffinjektoren ausgehenden Rücklauf angeschlossen sind, so dass, je nach Bedarf, der im Hochdruckspeicher jeweils vorhandene Kraftstoff gekühlt oder erwärmt werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem eingangs genannten Kraftstoff-Einspritzsystem für Brennkraftmaschinen ohne wesentlichen baulichen Zusatzaufwand eine Beheizung des Kraftstoffes, insbesondere auch für den Kaltstartbetrieb, zu ermöglichen.
Erreicht wird dies mit den Merkmalen des Anspruches 1.
Hierbei wird das Steuerventil der Steuereinheit bei abgeschalteter Brennkraftmaschine und in der Schließstellung befindlicher und gehaltener Düsennadel zur Schaltung einer Durchflussverbindung zwischen der Hochdruck- und der Niederdruckseite genutzt, die als zeitlich begrenzte Langzeitverbindung ein Heizkreislauf bildet und zu Heiz- und/oder Spülzwecken nutzbar ist.
So beispielsweise bei mit Dieselkraftstoff betriebenen Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge zur Vorwärmung des Kraftstoff-Einspritzsystems im Rahmen der Beheizung der Brennkraftmaschine in Vorbereitung des Kaltstartbetriebes bei Einsatz von Standheizungen, oder gegebenenfalls auch lediglich in Verbindung mit einer Kraftstoffaufheizung.
Eine solche Kraftstoffaufheizung spielt insbesondere für den Betrieb von Groß-Brennkraftmaschinen mit Schweröl eine Rolle, bei denen das Schweröl zum Erreichen einer ausreichenden Fließfähigkeit auf Temperaturen von in der Größenordnung bis zu 200° aufgeheizt wird und bei denen diese Aufheizung gegebenenfalls auch bei abgeschalteter Brennkraftmaschine beibehalten werden muss und auch der Beheizung der Kraftstoffinjektoren und der zu diesen führenden Leitungen dient.
Ein dies ermöglichender Heizkreislauf ist bei einem erfindungsgemäß aufgebauten Einspritzsystem ohne Zusatzeinrichtungen zu realisieren, da die Kraftstoffinjektoren ohnehin einen Anschluss an die Niederdruckseite aufweisen und eine entsprechende Bemessung des über das Steuerventil etwa durch Drosselung einzustellenden Durchflussquerschnittes es ermöglicht, bei geschalteter Durchflussverbindung die für die Schließstellung der Düsen zur Erhöhung der Haltekraft vorgegebene Druckbeaufschlagung aufrechtzuerhalten. Der zur jeweiligen Drosselung entsprechende Stellweg des Steuerventils lässt sich über einen Piezosteller einstellen.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Ferner wird die Erfindung nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigen:
1 eine schematisierte Schnittdarstellung eines Kraftstoff-Einspritzinjektors für eine Brennkraftmaschine mit einer Steuereinheit, über die die druckabhängige Ansteuerung der Düsennadel einer Einspritzdüse erfolgt und die ein Steuerventil umfasst, das in der Darstellung in seiner Schließlage gezeigt ist,
2 das Steuerventil gemäß 1 in einer entsprechenden Schnittdarstellung, aber bei geöffnetem Steuerventil, und
3 eine Diagrammdarstellung, in der der Hubweg des Stellgliedes des Steuerventiles, das als Magnetsteller dargestellt ist, in Relation zum Druck in einem rückseitig der Düsennadel vorgesehenen Steuerraum über der Zeit aufgetragen ist.
Der in den 1 und 2 schematisiert im Schnitt dargestellte Kraftstoff-Einspritzinjektor 1 umfasst eine Einspritzdüse 2 mit einem Düsenkörper 3, der einen Ventilsitz 4 benachbart zum einspritzseitigen Ende 5 aufweist und in dem eine Düsennadel 6 hubbeweglich geführt ist. Die Düsennadel 6 ist in Richtung auf ihren Ventilsitz 4, also in Schließrichtung, über eine Feder 7 belastet, die gegen das Düsengehäuse 8 abgestützt ist, in dem eine Kolbenstange 9 koaxial zur Düsennadel 6 geführt ist. Die Kolbenstange 9 stützt sich parallel zur Feder 7 rückseitig gegen die Düsennadel 6 ab und grenzt gegenüberliegend zur Düsennadel 6 einen im Düsengehäuse 8 liegenden Steuerraum 10 ab.
Dem Düsengehäuse 8 ist ein hochdruckseitiger Anschluss 11 zugeordnet, der mit einer nicht gezeigten Hochdruckquelle, beispielsweise einem Hochdruckspeicher, in Verbindung steht und von dem aus über einen Kanal 12 der Einspritzdüse 2 der unter Hochdruck stehende, einzuspritzende Kraftstoff zugeführt wird, wobei der Kanal 12 im Düsenkörper 3 auf einen Druckraum 13 ausmündet, in dessen Bereich die Düsennadel 6 eine Druckschulter 14 aufweist. Die Druckschulter 14 liegt in der Verbindung zwischen dem schlankeren, auf den Ventilsitz 14 auslaufenden Teil der Düsennadel 6, längs dessen der Zulauf des Kraftstoffes vom Druckraum 13 zum Ventilsitz 4 erfolgt. In Gegenrichtung schließt an die Druckschulter 14 ein im Durchmesser vergrößerter Teil 16 der Düsennadeln 6 an, gegen den sich die Feder 7 und die Kolbenstange 9 abstützen, wobei die Feder 7 in einem Raum 17 des Düsengehäuses 8 liegt, der über einen Kanal 18 mit einem niederdruckseitigen Anschluss 19 in Verbindung steht, so dass auf den Raum 17 aufgrund von Leckagen übertretender Kraftstoff zur Niederdruckseite abgeführt werden kann.
Gegenüberliegend zur Einspritzdüse 2 ist dem Einspritzinjektor 1 eine Steuereinheit 20 zugeordnet, die ein Steuerventil 21 umfasst, das als steuerndes Sperrglied einen Anker 22 aufweist, dem ein Stellmagnet 23 als magnetisches Stellglied zugeordnet ist. Der Stellmagnet 23 ist über seinen Grundkörper 24 gegen das Düsengehäuse 8 lagefest abgestützt. Die dem Stellmagneten 23 zugeordneten elektrischen Anschlussverbindungen sind mit 25 bezeichnet.
Der Anker 22 ist im Ausführungsbeispiel koaxial zur Düsennadel 6 über den Stellmagneten 23 hubbeweglich und in 1 in seiner der Nichtbestromung des Magneten 23 entsprechenden Lage dargestellt, in der er ein Sperrglied bildet, über das eine vom Steuerraum 10 zum Ankerraum 27 führende, durch einen Kanal 28 gebildete Verbindung abgesperrt ist. Auf den Kanal 28 mündet von der Hochdruckseite ein Drosselkanal 29, der vom Kanal 12 ausgeht, und im Übergang des Kanales 28 zwischen Steuerraum 10 und Ankerraum 27 ist ausmündend auf den Ankerraum 27 eine Drosselstelle 30 vorgesehen. An den Ankerraum 27 schließt ferner gegenüberliegend zum Federraum 17 der die Verbindung zum rücklaufseitigen Anschluss 19 herstellende Kanal 18 an, so dass bei Bestromung des Stellmagneten 23 und von der Mündung des Kanales 28 abgehobenem Anker 22, wie in 2 dargestellt, eine Kurzschlussverbindung zwischen hochdruckseitigem Anschluss 11 und niederdruckseitigem Anschluss 19 hergestellt ist.
Diese Verbindung wird unter Beibehaltung der Schließstellung für die Düsennadel, also bei geschlossener Düse und abgeschalteter Brennkraftmaschine genutzt, um eine Langzeit-Durchlaufverbindung zwischen Hochdruckseite und Niederdruckseite zu Heiz- oder Spülzwecken herzustellen, wobei die Düsennadel 6 über eine Haltekraft in ihrer Schließstellung gehalten ist, die sich aus dem Druck im Steuerraum 10 und der Kraft der Feder 7 ergibt und zumindest der Kraft der Feder 7 entspricht.
Bezogen auf die anhand der 1 und 2 geschilderten Gegebenheiten und die in diesen prinzipiell aufgezeigte konstruktive Gestaltung ist in dem Diagramm gemäß 3 der Hubweg s des Ankers 22, ausgehend von dessen abgefallener Lage bei Nichtbestromung des Stellmagneten 23, sowie in Gegenrichtung der Druck im Steuerraum 10 aufgetragen, der sich ausgehend vom hochdruckseitigen Zulaufdruck p bei Sperrlage des Ankers 22 mit zunehmender Öffnung der Querverbindung zum Rücklauf 19 über der Zeit t ergibt.
Der Kurvenzug 31 veranschaulicht den Hubverlauf des Ankers 22 bei Bestromung des Stellmagneten 23, der Kurvenzug 32 den korrespondierenden Druckabfall im Steuerraum 10, wobei der Kurvenzug 32 auslaufend den maximal möglichen Druckabfall aufzeigt, der sich bei geöffneter Durchflussverbindung aufgrund der Drosselung im hochdruckseitigen Zulauf auf den Steuerraum 10 und im gedrosselten Ablauf vom Steuerraum 10 auf den Ankerraum 27 bzw. zur Niederdruckseite ergibt.
Strichpunktiert ist abgetragen einerseits bei 33 der Hub, bei dem die Einspritzdüse 2 durch Abheben der Düsennadel 6 vom Sitz 4 öffnet, und bei 34 der hierzu korrespondierende, gegenüber dem Zulaufdruck abgesenkte Druck im Steuerraum 10.
Das Diagramm gemäß 3 veranschaulicht somit, dass, ausgehend von einer anderweitig, zum Beispiel über die Feder 7 vorgegebenen Haltekraft der Druck im Steuerraum abgesenkt werden kann, ohne dass die Düse 2 öffnet und dass zu dieser Druckabsenkung ein gewisser Öffnungshub des Ankers 22 korreliert. Somit kann eine Kurzschlussverbindung zwischen hochdruckseitigem Anschluss 11 und niederdruckseitigem Anschluss 19 durch Anheben des Ankers 22 geschaffen werden, ohne dass die Düse 2 öffnet, und es ergibt sich über diese Kurzschlussverbindung eine Durchlaufverbindung, bei der bei abgeschalteter Brennkraftmaschine aufgrund des Druckabfalls im Hubraum der Brennkraftmaschine ein größerer Hubweg s genutzt werden kann als der in 3 abge tragene Hub 33, bei dem die Einspritzdüse 2 durch Abheben der Düsennadel 6 vom Sitz 4 bei in Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine öffnet.
3 veranschaulicht auch, dass in Verbindung mit der Nutzung von Stellgliedern, die beispielsweise bestromungsabhängig die Einstellung eines jeweiligen Hubweges ermöglichen, wie etwa Piezosteller, eine weitergehende Ausnutzung der möglichen Hub- bzw. Druckbereiche erreicht werden kann.

Claims

Kraftstoff-Einspritzsystem für mit Dieselkraftstoff betriebene Brennkraftmaschinen, insbesondere mit Schweröl betriebene Brennkraftmaschinen, mit einem Kraftstoff-Einspritzinjektor, der eine Steuereinheit mit einem Steuerventil und mit Anschlüssen an eine einen Hochdruckspeicher als Druckquelle umfassende Hochdruckseite, eine Niederdruckseite sowie eine Düse umfasst, deren Düsennadel auf ihre Öffnungslage mit Hochdruck beaufschlagt, auf ihre Schließlage federbelastet und in ihrer Schließlage über eine Haltekraft gehalten ist, wobei das elektrisch angesteuerte Steuerventil in einer Durchlaufverbindung von Hochdruckseite und Niederdruckseite liegt, die Durchlaufverbindung hochdruckseitig einen Anschluss zu einem rückseitig zur Düsennadel liegenden Steuerraum aufweist und wobei bei abgeschalteter Brennkraftmaschine über das Steuerventil in seiner Öffnungsstellung bei in Schließlage gehaltener Düsennadel die Durchlaufverbindung zwischen der Niederdruckseite und der Hochdruckseite freigegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoff-Einspritzsystem einen über den Hochdruckspeicher mit Kraftstoff-Einspritzinjektor (1) laufenden Heizkreislauf aufweist und dass die bei abgeschalteter Brennkraftmaschine und in Schließlage gehaltener Düsennadel (6) freigegebene Durchlaufverbindung als Langzeitverbindung geschaltet wird und Teil des Heizkreislaufs des Kraftstoff-Einspritzsystems ist.
Kraftstoff-Einspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (21) in seinem Hubweg einstellbar ist.
Kraftstoff-Einspritzsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Stellglied des Steuerventils (21) ein Piezosteller vorgesehen ist.