Beschreibung

Titel

Anordnung zur Einspritzung von Kraftstoff in Zylinderbrennräume von Brennkraftmaschinen

Stand der Technik

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei zeitlich dicht hintereinander stattfindenden Kraftstoffeinspritzungen wird die jeweils folgende Einspritzung durch Druckwellen in Injektor und Leitung beeinflusst, die von vorangegangenen Einspritzungen herrühren. Dadurch entstehen Abweichungen in der Einspritzmenge. Um die Amplitude der Druckschwingungen im Hochdrucksystem nicht zu groß werden zu lassen, ist es bekannt, Drosseln am railseitigen (oberen) Ende der vom Hochdruckspeicher (Common Rail) zum Injektor führenden Hochdruckleitung anzuordnen.

Die bekannten Drosseln dämpfen zwar die Amplitude der Druckschwingungen, setzen aber auch den Durchfluss herab, so dass - insbesondere bei vergleichsweise langer Dauer des Ansteuervorgangs des Injektors - die jeweilige Kraftstoff-Einspritzmenge im Vergleich zu einem ungedrosselten System sinkt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine deutliche Dämpfung der unerwünschten Druckschwingungen in der Hochdruckleitung zu bewirken, ohne hierfür eine - nachteilige - Durchflussreduzierung in Kauf nehmen zu müssen.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe bei einer Anordnung der eingangs bezeichneten

Gattung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Grundgedankens der Erfindung können den Patentansprüchen 2 bis 10 entnommen werden.

Das erfindungsgemäße Rückströmdrosselventil hat den vorteilhaften Effekt, dass in Strömungsrichtung zum Injektor ein großer Strömungsquerschnitt freigegeben wird. Dadurch erfolgt keinerlei Behinderung des Kraftstoffdurchflusses in Richtung zum Düsenaustritt des Injektors. In umgekehrter Richtung indessen gibt das erfindungsgemäße Rückströmdrosselventil für die rücklaufende Druckwelle nur einen kleinen Drosselquerschnitt frei, wodurch vorteilhafterweise rücklaufende Druckwellen gedämpft werden.

In Ausgestaltung des Grundgedankens der Erfindung ist es zunächst denkbar, das Rückströmdrosselventil am hochdruckspeicherseitigen (oberen) Ende der zum Injektor führenden Hochdruckleitung anzuordnen. Infolge der Zeit, die Druckwellen im Leitungssystem für ihre Ausbreitung benötigen, werden allerdings Dämpfungsmaßnahmen am railseitigen Ende der Hochdruckleitung erst ab einem gewissen zeitlichen Abstand je zweier aufeinander folgender Kraftstoffeinspritzungen wirksam. Moderne Motorapplikationen erfordern jedoch sehr genau dosierte Einspritzungen in zeitlich kurzen Abständen. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht deshalb vor, das Rückströmdrosselventil am Fuß (unteren

Ende) der Steigleitung innerhalb des Injektorkörpers anzuordnen. Das Rückströmdrosselventil wird also in den Injektor selbst integriert. Diese Maßnahme erbringt den wesentlichen Vorteil, dass die Druckwellen bereits nahe dem Ort ihrer Entstehung, nämlich unmittelbar oberhalb des Düsenaustritts, gedämpft werden, so dass die hydraulische Dämpfung auch bei kurzen zeitlichen Abständen der Einspritzungen voll wirksam ist. Auf diese Weise wird die Kraftstoff-

Zumessgenauigkeit bei sog. Kombipunkten erheblich verbessert. Es besteht hierdurch sogar das Potenzial zum Entfall einer (bislang erforderlichen) Druckwellenkompensation.

Das große Potenzial der Erfindung bezüglich einer Verbesserung von Kraftstoff- Zumessgenauigkeit und Glättung des Leitungsdruckverlaufes lässt sich unschwer anhand von

kommerziell erhältlicher Simulationssoftware, die für Hydrauliksimulationen verwendet wird, verdeutlichen.

Zeichnung

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, die im Folgenden detailliert beschrieben werden. Im Einzelnen zeigt:

Fig. 1 - in schematisierter (teilweiser) Darstellung - ein Common-Rail-Einspritzsystem,

Fig. 2 - ebenfalls schematisiert - eine Ausführungsform eines Rückströmdrosselventils, in gegenüber Fig. 1 vergrößerter Darstellung,

Fig. 3 - im vertikalen Längsschnitt - eine andere Ausführungsform eines Rückströmdrosselventils, in gegenüber Fig. 1 bzw. 2 stark vergrößerter Darstellung,

Fig. 4 - in Diagrammdarstellung - den Hub eines in einen Injektor integrierten

Rückströmdrosselventils (unteres Diagramm) und die Einspritzrate des betreffenden Injektors (oberes Diagramm), jeweils aufgetragen über der Zeit,

Fig. 5 die Charakteristiken eines Injektors mit und ohne Rückströmdrosselventil in der

Steigleitung, wobei -jeweils über der Zeit - in einem oberen Diagramm die Einspritzrate und in einem unteren Diagramm der Druck in der Verbindungsleitung Hochdruckspeicher (Common Rail)/Injektor aufgetragen ist, und

Fig. 6 - in Diagrammdarstellung - die Kraftstoffeinspritzmenge während der

Haupteinspritzung, aufgetragen über dem zeitlichen („elektrischen") Abstand vom Ende der Voreinspritzung bis zum Beginn der Haupteinspritzung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 bezeichnet 10 einen Hochdruckspeicher (sog. Common Rail) und 11 einen Injektor eines Kraftstoff-Einspritzsystems, insbesondere für Dieselmotoren. Der Hochdruckspeicher 10 ist über eine insgesamt mit 12 bezifferte Hochdruckleitung mit dem Injektor 11 verbunden, der den zugeführten Kraftstoff in bekannter und deshalb hier nicht detailliert geschilderter Weise

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einem Düsenaustritt 13 mit Düsennadel betätigten Spritzlöchern (nicht gezeigt) zuleitet. Ein hierzu innerhalb des Injektors 11 verlaufender Abschnitt 14 der Hochdruck- Verbindungsleitung 12 soll im Folgenden als „Steigleitung" bezeichnet werden.

Wie Fig. 1 des weiteren erkennen lässt, ist in der Steigleitung 14, an deren düsenaustrittsseitigem (unterem) Ende ein Rückströmdrosselventil 15 angeordnet, dessen Wirkungsweise im Wesentlichen aus Fig. 2 hervorgeht (vergleiche aber insbesondere auch die Ausführungsform nach Fig. 3).

Zur Einleitung der Voreinspritzung öffnet die (nicht dargestellte) Düsennadel des Injektors.

Daraufhin strömt Kraftstoff in der Hochruck- Verbindungsleitung 12 bzw. in der Steigleitung 14 in Richtung Düsenaustritt 13 (Pfeil 16 in Fig. 1 und 2). Ein durch eine Druckfeder 17 in Pfeilrichtung 20 (also entgegen der Strömungsrichtung 16) beaufschlagter - bei der Ausführungsform nach Fig. 2 kugelförmig ausgebildeter - Ventilkörper 18 wird, entgegen der Federkraft, in Pfeilrichtung 16 bewegt und gibt daraufhin einen Drosselventilsitz 19 frei, so dass

Kraftstoff (nahezu ohne Drosselwirkung) zum Düsenaustritt 13 gelangen kann. Sobald die Düsennadel zur Beendigung des Voreinspritzvorgangs schließt, entsteht in der Steigleitung 14 eine in Pfeilrichtung 20 gerichtete Druckwelle, die den Ventilkörper 18 des Rückströmdrosselventils 15 in den Drosselventilsitz 19 drückt, so dass dieser nurmehr einen engen Drosselquerschnitt freigibt. Dadurch wird weiterhin zurückfließender Kraftstoff stark durch das Rückströmdrosselventil 15 gedrosselt. In der Steigleitung 14 bzw. in der Hochdruck- Verbindungsleitung 12 können somit keine großen Druckschwankungen auftreten; das System bleibt „ruhig" (s. hierzu Fig. 5 und die zugehörige Beschreibung weiter unten).

ähnlich geht der Vorgang der Haupteinspritzung vonstatten. Da von der Voreinspritzung her kaum noch Druckwellen im System sind, liegt ein reproduzierbarer Ausgangszustand vor, der nicht vom zeitlichen Abstand zur Voreinspritzung abhängt. (Vgl. hierzu auch Fig. 6 und die unten folgende Beschreibung.) Zu Beginn des Einspritzvorgangs fließt Kraftstoff in Richtung Düsenaustritt. Das Rückströmdrosselventil 15 öffnet, und der Kraftstoff wird auf dem Weg zum Düsenaustritt 13 nicht nennenswert gedrosselt. Nach Beendigung des Haupteinspritzvorgangs werden die Austrittsdüsen durch die Düsennadel geschlossen. Dadurch tritt am Düsenaustritt 13 eine Druckerhöhung auf. Zurückströmender Kraftstoff schließt das Rückströmdrosselventil 15. Dadurch wird weiterhin zurückfließender Kraftstoff stark gedrosselt. Infolge dessen unterbleiben in Steigleitung 14 und Hochdruck- Verbindungsleitung 12 große Druckschwankungen; das System bleibt wiederum „ruhig".

Bei den vorstehend geschilderten Vorgängen Voreinspritzung-Haupteinspritzung handelt es sich nur um Beispiele. Das erfindungsgemäße Rückströmdrosselventil 15 entfaltet seine Wirkung in entsprechender Weise z.B. auch bei einer Doppel- Voreinspritzung und/oder einer Haupteinspritzung-Nacheinspritzung.

Die Wirkungsweise der aus Fig. 3 ersichtlichen, insgesamt mit 15a bezeichneten Variante eines Rückströmdrosselventils entspricht im Wesentlichen derjenigen des Rückströmdrosselventils 15 nach Fig. 2, wie im Vorstehenden beschrieben. Unterschiede bestehen indessen in der konstruktiven Ausgestaltung. Das Rückströmdrosselventil 15a besitzt einen eine abgesetzte

Innenbohrung 21 aufweisenden Ventilkolben 22, der in einem Ventilgehäuse 23 axial verschieblich geführt ist. Die Führungsfunktion für den Ventilkolben 22 kann auch unmittelbar von dem - in Fig. 1 mit 24 bezifferten - Injektorkörper übernommen werden. Der Ventilkolben 22 verfügt über eine ballige Stirnfläche 25, die mit einem konischen Ventilsitz 26 zusammenwirkt. Fig. 3 zeigt das Rückströmdrosselventil 15a in seiner geschlossenen Stellung

(unmittelbar nach Beendigung eines Voreinspritz- oder Haupteinspritzvorgangs), in die der Ventilkolben 22 durch die vom Düsenaustritt (13, Fig. 1) zurücklaufende Druckwelle gelangt ist. Unterstützt wird der Schließvorgang des Rückströmdrosselventils 15a hierbei durch eine in der abgesetzten Bohrung 21 des Ventilkolbens 22 angeordnete Druckfeder 27, die sich rückseitig an einem in das Ventilgehäuse 23 eingepressten Anschlagteil 28 mit durchgehender, zur abgesetzten Bohrung 21 des Ventilkolbens 22 koaxialer Bohrung 29 abstützt. Der maximale Verschiebeweg s des Ventilkolbens 22 in dessen öffnungsstellung, in der der Ventilkolben 22 mit seiner rückseitigen Stirnfläche an dem Anschlagteil 28 zur Anlage kommt, wird einerseits durch die Länge des Ventilkolbens 22, andererseits durch die Montageposition des Anschlagteils 28 bestimmt. Der Verschiebeweg s kann (circa) 0,75 mm betragen.

Wie weiterhin aus Fig. 3 hervorgeht, besitzt der Ventilkolben 22 an seinem ventilsitzseitigen (oberen) Ende 25 eine Drosselbohrung 30, die einerseits mit der abgesetzten Bohrung 21 im Ventilkolben 22, andererseits mit einer hierzu koaxialen Bohrung 31 des Ventilgehäuses 23 hydraulisch verbunden ist. Der aufgrund der Druckwelle (nach Schließung der Spritzlöcher im

Düsenaustritt 13, Fig. 1) in Pfeilrichtung 20 zurückströmende Kraftstoff gelangt durch die Bohrungen 29 und 21 in die Drosselbohrung 20 des Ventilkolbens 22, wo die Druckwelle infolge der Drosselwirkung eine starke Dämpfung erfährt. Erst dann kann der Kraftstoff durch die Gehäusebohrung 31 weiter in die Steigleitung (z. B. 14, Fig. 1 und 2) des betreffenden Injektors (z. B. 11 Fig. 1) gelangen.

Während eines Kraftstoffeinspritzvorgangs (wobei es sich um die Voreinspritzung oder die Haupteinspritzung oder auch um eine Nacheinspritzung handeln kann) wird der Ventilkolben 22 durch den in Pfeilrichtung 16 strömenden Kraftstoff entgegen dem Widerstand der Druckfeder 27 um den Verschiebeweg s gegen das Anschlagteil 28 gedrückt und gibt hierbei am Ventilsitz

26 einen entsprechenden Durchströmquerschnitt frei. Der Kraftstoff wird nun - ungedrosselt - in einen zwischen der Außenwandung des Ventilkolbens 22 und der Innenwandung des Ventilgehäuses 23 ausgebildeten Ringraum 32 und von dort durch radiale Bohrungen 33, 34 in die abgesetzte Bohrung 21 des Ventilkolbens 22 geleitet. über die Bohrung 29 des Anschlagteils 28 gelangt der Kraftstoff schließlich zu den Spritzlöchern des

Düsenaustritts (13, Fig. 1).

Die aus Fig. 4 ersichtlichen Charakteristika wurden an einem Injektor mit Rückströmdrosselventil (z. B. 15 bzw. 15a, Fig. 2 bzw. 3) in der Steigleitung (z. B. 14, Fig. 1 und 2) ermittelt. Bei der insgesamt mit 35 bezeichneten Kurve des oberen Diagramms markiert ein Kurvenabschnitt 36 den Voreinspritzvorgang und ein Kurvenabschnitt 37 den Haupteinspritzvorgang des betreffenden Injektors. Die Voreinspritzung erstreckt sich über eine Zeitspanne von (circa) 0,15 ms, während für die Haupteinspritzung (circa) 20 ms vorgesehen sind. Die Einspritzrate ist bei der Voreinspritzung - mit ca. 30 mmVms - etwas geringer als die bei der Haupteinspritzung erzielte Einspritzrate, ca. 45 mmVms.

Eine im unteren Diagramm von Fig. 4 mit 38 bezeichnete Kurve beschreibt den Kolbenhub eines in der Steigleitung (z. B. 14, Fig. 1 und 2) angeordneten Rückströmdrosselventils (z. B. 15, 15a, Fig. 2 bzw. 3). Die Kurve 38 zeigt, dass das Rückströmdrosselventil während des Voreinspritzvorgangs - Kurvenabschnitt 39 - und während des Haupteinspritzvorgangs -

Kurvenabschnitt 40 - (im Wesentlichen) geöffnet ist und während der dazwischen liegenden Zeitspannen - Kurvenabschnitte 41 und 42 - dagegen eine Drosselstellung (Schließstellung mit Drosselöffnung) einnimmt.

Das obere Diagramm in Fig. 5 zeigt den Einspritzratenverlauf- Kurve 43 - bei einem Injektor

(z. B. 11 Fig. 1) mit Rückströmdrosselventil (z. B. 15, 15a, Fig. 2 bzw. Fig. 3) in der Steigleitung (z. B. 14, Fig. 1 und 2) im Vergleich zum Einspritzratenverlauf- Kurve 44 - eines Injektors ohne Rückströmdrosselventil in der Steigleitung. Die weitgehende überdeckung der

beiden Kurven 43 und 44 macht deutlich, dass ein Rückströmdrosselventil in der Steigleitung nahezu keinen (nachteiligen) Einfluss auf die Einspritzrate des betreffenden Injektors ausübt.

In dem unteren Diagramm von Fig. 5 veranschaulichen Kurven 45 bis 48 den Druckverlauf in der Hochdruck-Verbindungsleitung (12) zwischen Hochdruckspeicher (10) und Injektor (11).

Der Druck wurde bei Kurve 45 in der Nähe des Hochdruckspeichers (10) und bei Kurve 46 Injektornah gemessen. Die nahezu vollständige überdeckung der Kurven 45, 46 und deren nahezu horizontal/geradliniger Verlauf belegt, dass der Druck auf der gesamten Länge der Hochdruck- Verbindungsleitung (12) praktisch identisch und nahezu konstant bleibt, sofern in der Steigleitung (14) des Injektors (11) ein Rückströmdrosselventil (15, 15a) eingebaut ist.

Leitungsdruckwellen werden weggedämpft. Der Leitungsdruck zeigt nur eine leichte Abnahme aufgrund der Mengenentnahme des Injektors, keine „überschwinger" mehr. Das führt zu einem ruhigeren Raildruckverlauf und damit zu Vorteilen für die Raildruckregelung.

Die Kurven 47 und 48 illustrieren dagegen den Druckverlauf in der Hochdruck-

Verbindungsleitung (12) bei einem Injektor ohne Rückströmdrosselventil in der Steigleitung. In beiden Fällen ist ein nicht konstanter Druckverlauf zu konstatieren. Stärkere Druckausschläge ergeben sich bei injektornaher Druckmessung (Kurve 48), während sich die Druckausschläge bei railnaher Messung (Kurve 47) abschwächen. Die Druckausschläge sind die Folge der bei Schließung der Spritzlöcher am Düsenaustritt (13, Fig. 1) auftretenden Druckwelle, die sich wegen Fehlens eines Rückströmdrosselventils ungedrosselt in die Hochdruck- Verbindungsleitung (12) ausbreiten kann.

Fig. 6 zeigt die bei der Haupteinspritzung anfallende Einspritzmenge (am Düsenaustritt 13) in Abhängigkeit vom zeitlichen Abstand des Beginns der Haupteinspritzung vom Ende der

Voreinspritzung. Der Raildruck (im Hochdruckspeicher 10) beträgt jeweils 1800 bar. Die Einspritzmenge der Voreinspritzung beläuft sich auf 2 mm ³ . Die Länge der Hochdruck- Verbindungsleitung (12) bemisst sich auf 150 mm, ihr Durchmesser auf 3 mm. Hierbei repräsentiert Kurve 49 die Einspritzmenge-Hochdruckeinspritzung bei einem Injektor ohne Rückströmdrosselventil, jedoch mit Drossel am railseitigen Ende der Hochdruck-

Verbindungsleitung (12), und Kurve 50 die Einspritzmenge-Haupteinspritzung bei einem Injektor mit Rückströmdrosselventil (15, 15a, Fig. 2 bzw. 3) in der Steigleitung (14). Wie ein Vergleich der Kurven 49 und 50 zeigt, ist die „Mengenwelle" (Kurve 49) durch die Maßnahme, in der Steigleitung (14) ein Rückströmdrosselventil (15, 15a) anzuordnen, im Wesentlichen zu einer geraden Linie (Kurve 50) geworden. D. h. bei änderung des Abstandes zwischen Ende der

Voreinspritzung und Beginn der Haupteinspritzung tritt keine Mengenänderung der zweiten Einspritzung mehr auf. Die aus der Kurve 50 ablesbaren, nurmehr sehr kleinen Einspritzmengenänderungen bei Abstandsvariation liegen im Rahmen der Hub-Hub-Streuung, sogar bei dicht aufeinander folgenden Einspritzungen. Dieses vorteilhafte Ergebnis macht eine Druckwellenkompensation (DWK), wie sie nach dem bisherigen Stand der Technik erforderlich war, entbehrlich.

Der Vergleich der beiden Kurven 49, 50 macht überdies deutlich, dass bei Anordnung eines Rückströmdrosselventils (15, 15a) in der Steigleitung (14) bei gleicher Ansteuerdauer (Kurve 50) die Einspritzmenge sogar größer als bei Fehlen eines Rückströmdrosselventils (Kurve 49) ist. Eine Mengenabnahme aufgrund (zusätzlicher) Drosselung ist somit nicht zu befürchten.