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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kraftstoffeinspritzung
unter Nutzung eines Akkumulator-Prinzips, insbesondere eines Common-Rail-Prinzips,
sowie eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem Akkumulator-Prinzip
und insbesondere nach dem Common-Rail-Prinzip für eine Kolbenbrennkraftmaschine.
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Aus
der WO 01/14713 A1 geht eine Einspritzvorrichtung von Kraftstoff
hervor, bei der mit mindestens zwei unterschiedlich hohen Kraftstoffdrücken über Injektoren
Kraftstoff eingespritzt wird. Die Kraftstoffeinspritzung soll mit
einem höheren
Kraftstoffdruck druckgesteuert erfolgen. Hierzu weist ein Steuerraum
des Kraftstoffeinspritzventils eine Verbindung zu einer Leitung
mit einem Kraftstoffdruck auf. Weiterhin ist ein Druckverstärker dem
Einspritzventil vorgeschaltet, das ebenso wie das Einspritzventil
selbst über
ein Magnetventil angesteuert wird. Die Einspritzdüse steht
aufgrund der dort dargestellten Vorrichtung und des ausgeführten Verfahrens
zu jedem Zeitpunkt unter Druck von zumindest dem zugehörigen Common-Rail.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine verbesserte Einspritzung
zu ermöglichen, die
insbesondere eine schnelles Öffnen
und Schließen
einer Einspritzdüse
mit einer größeren Flexibilität der Einspritzung
und damit verbesserte Dosierbarkeit der Einspritzmenge und eine
Formung des Einspritzverlaufes ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Verfahren zu Kraftstoffeinspritzung mit den
Merkmalen des Anspruchs 1, mit einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung
mit den Merkmalen des Anspruches 10 sowie mit einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung
mit den Merkmalen des Anspruches 12 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen vorhanden.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
zur Kraftstoffeinspritzung unter Nutzung eines Akkumulator-Prinzips,
insbesondere eines Common-Rail-Prinzips, sieht vor, dass ein aus
einem Akkumulator, insbesondere Common-Rail, kommender Kraftstoff
unter einem ersten Druck zu einer Primärseite eines Druckverstärkers geführt wird,
wodurch eine Sekundärseite
des Druckverstärkers
eine Druckerhöhung erfährt, und
eine Öffnung
und Schließung
einer Einspritzdüse über einen
an einem Druckraum für
die Einspritzdüse
anliegenden Druck unter Verschiebung eines auf die Einspritzdüse wirkenden
Verschlussstückes,
insbesondere eine Düsennadel,
mittels hydraulischer gesteuerter Druckänderung erfolgt.
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Auf
diese Weise lässt
sich einerseits über den
Druckverstärker
als solches eine Erhöhung
des maximal erreichbaren Einspritzdruckes erzielen. Zum anderen
erlaubt die Verwendung der hydraulischen Steuerung einer Druckänderung
einerseits ein schnelles Öffnen
und auch ein schnelles Schließen der
Einspritzdüse.
Auch kann über
minimale Druckänderungen
eine äußerst genaue
Dosierung der Einspritzmenge erzielt werden. Insbesondere lassen
sich Einspritzraten erzielen, die vergleichbar sind zu denen von
bekannten Pumpe-Düse-Systemen.
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Da
aufgrund der hydraulischen Druckübertragung
entsprechende Druckabsenkungen bzw. Druckerhöhungen im Druckraum sich sehr
schnell auswirken, kann dieser Vorteil des Pumpe-Düse-Prinzips
eines genau dosierbaren Einspritzverlaufs mit der Flexibilität eines
Common-Rail-Systems kombiniert werden. Insbesondere können Charakteristika
wie Voreinspritzung und Nacheinspritzung in der Menge wie auch in
der Zeit in Anpassung an zumindest eine Haupteinspritzung ermöglicht werden, insbesondere
allein über
eine hydraulische Steuerung des Druckes. Auch kann anstatt einer
Haupteinspritzung nun auch eine getaktete Einspritzung während einer
Einspritzphase verwirklicht werden, die an unterschiedliche Betriebsbereiche
der Verbrennungskraftmaschine beispielsweise über entsprechende Kennfelder
anpassbar ist.
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Gemäß einer
ersten Ausgestaltung der Erfindung wird dieses System einer Kraftstoffeinspritzung mit
demjenigen verbunden, wie es aus der WO 01/53688 hervorgeht, auf
die voll umfänglich
bezüglich
der Kraftstoffeinspritzeinrichtung wie auch der einzelnen Bauteile
und Verfahren im Rahmen dieser Offenbarung Bezug genommen wird.
Vorzugsweise wird der Druckverstärker,
wie oben beschrieben, zwischen das Schaltventil und die Einspritzdüse angeordnet,
wobei die hydraulische Ansteuerung des Druckraumes für die Einspritzdüse gemäß einer
Ausgestaltung eine direkte Verbindung zu dem Steuerglied aufweist.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass auf der Sekundärseite ein
Druck von mehr als 2.000 bar erzeugt wird. Dieser kann beispielsweise
dadurch erzielt werden, dass auf die Primärseite ein Druck von mehr als
1.500 bar wirkt. Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ein Verhältnis zwischen
Primärdruck
und Sekundärdruck
eingestellt wird, das zwischen 1 : 1,2 bis etwa 1 : 4 liegt, bevorzugt
zwischen 1 : 1,8 bis etwa 1 : 3, weiter vorzugsweise zwischen etwa
1 : 1,5 und etwa 1 : 3. Der Druckverstärker ist hierzu vorzugsweise
als Kolben mit unterschiedlichen Flächen an Primär- und Sekundärseite versehen,
wie es beispielsweise aus der oben angeführten WO 01/14713 hervorgeht.
Diesbezüglich
wird auf den Inhalt dieser Druckschrift Bezug genommen. Vorteilhafterweise wird
das Druckübersetzungsverhältnis kleiner
als 3 sein, wodurch es gelingt, einerseits ein Rail-Volumen und
andererseits einen primärseitigen
Steuerventilquerschnitt sowie die Zuleitungsquerschnitte klein halten
zu können.
Aus einem Übersetzungsverhältnis durch
den Druckverstärker
lässt sich
eine vorteilhafte Ausgestaltung der Leitungsquerschnitte auslegen.
Angaben hierzu folgen weiter unten anhand einiger Beispiele, wobei
diese jedoch nicht auf die jeweilige Ausgestaltung beschränkt sind.
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Eine
weitere Ausgestaltung sieht vor, dass ein auf der Sekundärseite erzeugter
zweiter Druck dem Druckraum aufgeprägt wird, wobei die hydraulisch
gesteuerte Druckänderung
auf die Primärseite des
Druckverstärkers
wirkt. Dieses ermöglicht
eine besonders schnelle Reaktionsübertragung von Einleiten einer
Druckänderung
hin zur Änderung
eines Einspritzverhaltens. Bevorzugt ist vorgesehen, dass ein Kraftstoff-Einspritzdruck
mittels der hydraulisch gesteuerten Druckänderung einem Ventilhub eines Steuerventils
unmittelbar folgt.
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Gemäß einer
Weiterbildung ist vorgesehen, dass für ein Schließen einer
Einspritzdüse
ein Druck auf der Sekundärseite
durch einen Abfluss von Kraftstoff in einen Niederdruckraum abgebaut
wird. Auf diese Weise werden die notwendigen Dichtflächen der
Einspritzanlage insbesondere zum Schließen der Einspritzdüse auf der
Sekundärseite
immer nur kurzfristig hoch belastet. Weiterhin erlaubt dieses ein schnelleres Ändern des
Einspritzverlaufes und insbesondere eine genauere Dosierung des
einzuspritzenden Kraftstoffes. Bei andauerndem hohen Druck an der
Einspritzdüse
besteht ansonsten die Gefahr, dass Leckageverluste im Bereich der
Dichtflächen zwischen
Düse und
oberem Teil des Injektors auftreten. Anderseits würde bei
einem permanent gleichmäßig hohem
Druck an der Einspritzdüse
die Steuerungs- bzw. Regelungsgenauigkeit der Einspritzmenge aufgrund
der notwendigen noch schnelleren Öffnung und Schließung der
Einspritzdüse
eventuell geforderte Einspritzprofile nur schwer ausführbar sein. Die
Möglichkeit
des Druckabbaus auf der Sekundärseite
hingegen ermöglicht
insbesondere auch anschwellende und abschwellende Einspritzverläufe in den
Brennraum hinein.
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Im übrigen lässt sich
das Verfahren auch derartig ausführen,
dass über
eine Rückkopplung
von Drücken
die Betätigungszeiten
für die
Kraftstoffeinspritzung gezielt verkürzen lassen.
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Eine
weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass ein dem Akkumulator
nachgeschaltetes und dem Druckverstärker vorgeschaltetes Schaltglied
mit dem zweiten Druck von der Sekundärseite des Druckverstärker beaufschlagt
wird. Auf diese Weise lässt
sich beispielsweise der Einspritzdruck für die Steuerung der Kraftstoffeinspritzung
mitnutzen. Dadurch ist eine höhere
Dosiergenauigkeit erzielbar.
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Weiterhin
besteht die Möglichkeit,
dass ein dem Akkumulator nachgeschaltetes und mit einem vom Akkumulator
zugeführten
und nachfolgend beeinflussten Steuerdruck in einer Steuerleitung
beaufschlagtes Schaltglied mit dem zweiten Druck von der Sekundärseite des
Druckverstärkers
beaufschlagt wird, wobei der Steuerdruck ein Durchschalten des zweiten
Drucks zu einem Niederdruckraum bestimmt.
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Eine
Weiterbildung sieht vor, dass ein oder mehrere Dämpfungsvolumina, insbesondere
Drosselstellen, vorgesehen sind, über die eventuell auftretende
Schwingungen zumindest soweit gedämpft werden, dass sie den gewünschten
Einspritzverlauf nicht stören.
Beispielsweise wird über
eine Drossel eine Schwingung in einem Steuerraum des Schaltgliedes
und einer druckzuführenden
Leitung verringert. Des weiteren kann eine Drossel vorgesehen sein,
um unerwünschte
Druckwellen in der Kraftstoffeinspritzung abzufangen oder zumindest
zu dämpfen.
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Weiterhin
können
eine oder mehrere Drosseln eingesetzt werden, um einen Aufstau von
Kraftstoff gezielt zu bewirken. Dieses kann insbesondere zu einer
Beschleunigung von Schaltzeiten beispielsweise bezüglich des
auf die Einspritzdüse
wirkenden Verschlußstückes genutzt
werden. So kann eine Drosselstelle in Verbindung mit einem der Einspritzdüse gegenüber angeordnetem
und durch das Verschlussstück
getrenntem Evakuierungsraum stehen. Die Drosselstelle ist zwischen
dem Evakuierungsraum und dem Niederdruckraum angeordnet. Sie sorgt
für einen
verzögerten
Druckabbau aus dem Evakuierungsraum in den Niederdruckraum, wodurch
beispielsweise eine Kavitation im Bereich der Einspritzdüse, insbesondere
beim Schließen,
vermieden werden kann. Gleichzeitig kann die Drosselstelle einen
Rückstau
bei Druckerhöhung
im Evakuierungsraum für
die Einspritzdüse
bewirken, der ein schnelleres Ansprechen der Verschiebung des Verschlußstücks bewirkt.
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Um
die Formung des Einspritzverlaufs zu verbessern, kann statt einer üblicherweise
monotonen Spannungsansteuerung erfolgen des ersten Schaltglieds
auch eine getaktete Spannungssteuerung erfolgen, so dass das nachfolgende
zweite Schaltglied, der Druckverstärker und die Einspritzdüse eine
hydraulisch gesteuerte Taktung erfahren. Die Taktung ist dabei bevorzugt
an einen Betriebsbereich angepasst.
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Gemäß einem
weiteren Gedanken der Erfindung wird eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung
mit einem Akkumulator insbesondere nach dem Common-Rail-Prinzip
für eine
Kolbenbrennkraftmaschine vorgeschlagen, die eine Einspritzdüse in einem
Düsenteil
aufweist, wobei das Düsenteil
einen Druckraum hat, in dem ein die Einspritzdüse verschließendes Verschlußstück geführt ist,
wobei der Druckraum über
einen Verbindungskanal mit einem Druckverstärker verbunden ist, der einem
Akkumulator, insbesondere einem Common-Rail, nachgelagert und dem Druckraum
vorgelagert ist, und bis auf ein erstes Schaltglied, insbesondere
ein Ventil, die übrigen, dem
Akkumulator nachgeschalteten Ventile der Kraftstoffeinspritzung
zur Steuerung eines Kraftstoffflusses hydraulisch über das
Schaltventil gesteuert sind. Dieses Schaltprinzip vermeidet, dass
insbesondere zwei unabhängig
voneinander anzusteuernde Stellelemente benötigt werden, um beispielsweise
einen Druckübersetzer
und eine Düsennadel
zu steuern. Vielmehr gelingt es aufgrund der Ansteuerung von nur
einem einzigen Schaltglied über
die wirkenden Querschnitte von Leitungen, Bauteilen und zusätzlichen
anderen Kräften
wie Federkräften
und hydraulischen Kräften
das gewünschte
Einspritzprofil zu ermöglichen.
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Der
Akkumulator ist ein Druckspeicher, in dem Kraftstoff unter Druck
steht. Dem Speicher kann beispielsweise über ein Pumpensystem kontinuierlich
oder diskontinuierlich Kraftstoff zugeführt werden. Der Akkumulator
kann beispielsweise nur mit einer Einspritzdüse oder aber auch mit mehreren
Einspritzdüsen
in leitungsgebundener Verbindung stehen, um diese jeweils mit Kraftstoff
zu versorgen. Der Begriff „Akkumulator" umfasst daher insbesondere die
als Common-Rail-Systeme bekannte Einspritzvorrichtungen für Ottowie
auch für
Dieselmotoren.
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Durch
eine entsprechende elektronische Steuerung des Schaltgliedes beispielsweise über ein Steuergerät kann im
Zusammenspiel mit einer Motorsteuerung unverzüglich auf den jeweiligen geforderten
Lastzustand der Kolbenbrennkraftmaschine eine geeignete Kraftstoffeinspritzung
erfolgen. Ein verbessertes und insbesondere flexibleres Einspritzprofil
ergibt sich, wenn der Druckraum über
eine Entspannungsverbindung mit einem Niederdruckraum verbunden
ist. Der Niederdruckraum kann beispielsweise ein Tank oder ein sonstiger
Behälter
wie auch eine großvolumige
Leitung sein, die in der Lage ist, einen Druck an der Einspritzdüse durch
Aufnahme von Kraftstoffvolumina zu verringern. Vorzugsweise ist
der zu schaltende Kraftstoffstrom derart gering, dass ein Rückstau in
einem Niederdrucksystem, welches den Niederdruckraum umfasst, nicht
auftritt. Insbesondere wird der Niederdruckraum bzw. das Niederdrucksystem
als „druckloses" System ausgeführt, d.h.,
der Druck in dem System ist gemäß einer Ausgestaltung
zumindest nahe dem Umgebungsdruck. Gemäß einer Weiterbildung liegt
der Druck auch weit unterhalb des Umgebungsdruckes. Vorzugsweise
ist der Druck derart, dass Dampfblasen im Kraftstoff entstehen.
Durch diese Dampfblasen wird eine Dämpfung von Wellen bewirkt.
Eine Vergleichmäßigung einer
Kraftstoffströmung
kann dadurch bewirkt werden.
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Gemäß einem
weiteren Gedanken der Erfindung wird eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung
nach einem Akkumulator-Prinzip, insbesondere nach dem Common-Rail-Prinzip,
für eine
Kolbenbrennkraftmaschine mit einer Einspritzdüse und einen Düsenteil vorgeschlagen,
wobei das Düsenteil
einen Druckraum aufweist, in den ein die Einspritzdüse verschließendes Verschlußstück geführt ist,
wobei der Druckraum über
einen Verbindungskanal mit einem Druckverstärker verbunden ist, der einem
Akkumulator, insbesondere einem Common-Rail, nachgelagert und dem
Druckraum vorgelagert ist, und der Druckraum über eine Entspannungsverbindung
mit einem Niederdruckraum verbunden ist.
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Gemäß einer
Weiterbildung ist vorgesehen, dass bis auf ein Schaltventil die übrigen,
dem Akkumulator nachgeschalteten Schaltglieder zur Steuerung eines
Kraftstoffflusses der Kraftstoffeinspritzung hydraulisch über das
Schaltventil gesteuert sind.
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Eine
weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der Druckverstärker einen
Kolben mit einer Primär- und
einer Sekundärseite
aufweist, wobei die Sekundärseite über den
Verbindungskanal mit dem Druckraum und über die Entspannungsverbindung
mit einem Schaltglied verbunden ist, das dem Niederdruckraum vorgeordnet
ist. Durch eine derartige Anordnung lässt sich ein sehr genaues Einspritzprofil ermöglichen.
Es ermöglicht
eine direkte Formung eines Einspritzprofils, wobei Totzeiten, Wellenvorgänge, träge Massen
und andere Störungen
vermieden werden.
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Insbesondere
erweist sich eine derartige Vorrichtung als vorteilhaft, wenn Einspritzdrücke von mehr
als 2.000 bar erzielt werden sollen. Sollen beispielsweise Einspritzdrücke zwischen
2.500 bar und annähernd
3.000 bar erzielt werden, entstehen besondere Belastungen von Dichtungen.
Durch die einerseits aufgrund des Druckverstärkers ermöglichten Drücke und andererseits der Möglichkeit
der Entspannung des Kraftstoffes auf der Sekundärseite wird eine permanente
Belastung aller Komponenten, insbesondere von zumindest den Dichtungen
vermieden. Dadurch lässt
sich die Lebensdauer dieser Kraftstoffeinspritzeinrichtung erhöhen und
Leckagen vermeiden.
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Eine
Weiterbildung sieht vor, dass ein Evakuierungsraum für die Einspritzdüse eine
Leitungsverbindung zu einer Drossel aufweist, die einem Niederdruckraum
vorgelagert ist. Die Drossel kann einerseits die Funktion aufweisen,
Schwingungen im Evakuierungsraum bzw. in Leitungen, die an den Evakuierungsraum
angeschlossen sind, zu unterdrücken. Andererseits
kann die Drossel eine Druckwelle dämpfen und insbesondere auch
zu einem Aufstauen führen.
Dieses wird vorzugsweise für
ein schnelleres Schalten des Einspritzventils genutzt.
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Auch
ist es möglich,
dass die Entspannungsverbindung zwischen dem Druckraum und dem Niederdruckraum über den
Evakuierungsraum für
die Einspritzdüse
verläuft.
Auf diese Weise gelingt es, einen Druckabfall auf der Sekundärseite zu
erzielen. Gleichzeitig kann die Sekundärseite genutzt werden, um das
Einspritzventil zu schalten. Dieses erlaubt wiederum eine Verkürzung der
Schaltzeit für
die Kraftstoffeinspritzeinrichtung und damit eine höhere Genauigkeit
bezüglich
des einzuspritzenden Volumens wie auch des Einspritzverlaufs dieses
Volumens. Ein Einspritzprofil beispielsweise weist eine Vor- und/oder Nacheinspritzung
auf, die sich mit dieser Kraftstoffeinspritzeinrichtung äußerst dosiert
einspritzen lässt.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine Stellvorrichtung
zur Anhebung und Absenkung eines Akkumulator-Druckes, vorzugsweise
eines Common-Rail-Drucks,
in Abhängigkeit
von einem Lastzustand der Kolbenbrennkraftmaschine vorgesehen ist.
Auf diese Weise lässt
sich beispielsweise die Einspritzdüse mit kleineren Bohrungen,
insbesondere in der Teillast ermöglichen.
Kleinere Bohrungen können
insbesondere Durchmesser von 0,09 mm und weniger aufweisen. Für einen
Hubraum von 0,5 l je Zylinder und mehr weist die Bohrung einen Durchmesser
von 0,15 mm und weniger auf. Gemäß einer
Ausgestaltung wird in Teillast der Kolbenbrennkraftmaschine der
Druck im Common-Rail-System heruntergefahren. Über den Druckverstärker kann
jedoch ein Druck auf der Sekundärseite
zur Verfügung
gestellt werden, der trotz kleinerer Bohrungsgrößen eine ausreichende Einspritzmenge
zur Verfügung
stellt. Auf diese Weise wird eine verbesserte Zerstäubung des
eingespritzten Kraftstoffes erzielt. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung
wird bei Vollast, beispielsweise in einem Bereich von 80% bis 100%
der Leistung der Kolbenbrennkraftmaschine, der Druck im Common-Rail-System wieder
erhöht.
Der Druck vor dem Druckverstärker kann
nun so gesteuert werden, dass er beispielsweise einen an das Teillastverhalten
angepassten Einspritzdruck zur Verfügung stellt. Er kann jedoch
auch derart gestaltet sein, dass er einen darüber hinaus gehenden Druck und
damit auch größere Volumina einer
Einspritzung zur Verfügung
stellt.
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Vorzugsweise
ist der Druckverstärker
hydraulisch gesteuert. Dieses vermeidet ein weiteres elektromechanisch
oder elektrisch zu betätigendes Stellglied,
das im Zusammenspiel mit dem Schaltglied gesteuert werden muss.
Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass zwischen dem Niederdruckraum
und dem Druckraum ein Stellglied, insbesondere ein hydraulisch gesteuertes
Ventil zwischengeschaltet ist, das eine Verbindung mit dem Evakuierungsraum
schafft. Auf diese Weise wird ermöglicht, dass der Druckraum
je nach Stellung des gesteuerten Ventils seinen Druck abbauen oder
erhöhen
kann. Ist das Ventil geschlossen, wird der Druck durch den Druckverstärker im
Druckraum erhöht,
sofern die Primärseite
mit einem entsprechendem Druck beaufschlagt wird. Ist das Ventil
geöffnet, kann
Kraftstoff aus dem Druckraum über
das Ventil in den Evakuierungsraum und von dort zum Niederdruckraum
gelangen. Auf diese Weise wird der Druck im Druckraum abgebaut,
was vorzugsweise zumindest zum Schließen der Einspritzdüse von Vorteil
ist.
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Als
Einspritzdüse
kann eine Lochdüse
Verwendung finden. Die Düse
kann einen variablen Querschnitt aufweisen. Insbesondere kann die
Düse auch
eine oder mehrere Lochreihen aufweisen, die zu unterschiedlichen
Zeitpunkten bzw. Hüben
des Verschlußstücks geöffnet bzw.
geschlossen werden. Gemäß einer
Ausgestaltung wird eine Düse
verwendet, in der ineinander geschachtelte Nadeln mit unterschiedlichem
Querschnitt verlaufen. Diese ineinander beweglichen Nadeln können in
unterschiedlichen Stellungen unterschiedliche Düsenöffnungen schließen bzw. öffnen. Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung werden weitere Düsengeometrien wie beispielweise
Schlitze oder ähnliches
vorgesehen.
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Die
Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist nicht nur für Personenkraftwagen, sondern
auch für
Nutzfahrzeuge, einschließlich
Lokomotiven und Schiffe, oder Stationärmotoren einsetzbar. Insbesondere
hinsichtlich einer hydraulischen Steuerung ist es vorteilhaft, wenn
die verwendeten Leitungen und Leitungsquerschnitte an den jeweiligen
Motor angepasst sind. Hierfür
ergeben sich bevorzugte Leitungsquerschnitte bzw. auch Ventilquerschnitte,
mit denen sich die hydraulische Steuerung beispielsweise ausführen lässt. Gemäß einer
Ausgestaltung weist der Druckverstärker auf der Sekundärseite einen
Durchmesser zwischen 4 mm bis 6,5 mm auf. Auf der Primärseite weist
der Druckverstärker
dagegen einen Durchmesser auf, der vorzugsweise zwischen 7 mm und
11 mm beträgt.
Weiterhin hat gemäß einer
Ausgestaltung der Druckverstärker
ausgebildet als Hubkolben einen Hub, der zwischen 4 mm und 10 mm,
bevorzugt zwischen 4 mm und 7 mm beträgt. Der Durchmesser einer verwendeten
Leitung wiederum hängt
insbesondere davon ab, ob ein hoher Durchfluss sichergestellt sein
soll. Ist dieses der Fall, wird ein Leitungsdurchmesser von nicht
unter 3 mm bevorzugt, wobei sich dieser jedoch auch über die
Leitungslänge
verengen kann. In anderen Leitungsbereichen wiederum kann ein Mindestdurchmesser
gefordert sein. Dieser Mindestdurchmesser liegt beispielsweise bei
1,5 mm, insbesondere auch bei mindestens 2 mm. Vorzugsweise weist
beispielsweise die zum Druckraum füh rende Leitung einen Leitungsquerschnitt
von mindestens 1,5 mm auf. Eine Leitung vom Akkumulator, vorzugsweise
Common-Rail, wiederum weist insbesondere für eine Nutzung in einem PKW
einen Leitungsquerschnitt von nicht unter 3 mm auf.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den nachfolgenden Weiterbildungen
angegeben. Die dort dargestellten Merkmale sind jedoch nicht auf
diese Weiterbildungen beschränkt.
Vielmehr können diese,
insbesondere auch mit den oben beschriebenen Merkmalen weitere Ausgestaltungen
bilden. Es zeigen:
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1 eine
erste Kraftstoffeinspritzeinrichtung,
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2 eine
zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung,
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3 eine
dritte Kraftstoffeinspritzeinrichtung und
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4 einen
beispielhaften Verlauf einer Einspritzung für einen Betriebspunkt mit einer
Zusammenstellung verschiedener Parameterverläufe über eine Einspritzphase,
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5 ein
Beispiel einer Ausführung
eines Kraftstoffinjektors und
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6 eine
Ausschnittsvergrößerung eines Schaltgliedes
aus 5.
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1 zeigt
eine erste Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1. Die erste
Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1 weist einen Akkumulator 2 auf, über den
eine oder mehrere Einspritzdüsen 3 mit
Kraftstoff versorgt werden. Der Akkumulator 2 weist eine
Stellvorrichtung 4 auf, über die eine Anhebung bzw.
Absenkung des Druckes im Akkumulator 2 erfolgt. Die Stellvorrichtung
weist vorzugsweise eine Verbindung zu einer hier nicht näher dargestellten
Motorsteuerung auf, von der Signale in Abhängigkeit vom Lastbereich einer
Verbrennungskraftmaschine und damit erforderlichen Druck im Akkumulator 2 stammen.
Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1 kann ebenfalls mit
ein oder mehreren Bauteilen mit der Motorsteuerung direkt oder indirekt,
beispielsweise über
ein oder mehrere Steuergeräte,
verbunden sein. Die hierzu notwendigen Meßaufnehmer bzw. Signalleitungen
sind jedoch hier nicht näher
eingezeichnet.
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Vom
Akkumulator 2 wird der Kraftstoff unter Druck zu einem
ersten Schaltglied 5 sowie zu einem zweiten Schaltglied 6 geführt. Die
Funktionsweise des ersten Schaltgliedes geht beispielsweise aus
der WO 01/53688 hervor, auf die diesbezüglich im Rahmen dieser Offenbarung
verwiesen wird. Über
das erste Schaltglied 5 erfolgt eine Weiterleitung des Kraftstoffs
an das zweite Schaltglied 6. Die Weiterleitung erfolgt über eine
Ansteuerung des ersten Schaltglieds 5. Hierzu ist das erste
Schaltglied 5 beispielsweise mit einem Aktuator 7 ausgestattet,
der über
ein Steuergerät
bzw. die Motorsteuerung angesteuert werden kann. Je nach Ansteuerung
des Aktuators 7 wird eine Kraftstoffleitung 8 über einen
vergrößert dargestellten
ersten Kolben 9 freigegeben. Vorzugsweise ist zumindest
dem ersten Schaltglied 5 und/oder dem zweiten Schaltglied 6 eine
Drossel 10.1, 10.2 vorgeordnet. Die Drossel sorgt
einerseits für
eine Dämpfung
von eventuellen Schwingungen in Leitungen, die beispielsweise durch
Stellvorgänge des
ersten Schaltgliedes 5 bzw. des zweiten Schaltgliedes 6 verursacht
werden können.
Zum anderen kann die Drossel 10.1, 10.2 einen
Rückstau
bewirken und dadurch eine Druckentlastung und damit eine Schaltstellung
beispielsweise des zweiten Schaltgliedes 6 beeinflussen.
Die Drosseln 10.1, 10.2 helfen die Bläschenbildung
und Kavitationsschäden
zu vermeiden. Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn
vor dem ersten Schaltglied 5 ein Beruhigungs- oder Ausgleichsvolumen 11 vorgeordnet
ist, über
das eventuelle Druckänderungen
bzw. Schwingungen geglättet
werden können.
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Vom
zweiten Schaltglied 6, dessen Funktionsweise beispielsweise
ebenfalls aus der WO 01/53688 hervorgeht und auf die diesbezüglichen
im Rahmen dieser Offenbarung verwiesen wird, steuert einen Druck,
der sich auf eine Primärseite 12 eines Druckverstärkers 13 aufprägt. Der
Druckverstärker 13 hat
vorzugsweise einen Hubkolben, der beispielsweise federabgestützt ist.
Der Druckverstärker 13 weist
eine Primärseite 12 auf,
die eine größere Querschnittsfläche aufweist
als eine Sekundärseite 14, die
der Primärseite 12 gegenüberliegt.
Von der Sekundärseite 14 aus
wird Kraftstoff zu einem Druckraum 15 der Einspritzdüse 3 gefördert. Über den Druckraum 15 kann
der Kraftstoff aus der Einspritzdüse 3 in einen nicht
näher dargestellten
Zylinder eingespritzt werden. Mit der Sekundärseite 14 des Druckverstärkers 13 ist
neben dem Verbindungskanal 16 auch eine Entspannungsverbindung 17 vorhanden,
die zu einem Evakuierungsraum 18 und von dort zu einem
Niederdruckraum 19 führt. Über die Entspannungsverbindung 17 gelangt
von der Sekundärseite 14 Kraftstoff
vorzugsweise zuerst in ein drittes Schaltglied 20, das
hydraulisch angesteuert die Verbindung zum Niederdruckraum 19 freigibt.
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Das
dritte Schaltglied 20 dient vorzugsweise als Entlastungsventil.
Dafür wird
das dritte Schaltglied 20 beispielsweise so ausgelegt,
dass eine druckbelastete Fläche 22 des
dritten Schaltglieds 20 und eine Stirnfläche eines
Steuerkolbens 23 in einem Verhältnis zueinander stehen, welches
in etwa dem Kehrwert der Druckverstärkung des Druckverstär kers 13 und
damit dem Verhältnis
von Sekundärseite zu
Primärseite
entspricht. Dadurch gelingt es, dass ein Druck in einer Steuerleitung
21 einem Druck auf der Primärseite 12 des
Druckverstärkers 13 entspricht.
Somit öffnet
das dritte Schaltglied 20 insbesondere nur am Ende einer
Einspritzung von Kraftstoff in den Zylinderraum. Das in sehr kurzer
Zeit austretende Flüssigkeitsvolumen
kann genutzt werden, um das Verschlussstück 27 zusätzlich mit
Druck, insbesondere mit einem pulsartigen Druck, zu beaufschlagen
und so schneller zu schließen.
Zur Verbesserung dieser Druckwirkung dient die Drossel 10.3 zwischen
dem Evakuierungsraum 18 und dem Niederdruckraum 19.
Nach einem Einspritzvorgang wird der Druckverstärker 13 von einer
Feder 24 in seine Ausgangsposition gebracht, wobei der
Verbindungskanal 16 über
ein Rückschlagventil 25 mit
Kraftstoff gefüllt
wird. Die in einzelnen Stellgliedern wie Ventilen angeordneten Federn
sowie wirkende Flächen sind
insbesondere so abgestimmt, dass über ein Steuern des ersten
Schaltgliedes 5 ein Einspritzvorgang von Kraftstoff allein über das
Zusammenwirken von hydraulisch übertragenen
Druckkräften
auf die einzelnen Bauteile ermöglicht
wird.
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2 zeigt
eine zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung 28, die überwiegend
die gleichen Bauteile in gleicher Funktion wie die erste Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1 aus 1 aufweist.
Diesbezüglich werden
gleiche Bezugszeichen verwendet. Die zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung 28 zeigt
eine weitere Ausführung,
bei der das zweite Schaltglied 6 einen Ventilkörper 29 dergestalt
aufweist, dass ein Druck von der Primärseite 12 des Druckverstärkers 13 zumindest
keine annähernde
Kraft auf den Ventilkörper 29 ausübt. Statt
dessen wirkt eine zusätzliche
Kompensationskraft, die vorzugsweise gemäß der dargestellten Ausführungsform
durch einen Kompensationskolben 30 ausgeübt wird.
Eine Steuerseite 31 des Kompensationskolbens 30 ist
mit dem Verbindungskanal 16, der als Einspritzleitung dient,
verbunden. Dadurch wirkt eine Kraft in Schließrichtung auf den Ventilkörper 29.
Die Steuerflächen
des Ventilkörpers 29 und
des Kompensationskolbens 30 haben vorzugsweise dabei das
Verhältnis
der Druckübersetzung
des Druckverstärkers 13.
Ein Vorteil dieser Ausführung
ist, dass ein Einspritzdruck für
eine Rückwirkung
auf das zweite Schaltglied 6 als Steuerkörper genutzt
wird und nicht wie in 1 ein Druck von der Primärseite des
Druckverstärkers 13.
Auf diese Weise lässt
sich gegenüber
der aus 1 dargestellten Ausführung eine
noch höhere
Dosiergenauigkeit der Einspritzung mittels der Einspritzdüse 3 erzielen.
Um eventuelle Schwingungen in dem System in 2 zu unterdrücken, können neben
den eingezeichneten Drosseln noch weitere Drosseln vorhanden sein.
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3 zeigt
eine dritte Kraftstoffeinspritzeinrichtung 32. Bei dieser
Ausgestaltung wird die Primärseite 12 des
Druckverstärkers 13 über das
dritte Schaltglied 20 entlastet. Diese Ausgestaltung ist
besonders dann vorteilhaft einsetzbar, wenn größere Kraftstoffmengen dosiert
zugegeben werden sollen.
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Die
in den 1 bis 3 dargestellten Kraftstoffeinspritzeinrichtungen
können
insbesondere auch in Form eines einzigen Bauteiles zusammengesetzt
sein, das in eine Kolbenbrennkraftmaschine am Zylinder eingesetzt
wird. Diesbezüglich
wird auf die WO 01/53688 im Rahmen dieser Offenbarung verwiesen,
wo ein derartiger Aufbau prinzipiell hervorgeht. Auch aus der nachfolgenden 5 geht eine
derartige zu einem Bauteil zusammengesetzte Kraftstoffeinspritzung
hervor. Weiterhin besteht die Möglichkeit,
daß die
Kraftstoffeinspritzeinrichtung auch getrennt voneinander angeordnete
Bauteile aufweist. Besonders bevorzugt wird die Kraftstoffeinspritzeinrichtung
auch für
Prüfstände, eingesetzt
um Grundlageuntersuchungen für
Einspritzdrücke
von mindestens 2.000 bar, insbesondere von über 2.500 bar zu untersuchen.
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4 zeigt
einen beispielhaften Verlauf einer Einspritzung für einen
Betriebspunkt mit einer Zusammenstellung verschiedener Parameterverläufe über eine
Einspritzphase. Wie dargestellt, ermöglicht die Kraftstoffeinspritzeinrichtung
eine gezielte Profilierung des Einspritzvolumens über die
Zeit allein durch die Steuerung des ersten Schaltgliedes. Auf der
X-Achse ist bezüglich
jeder Parameterdarstellung der gleiche Zeitabschnitt einer Einspritzphase dargestellt.
Das erste Schaltglied, welches beispielsweise ein piezogesteuerter
Aktuator ist, wird über eine Änderung
einer angelegten Spannung betreiben. Die Spannung ist in Volt angegeben.
In Abhängigkeit
von dieser Spannung öffnet
das Ventil des ersten Schaltgliedes, angegeben in μm. Da die
anschließend
zu betätigenden
Bauteile hydraulisch quasi ohne Verzögerung und damit unmittelbar
reagieren, erfolgt annähernd
zeitgleich mit dem Anstieg des Druckes auch ein Anheben der Nadel
des Einspritzventils. Da vor dem ersten Öffnen des Nadelventils schon
eine Druckerhöhung
am Nadelsitz anliegt, kann bei Öffnung
auch unmittelbar dosiert eine Einspritzmenge in den Brennraum oder
einen Kanal zugeführt
werden. Zwischen Anlegen einer Spannungsänderung am Aktuator bis zu
einem Einspritzbeginn vergehen somit weniger als 0,8 ms. Diese schnelle
unmittelbare Reaktion ermöglicht
auch ein Einstellen des Einspritzdruckes durch gezieltes Anheben
und Absenken des Ventils des ersten Steuergliedes. Wird die Spannung
wieder abgesenkt, wird quasi sofort auch der Druck verringert und
der Nadelhub ändert
sich aufgrund der Druckänderung
ebenfalls innerhalb eines Zeitintervalls von weniger als 0,7 ms.
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5 zeigt
ein Beispiel einer Ausführung
eines Kraftstoffinjektors und 6 eine Ausschnittsvergrößerung eines
ersten Schaltgliedes aus 5. Der Kraftstoffinjektor weist
die in 1 dargestellten Bauelemente, allerdings ohne Akkumulator 2,
Stellvorrichtung 4 und Niederdruckraum 19 untergebracht in
einem einzelnen Bauteil auf. Hierfür weisen die Einzelkomponenten
vorgefertigte Kanäle
auf, so dass beim Zusammensetzen und Ineinanderfügen der Einzelkomponenten nachfolgend
nur noch wenige Bearbeitungsgänge
am Kraftstoffinjektor selbst ausgeführt werden müssen. Durch
die Unterbringung aller Einzelkomponenten in dem einzelnen Bauteil kann
ein äußerst kompakter
Kraftstoffinjektor hergestellt werden.