Beschreibung

Titel

Kraftstoffeinspritzsystem mit Druckverstärkung

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzsystem mit Druckverstärkung für Brennkraftma- schinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Ein Kraftstoffeinspritzsystem mit Druckverstärkung, bei dem für alle Kraftstoffinjektoren ein zentraler hydraulischer Druckverstärker vorgesehen ist, ist aus EP 1 125 046 Bl bekannt. Dabei wird der mittels einer Hochdruckpumpe geförderte Kraftstoff einem zentralen Druckspeicher (erstes Common-Rail) zugeführt. Der zentrale Druckverstärker ist dem zentralen Druckspeicher in Förderrichtung des Kraftstoffs nachgeschaltet und führt den druckverstärkten Kraftstoff einem weiteren Druckspeicher (zweites Common-Rail) zu, von dem aus mehrere, der Anzahl der Injektoren entsprechende Druckleitungen zu den einzelnen Kraftstoffinjektoren abführen.

Aus EP 1 123 463 Bl ist ein weiteres Kraftstoffeinspritzsystem mit Druckverstärkung bekannt. Ein zentraler hydraulischer Druckverstärker für alle Kraftstoffinjektoren ist in einer Bypassleitung parallel zu einer Druckleitung angeordnet, die von der Hochdruckpumpe zu einer Verteilereinrichtung führt, die wiederum den Kraftstoff auf die einzelnen Kraftstoffinjektoren verteilt. Die Verteilereinrichtung besitzt jedoch keine Druckspeicherfunktion. Der parallel geschaltet zentrale Druckverstärker ist dabei zwischen Hochdruckpumpe und Verteileinrichtung geschaltet.

Nachteilig bei den bekannten Druckverstärkungssystemen ist der hohe Bauteilteilbedarf sowie die relativ große Steuermenge zur Ansteuerung der Druckverstärkers. Wird für Mehrfacheinspritzungen kleiner Einspritzmengen ein übersetzter Einspritzdruck benötigt, ist der Steuerraum bzw. Differenzdruckraum des Druckverstärkers mit jeder Einspritzung zu entlasten. Dadurch ergibt sich eine große abzusteuernde Steuermenge, die somit der Verlustmenge im Einspritzsystem zuzurechnen ist. Mehrfacheinspritzungen im Rahmen einer Zylinderhubbewegung sind zeitlich auch nur innerhalb eines eng bemessenen Fensters möglich, da sich mit jeder Ansteuerung des Druckverstärkers dessen Differenzdruck-

räum wieder mit Kraftstoff füllen muss. Darüber hinaus erhöht sich mit steigenden Einspritzdrücken die Verlustmenge proportional zur vierten Potenz über die Spaltbreite in der Führung des Druckverstärkerkolbens, was den hydraulischen Wirkungsgrad derartiger Kraftstoffinjektoren negativ beeinflusst.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Bauteil- und Bauraumbedarf sowie die Steuermenge zur Ansteuerung des Druckverstärkers zu minimieren, um somit den Wirkungsgrad der Druckverstärkung des Kraftstoffeinspritzsystems zu erhöhen.

Offenbarung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung wird mit den kennzeichnenden Maßnahmen des Anspruchs 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzsystem ist seitens des Bauraumbedarfs für einzelne Systemkomponenten optimiert. Bedingt durch einen modularen Aufbau von Hochdruckpumpe, Druckverstärker, Hochdruckspeicher und Kraftstoffinjektor lässt sich das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzsystem an allen bekannten Bauräumen von Brennkraftmaschinen beispielsweise im Zylinderkopfbereich einsetzen. Durch die Anordnung des zentralen hydraulischen Druckverstärkers zwischen Hochdruckpumpe und Hochdruckspeicher (Common-Rail) ist der zentrale Druckverstärker pro Einspritzzyklus eines Kraftstoffinjektors nur einmal anzusteuern. Dadurch wird die Steuermenge und die Leckagemenge in Abhängigkeit von der Anzahl der Einspritzungen erheblich reduziert. Aufgrund dieses Umstandes kann auch die Hochdruckpumpe kleiner dimensioniert ausgeführt werden, da weniger Kraftstoff zu fördern ist, da die Anzahl der Wiederbefüllphasen des Steuerraumes des zentralen hydraulischen Druckverstärkers erheblich reduziert ist. Der zentrale Druckverstärker kann dadurch in seiner Hochdruckfördermenge auf die maximal mögliche Einspritzmenge mindestens eines Kraftstoffinjektors ausgelegt werden.

Durch die Maßnahmen der Unteransprüche sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung möglich.

Ein kompakter Bauraum wird vorteilhafterweise dadurch erzielt, wenn der zentrale hydraulische Druckverstärker einen Grundkörper aufweist, in dem ein hydraulischer Speicherraum ausgebildet ist, und wenn der hydraulische Speicherraum über einen Druckverstärkerzulauf direkt mit der Hochdruckpumpe hydraulisch verbunden ist. Dazu ist im Grund- körper ein Hochdruckraum und ein Steuerraum ausgebildet und ein Druckverstärkerkolben axial beweglich geführt. Der Druckverstärkerkolben wirkt auf den Hochdruckraum zur Druckverstärkung und auf den Steuerraum zu Ansteuerung des Druckverstärkers ein. Der

hydraulische Speicherraum wird direkt von der Hochdruckpumpe befüllt. Das Volumen des hydraulischen Speicherraums ist dabei so auszulegen, dass der Druckabfall reduziert wird und die Druckschwingungen aus der Pumpenförderung auf ein für die Druckverstärkung tolerables Maß gedämpft werden.

Weiterhin ist vorgesehen, dass vom Hochdruckraum eine erste hydraulische Verbindung als Hochdruckablauf zum Hochdruckspeicher und eine zweite hydraulische Verbindung in den hydraulischen Speicherraum führt, dass die erste hydraulische Verbindung mit dem Hochdruckablauf ein erstes Rückschlagventil und die zweite hydraulische Verbindung ein zweites Rückschlagventil aufweist, und dass das erste Rückschlagventil ein Rückströmung vom Hochdruckspeicher in den Hochdruckraum und das zweite Rückschlagventil eine Zuströmung des druckübersetzten Kraftstoffs aus dem Hochdruckraum in den hydraulischen Speicherraum sperrt.

Die Leckageverluste, die sich über die mit Hochdruck beaufschlagten Führungsspalte am Druckübersetzerkolben einstellen, lassen sich dadurch verringern, wenn der zentrale hydraulische Druckverstärker, dessen Druckverstärkerkolben mit einem ersten Druckverstärkerkolbenteil mit einem größeren Durchmesser D ₂ i und mit einem zweiten Druckverstärkerkolbenteil mit einem kleineren Durchmesser D ₂₂ ausgeführt ist, mit mindestens einen der Druckverstärkerkolbenteile in einem am Grundkörper ausgebildeten Kolbenführungskörper geführt ist. Der Kolbenführungskörper ist zumindest teilweise von einem Ringraum umgeben, welcher Teil des hydraulischen Speicherraums ist. Dadurch ist ebenfalls mindesten ein Druckverstärkerkolbenteil vom Druck im hydraulischen Speicherraum umgeben. Durch diese Maßnahme sind die Führungen des Druckverstärkerkolbens von außen zum Zeitpunkt der Druckverstärkung durch einen Stützdruck beaufschlagt, so dass sich das Führungsspiel aufgrund des hohen Innendruckes, der innerhalb des Hochdruckraumes herrscht, weniger stark aufgeweitet. Am zweckmäßigsten ist, wenn der Hochdruckraum mit seinem Führungsspalt für den Druckverstärkerkolben unmittelbar an den hydraulischen Speicherraum angrenzt. Dadurch ist der Leckageverlust aus dem Hochdruckraum in den auf Mitteldruck stehenden hydraulischen Speicherraum gering, denn der Mitteldruck ist der von der Hochdruckpumpe gelieferte Kraftstoffdruck.

Zweckmäßigerweise ist dem zentralen hydraulischen Druckverstärker das Schaltventil zugeordnet, wobei das Schaltventil auch in den Grundkörper integriert sein kann. Weiterhin ist eine Befüllleitung vorgesehen, welche vom hydraulischen Speicherraum abzweigt und über welche der Steuerraum und/oder der Hochdruckraum nach der Druckübersetzungsphase wiederbefüllt werden.

Bei Einspritzdrücken unterhalb des maximalen Förderdrucks der Hochdruckpumpe wird in einer ersten Schaltstellung des Schaltventils der Druck im Speicherraum von der Hochdruckpumpe über den Zulauf weiter durch Rückschlagventile über den Hochdruckablauf zum Hochdruckspeicher gefördert. Von dort gelangt der Kraftstoff zu den Kraftstoffinjektoren. Während dieses Betriebs ist der zentrale Druckverstärker nicht angesteuert, so dass der von der Hochdruckpumpe geförderte Kraftstoff im Bypassbetrieb des Druckverstärkers zum Hochdruckspeicher (Common-Rail) gelangt.

Sind Einspritzdrücke gefordert, die über dem Maximalförderdruck der Hochdruckpumpe liegen, ist der zentrale Duckverstärker anzusteuern. Dazu wird das Schaltventil, bei dem es sich um ein 3/2-Wege-Ventil handelt, elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch betätigt in eine zweite Schaltstellung gebracht. In dieser zweiten Schaltstellung wird der Steuerraum des Druckverstärkers zur Druckentlastung über das Schaltventil mit einem Druckver- Stärkerrücklauf verbunden.

Ausführungsbeispiel

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.

Es zeigen:

Figur 1 einen Systemaufbau des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffeinspritzsystems und Figur 2 einen prinzipiellen Aufbau eines hydraulischen Druckverstärkers.

Das in Figur 1 dargestellte Kraftstoffeinspritzsystem umfasst einen Kraftstofftank 12, aus welchem über eine Hochdruckpumpe 14 Kraftstoff gefördert wird, der einem zentralen hydraulischen Druckverstärker 10 zugeleitet wird. Der zentrale Druckverstärker 10 ist über einen Druckverstärkerzulauf 44 einerseits mit der bereits erwähnten Hochdruckpumpe 14 verbunden und beaufschlagt andererseits einen Hochdruckspeicher 18 (Common-Rail). Im Hochdruckspeicher 18 befinden sich in einer der mit unter Systemdruck stehendem Kraftstoff zu versorgenden Anzahl von Kraftstoffinjektoren entsprechenden Anzahl Anschlussleitungen zu Kraftstoffinjektoren 20, die in der Darstellung gemäß Figur 1 nur schematisch angedeutet sind. Am brennraumseitigen Ende der Kraftstoffinjektoren wird der unter hohem Druck stehende Kraftstoff - angedeutet durch die Pfeile - in den Brennraum einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine eingespritzt. Rücklaufseitig befindet sich am

Kraftstoff injektor 20 ein Injektorrücklauf 22, in welchen ein Druckverstärkerrücklauf 24, der an einem Schaltventil 26 angeschlossen ist, mündet. Sowohl der Druckverstärkerrücklauf 24 als auch der Injektorrücklauf 22 stellen die Niederdruckseite des Kraftstoff einspritzsys- tems gemäß der Darstellung in Figur 1 dar, in welchen die abgesteuerte Menge, sei es Steuermenge oder Leckagemenge, in den Kraftstofftank 12 zurückgefördert wird.

Bedingt durch die Anordnung des zentralen Druckverstärkers 16 zwischen der Hochdruckpumpe 14 und dem Hochdruckspeicher 18 ist der Druckverstärker 16 pro Einspritzzyklus eines Kraftstoffinjektors 20 nur einmal mit dem Schaltventil 26 anzusteuern. Da- durch wird die Steuer- oder Leckagemenge in Abhängigkeit von der Anzahl der Einspritzungen erheblich reduziert. Die Hochdruckpumpe 14 hat weniger Kraftstoff zu fördern und kann kleiner dimensioniert werden. Der Druckverstärker 16 ist in seiner Hochdruckfördermenge auf die maximal mögliche Einspritzmenge von mindestens einem der Kraftstoffinjektoren 20 auszulegen.

Der zentrale Druckverstärker 16 gemäß Figur 2 umfasst einen Grundkörper 30, der ein- oder mehrteilig aufgebaut sein kann. Im Grundkörper 30 ist ein hydraulischer Speicherraum 48 integriert. Der hydraulische Speicherraum 48 wird über den Druckverstärkerzulauf 44 von der Hochdruckpumpe 14 mit Kraftstoff beaufschlagt. Das Speichervolumen des hydraulischen Speicherraums 48 ist so ausgelegt, dass der Druckabfall reduziert wird und sich Druckschwingungen, die sich aus der Förderung der Hochdruckpumpe 14 ergeben, auf ein für die Druckverstärkung erträgliches Maß dämpfen lassen.

Der zentrale Druckverstärker 16 umfasst weiterhin einen Druckverstärkerkolben 32. Die- ser wiederum umfasst einen ersten Kolbenabschnitt mit einem ersten Druckverstärkerkolbenteil 54, ausgelegt im Durchmesser D ₂ i, sowie einen zweiten Kolbenabschnitt mit einem zweiten Druckverstärkerkolbenteil 56, ausgelegt im Durchmesser D ₂₂ . Das Druckübersetzungsverhältnis i des Druckverstärkers 16 gemäß der in Figur 2 dargestellten Prinzipskizze ergibt sich zu:

i = D ₂₁ ² / ( D ₂₁ ² - D ₂₂ ² )

Der zentrale Druckverstärker 10 umfasst außerdem einen Hochdruckraum 50 zur Druckverstärkung bzw. Druckübersetzung sowie einen Steuerraum 52 zum Ansteuern des Druckverstärkers 16. Der Druckverstärkerkolben 32 ist mit einer zweiten Druckfläche am zweiten Druckverstärkerkolbenteil 56 mit dem kleineren Durchmesser D ₂₂ dem Steuer-

-D-

raum 52 und mit einer ersten Druckfläche am ersten Duckverstärkerkolbenteil 54 mit dem größeren Durchmesser D ₂ i dem Hochdruckraum 50 ausgesetzt.

Der Druckverstärkerkolben 32 ist durch eine Rückstellfeder 34 beaufschlagt, die sich am Kolbenführungskörper 36 einerseits und einem am Druckverstärkerkolbenteil 56 ausgebildeten Bund 33 andererseits abstützt. Der Druckverstärkerkolben 32, die Rückstellfeder 34 und der Kolbenführungskörper 36 sind ihrerseits so im Speicherraum 48 angeordnet, dass dieser den Kolbenführungskörper 36 im Bereich der Führung des Druckverstärkerkolbens 32 umgibt, zweckmäßigerweise im Bereich des mit dem Durchmesser D ₂ i ausgebildeten ersten Druckverstärkerkolbenteiles 54. Durch diese Maßnahme sind die Führungen des Druckverstärkerkolbens 32 von außen zum Zeitpunkt der Druckverstärkung durch einen Stützdruck beaufschlagt. Dieser Stützdruck von außen bewirkt, dass sich aufgrund des im Inneren des Druckverstärkers 16 herrschenden Drucks vergrößerte Führungsspiel weniger weit aufweitet, was andernfalls zu einem unerwünschten Abströmen von Führungsle- ckage führen würde, was wiederum den hydraulischen Wirkungsgrad des Druckverstärkers 16 negativ beeinflussen würde.

Vom Hochdruckraum 50 zweigt eine erste hydraulische Leitung als Hochdruckablauf 46 ab, der sich zum Hochdruckspeicher 18 (Common-Rail) erstreckt. Im Hochdruckablauf 46 befindet sich ein erstes Rückschlagventil 40. Vom Hochdruckraum 50 erstreckt sich weiterhin eine zweite hydraulische Leitung mit einem zweiten Rückschlagventil 38, die über eine Befüllleitung 58 in den hydraulischen Speicherraum 48 führt. Das Rückschlagventil 38 dient dabei als Füllventil. Das erste Rückschlagventil 40 sperrt eine Rückströmung von Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher 18 in den Hochdruckraum 50. Das zweite Rück- schlagventil 38 sperrt eine Zuströmung des druckübersetzten Kraftstoffs aus dem Hochdruckraum 50 in den hydraulischen Speicherraum 48. Von der zweiten hydraulischen Leitung zweigt eine weitere hydraulische Leitung ab, die zum Schaltventil 26 führt. Eine weitere hydraulische Leitung verbindet einen weiteren Anschluss des Schaltventils 26 mit dem Steuerraum 52. über diese hydraulischen Leitungen wird der Hochdruckraum 50 und der Steuerraum 52 ausgehend vom Speicherraum 48 wieder mit Kraftstoff befüllt, wobei die Wiederbefüllung des Steuerraumes 52 nach dessen Druckentlastung bei Betätigung des Schaltventils 26 über die weitere Leitung in der dargestellten Schaltstellung des Schaltventils 26 auch über die Befüllleitung 58 vom Speicherraum 48 ausgehend erfolgt.

Die Rückstellfeder 34, die zwischen dem Führungskörper 36 und einer Stufe am Druckverstärkerkolben 32 angeordnet ist, drückt den Druckverstärkerkolben 32 in dessen Ausgangslage, so dass dieser mit einer Anschlagsbegrenzung 42 am Grundkörper 30 anliegt.

Die Federkraft der Rückstellfeder 34 ist so ausgelegt, dass der Druckverstärkerkolben 32 nach der Druckverstärkung mit ausreichend hoher Geschwindigkeit wieder in die Ausgangsstellung an der Anschlagsbegrenzung 42 gebracht wird.

Bei Einspritzdrücken unterhalb des maximalen Förderdruckes der Hochdruckpumpe 14 wird gemäß einer in Figur 1 und 2 dargestellten ersten Schaltstellung des Schaltventils 26 der Druck der Hochdruckpumpe 14 über den Druckverstärkerzulauf 44 in den Speicherraum 48 und von dort weiter über das als Rückschlagventil ausgebildete Hochdruckventil 40 über den Hochdruckablauf 46 zum Hochdruckspeicher 18 gefördert. Von dort aus ge- langt der Kraftstoff zu den mit unter Systemdruck stehendem Kraftstoff zu versorgenden Kraftstoffinjektoren 20. Der von der Hochdruckpumpe 14 verdichtete Kraftstoff gelangt somit im so genannten Bypassbetrieb von der Hochdruckpumpe 14 direkt zum Hochdruckspeicher 18 (Common-Rail), d.h. der Druckverstärker 16 ist in diesem Betriebsmodus nicht aktiv.

Um Einspritzdrücke über dem Maximalförderdruck der Hochdruckpumpe 14 zu erreichen, ist der Druckverstärker 16 anzusteuern. Dazu wird das Schaltventil 26 elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch in die zweite Schaltstellung gebracht. In dieser Schaltstellung des Schaltventils 26 wird der Steuerraum 52 mit dem Druckverstärkerrücklauf 24 verbunden. Kraftstoff strömt aus dem druckentlasteten Steuerraum 52 über das Schaltventil 26 in den Druckverstärkerrücklauf 24 ab und von dort in den in Figur 1 dargestellten Niederdruckbereich des Kraftstoffeinspritzsystems zurück in den Kraftstofftank 12. Aufgrund der Druckabsenkung im Steuerraum 52 wird der Druckverstärkerkolben 32 entgegen der Federkraft der Rückstellfeder 34 axial bewegt, so dass das erste Druckverstärkerkolbenteil 54, aus- gebildet im Durchmesser D ₂ i, in den Hochdruckraum 50 drückt und dort den Druck erhöht. Das Rückschlagventil 38 wiederum ist dabei in Richtung des Druckverstärkerrücklaufs 24 geschlossen. Steigt der Druck im Hochdruckraum 50 über den Druck auf der Seite des Hochdruckablaufes 46 hin an, wird der verdichtete Kraftstoff durch das Hochdruckventil 40 weiter in den Hochdruckspeicher 18 (Common-Rail) gefördert. Der Hochdruckspeicher 18 wird somit mit dem erhöhten Druck aus dem Hochdruckraum 50 befüllt. Von dort werden dann die Kraftstoffinjektoren 20 mit dem erhöhten Kraftstoff druck beaufschlagt, so dass die Einspritzung über die Kraftstoffinjektoren mit dem über dem Förderdruck der Hochdruckpumpe 14 liegenden Kraftstoffdruck erfolgt. Der Druck im Hochdruckraum 50 steigt so lange an, bis sich erneut ein Kräftegleichgewicht am Druckverstärkerkolben 32 einstellt.

Bei Deaktivierung des Schaltventils 26 wird der Steuerraum 52 wieder mit dem Speicherraum 48 hydraulisch verbunden. Aufgrund dieser hydraulischen Verbindung steigt der

Druck im Steuerraum 52 an und der Druckverstärkerkolben 32 beendet den Vorgang der Druckübersetzung gemäß des Druckübersetzungsverhältnisses i im Hochdruckraum 50. Gleichzeitig schließt sich auch das Hochdruckventil 40 aufgrund der anstehenden Druckdifferenz. Die Federkraft der Rückstellfeder 34 drückt nun den Druckverstärkerkolben 32 mit der Anschlagsbegrenzung 42 an den Grundkörper 30 des Druckverstärkers 16. Während dieser Zeitspanne wird Kraftstoff aus dem Speicherraum 48 über das Rückschlagventil 38 in den Hochdruckraum 50 angesaugt. Ist der Druckverstärkerkolben 32 an der Anschlagsbegrenzung 42 angelangt, kann das Schaltventil 26 zur erneuten Druckübersetzung angesteuert werden. Vor Erreichen der Anschlagsbegrenzung 42 ist zwar eine er- neute Ansteuerung möglich, aber aufgrund der dann noch unbestimmten Rückstellposition des einen ersten Druckverstärkerkolbenteil 54 und einen zweiten Druckverstärkerkolbenteil 56 aufweisenden Druckverstärkerkolbens 32 nicht sinnvoll.