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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere
für selbstzündende Brennkraftmaschinen wie Dieselverbrennungsmotoren,
mit einer Hochdruckpumpe zur Förderung von Kraftstoff in
wenigstens einen Kraftstoffspeicher, der mit gesteuerten Injektoren
zum Einspritzen von Brennstoff in einen Verbrennungsraum verbunden ist.
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Kraftstoffeinspritzsysteme
moderner Dieselverbrennungsmotoren arbeiten heute überwiegend nach
dem Common-Rail-Verfahren. Eine Hochdruckpumpe bringt dabei den
Kraftstoff auf ein hohes Druckniveau. Der unter Druck stehende Kraftstoff
füllt einen Speicher, welcher die einzelnen Zylinder des Verbrennungsmotors über
Injektoren mit Kraftstoff versorgt.
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Herkömmliche
Common-Rail-Injektoren sind so gestaltet, dass der am Injektor anliegende
Druck direkt an der Düse ansteht. Bei Schäden
am Nadelsitz des Einspritzventils besteht daher die Gefahr einer
unkontrollierten Dauereinspritzung aufgrund von Leckage. Erst bei
einer Einspritzmenge, welche die Nennmenge um das 1½ bis
2-fache überschreitet, greift bei diesen Systemen ein Durchflussbegrenzer ein
und schließt die Leitung zwischen Rail und Einspritzventil.
Aus Sicherheitsgründen werden deshalb bei Großdieselmotoren üblicherweise
Common-Rail-Systeme eingesetzt, die zwischen den Einspritzereignissen
den hohen Versorgungsdruck von der Düse trennen.
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Schieberinjektoren,
wie sie beispielsweise aus der
DE
28 37 606 bekannt sind, weisen eine für den anstehenden
Kraftstoffdruck günstigere Gestaltung auf. Hier bewegt
sich ein Steuerkörper axial in einer in Richtung des Brennraums verschlossenen Hülse,
welche Öffnungen in ihrer Mantelfläche aufweist,
die bei geschlossenem Injektor vom Steuerkörper verschlossen
sind. Im Steuerkörper verläuft eine axial gerichtete
Bohrung, welche unterhalb des Steuerkörpersitzes Querbohrungen
aufweist, die, sobald sich der Steuerkörper von seinem
Sitz hebt, eine Verbindung mit dem Kraftstoffversorgungssystem herstellen.
Auch bei der Verwendung solcher Schieberinjektoren ist es bei Großdieselmotoren
bisher üblich, zwischen den Einspritzereignissen den Versorgungsdruck
vom Injektor zu trennen.
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Aus
der
EP 0 779 949 ist
eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen
mit einer Kraftstoffhochdruckpumpe bekannt, welche über Hochdruckleitungen
mit Injektoren verbunden ist. Die Injektoren weisen einen nach außen öffnenden
Steuerkörper auf, der steuerbare Öffnungshübe
in Richtung Brennraum ausführt und dabei ständig
vom Kraftstoffversorgungsdruck in Öffnungsrichtung belastet
ist, welcher einer Schließkraft entgegen wirkt. Ein Teil
des Steuerkörpers ist axial in einer Bohrung im Schließkopfes
geführt und weist zwei axial übereinander liegende
Reihen von über seinem Umfang verteilten Einspritzöffnungen
auf, wodurch beim Öffnen des Injektors in einer ersten
Stufe nur eine Reihe und in einer zweiten Stufe beide Reihen von
Einspritzöffnungen geöffnet werden können.
Für diese Einspritzeinrichtung sind Ausführungsbeispiele
beschrieben, bei denen der Versorgungsdruck kontinuierlich auf dem
Ventilglied lastet. Eine derartige Ausführung ist wegen
der Kraft, die vom Kraftstoffversorgungsdruck auf den Steuerkörper
in Öffnungsrichtung des Injektors wirkt, aus Sicherheitsgründen kaum
umsetzbar.
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Ausgehend
von der
DE 28 37 606 stellt
sich die vorliegende Erfindung daher die Aufgabe, den Aufbau einer
Kraftstoffeinspritzeinrichtung zu vereinfachen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand
des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind
Gegenstand der Unteransprüche.
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Das
erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzsystem umfasst
wenigstens eine Pumpe, insbesondere eine Hochdruckpumpe, zur Förderung
von Kraftstoff in wenigstens einen Kraftstoffspeicher, der mit von
wenigstens einem Steuergerät gesteuerten, durch Betätigungseinrichtungen
betätigten Injektoren verbunden ist, deren Steuerkörper
sich, vorzugsweise vollständig, innerhalb des Injektors
bewegen. Dabei besteht zwischen den Injektoren und dem Kraftstoffspeicher
während des Betriebs des Dieselverbrennungsmotors eine
kontinuierliche Verbindung.
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Die
erfindungsgemäße Lösung für
ein Kraftstoffeinspritzsystem wird durch die Verwendung eines Injektors
erreicht, der nach dem Schieberprinzip gestaltet ist. Bei dieser
Gestaltung wirkt bei geschlossenem Injektor im Einspritzraum keine
oder keine wesentliche Kraft auf den Steuerkörper, die
in Ventilöffnungsrichtung gerichtet ist.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform des Injektors verläuft
dessen Steuerkörper an dem zum Brennraum gerichteten Ende
des Injektors bevorzugt eng toleriert innerhalb der Injektorhülse.
Diese Hülse weist in einem Abstand vom inneren Hülsenboden eine
oder mehrere radial gerade oder schräg nach außen
verlaufende Öffnungen auf. Diese Öffnungen sind
bevorzugt so dimensioniert und angeordnet, dass anhand der Stellung
des Steuerkörpers ein Einspritzquerschnitt für
einen geeigneten Einspritzvolumenstrom im aktuellen Lastbereich
freigegeben wird und bei vollständiger Öffnung
ein maximaler Einspritzquerschnitt, wie er bevorzugt für
den Volllastbereich erforderlich ist, freigegeben ist.
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Der
freigegebene Einspritzquerschnitt ergibt sich vorzugsweise aus der
axialen Verschiebung des Steuerkörpers, dessen unteres
Ende auch als Schieber bezeichnet wird. Die Einspritzöffnungen
sind dabei bevorzugt so an der Injektorhülse angeordnet, dass
diese erst bei um einen bestimmten Weg angehobenem Steuerkörper
freigegeben werden. Zudem ist der Steuerkörper vorzugsweise
so gestaltet, dass ebenfalls erst, nachdem er um einen gewissen
Abstand angehoben ist, eine Verbindung des Einspritzraums mit dem
Kraftstoffspeicher hergestellt wird. Diese Gestaltung bietet den
Vorteil, dass auch bei beschädigtem oder undichtem Sitz
des Ventilkörpers dieser den Bereich der Einspritzöffnungen
vom Kraftstoffspeicher trennt und die Einspritzöffnungen
vollständig verdeckt. Das Konstruktionsprinzip dieser Injektoren
trägt so zum sicheren Schließen der Injektoren
zum Brennraum hin und zur Vermeidung einer unerwünschten
Dauereinspritzung bei.
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Hierzu
ist in einer bevorzugten Ausführung ein Ventilsitz des
Steuerkörpers in der Hülse vorgesehen, so dass
der auf dem Ventilsitz sitzende Steuerkörper eine Verbindung
zwischen dem Kraftstoffspeicher und den Einspritzöffnungen
verschließt. Der Ventilsitz und die durch den Schieber
verschlossenen Einspritzöffnungen bilden damit zwei redundante Absperrungen,
so dass auch bei Leckage im Ventilsitz oder zwischen Schieber und
Einspritzöffnungen ein unkontrolliertes Einspritzen verhindert
wird. Daher können vorteilhafterweise während
des gesamten Betriebes die Injektoren mit dem Kraftstoffspeicher
kommunizieren und müssen nicht mehr, wie bisher, aus Sicherheitsgründen
zwischen den Einspritzereignissen von diesem getrennt werden.
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Das
erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzsystem umfasst
bevorzugt eine Hochdruckpumpe, welche den Kraftstoff in einen Kraftstoffspeicher
fördert. Der Kraftstoffspeicher kann als für diesen Zweck
vorgesehener Hochdruckbehälter ausgeführt sein.
Bevorzugt sind jedoch Kraftstoffleitungen des Kraftstoffeinspritzsystems
mit vergrößertem Querschnitt ausgeführt,
so dass diese ein geeignet großes Volumen aufweisen. Solche
großvolumigen Kraftstoffleitungen (Rails) sind dabei bevorzugt
so am Motor angeordnet, dass sie in der Nähe der an den
einzelnen Zylindern angeordneten Injektoren verlaufen. Mit diesem
Kraftstoffspeicher (Behälter oder Rail) sind die Injektoren
mittels Versorgungsleitungen bevorzugt direkt verbunden. Wie vorstehend
beschrieben, sind diese Injektoren bevorzugt als Schieberinjektoren
ausgeführt.
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Zur
Einspritzsteuerung ist bevorzugt an jedem Injektor ein Betätigungselement,
bevorzugt ein Steuerventil, angeordnet, welches vorzugsweise mit einer
Kraftstoffniederdruckleitung verbunden ist, welche den Kraftstoff
in das Kraftstoffvorratssystem zurück führt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform wird das Betätigungselement
durch einen Elektromagnet betätigt. Dieser Elektromagnet
wird bevorzugt von einem elektronischen Steuergerät gesteuert,
wobei das Steuergerät eine Vielzahl von Betriebsparametern
des Dieselverbrennungsmotors verarbeitet und hieraus die Steuerbefehle
zur Steuerung des Betätigungselements generiert. Es ist
auch möglich, dass mittels eines bevorzugt eingesetzten
elektronischen Steuergeräts ein Servomotor oder ein Piezoaktor
gesteuert wird, welche die Injektoren des Einspritzsystems betätigen.
Auch eine Regelung des Steuerköpers kann vorgesehen sein.
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Aufgrund
der dargestellten vorteilhaften Gestaltung des Injektors ist es
zur Vermeidung einer Dauereinspritzung nicht erforderlich, die Verbindung zwischen
den Injektoren und dem Kraftstoffspeicher zwischen den Einspritzvorgängen
des betreffenden Zylinders des Verbrennungsmotors zu trennen. Erfindungsgemäß stellt
erst die Bewegung des Steuerkörpers im Injektor, welcher
vom Betätigungselement gesteuert ist, eine Verbindung vom
Kraftstoffspeicher, welcher unter hohem Druck steht, zum Einspritzraum
des Injektors her.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform des Einspritzsystems ist so
gestaltet, dass der Steuerkörper des Injektors weg- bzw.
hubgesteuert ist. Das heißt, dass bevorzugt der Weg, um
welchen sich der Steuerkörper vom Injektorboden hebt, vom
Betätigungselement gesteuert ist. Über eine vorbestimmte
Wegänderung wird bei der bevorzugt eingesetzten Injektorgestaltung
ein definierter Einspritzquerschnitt geöffnet. Aufgrund
des konstanten Kraftstoffdrucks im Kraftstoffspeicher des Einspritzsystems
ist so der eingespritzte Volumenstrom einstellbar. Abhängig vom
Verstellweg des Steuerkörpers kann so der Einspritzquerschnitt
bevorzugt frei gewählt werden. Dies ermöglicht
in Zusammenhang mit der Ventilbewegung einen variablen Einspritzverlauf,
mittels dessen beispielsweise auch eine Voreinspritzung leicht durchführbar
ist. Über das Steuergerät kann somit der Einspritzverlauf über
den Einspritzquerschnitt frei über das Kennfeld des Motors
gewählt werden.
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Durch
den Wegfall der erforderlichen Unterbrechung des Kraftstoffdrucks
zwischen Kraftstoffspeicher und Injektor zwischen den Einspritzvorgängen
kann bei einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzeinrichtung
ein bei üblichen Kraftstoffeinspritzeinrichtungen je Zylinder
erforderliches Schaltelement mit den hierfür erforderlichen
Steuer- und Versorgungsleitungen entfallen. Hierdurch ergibt sich
ein einfacherer Aufbau der Kraftstoffeinspritzeinrichtung, wobei
durch die zusätzliche Möglichkeit, den Einspritzverlauf
abhängig von der Bewegung des Steuerkörpers im
Injektor zu steuern, die Variabilität der Einspritzung
verbessert wird.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden
Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang
mit den Figuren. Es zeigt:
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1 ein
Schaltbild eines bekannten Kraftstoffeinspritzsystem,
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2 ein
Schaltbild eines Kraftstoffeinspritzsystems nach einer Ausführung
der vorliegenden Erfindung,
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3 eine
schematische Darstellung eines Injektors des Kraftstoffeinspritzsystems
nach 2, und
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4 eine
schematische Darstellung eines abgewandelten Injektors des Kraftstoffeinspritzsystems
nach 2.
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1 zeigt
ein Schaltbild eines bekannten Kraftstoffeinspritzsystems mit einer
Hochdruckleitung 1, welche einen Kraftstoffspeicher (nicht
dargestellt) mit einem Betätigungselement 13 verbindet, welches
direkt an dem Injektor 5 angeschlossen ist. Das Betätigungselement 13 wird
von einem magnetisch gesteuerten Betätigungselement 6 betätigt,
welches die Hochdruckleitung 1, die den Kraftstoffspeicher
mit dem Injektor 5 verbindet, zwischen den Einspritzvorgängen
am Injektor 5 unterbricht. Die Betätigungseinrichtung
für den Injektor 5 ist in 1 nicht dargestellt.
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2 zeigt
ein Schaltbild eines Kraftstoffeinspritzsystems nach einer Ausführung
der vorliegenden Erfindung. Eine Pumpe 4 fördert
Kraftstoff in einen Kraftstoffspeicher 2, hier ein HP-Rail,
welches über Hochdruckleitungen 1 mit mehreren
Injektoren 5 eines Großdieselmotors verbunden
ist. Ein elektromagnetisch gesteuertes Betätigungselement 3 dient zur
Betätigung des erfindungsgemäß gestalteten
Injektors 5. Der Injektor 5 ist kontinuierlich über
die Hochdruckleitung 1 mit dem Kraftstoffspeicher 2 verbunden.
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In 2 ist
das Betätigungselement 3 in Ruhestellung dargestellt.
In seiner Schaltstellung verbindet das Betätigungselement 3 den
Steuerraum 7 des Injektors 5 mit einer Kraftstoff-Niederdruckleitung 14.
Dabei sinkt der Druck im Steuerraum 7 des Injektors 5 ab,
wodurch sich der Steuerkörper 9 aufgrund des Drucks
im Hochdruckraum 10 entgegen der Kraft der Feder 8 vom
Ventilsitz 19 hebt und im Verlauf seiner Hubbewegung den
Einspritzquerschnitt freigibt.
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3 zeigt
eine beispielhafte Darstellung eines erfindungsgemäß gesteuerten
Injektors 5, dessen Hochdruckraum 10 direkt an
eine mit dem Kraftstoffspeicher 2 verbundene Hochdruckleitung 1 angeschlossen
ist. Ein Steuerraum 7 des Injektors 5 ist über
eine Drossel mit der Hochdruckleitung 1 verbunden. Der
Injektor 5 wird von einem Elektromagneten 11 betätigt,
der von einem elektronischen Steuergerät 12 gesteuert
wird. Die äußere Hülse 20 des
Injektors 5 ist einteilig ausgeführt und auf der
dem Brennraum eines Zylinders abgewandten Seite verschlossen. Auf
der dem Brennraum eines Zylinders zugewandten Seite weist die Hülse 20 vom
inneren Hülsenboden beabstandet am Umfang verteilt mehrere Öffnungen 22 auf,
welche so gestaltet und angeordnet sind, dass durch eine Bewegung
des Steuerkörpers 9 in eine vom Brennraum abgewandte
Richtung eine stufenlose Vergrößerung des Einspritzquerschnitts
erfolgt.
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In
der dargestellten Stellung des Steuerkörpers 9 besteht
keine Verbindung zwischen dem Hochdruckraum 10 des Injektors 5 und
dem Einspritzraum 31 des Injektors 5. Erst nachdem
der Steuerkörper 9 vom sich zwischen dem Steuerkörper 9 und
der Hülse 20 befindenden Ventilsitz 19 angehoben
ist, kann über die Verbindungsöffnungen 24 und die
axiale Versorgungsbohrung 25 eine Verbindung vom Kraftstoffspeicher 2 zum
Einspritzraum 31 hergestellt werden. Abhängig
vom Weg, den der Steuerkörper in eine vom Brennraum abgewandte
Richtung zurücklegt, erweitert sich der vom Steuerkörper
freigegebene Einspritzquerschnitt der Einspritzöffnungen 22 und
der in den Brennraum geförderte Kraftstoff-Volumenstrom
vergrößert sich. Aufgrund des sich verändernden
Querschnitts verändert sich auch Struktur des eingespritzten
Kraftstoffstrahls.
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Durch
die Ausführung des Injektors 5 mit durch den Steuerkörper 9 verschließbaren
Einspritzöffnungen 22 und dem Ventilsitz 19 zwischen
dem Steuerkörper 9 und der Hülse 20,
die zusammen eine redundante Absperrung des Kraftstoffspeichers 2 bilden
und so auch bei beschädigtem Ventilsitz 19 ein unkontrolliertes
Leckageeinspritzen verhindern, wird es möglich, zwischen
den Injektoren 5 und dem Kraftstoffspeicher 2 während
des Betriebs eine kontinuierliche Verbindung vorzusehen, so dass
zwischen den Einspritzereignissen der hohe Druck nicht von der Düse
weggeschaltet werden muss.
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4 zeigt
eine Darstellung eines abgewandelten Injektors eines Kraftstoffeinspritzsystems nach
einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, welches im Übrigen
dem mit Bezug auf 2, 3 erläuterten
entspricht. Darin sind einander entsprechende Elemente mit gleichen
Bezugszeichen bezeichnet, so dass im Folgenden nur auf die Unterschiede
zu der vorstehend mit Bezug auf 2, 3 erläuterten
Ausführung eingegangen wird.
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Während
in 3 ein Standard-Common-Rail-System mit mehreren,
von einem gemeinsamen Speicher 2 gespeisten Injektoren
dargestellt ist, ist in der Ausführung gemäß 4 jeder
Injektor als Speicherinjektor ausgebildet, der seinen eigenen Speicher 32 aufweist.
Dieser kann bevorzugt in dem jeweiligen Speicherinjektor integriert
sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 2837606 [0004, 0006]
- - EP 0779949 [0005]