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DE10002705A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Bereitstellen eines Systemdrucks in einer Einspritzeinrichtung - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Bereitstellen eines Systemdrucks in einer Einspritzeinrichtung

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DE10002705A1
DE10002705A1 DE10002705A DE10002705A DE10002705A1 DE 10002705 A1 DE10002705 A1 DE 10002705A1 DE 10002705 A DE10002705 A DE 10002705A DE 10002705 A DE10002705 A DE 10002705A DE 10002705 A1 DE10002705 A1 DE 10002705A1
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system pressure
pressure
injection
injection device
injector
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Dieter Kienzler
Patrich Mattes
Friedrich Boecking
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Es wird eine Einspritzvorrichtung (1) für Kraftstoff mit einem Systemdruckbereich (14), in dem ein Systemdruck vorhanden ist, und einem Einspritzdruckbereich (11), in dem ein Einspritzdruck vorhanden ist, vorgeschlagen, wobei der Einspritzdruck größer als der Systemdruck ist. Der Einspritzdruckbereich (11) und der Systemdruckbereich (14) sind über eine Drosselvorrichtung (12, 13) miteinander verbunden. Der Systemdruck im Systemdruckbereich (14) ist über ein Systemdruck-Ventil (16) regelbar. Ferner wird ein Verfahren zur Erzeugung eines Systemdrucks in einer Einspritzvorrichtung für Kraftstoff vorgeschlagen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Einspritzvorrichtung für Kraftstoff, die einen Systemdruckbereich, in dem ein Systemdruck vorhanden ist, und einen Einspritzdruckbereich aufweist, in dem ein Einspritzdruck vorhanden ist, wobei der Einspritzdruck größer als der Systemdruck ist. Des weiteren betrifft vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung eines Systemdrucks in einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung.
Eine gattungsgemäße Vorrichtung und ein gattungsgemäßes Verfahren finden beispielsweise bei Speichereinspritzsystemen (sogenannte Common-Rail- Einspritzsysteme) für Dieselmotoren Anwendung. Bei der Common-Rail-Einspritzung sind die Druckerzeugung und die Einspritzung entkoppelt, so daß ein hoher Einspritzdruck von ca. 200 bis 1800 bar (200 × 105 bis 1800 × 105 Pa), unabhängig von der Motordrehzahl und der Einspritzmenge erzeugt wird und im "Rail" (Kraftstoffspeicher) für die Einspritzung bereitsteht. Die Kraftstoffeinspritzung erfolgt dann über eine Einspritzvorrichtung wie beispielsweise einem Common-Rail-Injector. Diese können beispielsweise einen Piezosteller sowie einen hydraulischen Übersetzer aufweisen. Zur Sicherstellung der allgemeinen Funktionsweise ist in der Einspritzvorrichtung ein sogenannter Systemdruck notwendig. Gemäß dem Stand der Technik arbeiten die bekannten Einspritzvorrichtungen derzeit bei einem Systemdruck in der Größenordnung des normalen Umgebungsdrucks oder bei einem Lecköldruck von ca. 1 bar (= 105 Pa).
Bei der Verwendung des Umgebungsdrucks bzw. eines Lecköldrucks ist jedoch die Befüllung des Bereichs der Einspritzvorrichtung, in welchem der Systemdruck vorhanden ist, nicht optimal gewährleistet. Dies hängt insbesondere mit dem zu geringen Systemdruck zusammen. Insbesondere treten häufig Schwierigkeiten bei Startvorgängen des Systems auf. Insoweit sind Fehlfunktionen in Folge von zu geringer Befüllung des Systemdruckbereiches, nicht vollständig auszuschließen.
Vorteile der Erfindung
Bei der erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches sind daher der Einspritzdruckbereich und der Systemdruckbereich über eine Drosselvorrichtung miteinander verbunden. Im Systemdruckbereich wird der Systemdruck über ein System- Druckventil konstant gehalten. Somit kann durch die Verwendung des hohen Einspritzdrucks, welcher mittels einer Drosselvorrichtung reduziert wird, ein ausreichender Systemdruck in dar Einspritzvorrichtung gewährleistet werden. Dadurch kann auch für Startvorgänge eine ausreichende Befüllung des Systems erreicht werden. Durch das Vorsehen eines Systemdruck-Ventils wird des weiteren sichergestellt, daß der Systemdruck nicht zu hoch wird, was ebenfalls zu Fehlfunktionen der Einspritzvorrichtung führen könnte. Neben der ausreichenden Befüllung ist weiterhin noch ein Vorteil, daß keine separate Vorrichtung zur Erzeugung eines Systemdrucks in der Einspritzvorrichtung notwendig ist. Daher können die Herstellungskosten und insbesondere auch die Baugröße der Einspritzvorrichtung klein gehalten werden. Im Vergleich mit herkömmlichen Einspritzvorrichtungen sind daher nur zusätzliche Verbindungsbohrungen sowie eine Drosselvorrichtung und ein Systemdruck-Ventil notwendig. Somit kann mit einfachen Mitteln eine ausreichende Befüllung des Systemdruckbereichs erreicht werden, welche insbesondere auch bei Startvorgängen vorhanden ist.
Vorteilhaft kann eine ausreichende Befüllung des Systemdruckbereichs bei einem Systemdruck von ca. 10 bis 50 bar (10 × 105 bis 50 × 105 Pa) erreicht werden. Dadurch kann auch eine sichere Funktionsweise der Einspritzvorrichtung erreicht werden. Vorzugsweise liegt dann dabei der Einspritzdruck zwischen 200 und 1800 bar (200 × 105 bis 1800 × 105 Pa) vor.
Bevorzugt ist die Einspritzvorrichtung als Common-Rail- Injector ausgestaltet. Dabei weist der Common-Rail-Injector einen Piezosteller und einen hydraulischen Übersetzer auf, welcher einen ersten und zweiten Übersetzungskolben sowie eine dazwischen angeordnete Fluidkammer aufweist. Somit kann die Einspritzvorrichtung durch den Piezosteller gesteuert werden, wobei der hydraulische Übersetzer einen Temperaturausgleich aufgrund einer temperaturbedingten Längenänderung des Piezostellers ermöglicht.
Weiterhin vorteilhaft ist dabei der Einspritzdruckbereich als Kraftstoffspeicher (Rail) ausgebildet.
Vorzugsweise ist als Drosselvorrichtung ein Kolbenelement vorgesehen, welches in einer Bohrung mit einem definierten Spiel angeordnet ist. Dadurch kann eine geringe Leckage vom Einspritzdruckbereich zum Systemdruckbereich erreicht werden.
Vorzugsweise ist zwischen der als Drosselvorrichtung vorgesehenen Bohrung und dem Kolbenelement eine Spiel- oder Übergangspassung vorgesehen. Dies ermöglicht eine sehr gute Festlegung der Druckhöhe im Systemdruckbereich. Als Kolbenelement kann dabei ein Stift oder ähnliches verwendet werden. Durch Auswahl einer geeigneten Passung mit definierter Toleranz kann die Höhe des Systemdrucks genau bestimmt werden.
Vorteilhafterweise wird die dem Piezosteller zugewandte Seite des ersten Übersetzungskolbens ebenfalls mit Systemdruck beaufschlagt.
In einer alternativen Ausgestaltung kann die dem Piezosteller zugewandte Seite des Übersetzungskolbens mit Lecköldruck beaufschlagt werden. Der Lecköldruck beträgt ca. 1 bar (105 Pa). Dadurch wird insbesondere eine optimale Befüllung des hydraulischen Übersetzers bei einer minimalen Leckage unter Zuhilfenahme eines Systemdrucks erreicht, wobei der Systemdruck an der Ventilseite erzeugt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung eines Systemdrucks in einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung umfaßt die Schritte des Erzeugens eines ersten Drucks in einem Kraftstoffspeicher (Rail), des Drosselns des ersten Drucks über eine Drosselvorrichtung auf einen vorbestimmten Systemdruck und des Haltens des Systemdrucks auf dem vorbestimmten Druckwert mittels eines Systemdruck-Ventils. Somit kann vorteilhaft der im Kraftstoffspeicher vorhandene erste Druck verwendet werden, um den Systemdruck der Einspritzvorrichtung im Systemdruckbereich bereitzustellen. Dadurch ist auch bei Startvorgängen eine ausreichende Befüllung des Systemdruckbereichs der Einspritzvorrichtung gewährleistet Dadurch können Fehlfunktionen ausgeschlossen werden. Weiterhin sind für die Bereitstellung des Systemdrucks keine zusätzlichen Druckerzeugungseinrichtungen oder ähnliches notwendig. Weiter kann durch ein als Sicherungseinrichtung wirkendes, einfach aufgebautes Systemdruck-Ventil der Systemdruck gehalten werden. Wird dieser Systemdruck überschritten, wird einfach das Systemdruck-Ventil geöffnet und dadurch eine Verbindung zu einer Leckölleitung geöffnet. Als Systemdruck-Ventil kann beispielsweise ein federvorgespanntes Kugelventil verwendet werden. Insgesamt kann somit eine baulich einfache und sichere Befüllung des Systemdruckbereichs durch Verwendung des reduzierten Kraftstoffspeicherdrucks erreicht werden.
Vorteilhaft liegt der durch die Drosselvorrichtung eingestellte Systemdruck zwischen 10 und 50 bar.
Vorzugsweise wird beim erfindungsgemäßen Verfahren als Drosselvorrichtung ein in einer Bohrung angeordnetes Kolbenelement mit einem definierten Spiel verwendet. Die Einstellung des im Systemdruckbereichs herrschenden Systemdrucks kann dabei sowohl über das Spiel zwischen der Bohrung und dem Kolben als auch mittels des Systemdruck- Ventils eingestellt werden.
Zeichnung
Nachfolgend wird die Erfindung nun mit Bezug auf die begleitende Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer Common-Rail- Einspritzvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und
Fig. 2 eine vergrößerte Detailschnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispieles gemäß der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Common-Rail-Einspritzvorrichtung (CR-Einspritzvorrichtung) gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die CR-Einspritzvorrichtung 1 umfaßt einen Injektorkörper 2, in welchem in einer mittleren Bohrung ein Piezosteller 3 sowie ein hydraulischer Übersetzer 4 angeordnet ist. Der hydraulische Übersetzer 4 besteht aus einem ersten Übersetzungskolben 5, einem zweiten Übersetzungskolben 6 sowie einem zwischen den beiden Übersetzungskolben 5, 6 angeordneten Fluidraum 7. Mittels des hydraulischen Übersetzers 4 können Längenänderungen des Piezostellers 3 in Folge von Temperaturänderungen einfach ausgeglichen werden, ohne daß sich die Stellgenauigkeit der CR-Einspritzvorrichtung verschlechtert. Am zweiten Übersetzungskolben 6 ist ein Steuerventil 8 vorgesehen, welches auf einem Ventilsitz 9 sitzt und über welches die Einspritzung von Kraftstoff in den Kollbenraum gesteuert wird. Eine Spannmutter 10 hält den in diesem Ausführungsbeispiel dreiteiligen Injektorkörper 2 zusammen.
Weiterhin weist die Common-Rail-Einspritzvorrichtung 1 einen Einspritzdruckbereich (Hochdruckbereich) 11 und einen Systemdruckbereich 14 auf. Der Einspritzdruckbereich 11 steht mit dem Kraftstoffspeicher (Rail) in Verbindung und weist einen Druckbereich zwischen 200 und 1800 bar (200 × 105 bis 1800 × 105 Pa) auf. Zur besseren Darstellbarkeit ist in Fig. 1 der mit 11 gekennzeichnete Hochdruckraum in der gleichen Schnittebene wie die restliche gezeigte Common- Rail-Einspritzvorrichtung dargestellt, obwohl die im unteren Teil von Fig. 1 dargestellte Hochdruckleitung 11' in Wirklichkeit aufgrund der Platzverhältnisse versetzt dazu angeordnet ist.
Wie in Fig. 1 gezeigt, sind der Einspritzdruckbereich 11 und der Systemdruckbereich 14 über eine Bohrung 12 miteinander verbunden. In der Bohrung 12 ist ein Kolbenelement 13 angeordnet, welches zusammen mit der Bohrung 12 eine Drosselvorrichtung bildet. Hierzu ist zwischen der Bohrung 12 und dem Kolbenelement 13 eine Passung, insbesonere eine Spiel- bzw. Übergangspassung vorgesehen. In Abhängigkeit von der Passung zwischen der Bohrung 12 und dem Kolbenelement 13 ist eine gewisse Spaltgröße zwischen der Bohrung 12 und dem Kolbenelement 13 vorhanden, wodurch somit in einfacher Weise die Drosselwirkung eingestellt werden kann. Um ein Herausdrücken des Kolbenelements 13 in Richtung des Systemdruckbereichs 14 zu verhindern, kann zusätzlich noch eine Sicherungseinrichtung auf der Seite des Systemdruckbereichs vorgesehen werden. Eine infolge der Herstellung der Bohrung 12 entstehende Außenöffnung wird mittels einer Verschlußkugel 15 verschlossen.
Weiterhin weist die Common-Rail-Einspritzvorrichtung 1 ein Systemdruck-Ventil 16 auf, welches mittels einer Druckfeder 17 vorgespannt ist. Wird der Druck im Systemdruckbereich 14 höher als ein definierter Druck, öffnet das Systemdruck- Ventil 16 gegen die Feder 17 und stellt eine Verbindung zu einer Leckölleitung 18 her. Hierbei ist der Druck in der Leckölleitung ca. 1 bar (105 Pa). Sobald der Druck im Systemdruckbereich 14 wieder den definierten Wert erreicht hat, schließt das Systemdruck-Ventil 16 und hält den Systemdruck auf dem vorbestimmten Wert.
Wie weiterhin in Fig. 1 gezeigt, steht der im Systemdruckbereich 14 herrschende Systemdruck auch über eine Verbindungsbohrung 20, einen im hydraulischen Übersetzer 4 angeordneten Verbindungsabschnitt 21, eine Verbindungsbohrung 22 und einem im Schnitt halbkreisförmigen Ringraum 23 mit einer Oberfläche 5a des ersten Übersetzungskolbens 5 in Verbindung. Dadurch herrscht auch auf der dem Piezosteller 3 zugewandten Seite des Übersetzungskolbens 5 der eingestellte Systemdruck.
Wie oben dargelegt, kann durch die erfindungsgemäße Verbindung des Einspritzdruckbereichs 11 mit dem Systemdruckbereich 14 sichergestellt werden, daß stets eine ausreichende Befüllung mit Fluid im Systemdruckbereich 14 vorliegt. Dies gilt insbesondere auch für Startvorgänge. Weiterhin kann durch entsprechende Wahl der Passung zwischen dem Kolbenelement 13 und der Bohrung 12 sowie einer entsprechenden Einstellung des als Sicherheitsventil wirkenden Systemdruck-Ventils 16 ein gewünschter Druck im Systemdruckbereich 14 bereitgestellt werden. Hierzu ist keine zusätzliche Druckerzeugungseinrichtung nötig, was einen einfachen und kostengünstigen Aufbau der Einspritzvorrichtung ermöglicht. Zur Erzeugung des Systemdrucks kann daher einfach der infolge des Rails sowieso vorhandene Druck verwendet werden.
In Fig. 2 ist schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Hierbei sind Teile, welche der Einspritzvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist beim zweiten Ausführungsbeispiel die Oberseite 5a des ersten Übersetzungskolbens 5 nicht mit dem Systemdruck beaufschlagt. Mit anderen Worten steht der Systemdruckbereich 14 nicht mit der Oberseite 5a des Übersetzungskolbens 5 in Verbindung. Statt dessen steht die Oberseite 5a des ersten Übersetzungskolbens 5 über eine Verbindungsbohrung 19 mit der Leckölleitung 18 in Verbindung. Dadurch herrscht auf der dem Piezosteller 3 zugewandten Seite des Übersetzungskolbens 5 der Lecköldruck von ca. 1 bar (105 Pa). Dies bietet zusätzlich den Vorteil einer optimalen Befüllung des Übersetzers bei minimaler Leckage unter Zuhilfenahme des ventilseitig erzeugten Systemdrucks.

Claims (11)

1. Einspritzvorrichtung (1) für Kraftstoff mit einem Systemdruckbereich (14), in dem ein Systemdruck vorhanden ist, und einem Einspritzdruckbereich (11), in dem ein Einspritzdruck vorhanden ist, wobei der Einspritzdruck größer als der Systemdruck ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritzdruckbereich (11) und der Systemdruckbereich (14) über eine Drosselvorrichtung (12, 13) miteinander verbunden sind, und der Systemdruck über ein Systemdruck- Ventil (16) regelbar ist.
2. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Systemdruck zwischen 10 und 50 bar liegt.
3. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritzdruck im Einspritzdruckbereich (11) zwischen 200 und 1800 bar liegt.
4. Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzvorrichtung als Common-Rail-Einspritzvorrichtung mit einem Piezosteller (3) und einem hydraulischen Übersetzer (4) ausgebildet ist, wobei der hydraulische Übersetzer (4) wenigstens einen ersten Übersetzungskolben (5) und einen zweiten Übersetzungskolben (6) sowie einen dazwischen angeordneten Fluidraum (7) aufweist.
5. Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritzdruckbereich (14) als Kraftstoffspeicher (Rail) ausgebildet ist.
6. Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselvorrichtung als ein in einer Bohrung (12) angeordnetes Kolbenelement (13) mit einem definierten Spiel ausgestaltet ist.
7. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit des vorbestimmten Systemdrucks zwischen der Bohrung (12) und dem Kolbenelement (13) eine Spielpassung oder eine Übergangspassung vorgesehen ist.
8. Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine dem Piezosteller (3) zugewandte Seite (5a) des ersten Übersetzungskolbens (5) mit Systemdruck beaufschlagt ist.
9. Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Piezosteller (3) zugewandte Seite (5a) des ersten Übersetzungskolbens (5) mit einem Lecköldruck von ca. 1 bar beaufschlagt ist.
10. Verfahren zur Erzeugung eines Systemdrucks in einer Einspritzvorrichtung für Kraftstoff gekennzeichnet durch die Schritte:
  • - Erzeugen eines ersten Drucks in einem Einspritzdruckbereich (11),
  • - Drosseln des ersten Drucks über eine Drosselvorrichtung (12, 13) auf den Systemdruck und
  • - Halten des Systemdrucks auf einem vorbestimmten Druckwert mittels eines Systemdruck-Ventils (16).
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Drosselschnitt durch ein in einer Bohrung (12) angeordnetes Kolbenelement (13) mit einem vorbestimmten Spiel zwischen der Bohrung (12) und dem Kolbenelement (13) erzielt wird.
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