Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einer Injektordüse und einer in der Injektordüse längsverschieblich geführten Düsennadel zum wahlweisen Freigeben und Sperren des Kraftstoffflusses zu Einspritzöffnungen, wobei die Düsennadel zumindest teilweise von einem Düsenvorraum umgeben ist.

Derartige auch als Injektoren bezeichnete Vorrichtungen werden häufig für Common-Rail-Systeme zum Einspritzen von Dieselkraftstoffen in den Brennraum von Dieselmotoren verwendet und sind üblicherweise so ausgebildet, dass das öffnen und Schlie- Ben der Einspritzquerschnitte durch eine Düsennadel erfolgt, die mit einem Schaft längsverschieblich in einem Düsenkörper geführt ist. Die Steuerung der Bewegung der Düsennadel wird über ein Magnetventil vorgenommen. Die Düsennadel wird beidseitig mit dem Kraftstoffdruck und durch eine in Schließrich- tung wirkende Druckfeder beaufschlagt. An der Düsennadelrück- seite d.h. der dem Düsennadelsitz abgewandten Seite der Düsennadel ist ein Steuerraum vorgesehen, in welchem Kraftstoff unter Druck die Düsennadel in Schließrichtung beaufschlagt und damit die Düsennadel auf den Nadelsitz bzw. den Ventilsitz drückt .

Das Steuerventil, welches beispielsweise als Magnetventil ausgebildet sein kann, gibt eine vom Steuerraum wegführende Ableitung frei, sodass der Kraftstoffdruck im Steuerraum sinkt, worauf die Düsennadel entgegen der Kraft der Feder vom auf der anderen Seite anstehenden Kraftstoffdruck von ihrem Sitz abgehoben wird und auf diese Weise den Durchtritt von Kraftstoff zu den Einspritzöffnungen freigibt. Die öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel wird durch den Unterschied zwischen dem Durchfluss in der Zuleitung zu dem Steuerraum und dem Durch- fluss in der Ableitung aus dem Steuerraum bestimmt, wobei so-

wohl in der Zu- als auch in der Ableitung eine Drossel eingeschaltet ist, welche den Durchfluss jeweils bestimmt.

Zur Optimierung des Verbrennungsvorganges ist es erforderlich den Einspritzverlauf, d.h. den Verlauf der in den Brennraum eingespritzten Kraftstoffmenge über der Zeit auf die Bedürfnisse des Motors möglichst genau abzustimmen. Dies gelingt insbesondere durch eine gestufte Einspritzung, indem in einer ersten Einspritzphase eine kleine Kraftstoffmenge mit geringe- rem Druck eingespritzt wird und in einer zweiten Phase die Hauptmenge mit höherem Druck in einen Brennraum gelangt. Damit können Verbrennungsgeräusche, Kraftstoffverbrauch und Emissionen verringert werden. Bei Common-Rail-EinspritzSystemen erzeugt eine Hochdruckpumpe einen konstanten Druck im Kraft- stoffSpeicher (Rail), wobei der Rail-Druck während des Einspritzvorganges näherungsweise konstant ist, sodass die eingespritzte Kraftstoffmenge proportional zur Einschaltzeit des Ventils im Injektor und unabhängig von der Motor- bzw. der Pumpendrehzahl gewählt werden kann. Dadurch ist es möglich Einspritzbeginn und Einspritzdauer für verschiedene Betriebspunkte des Motors unterschiedlich festzulegen und somit optimal an die Erfordernisse des Motors anzupassen. Der gewünschte Einspritzverlauf kann hierbei durch Mehrfachbestromung des Magneten derart erfolgen, dass ggf. eine geringe Voreinspritz- menge, hierauf die Haupteinspritzmenge und ggf. auch eine Nacheinspritzmenge in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine eingespritzt werden kann.

Zur intermittierenden Zufuhr von Kraftstoff-Flüssigkeitsge- mischen in Brennräume einer Brennkraftmaschine mit einem Com- mon-Rail-Druckspeicher wurde in der DE 4425339 Al bereits ein

Injektor beschrieben, wobei neben einem die Längsbewegungen des Ventilglieds steuernden, zwischen dem Ventilglied und dem

Gehäuse des Einspritzventils ausgebildeten Steuerraum ein wei- terer Steuerraum vorgesehen ist, der zwischen dem Ventilglied und einem gesonderten Kolben ausgebildet ist. Der EP 1321662

Al ist ein Injektor mit einer Ventilnadel zu entnehmen, wobei

ein Durchflussquerschnitt in Abhängigkeit vom Hub der Düsennadel veränderbar ist.

Coinmon-Rail-Einspritzsysteme werden unter anderem auch für die Einspritzung von Kraftstoff mit hoher Viskosität, hohem Anteil von abrasiv wirkenden Feststoffen und hoher Temperatur — sogenanntem Schweröl — in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingesetzt. Schweröl wird besonders bei Motoren mit hoher Zylinderleistung als Energieträger verwendet, wobei die dort verwendeten Injektoren jedoch für hohe Einspritzmengen ausgelegt sein müssen.

Bei hohen Einspritzmengen, wie sie beim Einsatz von Schweröl notwendig sind, ist es zwar prinzipiell möglich den Einspritz- verlauf, wie oben beschrieben, derart zu beeinflussen, dass der Magnet des Magnetventils während eines Einspritzvorganges mehrfach bestromt und betätigt wird, jedoch ist eine derartige Betriebsweise mit Rücksicht auf die hohen Einspritzmengen mit einem hohen Aufwand verbunden und der Injektor ist durch die im Schweröl vorhandenen Verunreinigungen einem hohen Verschleiß unterworfen. Zudem führt die durch die Mehrfachbestro- mung des Magneten verursachte Unterbrechung des Einspritzflus- ses dazu, dass innerhalb des für den Einspritzvorgang vorgesehenen Zeitfensters nicht die für den Betrieb von großen Brenn- kraftmaschinen erforderlichen hohen Einspritzmengen erreicht werden können.

Die vorliegende Erfindung zielt daher darauf ab, die eingangs genannte Einspritzvorrichtung derart zu verbessern und insbe- sondere für den Einsatz von Schweröl und für den Einsatz in großen Brennkraftmaschinen geeignet zu machen, wobei eine gezielte Beeinflussung des Einspritzverlaufes ermöglicht werden soll.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Vorrichtung der eingangs genannten Art im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass im Düsenvorraum ein einen Zulaufquerschnitt für den Kraftstoff-

fluss zu den Einspritzöffnungen bestimmendes Stellglied angeordnet ist. Zum Unterschied zu den Ausbildungen gemäß dem Stand der Technik wird die Beeinflussung des Kraftstoffflusses und damit des Einspritzverlaufes nicht nur über eine Mehrfach- bestromung des Magneten des Steuerventils erreicht, sondern auch durch ein gesondertes Stellglied unmittelbar im Düsenvorraum. Das erfindungsgemäße Stellglied bestimmt hierbei den Zulaufquerschnitt für den Kraftstofffluss zu den Einspritzöffnungen, wobei durch geeignete Verstellung des Stellglieds der Kraftstofffluss entsprechend dem gewünschten Verlauf gesteuert werden kann.

Bevorzugt ist die erfindungsgemäße Ausbildung derart weitergebildet, dass das Stellglied im Düsenvorraum längsverschieblich geführt ist, und dass der Zulaufquerschnitt in Abhängigkeit vom Hub des Stellglieds veränderbar ist. Das Stellglied ist hierbei nach Art eines Ventils im Düsenyorraum angeordnet, wobei in einfacher Weise durch Betätigung des Stellglieds in Längsrichtung der Zulaufquerschnitte entsprechend gesteuert werden kann. Besonders vorteilhaft ist hierbei eine Ausbildung, bei welcher das Stellglied in seiner Ausgangsstellung einen konstanten Zulaufquerschnitt freigibt, sodass bereits ohne Betätigung des Stellglieds ein Mindestfluss gewährleistet wird, welcher beispielsweise für die Voreinspritzung genutzt werden kann. Die Ausbildung ist zu diesem Zweck bevorzugt derart getroffen, dass das Stellglied wenigstens eine Bohrung mit einem in der Ausgangsstellung des Stellglieds wirksamen Zulaufquerschnitt aufweist.

Ausgehend von dem Mindestzulaufquerschnitt, welcher von der Stellung des Stellglieds unabhängig ist, erfolgt bevorzugt die Regelung des Zulaufquerschnitts derart, dass der Zulaufquerschnitt in Abhängigkeit vom Hub der Düsennadel verändert wird. Zu diesem Zweck ist die Ausbildung bevorzugt derart getroffen, dass Mittel zum Verstellen des Stellglieds in Abhängigkeit vom Hub der Düsennadel vorgesehen sind.

Die Kopplung des Düsennadelhubs mit dem Hub des Stellglieds kann hierbei beispielsweise derart erfolgen, dass die Düsennadel einen Anschlag aufweist, welcher mit einem Gegenanschlag des Stellglieds zusammenwirkt. Der Anschlag der Düsennadel und der Gegenanschlag des Stellglieds können hierbei in der Schließstellung der Düsennadel in Abstand voneinander angeordnet sein, sodass die Düsennadel erst noch durch Durchlaufen eines Leerwegs das Stellglied in öffnungsrichtung mitnimmt. Dies hat zur Folge, dass das Stellglied, bei Durchlaufen eines ersten Teilhubs der Düsennadel in der Schließstellung verbleibt und die Düsennadel erst bei Durchlaufen eines weiteren Teilhubs mit dem Stellglied zur Veränderung des Zulaufquerschnittes zusammenwirkt. Bei Durchlaufen des ersten Teilhubs ist somit lediglich der vom Hub des Stellglieds unabhängige Mindestzulaufquerschnitt des Stellglieds freigegeben, wodurch eine erste Einspritzphase geschaffen wird, in welcher eine kleine Kraftstoffmenge mit geringem Druck eingespritzt wird. Erst in einer zweiten Phase wird der vom Stellglied freigegebene Zulaufquerschnitt vergrößert und es kann somit eine Hauptmenge des Kraftstoffes mit höherem Druck in den Brennraum eingespritzt werden.

Statt einer mechanischen Betätigung des Stellglieds durch Zusammenwirken eines Anschlags der Düsennadel mit einem Gegenan- schlag des Stellglieds kann auch eine hydraulische Betätigung vorgenommen werden. Die Ausbildung ist zu diesem Zweck mit Vorteil derart weitergebildet, dass ein die öffnungs- und Schließbewegung der Düsennadel steuernder mit Kraftstoff be- füllbarer Steuerraum, ein mit dem Steuerraum in Verbindung stehender weiterer Steuerraum und eine mit dem im weiteren Steuerraum herrschender Kraftstoffdruck beaufschlagbare Fläche des Stellglieds vorgesehen ist. Der Steuerraum kann hierbei über eine Bohrung der Düsennadel mit dem weiteren Steuerraum in Verbindung stehen, wie weiter unten in der Figurenbeschrei- bung noch näher erläutert werden wird. Der weitere Steuerraum kann hierbei als Ringraum zwischen einem ringförmigen Absatz

der Düsennadel und einem Ringbord des ^' Stellglieds ausbildet sein.

Wie bereits erwähnt kann das Stellglied nach Art eines Ventil- schließgliedes im Düsenvorraum angeordnet sein, und es ist hierbei bevorzugt vorgesehen, dass das Stellglied eine kegelige Sitzfläche trägt und mittels eines Kraftspeichers gegen eine Gegensitzflache der Injektordüse pressbar ist. Der Kraftspeicher kann hierbei als Schraubendruckfeder ausgebildet sein, welche sich an einer Schulter der Düsennadel und an einer Ringfläche des Stellglieds abstützt.

Das Stellglied wird bevorzugt von einer die Düsennadel umgebenden Hülse gebildet, wodurch eine besonders Platz sparende Anordnung gewährleistet wird.

Die Erfindung wird nachfolgend eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. In dieser zeigen Fig. 1 und 2 den grundsätzlichen Aufbau eines Injektors für ein Common-Rail-Einspritzsystem von großen Dieselmotoren, Fig. 3 eine erste erfindungsgemäße Ausbildung des Injektors mit einem als Hülse ausgebildeten Stellglied und Fig. 4 eine abgewandelte Ausbildung des erfindungsgemäßen Stellglieds.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Injektor 1 umfassend einen Injektorkörper 2, einen Ventilkörper 3, eine Zwischenplatte 4 und eine Injektordüse 5, welche durch eine Düsenspannmutter 6 zusammengehalten werden. Die Injektordüse 5 umfasst eine Dü- sennadel 7, welche im Düsenkörper der Injektordüse 5 längsver- schieblich geführt ist und mehrere Freiflächen aufweist, durch welche aus dem Düsenvorraum 8 Kraftstoff zur Nadelspitze strömen kann. Bei der öffnungsbewegung der Düsennadel 7 wird der Kraftstoff über mehrere Einspritzöffnungen 9 in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.

An der Düsennadel 7 befindet sich ein Bund, an welchem sich eine Druckfeder 10 abstützt, die mit ihrem oberen Ende eine Steuerhülse 11 gegen die Unterseite der Zwischenplatte 4 drückt. Die Steuerhülse 11 , die obere Stirnfläche der Düsenna- del 7 und die Unterseite der Zwischenplatte 4 begrenzen einen Steuerraum 12. Der im Steuerraum 12 herrschende Druck ist für die Steuerung der Bewegung der Düsennadel maßgeblich. über die Kraftstoffzulaufbohrung 13 wird der Kraftstoffdruck einerseits im Düseήvorraum 8 wirksam, wo er über die Druckschulter der Düsennadel 7 eine Kraft in öffnungsrichtung der Düsennadel 7 ausübt. Anderseits wirkt er über den Zulaufkanal 14 und die Zulaufdrossel 15 im Steuerraum 12 und hält, unterstützt von der Kraft der Druckfeder 10, die Düsennadel 7 in ihrer Schließstellung.

Mit dem Ansteuern des Elektromagneten 16 wird der Magnetanker 17 samt der mit ihm verbundenen Ventilnadel 18 angehoben und der Ventilsitz 19 geöffnet. Der Kraftstoff aus dem Steuerraum 12 strömt durch die Ablaufdrossel 20 und den offenen Ventil- sitz 19 in den drucklosen Ablaufkanal 21, was mit dem Absinken der hydraulischen Kraft auf die obere Stirnfläche der Düsennadel 7 zum öffnen der Düsennadel 7 führt. Der Kraftstoff gelangt nun durch die Einspritzöffnungen 9 in den Brennraum des Motors. Im geöffneten Zustand der Injektordüse 5 fließt gleichzeitig Hochdruckkraftstoff durch die Zulaufdrossel 15 in den Steuerraum 12 zu und über die Ablaufdrossel 20 eine etwas größere Menge ab. Dabei wird die sogenannte Steuermenge drucklos in den Ablaufkanal 21 abgeführt, also zusätzlich zur Einspritzmenge aus dem Rail entnommen. Die öffnungsgeschwin- digkeit der Düsennadel 7 wird durch den Durchflussunterschied zwischen Zu- und Ablaufdrossel 15,20 bestimmt.

Bei Beendigung der Ansteuerung des Elektromagneten 16 wird der Magnetanker 17 durch die Kraft der Druckfeder 22 nach unten gedrückt und die Ventilnadel 18 verschließt über den Ventilsitz 19 den Ablaufweg des Kraftstoffs durch die Ablaufdrossel 20. über die Zulaufdrossel 15 wird im Steuerraum 12 wieder der

Kraftstoffdruck aufgebaut und erzeugt eine Schließkraft, welche die hydraulische Kraft auf die Druckschulter der Düsennadel 7, vermindert um die Kraft der Druckfeder 10, übersteigt. Die Düsennadel 7 verschließt den Weg zu den Einspritzöffnungen 9 und beendet den Einspritzvorgang.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Injektorausführung erlaubt zwar eine Einspritzverlaufsbeeinflussung durch Mehrfach- bestromung des Magneten derart, dass gegebenenfalls eine ge- ringe Voreinspritzmenge ^" , hierauf die Haupteinspritzmenge und gegebenenfalls auch eine Nacheinspritzmenge in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine eingespritzt werden kann. Jedoch ist es damit nicht möglich, eine Einspritzverlaufsformung in der Art zu realisieren, dass an den Einspritzöffnungen in ge- zielter Weise unterschiedliche vom Nadelhub abhängige Drücke wirksam werden.

In Fig. 3 ist eine erste Injektorausführung dargestellt, welche eine Formung des Einspritzverlaufs ermöglicht, indem zu- erst eine Voreinspritzmenge mit geringer Förderrate und darauffolgend die Haupteinspritzmenge mit hoher Förderrate in den Brennraum des Motors eingespritzt wird und welche deshalb für den Betrieb bei großen Einspritzmengen und insbesondere für Schweröl in Common-Rail-Systemen geeignet ist.

Bei dieser Injektorausführung ist ein auf der Düsennadel 7 verschiebbar geführtes Stellglied 23 mittels einer an einer Schulter der Düsennadel 7 abgestützten Druckfeder 24 gegen den Sitzkegel im unteren Bereich der Injektordüse 5 gedrückt. Das Stellglied ist hierbei als Hülse 23 ausgebildet. Sobald die Düsennadel 7 durch Absenken des Kraftstoffdruckes im Steuerraum 12 von ihrem konischen Sitz in der Injektordüse 5 abhebt, strömt der Kraftstoff aus dem Düsenvorraum 8 durch eine oder mehrere Drosseln 25 in der Hülse 23 mit durch diese Drosselung vermindertem Druck zu den Einspritzöffnungen 9 im Kuppenbereich der Injektordüse 5. Solange die Hülse 23 noch im Sitzkegel aufliegt, bleibt also die Einspritzrate niedrig, wobei der

durch die Drosseln 25 freigegebenen Zulaufquerschnitt vom Hub der Düsennadel 7 vorerst unbeeinflusst ist.

Sobald die Düsennadel 7 bei ihrem öffnungsvorgang den Vorhub 27 zurückgelegt hat, kommt ein als Mitnehmerring 26 ausgebildeter Anschlag mit einem als Absatz an der Hülse 23 ausgebildeten Gegenanschlag in Kontakt und hebt in weiterer Folge die Hülse vom Sitzkegel im unteren Bereich der Injektordüse 5 ab. Dem Kraftstoff im Düsenvorraum 8 wird nun ein großer und unge- drosselter Zulaufquerschnitt zu den Einspritzöffnungen 9 freigegeben, sodass die Haupteinspritzung mit hoher Förderrate stattfinden kann.

Zur Beendigung des Einspritzvorganges durch Aufbau des Kraft- stoffdrucks im Steuerraum 12 wird die Hülse 23 gemeinsam mit der Düsennadel 7 in .Richtung Sitzkegel verschoben. Es kommt nun zuerst zum Aufsetzen der Hülse 23 auf den Sitzkegel im un- .teren Bereich der Injektordüse 5 und nach Zurücklegen des Vorhubs 27 zum Verschließen des Kraftstoffweges zu den Einspritz- öffnungen 9 durch das Aufsetzen der Düsennadel 7 auf ihrem Sitz . Die Dauer einer gedrosselten Einspritzung während des Schließvorganges ist aufgrund der hohen Geschwindigkeit der Düsennadel 7 gegen Ende der Schließbewegung nur sehr kurz.

Fig. 4 zeigt eine zweite Injektorausführung, bei welcher das Abheben der Hülse nicht wie in Fig. 3 mechanisch, sondern hydraulisch gesteuert wird. Eine Hülse 23 wird über zwei Führungsdurchmesser 28, 29 auf der Düsennadel 7 verschiebbar geführt. Zwischen den Absätzen auf Düsennadel 7 und Hülse 23 wird hierbei ein Hülsensteuerraum 30 ausgebildet. Der Hül- sensteuerraum 30 steht über die Zentralbohrung 31 und die Querbohrung 32 mit dem Steuerraum 12 oberhalb der Düsennadel 7 in Verbindung. Die Hülse 23 wird durch den Kraftstoffdruck im Hülsensteuerraum 30 an den Sitzkegel im unteren Bereich der Injektordüse 5 gedrückt.

Zur Einleitung des Einspritzvorganges wird der Ventilsitz 19 durch den Magnetanker 17 des 2/2-Wegeventils geöffnet. Damit sinkt der Druck im Steuerraum 12 und die Düsennadel 7 hebt von Ihrem Sitz ab. Der Kraftstoff strömt aus dem Düsenvorraum 8 durch eine oder mehrere Drosseln 25 in der Hülse 23 mit durch diese Drosselung vermindertem Druck zu den Einspritzöffnungen 9 im Kuppenbereich der Injektordüse. Wenn die Düsennadel 7 mit ihrer oberen Stirnfläche an der Unterseite der Zwischenplatte

4 anschlägt, fällt der Druck im Steuerraum 12 stark ab.. Dieser Druckabfall wird über die Zentralbohrung 31 und die Querbohrung 32 in den Hülsensteuerraum 30 weitergegeben. Die Kraft, hervorgerufen durch den auf die Druckstufe der Hülse wirkenden Kraftstoffdruck aus dem Düsenvorraum 8, übersteigt nun die in Schließrichtung wirkenden Kräfte aus dem Druck im Hülsensteu- erraum 30 und der Druckfeder 33. Dadurch kommt es zum Abheben der Hülse 23 vom Sitzkegel im unteren Bereich der Injektordüse

5 und zur Freigabe eines großen und ungedrosselten Zulaufquerschnittes vom Düsenvorraum 8 zu den Einspritzöffnungen 9.

Zur Beendigung des Einspritzvorganges wird im Steuerraum 12 wieder der Kraftstoffdruck aufgebaut und erreicht nach Abheben der Düsennadel 7 von ihrem Anschlag an der Unterseite der Zwischenplatte 4 über die Zentralbohrung 31 und die Querbohrungen 32 .auch den Hülsensteuerraum 30. Die Hülse 23 wird dadurch in Richtung Düsenkuppe verschoben und erreicht ihre Schließposition am Sitzkegel ebenso wie kurz danach die Düsennadel 7. Damit ist der Einspritzvorgang abgeschlossen.

Der Vorteil der beschriebenen . Injektorausführungen liegt darin, dass die Kraftstoffwege für die Haupteinspritzung über große Querschnittsflächen außen an den Hülsen vorbei geführt sind. Deshalb sind diese Ausführungen auch besonders für große Einspritzmengen geeignet, wie sie bei den Injektoren für große Brennkraftmaschinen erforderlich sind.