EP1611344B1

EP1611344B1 - Hubgesteuerter common-rail-injektor mit steller für schwingungsanregung

Info

Publication number: EP1611344B1
Application number: EP03753328A
Authority: EP
Inventors: Michael Kurz; Achim Brenk
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-03-25
Filing date: 2003-09-29
Publication date: 2006-12-13
Anticipated expiration: 2023-09-29
Also published as: WO2004085834A1; EP1611344A1; DE50305998D1; DE10313419A1

Abstract

Eine Kraftstoff-Einspritzanordnung für Verbrennungsmotoren mit einem Druckspeicher zum Speichern von Kraftstoff unter Druck, mit mindestens einem hubgesteuerten Injektor, der mit dem Druckspeicher über eine Hochdruckleitung für den Kraftstoff verbunden ist, wobei der Druckspeicher und die Hochdruckleitung Teil eines Hochdrucksystems sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zum Entnehmen von Kraftstoff aus dem Hochdrucksystem und Ableiten in einen Niederdruckbereich bei geschlossenem Einspritzventil in der Weise vorgesehen ist, dass bei dem Entnehmen von Kraftstoff eine Schwingung des Kraftstoffs in der dem Injektor (1) zugeordneten Hochdruckleitung (14) erzeugt wird. Dies schafft eine Möglichkeit, das Einspritzen erst dann zu beginnen, wenn eine in dem hydraulischen System zwischen dem Druckspeicher und dem Injektor angeregte Schwingung einen Druck am Injektor erzeugt, der höher ist als ein durch Öffnen des Ventils zusammengebrochener Druck.

Description

Stand der Technik

Bei heutigen hubgesteuerten Injektoren für von einem Druckspeicher (z.B. Common rail) unter hohem Druck gelieferten Kraftstoff für Verbrennungsmotoren sinkt der Druck, der an der Düse des Injektors anliegt, ab, wenn die Düsennadel für einen Einspritzvorgang in den Brennraum des Motors geöffnet wird. Hierdurch erfolgt eine Schwingungsanregung in einer Verbindungsleitung vom injektor zum Druckspeicher, wobei die Frequenz und Amplitude der Schwingung vom Durchfluss durch die genannte Düse, der Leitungslänge und dem Leitungsquerschnitt sowie dem Druck im Druckspeicher abhängt. Die Größe der Amplitude kann je nach Einspritzsystem bis zu 25% des Drucks des Druckspeichers (Raildruck) betragen. Wegen des verringerten Drucks an der Düse beginnt der Einspritzvorgang mit einem gegenüber dem Raildruck verringerten Druck.
Bei dem genannten hubgesteuerten Injektor handelt es sich bekanntlich um einen solchen, bei dem die Düsennadel (auch als Ventilkolben bezeichnet) des Einspritzventils bei geschlossenem Steuerventil einerseits von einem Druck in einem Steuerraum an dem der Einspritzöffnung abgewandten Ende der Düsennadel, und andererseits vom Raildruck an einer an der Düsennadel vorgesehenen Kolbenfläche in der Nähe der Einspritzöffnungen des Einspritzventils beaufschlagt ist. Die Anordnung ist so getroffen, dass die Düsennadel geschlossen gehalten wird, bis durch Öffnen eines Steuerventils der Druck in dem Steuerraum so weit abgesenkt ist, dass die Kraft an der genannten Kolbenfläche nahe der Düse die durch den Steuerraum erzeugte Kraft überwiegt.
Aus der DE 20 09 322 A ist eine hydraulische Druckstoß-Einspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen bekannt, bei der die Bemessung des Einspritzvolumens über die Steuerung der Öffnungszeit eines am Ende einer Schwungleitung angeordneten Absperrorgans erfolgt. Vom Absperrorgan führt eine zusätzliche Einspritzleitung zu einem in den Brennraum der Brennkraftmaschine hineinragenden separaten Einspritzventil.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, das Einspritzen erst dann zu beginnen, wenn eine in dem hydraulischen System zwischen dem Druckspeicher und dem Injektor angeregte Schwingung einen Druck am Injektor erzeugt, der höher ist als der oben genannte durch Öffnen des Ventils entstehende zusammengebrochene (das heißt gegenüber dem Raildruck reduzierte) Druck. Dabei kann es vorteilhaft sein, dass der Einspritzvorgang erst beginnt, wenn ein Druck nahe dem Raildruck oder sogar höher als dieser für die Einspritzung zur Verfügung steht.

Vorteile der Erfindung

Durch die Merkmale des Anspruchs 1 wird der Vorteil erreicht, dass zur Vorbereitung der Einspritzung bei geschlossen bleibendem Einspritzventil in der den Injektor mit dem Druckspeicher verbindenden Hochdruckleitung eine Schwingung angeregt wird, wobei aber die Einspritzdüse noch geschlossen ist. Zu einem geeigneten späteren Zeitpunkt, zu dem dann vorzugsweise durch die angeregte Schwingung eine Überhöhung des Drucks im Bereich des Injektors vorhanden ist, wird das Einspritzventil geöffnet, wodurch der Einspritzvorgang in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine mit hohem Druck erfolgen kann, jedenfalls mit höherem Druck als bei dem geschilderten Stand der Technik. Die Anregung der Schwingung erfolgt erfindungsgemäß durch Entnehmen von Kraftstoff innerhalb des Injektors. Dies bietet die Möglichkeit, ein einziges Ventil für die genannte Kraftstoffentnahme zur Schwingungsanregung und zum Öffnen des hubgesteuerten Injektors vorzusehen, wie bei zwei unten beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Es wird die Menge pro Zeiteinheit des vor dem Öffnen des Einspritzventils aus dem Druckspeicher entnommenen Kraftstoffs und die Dauer, während der diese Kraftstoffmenge fließt, so bemessen, dass eine Anregung der Schwingung mit einer gewünschten Amplitude erfolgt. Mit den obigen Erläuterungen wird auch ein erfindungsgemäßes Verfahren mit Ausgestaltungen beschrieben, bei dem zuerst durch Kraftstoffentnahme ohne Einspritzvorgang eine Schwingung angeregt wird und dann ein Einspritzvorgang veranlasst werden kann.
In die Funktionsweise geht auch der bei der Verbrennungskraftmaschine vorhandene Gegenhaltedruck in einem den Leckage-Kraftstoff abführenden Kanal der Einspritzvorrichtung ein, der bei unterschiedlichen Verbrennungskraftmaschinen und unterschiedlichen Injektoren einen weiten Druckbereich einnehmen kann, zum Beispiel innerhalb eines Bereichs von 0,5 bar (relativ) (das heißt 0,5 bar höher als der Umgebungsdruck = Atmosphärendruck der Verbrennungskraftmaschine) bis zum Beispiel 20 oder 30 bar (relativ) betragen kann. Der Speicherdruck kann je nach technischer Konstruktion beispielsweise bis zu 1600 bar oder höher sein.

Zeichnung

Bevorzugte, in den Zeichnungen gezeigte Ausführungsformen bewirken den geschilderten Vorgang durch innerhalb des Injektors angeordnete hydraulische Elemente, die den Beginn der Strömung des Kraftstoffs vor dem Öffnen des Einspritzventils veranlassen und die Zeitverzögerung bewirken, bis das Einspritzventil öffnet. Dabei ist bei einem der Ausführungsbeispiele der geschilderte Zeitablauf, insbesondere die Verzögerungszeit, durch bauliche Eigenschaften des erfindungsgemäß ausgebildeten Injektors im Zusammenwirken mit den Schwingungseigenschaften der Leitung und dem Druck des Druckspeichers bestimmt. Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel besteht eine Möglichkeit, in den Zeitablauf steuernd einzugreifen. Dies erfolgt vorzugsweise in diesem Fall durch ein 3/3-Wegeventil. Es zeigen:

Fig. 1: in einem vereinfachten Längsschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Injektors mit einer hubgesteuerten Düsennadel und einem verschiebbar angeordneten Steller, wobei der Druck in dem Steuerraum der Düsennadel auch auf ein Ende des Stellers wirkt;
Fig. 2: ein zweites Ausführungsbeispiel eines Injektors ebenfalls mit einem Steller und einer hubgesteuerten Düsennadel, wobei dem Steller ein vom Steuerraum der Düsennadel konstruktiv und funktionell getrennter Steller-Steuerraum zugeordnet ist;
Fig. 3: eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einem separaten Ventil zur Schwingungsanregung;
Fig. 4a bis 4d: Kurvenverläufe über der Zeit hauptsächlich für Fig. 1: und die anschließend an Fig. 3 eingeordneten
Fig. 5a und 5b: Kurvenverläufe über der Zeit für Fig. 2.

Fig. 1 zeigt einen Injektor 1 mit seinen für das Verständnis der Erfindung erforderlichen Teilen. Die Zeichnung ist auch insoweit vereinfacht, als nicht ersichtlich ist, wie der Injektor aus Einzelteilen zusammengesetzt ist.
Ein Injektor 1 weist ein Gehäuse 3 auf, das zwei linear hintereinander angeordnete Bohrungen 5 und 7 mit unterschiedlichem Durchmesser aufweist, wobei der Durchmesser der Bohrung 7 etwas größer ist als derjenige der Bohrung 5. Ein im wesentliches über seine gesamte Länge mit konstantem Durchmesser ausgebildeter Ventilkolben 9 verschließt mit einem unteren kegelstumpfförmigen Bereich 11 den Durchgang von Kraftstoff, der einem Kanal 12 des Injektors von einem Druckspeicher (CR) 13 über eine den Injektor mit dem Druckspeicher verbindende Hochdruckleitung 14 zugeführt wird. Der Kanal 12 ist unter anderem mit einem Raum 15 im unteren Bereich des Injektors 1 in Verbindung, von wo aus der Kraftstoff bei geöffnetem Einspritzventil (d.h. bei geöffnetem Ventilkolben 9) zu Auslassöffnungen 17 gelangt.
Der Ventilkolben 9 hat in seinem oberen Endbereich eine diagonal verlaufende Bohrung 21, die beidseits in eine Ringnut 22 mündet. Von der Leitung 21 führt in Längsrichtung des Ventilkolbens 9 eine Bohrung 23 unter Einschaltung einer als Zuflussdrossel Z2 dienenden Engstelle zu einer oberen Endfläche 25 des Ventilkolbens.
Die beiden Bohrungen 5 und 7 sind etwa gleich lang. In der oberen Bohrung 7 ist ein hydraulisches Element verschiebbar angeordnet, das teils als Schalter wirkt, aber gleichzeitig auch Bestandteil einer Verzögerungseinrichtung ist, wie noch erläutert wird. Dieses hydraulische Element ist hier als Steller 35 oder Stellelement bezeichnet und durch ein im wesentlichen rohrförmiges Teil gebildet. Der Steiler 35 weist eine radiale Bohrung 37 auf, die von der Außenseite zur der Innenseite des rohrförmigen Teils verläuft und dort in die Ringnut 22 mündet. An der Außenseite ist die Bohrung 37 unabhängig von der jeweiligen Verschiebelage des Stellers 35 innerhalb seiner Bohrung 7 mit einer im Gehäuse 3 angeordneten ringförmigen Nut 39 in Fluidverbindung. Die Nut 39 wiederum ist mit dem Kanal 12 in Verbindung. So kann Kraftstoff vom Kanal 12 durch die Bohrung 23 und von dieser in einen im oberen Bereich der Bohrung 7 vorhandenen Steuerraum 41 gelangen. Wenn der Druck im Steuerraum 41 so groß ist, dass die auf den Ventilkolben 9 an dessen oberer Fläche 25 wirkende Kraft größer ist als die im Bereich der kegeligen Fläche 11 von unten nach oben wirkende Kraft, die durch den durch den Kanal 12 zugeführten Kraftstoff ausgeübt wird, so bleibt beziehungsweise wird das Einspritzventil geschlossen.
In dem Steller 35 ist ein weiterer Kanal 43 vorhanden, dessen eines Ende ebenfalls mit der Nut 39 in Verbindung steht. Das andere Ende des Kanals 43 ist über eine Zuflussdrossel Z1 mit der oberen Endfläche 45 des Stellers 35 in Verbindung. Die innerhalb des Gehäuses 3 angeordneten Teile sind nicht besonders hinsichtlich Verdrehung gesichert und können daher beliebige Drehstellungen einnehmen. Um unabhängig von der Drehstellung des Stellers 35 das obere Ende des Kanals 43 dann verschließen zu können, wenn der Steller 35 eine obere Endlage eingenommen hat, ist am oberen Ende der Bohrung 37 an einer Endwand 46 ein ringförmiger Dichtungswulst 47 zum Verschließen des Kanals 43 vorgesehen. Durch eine unterhalb des Stellers 35 angeordnete Druckfeder 51 wird der Steller in einer Richtung nach oben beaufschlagt und nimmt seine obere Endstellung ein, sofern nicht ein Druck im Steuerraum 41 dem entgegenwirkt. In der gezeigten Stellung nimmt der Steller 35 seine tiefste Stellung ein, in der er in einer zwischen den Bohrungen 5 und 7 gebildeten Schulter anschlägt.
Der Steuerraum 41 ist über eine Ablaufdrossel A in bekannter Weise mit einem in der Zeichnung nicht vollständig dargestellten elektromagnetisch betriebenen Ventil 52 in Verbindung, bei dessen Betätigung ein kugelförmiges Verschlusselement 53 angehoben wird, das den Weg für Fluid aus dem Steuerraum 41 über die Ablaufdrossel A zu einem Leckagekanal 55 freigibt, der gemeinsam mit einem weiteren, in den von der Feder 51 eingenommenen Raum mündenden Leckagekanal 56 in einen Hauptleckagekanal 57 mündet, von dem der Kraftstoff letztendlich in den Kraftstofftank des Verbrennungsmotors zurückgeführt wird. Der Leckagekanal 56 hat keine andere Funktion als die, Kraftstoff, der durch nichtvermeidbare Dichtungsspalte in den durch die Feder 51 eingenommenen Raum eingedrungen ist, abzuleiten.
Eine im Ruhezustand den Ventilkolben 9 in seine Verschließstellung vorspannende Feder ist zur Vereinfachung der Zeichnung nicht dargestellt.

Die Anordnung arbeitet wie folgt:

Bei laufendem Verbrennungsmotor wird dem Kanal 12 Kraftstoff mit hohem Druck zugeführt. Zunächst sei das Ventilelement 53 geschlossen. Der Kraftstoff gelangt über die Nuten 39 und 22 und die Kanäle 23 und 43 ans obere Ende des Ventilkolbens 9 und des Stellers 35 und bewegt die genannten Teile, soweit sie nicht ohnehin sich in ihrer unteren Endstellung befinden, nach unten bis zu ihren jeweiligen Anschlägen. Zur Vereinfachung der Beschreibung.wird angenommen, dass diese Lage der Teile zueinander bei vollständig gefülltem Steuerraum 41 vor dem ersten hier betrachteten Einspritzvorgang vorhanden ist. Zum Veranlassen eines Einspritzvorgangs wird das Verschlusselement 53 des Steuerventils 52 geöffnet. Bei herkömmlichen Injektoren würde nun praktisch sofort das Einspritzventil geöffnet und eine Einspritzung veranlasst werden. Im vorliegenden Fall bei der Erfindung entweicht zwar durch das Öffnen des Ventilelements 53 über die Ablaufdrossel A Kraftstoff und eine Absenkung des Drucks innerhalb des Steuerraums 41 wird bewirkt. Die Anordnung ist jedoch so getroffen, dass trotz dieser Absenkung des Drucks in dem Steuerraum 41 während einer gewissen Zeit noch ein solcher Druck vorhanden ist, der ausreicht, das Einspritzventil geschlossen zu halten. Dies wird unter anderem dadurch bewirkt, dass durch den Kanal 43 und Kanal 23 Kraftstoff in den Steuerraum 41 nachgeliefert wird. Gleichzeitig wird der Steller 35 durch die Feder 51 nach oben bewegt. Solange er sich in seiner Bewegung nach oben bewegt, ist die in die Stirnfläche 45 mündende Bohrung des Kanals 43 offen, so dass bei der im Beispiel getroffenen Anordnung während dieser ganzen Zeit der Ventilkolben 9 in seiner Schließstellung bleibt.
Sobald der Steller 35 seinen oberen Anschlag erreicht hat, wo der ringförmige Dichtwulst 47 das obere Ende des Kanals 43 verschließt, kann über den Kanal 43 kein Kraftstoff mehr in den Steuerraum 41 nachfliessen. Die Anordnung ist so durch Bemessung der Volumina, der Federkraft und der Drosseln getroffen, dass trotz des durch die Kanäle 37 und 23 und die Zuflussdrossel Z2 in den Steuerraum 41 nachströmenden Kraftstoffs der Druck in dem Steuerraum abnimmt, bis er so klein geworden ist, dass das Einspritzventil 9 öffnet.
Der Schließvorgang des Einspritzventils wird dadurch veranlasst, dass das Ventilteil 53 den Weg für Kraftstoff aus dem Steuerraum 41 über die Drossel A versperrt. Dann gelangt über die Kanäle 37, 23 und 43 wiederum Kraftstoff unter Druck in den Steuerraum und steigert den Druck dort so lange, bis das Einspritzventil schließt.
Bei der gezeigten Anordnung ist der Zeitablauf durch konstruktive Merkmale, insbesondere Abmessungen der einzelnen Teile vorgegeben.
Der ringförmige Dichtungswulst 47 ist lediglich eine Möglichkeit von mehreren den Zufluss von Kraftstoff vom Kanal 12 her in den Steuerraum 41 dann zu verringern, wenn der Steller 35 eine vorbestimmte obere Stellung eingenommen hat. Die hier beschriebene Lösung ist technisch vermutlich die einfachste. Statt des durch Bohrungen gebildeten Kanals 43 könnte statt dessen auch eine geeignet dimensionierte Längsnut im Gehäuse 3 vorhanden sein, die mit der Nut 39 in Verbindung steht und deren oberes Ende bei Erreichen einer oberen Abschaltstellung des Stellers von dessen Außenflächen verschlossen wird, wobei nicht ausgeschlossen ist, dass der Steller sich über diese genannte Stellung hinaus noch weiter nach oben bewegen kann.
Da bei der beschriebenen Ausführungsform der Zufluss von Kraftstoff zum Kanal 23 des Einspritzventils 9 unabhängig von der Stellung des Stellers 35 stets möglich ist, ist ohne weiteres klar, dass der Steller 35 nicht in Berührung oder in unmittelbarer Nähe des Einspritzventilkolbens 9 angeordnet sein muss. Der Steller 35 könnte stattdessen auch als im wesentlichen zylindrischer Teil in einer anderen Bohrung innerhalb des Gehäuses 3 angeordnet sein, wobei jedoch der Raum oberhalb dieses Stellers mit dem Steuerraum des Einspritzventils 9 in Verbindung sein muss. Das gezeigte Ausführungsbeispiel ist jedoch bezüglich Platzbedarf, einfacher passgenauer Herstellung und der Fähigkeit, hohe Drücke aufzunehmen, bevorzugt. Die soeben gemachten Ausführungen gelten auch weitestgehend für das anhand der Fig. 2 beschriebene weitere Ausführungsbeispiel.
Das in Figur 2 gezeigte weitere Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung unterscheidet sich bezüglich der mechanischen Teile soweit sie in Fig. 1 gezeigt sind, hauptsächlich in folgender Weise:
Anstatt einer Feder ist eine andere Vorrichtung vorgesehen, die auf den Steiler 85 der Fig. 2 eine in Richtung nach oben wirkende Kraft erzeugt. Es ist nämlich eine weitere mit dem Kanal 12 in Verbindung stehende Leitung 81 vorhanden, die in den unteren Endbereich einer dem Außendurchmesser des Stellers 85 entsprechenden Bohrung 87 mündet, so dass der Druck des Kraftstoffs im Kanal 12 den Steller 85 in Richtung nach oben beaufschlagt. Der Steller 85 ist in einem radial innen liegenden Bereich gegenüber dem radial äußeren Bereich nach unten soweit verlängert, dass der in Figur 2 sichtbare ringförmige Raum 88, in den der Kanal 81 mündet, in einer Richtung radial nach innen stets verschlossen bleibt. Das Gehäuse 93 des Injektors 91 der Figur 2 weist eine den Weg des Stellers 85 nach oben begrenzende Wand 95 auf, die gegenüber der den Steuerraum des Einspritzventils 9 nach oben begrenzenden Wand 96 soweit nach unten verlagert ist, dass der Steuerraum 97 der Einspritzventilnadel jedenfalls innerhalb des Injektorkörpers 3 nicht in Fluidverbindung mit dem Steuerraum 98 des Stellers 85 ist, wenn man von Führungsspalten beweglicher Teile absieht, deren etwaiger Einfluss bei der Auslegung der Vorrichtung und deren Steuerung berücksichtigt werden kann. Ab dem Erreichen einer bestimmten oberen Stellung von unten her ist die Einströmöffnung des Kanals 113 nicht mehr im Bereich der Ringnut 39 und es fließt kein Kraftstoff mehr durch diesen Kanal in den Raum 98. Beim Unterbrechen dieses Zuflusses ergibt sich ein plötzlicher Druckanstieg im Kanal 12.
Bei alternativen Ausführungsformen ist die Leitung 113 immer mit dem Kanal 12 verbunden, z.B. dadurch, dass die Nut 39 ausreichend lang ist. Der Steller 85 wird dabei entweder über den Anschlag 95 oder über das Schalten des Ventils 110 abgebremst. Bei anderen Ausführungsformen ist die Nut 39 kürzer als in Fig. 2 gezeigt; dann wird die Leckage verringert, das heißt, es wird weniger Kraftstoff zur Schwingungsanregung dem Hochdruckspeicher entnommen.
Die Bewegung des Stellers 85 hat keinerlei Einfluss auf die Strömung von Kraftstoff in den und aus dem Steuerraum 97 des Ventilkolbens 9.
Im Gegensatz zu Fig. 1 wird bei der Anordnung nach Fig. 2 die Funktion durch drei unterschiedliche Stellungen eines 3/3-Wegeventils 110 gesteuert. Das Ventil 110 wird bei einer Ausführungsform, die nicht näher dargestellt ist, elektromagnetisch angetrieben. Die Steuerräume 97 und 98 sind räumlich voneinander getrennt. In der dargestellten Stellung sind die Steuerräume 97 und 98 durch das Ventil 110 miteinander in Verbindung und auf gleichem Druck, wobei der Druck des Steuerraums 97 so hoch ist, dass das Einspritzventil geschlossen ist. Praktisch sind beide Steuerräume 97 und 98 verschlossen. Bei dieser Stellung sind die den Steuerräumen abgewandten Enden der Drossel AD für den Steuerraum des Einspritzventils und der Drossel AS für den Steuerraum.des Stellers miteinander verbunden.
In der nächstfolgenden, um einen Schritt nach rechts verschobenen Stellung des Ventils 110 ist der Weg durch die Drossel AD hindurch verschlossen, der Weg durch die Drossel AS hindurch ist mit dem Leckagekanal 56 in Verbindung. In dieser Stellung strömt während einer von einer Steuereinrichtung bestimmten Zeit, in der das Ventil 110 die gezeigte Stellung einnimmt, Kraftstoff vom Druckspeicher (nicht gezeigt) durch den Kanal 12 über die ringförmige Nut 39 in einen im Steller vorgesehenen Kanal 113, strömt von diesem in den Steuerraum 98 des Stellers und von diesem durch die Drossel AS und das Ventil 110 zum Leckagekanal 56. Dabei bewegt sich im Steuerraum 98 der Steiler 85 nach oben, bis schließlich sein der ringförmigen Nut 39 zugewandtes Ende nicht mehr mit dieser Ringnut in Verbindung ist. Damit endet die Entnahme von Kraftstoff aus dem Druckspeicher. Diese Kraftstoffentnahme regt, wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, eine Schwingung des Kraftstoffs zwischen dem Druckspeicher und dem Kanal 12 des Injektors und den mit dem Kanal 12 verbundenen Räumen an.
Zu einem Zeitpunkt, zu dem das Einspritzventil geöffnet werden soll, wird durch die genannte Steuereinrichtung das 3/3-Wegeventil 110 in seine in der Fig. 2 am weitesten rechts liegende Schaltstellung bewegt. In dieser Stellung wird nun zusätzlich auch der Weg für den Kraftstoff innerhalb des Steuerraums 97 der Einspritzventilnadel über die Drossel AD in den Leckagekanal freigegeben, und infolge dieser Druckabsenkung in dem Steuerraum 97 öffnet das Einspritzventil.
Die durch die Anordnung nach Fig. 1 konstruktionsbedingt vorgegebenen Zeitabläufe im Zusammenhang mit den schwingungsbestimmenden Abmessungen des Leitungssystems zwischen dem Druckspeicher und dem Injektor sind so bemessen, dass die durch die Bewegung des Stellers veranlasste Entnahme von Kraftstoff aus dem Druckspeicher eine genügend starke Schwingung anregt, die beim injektor startend als Verdünnungswelle zum Druckspeicher zurückläuft und im Speicher (der als geschlossenes Volumen angesehen werden darf), als Druckwelle reflektiert wird und als Druckwelle zum Injektor zurückkehrt. Die Druckwelle kann auch so interpretiert werden, dass die am Druckspeicher ankommende Verdünnungswelle ein besonders heftiges Ausströmen von Kraftstoff aus dem Druckspeicher zur Folge hat, wobei dieses heftige Nachströmen des Kraftstoffs als Druckwelle am Injektor eintrifft.
Die Anordnung ist so getroffen, dass je nach gewünschtem Einspritzverlauf bereits längere oder kürzere Zeit vor dem Eintreffen der Druckwelle vom Druckspeicher her das Einspritzventil voll geöffnet ist, so dass in diesem Fall das Einspritzen mit einem niedrigeren Druck beginnt und anschließend beim Eintreffen der Druckwelle verstärkt wird; oder dass in einem anderen Fall das Einspritzventil erst kurz vor dem Eintreffen der Druckwelle geöffnet wird, so dass praktisch das Einspritzen sofort mit dem hohen Druck beginnt. Dadurch, dass das obere Ende des Kanals 43 in der oberen Endstellung des Stellers 35 durch den Dichtungswulst 47 verschlossen ist, in anderen Stellungen des Stellers dagegen offen ist, wird ein 2/2-Wegeventil gebildet. Dieses bewirkt, dass je nach Stellung des Stellers 35 entweder die beiden Kanäle 43 und 23 oder nur der Kanal 23 mit demjenigen Kanal in Verbindung stehen, in dem die Drossel A angeordnet ist. Dieser zuletzt genannte Kanal wird, wie beschrieben, durch das bewegliche Ventilteil 53 geöffnet und geschlossen.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 wird das gewünschte Verhalten der Funktion des Einspritzventils in Relation zum Druckverlauf innerhalb der Verbindungsleitung zum Druckspeicher durch entsprechendes Ansteuern des 3/3-Wegeventils 110 erreicht. Eine im zeitlichen Mittel langsamere Bewegung des Stellers nach oben kann durch Hin- und Herschalten zwischen der gezeigten Stellung des Ventils 110 und der benachbarten Stellung erreicht werden. Wenn der Steller 85 bei geöffnetem Einspritzventil soweit nach oben gelangt, dass der Durchfluss von Kraftstoff durch den Steller unterbrochen wird, so entsteht hierdurch eine Drucküberhöhung (Staudruck), die eine weitere Erhöhung des Drucks an den Einspritzöffnungen und daher eine Erhöhung der Einspritzrate bewirken kann. Das 3/3-Wegeventil übernimmt auch die Funktion des Steuerventils 52 der Fig. 1, in dem sich das bewegliche Ventilteil 53 befindet.
Fig. 2 zeigt somit eine Anordnung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass in dem Injektor ein Steller (85) oder hydraulisches verstellbares Schaltelement angeordnet ist, der zwischen zwei Endstellungen bewegbar ist, dass dem Steller (85) ein Steller-Steuerraum (98) zugeordnet ist, der von einem dem Ventilkolben (9) zugeordneten Steuerraum (97) getrennt ist, und dass die beiden Steuerräume durch eine Ventilanordnung (110) wahlweise abgesperrt werden oder mit einem Niederdruckbereich verbunden werden können, oder der Steller-Steuerraum mit dem Niederdruckbereich verbunden ist und der Ventilkolben-Steuerraum abgesperrt ist, wobei im Bereich des Stellers und des Ventilkolbens Kanäle vorgesehen sind, um Kraftstoff unter Druck in den zugeordneten Steuerraum zu leiten.
Fig. 3 zeigt vereinfacht eine Anordnung mit dem für Kraftstoff bestimmten Druckspeicher 13, der über nicht gezeigte Pumpen aus einem Kraftstofftank mit Kraftstoff unter Druck (z.B. 1600 bar) gefüllt wird und der über die Hochdruckleitung 14 mit einem herkömmlichen hubgesteuerten Injektor 201 verbunden ist. Bei einem Verbrennungsmotor für Personenkraftwagen z.B. sind mehrere Motorzylinder und daher entsprechend viele Injektoren und Hochdruckleitungen vorhanden. Jeder Injektor hat eine Leckageleitung, die zu einer Sammel-Leckageleitung 205 führt und von dort zum Kraftstofftank. Erfindungsgemäß ist im Bereich der Hochdruckleitung 14, und zwar im Beispiel nahe demjenigen Ende, das mit dem Injektor 201 verbunden ist, ein elektrisch steuerbares Ventil 210 zwischen die Hochdruckleitung und die Leckage-Sammelleitung geschaltet. Durch das Ventil 210 kann Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher in den Niederdruckbereich abgeführt werden, wodurch eine Schwingung in der Hochdruckleitung angeregt wird, wie oben erläutert, bevor der Injektor eine Einspritzung beginnt. Der Injektor wird zum Veranlassen eines Einspritzvorgangs elektrisch angesteuert. Seine Ansteuerung und die des Ventils 210 erfolgt zweckmäßig mittels einer Ansteuereinrichtung 220 in der gewünschten zeitlichen Reihenfolge.
Mittels der Anordnung nach Fig. 3 werden folgende Verfahren und Varianten ausgeführt: Es wird aus dem Druckspeicher Kraftstoff zum Anregen einer Schwingung des Drucks am hubgesteuerten Injektor entnommen, ohne dass eine Einspritzung begonnen wird. Der Kraftstoff wird dem Druckspeicher entnommen. Insbesondere wird der Kraftstoff der Hochdruckleitung entnommen. Der Kraftstoff wird der Hochdruckleitung an einer solchen Stelle entnommen, dass eine Strömung von Kraftstoff in Richtung zum Injektor veranlasst wird. Der Kraftstoff wird der Hochdruckleitung in der Nähe des Injektors entnommen.
Bei den Anordnungen nach Fig. 1 und 2 werden zusätzlich zu Obigem noch folgende Varianten ausgeführt: Der Kraftstoff wird im Inneren des hubgesteuerten Injektors oder allgemeiner der hubgesteuerten Einspritzvorrichtung dem Druckspeicher und der Hochdruckleitung ohne Beginn eines Einspritzvorgangs entnommen.
Bei allen Ausführungsformen nach Fig. 1 bis 3 ist während des Betriebs der Einspritzvorrichtungen beziehungsweise der zugehörigen Verbrennungskraftmaschinen die Hochdruckleitung stets mit Kraftstoff gefüllt.
Fig. 4a bis 4d sind Darstellungen über die Zeit (waagrechte Achse). Fig. 4a ist 400 der Weg des Stellers 35 ausgehend von der Ruhelage der Fig. 1. Der Anstieg beginnt mit dem Öffnen des Ventils 52. Fig. 4b ist der entsprechende Druckverlauf 403 in der Steuerkammer 41. Selbst bei einem Absinken des Drucks auf p1 bleibt der Ventilkolben 9 noch geschlossen (Kurve 402 in Fig. 4a). Die Schwingung in der Hochdruckleitung ist nun angeregt (gegenüber dem Raildruck verringerter Druck, Kurve 404 in Fig. 4c und erreicht zum Zeitpunkt T/2 (halbe Schwingungsperiode) wieder den Raildruck. Kurz danach wird der Kanal 43 verschlossen, der Druck der Steuerkammer sinkt weiter ab auf p2 und der Ventilkolben wird geöffnet (Kurve 402). Er ist während des Druckmaximums am Injektor offen. Die Einspritzrate ist in Fig. 4d durch die Kurve 405 gezeigt.
Fig. 4a zeigt noch durch Kurve 401, dass durch die Anordnung nach Fig. 2 das Öffnen des Ventilkolbens einstellbar ist, im Beispiel ist eine gegenüber Fig. 1 frühere Betätigung gezeigt; auch ein späteres Betätigen ist möglich.
Fig. 5a und 5b sind Darstellungen über die Zeit (waagrechte Achse). Die Kurve 500 zeigt den Weg des Stellers 85 der Fig. 2, und die Kurve 501 zeigt das Öffnen des Ventilkolbens bei relativ niedrigem Druck, vorgegeben durch einen in diesem Beispiel gewählten Ablauf der Betätigung des Ventils 110. Kurve zeigt auf das Maximum der Kurve aufgesetzt eine Drucküberhöhung beim Schließen des Stellers 85.

Claims

Kraftstoff-Einspritzanordnung für Verbrennungsmotoren mit einem Druckspeicher (13) zum Speichern von Kraftstoff unter Druck, mit mindestens einem hubgesteuerten Injektor (1, 91), der mit dem Druckspeicher (13) über eine Hochdruckleitung (14) für den Kraftstoff verbunden ist, wobei der Druckspeicher (13) und die Hochdruckleitung (14) Teil eines Hochdrucksystems sind, und mit einer Einrichtung zum Entnehmen von Kraftstoff aus dem Hochdrucksystem und Ableiten in einen Niederdruckbereich bei geschlossenem Einspritzventil in der Weise, dass bei dem Entnehmen von Kraftstoff eine Schwingung des Kraftstoffs in der dem Injektor (1, 91) zugeordneten Hochdruckleitung (14) erzeugt wird, wobei die Einrichtung zum Ableiten von Kraftstoff aus dem Hochdrucksystem eine Ventilanordnung ist, die nahe dem dem Injektor (1, 91) zugewandten Ende der Hochdruckleitung (14) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ventilanordnung in den Injektor (1, 91) integriert ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung vorgesehen ist, die das Einspritzventil des Injektors (1, 91) öffnet, wenn der Druck am Einspritzventil in Folge der Schwingung einen gewünschten Wert erreicht hat.
Kraftstoffeinspritzventilanordnung für Verbrennungsmotoren, mit einem hubgesteuerten Ventilkolben (9), dessen eines Ende im Bereich von Einspritzöffnungen (17) eines Injektors (1, 91) diese freigibt oder verschließt, und dessen anderes Ende mit einer Steuerkammer (41, 97) zusammenwirkt, die durch ein steuerbares Steuerventil (52, 110) mit einem Niederdruckbereich verbindbar ist und die bei Betrieb von unter Druck zugeführtem Kraftstoff gefüllt wird, und wobei bei Absinken des Drucks in der Steuerkammer (41, 97) unterhalb einen vorbestimmten Wert der Einspritzvorgang begonnen wird, und mit einer Ventilanordnung, die unter Druck zugeführten Kraftstoff bei geschlossenen Einspritzöffnungen (17) einem Niederdruckanschluss (Leckageanschluss) des Injektors (1, 91) zuzuführen in der Lage ist, derart dass bei Entnahme des unter Druck zugeführten Kraftstoffs zum Niederdruckanschluss eine Schwingung in dem unter Druck zugeführten Kraftstoffs erzeugt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ventilanordnung in dem Injektor (1, 91) angeordnet ist.
Kraftstoffeinspritzventilanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Injektor (1) ein Steller (35) oder hydraulisches verstellbares Schaltelement angeordnet ist, der zwischen zwei Endstellungen bewegbar ist, wobei in einer ersten Endstellung bei geöffnetem Steuerventil (52) ein im Steller (35) vorgesehener Kanal (43) Kraftstoff von einem Kraftstoff unter Hochdruck führenden Kanal (12) im Injektor (1) zu einem an einem Ende des Stellers (35) angeordneten Raum zuführen kann, der mit der Steuerkammer (41) des Ventilkolbens (9) in Verbindung ist, und dass bei einer der erstgenannten Endstellung abgewandten zweiten vorbestimmten Stellung des Stellers (35) der Durchfluss von Kraftstoff durch den Kanal (43) verringert wird, derart, dass vom Erreichen dieser Stellung des Stellers (35) an der Druck in der Steuerkammer (41) bei geöffnetem Steuerventil (52) schneller absinkt als vorher, derart, dass der Ventilkolben (9) öffnet.
Kraftstoffeinspritzventilanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Injektor (91) ein Steller (85) oder hydraulisches verstellbares Schaltelement angeordnet ist, der zwischen zwei Endstellungen bewegbar ist, dass dem Steller (85) ein Steller-Steuerraum (98) zugeordnet ist, der von einem dem Ventilkolben (9) zugeordneten Steuerraum (97) getrennt ist, und dass die beiden Steuerräume (97, 98) durch eine Ventilanordnung (110) wahlweise abgesperrt werden oder mit einem Niederdruckbereich verbunden werden können, oder der Steller-Steuerraum (98) mit dem Niederdruckbereich verbunden ist und der Ventilkolben-Steuerraum (97) abgesperrt ist, wobei im Bereich des Stellers (85) und des Ventilkolbens (9) Kanäle vorgesehen sind, um Kraftstoff unter Druck in den zugeordneten Steuerraum (97, 98) zu leiten.
Verfahren zum Anregen einer Schwingung des Drucks an einem hubgesteuerten Injektor, der mit einem Druckspeicher über eine Hochdruckleitung für den Kraftstoff verbunden ist, wobei der Druckspeicher und die Hochdruckleitung Teil eines Hochdrucksystems sind,
dadurch gekennzeichnet, dass bei geschlossenem Einspritzventil Kraftstoff aus dem Hochdrucksystem entnommen und in einen Niederdruckbereich abgeleitet wird, derart dass bei dem Entnehmen von Kraftstoff eine Schwingung des Kraftstoffs in der Hochdruckleitung erzeugt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Kraftstoff der Hochdruckleitung (14) im Injektor (1, 91) entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff der Hochdruckleitung an einer solchen Stelle entnommen wird, dass eine Strömung von Kraftstoff in Richtung zum Injektor (1, 91) veranlasst wird.