KraftStoffeinspritzeinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, mit einer als Hubkolbenpumpe ausgebildeten Kraftstoffpumpe, die zum Einspritzen in den Brennraum einer Brennkraftmaschine Kraftstoff zu einem Injektor fördert. Zur Steuerung von Beginn und Ende einer Einspritzung wird ein Querschnitt der Düsennadel mit dem von der Kraftstoffpumpe gelieferten Kraftstoff beaufschlagt, der eine Öffnungskraft an der Düsennadel in Öffnungsrichtung bewirkt. Entsprechend der Fördercharakteristik der Hubkolbenpumpe steigt der Kraftstoffdruck bis zum Erreichen eines Höchstdrucks an, um dann wieder abzufallen. Bei derartigen herkömmlichen EinspritzSystemen erfolgt eine Einspritzung häufig in niedrigen Druckbereichen im Druckanstieg und im Druckabfall, die keine optimale Zerstäubung des eingespritzten Kraftstoffs zulassen.
Aus der US 4,403,585 geht ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einem Einspritzventil als bekannt hervor, bei welchem der Öffnungsdruck des Einspritzventils in Abhängigkeit von verschiedenen Motorparametern eingestellt werden kann, wie beispielsweise der Motordrehzahl, Kühlmitteltemperatur oder der Steuerstangenstellung. Die jeweils optimalen Öffnungsdrücke sind in einem Speicher abgelegt. Um den Einspritzbeginn zu variieren, wird die Düsennadelzuhaltekraft durch hydraulische Beaufschlagung eines auf die Ventilschließfeder wirkenden Kolbens variiert.
Im Weiteren ist es beispielsweise aus der DE 25 00 644 C2 bekannt, dass Kraftstoffeinspritzventile in Folge der unterschiedlichen Beaufschlagungsquerschnitte für den Kraftstoff in geschlossenem und geöffnetem Zustand eine Differenz zwischen Öffnungs- und Schließdruck aufweisen. Für den Öffnungsvorgang ist der außerhalb des Düsennadelsitzes liegende Ringquerschnitt, für den Schließvorgang jedoch der gesamte Querschnitt der Düsennadel maßgebend, was der Grund dafür ist, dass der Schließdruck stets unter dem Öffnungsdruck liegt. Für den Verbrennungsablauf ist dieser Effekt unerwünscht, da der Kraftstoff im Einspritzbereich nach Erreichen des Spitzendrucks mit abfallendem Druck immer schlechter zerstäubt wird. Deshalb wird der Schließdruck über den durch die Nadelgeometrie bestimmten Wert angehoben, indem die Düsennadel nach Einspritzbeginn mit einer zusätzlichen Schließkraft beaufschlagt wird. Hierzu dient ein Ventil, das einen Steuerraum über eine Drossel mit der Einspritzleitung verbindet. Im Steuerraum wird ein auf die Düsennadel wirkender Kolben druckbeaufschlagt. Nach dem Schließen der Düsennadel wird der Druck im Steuerraum über eine Drosselstelle abgebaut, die mit einer Kraftstoffleckleitung in Verbindung steht.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zu Grunde, eine konventionelle Kraftstoffeinspritzeinrichtung derart zu verbessern, dass der Einspritzverlauf über dem gesamten Bereich optimiert ist.
Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch aufgeführten Merkmale dadurch gelöst, dass nicht nur die in Schließrichtung gerichtete Kraft vor Beginn einer Einspritzung (Öffnungsdruck) in Abhängigkeit von Motorbetriebsparametern variabel einstellbar ist, sondern auch die auf die Düsennadel in Schließrichtung wirkende Kraft nach Beginn einer Einspritzung (Schließdruck) veränderbar ist. Vorteil ist, dass dadurch der
Düsennadelhub in Abhängigkeit beliebiger Motorbetriebsparameter so beeinflusst werden kann, dass Einspritzbereiche mit schlechter Zerstäubung im Druckanstieg, aber auch im Druckabfall vermieden oder zumindest reduziert werden. Die Einspritzung ist in jedem Motorbetriebspunkt optimal, da die Düsenna- delöffnungskraft und die Düsennadelschließkraft optimal eingestellt werden können. Außerdem kann bei geeignetem Zusammenspiel zwischen Öffnungskraft und Zudrückkraft auf die Düsennadel die Einspritzung so beeinflusst werden, dass eine Vor-, Haupt- und eventuell sogar Nacheinspritzung möglich ist .
Gemäß besonders zweckmäßiger Ausgestaltungen werden die Zuhaltekräfte durch pneumatischen oder hydraulischen Druck aus einer oder mehreren Druckquellen erzeugt, wobei der Druck unmittelbar auf die Düsennadelrückseite, auf einen Kolben, der auf die Düsennadelrückseite drückt, oder auf einen Kolben, der die Schließfedervorspannung verändert, wirkt, wobei auch Kombinationen von diesen Kolbenanordnungen geeignet sind. Ferner ist es möglich, durch magnetische Kräfte auf die Düsennadelschließkrafte einzuwirken-.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Die Figur 1 zeigt einen Vergleich der Einspritzratenverläufe für ein System herkömmlicher Art und ein erfindungsgemäß optimiertes System;
Figur 2 zeigt ein Einspritzsystem mit zwei erfindungsgemäß in im Öffnungs- und Schließdruck veränderlichen Injektoren, denen jeweils eine Kraftstoffpumpe zugeordnet ist;
Figuren 3a und 3b zeigen zwei Ausführungsbeispiele für Injektoren, bei denen die auf die Düsennadel in Schließrichtung wirkende Kraft zur Erzielung eines höheren Schließdrucks als auf Grund der Düsennadelgeometrie möglich selbsttätig erhöht wird, nachdem die Düsennadel den Öffnungshub ausgeführt hat;
Figuren 4a bis 4f zeigen über ein Steuerventil gesteuerte Ausführungsbeispiele, wobei der aus einer gemeinsamen Steuerleitung entnommene Steuerdruck nacheinander auf zwei verschiedene Kolben zur Erzielung des Öffnungs- und Schließdrucks wirkt .
Figuren 5a bis 5c zeigen über ein Steuerventil gesteuerte Ausführungen, wobei der Steuerdruck aus zwei separaten Steuerleitungen zur Beaufschlagung eines oder zweier Steuerräume entnommen wird;
Figuren 6a bis 6c zeigen Ausführungen, bei denen zur Steuerung des Schließdrucks der in der Einspritzleitung anstehende Druck benutzt wird.
Die Erfindung dient der Verbesserung der Einspritzung konventioneller Systeme, bei denen eine Hubkolbenpumpe den Kraftstoff zu den Injektoren liefert. Bei den betroffenen Systemen schwankt der an der Düsennadel in Öffnungsrichtung wirkende Kraftstoffdruck entsprechend der Fördercharakteristik der Kraftstoffpumpe während der Einspritzung. Solche Systeme werden in der Literatur auch als druckgesteuerte Systeme bezeichnet. Die Erfindung hat sich das Ziel gesetzt, durch Verringerung der Einspritzmengen mit geringem Zerstäubungsdruck zu Beginn und zu Ende der Einspritzung die Qualität der Einspritzung im gesamten Einspritzbereich zu verbessern. Das wird dadurch erreicht, dass die auf die Düsennadel in Schließrichtung wirkenden Kräfte vor einer Einspritzung und
nach Beginn der Einspritzung unabhängig voneinander variabel einstellbar sind. Bei einigen Systemen, wenn zwei im Druck unabhängig voneinander steuerbare Steuerleitungen verwendet werden, ist die Variabilität noch zusätzlich erhöht. Der Steuerdruck kann entweder aktiv durch eine Pumpe oder passiv durch Benutzung der Ventilleckage erzeugt werden. Bei einigen nachstehend ausgeführten Gestaltungen wird der Kraftstoffdruck zur Steuerung herangezogen. Die Erfindung im weiteren auch dazu benutzt werden, durch entsprechende Steuerung eine Vor- oder Nacheinspritzung darzustellen.
In Figur 1 ist der Einspritzratenverlauf eines Einspritzsystems ohne Beeinflussung des Öffnungs- und Schließdrucks (gestrichelter Verlauf) und mit Beeinflussung des Öffnungs- und Schließdrucks (durchgezogener Verlauf) dargestellt. Es ist zu erkennen, dass sich durch die Erfindung beim optimierten System steilere Öffnungs- und Schließflanken bei erhöhtem Spitzendruck erreichen lassen, ähnlich einem Verlauf, wie er bei Druckspeichereinspritzsystemen erzielt wird. Die steilere Schließflanke wird insbesondere dadurch erreicht, dass ein vorgegebenes Druckniveau des einzuspritzenden Kraftstoffs im Druckabfall durch entsprechende Erhöhung der Schließkraft während der Einspritzung nicht unterschritten wird.
In Figur 2 ist ein derartiges Einspritzsystem mit zwei Injektoren dargestellt, denen jeweils eine Kraftstoffpumpe 1 zugeordnet ist. Der Pumpenkolben 3 der Kraftstoffpumpe 1 wird von einem Nocken 2 angetrieben. Der Druck in der Einspritzleitung 4, die mit der Zulaufleitung 6 des Injektors 5 verbunden ist, nimmt auf Grund der Charakteristik der Kraftstoffpumpe 1 bis zu einem Höchstwert zu, um dann wieder abzufallen. Der Kraftstoff wird somit zum Injektor nur während der Einspritzphase geliefert. Die Einspritzung wird durch Beaufschlagung des Düsenraums 11 mit dem Kraftstoffdruck gesteuert, der auf einen
Bund an der Düsennadel 12 wirkt. Die Injektoren 5 besitzen mit dem Steuerdruck von Steuerleitungen 9 beaufschlagbare Steuerräume 13, 14, um sowohl den Öffnungsdruck als auch den Schließdruck zu variieren. Unter Öffnungsdruck wird dabei der Druck in der Einspritzleitung 4 verstanden, bei dem die Düsennadel 12 öffnet. Unter Schließdruck wird derjenige Druck in der Einspritzleitung 4 verstanden, bei dem die Düsennadel 12 schließt. Es kann, wie dargestellt, eine gemeinsame Steuerleitung 9 vorgesehen sein, die an alle Injektoren angeschlossen ist. Die entsprechenden konstruktiven Möglichkeiten sind an Hand der nachfolgenden Figuren dargestellt.
Zur Variierung des Öffnungs- und Schließdrucks besitzen die Injektoren 5 in den Ausführungen nach den Figuren 3a und 3b einen ersten Steuerraum 13 und einen zweiten Steuerraum 14. Im Steuerraum 13 ist zugleich auch die Schließfeder 15 untergebracht, die an der Düsennadel 12 eine Kraft in Schließrichtung aufbringt. Die Steuerräume 13 und 14 können mit dem Druck eines Steuermediums beaufschlagt werden, um an der Düsennadel 12 zusätzliche Kräfte in Schließrichtung über die den Steuerräumen 13, 14 zugeordneten Kolben 16, 17 aufzubringen. In Figur 3a sind beide Steuerräume 13, 14 an Steuerleitungen 7, 8 angeschlossen, die von einer gemeinsamen Steuerleitung 9 abzweigen. Die Ausführung gemäß Figur 3b ist zur Ausführung gemäß Figur 3a lediglich darin unterschiedlich, als dass dort keine gemeinsame Steuerleitung 9, sondern separate Steuerleitungen 7, 8 für den Öffnungsdruck und den Schließdruck verwendet werden. Dementsprechend können bei der Ausführung nach Figur 3b unterschiedliche Druckniveaus für Schließ- und Öffnungsdruck Anwendung finden. Der Kolben 16 dient als Niederhaltekolben, durch den durch Druckbeaufschlagung der Öffnungsdruck festgelegt wird. Der Kolben 16 ist, wie angedeutet, dichtend geführt. Eine dichtende Führung des Kolbens 16 kann entfallen. In diesem Fall würde die Düsenna-
del mit ihrer Rückseite selbst als Kolben 16 dienen, vorausgesetzt, dass ausreichende Übertrittquerschnitte zwischen der Federstelze und ihrer Führung vorgesehen sind. Entsprechendes gilt auch für die weiter unten beschriebenen Figuren. Der Kolben 17 dient als Schließkolben, durch den durch Druckbeaufschlagung der Schließdruck festgelegt wird. Beide Kolben 16, 17 wirken über Stelzen an der Düsennadel 12 in Schließrichtung. Zur Erzielung des Einspritzratenverlaufs gemäß Figur 1 wird der erste Steuerraum 13 vor Beginn einer Einspritzung mit dem geeigneten Steuerdruck beaufschlagt. Der zweite Steuerraum 14 wird mit Steuerdruck beaufschlagt, nachdem die Düsennadel 12 einen Hub ausgeführt hat. Dies erfolgt mit Hilfe des Ventils 18 selbsttätig, indem durch den Düsennadelhub von einer mit dem Schließkolben 17 gekoppelten Ventilstange 19 das Ventil 18 aufgedrückt wird, so dass der Steuerdruck im zweiten Steuerraum 14 anliegt. Die gleiche selbsttätige Zuschaltung erfolgt auch beim Ausführungsbeispiel nach Figur 3b, wobei, wie erwähnt, lediglich der Unterschied besteht, dass zwei separate Steuerleitungen 7, 8 vorhanden sind, die eine völlig unabhängige Steuerung von Öffnungs- und Schließdruck erlauben. Der zweite Steuerraum 14 ist bei beiden Ausführungen jeweils über eine Drossel 20 mit einer Entlastungsleitung 21 verbunden. Über die Entlastungsleitung 21 erniedrigt sich der Druck im zweiten Steuerraum 14, wenn die Einspritzung beendet ist. Dies erfolgt wiederum selbsttätig, da das Ventil 18 durch die Düsennadel 12 selbsttätig geschlossen wird.
Mit den Ausführungsformen nach den Figuren 4a bis 4f sind Injektoren 5 zusammengefasst, bei denen entweder ein 2/2- Steuerventil 23 oder ein 3/2-Steuerventil 24 eine gemeinsame Steuerleitung 9 für Öffnungs- und Schließdruck beherrscht. Von der gemeinsamen Steuerleitung 9 zweigen jeweils Steuerleitungen 7 und 8 zu ersten (13) und zweiten (14) Steuerräu-
en ab, um durch Druckbeaufschlagung der zugeordneten Kolben 16 und 17 das Öffnungs- und Schließverhalten des Injektors zu beeinflussen.
Bei Figur 4a dient ein 2/2-Steuerventil in Kombination mit einer in einer Entlastungsleitung 21 angeordneten Drossel 20 zur Steuerung. Mit der Drossel 20 erfolgt nach dem Düsenschließen eine Entlastung des zweiten Steuerraums 14, der den Schließdruck regelt. Der erste Steuerraum 13 bleibt mit dem Steuerdruck beaufschlagt, der natürlich vor der nächsten Einspritzung in geeigneter Weise angepasst wird, um einen vorgesehenen Öffnungsdruck zu erzielen. Zur Anpassung des Drucks ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, die jedoch nicht näher dargestellt ist. Bei Beginn der nächsten Einspritzung ist nur der erste Steuerraum 13 mit dem in der Steuerleitung 9 bzw. 7, 8 herrschenden Druck beaufschlagt.
Beim Ausführungsbeispiel nach der Figur 4b erfolgt die Steuerung direkt über ein 3/2-Steuerventil 24, das auch die Entlastung steuert.
Bei der Ausführungsform nach Figur 4c wird nicht der Federraum zur Druckbeaufschlagung benutzt, vielmehr sind zwei hintereinander angeordnete separate Steuerkolben 16 und 17 vorgesehen, deren Steuerräume 13, 14 über ein 3/2-Steuerventil 24 mit der Steuerleitung 9 verschaltet werden.
Die Figuren 4d und 4e entsprechen den Ausführungsformen gemäß den Figuren 4b und 4a mit dem Unterschied, - dass die Einstellung des Öffnungsdrucks über die Veränderung der Federvorspannung der Schließfeder 15 erfolgt, wozu im Raum der Schließfeder 15 ein dichtend geführter Kolben 16 vorgesehen ist, der eine obere Abstützung für die Schließfeder 15 bildet.
Die Figur 4f zeigt ein Ausführungsbeispiel eines elektromagnetisch betätigten Steuerventils 20, das eine vom Steuerraum 14 wegführende Entlastungsleitung 21 öffnet. Der Schließdruck kann in Kombination mit einer Zulaufdrossel in der Steuerleitung 8 durch Variierung des Öffnungsquerschnitts unabhängig vom Steuerdruck in der Steuerleitung 9 verändert werden. Die Figuren 5a bis 5c zeigen Ausführungsmöglichkeiten unter Verwendung zweier separater Steuerleitungen 7, 8 für Düse- nöffnungs- und Düsenschließdruck, die von einem 3/2- Steuerventil geschaltet werden.
Die Ausführungsformen nach den Figuren 5a und 5b bedienen sich jeweils eines einzigen Steuerraums 51 mit zugeordnetem Kolben 52, der jeweils nacheinander, nämlich vor Beginn einer Einspritzung mit dem in der ersten (7) und nach Beginn und vor dem Ende der Einspritzung mit dem Druck in der zweiten (8) Steuerleitung über eine Leitung 50 beaufschlagt wird. Der Druck in der zweiten Steuerleitung ist höher als der Druck in der ersten Steuerleitung. Nachdem die Düsennadel 12 geschlossen hat, wird der Steuerraum auf den niedrigeren Druck der Steuerleitung 7 entlastet.
Gemäß Ausführungsform der Figur 5c werden zwei miteinander gekoppelte Kolben 16, 17 mit zugehörigen Steuerräumen 13, 14 verwendet, die unabhängig voneinander mit Steuerdruck aus den Steuerleitungen 7, 8 beaufschlagbar sind. Die Steuerleitung 7 für den Öffnungsdruck bleibt ständig mit dem entsprechenden Steuerraum 13 verbunden, und nur die Steuerleitung 8 für den Schließdruck muss durch ein 3/2-Steuerventil gesteuert werden, das nach Beendigung der Einspritzung den Steuerraum 14 mit einer Entlastungsleitung 21 verbindet.
Bei den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 6a bis 6c wird zur Steuerung des Schließdrucks der in der Einspritzleitung 4 anstehende Kraf stoffdruck verwendet.
Bei der Ausführungsform nach Figur 6a wird zur Steuerung von Öffnungs- und Schließdruck ein Steuerraum 51 mit zugeordnetem Kolben 52 verwendet, der nacheinander mit dem in der Steuerleitung 7 und dem in der Einspritzleitung 4 anstehenden Druck beaufschlagt wird. Das 2/2-Steuerventil 23 verbindet die Steuerleitung 8 mit der Einspritzleitung 4, wenn der Druck in der Einspritzleitung ein vorgegebenes Niveau unterschreitet. Der Kolben 52 ist so ausgelegt, dass bei Beaufschlagung mit dem Kraftstoffdruck ein sofortiges Schließen der Düsennadel erfolgt .
Gemäß den Figuren 6b und 6c dienen wiederum separate Steuerräume 13, 14 mit zugeordneten Kolben 16, 17 zur Steuerung von Öffnungs- und Schließdruck. Beiden Injektoren ist gemeinsam, dass ein Steuerventil 31 verwendet wird, das auf einen Druckabfall in der Einspritzleitung 4 reagiert.
Im Fall von Figur 6b ist das Steuerventil 31 auf zwei einander gegenüberliegenden Flächen einerseits mit dem Druck in einer Leitung 32, die mit der Steuerleitung 7 über ein Rückschlagventil 33 mit Drosselbypass in Verbindung steht, beaufschlagt und andererseits mit dem in der Einspritzleitung 4 herrschenden Druck der in der Leitung 30 ansteht. Auf Grund der Flächenverhältnisse sperrt das Steuerventil 31 während einer Einspritzung bei ausreichendem Kraf stoffdruck eine Steuerleitung 8 für den Schließdruck. Erst wenn ein ausreichender Abfall des Einspritzdrucks gegen Ende der Einspritzung auftritt, wird das Steuerventil 31 in eine Lage verschoben, in der ein Durchgang geöffnet wird, so dass der Steuerraum mit dem Steuerdruck aus der Steuerleitung 8 beaufschlagt
wird. Bei Beaufschlagung des Kolbens 17 mit dem Steuerdruck wird die Düsennadel 12 sofort in Schließstellung verschoben.
Nach Einspritzende erfolgt die Entlastung des Steuerraums 14
0 über eine Entlastungsleitung mit Drossel bei gleichzeitigem
Verschluss der Steuerleitung 8.
Der Injektor gemäß Figur 6c arbeitet in ähnlicher Weise. Lediglich die Bauart des Steuerventils 31 ist unterschiedlich. Solange ein hoher Einspritzdruck an dem Ventilkolben anliegt, bleibt die zum Kolben 17 führende Steuerleitung 8 verschlossen. Erst bei einem Druckabfall in der Einspritzleitung 4 wird die Steuerleitung 8 für den Schließdruck vom Steuerventil 31 frei gegeben.