DE19939424A1

DE19939424A1 - Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19939424A1
Application number: DE19939424A
Authority: DE
Inventors: Bernd Mahr; Martin Kropp; Hans-Christoph Magel; Wolfgang Otterbach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-08-20
Filing date: 1999-08-20
Publication date: 2001-03-08
Also published as: DE50008747D1; EP1125045A1; JP2003507636A; WO2001014710A1; EP1125045B1; US6499465B1; ATE283424T1

Abstract

Ein Kraftstoffeinspritzsystem (30) mit mindestens zwei unterschiedlichen, hohen Systemdrücken für eine Brennkraftmaschine umfaßt einen ersten zentralen Druckspeicher (36) für den tieferen Systemdruck und einen von einer Hochdruckpumpe gespeisten zweiten zentralen Druckspeicher (37) für den höheren Systemdruck, wobei beide Druckspeicher (36, 37) leitungsmäßig mit dem Injektor (32) eines jeden Zylinders verbindbar sind, sowie zur Erhöhung des Wirkungsgrades eine zweistufige Hocdruckpumpe (35), von deren tieferer Stufe der erste Druckspeicher (36) und von deren höherer Stufe der zweite Druckspeicher (37) gespeist werden.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine nach der Gattung des Patentan spruchs 1.

Ein derartiges Kraftstoffeinspritzsystem ist beispielswei se durch die EP 0 711 914 A1 bekanntgeworden.

Zum besseren Verständnis der nachfolgenden Beschreibung werden zunächst einige Begriffe näher erläutert: Bei einem druckgesteuerten Kraftstoffeinspritzsystem wird durch den im Düsenraum eines Injektors herrschenden Kraftstoffdruck ein Ventilkörper (z. B. eine Düsennadel) gegen die Wirkung einer Schließkraft aufgesteuert und so die Einspritzöff nung für eine Einspritzung des Kraftstoffes freigegeben. Der Druck, mit dem Kraftstoff aus dem Düsenraum in den Zy linder austritt, wird als Einspritzdruck bezeichnet, wäh rend unter einem Systemdruck der Druck verstanden wird, unter dem Kraftstoff im Einspritzsystem zur Verfügung steht bzw. bevorratet ist. Unter einem hubgesteuerten Kraftstoffeinspritzsystem wird im Rahmen der Erfindung verstanden, daß das Öffnen und Schließen der Einspritzöff nung eines Injektors mit Hilfe eines verschieblichen Ven tilglieds aufgrund des hydraulischen Zusammenwirkens der Kraftstoffdrücke in einem Düsenraum und in einem Steuer raum erfolgen. Bei einer kombinierten Kraftstoffzumessung wird zwischen verschiedenen Einspritzdrücken geschaltet und nur ein gemeinsames Ventil zur Zumessung des Kraft stoffes verwendet, wobei dieses Umschalten entweder zen tral, d. h. vor der Kraftstoffverteilung auf die einzelnen Zylinder, oder lokal, d. h. für jeden Zylinder einzeln, er folgen kann.

Bei dem aus der EP 0 711 914 A1 bekannten druckgesteuerten Einspritzsystem wird mit Hilfe einer Hochdruckpumpe Kraft stoff auf einen ersten hohen Systemdruck von etwa 1200 bar komprimiert und in einem ersten Druckspeicher gespeichert. Weiterhin wird der unter Hochdruck stehende Kraftstoff auch in einen zweiten Druckspeicher gefördert, in welchem durch Regelung seiner Kraftstoffzufuhr mittels eines 2/2- Wegventils ein zweiter hoher Systemdruck von ca. 400 bar aufrechterhalten wird. Über eine Ventilsteuereinheit wird entweder der tiefere oder höhere Systemdruck in den Düsen raum eines Injektors geleitet. Dort wird durch den Druck ein federbelasteter Ventilkörper von seinem Ventilsitz ab gehoben, so daß Kraftstoff aus der Düsenöffnung austreten kann.

Nachteilig bei diesem bekannten Einspritzsystem ist, daß zunächst der gesamte Kraftstoff erst auf das höhere Sy stemdruckniveau komprimiert werden muß, um dann einen Teil des Kraftstoffs wieder auf das tiefere Systemdruckniveau zu entlasten.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzsystem, das druck gesteuert oder hubgesteuert sein kann, weist zur Erhöhung des Wirkungsgrades die kennzeichnenden Merkmale des Pa tentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 2 auf.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, nur den Kraftstoff für den einen Druckspeicher auf das höhere Systemdruckniveau zu komprimieren, während der Kraftstoff für den anderen Druckspeicher nur auf das tiefere Systemdruckniveau kom primiert wird.

Die erfindungsgemäß geringere Kraftstoffmenge auf dem hö heren Systemdruck führt außer zu einem höheren Wirkungs grad auch zu einer geringeren Beanspruchung der Pumpenbe standteile und, da der höhere Systemdruck nicht gegenüber Normaldruck, sondern nur gegenüber dem anderen hohen, aber tieferen Systemdruck abzudichten ist, zu einer besseren Abdichtung und damit zu geringerer Leckage.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Ge genstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeich nung und den Ansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kraftstoffein spritzsystems sind in der Zeichnung schematisch darge stellt und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a ein hubgesteuertes Kraftstoffeinspritzsystem mit einer zweistufigen Hochdruckpumpe für zwei Druckspeicher und mit einer kombinierten Kraft stoffzumessung im Injektor;

Fig. 1b ein hubgesteuertes Kraftstoffeinspritzsystem mit einer zweistufigen Hochdruckpumpe für zwei Druckspeicher und mit einer kombinierten Kraft stoffzumessung außerhalb des Injektors;

Fig. 2a ein druckgesteuertes Kraftstoffeinspritzsystem mit einer zweistufigen Hochdruckpumpe für zwei Druckspeicher und mit einer kombinierten Kraft stoffzumessung im Injektor;

Fig. 2b ein druckgesteuertes Kraftstoffeinspritzsystem mit einer zweistufigen Hochdruckpumpe für zwei Druckspeicher und mit einer kombinierten Kraft stoffzumessung außerhalb des Injektors;

Fig. 3 ein druckgesteuertes Kraftstoffeinspritzsystem mit einer zweistufigen Hochdruckpumpe für zwei Druckspeicher und mit einer kombinierten zen tralen Kraftstoffzumessung; und

Fig. 4 ein druckgesteuertes Kraftstoffeinspritzsystem mit zwei jeweils von einer Hochdruckpumpe ge speisten Druckspeichern und mit einer kombi nierten zentralen Kraftstoffzumessung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Bei dem in Fig. 1a dargestellten Ausführungsbeispiel eines hubgesteuerten Kraftstoffeinspritzsystems 1 fördert eine mengengeregelte zweistufige Hochdruckpumpe 2 Kraftstoff 3 aus einem Vorratstank 4 mit hohem Druck über eine Förder leitung 5 in einen zentralen Druckspeicher 6 (Hochdruck- Common-Rail), von dem mehrere, der Anzahl einzelner Zylin der entsprechende Hochdruckleitungen 7 zu den einzelnen, in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragenden Injektoren 8 (Einspritzeinrichtung) abführen. In Fig. 1a ist lediglich einer der Injektoren 8 eingezeich net. In diesem Druckspeicher 6 kann ein Systemdruck von ca. 300 bar bis 1800 bar gelagert werden. Zur Einspritzung von Kraftstoff mit einem tieferen Systemdruck zur Vor- und Nacheinspritzung (HC-Anreicherung zur Abgasnachbehandlung und zur Rußreduktion) sowie zur Darstellung eines Ein spritzverlaufs mit Plateau (Bootinjektion) wird ein weite rer zentraler Druckspeicher (Niederdruck-Common-Rail) 9 verwendet, von dem analog zu den Hochdruckleitungen 10 zu den Injektoren 8 abführen. In der ersten Stufe der Hoch druckpumpe 2 wird der Kraftstoff auf diesen tieferen Sy stemdruck von z. B. 300 bar komprimiert und in dem Druck speicher 9 gespeichert. In der zweiten Stufe der Hoch druckpumpe 2 wird die Druckerzeugung auf den höheren Sy stemdruck bis zu ca. 1800 bar geregelt und in dem Druck speicher 6 gespeichert.

Die Einspritzung erfolgt über eine kombinierte lokale Kraftstoff-Zumessung mit Hilfe der Injektoren 8. Der In jektor 8 weist ein in einer Führungsbohrung axial ver schiebbares kolbenförmiges Ventilglied 11 mit einer koni schen Ventildichtfläche 12 an seinem einen Ende auf, mit der es mit einer Ventilsitzfläche am Injektorgehäuse des Injektors 8 zusammenwirkt. An der Ventilsitzfläche des In jektorgehäuses sind Einspritzöffnungen 13 vorgesehen. In nerhalb der Führungsbohrung sind ein Düsenraum 14 und ein Steuerraum 15 ausgebildet. Der Düsenraum 14 entsteht auf grund einer Querschnittsverringerung des Ventilglieds 11. Der Düsenraum 14 und der Steuerraum 15 sind über Drucklei tungen 16 und 17 und ein 3/2-Wege-Ventil 18 ständig mit einem der beiden Druckspeicher 6, 9 durchgängig verbunden. Der Düsenraum 14 setzt sich über einen Ringspalt zwischen dem Ventilglied 11 und der Führungsbohrung bis an die Ven tilsitzfläche des Injektorgehäuses fort.

In einem Federraum 19 greift koaxial zu einer Ventilfeder 20 ferner an dem Ventilglied 11 ein Druckstück 22 an, das mit seiner der Ventildichtfläche 12 abgewandten Stirnseite 23 den Steuerraum 15 begrenzt. Der Federraum 19 ist über eine Leckageleitung 21 zur Kraftstoffrückführung mit dem Vorratstank 4 verbunden. Der Steuerraum 15 hat vom Kraft stoffdruckanschluß her einen Zulauf mit einer ersten Dros sel 28 und einen Ablauf zu einer Druckentlastungsleitung 25 mit einer zweiten Drossel 24, die durch ein 2/2-Wege- Ventil 26 gesteuert wird. Der Düsenraum 14 setzt sich über einen Ringspalt zwischen dem Ventilglied 11 und der Füh rungsbohrung bis an die Ventilsitzfläche des Injektorge häuses fort. Über den Druck im Steuerraum 15 wird das Druckstück 22 in Schließrichtung druckbeaufschlagt.

Die 2/2- und 3/2-Wege-Ventile 18, 26 werden von Elektroma gneten zum Öffnen oder Schließen bzw. zum Umschalten der Kraftstoffleitungen 7 und 10 betätigt. Die Elektromagnete werden von einem Steuergerät angesteuert, das verschiedene Betriebsparameter (Motordrehzahl, . . . .) der zu versorgen den Brennkraftmaschine überwachen und verarbeiten kann. Der jeweilige Druck in den beiden Druckspeichern 6, 9 kann mittels Drucksensoren erfaßt und mittels einer Regelein richtung konstant gehalten werden.

Bei Betätigung (Öffnen) des 2/2-Wege-Ventils 26 kann der Druck im Steuerraum 15 abgebaut werden, so daß in der Fol ge der in Öffnungsrichtung auf das Ventilglied 11 wirkende Druck im Düsenraum 14 den in Schließrichtung auf das Ven tilglied 11 wirkenden Druck übersteigt. Die Ventildicht fläche 12 hebt von der Ventilsitzfläche ab und Kraftstoff wird eingespritzt. Dabei läßt sich der Entlastungsvorgang des Steuerraums 15 und somit die Hubsteuerung des Ventil glieds 11 über die Dimensionierung der Drossel 24 und ei ner weiteren Drossel 28 beeinflussen. Das Ende des Ein spritzvorgangs wird durch erneutes Betätigen (Schließen) des 2/2-Wege-Ventils 26 eingeleitet, das den Steuerraum 15 wieder mit der Druckleitung 17 verbindet, so daß sich im Steuerraum 15 wieder ein Druck aufbaut, der das Ventil glied 11 in Schließrichtung bewegen kann.

Das 3/2-Wege-Ventil 18 kann auch durch ein 2/2-Wege-Ventil und ein Rückschlagventil ersetzt werden. Generell können anstelle von mittels Elektromagneten betätigten Ventilen auch Piezostellelemente verwendet werden, die einen not wendigen Temperaturausgleich und eine eventuelle Kraft- bzw. Wegübersetzung besitzen. Anstelle zweier separater Druckspeicher für die beiden Systemdrücke kann auch ein kombinierter Druckspeicher (kombiniertes Rail) vorgesehen sein. Dabei umschließt ein äußerer Druckspeicherraum mit dem tieferen Systemdruck einen inneren Druckspeicherraum mit dem höheren Systemdruck. Auf diese Weise treten gerin ge Druckgradienten auf, die ein Gehäuse der Druckspeicher räume geringeren Materialbelastungen aussetzen und bei spielsweise die Ausbildung eines noch höheren Druckes im Hochdruckspeicherraum zulassen.

Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel der Fig. 1a ist dem in Fig. 1b gezeigten Kraftstoffeinspritzsystem das 3/2-We ge-Ventil 18 nicht im Injektor, sondern außerhalb des In jektors 8a, z. B. im Bereich der Druckspeicher 6, 9 ange ordnet. So läßt sich eine kleinere Baugröße des Injektors 8a und durch Ausnutzung von Wellenreflexionen in der nun längeren Druckleitungen 16 ein erhöhter Einspritzdruck er reichen.

Bei dem in Fig. 2a dargestellten druckgesteuerten Ein spritzsystem wird Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 31 zu den Injektoren 32 von vier Zylindern und von dort über Einspritzöffnungen 33 in den Brennraum 34 des jeweiligen Zylinders gefördert. Dabei wird eine mengengeregelte zwei stufige Hochdruckpumpe 35 zur Erzeugung von zwei unter schiedlichen, hohen Systemdrücken verwendet. In der er sten, tieferen Pumpstufe wird der Kraftstoff auf einen er sten hohen Systemdruck von ca. 300 bar komprimiert, der in einem ersten Druckspeicher 36 (erstes Rail) gespeichert wird. Mit der zweiten, höheren Pumpstufe wird der Kraft stoff auf einen zweiten höheren Systemdruck von ca. 300 bar bis ca. 1800 bar komprimiert und dann in einem zweiten Druckspeicher 37 (zweites Rail) gespeichert. Für beide Druckspeicher 36, 37 ist jeweils ein Regelkreis mit einem Drucksensor vorgesehen. Das tiefere Systemdruckni veau kann für die Voreinspritzung und je nach Bedarf auch für die Nacheinspritzung verwendet werden, sowie auch für die Haupteinspritzung, wenn ein geringer Einspritzdruck erforderlich ist.

Zum Umschalten zwischen dem tieferen und dem höheren Sy stemdruck (kombinierte Druckzumessung) ist für jeden Zy linder bzw. Injektor 32 jeweils als Schaltelement ein 2/2- Wegventil 38 für die Hochdruckseite vorgesehen, dessen Ausgang von der Niederdruckseite durch ein Rückschlagven til 39 (oder durch ein 3/2-Wegventil) abgekoppelt ist. Über ein 3/2-Wegventil 40 wird dann der jeweils anstehende Druck über eine Leitung 41 in den Düsenraum 42 des Injek tors 2 geleitet, der in einer druckgesteuerten Funktions weise ausgeführt ist. D. h., seine die Einspritzöffnungen 33 abdichtende Düsennadel 43 wird durch den im Düsenraum 32 herrschenden Druck gegen die Wirkung einer Schließkraft aufgesteuert. Eine Einspritzung mit tieferem Einspritz druck erfolgt im gezeigten Ausführungsbeispiel durch Be stromen des 3/2-Wegventils 10. Durch Bestromen des 2/2- Wegventils 38 wird dann für eine Einspritzung mit hohem Einspritzdruck umgeschaltet, wobei das Rückschlagventil 39 einen ungewollten Rücklauf von der Hochdruckseite in die Niederdruckseite verhindert. Am Ende der Einspritzung wird das 3/2-Wegventil 40 auf Leckage 44 geschaltet. Dadurch wird einerseits die Leitung 41 und andererseits der Düsen raum 42 entlastet, so daß die federbelastete Düsennadel 43 die Einspritzöffnungen 33 wieder verschließt.

Während sich im Ausführungsbeispiel der Fig. 2a die aus den beiden Ventilen 38, 40 und dem Rückschlagventil 39 ge bildete Ventilanordnung im Injektor 32 befindet, ist bei dem in Fig. 2b gezeigten Einspritzsystem diese Ventilan ordnung außerhalb des Injektors 32a, z. B. im Bereich der Druckspeicher 36, 37 angeordnet. So läßt sich eine kleine re Baugröße des Injektors 32a und durch Ausnutzung von Wellenreflexionen in der nun längeren Einspritzleitung ein erhöhter Einspritzdruck erreichen.

Bei dem in Fig. 3 gezeigten Einspritzsystem kann zwischen den beiden Systemdruckniveaus zentral über ein erstes 3/2- Wegventil 45 (oder über ein 2/2-Wegventil und ein Rück schlagventil) umgeschaltet werden und dann der jeweilige Druck zentral über ein zweites 3/2-Wegventil 46 an eine zentrale Verteilereinrichtung 47 geleitet werden, die den Kraftstoff über Leitungen 48 auf die Injektoren 32 der einzelnen Zylinder zur Einspritzung verteilt. Eine Ein spritzung mit dem tieferen Systemdruck erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel durch Bestromen beider 3/2-Wegventils 45, 46, die Einspritzung mit dem höheren Systemdruck durch Bestromen nur des zweiten 3/2-Wegventils 46. Am Ende der Einspritzung wird das zweite 3/2-Wegventils 46 auf Leckage 49 geschaltet und damit die jeweilige Leitung 48 über eine zwischen Verteilereinrichtung 47 und Injektor 32 vorgese hene Ventilanordnung aus Rückschlagventil 50 und Drossel 51 entlastet.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 ist die in Fig. 2 gezeigte zweistufige Hochdruckpumpe 35 durch eine allein den ersten Druckspeicher 37 speisende Hochdruckpumpe 35a und eine allein den zweiten Druckspeicher 36 speisende Hochdruckpumpe 35b ersetzt.

Für die Ventile können sowohl Magnetaktoren als auch Pie zoaktoren, die ein schnelleres Schalten der Ventile ermög lichen, verwendet werden. Auch können die 3/2-Wegventile jeweils durch eine Kombination aus zwei 2/2-Wegventilen ersetzt werden. Zum Schalten der beiden Systemdruckniveaus ist auch eine Anordnung aus 2/2-Wegventil und Rückschlag ventil bei gegebener Entlastbarkeit des Injektors möglich.

Claims

1. Kraftstoffeinspritzsystem (1; 30) mit mindestens zwei unterschiedlichen, hohen Systemdrücken für eine Brennkraftmaschine,
mit einem ersten zentralen Druckspeicher (9; 36) für den tieferen Systemdruck und mit einem von einer Hochdruckpumpe gespeisten zweiten zentralen Druck speicher (6; 37) für den höheren Systemdruck, wobei beide Druckspeicher (6, 9; 36, 37) leitungsmäßig mit dem Injektor (2; 32) eines jeden Zylinders verbindbar sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine zweistufige Hochdruckpumpe (2; 35) vorgese hen ist, von deren tieferer Stufe der erste Druck speicher (9; 36) und von deren höherer Stufe der zweite Druckspeicher (6; 37) gespeist werden.

2. Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschi ne, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der für den zweiten Druckspeicher (37) vorgesehenen Hochdruckpumpe (35a) eine weitere Hochdruckpumpe (35b) für den ersten Druckspeicher (36) vorgesehen ist.

3. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß das Kraftstoffeinspritzsy stem (1) hubgesteuert ausgebildet ist.

4. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß das Kraftstoffeinspritzsy stem (30) druckgesteuert ausgebildet ist.