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Dokumentenidentifikation DE10126686A1 19.12.2002
Titel Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit Druckverstärker
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Braun, Wolfgang, 71254 Ditzingen, DE;
Mahr, Bernd, Dr., 73207 Plochingen, DE;
Kropp, Martin, Dr., 71732 Tamm, DE;
Magel, Hans-Christoph, Dr., 72793 Pfullingen, DE
Vertreter Kohler Schmid + Partner, 70565 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 01.06.2001
DE-Aktenzeichen 10126686
Offenlegungstag 19.12.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.12.2002
IPC-Hauptklasse F02M 57/02
IPC-Nebenklasse F02M 63/00   
Zusammenfassung Eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung umfasst einen Druckverstärker. Der Druckverstärker weist einen über einen niederdruckseitigen Druckverstärkerraum druckbeaufschlagbaren, verschiebbaren Kolben (24) zur Komprimierung des einem Injektor zuzuführenden Kraftstoffs in einem hochdruckseitigen Druckverstärkerraum auf. Der Hub des Kolbens (24) ist im Wesentlichen durch den Druck in einem Differenzraum des Druckverstärkers steuerbar und wird zur Beeinflussung des dem Injektor zugeführten Kraftstoffdrucks verwendet. Es sind Mittel (24, 25) zur Querschnittsvergrößerung des Ablaufquerschnitts aus dem Differenzraum des Druckverstärkers vorgesehen. Der Kraftstoffdruck während der Einspritzung kann beeinflusst werden. Es kann ein Druckanstieg mit einfachen Mitteln erzielt werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zum besseren Verständnis der Beschreibung und der Patentansprüche werden nachfolgend einige Begriffe erläutert: Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß der Erfindung kann sowohl hubgesteuert als auch druckgesteuert ausgebildet sein. Im Rahmen der Erfindung wird unter einer hubgesteuerten Kraftstoffeinspritzeinrichtung verstanden, dass das Öffnen und Schließen der Einspritzöffnung mit Hilfe einer verschiebbaren Düsennadel aufgrund des hydraulischen Zusammenwirkens der Kraftstoffdrücke in einem Düsenraum und in einem Steuerraum erfolgt. Eine Druckabsenkung innerhalb des Steuerraums bewirkt einen Hub der Düsennadel. Alternativ kann das Auslenken der Düsennadel durch ein Stellglied (Aktor, Aktuator) erfolgen. Bei einer druckgesteuerten Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß der Erfindung wird die Düsennadel durch den im Düsenraum eines Injektors herrschenden Kraftstoffdruck gegen die Wirkung einer Schließkraft (Feder) bewegt, so dass die Einspritzöffnung für eine Einspritzung des Kraftstoffs aus dem Düsenraum in den Zylinder freigegeben wird. Der Druck, mit dem Kraftstoff aus dem Düsenraum in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine austritt, wird als Einspritzdruck bezeichnet, während unter einem Systemdruck der Druck verstanden wird, unter dem Kraftstoff innerhalb der Kraftstoffeinspritzeinrichtung zur Verfügung steht bzw. bevorratet ist. Kraftstoffzumessung bedeutet, eine definierte Kraftstoffmenge zur Einspritzung bereitzustellen. Unter Leckage ist eine Menge an Kraftstoff zu verstehen, die beim Betrieb der Kraftstoffeinspritzeinrichtung entsteht (z. B. eine Führungsleckage), nicht zur Einspritzung verwendet und zum Kraftstofftank zurückgefördert wird. Das Druckniveau dieser Leckage kann einen Standdruck aufweisen, wobei der Kraftstoff anschließend auf das Druckniveau des Kraftstofftanks entspannt wird.

Viele Motorenhersteller fordern eine flache Druckanstiegsflanke zu Beginn der Einspritzung. Oftmals wird auch eine Bootphase zur Reduktion von Emissionen gewünscht. Bei Kraftstoffeinspritzeinrichtungen mit Druckverstärker, wie sie beispielsweise aus der DE-A1-199 10 970 bekannt sind, kann der Druckverstärker zur Formung des Einspritzverlaufs verwendet werden. So lässt sich der gewünschte Einspritzverlauf ohne zusätzliche Teile, wie z. B. Ausweichkolben realisieren. Zur Beeinflussung des Druckverlaufs kann dabei die Bewegung des Kolbens des Druckverstärkers genutzt werden. Die hubabhängige Beeinflussung des Zulaufquerschnitts zum niederdruckseitigen Druckverstärkerraum ist aus der US-PS 5,568,317 bekannt. Durch die US-PS wird eine mehrstufige Steuerung des Zulaufquerschnitts vorgeschlagen.

Vorteile der Erfindung

Zur Beeinflussung des Kraftstoffdrucks während der Einspritzung und zur Erzielung eines Druckanstiegs mit einfachen Mitteln wird eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Patentanspruch 1 vorgeschlagen. Werden zum Beispiel zwei Ablaufquerschnitte (ein größerer und ein kleinerer) aus dem Differenzraum des Druckverstärkers in Abhängigkeit vom Kolbenhub des Druckverstärkers nacheinander freigegeben, so lässt sich eine sog. Bootinjektion durchführen.

Zeichnung

Drei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzeinrichtung sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine hubgesteuerte Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit einem Druckverstärker mit einem zweistufigen Ablaufquerschnitt;

Fig. 2 eine erste stufenlose Änderung Ablaufquerschnitts;

Fig. 3 eine zweite stufenlose Änderung des Ablaufquerschnitts.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Bei dem in der Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel einer hubgesteuerten Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1 fördert eine mengengeregelte Kraftstoffpumpe Kraftstoff aus einem Vorratstank über eine Förderleitung in einen zentralen Druckspeicherraum (Common-Rail), von dem mehrere, der Anzahl einzelner Zylinder entsprechende Druckleitungen 2 zu den einzelnen, in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragenden Injektoren 3 (Einspritzvorrichtung) abführen. In der Fig. 1 ist lediglich einer der Injektoren 3 eingezeichnet. Mit Hilfe der Kraftstoffpumpe wird ein erster Systemdruck erzeugt und im Druckspeicherraum gelagert. Dieser erste Systemdruck wird zur Voreinspritzung und bei Bedarf zur Nacheinspritzung (HC-Anreicherung zur Abgasnachbehandlung oder Rußreduktion) sowie zur Darstellung eines Einspritzverlaufs mit Plateau (Bootinjektion) verwendet. Zur Einspritzung von Kraftstoff mit einem zweiten höheren Systemdruck ist jedem Injektor 3 jeweils ein lokaler Druckverstärker 4 mit einem Rückschlagventil 5 und mit einem verschieblichen Kolben 6 zugeordnet. Derartige Kraftstoffeinspritzeinrichtungen sind beispielsweise aus der DE-A1- 199 10 970 bekannt.

Zur Steuerung des Druckverstärkers 4 wird der Druck im durch einen Übergang von einem größeren zu einem kleineren Kolbenquerschnitt ausgebildeten Differenzraum 7 verwendet. Zur Wiederbefüllung und Deaktivierung des Druckverstärkers wird der Differenzraum 7 mit einem Versorgungsdruck (Raildruck) beaufschlagt. Dann herrschen an allen Druckflächen eines Kolbens 6 die gleichen Druckverhältnisse (Raildruck). Der Kolben 6 ist druckausgeglichen. Durch eine zusätzliche Feder 8 wird der Kolben 6 in seine Ausgangsstellung gedrückt. Zur Aktivierung des Druckverstärkers 4 wird der Differenzraum 7 druckentlastet und der Druckverstärker 4 erzeugt eine Druckverstärkung gemäß dem Flächenverhältnis. Durch diese Art der Steuerung kann erreicht werden, dass zur Rückstellung des Druckverstärkers 4 und zum Wiederbefüllen einer Druckkammer 9 ein niederdruckseitiger Druckverstärkerraum 10 nicht druckentlastet werden muss. Bei einer kleinen hydraulischen Übersetzung können damit die Entspannungsverluste stark reduziert werden.

Zur Steuerung des Druckverstärkers 4 kann anstelle eines aufwendigen 3/2-Wege- Ventils eine Drossel 11 und ein einfaches 2/2-Wege-Ventil 12 verwendet werden. Die Drossel 11 verbindet den Differenzraum 7 mit unter Versorgungsdruck stehendem Kraftstoff aus einem Druckspeicherraum. Das 2/2-Wege-Ventil 12 schließt den Differenzraum 7 an eine Leckageleitung 13 an. Die Drossel 11 sollte möglichst klein ausgelegt werden, aber dennoch so groß, dass der Kolben 6 zwischen den Einspritzzyklen in seine Ausgangslage zurückkehrt. Als Drossel kann auch eine Führungsleckage des Kolbens 6 verwendet werden. Bei geschlossenem 2/2-Wege-Ventil 12 entsteht keine Leckage in den Führungen des Kolbens 6, da der Differenzraum 7 druckbeaufschlagt ist. Die Drossel kann auch im Kolben integriert sein.

Sind die 2/2-Wege-Ventile 12 und 14 geschlossen, so steht der Injektor 3 unter dem Druck des Druckspeicherraums. Der Druckverstärker 4 befindet sich in der Ausgangsstellung. Nun kann durch das Ventil 14 eine Einspritzung mit Raildruck erfolgen. Wird eine Einspritzung mit höherem Druck gewünscht, so wird das 2/2- Wege-Ventil 12 angesteuert (geöffnet) und damit eine Druckverstärkung erreicht.

Die Einspritzung erfolgt über eine Kraftstoff-Zumessung mit Hilfe einer in einer Führungsbohrung axial verschiebbaren Düsennadel 15 mit einer konischen Ventildichtfläche an seinem einen Ende, mit der es mit einer Ventilsitzfläche am Injektorgehäuse des Injektors 3 zusammenwirkt. An der Ventilsitzfläche des Injektorgehäuses sind Einspritzöffnungen vorgesehen. Innerhalb eines Düsenraums 16 ist eine in Öffnungsrichtung der Düsennadel 15 weisende Druckfläche dem dort herrschenden Druck ausgesetzt, der über eine Druckleitung dem Düsenraum 16 zugeführt wird. Koaxial zu einer Ventilfeder 17 greift ferner an der Düsennadel 15 ein Druckstück 18 an, das mit seiner der Ventildichtfläche abgewandten Stirnseite den Steuerraum 19 begrenzt. Der Steuerraum 19 hat vom Kraftstoffdruckanschluß her einen Zulauf mit einer ersten Drossel und einen Ablauf zu einer Druckentlastungsleitung 20 mit einer zweiten Drossel, die durch das 2/2-Wege- Ventil 14 gesteuert wird.

Unter dem ersten oder zweiten Systemdruck stehender Kraftstoff füllt ständig den Düsenraum 16 und den Steuerraum 19. Bei Betätigung (Öffnen) des 2/2-Wege- Ventils 14 kann der Druck im Steuerraum 19 abgebaut werden, so dass in der Folge die in Öffnungsrichtung auf die Düsennadel 15 wirkende Druckkraft im Düsenraum 16 den in Schließrichtung auf die Düsennadel 15 wirkende Druckkraft übersteigt. Die Ventildichtfläche hebt von der Ventilsitzfläche ab und Kraftstoff wird eingespritzt. Dabei lässt sich der Druckentlastungsvorgang des Steuerraums 19 und somit die Hubsteuerung der Düsennadel 15 über die Dimensionierung der Drosseln beeinflussen.

Das Ende der Einspritzung wird durch erneutes Betätigen (Schließen) des 2/2- Wege-Ventils 14 eingeleitet, das den Steuerraum 19 wieder von der Leckageleitung 20 abkoppelt, so dass sich im Steuerraum 19 wieder ein Druck aufbaut, der das Druckstück 18 in Schließrichtung bewegen kann.

Zur Verbesserung des Druckanstiegs wird der Ablaufquerschnitt des Differenzraums 7 mehrstufig ausgeführt. In der Ausgangsstellung des Kolbens 6 ist nur der Ablaufpfad 21 geöffnet. Dadurch erfolgt beim Öffnen des Ventils 12 ein langsamer Druckabfall innerhalb des Differenzraums 7, eine gedämpfte Bewegung des Kolbens 6 und ein langsamer Druckanstieg in der Druckkammer 9 auf ein mittleres Duckniveau. Nach einem Hub h wird zusätzlich ein zweiter, größerer Ablaufpfad 22 vom Kolben 6 freigegeben. Es erfolgt ein verstärkter Druckabfall innerhalb des Differenzraums 7 und eine ungedämpfte Bewegung des Kolbens 6 mit einem resultierenden maximalen Druckniveau in der Druckkammer 9. Nach dem Schließen des Ventils 12 wird der Kolben 6 in seine Ausgangsstellung zurück bewegt. Der Druckverstärker 4 ist deaktiviert.

An Stelle der abgestuften Querschnittsvergrößerung des Ablaufs aus dem Differenzraum 7 kann auch eine kontinuierliche Querschnittsvergrößerung ausgebildet sein (Fig. 2 und 3). Es kann ein gleichmäßiger flacher Druckanstieg ohne störende Druckschwingungen erreicht werden. Gemäß Fig. 2 wird durch die Bewegungsrichtung 23 eines Kolbens 24 (Längsrichtung der Öffnung und des Kolbens) je nach Stellung des Kolbens 24 lediglich eine Teilfläche 25 einer schlitzförmigen Öffnung 26 bis zu einer Steuerkante 24' freigegeben und eine Teilfläche 27 der Öffnung 26 abgedeckt. Die Öffnung 26 in der Wandfläche des Differenzraums stellt die Verbindung des Differenzraums 7 (siehe Fig. 1) zur Leckageleitung her (siehe Fig. 1) und ist durch den Kolben verschließbar. Mit zunehmendem Kolbenhub wird ein größerer Ablaufquerschnitt freigegeben. Gemäß Fig. 3 weist eine schlitzförmige Öffnung 28 in der Wandfläche eines Druckverstärkerraums eine in Bewegungsrichtung 29 des Kolbens 30 variable Querschnittsfläche auf. Der Kolben 30 besitzt selbst eine Ausnehmung 31, welche die durchgängige Verbindung des Differenzraums 7 (siehe Fig. 1) zur Leckageleitung herstellt. Die Ausnehmung 31 bildet eine Art Steuerfenster, das an dem Schlitz 28 entlang gleitet. Der Ablaufquerschnitt kann über den Hubverlauf des Kolbens beliebig variiert werden. Alternativ kann die schlitzförmige Öffnung 28 auch im Kolben und die Steuerkante 24' bzw. eine Ausnehmung 31 in der Wandfläche ausgebildet sein. BEZUGSZEICHENLISTE 1 Kraftstoffeinspritzeinrichtung

2 Druckleitung

3 Injektor

4 Druckverstärker

5 Rückschlagventil

6 Kolben

7 Differenzraum

8 Feder

9 Druckkammer

10 Niederdruckseitiger Druckverstärkerraum

11 Drossel

12 2/2-Wege-Ventil

13 Leckageleitung

14 2/2-Wege-Ventil

15 Düsennadel

16 Düsenraum

17 Ventilfeder

18 Druckstück

19 Steuerraum

20 Druckentlastungsleitung

21 Ablaufpfad

22 Ablaufpfad

23 Bewegungsrichtung

24 Kolben

24' Steuerkante

25 Teilfläche der Öffnung

26 Schlitzförmige Öffnung

27 Teilfläche der Öffnung

28 Schlitzförmige Öffnung

29 Bewegungsrichtung

30 Kolben

31 Ausnehmung


Anspruch[de]
  1. 1. Kraftstoffeinspritzeinrichtung (1) mit einem Druckverstärker (4), der einen über einen niederdruckseitigen Druckverstärkerraum (10) druckbeaufschlagbaren, verschiebbaren Kolben (6; 24; 30) zur Komprimierung des einem Injektor (3) zuzuführenden Kraftstoffs in einem hochdruckseitigen Druckverstärkerraum (9) aufweist, wobei der Hub des Kolbens (6; 24; 30) im wesentlichen durch den Druck in einem Differenzraum (7) des Druckverstärkers (4) steuerbar ist und zur Beeinflussung des dem Injektor (3) zugeführten Kraftstoffdrucks verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (24, 25; 28, 31) zur Querschnittssteuerung des Ablaufquerschnitts aus dem Differenzraum (7) des Druckverstärkers (4) vorgesehen sind.
  2. 2. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein vom Kolbenhub (h) abhängiger erster Querschnitt (erste Stufe) und ein zweiter Querschnitt (zweite Stufe) des Ablaufs vorgesehen ist.
  3. 3. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel durch mindestens eine schlitzförmige Öffnung (26; 28) zwischen dem Differenzraum (7) des Druckverstärkers (4) und einer Leckageleitung (21) und den die Öffnung (26; 28) verschließenden oder freigebenden Kolben (24; 30) ausgebildet sind.
  4. 4. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (24) eine Steuerkante (24') aufweist, bis zu welcher die Öffnung (26) freigeben wird.
  5. 5. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (30) eine Ausnehmung (31) aufweist, welche über der Öffnung (28) anordenbar ist und einen freigegebenen Bereich der Öffnung (28) definiert.






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