EP1259728A2 - Einspritzeinrichtung und verfahren zum einspritzen von fluid - Google Patents

Einspritzeinrichtung und verfahren zum einspritzen von fluid

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EP1259728A2
EP1259728A2 EP01913657A EP01913657A EP1259728A2 EP 1259728 A2 EP1259728 A2 EP 1259728A2 EP 01913657 A EP01913657 A EP 01913657A EP 01913657 A EP01913657 A EP 01913657A EP 1259728 A2 EP1259728 A2 EP 1259728A2
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EP
European Patent Office
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control valve
pressure
control
switching state
control chamber
Prior art date
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EP01913657A
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English (en)
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EP1259728B1 (de
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Friedrich Boecking
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1259728A2 publication Critical patent/EP1259728A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1259728B1 publication Critical patent/EP1259728B1/de
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
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    • F02M63/0026—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid using piezoelectric or magnetostrictive actuators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M45/00—Fuel-injection apparatus characterised by having a cyclic delivery of specific time/pressure or time/quantity relationship
    • F02M45/02—Fuel-injection apparatus characterised by having a cyclic delivery of specific time/pressure or time/quantity relationship with each cyclic delivery being separated into two or more parts
    • F02M45/04—Fuel-injection apparatus characterised by having a cyclic delivery of specific time/pressure or time/quantity relationship with each cyclic delivery being separated into two or more parts with a small initial part, e.g. initial part for partial load and initial and main part for full load
    • F02M45/08—Injectors peculiar thereto
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M47/00—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M47/02—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure of accumulator-injector type, i.e. having fuel pressure of accumulator tending to open, and fuel pressure in other chamber tending to close, injection valves and having means for periodically releasing that closing pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M47/02—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure of accumulator-injector type, i.e. having fuel pressure of accumulator tending to open, and fuel pressure in other chamber tending to close, injection valves and having means for periodically releasing that closing pressure
    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure

Definitions

  • the invention relates to an injection device with a control valve, an actuating element for actuating the control valve and an injection nozzle which can be controlled by the control valve via pressure build-up or pressure reduction in a control chamber, the control valve having at least two switching states and being in a first switching state of the
  • Control valve sets a first pressure in the control chamber at which the injection nozzle is closed, and in a second switching state of the control valve sets a second pressure in the control chamber at which the injection nozzle is open.
  • the invention further relates to a method for injecting fluid, in which an actuating element is electrically controlled, the actuating element actuates a control valve, a pressure is built up or reduced in a control chamber by the actuation of the control valve, and the injector is dependent on the pressure in the Control room opens or closes.
  • a generic device and a generic method are known and are preferred for storage devices.
  • spray systems (“common rail") are used.
  • pressure generation and injection are decoupled.
  • the injection pressure is generated independently of the engine speed and the injection quantity and is available for injection in the "Rail” (fuel storage).
  • the injection timing and injection quantity are calculated in an electronic control unit and implemented by the injection device on each engine cylinder via a controlled control element.
  • Solenoid valves and piezo actuators are generally used as control elements.
  • the injection device can thus be supplied practically continuously with the pressure from the common rail of, for example, 1000 to 2000 bar. This high pressure of the fluid is then used, on the one hand, to carry out an injection with a high injection pressure, a high pressure having a positive influence on pollutant emissions and fuel consumption.
  • the fluid is also used for the stroke-controlled operation of the system.
  • leakage quantities occur at several points and during several functional states of the system.
  • the pressure chamber the injection nozzle in connection, inter alia, via the guidance of the pressure rod of the injection nozzle with the control chamber of the injection device, which is preferably directly adjacent to the pressure rod. If the pressure in the control chamber is now released in order to relieve the pressure rod and enable the injection nozzle to open, there is a large pressure difference between the control chamber, which is connected to a leakage system for relief, and the pressure chamber of the injection nozzle, in which the Common Rail is under pressure. There is therefore an overflow of fuel from the pressure chamber of the injection nozzle into the control chamber and ultimately into the leakage system.
  • the guides on the push rod act like an inlet throttle (Z throttle), which is an undesirable side effect when the pressure in the control chamber is relieved of pressure.
  • throttles both inlet throttles and outlet throttles
  • the injection device according to the invention according to claim 1 is based on the prior art in that the control valve has at least a third switching state in which a third pressure is established in the control chamber, which is between the first pressure and the second pressure and in which the injection nozzle is open. In this way, the disadvantages of the prior art are countered.
  • the control chamber is relieved of pressure by actuating the control valve, there is a high pressure difference between the control chamber and the pressure chamber of the injection nozzle.
  • this is desirable so that the injection nozzle opens quickly, on the other hand, it has the disadvantage that large amounts of fuel flow from the pressure chamber via the guide of the pressure rod of the injection nozzle into the control chamber and ultimately into the leakage system.
  • the invention it is now possible, on the one hand, to ensure that the injection nozzle opens quickly, namely by relieving the pressure on the control chamber in the usual manner, but then again to ensure a certain pressure build-up in the control chamber.
  • this pressure build-up in the control chamber reduces the pressure difference between the control chamber and the pressure chamber of the injection nozzle and consequently the overflow of fluid into the control chamber and into the leakage system.
  • the pressure can be selected so that the injection nozzle remains in its open state. Furthermore, it is advantageous that even before
  • the control element is preferably a piezo actuator, which undergoes a length change due to electrical control.
  • Piezo actuators have proven their worth when used in injection systems, in particular due to their small size and reliable operation. In the present case, the use of piezo actuators is particularly useful since their change in length can be influenced in a simple manner by the parameters of the electrical control (for example voltage, pulse duration).
  • the control valve preferably has a fourth switching state, in which a pressure is established in the control chamber, at which the injector is closed. This can facilitate the cyclic operation of the control valve, particularly with regard to injection course shaping and pre-injection.
  • control space is partially delimited by an end face of a push rod of the injection nozzle.
  • the control room is directly adjacent to the push rod, which is the transfer of fluid from the
  • Pressure chamber in the control room favored in the presence of a pressure difference.
  • the reduction in pressure difference has a particularly strong effect in such a system.
  • the pressure rod is preferably acted upon by elastic means.
  • elastic means preferably a spiral spring, hold the injection nozzle securely in a defined state.
  • a particularly advantageous development of the invention is that the control valve is in the first switching state in a first valve seat, so that the control chamber is separated from a leak system, that the control valve is not in a valve seat in the second switching state, so that the Control room is connected to a leak system via a first flow cross-section and that the control valve in the third switching state is not in a valve seat, so that the control room is connected to a leak system via a second flow cross-section, the first flow cross-section being larger than the second flow cross-section.
  • the suitable selection of the flow cross sections of the control valve allows the pressure build-up in the control chamber to be selected in a particularly simple manner. For example, the first flow cross the maximum possible flow cross section of the control valve, that is, the control valve is fully open.
  • the second flow cross-section is then continuously adjustable between the closed state of the control valve (flow cross-section 0) and the fully open state with the maximum flow cross-section.
  • the correct pressure build-up in the second switching state of the control valve can therefore be determined via the characteristic of the control valve.
  • control valve is in a fourth switching state in a second valve seat, so that the control chamber is separated from a leak system.
  • the pressure build-up in the control chamber for closing the injection nozzle also takes place in this variant by closing the control valve, but via a second valve seat.
  • an opening and subsequent closing of the injection nozzle can thus take place by an exclusive expansion of the control element.
  • a subsequent (partial) cycle then takes place through an exclusive shortening of the length.
  • the injection pressure is preferably generated by a common rail.
  • the invention is particularly useful in this system, where a high pressure is continuously present in the pressure chamber of the injection nozzle.
  • the high pressure in the pressure chamber of the injection nozzle results in a high pressure difference between the pressure chamber and the control chamber.
  • a reduction in this pressure difference due to a change in the pressure in the control room can at least partially eliminate the disadvantages due to excessively large amounts of leakage.
  • the invention is based on the generic method in that, by actuating the actuating element, mentes the control valve is first brought from a first switching state into a second switching state of at least three switching states, whereby the pressure in the control chamber is reduced and the injector opens, that by further actuation the control element, the control valve is brought into a third switching state of at least three switching states , whereby a pressure is built up in the control chamber and the injection nozzle remains in the open state and that by further actuation of the control element, the control valve into another
  • control valve is in a first valve seat in the first switching state and that the further switching state corresponds to the first switching state. The control valve thus returns to its starting position in the first valve seat to end the injection process.
  • control valve is preferably located in a second valve seat.
  • control chamber in the first switching state of the control valve and the further switching state of the control valve the control chamber is separated from a leak system and that in the second switching state of the control valve and the third switching state of the control valve the control chamber is connected to the leak system.
  • the pressure relief of the control chamber thus takes place by connecting the control chamber to a leak system, while the pressure build-up takes place by decoupling the control chamber from the leak system.
  • the flow cross section through the control valve is larger in the second switching state of the control valve than in the third switching state of the control valve.
  • the variable pressure setting in the control room is therefore set via the flow cross section of the control valve.
  • the invention is based on the surprising finding that the amount of leakage in an injection system can be reduced by changing the pressure in the control chamber during the opening phase of the injection nozzle. It has been recognized that the pressure in the control chamber can be adjusted to a considerable extent to the common rail pressure in the pressure chamber of the injection nozzle, so that, on the one hand, the injection nozzle is not yet closed, but on the other hand a significantly lower flow of fluid occurs the pressure chamber in the control room.
  • FIG. 1 shows a section of an injection device according to the invention in a partially sectioned illustration
  • FIG. 2 shows three diagrams to explain the method according to the invention
  • Figure 3 shows a diagram for explaining the invention.
  • a control valve 2 can be actuated by an actuating element, not shown, which is arranged above the control valve 2.
  • the control valve 2 has a first valve seat 4 and a second valve seat 6.
  • the control valve 2 communicates with a control chamber 8, which is partially delimited by the push rod 10 of an injection nozzle.
  • the push rod 10 is also acted upon by a spring 12 to provide the injector with a defined closed position.
  • the control valve 2 is located in its first valve seat 4, so that the control chamber 8 is separated from a leak system 14, which is indicated schematically by a line.
  • control chamber 8 Since the control chamber 8 is connected to the common rail 16, also indicated schematically by a line, the common rail pressure can develop in the control chamber 8 in the state of the control valve 2 shown. Consequently, the push rod 10 and thus the Injector down, which keeps the injector closed. If the control valve 2 now leaves its first valve seat 4 by actuation by the control element, the control chamber 8 is relieved. As a result, the injector push rod 10 can move upward. Therefore, the injector opens.
  • the stroke and pressure ratios in the injection system according to the invention are explained in more detail with reference to FIG. 2.
  • the stroke of the control valve H S ⁇ v is plotted against the time t.
  • the nozzle stroke H D is also plotted against the time t in the middle diagram (b).
  • the pressure in the control chamber p STR is plotted against the time t in the lower diagram (c).
  • the three diagrams (a), (b) and (c) are arranged one above the other so that their time axes t correspond.
  • the control valve Before the time ti, the control valve is in its seat.
  • the stroke of the control valve is zero. As a result, a high pressure builds up in the control room, which leads to the nozzle stroke also being zero.
  • the control valve is now actuated so that its stroke is different from zero.
  • the control room is relieved accordingly.
  • the nozzle also opens.
  • the nozzle is in its fully open state and the control chamber is largely relieved.
  • curve (i) shows how the stroke of the control valve continues to behave according to the prior art.
  • the control valve is simply held at its maximum stroke, which means that the pressure according to curve (i) in the lower diagram (c) from FIG. 2 also remains at the low value shown. Consequently, according to the prior art, there is a large pressure difference between the pressure chamber of the injection nozzle and the control chamber.
  • FIG. 3 in which the flow cross section Q against the absolute stroke H ' STv is shown.
  • the large H ' s ⁇ v is thus the actual stroke of the control valve from its first valve seat (seat 1) and not, as in FIG. 2a, the relative stroke with respect to any valve seat.
  • the flow cross-section Q can be set between zero and a maximum value by means of a suitably chosen stroke H ' s ⁇ v .
  • a suitable stroke H ' STv and thus also a suitable flow cross section Q can thus be set by suitable control of the control element and corresponding length change.
  • the setting of a reduced flow cross section, for example Q lr then leads to the advantageous pressure increase in the control chamber according to the invention according to FIG. 2c.

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Description

Einspritzeinrichtung und Verfahren zum Einspritzen von Fluid
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Einspritzeinrichtung mit einem Steuerventil, einem Stellelement zum Betatigen des Steuerventils und einer Einspritzdüse, welche von dem Steuerventil über Druckaufbau bzw. Druckabbau in einem Steuerraum steuerbar ist, wobei das Steuerventil mindestens zwei Schaltzu- stände hat und sich in einem ersten Schaltzustand des
Steuerventils ein erster Druck in dem Steuerraum einstellt, bei dem die Einspritzdüse geschlossen ist, und sich in einem zweiten Schaltzustand des Steuerventils ein zweiter Druck in dem Steuerraum einstellt, bei dem die Einspritzdüse geöffnet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Einspritzen von Fluid, bei dem ein Stellelement elektrisch angesteuert wird, das Stellelement ein Steuerventil betätigt, durch die Betätigung des Steuerventils ein Druck in einem Steuerraum aufgebaut oder abgebaut wird und die Einspritz- duse abhangig von dem Druck in dem Steuerraum öffnet oder schließt .
Eine gattungsgemaße Vorrichtung und ein gattungsgemaßes Verfahren sind bekannt und kommen bevorzugt bei Speicherein- spritzsystemen ("Common-Rail") zum Einsatz. Bei der Speichereinspritzung sind Druckerzeugung und Einspritzung entkoppelt. Der Einspritzdruck wird unabhängig von der Motordrehzahl und der Einspritzmenge erzeugt und steht im "Rail" (KraftstoffSpeicher) für die Einspritzung bereit.
Einspritzzeitpunkt und Einspritzmenge werden in einem elektronischen Steuergerat berechnet und von der Einspritzeinrichtung an jedem Motorzylinder über ein angesteuertes Stellelement umgesetzt. Als Stellelemente werden im allge- meinen Magnetventile und Piezoaktoren eingesetzt. Die Einspritzeinrichtung kann somit praktisch kontinuierlich mit dem Druck aus dem Common-Rail von zum Beispiel 1000 bis 2000 bar versorgt werden. Dieser hohe Druck des Fluids wird dann einerseits dazu benutzt, eine Einspritzung mit hohem Ein- spritzdruck vorzunehmen, wobei ein hoher Druck einen positiven Einfluß auf die Schadstoffemissionen und den Kraftstoffverbrauch hat. Zum anderen wird das Fluid auch für den hubgesteuerten Betrieb des Systems genutzt.
Grundsatzlich ist es nicht zu vermeiden, daß bei hubgesteuerten Einspritzsystemen ein gewisser Anteil des Fluids in ein Lecksystem abgeführt werden muß. Dieses Lecksystem steht dann im allgemeinen mit einem Kraftstofftank in Verbindung, so daß die Leckmenge aus der Einspritzeinrich- tung in den Kraftstofftank zurückgeführt werden kann. Im allgemeinen ist es erwünscht die auftretenden Leckmengen zu reduzieren, da diese den Wirkungsgrad des Einspritzsystems verringern und weitere Nachteile, zum Beispiel im Hinblick auf die Leistungsanforderungen der Hochdruckpumpe, mit sich bringen.
Bei der gattungsgemaßen Einspritzeinrichtung treten Leckmengen an mehreren Stellen und wahrend mehrerer Funktionszustande des Systems auf. Beispielsweise steht die Druckkammer der Einspritzdüse unter anderem über die Fuhrung der Druckstange der Einspritzdüse mit dem vorzugsweise unmittelbar an die Druckstange angrenzenden Steuerraum der Einspritzeinrichtung in Verbindung. Wird nun der Druck in dem Steuerraum abgebaut, um die Druckstange zu entlasten und ein Offnen der Einspritzdüse zu ermöglichen, kommt es zu einer großen Druckdifferenz zwischen dem Steuerraum, welcher zur Entlastung mit einem Lecksystem in Verbindung steht, und der Druckkammer der Einspritzdüse, in welchem der Druck des Com- mon-Rail vorliegt. Es kommt also zu einem Überströmen von Kraftstoff aus der Druckkammer der Einspritzdüse in den Steuerraum und letztlich in das Lecksystem. Die Fuhrungen der Druckstange wirken wie eine Zulaufdrossel (Z-Drossel), was im druckentlasteten Zustand des Steuerraums ein uner- wunschter Nebeneffekt ist. Insbesondere sind für schnelle Schaltvorgange ohnehin Drosseln (sowohl Zulaufdrosseln als auch Ablaufdrosseln) erforderlich. Hierdurch ist es besonders wünschenswert, die Leckmenge wahrend des geöffneten Zu- standes des Steuerventils zu verringern.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemaße Einspritzeinrichtung gemäß Anspruch 1 baut auf dem Stand der Technik dadurch auf, daß das Steuerventil mindestens einen dritten Schaltzustand hat, in dem sich ein dritter Druck in dem Steuerraum einstellt, welcher zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck liegt und bei dem die Einspritzdüse geöffnet ist. Auf diese Weise wird den Nachteilen des Standes der Technik entgegengetreten.
Wird der Steuerraum durch die Betätigung des Steuerventils druckentlastet, so liegt eine hohe Druckdifferenz zwischen dem Steuerraum und der Druckkammer der Einspritzdüse vor. Diese ist einerseits erwünscht, damit die Einspritzdüse schnell öffnet, andsrerseits bringt sie den Nachteil mit sich, daß große Kraftstoffmengen von der Druckkammer über die Fuhrung der Druckstange der Einspritzdüse in den Steuerraum und letztlich in das Lecksystem überströmen. Mit der Erfindung ist es nun möglich, einerseits für ein schnelles Offnen der Einspritzdüse zu sorgen, indem nämlich der Steuerraum in der üblichen Weise schnell entlastet wird, dann aber wiederum für einen gewissen Druckaufbau in dem Steuerraum zu sorgen. Dieser Druckaufbau im Steuerraum ver- ringert einerseits die Druckdifferenz zwischen dem Steuerraum und der Druckkammer der Einspritzdüse und folglich das Überströmen von Fluid in den Steuerraum und in das Lecksystem, andererseits kann der Druck jedoch so gewählt werden, daß die Einspritzdüse in ihrem geöffneten Zustand bleibt. Weiterhin ist es vorteilhaft, daß bereits vor dem
Schließen der Einspritzdüse ein gewisser Druckaufbau in dem Steuerraum stattgefunden hat, so daß der nachfolgende Druckaufbau, welcher zum Schließen der Einspritzdüse fuhrt, nur eine geringere Druckdifferenz überwinden muß, was zu einem schnelleren Schließen der Einspritzdüse aufgrund der verringerten Schaltverzogerung fuhrt.
Vorzugsweise ist das Stellelement ein Piezoaktor, welcher durch elektrische Ansteuerung eine Langenanderung erfahrt. Piezoaktoren haben sich beim Einsatz in Einspritzeinrichtungen bewahrt, insbesondere aufgrund ihrer kleinen Bauform und ihrer zuverlässigen Arbeitsweise. Im vorliegenden Fall ist der Einsatz von Piezoaktoren besonders nutzlich, da ihre Langenanderung durch die Parameter der elektrischen An- Steuerung (zum Beispiel Spannung, Impulsdauer) in einfacher Weise beeinflußbar ist.
Vorzugsweise hat das Steuerventil einen vierten Schaltzustand, in dem sich ein Druck in dem Steuerraum einstellt, bei dem die Einspritzdüse geschlossen ist. Dies kann die zyklische Arbeitsweise des Steuerventils erleichtern, insbesondere im Hinblick auf eine Einspritzverlaufsformung und eine Voreinspritzung.
Die Erfindung bringt bei einer solchen Einspritzeinrichtung besondere Vorteile mit sich, bei der der Steuerraum teilweise von einer Stirnflache einer Druckstange der Einspritzdüse begrenzt ist. Der Steuerraum grenzt also unmittelbar an die Druckstange an, was das Übertreten von Fluid aus der
Druckkammer in den Steuerraum bei vorliegender Druckdifferenz begünstigt. Die Verringerung der Druckdifferenz hat also bei einem solchen System eine besonders starke Wirkung.
Vorzugsweise ist die Druckstange von elastischen Mitteln mit Kraft beaufschlagt. Diese elastischen Mittel, vorzugsweise eine Spiralfeder, halten die Einspritzdüse sicher in einem definierten Zustand.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß sich das Steuerventil in dem ersten Schaltzustand in einem ersten Ventilsitz befindet, so daß der Steuerraum von einem Lecksystem getrennt ist, daß sich das Steuerventil in dem zweiten Schaltzustand nicht in einem Ventilsitz befindet, so daß der Steuerraum mit einem Lecksystem über einen ersten Stromungsquerschnitt verbunden ist und daß sich das Steuerventil in dem dritten Schaltzustand nicht in einem Ventilsitz befindet, so daß der Steuerraum mit einem Lecksystem über einen zweiten Stromungsquerschnitt verbunden ist, wobei der erste Stromungsquerschnitt großer ist als der zweite Stromungsquerschnitt. Durch die geeignete Wahl der Stromungsquerschnitte des Steuerventils kann in besonders einfacher Weise der Druckaufbau in dem Steuerraum gewählt werden. Beispielsweise kann der erste Stromungsquer- schnitt der maximal mögliche Stromungsquerschnitt des Steuerventils sein, das heißt, das Steuerventil ist voll- standig geöffnet. Der zweite Stromungsquerschnitt ist dann kontinuierlich zwischen dem geschlossenen Zustand des Steuerventils (Stromungsquerschnitt 0) und dem vollständig geöffneten Zustand mit maximalem Stromungsquerschnitt einstellbar. Der richtige Druckaufbau im zweiten Schaltzustand des Steuerventils laßt sich also über die Charakteristik des Steuerventils ermitteln.
Es kann vorteilhaft sein, wenn sich das Steuerventil in einem vierten Schaltzustand in einem zweiten Ventilsitz befindet, so daß der Steuerraum von einem Lecksystem getrennt ist. Der Druckaufbau in dem Steuerraum zum Schließen der Einspritzdüse erfolgt also auch bei dieser Variante durch das Schließen des Steuerventils, allerdings über einen zweiten Ventilsitz. Bei geeigneter Anordnung des zweiten Ventilsitzes kann ein Offnen und nachfolgendes Schließen der Einspritzdüse also durch eine ausschließliche Ausdehnung des Stellelementes erfolgen. Ein nachfolgender (Teil-) Zyklus erfolgt dann durch eine ausschließliche Langenverkurzung.
Vorzugsweise wird der Einspritzdruck von einem Common-Rail erzeugt. Gerade bei diesem System, wo praktisch in der Druckkammer der Einspritzdüse kontinuierlich ein hoher Druck vorliegt ist die Erfindung nutzlich. Der hohe Druck in der Druckkammer der Einspritzdüse zieht eine hohe Druckdifferenz zwischen der Druckkammer und dem Steuerraum nach sich. Eine Verminderung dieser Druckdifferenz durch eine Änderung des Druckes im Steuerraum kann die Nachteile aufgrund zu großer auftretender Leckmengen zumindest teilweise beseitigen.
Die Erfindung baut gemäß Anspruch 9 auf dem gattungsgemaßen Vefahren dadurch auf, daß durch das Ansteuern des Stellele- mentes das Steuerventil zunächst von einem ersten Schaltzustand in einen zweiten Schaltzustand von mindestens drei Schaltzustanden gebracht wird, wodurch der Druck in dem Steuerraum abgebaut wird und die Einspritzdüse öffnet, daß durch weitergehendes Ansteuern das Stellelement das Steuerventil in einen dritten Schaltzustand von mindestens drei Schaltzustanden gebracht wird, wodurch ein Druck in dem Steuerraum aufgebaut wird und die Einspritzdüse in geöffnetem Zustand bleibt und daß durch weitergehendes Ansteuern des Stellelementes das Steuerventil in einen weiteren
Schaltzustand gebracht wird, in dem ein Druck in dem Steuerraum weitergehend aufgebaut wird, wodurch die Einspritzdüse schließt. Auf diese Weise wird also nach dem Offnen der Einspritzdüse, was durch eine Entlastung des Steuerraums er- folgt, der Druck in dem Steuerraum wieder teilweise aufgebaut, ohne daß die Einspritzdüse schließt. Es kann also einerseits der schnelle Druckabbau erfolgen, welcher ein schnelles Offnen der Einspritzdüse ermöglicht; andererseits wird die Druckdifferenz zwischen der Druckkammer der Ein- spritzduse und dem Steuerraum und somit auch die Leckmenge reduziert .
Es kann bevorzugt sein, daß sich das Steuerventil in dem ersten Schaltzustand in einem ersten Ventilsitz befindet und daß der weitere Schaltzustand dem ersten Schaltzustand entspricht. Das Steuerventil kehrt also zur Beendigung des Einspritzvorgangs in seine Ausgangsstellung im ersten Ventilsitz zurück.
Vorzugsweise befindet sich das Steuerventil in dem weiteren Schaltzustand in einem zweiten Ventilsitz. Somit können durch die Hin- und Herbewegung des Steuerventils zwischen einem ersten und einem zweiten Ventilsitz und eine entsprechende zwischenzeitliche Positionierung des Steuerventils in einen teilweise geöffneten Zustand die erfindungsgemaßen Vorteile verwirklicht werden.
Es ist bevorzugt, daß in dem ersten Schaltzustand des Steuerventils und dem weiteren Schaltzustand des Steuerventils der Steuerraum von einem Lecksystem getrennt wird und daß in dem zweiten Schaltzustand des Steuerventils und dem dritten Schaltzustand des Steuerventils der Steuerraum mit dem Lecksystem verbunden wird. Die Druckentlastung des Steuerraums erfolgt also durch die Verbindung des Steuerraums mit einem Lecksystem, wahrend der Druckaufbau durch eine Entkopplung des Steuerraums von dem Lecksystem stattfindet .
Dabei ist besonders bevorzugt, daß der Stromungsquerschnitt durch das Steuerventil in dem zweiten Schaltzustand des Steuerventils großer ist als in dem dritten Schaltzustand des Steuerventils. Die variable Druckeinstellung in dem Steuerraum wird also über den Stromungsquerschnitt des Steuerventils eingestellt.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß sich die Leckmenge eines Einspritzsystems über die Veränderung des Druckes in dem Steuerraum wahrend der Offnungs- phase der Einspritzdüse verringern laßt. Es ist erkannt worden, daß der Druck in dem Steuerraum in betrachtlichem Maße dem Common-Rail-Druck in der Druckkammer der Einspritzdüse angeglichen werden kann, so daß zwar einerseits ein Schließen der Einspritzdüse noch nicht erfolgt, andererseits aber eine wesentlich geringere Strömung von Fluid aus der Druckkammer in den Steuerraum vorliegt. Zeichnung
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die Zeichnung anhand einer speziellen Ausfuhrungsform beispielhaft erläutert.
Figur 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemaßen Einspritzeinrichtung in teilweise geschnittener Darstellung;
Figur 2 zeigt drei Diagramme zur Erläuterung des erfindungs- gemäßen Verfahrens;
Figur 3 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der Erfindung.
Beschreibung des Ausfuhrungsbeispiels
In Figur 1 ist eine erfindungsgemaße Einspritzeinrichtung teilweise dargestellt. Ein Steuerventil 2 ist von einem nicht dargestellten Stellelement betatigbar, welches ober- halb des Steuerventils 2 angeordnet ist. Das Steuerventil 2 hat einen ersten Ventilsitz 4 und einen zweiten Ventilsitz 6. Das Steuerventil 2 kommuniziert mit einem Steuerraum 8, welcher teilweise von der Druckstange 10 einer Einspritzdüse begrenzt ist. Die Druckstange 10 wird ferner von einer Feder 12 mit Kraft beaufschlagt, um der Einspritzdüse eine definierte geschlossene Position zu vermitteln. In dem dargestellten Zustand befindet sich das Steuerventil 2 in seinem ersten Ventilsitz 4, so daß der Steuerraum 8 von einem schematisch durch eine Leitung angedeuteten Lecksystem 14 ge- trennt ist. Da der Steuerraum 8 mit dem ebenfalls schematisch durch eine Leitung angedeuteten Common-Rail 16 in Verbindung steht, kann sich in dem dargestellten Zustand des Steuerventils 2 der Common-Rail-Druck in dem Steuerraum 8 ausbilden. Folglich werden die Druckstange 10 und somit die Einspritzdüse nach unten gedruckt, was die Einspritzdüse in einem geschlossenen Zustand halt. Verlaßt nun das Steuerventil 2 durch eine Betätigung durch das Stellelement seinen ersten Ventilsitz 4, so wird der Steuerraum 8 entlastet. Folglich kann sich die Druckstange 10 der Einspritzdüse nach oben bewegen. Daher öffnet die Einspritzdüse.
In der nicht dargestellten Druckkammer der Einspritzdüse herrscht praktisch standig Common-Rail-Druck, so auch wah- rend des Einspritzvorganges. Da wahrend des Einspritzvorganges der Steuerraum 8 aber druckentlastet ist, liegt in dieser Phase eine besonders hohe Druckdifferenz zwischen der Druckkammer und dem Steuerraum 8 vor. Somit kann Fluid über die Fuhrung der Druckstange 10 in den Steuerraum 8 gelangen und das Lecksystem 14 zusatzlich belasten. Diesem Effekt tritt die Erfindung entgegen. Wenn der Steuerraum 8 entlastet ist und sich die Druckstange 10 folglich nach oben bewegt hat, wird das Steuerventil 2 teilweise geschlossen, so daß sich zwar in dem Steuerraum 8 der Druck wieder er- höht, dieser aber unter dem Schließdruck der Einspritzdüse bleibt. Der von der Druckdifferenz begünstigte Leckstrom wird demzufolge vermindert.
Die Hub- und Druckverhaltnisse in dem erfindungsgemaßen Ein- spritzsystem werden anhand der Figur 2 naher erläutert. In dem oberen Diagramm (a) ist der Hub des Steuerventils HSτv gegen die Zeit t aufgetragen. In dem mittleren Diagramm (b) ist der Dusenhub HD ebenfalls gegen die Zeit t aufgetragen. Im unteren Diagramm (c) ist der Druck im Steuerraum pSTR ge- gen die Zeit t aufgetragen. Die drei Diagramme (a) , (b) und (c) sind so übereinander angeordnet, daß sich ihre Zeitachsen t entsprechen. Vor dem Zeitpunkt ti befindet sich das Steuerventil in seinem Sitz. Der Hub des Steuerventils betragt Null. Folglich baut sich in dem Steuerraum ein hoher Druck auf, was dazu fuhrt, daß ebenfalls der Dusenhub Null beträgt. Im Zeitpunkt ti wird nun das Steuerventil betätigt, so daß sein Hub von Null verschieden wird. Dementsprechend wird der Steuerraum entlastet. Nach einer gewissen Zeitverzogerung öffnet ebenfalls die Düse. Zum Zeitpunkt t2 befindet sich die Düse in ihrem vollständig geöffneten Zustand, und es liegt eine weitgehende Entlastung des Steuerraums vor.
In dem oberen Diagramm (a) der Figur 2 ist durch die Kurve (i) dargestellt, wie sich der Hub des Steuerventils gemäß dem Stand der Technik weiterhin verhalt. Das Steuerventil wird schlicht bei seinem maximalen Hub festgehalten, was dazu fuhrt, daß auch der Druck gemäß der Kurve (i) im unteren Diagramm (c) aus Figur 2 bei dem eingezeichneten niedrigen Wert bleibt. Folglich liegt gemäß dem Stand der Technik eine große Druckdifferenz zwischen dem Druckraum der Ein- spritzduse und dem Steuerraum vor.
Der Verlauf des Hubs des Steuerventils gemäß der Erfindung ist in Figur 2a durch die Kurve (ii) dargestellt. Nach αem Zeitpunkt t2 wird der Hub des Steuerventils verringert, so daß sich der Druck im Steuerraum gemäß der Figur 2c und der dort eingezeichneten Kurve (ii) erhöht. Diese Druckerhohung erfolgt jedoch nur bis zu einem Druck pc - Δp, wobei pc der Schließdruck der Einspritzdüse ist. Folglich ändert sich der Dusenhub aufgrund der Druckerhohung im Steuerraum nicht, was anhand von Figur 2b zu erkennen ist. Nachfolgend wird der Hub des Steuerventils wieder auf Null zurückgeführt, der Druck im Steuerraum übersteigt den Schließdruck pc der Düse, und der Dusenhub gent folglich auch wieder auf den Wert Null.
Bei der Darstellung in Figur 2 ist zu beachten, daß in Figur 2a tatsachlich der relative Hub des Steuerventils bezuglich seiner Ventilsitze dargestellt ist. Wird beispielsweise ein Steuerventil mit zwei Ventilsitzen verwendet, so kann die erste abfallende Flanke der Kurve (ii) durch eine weitere Bewegung des Steuerventils in die ursprungliche Richtung oder auch durch eine Bewegungsumkehr herbeigeführt werden.
Diese Zusammenhange sind nochmals in Figur 3 naher erläutert, in welcher der Stromungsquerschnitt Q gegen den absoluten Hub H'STv dargestellt ist. Die Große H ' sτv ist somit der tatsachliche Hub des Steuerventils aus seinem ersten Ventilsitz (Sitz 1) und nicht, wie bei Figur 2a, der Relativhub bezuglich eines beliebigen Ventilsitzes. In Figur 3 ist erkennbar, daß der Stromungsquerschnitt Q durch einen geeignet gewählten Hub H ' sτv zwischen Null und einem Maximalwert ein- gestellt werden kann. Durch geeignete Ansteuerung des Stellelementes und entsprechende Langenanderung kann also ein geeigneter Hub H'STv und somit auch ein geeigneter Stromungsquerschnitt Q eingestellt werden. Die Einstellung eines reduzierten Stromungsquerschnittes, beispielsweise Ql r fuhrt dann zu der erfindungsgemaß vorteilhaften Druckerhohung im Steuerraum gemäß Figur 2c.
Die vorhergehende Beschreibung der Ausfuhrungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschrankung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.

Claims

Ansprüche
1. Einspritzeinrichtung mit einem Steuerventil (2), einem Stellelement zum Betatigen des Steuerventils (2) , einer Einspritzdüse, welche von dem Steuerventil (2) über Druckaufbau bzw. Druckabbau in einem Steuerraum (8) steuerbar ist, wobei das Steuerventil (2) mindestens zwei Schaltzustande hat und sich in einem ersten Schaltzustand des Steuerventils (2) ein erster Druck in dem Steuerraum (8) einstellt, bei dem die Einspritzdüse geschlossen ist, und sich in einem zweiten Schaltzustand des Steuerventils (2) ein zweiter Druck in dem Steuerraum (8) einstellt, bei dem die Einspritzdüse geöffnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (2) mindestens einen dritten Schaltzustand hat, in dem sich ein dritter Druck in dem Steuerraum (8) einstellt, welcher zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck liegt und bei dem die Einspritzdüse geöffnet ist.
2. Einspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement ein Piezoaktor ist, welcher durch elektrische Ansteuerung eine Langenanderung erfahrt.
3. Einspritzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (2) einen vierten Schalt- zustand hat, in dem sich ein Druck in dem Steuerraum (8) einstellt, bei dem die Einspritzdüse geschlossen ist.
4. Einspritzeinrichtung nach einem der vorangehenden Anspru- ehe, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerraum (8) teilweise von einer Stirnflache einer Druckstange (10) der Einspritzdüse begrenzt ist.
5. Einspritzeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Druckstange (10) der Einspritzdüse von elastischen Mitteln mit Kraft beaufschlagt ist.
6. Einspritzeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Steuerventil (2) in dem ersten Schaltzustand in einem ersten Ventilsitz (4) befindet, so daß der Steuerraum (8) von einem Lecksystem (14) getrennt ist, daß sich das Steuerventil (2) in dem zweiten Schaltzustand nicht in einem Ventilsitz (4, 6) befindet, so daß der Steuerraum mit einem Lecksystem (14) über einen ersten Stromungsquerschnitt verbunden ist, und daß sich das Steuerventil (2) in dem dritten Schaltzustand nicht in einem Ventilsitz (4, 6) befindet, so daß der Steuerraum (8) mit einem Lecksystem (14) über einen zweiten Stromungsquerschnitt verbunden ist, wobei der erste Stromungsquer- schnitt großer ist als der zweite Stromungsquerschnitt.
7. Einspritzeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Steuerventil (2) in einem vierten Schaltzustand in einem zweiten Ventilsitz (6) befindet, so daß der Steuerraum (8) von einem Lecksystem (14) getrennt ist.
8. Einspritzeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritzdruck von einem Common-Rail (16) erzeugt wird.
9. Verfahren zum Einspritzen von Fluid, bei dem ein Stellelement elektrisch angesteuert wird, das Stellelement ein Steuerventil (2) betätigt, durch die Betätigung des Steuerventils (2) ein Druck in einem Steuerraum (8) aufgebaut oder abgebaut wird und die Einspritzdüse abhangig von dem Druck in dem Steuerraum (8) öffnet oder schließt, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Ansteuern des Stellelementes das Steuerventil (2) zunächst von einem ersten Schaltzustand in einen zweiten Schaltzustand von mindestens drei Schaltzustanden gebracht wird, wodurch der Druck in dem Steuerraum (8) abgebaut wird und die Einspritzdüse öffnet, das durch weitergehendes Ansteuern des Stellelementes das Steuerventil (2) in einen dritten Schaltzustand von mindestens drei Schaltzustanden gebracht wird, wodurch ein Druck in dem Steuerraum (8) aufgebaut wird und die Einspritzdüse in ge- offnetem Zustand bleibt, und daß durch weitergendes Ansteuern des Stellelementes das Steuerventil (2) in einen weiteren Schaltzustand gebracht wird, in dem ein Druck in dem Steuerraum (8) weitergehend aufgebaut wird, wodurch die Einspritzdüse schließt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Steuerventil (2) in dem ersten Schaltzustand in einem ersten Ventilsitz (4) befindet und daß der weitere Schaltzustand dem ersten Schaltzustand entspricht.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Steuerventil (2) in dem weiteren Schaltzustand in einem zweiten Ventilsitz (6) befindet.
12. Verfahren nach =ine der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in dem ersten Schaltzustand des Steuerventils (2) und dem weiteren Schaltzustand des Steuerventils
(2) der Steuerraum (8) von einem Lecksystem (14) getrennt wird und daß in dem zweiten Schaltzustand des Steuerventils (2) und dem dritten Schaltzustand des Steuerventils (2) der Steuerraum (8) mit dem Lecksystem (14) verbunden wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch ge- kennzeichnet, daß der Stromungsquerschnitt durch das Steuerventil (2) in dem zweiten Schaltzustand des Steuerventils
(2) großer ist als in dem dritten Schaltzustand des Steuerventils (2) .
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