Verfahren und Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ein- spritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, bei welchem der Kraftstoff von einer Vorförderpumpe aus einem Tank zu einer Hochdruckpumpe gefördert wird und der von der Hochdruckpumpe geförderte HochdruckkraftStoff dem Einspritzinjektor zugeführt wird, wobei der Einspritzinjektor eine Einspritzdüse mit einer axial verschieblichen Düsennadel aufweist, welche in einen mit Kraftstoff unter Druck speisbaren Steuerraum eintaucht, dessen Druck über ein wenigstens einen Zu- oder Ablaufkanal für Kraftstoff öffnendes oder schließendes Steuerventil gesteuert wird, sowie eine Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine.

Einspritzinjektoren der eingangs beschriebenen Art kommen häufig in Commonrail-Einspritzsystemen zum Einsatz.

Injektoren für Commonrailsysteme zum Einspritzen von Kraftstoffen mit hoher Viskosität in den Brennraum von Brennkraftmaschinen sind in unterschiedlicher Ausbildung bekannt. Im Fall von Schweröl ist eine Erwärmung auf bis zu 150°C erfor- derlich, um die notwendige Einspritzviskosität zu erreichen. Bei hohem Anteil an abrasiv wirkenden Feststoffen und hoher Temperatur steigt naturgemäß der Veschleiß und beeinträchtigt damit die Betriebssicherheit.

Grundsätzlich hat ein Injektor für ein Commonraileinspritz- system verschiedene Teile, welche in aller Regel durch eine Düsenspannmutter zusammengehalten werden. Die eigentliche Injektordüse enthält eine Düsennadel, welche im Düsenkörper der Injektordüse axial verschieblich geführt ist und mehrere Frei- flächen aufweist, durch welche aus dem Düsenvorraum Kraftstoff zur Nadelspitze strömen kann. Die Düsennadel selbst trägt einen Bund, an welchem sich eine Druckfeder abstützt, und

taucht in einen Steuerraum ein, welcher mit Kraftstoff unter Druck beaufschlagbar ist. An diesen Steuerraum kann ein Zulaufkanal über eine Zulaufdrossel und ein Ablaufkanal über eine Ablaufdrossel angeschlossen sein, wobei der jeweilige im Steuerraum aufgebaute Druck gemeinsam mit der Kraft der Druckfeder die Düsennadel in der Schließstellung hält. Der Druck im Steuerraum kann von einem Steuerventil kontrolliert werden, welches zumeist von einem Elektromagneten betätigt wird. Bei entsprechender Beschaltung kann ein öffnen des Magnetventils einen Abfluss des Kraftstoffes über eine Drossel bewirken, so- dass ein Absinken der hydraulischen Haltekraft auf die in den Steuerraum eintauchende Stirnfläche der Düsennadel zum öffnen der Düsennadel führt. Auf diese Weise kann in der Folge der Kraftstoff durch die Einspritzöffnungen in den Brennraum des Motors gelangen.

Neben einer Ablaufdrossel ist auch meist eine Zulaufdrossel vorgesehen, wobei die öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel durch den Durchflussunterschied zwischen Zu- und Ablaufdrossel bestimmt wird. Wenn das Magnetventil geschlossen wird, wird der Ablaufweg des Kraftstoffes durch die Ablaufdrossel gesperrt und über die Zulaufdrossel neuerlich Druck im Steuerraum aufgebaut und das Schließen der Düsennadel bewirkt.

Insbesondere bei Großdieselmotoren kann sich aufgrund der verwendeten Kraftstoffe, der erforderlichen Durchflussquerschnitte sowie des hohen Energieeintrags der elektrischen Bestromung des Magnetventils eine große thermische Belastung des Ventils ergeben. Dies kann dazu führen, dass zur Vermei- düng von thermischen Schäden am Ventil eine zusätzliche Kühlung erforderlich ist.

Eine Temperierung oder Kühlung von Einspritzinjektoren ist beispielsweise aus der WO 2006/021014 Al bekannt, in der im Injektor zusätzliche von Schmieröl oder Motoröl durchströmte Kanäle zum Zwecke der Kühlung angeordnet sind.

Die Erfindung zielt nun darauf ab, das Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine verbesserte Kühlung des Steuerventils, insbesondere Magnetventils erreicht wird. Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen so vorgegangen, dass zwischen der Vorförderpumpe und der Hochdruckpumpe eine Teilmenge des Kraftstoffs als Spülmenge abgezweigt und einem Spülkanal des Einspritzinjektors zugeführt wird, wobei die Spülmenge unmit- telbar dem Steuerventil zugeführt wird, sodass die Spülmenge das Steuerventil wenigstens teilweise durchfließt und sich vorzugsweise mit dem Kraftstoff aus dem Zu- bzw. Ablaufkanal vermischt, und dass die Spülmenge über einen Wärmeüberträger zum Temperieren der Spülmenge geführt wird. Dadurch, dass sich die zwischen der Vorförderpumpe und der Hochdruckpumpe abgezweigte Spülmenge, die naturgemäß eine wesentlich geringere Temperatur aufweist als der aus dem Zu- bzw. Ablaufkanal kommenden Kraftstoff, der nach einer Entspannung auf Niederdruckniveau naturgemäß sehr heiß ist, mit diesem vermischt, wird die mittlere Kraftstofftemperatur ab dem Punkt der Vermischung deutlich abgesenkt, sodass die thermische Belastung des Magnetventils deutlich reduziert werden kann. Das Gemisch aus Spülmenge und dem aus dem Zu- bzw. Ablaufkanal kommenden Kraftstoff durchfließt das Steuerventil zumindest teilweise, sodass die thermische Belastung des Magnetventils deutlich reduziert werden kann.

Durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise gelingt es, ohne aufwändige Einbauten eine wirkungsvolle Kühlung des Magnetven- tils vorzunehmen, wobei bereits das Abziehen einer kleinen Menge an Kraftstoff zwischen Vorförderpumpe und Hochdruckpumpe ausreicht, um eine merkliche Reduzierung der Temperatur im Bereich des Magnetventils zu erreichen. Die Spülmenge wird hierbei über einen Wärmetauscher zum Vorwärmen der Spülmenge geführt. Auf diese Art und Weise kann die Kühlleistung eingestellt werden, wobei die Temperierung entweder das Kühlen oder das Vorwärmen der Spülmenge umfasst. Gleichzeitig ist

hiermit auch eine Heizung des Ventils, beispielsweise vor dem MotorStart, möglich.

Gemäß einer bevorzugten Verfahrensweise wird die Spülmenge dem Steuerventil im Bereich des Ventilsitzes des Ventilglieds zugeführt. Bei einer derartigen Verfahrensweise vermischt sich die zwischen Vorförderpumpe und Hochdruckpumpe abgezweigte Spülmenge unmittelbar am Eingang des Steuerventils mit dem aus dem Zu- bzw. Ablaufkanal kommenden Kraftstoff, sodass im we- sentlichen das ganze Steuerventil von dem bereits abgekühlten Kraftstoff durchflössen wird. Hierbei wird bevorzugt der Ankerraum des Steuerventils von der Spülmenge durchflössen, sodass besonders der einer starken thermischen Belastung unterliegende Teil des Magnetventils effizient abgekühlt werden kann.

Die Regelung der Kühlleistung erfolgt in besonders bevorzugter Weise dadurch, dass die zwischen der Vorförderpumpe und der Hochdruckpumpe abgezweigte Spülmenge, vorzugsweise mittels einer Drossel oder eines Spülventils, geregelt wird. Die Regelung kann hierbei mit Vorteil in Abhängigkeit von Messwerten eines Temperatursensors durchgeführt werden, wobei der Temperatursensor die Temperatur des Magnetventils oder des Kraftstoffs im Ablauf des Magnetventils erfasst. Auf diese Art und Weise erfolgt eine besonders einfache Temperaturregelung.

Um sicherzustellen, dass die zwischen Vorförderpumpe und Hochdruckpumpe abgezweigte Teilmenge des Kraftstoffs ein ausreichendes Druckniveau aufweist, um zum Zwecke der Spülung und der Kühlung des Magnetventils verwendet werden zu können, wird bevorzugt derart vorgegangen, dass der Kraftstoff von der Vorförderpumpe auf einen überdruck von 5-10 bar gefördert wird.

Die vorliegende Erfindung zielt weiters darauf ab, eine Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine zu schaffen, bei welcher eine verbesserte Kühlung des Magnetventils erreicht wird. In diesem Zu-

saitimenhang umfasst die Vorrichtung eine Vorförderpumpe zum Fördern von Kraftstoff aus einem Tank, eine Hochdruckpumpe und einen Einspritzinjektor, wobei der von der Vorförderpumpe geförderte Kraftstoff der Hochdruckpumpe und der von der Hoch- druckpumpe geförderte Hochdruckkraftstoff dem Einspritzinjektor zugeführt ist, wobei der Einspritzinjektor eine Einspritzdüse mit einer axial verschieblichen Düsennadel aufweist, welche in einen mit Kraftstoff unter Druck speisbaren Steuerraum eintaucht, dessen Druck über ein wenigstens einen Zu- oder Ab- laufkanal für Kraftstoff öffnendes oder schließendes Steuerventil steuerbar ist. Erfindungsgemäß zeichnet sich die Vorrichtung im wesentlichen dadurch aus, dass zwischen der Vorförderpumpe und der Hochdruckpumpe eine Zweigleitung angeschlossen ist, die mit einem Spülkanal des Einspritzinjektors verbunden ist, wobei der Spülkanal am Steuerventil mündet, so- dass die Spülmenge das Steuerventil wenigstens teilweise durchfließt und sich vorzugsweise mit dem Kraftstoff aus dem Zu- bzw. Ablaufkanal vermischt, und dass die Zweigleitung über einen Wärmeüberträger (31) zum Temperieren der Spülmenge geführt ist.

Bevorzugte Weiterbildungen dieser Einspritzvorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen, wobei die entsprechenden Vorteile bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert wurden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In dieser zeigt Fig. 1 den schematischen Aufbau eines modularen Commonrail-Einspritzsystems, Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II gemäß Fig.l und Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III gemäß Fig. 2.

Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau eines modularen Com- monrail-Einspritzsystems nach der vorliegenden Erfindung. Aus dem Kraftstofftank 1 wird mit einer Vorförderpumpe 2 Kraftstoff angesaugt und von der Hochdruckpumpe 3 auf den erforder-

liehen Systemdruck gebracht und dem Einspritzinjektor 4 zugeführt. Der Injektor 4 besteht aus einer Einspritzdüse 5, einer Drosselplatte 6, einem Magnetventil 7, einem mit einem Hochdruckspeicher (nicht dargestellt) ausgestatteten Injektorkör- per 8 und einer Düsenspannmutter 9, die die Teile zusammenhält. Im Ruhezustand ist das Magnetventil 7 geschlossen, so- dass Hochdruckkraftstoff aus der Hochdruckbohrung 10 über die Quernut 11 und die Zulaufdrossei 12 in den Steuerraum 13 der Düse 5 strömt, der Abfluss aus dem Steuerraum 13 über die Ab- laufdrossel 14 aber am Ventilsitz 15 des Magnetventils 7 blockiert ist. Der im Steuerraum 13 anliegende Systemdruck drückt gemeinsam mit der Kraft der Düsenfeder 16 die Düsennadel 17 in den Düsennadelsitz 18, sodass die Spritzlöcher 24 verschlossen sind.

Wird das Magnetventil 7 betätigt, indem der Elektromagnet 25 angesteuert und das Magnetventilglied 27 gegen die Kraft der Magnetventilfeder 26 aus dem Magnetventilsitz 15 gehoben wird, gibt es den Durchfluss über den Magnetventilsitz 15 frei, und Kraftstoff strömt aus dem Steuerraum 13 durch die Ablaufdros- sel 14, den Magnetventilankerraum 19, die Ablaufspalte 20, die Entlastungsbohrung 21 und die Niederdruckbohrung 22 zurück in den Kraftstofftank 1. Es stellt sich ein durch die Strömungsquerschnitte von Zulaufdrossel 12 und Ablaufdrossel 14 defi- nierter Gleichgewichtsdruck im Steuerraum 13 ein, der so gering ist, dass der im Düsenraum 23 anliegende Systemdruck die im Düsenkörper 32 längs verschieblich geführte Düsennadel 17 zu öffnen vermag, sodass die Spritzlöcher 24 freigegeben werden und eine Einspritzung erfolgt.

In der Niederdruckbohrung 22 herrscht ein Absolutdruck von 1-2 bar vor, sodass es durch die Absteuerung des Systemdrucks über Zulaufdrossel 12, Ablaufdrossel 14 und Magnetventilsitz 15 zu einer starken Erwärmung des Kraftstoffs kommt. Gleichzeitig wirken die im Elektromagneten 25 auftretenden elektrischen und magnetischen Verluste als zusätzliche Heizung, sodass es vor allem bei hohen Durchflussmengen, sowie bei bereits

vorgewärmten Kraftstoffen (z.B. Schweröl) und bei hohen elektrischen Betriebsströmen des Magnetventils 7 zu kritischen Bauteilbelastungen kommen kann.

Fig. 2 zeigt den in Fig.l angegebenen Schnitt durch den Einspritzinjektor 4. Hier ist zusätzlich die erfindungsgegenständliche Spülbohrung 28 sichtbar.

Fig. 3 zeigt den in Fig. 2 angegebenen Schnitt durch den Einspritzinjektor 4 mit der erfindungsgegenständlichen SpülkraftstoffVersorgung. Am T-Stück 29 zwischen Vorförderpumpe 2 und Hochdruckpumpe 3 wird ein Teil des an dieser Stelle unter einem überdruck von 5-10 bar stehenden Kraftstoffs abgezweigt. Die Spülmenge kann über das Spülventil 30 gesteuert und im Wärmeübertrager 31 temperiert werden. Die abgezweigte Menge wird über die Spülbohrung 28 direkt zum Magnetventilsitz 15 geleitet, wo sich die Spülmenge mit der aus der Ablaufdrossel 14 austretenden Steuermenge vermischt. Durch den großen Temperaturunterschied zwischen Spülmenge und Steuermenge erfolgt hier eine deutliche Kühlung der Steuermenge, sodass die sich im Ankerraum 19 einstellende Temperatur im Vergleich zu einem konventionellen Einspritzinjektor ohne Spülung wesentlich geringer ist. Dadurch ergibt sich für die Bauteile des Magnetventils 7 eine deutlich geringere Temperaturbe- lastung im Betrieb, sodass einerseits eine Steigerung der Lebensdauer, andererseits eine Kostenersparnis durch die Wahl anderer, weniger temperaturbeständiger Werkstoffe möglich wird. Gleichzeitig kann durch geeignete Wahl des Wärmeübertragers 31 eine Vorwärmung der Spülmenge erfolgen. Wird als Kraftstoff beispielsweise Schweröl verwendet, kann diese vorgewärmte Spülmenge zur Temperierung des Magnetventils 7 und damit zur Beschleunigung des MotorStarts verwendet werden.