DE19939423A1

DE19939423A1 - Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19939423A1
Application number: DE19939423A
Authority: DE
Inventors: Bernd Mahr; Martin Kropp; Hans-Christoph Magel; Wolfgang Otterbach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-08-20
Filing date: 1999-08-20
Publication date: 2001-03-01
Also published as: US6688277B1; EP1123463A1; ATE292238T1; WO2001014727A1; EP1123463B1; DE50009918D1; JP2003507651A

Abstract

Bei einem Kraftstoffeinspritzsystem (1) für eine Brennkraftmaschine, bei dem Kraftstoff mit mindestens zwei unterschiedlich hohen Kraftstoffdrücken über Injektoren (10; 61) in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann, ist parallel zu einer Bypaßleitung (19) ein hydraulischer Druckübersetzer (11) zur Erzeugung des höheren Kraftstoffdruckes vorgesehen, wobei der Druckübersetzer (11) über eine Ventileinheit (13) aktivierbar und deaktivierbar ist. Da der Druckübersetzer nicht permanent im Betrieb ist und auch die Verluste durch Reibung reduziert sind, ist der Wirkungsgrad verbessert.

Description

Stand der Technik

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

Ein derartiges Einspritzsystem ist beispielsweise durch die EP 0 711 914 A1 bekanntgeworden.

Zum besseren Verständnis der nachfolgenden Beschreibung werden zunächst einige Begriffe näher erläutert: Bei einem druckgesteuerten Kraftstoffeinspritzsystem wird durch den im Düsenraum eines Injektors herrschenden Kraftstoffdruck ein Ventilkörper (z. B. eine Düsennadel) gegen die Wirkung einer Schließkraft aufgesteuert und so die Einspritzöff nung für eine Einspritzung des Kraftstoffes freigegeben. Der Druck, mit dem Kraftstoff aus dem Düsenraum in den Zy linder austritt, wird als Einspritzdruck bezeichnet. Unter einem hubgesteuerten Kraftstoffeinspritzsystem wird im Rahmen der Erfindung verstanden, daß das Öffnen und Schließen der Einspritzöffnung eines Injektors mit Hilfe eines verschieblichen Ventilglieds aufgrund des hydrauli schen Zusammenwirkens der Kraftstoffdrücke in einem Düsen raum und in einem Steuerraum erfolgen. Weiterhin ist im folgenden eine Anordnung als zentral bezeichnet, wenn sie gemeinsam für alle Zylinder vorgesehen ist, und als lokal, wenn sie für nur einen einzelnen Zylinder vorgesehen ist.

Bei dem aus der EP 0 711 914 A1 bekannten druckgesteuerten Kraftstoffeinspritzsystem wird mit Hilfe einer Hochdruck pumpe Kraftstoff auf einen ersten hohen Kraftstoffdruck von etwa 1200 bar komprimiert und in einem ersten Druck speicher gespeichert. Weiterhin wird der unter Hochdruck stehende Kraftstoff auch in einen zweiten Druckspeicher gefördert, in welchem durch Regelung seiner Kraftstoffzu fuhr mittels eines 2/2-Wegventils ein zweiter hoher Kraft stoffdruck von ca. 400 bar aufrechterhalten wird. Über ei ne Ventilsteuereinheit wird entweder der tiefere oder hö here Kraftstoffdruck in den Düsenraum eines Injektors ge leitet. Dort wird durch den Druck ein federbelasteter Ven tilkörper von seinem Ventilsitz abgehoben, so daß Kraft stoff aus der Düsenöffnung austreten kann.

Nachteilig bei diesem bekannten Kraftstoffeinspritzsystem ist, daß zunächst der gesamte Kraftstoff erst auf das hö here Druckniveau komprimiert werden muß, um dann einen Teil des Kraftstoffs wieder auf das tiefere Druckniveau zu entlasten. Außerdem sind zwei Druckspeicher erforderlich, um die beiden Kraftstoffdrücke zu lagern. Die Hochdruck pumpe ist, da sie von der Nockenwelle des Motors angetrie ben wird, dauerhaft im Betrieb und zwar auch dann, wenn der gewünschte Druck im jeweiligen Druckspeicher bereits aufgebaut ist. Diese permanente Hochdruckerzeugung und die nachfolgende Entlastung auf das Niederdruckniveau stehen einem besseren Wirkungsgrad entgegen. Bei Verwendung von Hochdruckspeichern ist der Kraftstoffdruck aus Festig keitsgründen derzeit auf maximal ca. 1800 bar beschränkt.

Aus der WO 98/09068 ist ein hubgesteuertes Einspritzsystem bekannt, bei dem ebenfalls zwei Druckspeicher zur Lagerung der beiden Kraftstoffdrücke vorgesehen sind. Für jeden Druckspeicher ist eine eigene Hochdruckpumpe vorgesehen, die dauerhaft im Betrieb ist und zwar auch dann, wenn der gewünschte Druck im jeweiligen Druckspeicher bereits auf gebaut ist.

Vorteile der Erfindung

Zur Verbesserung des Wirkungsgrads wird erfindungsgemäß ein zweites höheres Druckniveau mittels eines Drucküber setzers erzeugt. Da dieser übersetzte Druck nicht in einem Druckspeicher gelagert wird, kann ein höherer Einspritz druck erreicht werden. Die beiden Druckniveaus können zur Darstellung einer flexiblen Einspritzung wie einer boot förmigen Einspritzung, Vor- und Nacheinspritzung verwendet werden.

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

Zeichnung

Verschiedene Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystemen mit einer hydraulischen Druck übersetzungseinheit, bei denen Kraftstoff mit zwei unter schiedlich hohen Kraftstoffdrücken eingespritzt wird, sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und in der nach folgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Kraftstoffeinspritzsystem mit druckge steuerten Injektoren und einer zentralen Druck übersetzungseinheit;

Fig. 2 ein zweites Einspritzsystem mit druckgesteuerten Injektoren und jeweils einer für jeden Injektor vorgesehenen lokalen Druckübersetzungseinheit;

Fig. 3 ein drittes Einspritzsystem mit druckgesteuerten Injektoren und jeweils einer modifizierten loka len Druckübersetzungseinheit für jeden Injektor; und

Fig. 4 ein viertes Einspritzsystem mit hubgesteuerten Injektoren und jeweils der modifizierten lokalen Druckübersetzungseinheit für jeden Injektor.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Bei dem in Fig. 1a dargestellten ersten Ausführungsbei spiel eines druckgesteuerten Kraftstoffeinspritzsystems 1 fördert eine Hochdruckpumpe 2 Kraftstoff 3 aus einem Vor ratstank 4 über eine Förderleitung 5 zu einer zentralen Druckübersetzungseinheit 6 mit hohem Druck, der durch Be stromen eines 2/2-Wege-Ventils 7 aufgebaut wird. Die Hoch druckpumpe 2 kann einen ersten (tieferen) Kraftstoffdruck von ca. 300 bis ca. 1000 bar erzeugen und z. B. eine Nocken pumpe mit Spritzversteller ähnlich der aus DE 35 16 867 A1 bekannten Verteilereinspritzpumpe sein.

Über die zentrale Druckübersetzungseinheit 6 kann bei Be darf ein noch höherer Kraftstoffdruck erzeugt werden. Durch Nutzung von Wellenausbreitungseffekten läßt sich ein Einspritzdruck von über 2000 bar realisieren. Der jeweils anstehende Kraftstoffdruck wird dann von einer zentralen Verteilereinrichtung 8 auf mehrere, der Anzahl einzelner Zylinder entsprechende Hochdruckleitungen 9 verteilt, die zu den einzelnen, in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragenden Injektoren 10 (Einspritzein richtung) abführen. In Fig. 1 ist lediglich einer der In jektoren 10 näher dargestellt.

Die zentrale Druckübersetzungseinheit 6 umfaßt einen Druckübersetzer 11 mit einem Druckmittel 12 in Form eines verschieblichen Kolbenelements, das einenends mit Hilfe einer Ventileinheit 13 an die Förderleitung 5 angeschlos sen werden kann, so daß es durch den in einer Primärkammer 14 befindlichen Kraftstoff einenends druckbeaufschlagt wird. Ein Differenzraum 15 ist mittels einer Leckagelei tung 16 druckentlastet, so daß das Druckmittel 12 zur Ver ringerung des Volumens einer Druckkammer 17 in Kompressi onsrichtung verschoben werden kann. Dadurch wird der in der Druckkammer 17 befindliche Kraftstoff entsprechend dem Flächenverhältnis von Primärkammer 14 und Druckkammer 17 auf den höheren Kraftstoffdruck verdichtet. Die Befüllung der Druckkammer 17 erfolgt über ein im Druckmittel 17 vorgesehenes Rückschlagventil 18. Der Druckübersetzer 11 kann durch eine parallele Bypaßleitung 19 umgangen werden, die mittels der Ventileinheit 13 akti vierbar bzw. deaktivierbar ist. In Fig. 1a ist die Ventil einheit 13 vor dem Druckübersetzer 11 und als 3/2-Wege- Ventil ausgebildet. Die Teile 11, 13 und 19 bilden die zentrale Druckübersetzungseinheit 6.

Der an der Verteilereinrichtung 8 jeweils anstehende Kraftstoffdruck wird über die Druckleitung 9 in einen Dü senraum 20 des Injektors 10 geleitet. Die Einspritzung er folgt druckgesteuert mit Hilfe eines in einer Führungsboh rung axial verschiebbaren kolbenförmigen Ventilglieds 21 (Düsennadel), dessen konische Ventildichtfläche 22 mit ei ner Ventilsitzfläche am Injektorgehäuse zusammenwirkt und so die dort vorgesehenen Einspritzöffnungen 23 ver schließt. Innerhalb des Düsenraums 20 ist eine in Öff nungsrichtung des Ventilglieds 21 weisende Druckfläche des Ventilgliedes 21 dem dort herrschenden Druck ausgesetzt, wobei sich der Düsenraum 20 über einen Ringspalt zwischen dem Ventilglied 21 und der Führungsbohrung bis an die Ven tildichtfläche 22 des Injektors 10 fortsetzt. Durch den im Düsenraum 20 herrschenden Druck wird das die Einspritzöff nungen 23 abdichtende Ventilglied 21 gegen die Wirkung ei ner Schließkraft (Schließfeder 24) aufgesteuert, wobei der Federraum 25 mittels einer Leckageleitung 26 druckentla stet ist. Hinter der Verteilereinrichtung 8 ist für jeden Injektor 10 jeweils noch eine Rückschlagventilanordnung 27 vorgesehen, die den Kraftstoff in Richtung Injektor 10 über ein erstes Rückschlagventil 28 durchläßt und den Rückfluß von Kraftstoff aus dem Injektor 10 mittels einer Drossel 29 und eines zweiten Rückschlagventils 30 zur Ent lastung der Verteilereinrichtung 8 und zum Druckabbau zu läßt.

Eine Voreinspritzung mit dem tieferen Kraftstoffdruck er folgt bei stromloser Ventileinheit 13 durch Bestromen des 2/2-Wege-Ventils 7. Durch Bestromen auch der Ventileinheit 13 erfolgt dann die Haupteinspritzung mit dem höheren Kraftstoffdruck. Für eine Nacheinspritzung mit dem tiefe ren Kraftstoffdruck wird die Ventileinheit 13 wieder in den stromlosen Zustand zurückgeschaltet. Wird die Primär kammer 14 mit Hilfe der Ventileinheit 13 bei unbestromtem 2/2-Wege-Ventil 7 an den Eingang der Hochdruckpumpe 2 an geschlossen, so erfolgen die Rückstellung des Druckmittels 12 und die Wiederbefüllung der Druckkammer 17, die über das Rückschlagventil 18 an die Förderleitung 5 angeschlos sen ist. Aufgrund der Druckverhältnisse in der Primärkam mer 14 und in der Druckkammer 17 öffnet das Rückschlagven til 18, so daß die Druckkammer 17 unter dem Kraftstoff druck der Hochdruckpumpe 2 steht und das Druckmittel 12 hydraulisch in seine Ausgangsstellung zurückgefahren wird. Zur Verbesserung des Rückstellverhaltens können eine oder mehrere Federn in den Räumen 14, 15 und 17 angeordnet sein.

In Fig. 1b ist die Ventileinheit 13a hinter dem Drucküber setzer 11 und als 2/2-Wege-Ventil ausgebildet, welches von der Bypaßleitung 19 über ein Rückschlagventil 31 abgekop pelt ist. Die Teile 11, 13a, 19 und 31 bilden die zentrale Druckübersetzungseinheit 6a.

Nachfolgend werden in der Beschreibung zu den weiteren Figuren lediglich die Unterschiede zum Kraftstoffeinspritz system nach Fig. 1 behandelt. Identische bzw. funktions gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugsziffern bezeich net und werden nicht näher erläutert.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Einspritzsystem 40 ist die Druckübersetzungseinheit 41 nicht zentral, sondern lokal für jeden Injektor 10 einzeln vorgesehen. Die lokale Druckübersetzungseinheit 41 umfaßt wie die in Fig. 1a ge zeigte zentrale Druckübersetzungseinheit 6 einen Druck übersetzer 42 mit Rückschlagventil 43 sowie eine Ventil einheit 44 zum Umschalten zwischen dem Druckübersetzer 42 und der Bypaßleitung 45.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Einspritzsystem 50 fördert die Hochdruckpumpe 2 den Kraftstoff über die Förderleitung 5 in einen zentralen Druckspeicher 51 (Common-Rail), in dem der Kraftstoff unter einem Druck von ca. 300 bis ca. 600 bar gelagert wird. Gesteuert über eine zentrale Ven tileinheit 52 (z. B. ein 3/2-Wegventil), wird der Kraft stoff aus dem Druckspeicher 51 über die zentrale Vertei lereinrichtung 8 an die einzelnen druckgesteuerten Injek toren 10 weitergeleitet. Jedem Injektor 10 ist eine lokale Druckübersetzungseinheit 53 mit einem Druckübersetzer 54 zugeordnet, mittels dem bei Bedarf aus dem tieferen Kraft stoffdruck des Druckspeichers 51 ein höherer Kraftstoff druck erzeugt werden kann. Über die Ventileinheit 55 (3/2- Wegeventil) kann der lokale Druckübersetzer 54, der analog dem zentralen Druckübersetzer 11 aufgebaut ist, aktiviert werden. Die Druckkammer 56 des lokalen Druckübersetzers 54 wird mit Kraftstoff aus dem Druckspeicher 51 befüllt, wo bei ein Rückschlagventil 57 in einer zum Druckübersetzer 54 parallelen Bypaßleitung 58 den Rücklauf von komprimier tem Kraftstoff zurück in den Druckspeicher 51 verhindert. Die Teile 54, 55, 57 und 58 bilden die lokale Drucküber setzungseinheit 53, die sich entweder innerhalb des Injek torgehäuses (Fig. 3a) oder außerhalb (Fig. 3b) befinden kann.

Eine Voreinspritzung mit dem tieferen Kraftstoffdruck des zentralen Druckspeichers 51 erfolgt bei stromloser Ventil einheit 55 durch Bestromen des zentralen 3/2-Wege-Ventils 52. Durch Bestromen auch der Ventileinheit 55 erfolgt dann die Haupteinspritzung mit dem höheren Kraftstoffdruck. Für eine Nacheinspritzung mit dem tieferen Kraftstoffdruck wird die Ventileinheit 55 wieder in den stromlosen Zustand zurückgeschaltet. Am Ende der Einspritzung wird die zen trale Ventileinheit 52 auf Leckage 59 zurückgeschaltet und damit die Verteilereinrichtung 8 und der Injektor 10 ent lastet.

Vom Einspritzsystem 50 unterscheidet sich das in Fig. 4 gezeigte Einspritzsystem 60 durch die Verwendung hubge steuerter Injektoren 61 und die Ausbildung der zentralen Ventileinheit 62 als 2/2-Wege-Ventil. Ausgehend von dem druckgesteuerten Injektor 10 der Fig. 1 greift bei einem hubgesteuerten Injektor 61 an dem Ventilglied 21 koaxial zur Ventilfeder 23 ein Druckstück 63 an, das mit seiner der Ventildichtfläche 22 abgewandten Stirnseite 64 einen Steuerraum 65 begrenzt. Der Steuerraum 65 hat von der Druckleitung 9 her einen Kraftstoffzulauf mit einer ersten Drossel 66 und einen Kraftstoffablauf zu einer Druckentla stungsleitung 67 mit einer zweiten Drossel 68, die durch ein 2/2-Wege-Ventil 69 auf Leckage 70 steuerbar ist. Über den Druck im Steuerraum 65 wird das Druckstück 63 in Schließrichtung druckbeaufschlagt. Unter dem tieferen oder höheren Kraftstoffdruck stehender Kraftstoff füllt ständig den Düsenraum 20 und den Steuerraum 65. Bei Betätigung (Öffnen) des 2/2-Wege-Ventils 69 kann der Druck im Steuer raum 65 abgebaut werden, so daß in der Folge die in Öff nungsrichtung auf das Ventilglied 21 wirkende Druckkraft im Düsenraum 20 die in Schließrichtung auf das Ventilglied 21 wirkende Druckkraft übersteigt. Die Ventildichtfläche 22 hebt von der Ventilsitzfläche ab, und Kraftstoff wird eingespritzt. Dabei läßt sich der Druckentlastungsvorgang des Steuerraums 65 und somit die Hubsteuerung des Ventil glieds 21 über die Dimensionierung der beiden Drosseln 66 und 68 beeinflussen. Das Ende der Einspritzung wird durch erneutes Betätigen (Schließen) des 2/2-Wege-Ventils 69 eingeleitet, das den Steuerraum 65 wieder von der Leckage leitung 70 abkoppelt, so daß sich im Steuerraum 65 erneut ein Druck aufbaut, der das Druckstück 63 in Schließrich tung bewegen kann. Die Umschaltung des Kraftstoffs auf entweder den tieferen oder den höheren Kraftstoffdruck er folgt für jeden Injektor 61 in der lokalen Drucküberset zungseinheit 53 durch die Ventileinheit 55. Die Drucküber setzungseinheit 53 kann entweder innerhalb des Injektorge häuses (Fig. 4a) oder außerhalb (Fig. 4b) angeordnet sein.

Bei einem Kraftstoffeinspritzsystem 1 für eine Brennkraft maschine, bei dem Kraftstoff mit mindestens zwei unter schiedlich hohen Kraftstoffdrücken über Injektoren 10 in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann, ist parallel zu einer Bypaßleitung 19 ein hydrauli scher Druckübersetzer 11 zur Erzeugung des höheren Kraft stoffdruckes vorgesehen, wobei der Druckübersetzer 11 über eine Ventileinheit 13 aktivierbar und deaktivierbar ist. Da der Druckübersetzer nicht permanent im Betrieb ist und auch die Verluste durch Reibung reduziert sind, ist der Wirkungsgrad verbessert.

Claims

1. Kraftstoffeinspritzsystem (1; 40; 50; 60) für eine Brennkraftmaschine, bei dem Kraftstoff mit mindestens zwei unterschiedlich hohen Kraftstoffdrücken über In jektoren (10; 61) in den Brennraum der Brennkraftma schine eingespritzt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu einer Bypaßleitung (19; 45; 58) ein hydraulischer Druckübersetzer (11; 42; 54) zur Erzeu gung des höheren Kraftstoffdruckes vorgesehen ist, wobei der Druckübersetzer (11; 42; 54) über eine Ven tileinheit (13; 13a; 44; 55) aktivierbar und deakti vierbar ist.

2. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypaßleitung (19; 45; 58) bei aktiviertem Druckübersetzer (11; 42; 54) geschlossen ist.

3. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß die Ventileinheit (13; 44; 55) vor dem Druckübersetzer (11; 42; 54) angeordnet ist.

4. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß die Ventileinheit (13a) nach dem Druckübersetzer (11) angeordnet ist.

5. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucküberset zer (11) zentral für alle Injektoren (10) vorgesehen ist.

6. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucküberset zer (42; 54) lokal für jeden Injektoren (10; 61) ein zeln vorgesehen ist.

7. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein zentraler Druckspeicher (51) zur Lagerung des tieferen Kraftstoffdruckes vorgesehen ist.

8. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auf teilung des Kraftstoffdruckes auf die einzelnen In jektoren (10; 61) eine zentrale Verteilereinrichtung (8) vorgesehen ist.

9. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Injek toren (10) für eine Drucksteuerung ausgebildet sind.

10. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Injek toren (61) für eine Hubsteuerung ausgebildet sind.