DE10031277C2 - Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Abstract

Bei einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen mit einem hydraulischen Druckübersetzer (2) zum Komprimieren von Kraftstoff (1) ist die über mindestens ein Ventil (9; 19) gesteuerte Hydraulikflüssigkeit (3) zum Betreiben des Druckübersetzers (2) elektrorheologisch. Das mindestens eine Ventil (9; 19) weist eine kapazitive Einrichtung zum Erzeugen eines auf die elektrorheologische Hydraulikflüssigkeit (3) wirkenden elektrischen Feldes auf. Auf diese Weise können die bisher von mechanischen Ventilen übernommenen Schalt- und Steuerfunktionen durch elektrische Felder realisiert werden.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einer Kraftstoffeinspritzvorrich­ tung nach der Gattung des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aus. Bei einer solchen aus der DE 197 41 164 A1 bekann­ ten Kraftstoffeinspritzvorrichtung wird Kraftstoff mittels eines hydraulischen Druckübersetzers auf den Einspritz­ druck komprimiert und dann zu den einzelnen, in den Brenn­ raum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragenden druckgesteuerten Einspritzventile abgeführt. Dazu wird im Druckübersetzer ein Druckverstärkungskolben vom hydrauli­ schen Druck eines Hydraukliköls betrieben, um den Kraft­ stoff mit dem Druckverstärkungskolben so unter Druck zu setzen, daß eine Ventilnadel des Einspritzventils von ih­ rem Nadelsitz abhebt und die Einspritzöffnungen des Ein­ spritzventils freigibt. Der hydraulische Druck des Hydrau­ liköls wird durch Öffnen/Schließen eines Elektromagnetven­ tils gesteuert. Außerdem wird die Viskosität des im Kreis­ lauf geführten Hydrauliköls gemessen und dementsprechend die Einspritzzeit des Kraftstoffs geregelt. Das Elektroma­ gnetventil weist einen relativ komplizierten Aufbau mit mechanisch bewegten Bauteilen auf, deren Massenträgheitskräfte beim Schalten des Ventils überwunden werden müssen. Daher lassen sich die Ventilschaltzeiten nicht beliebig verkürzen.

Aus der DE 199 54 864 A1 ist noch ein Kraftstoffeinspritz­ ventil bekannt, bei dem ein Druckraum eines Steuerventils zur Regelung der Öffnungszeiten der Ventiladel des Ein­ spritzventils mit einem elektrorheologischen Fluid gefüllt ist. Das elektrorheologische Fluid wirkt in einem elektri­ schen Feld wie eine verstellbare Drossel, die nach Bedarf auch ganz verschlossen werden kann und damit die Funktion eines Ventils annimmt. Mit diesem Steuerventil wird ein hydraulischer Hubanschlag gebildet, dessen Größe und Stei­ figkeit die Endposition der Ventilnadel beim Öffnungshub bestimmt.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß durch Verwendung einer elektrorheologischen Flüssigkeit auf einen Großteil der mechanischen Ventile verzichtet werden kann. Wird eine elektrorheologische Flüssigkeit einem elektrischen Feld ausgesetzt, so ändert sich ihre Viskosität. Dies kann bis zum Erstarren der Flüssigkeit erfolgen. Auf diese Weise können die bisher von mechanischen Ventilen übernommenen Schalt- und Steuerfunktionen durch elektrische Felder rea­ lisiert werden. Der Verzicht auf mechanisch bewegte Bau­ teile und der Verzicht auf mechanische sowie elektromagnetische Ventile bedeuten ein großes Po­ tential zur Kostenreduktion sowie eine hohe Flexibilität. Zudem können deutlich kürzere Schaltzeiten realisiert wer­ den, da im Gegensatz zu mechanischen Ventilen keine Mas­ senträgheitskräfte überwunden werden müssen. Über die an der kapazitiven Einrichtung anliegenden Feldstärken lassen sich die Strömungswiderstände der Ventile nahezu stufenlos variieren, so daß die Form des Druckverlaufes und damit auch des Einspritzverlaufes beeinflußt werden können.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Ge­ genstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeich­ nung und den Ansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Kraftstof­ feinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Be­ schreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel in einer schemati­ schen Gesamtdarstellung mit einer elektrorheolo­ gischen Flüssigkeit als Hydraulikflüssigkeit für einen den Einspritzdruck im Einspritzventil er­ zeugenden Druckübersetzer;

Fig. 2 das 2/2-Wege-Druckregelventil der Fig. 1 im De­ tail mit einem Elektrodenpaar zur Viskositätsän­ derung in der elektrorheologischen Hydraulikflüs­ sigkeit;

Fig. 3 das 3/2-Wege-Steuerventil der Fig. 1 im Detail mit zwei Elektrodenpaaren zur Viskositätsänderung in der elektrorheologischen Hydraulikflüssigkeit;

Fig. 4 eine Ventilanordnung mit einem 2/2-Wege-Steuer­ ventil und einer Drossel; und

Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel analog zur Dar­ stellung in Fig. 1, wobei die Absteuerung der elektrorheologischen Hydraulikflüssigkeit über einen Entlastungsraum des Einspritzventils er­ folgt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Bei dem in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel ei­ ner Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen wird Kraftstoff 1 jeweils in einem Druckübersetzer 2 mit­ tels einer elektrorheologischen Hydraulikflüssigkeit 3 auf den Einspritzdruck komprimiert und dann zu den einzelnen, in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragenden druckgesteuerten Einspritzventile 4 abgeführt. Dabei ist jedem Einspritzventil 4 jeweils ein Druckver­ stärker 2 zugeordnet.

Aus einem Vorratsbehälter 5 wird die elektrorheologische Hydraulikflüssigkeit 3 mit Hilfe einer Hochdruckpumpe 6 verdichtet und einem zentralen Hochdruckspeicher 7 zuge­ führt. Von diesem Hochdruckspeicher 7 geht eine Drucklei­ tung 8 ab, die über ein 2/2-Wege-Druckregelventil 9 mit einer zum Vorratsbehälter 5 führenden Enlastungsleitung 10 verbindbar ist. Mit Hilfe des 2/2-Wege-Druckregelventils 9 wird der Druck im Hochdruckspeicher 7 auf dem gewünschten Hochdruck gehalten.

Jeder Druckverstärker 2 umfaßt einen gegen die Wirkung ei­ ner Feder 11 verschieblichen Druckverstärkungskolben 12, dessen eine Stirnseite eine Primärkammer 13 und dessen an­ dere Stirnseite eine Druckkammer 14 begrenzen, sowie einen Differenzraum 15, in dem die Feder 11 angeordnet ist. Eine an die Primärkammer 13 angeschlossene Druckleitung 16 ist entweder mit einer vom Hochdruckspeicher 7 abführenden Zu­ fuhrleitung 17 oder mit einer zum Vorratsbehälter 5 abge­ henden Entlastungsleitung 18 verbindbar, wobei diese Ver­ bindung über ein 3/2-Wege-Steuerventil 19 gesteuert wird. Die elektrorheologische Hydraulikflüssigkeit 3 ist insge­ samt in einem geschlossenen Kreislauf geführt.

Der Kraftstoff 1 wird mittels einer Förderpumpe 20 aus ei­ nem Vorratsbehälter 21 in die Druckkammer 14 und von dort über eine Hochdruckleitung 22 auch in einen Düsenraum 23 des Einspritzventils 4 gefördert. Die Förderpumpe 20 dient lediglich der Befüllung der Druckkammer 14 und des Düsen­ raums 23, so daß für die Förderpumpe 20 eine gering dimen­ sionierte Pumpe ausreichend ist. Der Förderdruck des Kraftstoffs 1 kann über ein zur Förderpumpe 20 parallel geschaltetes 2/2-Wege-Ventil 24 gesteuert werden. Der Dif­ ferenzraum 15 ist über eine Entlastungsleitung 25 an den Vorratsbehälter 21 angeschlossen und damit druckentlastet, so daß der Druckverstärkungskolben 12 zur Verringerung des Volumens in der Druckkammer 14 verschoben werden kann. Da­ durch wird der in der Druckkammer 14 befindliche Kraft­ stoff entsprechend dem Flächenverhältnis von Primärkammer 13 und Druckkammer 14 auf einen höheren Kraftstoffdruck verdichtet, wobei ein Rückschlagventil 26 den Rückfluß von komprimiertem Kraftstoff aus der Druckkammer 14 in Rich­ tung Förderpumpe 20 verhindert.

Wie Fig. 2 zeigt, weist das 2/2-Wege-Druckregelventil 9 eine kapazitive Einrichtung in Form von zwei mit geringem Abstand zueinander angeordneten Elektroden 27 auf, zwi­ schen denen die elektrorheologische Hydraulikflüssigkeit 3 hindurchfließt. Wird durch Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden 27 ein elektrisches Feld erzeugt, so verän­ dert sich die Viskosität der elektrorheologische Hydrau­ likflüssigkeit 3. Dies kann bis zum Erstarren des elek­ trorheologische Hydraulikflüssigkeit 3 erfolgen. Auf diese Weise können die Schalt- und Steuerfunktionen durch elek­ trische Felder ohne mechanische Teile realisiert werden. Je nachdem, ob zwischen den beiden Elektroden 27 ein ent­ sprechend hohes elektrisches Feld anliegt oder nicht, ist die Verbindung zwischen den beiden Leitungen 8, 10 für die elektrorheologische Hydraulikflüssigkeit 3 verschlossen oder geöffnet.

Das 3/2-Wege-Steuerventil 19 ist, wie Fig. 3 zeigt, durch zwei Elektrodenpaare 27 gebildet, d. h. durch durch zwei in Fig. 2 gezeigte 2/2-Wegeventile 9. Wenn jeweils am einen Elektrodenpaar 27 ein entsprechend hohes elektrische Feld herrscht und am anderen Elektrodenpaar 27 kein elektri­ sches Feld wirkt, ist die eine Verbindung z. B. zwischen den Leitungen 16, 17) für die elektrorheologische Hydrau­ likflüssigkeit 3 verschlossen und die andere Verbindung, d. h. in diesem Beispielsfall zwischen den Leitungen 16, 18, geöffnet.

Die in Fig. 1 gezeigte Kraftstoffeinspritzvorrichtung ar­ beitet in folgender Weise. Beim Anlaufen des Systems wer­ den die Druckkammer 14 und der Düsenraum 23 mit Kraftstoff 1 befüllt, wobei der Kraftstoffdruck nicht ausreicht, um eine die Einspritzöffnungen 28 verschließende Ventilnadel 29 des Einspritzventils 4 gegen die Wirkung einer Schließ­ feder 30 aufzusteuern. Die Schließfeder 30 ist in einem durch die eine Stirnseite der Ventilnadel 29 begrenzten Entlastungsraum 31 vorgesehen, der zur Druckentlastung über eine Leitung 32 mit dem Vorratsbehälter 21 für den Kraftstoff 1 verbunden ist. Die Verbindung zwischen dem Hochdruckspeicher 7 und der Primärkammer 13 ist durch ein im 3/2-Wege-Steuerventil 19 erzeugtes elektrisches Feld verschlossen und die Primärkammer 13 über das 3/2-Wege- Steuerventil 19 mit dem Vorratstank 5 für die elektrorheo­ logische Hydraulikflüssigkeit 3 verbunden. Soll eine Ein­ spritzung am Einspritzventil 4 erfolgen, wird das 3/2-We­ ge-Steuerventil 19 umgeschaltet, so daß die Primärkammer 13 nunmehr mit der elektrorheologischen Hydraulikflüssig­ keit aus dem Hochdruckspeicher 7, also mit Hochdruck, be­ aufschlagt wird. Dadurch wird der in der Druckkammer 14 befindliche Kraftstoff auf einen höheren Kraftstoffdruck verdichtet, der sich über die Hochdruckleitung 22 in den Düsenraum 23 fortsetzt. Durch den dort herrschenden Hoch­ druck wird in bekannter Weise die Ventilnadel 29 gegen die Wirkung der Schließfeder 30 von ihrem Nadelsitz abgehoben, so daß der Kraftstoff 1 über die Einspritzöffnungen 28 in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ein­ gespritzt wird.

Die Hochdruckeinspritzung am Einspritzventil 4 wird durch erneutes Umschalten des 3/2-Wege-Steuerventils 19 beendet, wodurch die Primärkammer 13 wieder an den Vorratsbehälter 5 angeschlossen ist. Der Druck in der Primärkammer 13 baut sich über die Entlastungsleitung 18 ab, und der Druckver­ stärkungskolben 12 wird mittels der Feder 11 in seine Aus­ gangslage zurückgeschoben, während gleichzeitig die Druck­ kammer 14 wieder mit Kraftstoff 1 aus dem Vorratsbehälter 21 befüllt wird.

In Fig. 4 ist eine weitere Ventilanordnung 33 gezeigt, die anstelle des 3/2-Wege-Steuerventils 19 eingesetzt werden kann. Die Ventilanordnung 33 umfaßt in der Zufuhrleitung 17 ein Elektrodenpaar 27, um die Verbindung zur Drucklei­ tung 16 zu steuern, und in der Entlastungsleitung 18 eine Drossel 34, über die nach der Einspritzung der Druck in der Druckleitung 16 abgebaut wird. Die Ventilanordnung 33 erfüllt die gleiche Funktion wie das 3/2-Wege-Steuerventil 19, wobei demgegenüber eine elektrische Schalteinheit eingespart ist.

Das in Fig. 5 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel der Kraftstoffeinspritzvorrichtung unterscheidet sich zum er­ sten Ausführungsbeispiel dadurch, daß die vom 3/2-Wege- Steuerventil 19 abgehende Entlastungsleitung 18' in den Entlastungsraum 31 mündet, der über die Leitung 32' mit dem Vorratsbehälter 5 der elektrorheologischen Hydraulik­ flüssigkeit 3 verbunden ist. Diese Absteuerung der elek­ trorheologischen Hydraulikflüssigkeit 3 über den Federraum 31 der Ventilnadel 29 ermöglicht ein aktives Schließen der Düsennadel 29, da der aus der Primärkammer abströmende Hochdruck die Ventilnadel 29 zusätzlich in Schließrichtung beaufschlagt.

Claims (6)

1. Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftma­ schinen, mit einem hydraulischen Druckübersetzer (2) zum Komprimieren von Kraftstoff (1) und mit einer über mindestens ein Ventil (9; 19) gesteuerten Hy­ draulikflüssigkeit (3) zum Betreiben des Drucküber­ setzers (2), dadurch gekennzeichnet, daß die Hydraulikflüssigkeit (3) elektrorheologisch ist und daß das mindestens eine Ventil (9; 19) eine kapazitive Einrichtung zum Erzeugen eines auf die elektrorheologische Hydraulikflüssigkeit (3) wirken­ den elektrischen Feldes aufweisen.

2. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die elektrorheologische Hy­ draulikflüssigkeit (3) in einem geschlossenen Kreis­ lauf geführt ist.

3. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen zentralen Hochdruck­ speicher (7) für die elektrorheologische Hydraulik­ flüssigkeit (3).

4. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Ventil ein 2/2-Wegeventil (9) für die elektrorheologische Hydraulikflüssigkeit (3) ist und als kapazitive Einrichtung zwei bezüglich der elek­ trorheologischen Hydraulikflüssigkeit (3) einander gegenüberliegende Elektroden (27) aufweist.

5. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Ventil ein 3/2-Wegeventil (19) für die elektrorheologische Hydraulikflüssigkeit (3) ist und durch zwei parallel geschaltete 2/2-Wegeventile (9) gebildet ist.

6. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine für die elektrorheologische Hydraulikflüssigkeit (3) vorgesehene Primärkammer (13) des Druckübersetzers (2) mit einem Entlastungsraum (31) eines Einspritz­ ventils (4) verbindbar ist.