DE19516245A1

DE19516245A1 - Einspritzdüse

Info

Publication number: DE19516245A1
Application number: DE19516245A
Authority: DE
Inventors: Gerd Dipl Ing Huber
Original assignee: HUBER MOTORENBAU INST
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1995-05-03
Filing date: 1995-05-03
Publication date: 1996-11-07
Anticipated expiration: 2015-05-04
Also published as: DE19541819A1; DE19516245C2; DE59602366D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einspritzdüse zur Verwendung in Common-Rail Systemen ge mäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Solche Common-Rail Einspritzsysteme für Dieselmotoren sind beispielsweise in den Fort schrittsberichten zum 15. Wiener Motorensymposium des VDI Verlags, Reihe 12 / Nr. 205 (1994), Seiten 36 bis 53 beschrieben. Unter dem Begriff "Common-Rail" werden Systeme zusammengefaßt, deren Ziel einerseits ist, den Einspritzdruck von der Motor drehzahl und der Einspritzmenge unabhängig zu machen, und andererseits den mittleren Einspritzdruck zu steigern. Ein wesentliches Merkmal der Common-Rail Systeme (CR) liegt somit in der Entkopplung von Druckerzeugung und Einspritzung durch ein Speicher volumen, das sich aus dem Volumen einer mit den Einspritzdüsen eines Mehrzylindermo tors verbundenen gemeinsamen Hochdruckverteilerleitung (Common-Rail) sowie den Zuleitungen und den in der Düse selbst zur Verfügung stehenden Volumina zusammen setzt.

Der Einspritzvorgang wird beim Stand der Technik durch ein in die Einspritzdüse inte griertes Elektromagnetventil gesteuert. Eine Direktsteuerung des Düsenkörpers bzw. der Düsennadel konnte bisher weder mit einem Magnetventil noch mit piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktuatoren realisiert werden.

Das als Magnetventil ausgebildete Rücklaufventil weist infolge seiner magnetischen Betäti gung zwei definierte Stellungen auf, eine geschlossene und eine voll geöffnete Stellung. Damit die Einspritzdüse bei mittels des Magneten bewirkter Öffnung des Rücklaufventils nicht zu rasch öffnet, ist stromab des Rücklaufventils eine Rücklaufdrossel vorgesehen. Durch geeignete Abstimmung der Zulaufdrossel zur Rücklaufdrossel wird die zeitliche Charakteristik der Einspritzdüse festgelegt. Ein kleiner Querschnitt der Rücklaufdrossel be deutet beim Öffnen des Rücklaufventils einen langsamen Druckabfall über den Arbeitskol ben und damit eine gute Kleinstmengenfähigkeit der Einspritzdüse, was für eine Vorein spritzung vorteilhaft ist. Zugleich bedeutet ein kleiner Rücklaufquerschnitt jedoch einen großen minimalen Spritzabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Einspritzungen, da zwischen der Öffnung des Rücklaufventils und dem Druckabfall über dem Aktuatorkolben eine verhältnismäßig lange Zeitdauer vergeht. Systeme mit kleinem Rücklaufdrosselquer schnitt eignen sich somit für eine Kleinstmengenvoreinspritzung und eine weit abgesetzte Haupt- bzw. Nacheinspritzung.

Ein großer Rücklaufdrosselquerschnitt zieht wegen der raschen vollen Öffnung der Ein spritzdüse eine schlechtere Kleinstmengenfähigkeit nach sich, bewirkt jedoch ein schnelle res Öffnen des Düsenkörpers bzw. der Düsennadel und ermöglicht somit kürzere Spritzab stände. Ein großer Rücklaufdrosseldurchmesser eignet sich somit für eine oder mehrere Haupteinspritzungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einspritzdüse zur Verwendung in Com mon-Rail Systemen zu schaffen, die sowohl ein gute Kleinstmengenfähigkeit für eine Vor einspritzung aufweist als auch eine rasche, auf die Voreinspritzung folgende Hauptein spritzung bzw. eine getaktete Haupteinspritzung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Dadurch, daß erfin dungsgemäß das Ventilglied des Rücklaufventils analog geöffnet werden kann, kann das Rücklaufventil selbst einen variablen Rücklaufdrosselquerschnitt bilden, so daß die Ein spritzdüse optimal an die jeweiligen Anforderungen anpaßbar ist. Insgesamt läßt sich mit der erfindungsgemäßen Einspritzdüse durch zweckentsprechende Ansteuerung des Rück laufventils eine gute Kleinstmengenfähigkeit für eine einwandfreie Voreinspritzung sowie eine rasch darauffolgende, gegebenenfalls getaktet arbeitende Haupteinspritzung durch führen. Damit wird eine weiche Verbrennung mit geringen Rußwerten und geringen Stick oxidwerten bei gleichzeitig gutem Gesamtwirkungsgrad erzielt.

Vorteilhafterweise ist die Betätigungseinrichtung gemäß dem Anspruch 2 eine piezoelek trisch arbeitende Einrichtung. Dadurch, daß die Betätigungseinrichtung nicht unmittelbar den Düsenkörper, sondern das Rücklaufventil betätigt, reichen verhältnismäßig geringe Hübe aus, wie sie mit Piezoaktuatoren erzielt werden.

Der Anspruch 3 kennzeichnet eine vorteilhafte Ausbildungsform der Einspritzdüse, die be sonders genau steuerbar ist.

Die Ansprüche 4 und 5 sind auf zwei vorteilhafte Verfahren unter Verwendung einer er findungsgemäßen Einspritzdüse gerichtet. Dabei wird mit den Merkmalen des Anspruchs 4 erreicht, daß die Haupteinspritzung zeitlich kurz auf die Voreinspritzung folgen kann.

Mit den Merkmalen des Anspruchs 5 wird erreicht, daß die Einspritzdüse außerordentlich rasch schließt, was für die Verbrennung vorteilhaft ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.

Es stellen dar:

Fig. 1 ein Gesamtschema eines Common-Rail Systems,

Fig. 2 das Hydraulikschema einer erfindungsgemäßen Einspritzdüse,

Fig. 3 einen Schnitt durch den vorderen Abschnitt einer erfindungsgemäßen Ein spritzdüse,

Fig. 4 Hub-, Druck- und Durchsatzverläufe einer Einspritzung unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Einspritzdüse und

Fig. 5 Hubverläufe zweier Steuerverfahren.

Gemäß Fig. 1 ist ein Kraftstofftank 2 über ein Filter und eine Vorförderpumpe 4 mit einer Common-Rail (CR)-Hochdruckpumpe 6 verbunden. Von der CR-Hochdruckpumpe führt eine Leitung zu einer Verteilerleitung (Common-Rail) 8, die über Zuleitungen 10 mit den jedem Zylinder einer mehrzylindrischen Brennkraftmaschine zugeordneten Einspritzdüsen 12 verbunden ist.

Die Einspritzdüsen 12 sind über Rückleitungen 14 mit einer zum Tank 2 führenden Rücklaufleitung 16 verbunden.

Der Systemdruck wird mit Hilfe eines Begrenzungsventils 18 begrenzt und kann bis 2000 bar betragen.

Ein elektronisches Steuergerät 20 ist mit seinen Ausgängen mit der Hochdruckpumpe 6 so wie den Einspritzdüsen 12 verbunden. Die Eingänge 22 des Steuergeräts sind mit einem Drucksensor 24 der Verteilerleitung 8 sowie weiteren nicht dargestellten Sensoren ver bunden, beispielsweise für die Stellung eines Fahrpedals, Fährgeschwindigkeit, Temperatu ren, Ladedruck, Luftmasse, Drehzahl usw . .

Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Einspritzdüse mit dem zugehörigen Hydraulik schema.

Die Einspritzdüse 12 enthält einen Düsenkörper 26, der in einer Düsennadel endet, welche in geschlossenem Zustand der Einspritzdüse an einem Ventilsitz anliegt. Der Düsenkörper 26 durchragt einen Düsenraum 28, der mit der Zuleitung 10 verbunden ist.

Der Düsenkörper 26 ist mit einem Aktuatorkolben 30 verbunden, bzw. einteilig ausgebil det, welcher in einem Arbeitsraum 32 arbeitet, der über eine Zulaufdrossel 34 mit der Zu leitung 10 verbunden ist. Der Arbeitsraum 32 ist weiter über ein Rücklaufventil 36 mit der Rückleitung 14 verbunden.

Zur Betätigung des Rücklaufventils 36 ist dessen Ventilglied 38 mit einer als Piezoaktuator 40 ausgebildeten Betätigungseinrichtung verbunden, die über ihre Anschlüsse 42 an das Steuergerät 20 angeschlossen ist.

Solche Piezoaktuatoren sind an sich bekannt und sind aufgebaut wie Kondensatoren, deren Dielektrikum aus piezoelektrischem Material, beispielsweise Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik besteht. Moderne Aktuatoren arbeiten mit Feldstärken von bis zu 2000 V/mm und errei chen relative Längenänderungen von bis zu 1,5‰. Im dargestellten Beispiel läßt sich mit einer Länge des Piezoaktuators 40 von etwa 100 mm somit ein definierter Hub von über 0,1 mm erzielen, was für eine analoge Veränderung des Öffnungsquerschnitts des Rücklauf ventils 36 in Abhängigkeit von der an den Anschlüssen 42 liegenden Spannung vollständig ausreicht.

Alternativ könnte der Piezoaktuator 40 auch ein magnetostriktiver Aktuator sein, bei dem magnetostriktives Material innerhalb einer stromdurchflossenen Spule angeordnet ist.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch ein ausgeführtes Beispiel einer Einspritzdüse, wobei die Konstruktion der Düsennadel und deren Zusammenwirken mit dem Sitz an sich bekannt ist, beispielsweise wie im Kraftfahrtechnischen Taschenbuch, Bosch, VDI Verlag 1991, auf Seite 509 beschrieben.

Wesentlich ist, daß die wirksame Fläche, mit der der Aktuatorkolben 30 im Arbeitsraum 32 beaufschlagt ist, größer ist als die wirksame Fläche, mit der der Düsenkörper 26 im Düsenraum 28 bzw. die Düsennadel stromoberhalb des Ventilsitzes beaufschlagt ist, so daß bei gleich großem Druck im Arbeitsraum 32 und Düsenraum 28 der Düsenkörper 26 in Schließstellung gedrängt ist.

Die Funktion der beschriebenen Anordnung ist folgende:
Wenn das Rücklaufventil 36 geschlossen ist, stellt sich im Arbeitsraum 32 und Düsenraum 28 der in der Zuleitung herrschende Druck ein, der den Düsenkörper 26 in Schließstellung drängt. Wird das Ventilglied 38 durch Spannungsbeaufschlagung des Piezoaktuators 40 ge öffnet, entweicht der Druck aus dem Arbeitsraum 32 bei genügend weiter Öffnung des Rücklaufventils 36 schneller als Kraftstoff durch die Zulaufdrossel 34 nachströmen kann, so daß bei Nachlassen des Druckes im Arbeitsraum 32 die Düse infolge des Druckes im Düsenraum 28 öffnet. Wird das Rücklaufventil 36 geschlossen, so stellt sich der hohe Druck im Arbeitsraum 32 wieder ein, so daß die Einspritzdüse schließt.

Das gesamte Druckniveau in der Zuleitung 10 kann je nach Betriebsbedingungen vom Drucksensor 24 erfaßt und, vom Steuergerät 20 durch Ansteuerung der Hochdruckpumpe 6 gesteuert, verändert werden.

Fig. 4 zeigt Meßprotokolle eines Ansteuerverfahrens, wobei zeigen:
Kurve I den Hub hv des Ventilgliedes 38 (proportional zur Spannung an den Anschlüs sen 20), wobei der kleinere Hub 0,03 mm und der größere Hub 0,06 mm be trägt,
Kurve II den Hub hn des Düsenkörpers 26 bzw. der Düsennadel,
Kurve III den Druck pi im Düsenraum 28,
Kurve IV den Druck pa im Arbeitsraum 32,
Kurve V die Spritzrate SR, das heißt den aus der Einspritzdüse austretenden Volumen strom an Kraftstoff und
Kurve VI die integrierte Spritzmenge Qe.

Im dargestellten Beispiel betrug der Durchmesser der Zulaufdrossel 34 0,30 mm und der Bohrungsdurchmesser des Rücklaufventils 36 (Fig. 3) 0,7 mm.

Wie aus den Kurven I und II deutlich ersichtlich, folgt die Öffnung der Einspritzdüse bzw. die Hubbewegung des Düsenkörpers 36 dem kleinen Hub des Ventilglieds 38 des Rück laufventils 36 mit großer Verzögerung, so daß ein weicher Voreinspritzbeginn gewährlei stet ist. Das Ende der Voreinspritzung folgt unmittelbar dem Ende der Spannungsbeauf schlagung des Piezoaktuators 40 bzw. dem Schließen des Rücklaufventils 36. Somit ist eine ausgezeichnete Kleinstmengenfähigkeit gegeben, indem durch den kleinen Hub des Ventilglieds 38 das Rücklaufventil 36 wie eine kleine Rücklaufdrossel wirkt. Wird das Rücklaufventil 36 nun durch stärkere Spannungsbeaufschlagung des Aktuators 40 weiter geöffnet, so öffnet das Einspritzventil mit geringerer Verzögerung gegenüber der Öffnung des nunmehr als Drossel mit erheblich größerem Querschnitt wirkenden Rücklaufventils 36. Das Schließen des Einspritzventils und damit das Ende der Haupteinspritzung folgt dem Schließen des Rücklaufventils 36 jedoch nunmehr mit größerer Verzögerung, da sich im Arbeitsraum 32 erst wieder der volle Druck aufbauen muß, indem der Kraftstoff die Zulaufdrossel 34 durchströmt.

In Fig. 5 entsprechen die Kurven Ia und IIa den Kurven I und II der Fig. 4. Wie ersicht lich erfolgt die Haupteinspritzung hier getaktet, indem das Rücklaufventil 36 derart ange steuert wird, daß der Düsenkörper 26 immer, sobald er annähernd seinen vollen Hub er reicht hat, wieder schließt.

Die Kurven Ib, IIb und Ic, IIc zeigen einen Vergleich eines Taktes einer Haupteinsprit zung, bei der das Rücklaufventil 36 einmal mit konstanter Amplitude geöffnet ist (Ib) und das andere Mal die Öffnungsamplitude des Rücklaufventils 36 auf einen verminderten Wert eingestellt wird, so bald die Öffnung der Einspritzdüse begonnen hat bzw. sich der Düsenkörper 26 wesentlich von seinem Sitz abgehoben hat. Wie ersichtlich führt die Steue rung des Rücklaufventils 36 gemäß Ic zu einem rascheren Schließen der Einspritzdüse nach Schließen des Rücklaufventils 36, was im Hinblick auf den Brennverlauf vorteilhaft ist.

Claims

1. Einspritzdüse zur Verwendung in Common-Rail Systemen, mit einem mit einem Aktuatorkolben (30) versehenen Düsenkörper (26), der im ge schlossenem Zustand der Einspritzdüse an einem Sitz anliegt und stromoberhalb des Sitzes einen mit der Hochdruckleitung des Common-Rail Systems verbundenen Düsenraum (28) begrenzt, einem Arbeitsraum (32) des Aktuatorkolbens (30), welcher über eine Zulauf drossel (34) mit der Hochdruckleitung verbunden ist, wobei die wirksame Fläche des Aktuatorkolbens (30) größer ist als die im Dü senraum wirksame Fläche des Düsenkörpers, einer vom Arbeitsraum durch eine Rücklauföffnung eines Rücklaufventils (36) führende Rücklaufleitung (14) und einer von einem elektrischen Signal angesteuerten Betätigungseinrichtung zur Betätigung des Ventilgliedes des Rücklaufventils, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungseinrichtung eine das Ventilglied (38) des Rücklaufventils (36) analog zu dem elektrischen Signal verstellende Einrichtung (40) ist, so daß das Rück laufventil eine im Querschnitt variable Drossel der Rücklaufleitung (14) bildet.

2. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungseinrichtung eine piezoelektrisch arbeitende Einrichtung (40) ist.

3. Einspritzdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der wirksame Öffnungsquerschnitt des Rücklaufventils (36) sich zumindest zu Beginn der Ventilöffnung annähernd proportional zum Hub des Ventilgliedes (38) verändert.

4. Verfahren zum Steuern einer mehrphasigen Einspritzung eines direkt ein spritzenden Dieselmotors unter Verwendung einer Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Signal für die Betätigungs einrichtung (40) des Rücklaufventils (36) für eine Voreinspritzung mit geringer Einspritz menge auf einem niedrigen Wert gehalten wird und nach Abschalten zum Schließen der Einspritzdüse für eine anschließende Haupteinspritzung mit größerer Einspritzmenge auf einem höheren Wert gehalten wird.

5. Verfahren zum Steuern einer mehrphasigen Einspritzung eines direkt ein spritzenden Dieselmotors unter Verwendung einer Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Signal für die Betätigungs einrichtung (40) des Rücklaufventils (36) während einer ersten Zeitdauer für eine Öffnung der Einspritzdüse auf einem hohen Wert gehalten wird, und anschließend bei offener Ein spritzdüse zur Vorbereitung eines rascheren Schließens der Einspritzdüse auf einem nie drigeren Wert erhalten wird.