DE10012552A1 - Einspritzeinrichtung mit einem Aktor zur Nadelhubsteuerung - Google Patents
Einspritzeinrichtung mit einem Aktor zur NadelhubsteuerungInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Einspritzen von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine. Ein Injektor (25) umfaßt einen Druckraum (1), von welchem aus eine Hochdruckleitung (3) in eine Steuerkammer (4) eine Düsennadel (5) mündet. Darüber hinaus sind im Injektor (25) zwei Steuerventile (11, 12) enthalten, die ablaufseitig mit Bereichen (9) niedrigerem Druckneveaus verbunden sind. Eines der den Einspritzverlauf (20) formenden Steuerventils (11, 12) enthält ein Druckausgleichssystem (34), wodurch der Einspritzdruckverlauf (20) durch Änderung des Hubweges (23) der Düsennadel (5) variierbar ist.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einspritzeinrichtung mit einem Aktor zur Na
delhubsteuerung, um einen variablen Öffnungsdruck der Düsennadel zu realisie
ren. Einspritzeinrichtungen dieser Art werden bevorzugt an Kraftstoffeinspritzein
richtungen an Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen eingesetzt.
Aus EP 0 823 549 A2 ist ein Injektor für eine Einspritzanlage an Brennkraftma
schinen bekannt. Im Injektorgehäuse gemäß dieser technischen Lösung sind zwei
hintereinander liegende Steuerventile angeordnet, die durch einen Magneten ange
steuert werden. Die Ansteuerung eines der beiden Ventile zieht zwangsweise die
Betätigung des weiteren Ventiles nach sich. Der Vorteil dieser Lösung ist die
Druckausgeglichenheit des Nadelsteuerventiles in allen Betriebszuständen; der
Nachteil dieser Lösung ist darin zu erblicken, daß eine Entkopplung der Hubvor
vorgänge der beiden hintereinander geschalteten Ventile mit der Lösung gemäß
EP 0 823 549 A2 nicht möglich ist. Dies wiederum beschränkt die Möglichkeiten
der Einflußnahme auf den Einspritzdruckverlauf erheblich. Mit der Lösung gemäß
EP 0 823 549 A2 ist eine Anpassung des Einspritzdruckverlaufes an individuelle
Erfordernisse bestimmter Brennkraftmaschinenauslegungen schwer realisierbar.
Durch die Ansteuerung der Steuerventile im Injektor durch einen Piezoaktor las
sen sich unter Vermeidung von Bauraum beanspruchenden Magnetventilen mit
tels Piezoaktoren sehr schnelle Ventilschaltzeiten erzielen. Dies wirkt sich beson
dres positiv bei höheren Drehzahlen aus, bei denen die zur Verbrennung zur Ver
fügung stehende Zeitspanne ohnehin immer geringer wird und die genaue For
mung des Einspritzdruckverlaufes den Ablauf der Verbrennung maßgeblich be
einflußt. Ein weiterer Vorteil ist die durch die Verwendung eines Piezoaktors er
zielbare wesentliche kompaktere Bauform, die durch eine desaxiale Anordnung
von Steuerventil und Aktor möglich wird. Damit steht für die geometrische Aus
legung einer solcher Art beschaffene Injektors eine größere Gestaltungsfreiheit
offen.
Die Entkopplung der beiden im Injektorgehäuse vorgesehenen Steuerventile von
einander gestattet ferner, die Bauteile kostengünstiger herzustellen. Es entsteht
keine Addition von Fertigungstoleranzen, so daß die Herstelltoleranzen tenden
ziell aufgeweitet werden können, was die Herstellkosten der Bauteile günstig be
einflußt. Durch die Aufweitung der Herstelltoleranzen lassen sich ferner in einem
Fertigungslos die Streuungsbreite der einzelnen Exemplar eines Injektors verrin
gern. Die Leckageverluste während des Einspritzvorganges werden vollständig
unterdrückt; es tritt lediglich während der Druckaufbauphase - wenn die Düsen
nadel geschlossen bleiben soll - ein Leckageverlust auf.
Die Einspritzeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung läßt eine Variation
des Öffnungsdruckes der Düsennadel für die Voreinspritzeinphase, die Hauptein
spritzphase und gegebenenfalls für eine erforderliche Nacheinspritzphase zu. Eine
Nacheinspritzung bei erhöhtem Druckniveau ist durch das Durckausgleichssystsem
an einem der beiden Steuerventile möglich. Je nach Ausführung eines
Drosselelementes, welches einem die Düsennadel beaufschlagenden Düsennadel
federraum zugeordnet ist, läßt sich der gegen Ende der Haupteinspritzung bei
weiterer Ansteuerung eines der beiden Steuerventile einstellende absolute
Höchstdruck, sowie der Verlauf der Drucksteigerung bis zum Höchstwert, gezielt
vorgeben.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 eine generelle Prinzipskizze der Aktoransteuerung zweier Steuerventile
eines Injektors,
Fig. 2 die Zusammenschau des Aktorhubes des Druckverlaufes im Kopplungs
raum, der Hubwege der beiden Steuerventile, des Einspritzdruckverlaufes
und des Hubverlaufes an der Düsennadel mit Nacheinspritzung, jeweils
aufgetragen über die Zeitachse,
Fig. 3 den sich ergebenden variablen Düsenöffnungsdruck bei entsprechender
Betätigung eines der Steuerventile,
Fig. 4 ein Querschnitt durch das Injektorgehäuse,
Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung der Steuerventile, eingelassen ins Injektorge
häuse, sowie eine vergrößerte Darstellung eines Ausgleichsystemes an ei
nem der beiden Steuerventile und
Fig. 6 einen Längsschnitt durch das Injektorgehäuse.
Fig. 1 zeigt eine generelle Prinzipskizze einer Aktoransteuerung zweier Steuer
ventile eines Injektors.
Aus der schematisch gehaltenen Prinzipskizze geht hervor, daß ein Pumpraum 1
eines Injektors über einen Kolbendruck beaufschlagbar ist, so daß einem in die
Steuerkammer 4 einer Düsennadel 5 mündende Hochdruckleitung 3 mit unter
hohem Druck stehendem Kraftstoff versorgt wird. Im Injektorgehäuse ist die Dü
sennadel 5 bewegbar gelagert, die über einen Düsenfederraum 7 druckbeauf
schlagbar ist. Vom Düsennadelfederraum 7 zweigt ein Drosselelement 8 ab, über
welches Kraftstoff in einen Niederdruckraum 9 - beispielsweise einen Vorrat
stank - abströmt.
Der Hochdruckleitung 3 sind zwei Steuerventile 11, 12 zugeordnet, die über einen
Kopplungsraum 15 - hier schematisch als Linienzug 15 wiedergegeben - mitein
ander in Verbindung stehen. Jedem der beiden Steuerventile 11 bzw. 12 ist ein
separater Kraftspeicher 13 bzw. 14 zugeordnet, über den die Betätigungsdrücke
der beiden Steuerventile 11 bzw. 12 einstellbar sind. Der Rücklauf vom Kraftstoff
zum Niederdruckraum 9 vom ersten Steuerventil 11 erfolgt über eine Rücklauf
leitung; der Rücklauf vom zweiten Steuerventil 12 erfolgt über eine in den Dü
sennadelfederraum 7 mündende Leitung, via Drosselelement 8 in den Nieder
druckraum 9.
Fig. 2 zeigt in Zusammenschau den Aktorhub, den Druckverlauf im Kopplungs
raum, die Hubwegverläufe vom ersten und zweiten Steuerventil, den sich einstel
lenden Einspritzdruckverlauf bei verschiedenen Öffnungsdrucken an den Steuer
ventilen, sowie den Verlauf des Düsennadelhubes, jeweils aufgetragen über der
Zeitachse.
Der Verlauf des Aktorhubweges 16 ist über der Zeitachse wiedergegeben und läßt
sich im wesentlichen in eine erste Hubphase, die der Voreinspritzung entspricht,
eine längerandauernde Haupteinspritzphase sowie eine kürzere, sich an die
Haupteinspritzphase anschließende Nacheinspritzphase einteilen.
Dementsprechend stellt sich im Kupplungsraum 15 ein Druckverlauf 17 ein; die
verschiedenen Kurven 17.1, 17.2 sowie 17.3 stellen die Öffnungsdruckkurven für
jeweils unterschiedliche Öffnungsdrücke am ersten bzw. zweiten Steuerventil 11
bzw. 12 dar.
Die Hubwegverläufe am ersten Steuerventil 11 sowie am zweiten Steuerventil 12
sind in den Kurvenzügen 18 bzw. 19 wiedergegeben. Aus dem Verlauf des Ven
tilhubweges am ersten Steuerventil 11 geht hervor, daß dieses sowohl die Vorein
spritzung als auch die Grundlast der Haupt- und Nacheinspritzungsphase trägt.
Dahingegen trägt das zweite Steuerventil 12 zur Druckerhöhung während der
Voreinspritzphase bei, sowie durch den beispielsweise mit 17.3 bezeichneten
Hubverlauf zur Druckerhöhung während der Haupteinspritzphase. Der Zeitpunkt
der Betätigung des zweiten Steuerventiles 12 kann individuell entsprechend der
Öffnungsdrücke 17.1, 17.2, 17.3 vorgewählt werden, so daß der im Diagramm 20
wiedergegebene Einspritzdruckverlauf individuell beeinflußt werden kann.
Neben einem mit Bezugszeichen 20.1 indentifizierten ersten Druckverlauf kann
auch eine später einsetzende Steigerung des Einspritzdruckes gemäß des zweiten
Einspritzdruckverlaufes 20.2 vorgegeben werden. Damit läßt sich einer Vielzahl
von Anwendungsfällen Rechnung tragen, da neben den hier beispielhaft heraus
gegriffenen Druckverläufen auch beliebige andere Druckverläufe 20 des Ein
spritzdruckes realisierbar sind. Durch den Öffnungsdruckverlauf 17.3 am zweiten
Steuerventil 12 kann beispielsweise das Einsetzen der Einspritzdrucksteigerung
gemäß des Einspritzdruckverlaufes 20.2 vorgegeben und variabel gehalten wer
den.
Gemäß der Auslegung der Querschnittsfläche des Drosselelements 8, welches in
der Abströmleitung zum Niederdruckraum 9 gemäß Fig. 1 vorgesehen ist, läßt
sich der Einspritzdruckverlauf 20 zwischen Ende der Haupteinspritzphase und
Beginn der Nacheinspritzphase gemäß des Doppelpfeiles im Kurvenzug 20 mo
dellieren; je nach Dimensionierung des Drosselquerschnittes am Drosselelement 8
bzw. 29, nimmt der Druck im Düsennadelfederraum 7 schneller oder langsamer
ab, wodurch sich der gezeigte Druckverlauf gegen Ende der Haupteinspritzphase
einstellt.
Mit Bezugszeichen 21 ist der Verlauf des Düsennadelhubes bezeichnet, der sich
ähnlich des Hubwegverlaufes 19 des zweiten Steuerventiles 12 verhält. Einer Öff
nungsphase während des Voreinspritzvorganges schließt sich eine Hauptein
spritzphase an, deren Beginn je nach eingestelltem Öffnungsdruck früher oder
später liegt. Nach Ende der Haupteinspritzung schließt sich die Düsennadel 5
wieder und öffnet nach einer Zeitspanne, um eine Nacheinspritzung von Kraft
stoff in den Brennraum freizugeben.
In Fig. 3 ist der sich an der Einspritzdüse einstellende Druck in Abhängigkeit vom
Düsennadelhubverlauf dargestellt.
Die vornehmbare Beeinflußung des Einspritzdruckverlaufes durch Beaufschla
gung des Düsenfederraumes 7 mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff wird
zu individuell vorgebbaren sich jeweils an der Einspritzdüse 6 einstellende varia
ble Düsenöffnungsdruck. Hierdurch ergeben sich die entsprechenden Druckver
läufe 22.1, 22.2, 22.3 und die dazugehörigen Düsennadelhubverläufe.
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch das Injektorgehäuse 25 gemäß des in Fig. 6
wiedergegebenen Schnittverlaufes IV-IV.
Im Injektorgehäuse 25, welches eine vorzugsweise zylindrischen Querschnitt
aufweist, sind die Steuerbohrung 24 sowie die Hochdruckleitung 3 dargestellt, die
benachbart zu den im Injektorgehäuse 25 ebenfalls vorgesehenen Steuerventilen
11 und 12 verlaufen. Durch die geometrische Anordnung läßt sich eine extrem
kompakte Bauform im unteren Abschnitt des Injektorgehäuses 25 erzielen. Die
Steuerventile 11 bzw. 12 sind von einem Kopplungsraum 15 umgeben, der hier
jedoch nur schematisch die beiden Steuerventile 11, 12 miteinander verbindend
dargestellt ist.
In der Darstellung gemäß Fig. 5 ist eine vergrößerte Wiedergabe der beiden Steu
erventile 11 bzw. 12, eingelassen in das Injektorgehäuse, sowie eine vergrößerte
Darstellung eines Ausgleichssystemes an einem der beiden Steuerventile gezeigt.
Oberhalb des nur schematisch ohne das darin enthaltene Federelement dargestell
ten Düsenfederraumes 7 sind zwei nebeneinander liegende Steuerventile 11, 12
gezeigt. An ihrem oberen Enden sind die beiden Steuerventile 11, 12 mit einem
Kopplungsraum 15 miteinander verbunden. Zwischen den beiden Steuerventilen
11 bzw. 12 verläuft die Hochdruckbohrung 3, während die Steuerbohrung 24 aus
Gründen der besseren Darstellbarkeit seitlich herausgeklappt wiedergegeben ist.
Dem Düsennadelfederraum 7 ist in der Abströmleitung zum Niederdruckraum 9
ein Drosselelement 29 zugeordnet, das mit festem Querschnitt oder auch mit ver
stellbarem Querschnitt ausgeführt sein kann.
Dem ersten Steuerventil 11 sind Rücklaufleitungen 27 bzw. 28 in den Nieder
druckraum 9 zugeordnet, während von der Steuerkammer, die das zweite Steuer
ventil 12 umgibt, gemäß der Einzelheit Z, ein Bypass 37 in die Steuerbohrung 24
mündet.
Vom zweiten Steuerventil 12 führt die Rücklaufleitung 30 in den Niederdruck
raum 9, jedoch gemäß Fig. 5 ohne Zwischenschaltung eines Drosselelementes.
In der Einzelheit Z ist das Ausgleichssystem 34 am zweiten Steuerventil 12 im
vergrößerten Maßstab dargestellt. Im Steuerteil 33, ausgeführt im Druchmesser d1
befindet sich eine Bohrung 31, in die ein Ausgleichskolben 32 des Durchmessers
d2 eingelassen ist. Die Bohrung 31 mündet in eine verengte Bohrung 35, die ihrer
seits mit einer Querbohrung 36 im Steuerteil 33 in Verbindung steht. Diese Quer
bohrung 36 mündet an ihren beiden Enden jeweils am unteren Teil der Steuer
kammer, die das Steuerteil 33 des zweiten Steuerventiles 12 umgibt. Von der
Steuerkammer zweigt ein Bypass 37 ab, der die Steuerkammer mit der Steuerboh
rung 24 verbindet, die ihrerseits in den Düsennadelfederraum 7 mündet. Im Be
reich des dem Kraftspeicher 14 zugewandten Ende des zweiten Steuerventiles ist
das Steuerteil 33 mit einem Durchmesser d3 ausgeführt. Durch den Ausgleichs
kolben 32 des Steuerteiles 33, der von oben mit dem Kopplungsraum 15 herr
schenden Kraftstoffdruck beaufschlagt ist und die Steuerbohrung 24, sowie den
Bypass 37 stellt sich am Steuerteil 33 des zweiten Steuerventiles 12 ein Druck
ausgleich ein, wenn die Beziehung d1 2 - d3 2 = d2 2 erfüllt ist.
Mittels des Ausgleichssystemes 34 läßt sich das Steuerventil 12 auch unter sehr
hohem Druck leicht betätigen. Dadurch ist es möglich, an der Düsennadel 5 durch
erhöhten Druck auf der Düsennadelrückseite erhöhten Druck im geschlossenen
Zustand der Düsennadel 5 zu halten, für eine eventuelle Nacheinspritzung muß
der bereits aufgebaute Druck nicht wieder abgebaut werden, damit ist eine Nach
einspritzung gemäß der Diagramme 21 und 19 nach Fig. 2 gegen Ende der Haupt
einspritzung auf höherem Druckniveau nochmals möglich.
Fig. 6 zeigt einen Längsschnitt durch einen Injektor.
Aus dieser Darstellung geht hervor, daß der mittels des Kolbens 2 beaufschlagte
Pumpraum 1 in die Hochdruckleitung 3 gemäß Fig. 1 mündet. Die Hochdrucklei
tung 3 ihrerseits mündet in die die Düsennadel 5 umgebende Steuerkammer 4; die
Einspritzdüse 6 ihrerseits mündet in den Brennraum einer Brennkraftmaschine.
Die Düsennadel 5 ihrerseits ist durch eine im Düsennadelfederraum 7 dargestellte
Druckfeder beaufschlagt. Im Injektorkörper 25 sind die Steuerventile 11 bzw. 12
dargestellt, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit nur eines im Längs
schnitt wiedergegeben ist. Die Rücklaufleitungen 27, 28 bzw. 30, ausgehend von
den jeweiligen Steuerventilen 11 und 12 münden in einen am Injektor 25 vorgese
henen, sich ringförmig erstreckenden Hohlraum, von dem aus die Rückströmung
des Kraftstoffes in den Vorratstank erfolgt.
Durch die Beaufschlagung des Düsennadelfederraumes 7 mit unter hohem Druck
stehenden Kraftstoff und der Verhinderung des vorzeitigen Abströmens des Kraft
stoffes durch ein Drosselelement 8 bzw. 29 kann eine aktive Steuerung des Dü
sennadelhubes realisiert werden. Dadurch, daß durch das Ausgleichssystem 34 an
dem den Einspritzdruck formenden Steuerventils 12 ein Druckausgleich herbeige
führt werden kann, können auch Nacheinspritzungen bei hohem Druckniveau
vorgenommen werden.
Zur Abfolge der Einspritzvorgänge werden die Steuerventile 11 bzw. 12 nachein
ander geschaltet, wobei die unterschiedlichen Öffnungsdrücke der Steuerventile
11 bzw. 12 entweder durch unterschiedlich dimensionierte Kraftspeicher 13, 14
beispielsweise in Gestalt von Schraubenfedern - vorgesehen werden können. Al
ternativ dazu, können bis zum Schließen der Steuerventile 11 bzw. 12 durch diese
unterschiedliche Kraftstoffvolumina freigegeben werden, die dann mittels des
Aktorkolbens 2 wieder ausgeglichen werden.
1
Druckraum
2
Kolben
3
Hochdruckleitung
4
Steuerkammer
5
Düsennadel
6
Düsenspitze
7
Düsennadelfederraum
8
Drosselelement
9
Niederdruckraum
10
Aktor
11
erstes Steuerventil
12
zweites Steuerventil
13
erster Kraftspeicher
14
zweiter Kraftspeicher
15
Kopplungsraum
16
Verlauf Aktorhub
17
Druckverlauf Kopplungsraum
15
17.1
erster Öffnungsdruck
17.2
zweiter Öffnungsdruck
17.3
dritter Öffnungsdruck
18
Ventilhubverlauf von
11
19
Ventilhubverlauf von
12
20
Einspritzdruckverlauf
20.1
erster Druckverlauf
20.2
zweiter Druckverlauf
21
Verlauf Düsennadelhub
22
Düsendruckverlauf
22.1
erster Druckverlauf
22.2
zweiter Druckverlauf
22.3
dritter Druckverlauf
23
Nadelhubverlauf
23.1
erster Hubverlauf
23.2
zweiter Hubverlauf
23.3
dritter Hubverlauf
24
Steuerdruckbohrung
25
Injektorkörper
26
Aktorverbindung
27
Rücklauf von
11
28
Rücklauf von
11
29
Drosselelement
30
Rücklauf von
12
31
Bohrung
32
Ausgleichskolben
33
Steuerteil des zweiten Steuerventiles
12
34
Ausgleichssystem
35
Kanal
36
Querbogen
37
Bypass
d1
d1
Durchmesser Bohrung Steuerteil
12
d2
Durchmesser von
31
,
32
d3
Durchmesser Federseite Steuerteil
33
Claims (9)
1. Einrichtung zum Einspritzen von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff in
einer Brennkraftmaschine, wobei ein Injektor (25) einen Druckraum (1) um
faßt, von welchem eine Hochdruckleitung (3) in eine Steuerkammer (4) einer
Düsennadel (5) mündet und im Injektor (25) zwei Steuerventile (11 bzw. 12)
enthalten sind, die ablaufseitig mit Bereichen (9) niedrigeren Druckniveaus
verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß eines der den Einspritzdruck
verlauf (20) formenden Steuerventile (11, 12) ein Druckausgleichssystem (34)
enthält, wodurch der Einspritzdruckverlauf (20) durch Änderung des Hubwe
ges (23) der Düsennadel (5) variierbar ist.
2. Einrichtung zum Einspritzen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ansteuerung der Düsennadel (5) über den Düsennadelfederraum (7) von
der Hochdruckleitung (3, 4) entkoppelt ist.
3. Einrichtung zum Einspritzen gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
in einem die Düsennadel (5) beaufschlagenden Hohlraum (7) ein Drosselele
ment (8, 29) vorgesehen ist.
4. Einrichtung zum Einspritzen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
an einem der Steuerventile (11 bzw. 12) eine ein Steuerteil (33) umgebende
Kammer mittels eines Bypass (37) mit der Steuerdruckbohrung (24) in Ver
bindung steht.
5. Einrichtung zum Einspritzen gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
im Steuerteil (33) ein Ausgleichskolben (32) aufgenommen ist, der über den
Kopplungsraum (15) druckbeaufschlagt ist und über Bohrungen (35, 36) mit
der das Steuerteil (33) umgebenden Kammer verbunden ist.
6. Einrichtung zum Einspritzen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Druck am Kopplungsraum (15) oberhalb des Steuerteiles (33) des zweiten
Steuerventiles (12) dem ablaufseitigen Druck am Steuerteil (33) entspricht.
7. Einrichtung zum Einspritzen gemäß des Anspruchs 2, dadurch gekennzeich
net, daß mittels der Ansteuerung der Düsennadel (5) über die Steuerbohrung
(24) und den Düsenfederraum (7) eine Hubbewegung der Düsennadel (5) bei
hohem Druck herbeigeführt wird.
8. Einrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerven
tile (11, 12) nacheinander schaltbar sind, wobei unterschiedliche Öffnungs
drücke der Steuerventile (11, 12) durch unterschiedliche Kraftspeicher (13,
14) einstellbar sind.
9. Einrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerven
tile (11, 12) nacheinander schaltbar sind, wobei bis zum Schließen der Ventile
unterschiedliche Kraftstoffvolumina gemäß der Beziehung A2 × h2 des zwei
ten Steuerventiles < A1 × h1 des ersten Steuerventiles freigesetzt werden.
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