Injektor mit zuschaltbarem Druckübersetzer

Stand der Technik

Bei Kraftstoffeinspritzsystemen mit Rail wird der Raildruck von Hochdruckpumpe erzeugt und in einem Rail gespeichert.

Dabei ist eine Formung des Einspritzverlaufs nicht möglich.

Aus der DE 199 10 970 Al ist ein Injektor mit Druckübersetzer bekannt. Dieser Druckübersetzer dient dazu, den von einem Rail oder KraftStoffhochdruckpumpe bereitgestellten Kraftstoffdruck zu erhöhen, um zu höheren Einspritzdrücken zu gelangen, ohne dass in der Kraftstoffhochdruckpumpe und dem Rail der Einspritzdruck herrscht .

Bei einem Injektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einer in einem Injektorgehäuse dichtend geführten Düsennadel, wobei ein Ende der Düsennadel einen Steuerraum begrenzt, und mit einem ersten Steuerventil, das in einer ersten Schaltstellung den Steuerraum hydraulisch von einem Rücklauf trennt und das in einer zweiten Schaltstellung den Steuerraum hydraulisch über eine Ablaufdrossel mit dem Rücklauf verbindet, und mit einem Hochdruckanschluss, der eine Druckschulter der Düsennadel mit unter Druck stehendem Kraftstoff beaufschlagt und über eine Zulaufdrossel den Steuerraum mit Kraftstoff versorgt, ist erfindungsgemäß

vorgesehen, dass zwischen dem Hochdruckanschluss einerseits und dem Steuerraum sowie der Druckschulter andererseits ein Druckübersetzer angeordnet ist, und dass der Druckübersetzer aktivierbar oder deaktivierbar ist.

Vorteile der Erfindung

Dadurch ist es möglich, wahlweise eine Einspritzung mit dem im Rail herrschenden Druck vorzunehmen oder den im Rail herrschenden Druck mit Hilfe des Druckübersetzers noch weiter zu erhöhen. Auch sind Zwischenformen dieser beiden Betriebsweisen möglich, so dass in weiten Bereichen eine Einspritzverlaufsformung mit Hilfe des erfindungsgemäßen Injektors möglich ist.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass eine Leckage im Bereich der Düsennadel nur zu den Zeiten auftritt, in denen die Düsennadel geöffnet ist. Zu diesen Zeiten ist die Leckage jedoch unproblematisch.

Da durch den Druckübersetzer nur sehr wenige Bauteile des Injektors mit dem höchstmöglichen Einspritzdruck beaufschlagt werden, kann eine kostengünstigere Konstruktion des Injektors gewählt werden. Außerdem verlängert sich dadurch die Lebensdauer der nicht mit dem höchsten Einspritzdruck beaufschlagten Bauteile.

Vorteilhafterweise weist der Druckübersetzer einen in einer Bohrung verschiebbaren übersetzungskolben auf, dessen Stirnflächen jeweils einen Druckraum begrenzen, wobei eine erste größere Stirnfläche des übersetzungskolbens einen ersten, mit dem Hochdruckanschluss verbundenen Druckraum begrenzt, wobei eine zweite, gegenüberliegende kleine Stirnfläche des Druckübersetzerkolbens einen zweiten, mit der Druckschulter und dem Steuerraum verbundenen Druckraum

begrenzt, und wobei zwischen erstem Druckraum und zweitem Druckraum eine hydraulisch Verbindung mit einem ersten Rückschlagventil vorgesehen ist.

Bei dieser Ausführungsform des Druckübersetzers ist es möglich, dass Kraftstoff vom ersten Druckraum in den zweiten Druckraum strömt, während das Rückströmen von Kraftstoff aus dem zweiten Druckraum in den ersten Druckraum durch das Rückschlagventil verhindert wird. Dadurch ist es auf einfache Weise möglich, den Steuerraum und die Druckschulter mit Kraftstoff zu beaufschlagen, der lediglich den im Rail herrschenden Druck aufweist.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die hydraulische Verbindung als Längsbohrung im übersetzerkolben ausgeführt ist. Die wesentlichen Gründe hierfür sind die einfache Herstellung und dass keine zusätzlichen Leitungen abgedichtet werden müssen.

Eine besonders kompakte Bauweise zeichnet sich dadurch aus, dass zusätzlich auch das erste Rückschlagventil im übersetzerkolben angeordnet ist. Dadurch ist es möglich, das erste Rückschlagventil, sobald es vormontiert im übersetzerkolben ist, außerhalb des eigentlichen Injektors zu prüfen und gegebenenfalls auf den gewünschten öffnungsdruck einzustellen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckübersetzers sieht vor, dass eine Querschnittsänderung des übersetzerkolbens und ein Absatz in einem Gehäuse des Druckübersetzers einen Entlastungsraum begrenzen, und dass der Entlastungsraum wahlweise mit dem Rücklauf oder dem Hochdruckanschluss verbindbar ist. Wenn der Entlastungsraum mit dem Rücklauf hydraulisch verbunden ist, kann sich der übersetzungskolben bewegen, sobald der

erste Druckraum mit Druck aus dem Rail beaufschlagt wird und so eine Druckerhöhung vornehmen.

Sobald der Entlastungsraum mit dem Hochdruckanschluss hydraulisch verbunden ist, gleichen sich die auf den

übersetzerkolben wirkenden Kräfte aus dem Entlastungsraum und dem ersten Druckraum so weit aus, dass der Druckübersetzer nicht aktiv ist.

Vorteilhafterweise wird das Einschalten und das Ausschalten des Druckübersetzers mit Hilfe eines zweiten Steuerventils vorgenommen, welches den Entlastungsraum wahlweise mit dem Rücklauf oder dem Hochdruckanschluss verbindet.

Vorteilhafterweise ist in dem Druckübersetzer eine

Rückstellfeder vorgesehen, die den übersetzungskolben mit einer in Richtung des ersten Druckraums wirkenden Rückstellkraft beaufschlagt. Dadurch nimmt der übersetzerkolben nach erfolgter Einspritzung wieder seine ursprüngliche Lage ein und außerdem wird der aus dem zweiten Druckraum ausgeschobene Kraftstoff durch die Rückbewegung des übersetzungskolbens wieder ersetzt.

Vorteilhafterweise kann die Rückstellfeder im ersten Druckraum oder im Entlastungsraum angeordnet sein.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, den Verlauf einer Einspritzung in weiten Bereichen zu formen, so dass sich bezüglich Brennstoffverbrauch, Emissionsverhalten und Geräuschentwicklung weitere Verbesserungen ergeben.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in

der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen beschriebenen Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Zeichnung

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einem erfindungsgemäßen Injektor und

Figur 2 die Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Einspritzdrucks.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist ein Kraftstoffeinspritzsystem, bestehend aus einem Tank 1, einer KraftStoffhochdruckpumpe 3, einem Rail 5 sowie einem Injektor 7 stark vereinfacht dargestellt. In Figur 1 ist lediglich ein Injektor 7 dargestellt.

Die anderen Injektoren sind aus Gründen der

übersichtlichkeit nur durch Pfeile 9 angedeutet.

über einen Hochdruckanschluss 11 ist der Injektor 7 mit dem Rail 5 verbunden. Ein Rücklauf 13 des Injektors 7 führt die Steuer- und Leckagemengen in den Tank 1 zurück.

Der erfindungsgemäße Injektor 7 lässt sich in drei Baugruppen unterteilen. Die erste Baugruppe umfasst ein Einspritzmodul 15, die zweite Baugruppe umfasst einen

Druckübersetzer 17, während die dritten Baugruppe aus einem ersten Steuerventil 19 und einem Steuerventil 21 besteht.

Das Einspritzmodul 15 ist wie bei herkömmlichen Injektoren aufgebaut. In einem Gehäuse wird eine Düsennadel 23 geführt, die an ihrem einen Ende einen Dichtkegel 25 aufweist .

Der Dichtkegel 25 wird mit Hilfe einer Schließfeder 27 gegen einen Dichtsitz (ohne Bezugszeichen) des Gehäuses gepresst. In dieser Position der Düsennadel 23 ist der Injektor 7 geschlossen und es findet keine Einspritzung statt.

An dem dem Dichtkegel 25 entgegengesetzten Ende begrenzt die Düsennadel 23 einen Steuerraum 29. In radialer Richtung wird der Steuerraum 29 von einer Hülse 31 begrenzt, gegen den sich die Schließfeder 25 abstützt. Dadurch wird die Hülse 31 dichtend gegen einen Absatz im Gehäuse des Injektors 7 gepresst. Da der Durchmesser der Düsennadel 23 im Bereich des Steuerraums 29 größer ist als der Durchmesser des Dichtsitzes zwischen dem Dichtkegel 25 und dem Gehäuse, bildet sich eine Druckschulter an der Düsennadel 23 aus, die eine hydraulische Kraft auf die Düsennadel 23 ausübt, die der von der Schließfeder 27 ausgeübten Kraft entgegengesetzt gerichtet ist.

über einen Hochdruckkanal 29 werden sowohl eine Druckkammer 30, welche die Düsennadel 23 umgibt, als auch der Steuerraum 29 mit unter Druck stehendem Kraftstoff versorgt. In dem Abschnitt 33a des Hochdruckkanals ist eine nicht dargestellte Zulaufdrossel vorgesehen.

Der Steuerraum 29 ist über eine Ablaufdrossel (nicht dargestellt) und das erste Steuerventil 19 mit dem Rücklauf

13 verbunden, wenn das erste Steuerventil geöffnet ist. Diese Schaltstellung des ersten Steuerventils 19 ist in Figur 1 dargestellt.

Sobald diese hydraulische Verbindung zwischen Steuerraum 29 und Rücklauf 13 geöffnet ist, sinkt der Druck im Steuerraum 29 ab, so dass die in der Druckkammer 30 auf die Düsennadel 23 wirkenden hydraulischen Kräfte größer sind als die Schließkraft der Schließfeder 27 und die von dem im Stauerraum 29 befindlichen Kraftstoff auf die Düsennadel 23 ausgeübte Druckkraft ist, hebt die Düsennadel 23 vom Gehäuse des Injektors 7 ab. Mit dem Abheben der Düsennadel 23 beginnt die Einspritzung.

Sobald das erste Steuerventil 19 geschlossen wird, baut sich im Steuerraum 29 der gleiche Druck wie in der Druckkammer 30 auf und infolgedessen schließt die Düsennadel 23 wieder.

Zwischen dem Hochdruckanschluss 11 und dem Hochdruckkanal 33 ist der Druckübersetzer 17 angeordnet.

Der Druckübersetzer 17 weist einen übersetzerkolben 35 auf. Ein erster Druckraum 37 des Druckübersetzers 17 ist direkt mit dem Hochdruckanschluss 11 verbunden, während ein zweiter Druckraum 39 mit dem Hochdruckkanal 33 hydraulisch verbunden ist.

Die Stirnflächen des übersetzerkolbens 35 sind bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel nicht als ebene Flächen ausgebildet. Dies ändert jedoch nichts daran, dass bei einer Beaufschlagung des ersten Druckraums 37 mit dem Druck aus dem Rail 5 der übersetzerkolben 35 nach unten gepresst wird und wegen des kleineren Durchmessers des zweiten Druckraums 37 dort ein entsprechend größerer Druck

erzeugt wird. Dies gilt jedoch nur, wenn ein zwischen einem Absatz im Gehäuse des Injektors und einer Querschnittsänderung 41 des übersetzerkolbens 35 angeordneter Entlastungsraum 43 drucklos ist.

In der in Figur 1 dargestellten Schaltstellung des zweiten Steuerventils 31 ist der Entlastungsraum 43 mit dem Rücklauf 13 verbunden, so dass sich im Entlastungsraum 43 kein Druck aufbauen kann.

Dies bedeutet, dass in der in Figur 1 dargestellten Schaltstellung des ersten Steuerventils 19 und des zweiten Steuerventils 21 der Druckübersetzer aktiv ist und infolgedessen die Einspritzung mit einem Druck erfolgt, der höher ist als der im Rail 5 herrschende Kraftstoffdruck.

Der Druckübersetzer 17 kann deaktiviert werden, indem das zweite Steuerventil 21 in die in Figur 2 nicht dargestellte zweite Schaltstellung gebracht wird. In dieser zweiten Schaltstellung wird der Entlastungsraum 43 mit dem im Rail 5 herrschenden Druck beaufschlagt, so dass auf den Absatz 41 des übersetzerkolbens 35 eine Kraft wirkt, die den übersetzerkolben 35 in Figur 1 nach oben drückt. Diese Rückstellbewegung des übersetzerkolbens 35 wird zusätzlich unterstützt von einer Rückstellfeder 45, die bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des Druckübersetzers 17 innerhalb des ersten Druckraums 37 angeordnet ist.

Dazu sind ein Hubanschlag 47 und eine Auskragung 49 am übersetzerkolben 35 vorgesehen. Dazwischen ist die Rückstellfeder 45 eingespannt.

Wenn der Druckübersetzer 17 deaktiviert ist, indem das zweite Steuerventil 21 in die in Figur 1 nicht dargestellte

zweite Schaltstellung gebracht wird, kann durch eine Längsbohrung 51 und ein Rückschlagventil 53, die beide im übersetzerkolben 35 angeordnet sind, der Kraftstoff vom Rail 5 über den Hochdruckanschluss 11, die Längsbohrung 51, das Rückschlagventil 53 und den Hochdruckkanal 33 in den Steuerraum 29 und die Druckkammer 30 gelangen.

Dies bedeutet, dass bei deaktiviertem Druckübersetzer 17 das Einspritzmodul 15 so arbeitet wie ein herkömmlicher Injektor ohne Druckübersetzer.

In anderen Worten: Durch das Einschalten des Druckübersetzers 17 mit Hilfe des zweiten Steuerventils 21 kann ein höherer Einspritzdruck erreicht werden als der im Rail 5 herrschende Druck, während bei ausgeschaltetem Druckübersetzer 17 die Einspritzung mit dem im Rail 5 herrschenden Druck erfolgt.

Weil durch eine geeignete Ansteuerungen der Steuerventile 19 und 21 auch Kombinationen dieser Betriebsweisen möglich sind, ergeben sich erhebliche Freiheitsgrade bei der Gestaltung eines Einspritzverlaufs .

Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel tritt lediglich bei geöffnetem ersten Steuerventil 19 Leckage entlang der durch eine Schließfeder 27 vorgespannten Hülse 31 auf. Dagegen tritt keine oder nur eine kleine Leckage auf, wenn das Einspritzventil geschlossen ist. Zum Beispiel tritt eine solche Leckage an dem Führungsdurchmesser der Ventilnadel eines Magnetventils auf.

In Figur 2 ist der zeitliche Verlauf des Einspritzdrucks in Diagrammform dargestellt.

Bei diesem in Figur 2 dargestellten Beispiel einer Kraftstoffeinspritzung wird eine Voreinspritzung VE mit niedrigem Einspritzdruck vorgenommen. Daran schließt sich eine Haupteinspritzung HE an, die beispielsweise gemäß der Linie 55a, 55b oder 55c erfolgen kann. Diese drei exemplarisch dargestellten Einspritzverläufe der Haupteinspritzung HE zeigen sehr deutlich, dass eine Einspritzverlaufsformung in weiten Grenzen möglich ist.

Nach der eigentlichen Haupteinspritzung HE findet eine erste Nacheinspritzung NEi statt, bei der der Druck kleiner ist als bei der Haupteinspritzung, aber größer als bei der Voreinspritzung VE.

Daran schließt sich eine weitere Nacheinspritzung NE ₂ an, die beispielsweise einen zeitlichen Verlauf gemäß der Linie 57a oder gemäß der Linie 57b aufweisen kann. Auch bei dieser zweiten Nacheinspritzung NE ₂ , die mit einem ähnlichen Einspritzdruck wie die Voreinspritzung VE erfolgt, kann durch eine geeignete Ansteuerung des ersten Steuerventils 19 die Einspritzdauer in weiten Grenzen variiert werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Injektor können durch die zwei Steuerventile 19 und 21 die Druckübersetzung und die Dauer beziehungsweise der Beginn und das Ende einer Einspritzung unabhängig voneinander gesteuert werden.

Wenn die Druckübersetzung und die Einspritzung zeitlich versetzt voneinander aktiviert werden, kann der

Einspritzverlauf in sehr weiten Grenzen variabel geformt werden. Beispielsweise ist ein rampenförmiger Einspritzverlauf, ein rechteckiger Einspritzverlauf oder ein bootförmiger Einspritzverlauf möglich.

Für die Steuerventile 19 und 21 sind alle aus dem Stand der Technik bekannten Bauarten von Ventilen, seien es Schieber und/oder schlitzgesteuerte Ventile denkbar. Auch kann die Ansteuerung der Ventile durch Elektromagneten oder Piezoaktoren oder andere Aktoren erfolgen.