DE19746490A1 - Kraftstoffeinspritzanlage für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Kraftstoffeinspritzanlage für eine Brennkraftmaschine nach der Gattung des Patentan­ spruchs 1.

Derartige Kraftstoffeinspritzanlagen sind beispielsweise aus der DE 43 37 048 C2 bekannt. Dabei ist einerseits eine Zwei­ stoffdüse vorgesehen, die der geschichteten Einspritzung von Kraftstoff und einer Zusatzflüssigkeit, beispielsweise Die­ selkraftstoff und Wasser dient, um den Schadstoffausstoß der Brennkraftmaschine zu vermindern und gegebenenfalls den Wir­ kungsgrad zu erhöhen. Andererseits ist bei der bekannten Einspritzanlage auch die sogenannte Common-Rail-Technik ver­ wirklicht, bei der sämtliche die Brennkraftmaschine bedie­ nenden Einspritzdüsen mit unter Hochdruck stehendem Kraft­ stoff aus einem Common-Rail-Druckspeicher beschickt werden.

Nachteilig bei der bekannten Kraftstoffeinspritzanlage ist, daß für jeden einzelnen Injektor zur Mengendosierung der Zu­ satzflüssigkeit ein aufwendiges und relativ teures 3/2-Wege­ ventil sowie für die Steuerung der Dieseleinspritzmenge ein weiteres 3/2-Wegeventil benötigt wird. Zum Vorlagern der Zu­ satzflüssigkeit wird dabei mit dem ersten 3/2-Wegeventil die Kraftstoffzufuhr vom Common-Rail-Druckspeicher zur Ein­ spritzdüse unterbrochen und gleichzeitig ein die Einspritz­ düse umgebender Druckraum, in dem unter Hochdruck stehender Kraftstoff gelagert ist, durch eine entsprechende Stellung des ersten 3/2-Wegeventils zur Kraftstoff-Niederdruckseite hin abgelassen. Durch den entstehenden Druckabfall im Druck­ raum wird über eine entsprechende Leitung Zusatzflüssigkeit in den Druckraum gefördert, die das entsprechende Kraft­ stoffvolumen verdrängt. Anschließend wird das erste 3/2-We­ geventil wieder in eine Stellung gebracht, die eine Verbin­ dung zwischen dem Common-Rail-Druckspeicher und dem Druck­ raum im Einspritzventil herstellt. Zur mengengenauen Dosie­ rung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge, die der vorgela­ gerten Zusatzflüssigkeit bei dem durch die nächste Ventil­ öffnung hervorgerufenen Einspritzstoß folgen soll, ist das weitere 3/2-Wege-Magnetventil vorgesehen, welches die Rück­ seite der Düsennadel, die von einer Feder in Schließstellung gehalten wird, wahlweise entweder mit dem Common-Rail-Druck­ speicher oder mit der Kraftstoff-Niederdruckseite verbindet und dadurch zeitlich den Hub der Ventilnadel, das Öffnen und Schließen des Ventils und damit die gewünschte Einspritzmen­ ge steuert.

Prinzipiell benötigt die bekannte Kraftstoffeinspritzanlage für jeden einzelnen Injektor die beiden genau arbeitenden und damit aufwendigen 3/2-Steuermagnetventile um sowohl die gewünschte Kraftstoffmenge als auch die erforderliche Menge an Zusatzflüssigkeit exakt dosieren zu können.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzanlage weist zur baulichen Vereinfachung und damit zur preisgünstigeren Her­ stellbarkeit die kennzeichnenden Merkmale des Patentan­ spruchs 1 auf. Dadurch können die beiden aufwendigen und teuren 3/2-Magnetsteuerventile durch einfachere und preis­ wertere 2/2-Wegeventile ersetzt werden, wobei gleichzeitig die Möglichkeit eröffnet wird, die Mengendosierung für die Zusatzflüssigkeit auf ein einziges, genau arbeitendes Do­ sierventil zu verlagern, das eine ganze Gruppe von Injekto­ ren bedienen kann. Während das zweite 2/2-Wegeventil ledig­ lich die Öffnungs- und Schließzeit für die Zusatzflüssig­ keitsvorlagerung bestimmt, wird die Mengendosierung für die einzuspritzende Kraftstoffmenge durch eine entsprechende Zeitsteuerung des ersten 2/2-Wegeventils in der Einspritz­ leitung zwischen dem Common-Rail-Druckspeicher und dem Druckraum bewirkt.

Um gleichbleibende Druckverhältnisse im Leitungssystem zu gewährleisten und insbesondere auch bei hohen Temperaturen ein Ausgasen der Zusatzflüssigkeit, in der Regel Wasser, bei Überschreiten des Siedepunktes zu verhindern, empfiehlt sich der Einsatz eines Rückschlagventils zwischen dem zweiten 2/2-Wegeventil und der Kraftstoff-Niederdruckseite.

Vorteilhaft ist es auch, wenn die Düsennadel am stumpfen En­ de ihres Injektorstößels in radialer Verlängerung einen kleinen Kolben trägt, der in einen mit Hochdruck vom Common- Rail-Druckspeicher beaufschlagten Raum ragt, welcher seiner­ seits druckdicht gegen den die Düsennadel umgebenden Raum abgedichtet ist. Durch die Beaufschlagung der gleichbleiben­ den Kolbenfläche mit dem Common-Rail-Druck werden die Steu­ erbewegungen der Düsennadel beim Einspritzvorgang unabhängig von den Absolutdruckverhältnissen im Common-Rail-Druckspei­ cher, weil zur Bewegung des Injektorstößels stets der glei­ che Widerstand, nämlich die Federkraft der Ventilfeder über­ wunden werden muß, so daß die Bewegungskräfte konstant blei­ ben. Dadurch ergeben sich regeltechnisch günstige konstante Schaltzeiten, die durch die jeweilige Bewegungszeit des In­ jektorstößels bestimmt werden.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Kraftstoffeinspritzanlage, bei der die Hochdruckpum­ pe zur Förderung des Kraftstoffs Teil einer Hochdruck-Pum­ peneinheit ist, die sowohl die Mengenzumessung für die Kraftstoffeinspritzung als auch für die Einspritzung von Zu­ satzflüssigkeit bewirken kann. Auf diese Weise kann einer­ seits die üblicherweise eingesetzte M-Pumpe für die Zumes­ sung der Zusatzflüssigkeit eingespart und andererseits die Gesamtanlage kompakter gestaltet werden. Die Hochdruck-Pum­ peneinheit, die wie bisher den Common-Rail-Druckspeicher versorgt, betreibt nun über eine weitere hydraulische Lei­ tung auch eine Trennkolben-Einheit, mit der die von der Hochdruck-Pumpeneinheit vorgegebene Volumenmenge an Zusatz­ flüssigkeit in die Zweistoffdüse abgegeben wird.

Dazu weist bei einer besonderen Ausgestaltung die erfin­ dungsgemäße Hochdruck-Pumpeneinheit einen oder mehrere Hoch­ druckkolben auf, die gegen den Druck von Druckfedern Kraft­ stoff in einem Verdichtungsraum auf ein Druckniveau von über 1000 bar, in der Regel sogar bei nahezu 2000 bar verdichten. Die Hochdruckkolben sind vorzugsweise in Reihe angeordnet und von einer Nockenwelle angetrieben. An einem Ende des Verdichtungsraums außerhalb des Hubweges der Hochdruckkolben ist ein längsbeweglicher, spaltabgedichteter erster Kolben angeordnet, der mittels einer Druckfeder gegen einen eben­ falls längsbeweglich spaltabgedichteten zweiten Kolben ver­ spannt ist. Die Rückseitenfläche des zweiten Kolbens ist ab­ gerundet oder abgeschrägt, so daß ein längsverschiebbarer Bemessungskeil kraftschlüssig daran anliegen und den zweiten Kolben in einer variierbaren relativen Axiallage zum ersten Kolben längsarretieren kann. Vorzugsweise ist zur Verstel­ lung der relativen Lage der beiden Kolben ein ansteuerbarer Elektromotor vorgesehen, der eine Spindel antreibt, welche in ein Gewinde des Bewegungskeils eingreift.

Auch die Trennkolbeneinheit kann erfindungsgemäß eine beson­ dere Ausgestaltung aufweisen, nämlich anstelle eines her­ kömmlichen Trennkolbens eine Membran, die fest in der Trenn­ kolbeneinheit eingespannt ist und den einen Innenraum mit Kraftstoff vom anderen Innenraum mit Zusatzflüssigkeit dich­ tend abtrennt. Dadurch wird die bei Verwendung von herkömm­ lichen Trennkolben nie vollständig vermeidbare, wenn auch geringe Vermischung der Betriebsflüssigkeit des Trennkolbens mit der zu fördernden Flüssigkeit (hier: Zusatzflüssigkeit) sicher vermieden. Um bei sehr heftigen Druckausschlägen ein Zerreißen der Membran zu verhindern, ist vorzugsweise in dem mit Zusatzflüssigkeit beschickten Innenraum der Trennkolben­ einheit ein mechanischer Anschlag vorgesehen, gegen den die Membran anlaufen kann und der ihre maximale Ausdehnung defi­ niert.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegen­ stands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen zu entnehmen.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Kraftstoff­ einspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Be­ schreibung erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Beschaltung eines ersten Ausfüh­ rungsbeispiels der erfindungsgemäßen Kraftstoffein­ spritzanlage mit zwei 2/2-Wegeventilen zur Mengen­ steuerung der Förderung bzw. Einspritzung von Kraft­ stoff und Zusatzflüssigkeit durch eine schematisch im Längsschnitt dargestellte Zweistoffdüse, wobei die Zusatzflüssigkeitsleitung zur Zweistoffdüse von einem Trennkolbensystem mit Gleichdruckventilanord­ nung beschickt wird; und

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit Hochdruck-Pum­ peneinheit zur Beschickung des Common-Rail-Druck­ speichers und gleichzeitigen Volumenzumessung von Zusatzflüssigkeit in einer Trennkolbeneinheit, die mit einer Membran ausgestaltet ist.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Bei dem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzanlage für eine Brennkraftmaschine zur bifluiden Einspritzung von Kraftstoff (in der Regel Dieselkraftstoff) und einer Zusatzflüssigkeit (in der Regel Wasser) versorgt eine Hochdruckpumpe 1 einen Common-Rail-Druckspeicher 2 mit Kraftstoff auf einem Druck­ niveau von etwa 1800 bar. Zwischen dem Common-Rail-Druck­ speicher 2 und einem von diesem über eine Einspritzleitung 6 mit Kraftstoff zu versorgenden Druckraum 3.5, der die Düsen­ nadel 3.1 einer Zweistoffdüse 3 umgibt, muß nun ein mengen­ dosierendes Bauelement angeordnet werden, da ja die früher übliche klassische Einspritzpumpe durch die Kombination aus Common-Rail-Druckspeicher 2 und der einfacheren Hochdruck­ pumpe 1 ersetzt wurde und der Raildruck auf einem gewissen Niveau ständig vorhanden ist. Diese Aufgabe übernimmt bei der erfindungsgemäßen Anordnung ein erstes 2/2-Wegeventil MV1. Dieses sollte als schnelles Magnetventil mit guter Re­ produzierbarkeit und mehr oder weniger fließendem Übergang zwischen den beiden Extremstellungen ausgelegt sein, da eventuell ein zeitlich gestaltbarer Einspritzmengenverlauf benötigt wird. Die genaue Mengendosierung wird über den be­ kannten (gemessenen oder gesteuerten) Druckabfall zwischen dem Commom-Rail-Druckspeicher 2 und dem von der Zweistoffdü­ se 3 zu versorgenden Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine durch ein genaues Zeitfenster, dessen Größe von anderen Ein­ flußfaktoren abhängt, über eine elektrische Ansteuerung, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist, ermöglicht.

Der Aufbau und die Wirkungsweise der verwendeten Zweistoff­ düse 3 ist abgesehen von kleineren Details aus dem Stand der Technik bekannt. Beim erfindungsgemäßen System ist jedoch zusätzlich an dem der Düsennadelspitze abgewandten stumpfen axialen Ende der Düsennadel (Injektorstößel) 3.1 ein kleiner Kolben 3.3 vorgesehen, der mit seinem der Düsennadel 3.1 ab­ gewandten Ende in einen Raum 3.6 ragt, welcher über eine Leitung 4 direkt mit dem Common-Rail-Druckspeicher 2 verbun­ den ist und mit dem dort herrschenden Hochdruck beaufschlagt wird. Dies hat zur Folge, daß zur Bewegung des Injektorstö­ ßels 3.1 stets die im wesentlichen gleiche Widerstandskraft überwunden werden muß, da nun bedingt durch die konstanten Kolbenflächenverhältnisse und das Ausschalten der Einflüsse des Absolutdrucks im Common-Rail-Druckspeicher 2 nur ein konstanter Federdruck von einem Druckimpuls aus dem (verän­ derlichen) Raildruck überwunden werden muß. Damit stellen sich regeltechnisch willkommenere, annähernd konstante Schaltzeiten (Bewegungszeit des Injektorstößels) ein. Zur Belüftung des Raumes 3.2, der das stumpfe axiale Ende der Düsennadel 3.1 aufnimmt, und der gegen den Raum 3.6 hoch­ druckmäßig abgedichtet ist, ist eine zur Kraftstoff-Nieder­ druckseite hin führende Belüftungsleitung 5 vorgesehen.

Für die Einbringung von Zusatzflüssigkeit muß nun, wie im Prinzip aus dem Stand der Technik an sich bekannt, ein Weg für den durch die Zusatzflüssigkeit zu verdrängenden Kraft­ stoff aus der Zweistoffdüse 3 freigegeben werden. Dies ge­ schieht durch geeignetes Beschalten eines zweiten 2/2-Wege­ ventils MV2, dessen Eingang über eine Zufuhrleitung 7 mit der Einspritzleitung 6 und dessen Ausgang über eine Abfuhr­ leitung 8 mit der Kraftstoff-Niederdruckseite verbunden ist. Wenn Zusatzflüssigkeit zudosiert werden soll, ist das erste 2/2-Wegeventil MV1 geschossen und das zweite 2/2-Wegeventil wird auf Durchgang geschaltet. Dadurch entweicht unter Hoch­ druck stehender Kraftstoff aus dem Druckraum 3.5 über die Einspritzleitung 6, die Zufuhrleitung 7, die Abfuhrleitung 8 und ein Rückschlagventil 9 zur Kraftstoff-Niederdruckseite, in der Regel den Kraftstofftank. Dadurch kann Zusatzflüssig­ keit von einer zur Zweistoffdüse 3 führenden Zusatzflüssig­ keitsleitung 15 über ein Rückschlagventil 3.4 (mit p₀ = 15 bar) in den Druckraum 3.5 nachströmen. Die fluidführenden Bohrungen der Zweistoffdüse 3 und die Leitungslängen müssen allerdings so dimensioniert werden und die Leitungen so an­ gebracht sein, daß keine Zusatzflüssigkeit in den Kraft­ stofftank gelangen kann.

Vor dem eigentlichen Einspritzvorgang der Zusatzflüssigkeit muß die richtige Menge derselben zugemessen und bei noch niedrigem Systemdruck in die Zweistoffdüse 3 gefördert wer­ den. Dies wird mittels einer sogenannten M-Pumpe 13 bewirkt, die eine Betriebsflüssigkeit auf einem Vordruckniveau von ungefähr 2,5 bar in einen Trennkolben-Adapter 10 mit einem Trennkolben 11 und einem Gleichdruckventil 12 fördert. Der Trennkolben-Adapter 10 separiert die Betriebsflüssigkeit (in der Regel Dieselkraftstoff) der M-Pumpe 13 von der einzu­ bringenden Zusatzflüssigkeit (in der Regel Wasser). Dabei wird die Wasserseite eines Laufzylinders im Trennkolben 11 von einer Füllpumpe 14 über ein Rückschlagventil 16 mit Zu­ satzflüssigkeit auf niedrigem Druck (p < 2 bar) beschickt. Zum richtigen Zeitpunkt vor der eigentlichen Einspritzung, also zwischen den Einspritztakten, wird von der M-Pumpe 13 eine gewünschte Menge an Betriebsflüssigkeit mit einem höhe­ ren Druck als demjenigen, mit dem das Rückschlagventil 3.4 der Zweistoffdüse 3 eingestellt ist, an den Trennkolben 11 abgegeben. Dadurch wird die Menge an Zusatzflüssigkeit, die auf der anderen Seite des Trennkolbens 11 der Menge an Be­ triebsflüssigkeit der M-Pumpe 13 entspricht, über das Gleichdruckventil 12 an die Zusatzflüssigkeitsleitung 15 weitergegeben. Das Gleichdruckventil 12 dient zur Druckent­ spannung bzw. zur richtigen Vordruckversorgung der Zusatz­ flüssigkeitsleitung 15 zwischen dem Trennkolben-Adapter 11 und der Zweistoffdüse 3.

Das zweite 2/2-Wegeventil MV2 kann übrigens ein relativ ein­ faches und kostengünstigeres Ventil als das erste 2/2 -Wege­ ventil MV1 sein, da die Exaktheit des letzteren für die Funktion der Kraftstoffverdrängung aus dem Druckraum 3.5 zum Zwecke der Vorlagerung von Zusatzflüssigkeit nicht unbedingt benötigt wird und im übrigen nur ein eindeutiges ja/nein- Verhalten des Ventils MV2 erforderlich ist.

Das in Fig. 2 dargestellt weitere Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzanlage unterscheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform einerseits durch eine Hochdruck-Pumpeneinheit 20, die außer der Be­ schickung des Common-Rail-Druckspeichers 2 auch noch die Vo­ lumenzumessung für Zusatzflüssigkeit übernimmt, andererseits durch eine Modifikation der Trennkolbeneinheit 40, die nun­ mehr anstelle eines herkömmlichen Trennkolbens eine Membran 43 aufweist.

Die Hochdruck-Pumpeneinheit 20 wird von einer Füllpumpe 19 beschickt, die aus einem Kraftstofftank 34 Kraftstoff ent­ nimmt und auf einem Druckniveau von ungefähr 6 bar über ein Rückschlagventil 29.1 in einen Verdichtungsraum 24 der Hoch­ druck-Pumpeneinheit 20 fördert. Mehrere von einer Nockenwel­ le 21 angetriebene, vorzugsweise in Reihe angeordnete Hoch­ druckkolben 22, die jeweils durch Druckfedern 23 gegen die Nocken der Nockenwelle 21 zurückgepreßt werden, bewirken während ihres Hubes jeweils eine Verdichtung des Kraftstoffs im Druckraum 24. Dadurch wird bei Überschreiten eines be­ stimmten Schwellendrucks ein in der Hochdruck-Pumpeneinheit 20 integriertes Auslaßventil 29.2 geöffnet und Kraftstoff auf einem Druckniveau von ungefähr 1800 bar in den Common- Rail-Druckspeicher 2 gefördert, dessen Binnendruck über ein Druckregelventil 32 konstant gehalten bzw. auf das gewünsch­ te Niveau geregelt wird.

Um nun über eine hydraulische Leitung 31 die Trennkolbenein­ heit 40 mit einem jeweils für eine bestimmte Zweistoffdüse 3 gewünschten Volumen beschicken zu können, das als Zusatz­ flüssigkeitsvolumen über die Zusatzflüssigkeitsleitung 15 abgegeben wird, ist in der Hockdruck-Pumpeneinheit 20 fol­ gende Anordnung vorgesehen: Seitlich am Verdichtungsraum 24 außerhalb des Hubbereichs der Hochdruckkolben 22 ist ein längsbeweglicher spaltabgedichteter erster Kolben 25 ange­ ordnet, der mittels einer Druckfeder 26 von einem zweiten Kolben 27 auseinandergespannt ist. Der zweite Kolben 27 weist an seiner dem ersten Kolben 25 abgewandten Rückseiten­ fläche eine abgerundete oder angeschrägte Kuppe auf, an der ein längsverschiebbarer Bemessungskeil 28 kraftschlüssig an­ liegt. Durch entsprechende Verschiebung des Bemessungskeils 28 kann daher die relative axiale Lage des zweiten Kolbens 27 gegenüber dem ersten Kolben 25 variiert werden. Der An­ trieb des Bemessungskeiles 28 erfolgt über eine von einem Elektromotor 30 angetriebene Spindel, die in ein geeignetes Gewinde im Bemessungskeil 28 eingreift und diesen bei Rota­ tion des Elektromotors 30 in seiner Längsrichtung ver­ schiebt.

Wenn einer der Hochdruckkolben 22 nun einen Verdichtungshub durchführt und den Kraftstoff im Verdichtungsraum 24 mit Druck beaufschlagt, wird der erste Kolben 25 gegen die Kraft der Druckfeder 26 in Richtung auf den rückseitig durch den Bemessungskeil 28 längsarretierten zweiten Kolben 27 ver­ schoben. Bei entsprechender Bemessung der Federkenngrößen der Druckfeder 26 kann der erste Kolben 25 während des Hoch­ druckverdichtungsvorgangs durch den entsprechenden Hoch­ druckkolben 22 seinerseits so lange Ausschiebearbeit ver­ richten, bis er an den zweiten Kolben 27 anschlägt. Damit wird ein genau definiertes Kraftstoffvolumen aus dem die Druckfeder 26 enthaltenden Raum zwischen den beiden Kolben 25 und 27 über die hydraulische Leitung 31 an die Trennkol­ beneinheit 40 weitergegeben. Während eines Ansaugtaktes, wenn der Verdichtungsraum 24 in seinem Volumen vergrößert wird, entfernt sich der erste Kolben 25 aufgrund der Feder­ kraft der Druckfeder 26 wieder axial vom zweiten Kolben 27 und es kann über ein Einlaß-Rückschlagventil 29.3 Kraftstoff von der Füllpumpe 19 in den Raum zwischen den beiden Kolben 25 und 27 eingefüllt werden.

Das von der Hochdruck-Pumpeneinheit 20 über die hydraulische Leitung 31 an die Trennkolbeneinheit 40 weitergegebene Volu­ men an Kraftstoff gelangt in einen ersten Innenraum 41 der Trennkolbeneinheit 40, welcher mittels der druckfest einge­ spannten Membran 43 von einem weiteren Innenraum 42, der Zu­ satzflüssigkeit enthält, dichtend abgetrennt ist. Entspre­ chend dem jeweiligen Volumenstoß an gefördertem Kraftstoff dehnt sich die Membran 43 mit exakt gleicher Volumenverdrän­ gung in den Innenraum 42 aus, wodurch die entsprechende Men­ ge an Zusatzflüssigkeit über die Zusatzflüssigkeitsleitung 15 an einen oder mehrere Zweistoffdüsen 3, die in Fig. 2 durch parallele Pfeile angedeutet sind, weitertransportiert wird.

Falls das geodätische Gefälle zur Förderung der Zusatzflüs­ sigkeit nicht ausreicht, wird die letztere mittels einer Füllpumpe 46 aus einem Zusatzflüssigkeitsbehälter 45 über ein Rückschlagventil 47 in den Innenraum 42 der Trennkolben­ einheit 40 gefördert.

Da der Druck für die Einspritzung von Zusatzflüssigkeit we­ sentlich niedriger (ca. 20. . .30 bar) als der niedrigste Druck im Common-Rail-Druckspeicher 2 (ca. 500 bar) ist, wird eine Bewegbarkeit des ersten Kolbens 25 für die indirekte Zumessung von Zusatzflüssigkeit während der Verdichtungspha­ se der Hochdruckkolben 22 gut möglich sein. Die für die Men­ genzumessung an Zusatzflüssigkeit bestimmte Menge an Kraft­ stoff wird, wie schon oben beschrieben, ziemlich genau durch die Stellung und den dadurch gebotenen Anschlag der Kolben 25 und 27, des Bemessungskeils 28, der wiederum von der Ge­ windespindel des Elektromotors 30 verstellt werden kann, vorgegeben. Der Elektromotor 30 erhält seinen Stell-Befehl von einem in der Zeichnung nicht dargestellten Motormanage­ ment.

Da der Dieselmengenausschub für die Wassermengenzumessung während der Hochverdichtungsphase der Hochdruckkolben 22 vor sich geht und nicht zum richtigen Wassereinspritz-Zeitpunkt, muß zum richtigen Zeitpunkt das zweite 2/2-Wegeventil MV2 des richtigen Injektors 3 zur Wasservoreinlagerung beschal­ tet werden, um die von der Wassermenge zu verdrängende Die­ selmenge im Injektor 3 freizugeben.

Wenn man eine bestimmte, vorläufig unveränderte Stellpositi­ on des Bemessungskeils 28 voraussetzt und den ersten Kolben 25 seine Ausstoßarbeit und seine Ansaugvorgänge verrichten läßt, so ist im Zusammenwirken mit der zurückfedernden Mem­ brane 43 der Trennkolbeneinheit 40 in den Räumen "Membran- Dieselseite", "Leitung 31" und im "Verdichtungsraum der Kol­ ben 25 und 27" so etwas wie ein abgeschlossenes hydrauli­ sches System vorhanden, d. h. es wird immer nur Dieselkraft­ stoff hin- und hergeschoben. Zuschub von der Diesel-Füllpum­ pe 19 erhält das System nur, wenn z. B. durch Kolbenleckage der Kolben 25 und 27 Ansaugdefekte entstehen würden. Wenn nun der Bemessungskeil 28 nach unten gezogen wird, also in Richtung größerer Volumenstöße, so ist ebenfalls ein Ansaug­ defekt vorhanden. Der erste Kolben 25 erhält von der Diesel- Füllpumpe 19 die fehlende Menge. Die gewollte Folge ist, daß natürlich die Membran 43 pro Hub weiter ausgelenkt wird als vorher.

Im "abgeschlossenen hydraulischen System" ist nun aber mehr Volumen vorhanden als in der vorhergehenden Stellung des Be­ messungskeils 28. Wenn nun weiterhin der Bemessungskeil 28 im Rahmen der übergeordneten Leistungsanpassung wieder er­ heblich zurückgestellt wird, so ist jetzt evtl. soviel Volu­ men im System vorhanden, daß die Membran 43 in ihre "Null­ stellung" nicht mehr zurückkehrt, wohl aber ihre Sollhübe, die nun kleiner sind, noch absolviert. Es ist also eine Mem­ brandrift vorhanden. Diese kann, wenn lebhaft verstellt wird, was oftmals der Fall sein wird, soweit gehen, daß eine Überlastung der Membran 43 droht. Um dies zu vermeiden, soll in derartigen Fällen die Membran 43 an einen Anschlag 44 im Innenraum 42 anstoßen.

Es wird sich kurz ein Überdruck im System aufbauen, dessen verursachendes Volumen über ein Überdruck-Rückschlagventil 29.4, das vorzugsweise in der Hochdruck-Pumpeneinheit 20 in­ tegriert ist, sowie über eine Entlastungsleitung 33 an den Kraftstofftank 34 abgesteuert wird. Es kommt nur einmal kurz zu einer Wassermengen-Fehlsteuerung (evtl. nur etwas zu we­ nig eingespritzt, - kein Totalausfall!), was kaum eine dra­ matische Folge für die Vermeidung von Stickoxid während der vielen anderen wohlgeregelten Verbrennungsvorgänge haben wird.

Falls eine Wassereinspritzung nicht benötigt wird, kann im übrigen mittels Elektromotor 30, bzw. damit bewegtem Bemes­ sungskeil 28, die Wassermenge auf Null herabgefahren werden. Die Kolben 25 und 27 werden dabei einfach mehr oder weniger zusammengepreßt, so daß der erste Kolben 25 keinen Arbeits­ hub mehr vollbringen kann.

Um eine einwandfreie ungestörte Bedienung der Injektoren 3 mit der entsprechenden Wassermenge zu gewährleisten, wäre es auf den ersten Blick nötig, für jeden Injektor 3 einen Hoch­ druckkolben 23 mit daranhängenden Kolben 25 und 27, sowie je eine Trennkolbeneinheit 40 zu installieren.

Dies ist jedoch für übliche Nutzfahrzeug-Dieselmotoren mit vielen Arbeitszylindern sehr kostenaufwendig und erfordert überdies erhebliches Bauvolumen. Man kann derartige Kosten und Bauvolumina reduzieren, indem man durch einige wenige Wassermengenversorgungstrakte ganze Gruppen von Injektoren oder alle Injektoren versorgen läßt.

Wenn man eine derartige Aufteilung vornimmt, muß man darauf achten, daß kein Umpumpen der Kolben 25 stattfindet. D.h. es darf nicht sein, daß ein Kolben 25 gerade ansaugt, während ein anderer Kolben 25 Diesel-Menge an die Trennkolbeneinheit 40 sendet. Diese Voraussetzung ist bezüglich dem zeitlichen Ablauf der Arbeitstakte zu organisieren. Aus diesen Überle­ gungen wird sich in der Planung die mögliche Reduzierung, bzw. unbedingt nötige Anzahl der Hochdruckkolben 22 und de­ ren konstruktiver Anhang für die Wassermengenversorgung er­ geben, falls wegen Druck-Pulsation im Common-Rail-Druckspei­ cher etc. nicht sonstige Argumente im Wege stehen.

In ähnlicher Weise kann man Kosten reduzieren, wenn man eine Bemessungskeil-Elektromotor-Anordnung wiederum Gruppen von Kolben 25 und 27 bedienen läßt.

Claims (20)

1. Kraftstoffeinspritzanlage für eine Brennkraftmaschine mit einer Hochdruckpumpe (1) zur Förderung des Kraft­ stoffes, vorzugsweise Dieselkraftstoff, in eine Zwei­ stoffdüse (3) sowie mit einer Fördereinrichtung zur Förderung einer über ein Rückschlagventil (3.4) geführ­ ten Zusatzflüssigkeit, vorzugsweise Wasser, in eine zu der Zweistoffdüse (3) führende Zusatzflüssigkeitslei­ tung (15), welche mit einem eine Düsennadel (3.1) der Zweistoffdüse (3) umgebenden Druckraum (3.5) verbunden ist, ferner mit einer Ventilanordnung zum Vorlagern der Zusatzflüssigkeitsmenge in der Zweistoffdüse (3), wobei das Öffnen und Schließen der Düsennadel (3.1) durch den Druck eines mit Kraftstoff unter Hochdruck gefüllten Common-Rail-Druckspeichers (2) erfolgt, die Ventilan­ ordnung zumindest teilweise in der Einspritzleitung (6) angeordnet ist und beim Vorlagern der Zusatzflüssigkeit die Kraftstoffzufuhr zur Einspritzdüse (3) unterbricht und den Druckraum (3.5) mit einer Kraftstoff-Nieder­ druckseite verbindet, und ansonsten die Verbindung zur Kraftstoff-Niederdruckseite unterbricht und den Druck­ raum (3.5) mit Hochdruckkraftstoff beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes 2/2-Wegeventil (MV1) in der Einspritz­ leitung (6) zwischen dem Common-Rail-Druckspeicher (2) und dem Druckraum (3.5) sowie ein zweites 2/2-Wegeven­ til (MV2), dessen Eingang über eine Zufuhrleitung (7) mit der Einspritzleitung (6) an einer Stelle zwischen dem ersten 2/2-Wegeventil (MV1) und dem Druckraum (3.5), und dessen Ausgang über eine Abfuhrleitung (8) mit der Kraftstoff-Niederdruckseite verbunden ist, vor­ gesehen sind.

2. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in der Abfuhrleitung (8) zwischen dem zweiten 2/2-Wegeventil (MV2) und der Kraftstoff-Nieder­ druckseite ein Rückschlagventil (9) vorgesehen ist.

3. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß an dem der Düsennadelspitze abgewandten stumpfen axialen Ende der Düsennadel (3.1) in deren axialer Verlängerung ein Kolben (3.3) fest, vorzugsweise einstückig mit der Düsennadel (3.1) ver­ bunden ist, welcher mit seinem der Düsennadel (3.1) ab­ gewandten axialen Ende in einen Raum (3.6) ragt, der gegen den das stumpfe axiale Ende der Düsennadel (3.1) aufnehmenden Raum (3.2) der Zweistoffdüse (3) druckfest abgedichtet und mit dem im Common-Rail-Druckspeicher (2) herrschenden Hochdruck beaufschlagt ist.

4. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der das stumpfe axiale Ende der Dü­ sennadel (3.1) aufnehmende Raum (3.2) über eine Belüf­ tungsleitung (5) mit der Kraftstoff-Niederdruckseite verbunden ist.

5. Kraftstoffeinspritzanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruck­ pumpe (1) zur Förderung des Kraftstoffes Teil einer Hochdruck-Pumpeneinheit (20) ist, die sowohl die Men­ genzumessung für die Kraftstoffeinspritzung als auch für die Einspritzung von Zusatzflüssigkeit bewirken kann.

6. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Füllpumpe (19) vorgesehen ist, die die Hochdruck-Pumpeneinheit (20) über ein Rück­ schlagventil (29.1), das vorzugsweise in der Hochdruck- Pumpeneinheit (20) integriert ist, mit Kraftstoff vor­ zugsweise auf einem Druckniveau < 10 bar versorgt.

7. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 5 oder 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Common-Rail-Druckspeicher (2) von der Hochdruck-Pumpeneinheit (20) über ein vor­ zugsweise in der Hochdurck-Pumpeneinheit (20) inte­ griertes Auslaß-Rückschlagventil (29.2) mit Kraftstoff vorzugsweise auf einem Druckniveau < 1000 bar versorgt wird.

8. Kraftstoffeinspritzanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckregel­ ventil (32) in einer Leitung zwischen dem Common-Rail- Druckspeicher (2) und der Kraftstoff-Niederdruckseite vorgesehen ist.

9. Kraftstoffeinspritzanlage nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruck-Pum­ peneinheit (20) einen oder mehrere Hochdruckkolben (22) umfaßt, die gegen den Druck von Druckfedern (23) Kraft­ stoff in einem Verdichtungsraum (24) in der Hochdruck- Pumpeneinheit (29) auf ein Druckniveau < 1000 bar ver­ dichten können.

10. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hochdruckkolben (22) in Reihe an­ geordnet sind und von einer Nockenwelle (21) angetrie­ ben werden.

11. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 9 oder 10, da­ durch gekennzeichnet, daß an einem Ende des Verdich­ tungsraums (24), vorzugsweise seitlich außerhalb des Hubweges der Hochdruckkolben (22) ein längsbeweglicher, spaltabgedichteter erster Kolben (25) angeordnet und mittels einer Druckfeder (26) gegen einen ebenfalls längsbeweglich spaltabgedichteten zweiten Kolben (27) auseinandergespannt ist.

12. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die dem ersten Kolben (25) abgewandte Rückseitenfläche des zweiten Kolbens (27) abgerundet oder angeschrägt ist, und daß ein längsverschiebbarer Bemessungskeil (28) kraftschlüssig an der Rückenfläche des zweiten Kolbens (27) anliegt und diesen in einer variierbaren relativen axialen Lage zum ersten Kolben (25) längsarretiert.

13. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein vorzugsweise elektronisch ansteu­ erbarer Elektromotor (30) vorgesehen ist, der eine Spindel antreiben kann, welche in ein Gewinde des Be­ messungskeiles (28) eingreift und diesen bei Rotation in seiner Längsrichtung verschieben kann.

14. Kraftstoffeinspritzanlage nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Trennkolbeneinheit (40) vorgesehen ist, die zwei voneinander dichtend ge­ trennte Innenräume (41, 42) aufweist, von denen einer (41) von der Hochdruck-Pumpeneinheit (20) über eine hy­ draulische Leitung (31) mit Kraftstoff, der andere (42) mit Zusatzflüssigkeit aus einem Vorratsbehälter (45) beschickt werden kann, wobei durch die Beschickung des einen Innenraums (41) mit Kraftstoff das Volumen des anderen Innenraumes (42) verkleinert und dadurch eine definierte Menge an Zusatzflüssigkeit an die zur Zweistoffdüse (3) führende Zusatzflüssigkeitsleitung (15) abgegeben werden kann.

15. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Trennkolbeneinheit (40) anstelle eines Trennkolbens eine Membran (43) aufweist, die fest in der Trennkolbeneinheit (40) eingespannt ist und den einen Innenraum (41) mit Kraftstoff vom anderen Innen­ raum (42) mit Zusatzflüssigkeit dichtend abtrennt.

16. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß auf der der Membran (43) gegenüber­ liegenden Seite des mit Zusatzflüssigkeit beschickten anderen Innenraumes (42) ein der Membran (43) entgegen­ ragender mechanischer Anschlag (44) vorgesehen ist.

17. Kraftstoffeinspritzanlage nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß von der hydrauli­ schen Leitung (31) eine zu einem Kraftstofftank (34) führende Entlastungsleitung (33) abzweigt, die ein Überdruck-Rückschlagventil (29.4) enthält, welches vor­ zugsweise in der Hochdruck-Pumpeneinheit (20) inte­ griert ist.

18. Kraftstoffeinspritzanlage nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Innen­ raum (42) der Trennkolbeneinheit (40) von einer Füll­ pumpe (46) über ein Rückschlagventil (47) mit Zusatz­ flüssigkeit beschickt wird.

19. Verfahren zum Betrieb einer Kraftstoffeinspritzanlage nach den Ansprüchen 11 und 14 sowie ggf. einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeich­ net, daß mit einem Hochdruckkolben (22) und dem daran angeschlossenen ersten Kolben (25) und zweiten Kolben (27) sowie der Trennkolbeneinheit (40) jeweils eine ganze Gruppe von Zweistoffdüsen (3) mit Kraftstoff und Zusatzflüssigkeit beschickt wird.

20. Verfahren zum Betrieb einer Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Elektromotor (30), einer Spindel und einem Bemessungs­ keil (28) eine ganze Gruppe von ersten Kolben (25) und zugehörigen zweiten Kolben (27) bedient wird.