DE19504849A1 - Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen - Google Patents
Kraftstoffeinspritzeinrichtung für BrennkraftmaschinenInfo
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- F02M63/0225—Fuel-injection apparatus having a common rail feeding several injectors ; Means for varying pressure in common rails; Pumps feeding common rails
Description
Die Erfindung geht von einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung
für Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Patentanspruchs
1 aus. Bei einer derartigen aus der Fachzeitschrift ATZ/MTZ
Sonderheft Motor und Umwelt 1992 Seite 28 bis 30 bekannten
Kraftstoffeinspritzeinrichtung fördert eine Hochdruckpumpe
Kraftstoff aus einem Niederdruckraum in einen Hochdrucksam
melraum (Common-rail) und baut dort ein Kraftstoffhochdruck
niveau, das unabhängig von der Motordrehzahl für die
Einspritzung zur Verfügung steht. Vom Hochdrucksammelraum
führen der Anzahl der Einspritzstellen entsprechende
Hochdruckleitungen zu den einzelnen, in den Brennraum der zu
versorgenden Brennkraftmaschine ragenden Einspritzventilen
ab, wobei die Hochdruckleitungen an diesen in einen das Ven
tilglied in Öffnungsrichtung beaufschlagenden Druckraum mün
den. Die Steuerung der Öffnungshubbewegung der Ventilglieder
der als "nach innen öffnende Einspritzdüsen" ausgebildeten
Einspritzventile erfolgt dabei mittels eines 3/2-Wegeventils,
das in eine von der Hochdruckleitung abzweigende Teilleitung
eingesetzt ist, die in einen, das Ventilglied in Schließrich
tung beaufschlagenden Steuerraum mündet. Dabei ist die in
Schließrichtung wirkende Druckangriffsfläche am Ventilglied
des Einspritzventils größer als die in Öffnungsrichtung wir
kende Druckfläche, so daß das Ventilglied bei mit Hochdruck
beaufschlagtem Steuerraum an seinen Ventilsitz gepreßt gehal
ten wird. Soll eine Einspritzung erfolgen, verbindet das
3/2-Wegeventil den Steuerraum mit einem Kraftstofftank, so daß
sich der Druck im Steuerraum in den Tank entspannt und die am
Ventilglied angreifende Öffnungskraft nunmehr ausreicht, das
Ventilglied vom Sitz abzuheben, so daß Kraftstoff über die
Einspritzöffnungen eingespritzt werden kann. Zum Schließen
des Einspritzventils wird der Steuerraum erneut mit der Hoch
druckleitung verbunden. Für eine Formung des Einspritzverlau
fes ist dabei eine Drossel in die Verbindungsleitung zwischen
3/2-Wegeventil und Steuerraum und für ein rasches Schließen
des Ventilgliedes am Ende der Einspritzung ein in Richtung
Steuerraum öffnendes Rückschlagventil eingesetzt.
Dabei weist die bekannte Kraftstoffeinspritzeinrichtung je
doch den Nachteil auf, daß mit den verwendeten Einspritzven
tilen keine variablen Einspritzquerschnitte möglich sind.
Dies führt insbesondere bei niedriger Drehzahl und Last in
folge des sehr hohen Einspritzdrucks im Hochdrucksammelraum
zu sehr kurzen Einspritzdauern, die sich dabei nachteilig auf
die Kraftstoffaufbereitung im Brennraum und in Folge auf die
Qualität der Verbrennung auswirken.
Zudem ist die Verwendung eines komplizierten 3/2-Wegeventils
zur Steuerung des Einspritzvorganges sehr aufwendig, so daß
die Herstellung der bekannten Kraftstoffeinspritzeinrichtung
aufwendig und kostenintensiv ist.
Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzeinrichtung für
Brennkraftmaschinen mit den kennzeichnenden Merkmalen des Pa
tentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß das
bekannte Common-rail-Einspritzsystem dahingehend verbessert
werden kann, daß die Vorteile des ständig zur Verfügung ste
henden hohen Einspritzdruckes durch einen variablen
Einspritzquerschnitt am Einspritzventil konsequent ausgenutzt
werden können. Dies wird in vorteilhafter Weise durch die
Verwendung eines Einspritzventils mit nach außen öffnendem
Ventilglied ermöglicht, über dessen einstellbaren Öffnungshub
ein variabler Einspritzquerschnitt steuerbar ist.
Das Einspritzventil der nach außen öffnenden Bauart kann da
bei stufenlos steuerbar sein, wozu ein in Abhängigkeit vom
Ventilgliedhub aufsteuerbarer Ringspalt zwischen dem
Schließkopf und dem Ventilsitz den Einspritzquerschnitt bil
det. Vorzugsweise soll der Einspritzquerschnitt mittels eines
dem Dichtquerschnitt vorgeschalteten Schieberventils
gesteuert werden, das in seinem Ventilglied z. B. mehrere geo
metrisch genau bestimmte Einspritzöffnungen aufweist, über
deren Anordnung sich in Abhängigkeit vom Öffnungshub, bei de
ren Austauchen aus der Überdeckung mit dem Gehäuse präzise
Einspritzquerschnitte einstellen lassen. Diese Einspritzöff
nungen sind dabei vorzugsweise durch zwei axial übereinander
liegende Spritzlochreihen gebildet, die während des
Öffnungshubs des Ventilgliedes nacheinander aufgesteuert wer
den. Auf diese Weise ist es in konstruktiv einfacher Weise
möglich durch einen bestimmten Ventilgliedhub nur die untere,
brennraumnahe Spritzlochreihe aufzusteuern und so z. B. zu
nächst nur den halben Einspritzquerschnitt zu öffnen. Dabei
werden am Ventilglied Steuermöglichkeiten vorgesehen, die ein
Verharren des Ventilgliedes in dieser definierten Zwischen
lage ermöglichen. Alternativ ist es jedoch auch möglich noch
mehr Spritzlochreihen und definierte Verharrstellungen des
Ventilgliedes vorzusehen. Dabei haben die genannten
Spritzlöcher gegenüber dem Ringspalt den Vorteil, daß die
Strahlrichtung und der Strahlverlauf des einzuspritzenden
Kraftstoffes besser einstellbar ist.
Das beschriebene Aufsteuern nur eines verringerten Einspritz
querschnitts, vorzugsweise 50%, hat dabei insbesondere bei
kleinen Drehzahlen und im Teillastbereich der zu versorgenden
Brennkraftmaschine den Vorteil, daß die Einspritzdauer trotz
hohem Einspritzdruck auf das optimale Maß für eine günstige
Kraftstoffaufbereitung eingestellt werden kann.
Auf diese Weise kann an der erfindungsgemäßen Kraftstoffein
spritzeinrichtung durch die Kombination von veränderbarem
Einspritzdruck und veränderbarem Einspritzquerschnitt bei
frei wählbarem Einspritzzeitpunkt die Kraftstoffeinspritzung
optimal auf die jeweiligen Betriebspunkte der Brennkraftma
schine angepaßt werden. Die Veränderung des Einspritzdruckes
erfolgt dabei in bekannter Weise durch eine Druckregelung des
Hochdrucksammelraumes.
Ein weiterer Vorteil wird durch die Verwendung eines
einfachen 2/2-Wegeventils zur Steuerung des Einspritzvorgan
ges am Einspritzventil erreicht, das dabei vorzugsweise durch
einen Elektromagneten betätigt wird. Alternativ dazu sind je
doch auch mechanische, hydraulische oder pneumatische
Betätigungen, bzw. die aus dem Stand der Technik bekannten
3/2-Wegeventile möglich.
Die auf das Ventilglied des Einspritzventils aufgebrachte
Schließkraft kann dabei durch eine Federkraft oder den Hoch
druck im Einspritzsystem gebildet sein, wobei dazu die ver
schiedensten Steuerkonzepte am 2/2-Wegeventil möglich sind.
So kann das Magnetventil das 2/2-Wegeventil z. B. stromlos of
fen oder geschlossen halten, so daß ein das brennraumseitige
Ende des Ventilgliedes aufnehmender Rückstellraum im
geschlossenen Zustand des Einspritzventils drucklos oder
druckbeaufschlagt ist. Der das Ventilglied in einer
definierten, nur die untere Spritzlochreihe aufsteuernden La
ge haltende Zwischenanschlag kann in vorteilhafter Weise als
hydraulischer Anschlag (zugesteuerte Bohrung) oder als mecha
nischer Anschlag (Wirksamwerden einer zweiten Feder)
ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft ist bei Verwendung
des Systemdrucks als Schließkraft ein hydraulisch verstellba
rer Schließkolben am Ventilglied, über dessen hydraulisch
verstellbare axiale Erstreckung ein stufenlos einstellbarer
Hubweg des Ventilgliedes möglich ist. Als Steuergröße für die
Öffnungshubbewegung des Ventilgliedes kann dabei der
Kraftstoffhochdruck im Einspritzsystem oder die Stellung des
2/2-Wegeventils verwendet werden.
Dabei weisen die verschiedenen Steuerkonzepte in Abhängigkeit
von den Voraussetzungen an der zu versorgenden Brennkraftma
schine unterschiedliche Vorteile auf, weshalb lediglich vier
Ausführungsmöglichkeiten erläutert werden, deren Merkmale je
doch untereinander austauschbar und kombinierbar sind.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des
Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung, der
Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Vier Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Kraftstoff
einspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen sind in der
Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher
erläutert.
Es zeigen die Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel mit hy
draulischer Schließkraft am Ventilglied des Einspritzventils
und mit stromlos offenem 2/2-Wegemagnetventil, die Fig. 2
eine vergrößerte Schnittdarstellung des Einspritzventils aus
Fig. 1 im Bereich der Einspritzöffnungen, die Fig. 3 ein
zweites Ausführungsbeispiel mit hydraulischer Schließkraft am
Ventilglied, stromlos geschlossenem 2/2-Wegeventil und einem
hydraulisch einstellbaren Schließkolben, die Fig. 4 ein
drittes Ausführungsbeispiel bei dem die Schließkraft bei
stromlos offenem 2/2-Wegemagnetventil durch eine Schließfeder
aufgebracht wird und die Fig. 5 ein viertes Ausführungsbei
spiel, bei dem das 2/2-Wegemagnetventil stromlos geschlossen
ist und die Schließkraft durch eine 2-Federanordnung erzeugt
wird.
Das in der Fig. 1 schematisch dargestellte erste Ausfüh
rungsbeispiel der Kraftstoffeinspritzeinrichtung für
Brennkraftmaschinen weist eine Kraftstoffhochdruckpumpe 1
auf, die Kraftstoff aus einem Niederdruckraum 3, vorzugsweise
dem Kraftstofftank, über eine Förderleitung 5 in einen Hoch
drucksammelraum 7 fördert. Von diesem Hochdrucksammelraum 7
führen der Anzahl der Einspritzstellen entsprechende
Hochdruckleitungen 9 zu den einzelnen, in den Brennraum der
zu versorgenden Brennkraftmaschine ragenden Einspritzventilen
11 ab. Die Einspritzventile 11 weisen einen Ventilkörper 13
auf, mit einer zentralen Bohrung 15, in der ein kolbenförmi
ges Ventilglied 17 axial geführt ist, das an seinem
brennraumseitigen Ende einen aus der Bohrung 15 ragenden, ein
Ventilschließglied bildenden Schließkopf 19 aufweist. Der in
der Fig. 2 vergrößert dargestellte Schließkopf 19 weist da
bei auf seiner dem Ventilkörper 13 zugewandten Seite eine,
eine Dichtkante bildende Dichtfläche 21 auf, mit der er mit
einer an der brennraumseitigen Stirnseite des Ventilkörpers
13 angeordneten Ventilsitzfläche 23 zusammenwirkt. Der
Schließkopf 19 ragt mit einem gegenüber dem Kolbenschaft des
Ventilgliedes 17 vergrößerten Querschnitt in einen im
Durchmesser erweiterten Teil der Bohrung 15 und begrenzt so
mit seiner brennraumabgewandten Stirnfläche 25 einen in der
Bohrung gebildeten Druckraum 27, der sich über einen
Ringspalt 29 zwischen der Wand der Bohrung 15 und dem
Ventilgliedschaft bis an einen Kraftstoff-Zulaufkanal 32 im
Ventilkörper 13 erstreckt. Dabei wird der vergrößerte
Querschnitt am Schließkopf 19 vorzugsweise durch eine Hülse
26 gebildet, die am Schließkopf 19 befestigt ist und die
dichtend axial an der Wand der Bohrung 15 gleitet. In dieser
einen beweglichen Ventilschieber bildenden Hülse 26 sind vor
zugsweise zwei axial übereinander liegende Reihen von
Einspritzöffnungen (Spritzlochreihen) 28 vorgesehen, die so
angeordnet sind, daß eine erste untere, brennraumnahe Reihe
beim Austauchen des Ventilgliedes 17 aus der Bohrung 15 nach
einem bestimmten Leerhub zuerst aufgesteuert wird, während
die zweite obere Reihe erst beim weiteren Ventilgliedhub aus
der Überdeckung mit der Bohrungswand des Ventilkörpers 13 ge
langt. Zur Kraftstoffzuführung vom Ringspalt 29 an die Ein
spritzöffnungen 28 sind zudem Ausnehmungen 30 zwischen Ven
tilglied 17 und Hülse 26 vorgesehen.
Der Ringspalt 29 wird in der dem Schließkopf 19 abgewandten
Richtung durch einen Gehäusesteg 31 begrenzt, in dem sich der
Durchmesser der Bohrung 15 derart verringert, daß das
Ventilglied 17 dichtend gleitverschiebbar geführt ist. An
diesen Gehäusesteg 31 schließt sich in brennraumabgewandter
Richtung ein durch eine erneute Durchmesservergrößerung der
Bohrung 15 gebildeter Rückraum 33 an, in den das brennraumab
gewandte Ende des Ventilgliedes 17 ragt und der durch einen
Gehäusedeckel 35 verschlossen ist. Dabei weist das Ventil
glied an seinem brennraumabgewandten Ende einen, ein
Betätigungsteil bildenden Schließkolben 37 auf, der dichtend
an der Wand des Rückraumes 33 gleitet und diesen so in einen
unteren, brennraumseitigen, einen Rückstellraum 39 bildenden
Teilraum und einen oberen, brennraumabgewandten, einen Entla
stungsraum 41 bildenden Teilraum teilt, wobei die untere,
brennraumseitige Ringstirnfläche des Schließkolben 37 eine
Druckangriffsfläche 43 des Ventilgliedes 17 in Schließrich
tung bildet, die größer als die in Öffnungsrichtung wirkende
Stirnfläche 25 am Schließkopf 19 ist.
Zur Kraftstoffversorgung des Einspritzventils 11 und zur
Steuerung der Öffnungshubbewegung des nach außen öffnenden
Ventilgliedes 17 verzweigt sich die Hochdruckleitung 9 nahe
am Einspritzventil 11 in zwei Teilleitungen, von denen eine
erste Teilleitung 45 ungedrosselt in den Kraftstoffzulaufka
nal 32 und weiter in den Druckraum 27 und eine zweite
Teilleitung 47 in den Rückstellraum 39 des Rückraums 33 mün
det, wobei die zweite Teilleitung 47 durch ein darin
eingesetztes, mittels eines Elektromagneten steuerbaren
2/2-Wegeventil 49 verschließbar ist.
Zur Druckentlastung des oberen Entlastungsraums 41 des Rück
raums 33 führt eine Entlastungsleitung 51 von diesem in den
Niederdruckraum 3 ab.
Für eine Steuerung der Öffnungshubbewegung führt eine
Absteuerleitung 53 aus dem unten liegenden Rückstellraum 39
ab, die so in den Rückraum 33 mündet, daß sie vom Schließ
kolben 37 während seiner Hubbewegung nicht zusteuerbar ist
und in die ein als 2/2-Wegeventil ausgebildetes Steuermagnet
ventil 55 eingesetzt ist, das die Absteuerleitung 53 in den
Niederdruckraum 3 öffnet bzw. verschließt und das dabei für
mehrere Einspritzventile verwendbar sein kann.
Desweiteren führt vom Rückstellraum 39 eine eine Drossel
stelle 57 enthaltene Drosselleitung 59 in den Niederdruckraum
3 ab, deren Mündung so im Rückstellraum 39 angeordnet ist,
daß sie nach Durchfahren eines bestimmten Öffnungshubweges
vom Schließkolben 37 zusteuerbar ist, wobei diese Öffnungs
hubstellung des Ventilgliedes 17 dann der Aufsteuerung der
unteren Spritzlochreihe entspricht.
Zur Begrenzung des maximalen Öffnungshubweges des Ventilglie
des 17 ist eine Anschlaghülse 61 in den Rückstellraum 39 ein
gesetzt, deren obere Ringfläche einen mit der Druckfläche 43
des Schließkolbens 37 zusammenwirkenden Anschlag bildet und
das Durchgangsöffnungen für die zweite Teilleitung 47 und die
Absteuerleitung 53 aufweist.
Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte erste Ausführungsbei
spiel arbeitet in folgender Weise.
Im geschlossenen Zustand des Einspritzventils 11 ist das
2/2-Wegeventil 49 offen (Elektromagnet stromlos), so daß sich der
von der Hochdruckpumpe 1 im Hochdrucksammelraum 7 aufgebaute
Kraftstoffhochdruck in den Rückstellraum 39 des Rückraumes 33
fortsetzt. Der an der Druckfläche 43 des Schließkolbens 37
angreifende Hochdruck hält das Ventilglied 17 mit seiner
Dichtfläche 21 an die Ventilsitzfläche 23 gepreßt.
Zum Öffnen des Einspritzventils 11 unterbricht das 2/2-Wege
ventil 49 (bestromt) die Verbindung des Rückraumes 33 mit dem
Hochdrucksammelraum 7. Der Hochdruck im unteren Rückstellraum
39 baut sich über die Drosselleitung 59 ab, wobei sich dieser
Vorgang und somit der Öffnungshubverlauf des Ventilgliedes 17
über die Drossel 57 einstellen läßt. Mit dem Abbau der auf
das Ventilglied 17 wirkenden Schließkraft reicht nunmehr der
im Druckraum 27 anliegende und über die Fläche 25 auf das
Ventilglied 17 wirkende Öffnungsdruck aus, das Ventilglied 17
vom Ventilsitz 23 abzuheben und die Einspritzöffnungen 28
freizugeben.
Dabei verschiebt sich das Ventilglied 17 zunächst nur so
weit, bis der Schließkolben 37 die Drosselleitung 59
zusteuert und der nunmehr verschlossene untere Rückstellraum
39 einen hydraulischen Anschlag bildet, wobei in dieser Stel
lung die untere Spritzlochreihe aufgesteuert ist. Soll der
Öffnungshub des Ventilgliedes 17 fortgesetzt werden, öffnet
das Steuerventil 55 die Absteuerleitung 53 und der Druck im
unteren Rückstellraum 39 wird in den Niederdruckraum 3 ent
spannt, so daß das Ventilglied 17 seinen maximalen
Öffnungsweg bis zur Anlage des Schließkolbens 37 an die An
schlaghülse 61 durchlaufen kann und dabei auch die zweite
obere Spritzlochreihe der Einspritzöffnungen 28 aufsteuert.
Soll ein Verharren des Ventilgliedes 17 in der Zwischenposi
tion unterbleiben ist es über ein sofortiges Öffnen der Ab
steuerleitung 53 möglich, einen raschen maximalen Öffnungshub
zu durchlaufen.
Für ein erneutes Schließen des Einspritzventils 11 wird das
2/2-Wegeventil wieder geöffnet, so daß sich im unteren Rück
stellraum 39 bei nunmehr zugesteuerter Absteuerleitung 53 er
neut der Kraftstoffhochdruck aufbaut, der das Ventilglied 17
auf seinen Ventilsitz 23 zurückverschiebt.
Das in der Fig. 3 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich zum ersten lediglich in der Art der Steue
rung der Öffnungshubbewegung des Ventilgliedes weshalb bei
dessen Beschreibung nur auf diese Bauteile eingegangen wird,
wobei gleiche Bauteile analog zum ersten Ausführungsbeispiel
bezeichnet sind.
In die von der Hochdruckleitung 9 abzweigende und in den un
ten liegenden Rückstellraum 39 mündende zweite Teilleitung 47
ist dabei nun eine Drosselstelle 63 eingesetzt. Zudem führt
vom Rückstellraum 39 eine Steuerleitung 65 ab, die in den
Niederdruckraum 3 mündet und die durch das nunmehr darin ein
gesetzte elektromagnetisch gesteuerte 2/2-Wegeventil 49 ver
schließbar ist.
Der Schließkolben 37 ist in der Fig. 3 zweiteilig ausgebil
det, wobei ein oberer, brennraumabgewandter Kolbenteil 67
fest mit dem in den Rückraum 33 ragenden Ende des Ventilglie
des 17 verbunden ist und ein unterer, brennraumzugewandter
Kolbenteil 69 axial verschiebbar auf dem Ventilgliedschaft
geführt ist. Der zwischen den Kolbenteilen 67, 69 einge
schlossene Raum bildet einen Einstellraum 71, der über eine
aus dem Niederdruckraum 3 gespeiste, ein in Richtung
Einstellraum 71 öffnendes Rückschlagventil 75 aufweisende
Kraftstoffleitung 73 mit Kraftstoff befüllbar ist und der
über eine von der Kraftstoffleitung 73 abzweigenden
Teilleitung 77, die mittels eines Steuerventils 79 aufsteuer
bar ist, in den Niederdruckraum 3 entlastbar ist.
Eine zwischen den Kolbenteilen 67, 69 eingespannte Druckfeder
81 verschiebt die Kolbenteile 67, 69 bei entlastetem Rückraum
33 in ihre Ausgangslage.
Das in der Fig. 3 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel
arbeitet in folgender Weise.
Bei geschlossenem Einspritzventil 11 ist das in die
Steuerleitung 65 eingesetzte 2/2-Wegeventil 49 geschlossen
(stromlos), so daß sich über die zweite Teilleitung 47 der
Kraftstoffhochdruck im Rückstellraum 39 aufbaut, der den un
teren Kolbenteil 69 in Schließrichtung des Ventilgliedes 17
beaufschlagt. Diese Schließkraft wird dabei je nach Befüllung
des Einstellraumes 71 direkt oder über ein hydraulisches Pol
ster auf den ventilgliedfesten oberen Kolbenteil 67
übertragen, so daß das Ventilglied 17 am Ventilsitz 23 gehal
ten wird.
Zum Öffnen des Einspritzventils 11 öffnet das 2/2-Wegeventil
49 (bestromt), so daß sich der Druck im Rückstellraum 39 in
den Niederdruckraum 3 entspannt. In Folge dessen reicht der
in Öffnungsrichtung auf das Ventilglied 17 wirkende Druck im
Druckraum 27 aus, das Ventilglied 17 von seinem Sitz 23 abzu
heben, wobei sich diese Öffnungshubbewegung bis zur Anlage
des unteren Kolbenteils 69 an die Anschlaghülse 61 fortsetzt.
Eine variable Hubsteuerung des Ventilgliedes, insbesondere
ein Verharren des Ventilgliedes 17 in der nur die untere
Spritzlochreihe aufsteuernden Position wird durch ein
definiertes Befüllen des Einstellraumes 71 erreicht, wozu
dieses Hydraulikvolumen für einen Minimalhub über die
Kraftstoffleitung 73 vollständig aufgefüllt und für einen Ma
ximalhub über das Steuerventil 79 entsprechend entleert
wird, wobei auch Zwischenstellungen durch geeignetes Befüllen
des Einstellraumes 71 möglich sind.
Das Schließen des Einspritzventils 11 erfolgt durch erneutes
Schließen des 2/2-Wegeventils 49, wodurch sich der Schließ
druck im Rückstellraum 39 des Rückstellraumes 33 wieder auf
baut und das Ventilglied 17 auf seinen Ventilsitz 23
zurückbewegt wird.
Das in der Fig. 4 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich zu den vorherigen Ausführungsbeispielen in
der Art der auf das Ventilglied 17 aufgebrachten Schließ
kraft, die hier durch eine Federkraft erzeugt wird.
Dazu ist eine Ventilfeder 83 im Rückraum 33 angeordnet, die
zwischen einem am brennraumabgewandten Ende des Ventilgliedes
17 angeordneten Federteller 85 und einer den Rückraum 33
brennraumseitig begrenzenden Ringschulter 87 eingespannt ist
und die das Ventilglied 17 entgegen dem im Druckraum 27 an
liegenden, das Ventilglied 17 in Öffnungsrichtung beaufschla
genden Kraftstoffhochdruck in Anlage am Ventilsitz 23 hält.
Vom Rückraum 33 führt dabei eine Entlastungsleitung 51 ab,
die in den Niederdruckraum 3 mündet und die über das darin
eingesetzte 2/2-Wegeventil 49 verschließbar ist. Zudem mündet
zwischen Rückraum 33 und 2/2-Wegeventil 49 die eine
Verbindungsleitung zwischen der Hochdruckleitung 9 und dem
Rückraum 33 bildende zweite Teilleitung 47 in die Entla
stungsleitung 51, wobei in der zweiten Teilleitung 47 beim
dritten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kraftstoff
einspritzeinrichtung eine Drosselstelle 57 eingesetzt ist.
Das in der Fig. 4 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel
arbeitet in folgender Weise.
Bei geschlossenem Zustand des Einspritzventils 11 ist das in
der Entlastungsleitung 51 bzw. der zweiten Teilleitung 47 an
geordnete 2/2-Wegeventil 49 offen (stromlos), so daß sich im
Rückraum 33 kein Kraftstoffhochdruck aufbauen kann und die
Ventilfeder 83 das Ventilglied 17 entgegen dem im Druckraum
27 anliegenden, in Öffnungsrichtung auf das Ventilglied 17
wirkenden Kraftstoffhochdruck am Ventilsitz 23 hält. Zum Öff
nen des Einspritzventils 11 schließt das 2/2-Wegeventil 49
die druckentlastende Verbindung zwischen Rückraum 33 und Nie
derdruckraum 3, so daß sich über die zweite Teilleitung 47
der Kraftstoffhochdruck des Einspritzsystems im Rückraum 33
aufbaut. Dabei ist die nun am in den Rückraum 33 ragenden
Ventilgliedteil angreifende resultierende Druckkraft in Öff
nungsrichtung des Ventilgliedes 17 in Verbindung mit der im
Druckraum 27 anstehenden Druckkraft größer als die Rückstell
kraft der Ventilfeder 83, so daß das Ventilglied 17 vom Ven
tilsitz 23 abgehoben wird und die Einspritzöffnungen
freigibt. Ein Verharren des Ventilgliedes 17 in einer
zunächst nur die untere Spritzlochreihe aufsteuernden
Position läßt sich dabei z. B. über eine progressive Kennlinie
der Ventilfeder 83 oder einen definierten Leerhub erreichen,
wobei als Steuerdruck der Kraftstoffhochdruck des Hochdruck
sammelraums verwendet wird.
Zum Schließen des Einspritzventils am Ende des Einspritzvor
ganges öffnet das 2/2-Wegeventil 49 wieder die Entlastungs
leitung 51 in den Niederdruckraum 3, so daß sich der
Kraftstoffhochdruck im Rückraum 33 rasch entspannt und die
Ventilfeder 83 das Ventilglied 17 an den Ventilsitz 23 zu
rückbewegt.
Beim in der Fig. 5 dargestellten vierten Ausführungsbeispiel
mündet die von der Hochdruckleitung 9 ausgehende zweite Teil
leitung 47 direkt in den Rückraum 33, wobei die zweite Teil
leitung 47 durch das darin eingesetzte 2/2-Wegeventil
verschließbar ist. Die Druckentlastung des Rückraumes 33 er
folgt durch die von diesem in den Niederdruckraum 3
abführende Entlastungsleitung 51, die beim vierten Ausfüh
rungsbeispiel eine Drosselstelle 57 aufweist.
Die Schließ- bzw. Rückstellkraft auf das Ventilglied 17 wird
durch eine 2-Federanordnung erzeugt, wozu am in den Rückraum
33 ragenden Schaftteil des Ventilgliedes zwischen dem am
brennraumseitigen Ende angeordneten Federteller 85 und der
den Rückraum 33 begrenzenden Ringschulter 87 ein Ringabsatz
89 vorgesehen ist. Dabei ist zwischen dem Federteller 85 und
dem Ringabsatz 89 eine erste Ventilfeder 91 und zwischen
Ringabsatz 89 und gehäusefester Ringschulter 87 eine zweite
Ventilfeder 93 eingespannt, wobei die Federsteifigkeit der
ersten Ventilfeder 91 kleiner als die der zweiten Ventilfeder
93 ist. Zur Einstellung des entgegen der Kraft der ersten
Ventilfeder 91 durchlaufenen Vorhubbewegung des Ventilgliedes
17 ist beim beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Hülse 95
an der federseitigen Ringstirnfläche des Federtellers 85 be
festigt, deren dem Federteller 85 abgewandte Stirnfläche nach
Durchlaufen einer Vorhubbewegung am Ringabsatz 89 anliegt und
die dann, die erste Ventilfeder 91 abschaltend eine starre
Verbindung zwischen Federteller 85 und Ringabsatz 89
herstellt, so daß beim weiteren Öffnungshub lediglich die
zweite Ventilfeder 93 wirkt. Dieses Verharren in einer Zwi
schenstellung läßt sich alternativ auch ohne Hülse 95
erreichen, wobei dann beim Resthub beide Ventilfedern wirksam
sind.
Das in der Fig. 5 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel
arbeitet in folgender Weise.
Bei geschlossenem Einspritzventil 11 ist das in die Leitung
47 eingesetzte 2/2-Wegeventil 49 geschlossen (stromlos), so
daß der Rückraum 33 über die eine definierte Drossel 57 ent
haltene Entlastungsleitung 51 auf einen bestimmten Druck ent
lastet ist. Das Ventilglied 17 wird dabei durch die Kraft der
Ventilfedern 91, 93 entgegen dem Druck im Druckraum 27 in An
lage am Ventilsitz 23 gehalten. Soll eine Einspritzung erfol
gen, öffnet das 2/2-Wegeventil, so daß sich im Rückraum 33
der Kraftstoffhochdruck des Einspritzsystems aufbaut, der wie
zur Fig. 4 beschrieben das Ventilglied 17 in Öffnungsrich
tung bewegt. Dabei wird zunächst entgegen der geringeren Fe
derkraft der ersten Ventilfeder 91 ein Vorhub bis zur Anlage
der Hülse 95 am Ringabsatz 89 durchlaufen, der ausreicht, die
untere Spritzlochreihe am Ventilglied 17 aufzusteuern. In
dieser Stellung kann das Ventilglied 17 durch getaktetes An
steuern des 2/2-Wegeventiles 49 zur Aufrechterhaltung eines
konstanten Drucks im Rückraum 33 gehalten werden. Soll der
gesamte Einspritzquerschnitt am Ventilglied 17 aufgesteuert
werden, wird die Druckzufuhr in den Rückraum 33 nicht
unterbrochen, so daß der Kraftstoffdruck im Rückraum 33 der
art ansteigt, daß das Ventilglied 17 entgegen der Kraft der
zweiten Ventilfeder 17 weiter in eine Position verschoben
wird, in der auch die zweite obere Spritzlochreihe aufgesteu
ert ist.
Zum anschließenden Schließen des Einspritzventils 11 wird das
2/2-Wegeventil 49 erneut geschlossen, so daß sich der
Hochdruck im Rückraum 33 über die Entlastungsleitung 51 in
den Niederdruckraum 3 entspannt und die Ventilfedern 91, 93
das Ventilglied 17 auf seinen Sitz 23 zurückbewegen.
Die Betätigung der 2/2-Wegesteuerventile 49 erfolgt dabei bei
allen Ausführungsvarianten mittels eines Elektromagneten, der
von einem nicht dargestellten elektronischen Steuergerät an
gesteuert wird, wobei das Steuergerät in bekannter Weise eine
Vielzahl von Betriebsparametern der zu versorgenden
Brennkraftmaschine verarbeitet.
Es ist somit in konstruktiv einfacher Weise möglich die Vor
teile eines "Common-rail" Einspritzsystems mit den Vorteilen
eines Einspritzventils der nach außen öffnenden Bauart zu
verbinden, so daß nun neben einem frei wählbaren variablen
Spritzbeginn- und ende und einem variablen Einspritzdruck
auch ein variabler Einspritzquerschnitt frei über das gesamte
Kennfeld der zu versorgenden Brennkraftmaschine einstellbar
ist, wobei diese Kraftstoffeinspritzeinrichtung in einfacher
Weise mit einem 2/2-Wegeventil steuerbar ist.
Claims (22)
1. Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen,
mit einer Kraftstoffhochdruckpumpe (1), die Kraftstoff aus
einem Niederdruckraum (3) über eine Förderleitung (5) in ei
nen Hochdrucksammelraum (7) fördert, der über Hochdrucklei
tungen (9) mit den einzelnen in den Brennraum der zu
versorgenden Brennkraftmaschine ragenden Einspritzventilen
(11) verbunden ist, deren Öffnungs- und Schließbewegungen je
weils von einem in die Hochdruckleitung (9) am Einspritzven
til (11) eingesetzten Steuerventil gesteuert wird, dadurch
gekennzeichnet, daß das Einspritzventil (11) ein nach außen
öffnendes Ventilglied (17) aufweist, über dessen steuerbare
Öffnungshubbewegung in Richtung Brennraum ein variabler
Einspritzquerschnitt am Einspritzventil (11) einstellbar ist.
2. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Ventilglied (17) einen Ventilschaft
aufweist, der durch eine Bohrung (15) eines Ventilkörpers
(13) des Einspritzventils (11) geführt wird und an seinem
brennraumseitigen Ende einen aus der Bohrung (15) ragenden,
ein Ventilschließglied bildenden Schließkopf (19) aufweist,
der auf seiner dem Ventilkörper (13) zugewandten Seite eine,
eine Dichtkante bildende Dichtfläche (21) aufweist, mit der
er mit einer an der brennraumseitigen Stirnseite des
Ventilkörpers (13) angeordneten Ventilsitzfläche (23)
zusammenwirkt und mit einem mit der Hochdruckleitung (9) ver
bundenen, zwischen dem Schaft des Ventilglieds (17) und der
Wand der Bohrung (15) angeordneten Druckraum (27), der durch
den Schließkopf (19) zum Brennraum hin begrenzt wird, wobei
am Ventilglied (17) eine zwischen dem Ventilsitz (23) und dem
Ventilschaft begrenzte, axial weisende Druckfläche (25)
angeordnet ist. (Fig. 2)
3. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Einspritzquerschnitt am Einspritzven
til (11) durch eine Schieberventilanordnung gesteuert wird,
deren beweglicher Schieberteil zusammen mit dem Ventilglied
(17) verstellt wird und deren den Einspritzquerschnitt bil
dender Öffnungsquerschnitt stromaufwärts des Ventilsitzes
(23) liegt.
4. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Einspritzquerschnitt erst nach Durch
laufen eines bestimmten Hubs des Ventilgliedes (17) in Öff
nungsrichtung aufgesteuert wird.
5. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Teil des Ventilgliedes (17) als das
bewegliche Schieberteil ausgebildet ist, der im Bereich des
Schließkopfes (19) in der Bohrung (15) geführt ist und zwei
axial übereinander liegende Reihen von über seinen Umfang
verteilten Einspritzöffnungen (28) aufweist, die vom
Druckraum (27) ausgehend derart angeordnet sind, daß die Aus
trittsöffnungen der axial zueinander versetzten Einspritzöff
nungen (28) während der Öffnungshubbewegung des Ventilgliedes
(17) nacheinander durch Austauchen aus der Überdeckung mit
der Bohrung (15) an der durch die Ventilsitzfläche (23) ge
bildeten Steuerkante zum Brennraum hin aufsteuerbar
sind. (Fig. 2).
6. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß das Ventilglied (17) an seinem dem Brenn
raum abgewandten Ende mit einem Betätigungsteil verbunden
ist, das einen mit der Hochdruckleitung (9) verbindbaren
Rückraum (33) im Ventilkörper (13) begrenzt, wobei zumindest
in Wirkverbindung über dessen Hochdruckbefüllung oder -entla
stung die Öffnungsbewegung und/oder Schließbewegung des Ven
tilgliedes (17) durch das Steuerventil steuerbar ist.
7. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das die Öffnungs- und Schließbewegung des
Einspritzventils (11) steuernde Steuerventil in der
Hochdruckleitung als elektrisch gesteuertes Wegeventil (49)
ausgebildet ist.
8. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß das elektrisch gesteuerte Wegeventil (49)
ein Magnetventil ist.
9. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das Einspritzventil (11) über zwei Teil
leitungen mit dem Hochdrucksammelraum (7) verbunden ist, von
denen eine erste Teilleitung (45) den zwischen Ventilglied
(17) und Bohrung (15) gebildeten, in Öffnungsrichtung auf das
Ventilglied (17) wirkenden Druckraum (27) ständig mit dem
Hochdrucksammelraum (7) verbindet und eine zweite Teilleitung
(47) in einen, vom Druckraum (27) getrennten Rückstellraum
(39) mündet, wobei die Befüllung dieses Rückstellraumes (39)
mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff mittels des als
elektrisch gesteuertes Wegeventil (49) ausgebildeten
Steuerventils steuerbar ist.
10. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß das Betätigungsteil des Ventilgliedes
(17) einen Schließkolben (37) aufweist, dessen brennraumsei
tige Stirnfläche eine Druckangriffsfläche (43) hat, über die
das Ventilglied (17) in Schließrichtung beauschlagbar ist und
die größer als die in Öffnungsrichtung wirkende Druckfläche
(25) am Ventilglied (17) ist, wobei der Schließkolben (37)
dichtend an der Wand des Rückraumes (33) gleitet und diesen
so in einen oberen brennraumabgewandten entlasteten
Entlastungsraum (39, 41) und den unteren brennraumzugewandten
Rückstellraum (39) im Ventilkörper (13) teilt. (Fig. 1, 3)
11. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß das elektrisch gesteuerte Wegeventil (49)
in die zweite Teilleitung (47) der Hochdruckleitung (9) ein
gesetzt ist. (Fig. 1).
12. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, daß das Wegeventil (49) als 2/2-Wegeventil
ausgebildet ist und der Rückstellraum (39) ständig über eine
Drossel (57) enthaltene Drosselleitung (59) mit dem
Niederdruckraum (3) verbunden ist. (Fig. 1).
13. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach nach Anspruch 10, da
durch gekennzeichnet, daß eine vom Schließkolben (37) während
seiner Hubbewegung nicht verschließbare Absteuerleitung (53)
vom Rückstellraum (39) in den Niederdruckraum (3) abführt,
die durch ein elektrisch gesteuertes Ventil (55) auf-bzw. zu
steuerbar ist. (Fig. 1).
14. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach nach Anspruch 12, da
durch gekennzeichnet, daß die Drosselleitung (59) vom
Rückstellraum (39) in den Niederdruckraum (3), nach
Durchlaufen eines, die untere, brennraumseitige Reihe der
Einspritzöffnungen (28) aufsteuernden Öffnungshubweges des
Ventilgliedes (17) vom Schließkolben (37) verschlossen wird.
(Fig. 1).
15. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach nach Anspruch 10, da
durch gekennzeichnet, daß ein Hubanschlag (61) im Rückstell
raum (39) vorgesehen ist, an den der Schließkolben (37) mit
seiner Druckangriffsfläche (43) nach Durchlaufen einer maxi
malen Öffnungshubbewegung zur Anlage kommt. (Fig. 1).
16. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß in der zweiten Teilleitung (47) der Hoch
druckleitung (9) eine Drosselstelle (63) angeordnet ist und,
daß vom Rückstellraum (39) eine Absteuerleitung (65) in den
Niederdruckraum (3) abführt, die durch das die Öffnungs- bzw.
Schließbewegung des Ventilgliedes (17) steuernde Wegeventil
(49) verschließbar ist. (Fig. 3).
17. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 15, dadurch
gekennzeichnet, daß die axiale Erstreckung des Schließkolbens
(37) in Richtung unterer Rückstellraum (39) veränderbar ist.
(Fig. 3).
18. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 17, dadurch
gekennzeichnet, daß der Schließkolben (37) aus zwei
Kolbenteilen gebildet wird, von denen ein oberer, brennraum
abgewandter Kolbenteil (67) fest mit dem Ventilglied (17)
verbunden ist und ein unterer, brennraumzugewandter
Kolbenteil (69) axial verschiebbar auf dem Schaft des
Ventilgliedes (17) geführt ist, wobei zwischen den Kolbentei
len (67, 69) ein Einstellraum (71) eingeschlossen ist, von
dem eine, von einem elektrisch gesteuerten Ventil (79) auf
steuerbare Kraftstoffleitung (73) in den Niederdruckraum (3)
abführt sowie mit einer zwischen den Kolbenteilen (67, 69)
eingespannten Druckfeder (81) im Einstellraum (71). (Fig. 3).
19. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß der Schaft des Ventilgliedes (17) in ei
nem Teil der Bohrung (15) dicht geführt ist, der den Rückraum (33)
begrenzt und daß das Ventilglied (17) an seinem
brennraumabgewandten, in den Rückraum (33) eintauchenden Ende
einen Federteller (85) aufweist, zwischen dem und einer am
Übergang der Bohrung (15) in den Rückraum (33) gebildeten
Ringschulter (87) eine Ventilfeder (83) eingespannt ist, die
das Ventilglied (17) in Schließrichtung beaufschlagt. (Fig.
4).
20. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 19, dadurch
gekennzeichnet, daß in der zweiten Teilleitung (47) eine
Drosselstelle (57) vorgesehen ist und daß vom Rückraum (33)
eine Entlastungsleitung (51) in den Niederdruckraum (3) von
der zweiten Teilleitung (47) abzweigt, in die ein die
Öffnungsbewegung des Ventilglieds (17) steuerndes elektrisch
gesteuertes Wegeventil (49) eingesetzt ist.
(Fig. 4).
21. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß das Ventilglied (17) an seinem brennraum
abgewandten Ende einen Federteller (85) aufweist, zwischen
dem und der durch eine Ringschulter (87) der Bohrung (15) im
Ventilkörper (13) gebildeten Wand des Rückraumes (33) eine
aus zwei Federn (91, 93) gebildete Ventilfederanordnung ein
gespannt ist, die das Ventilglied (17) in Schließrichtung be
aufschlagen und die während der Öffnungshubbewegung des Ven
tilgliedes (17) nacheinander wirksam werden. (Fig. 5).
22. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 19 oder 21,
dadurch gekennzeichnet, daß das die Öffnungsbewegung des Ein
spritzventils (11) steuernde Wegeventil (49) in die, in den
Rückraum (33) mündende zweite Teilleitung (47) eingesetzt ist
und daß eine, eine Drosselstelle (57) enthaltene Entlastungs
leitung (51) in den Niederdruckraum (3) vom Rückraum (33) ab
führt. (Fig. 5).
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