KRAFTSTOFFINJEKTOR MIT INTEGRIERTER DURCHFLUSSBEGRENZUNG

Beschreibung

Technisches Gebiet:

[0001] Bei Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit befüllbaren Hochdrucksammelräumen (Common Rail) werden Injektoren eingesetzt, die ständig mit dem extrem hohen Systemdruck beaufschlagt sein können, was einerseits ein weitgehend verzögerungsfreies Einspritzen von Kraftstoff ermöglicht, andererseits aber ein Verhindern kleinster Nacheinspritzungen nach Einspritzende durch ein schnell herbeizuführendes Nadelschließen am Spritzende erforderlich macht.

Stand der Technik:

[0002] EP 0 657 642 A2 bezieht sich auf eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen. Ein Hochdrucksammelraum steht mit den Einspritzventilen ständig in Verbindung. Um zu vermeiden, daß der hohe Systemdruck ständig an den Einspritzventilen anliegt, ist das Steuerventil so ausgeführt, daß es während der Einspritzpausen am Einspritzbauteil dessen Verbindung zum Druckspeicherraum verschließt und eine Verbindung zwischen Einspritzventil und einem Entlastungsraum aufsteuert. Dadurch lassen sich die aufzubringenden Schließkräfte herabsetzen, die durch Federkräfte aufgebracht werden. Ständig steigende Anforderungen an die Systemdruckhöhe erfordern höhere Schließkräfte, die anders dimensionierte Federn erfordern. Der für die beweglichen Federn zur Verfügung stehende Bauraum ist jedoch begrenzt.

[0003] DE 197 01 879 A1 bezieht sich ebenfalls auf eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen. Mittels eines ansteuerbaren Magnetventils läßt sich ein in einen unter Druck stehenden Arbeitsraum mündender Entlastungskanal derart aufsteuern, daß das Steuerventil in eine Öffnungsstellung bzw. in eine Schließstellung verfahrbar ist.

Darstellung der Erfindung:

[0004] Mit dem am Steuerteil vorgesehenen Drosselelement kann ohne zusätzlich erforderliche Bauteile oder auf größere Schließkräfte erzeugende Schraubenfeder zurückgreifen zu müssen, eine auf das Steuerteil einwirkende Schließkrafterhöhung erzielt werden. Damit ist ein schnelleres Schließen der Düsennadel am Einspritzende sowie ein dichterer Abschluß gegen die Hochdruckversorgungsleitung vom Hochdrucksammelbehälter gewährleistet. Die Erhöhung der Schließkraft am Steuerteil verhindert das Auftreten von Nachspritzern auch kleinster Kraftstoffmengen durch Erhöhung des Druckes am Federraum. Während des Einspritzvorgangs ist der Federraum, in welchem ein Federelement eingelassen ist, mit dem unter hohem Einspritzdruck stehenden Kraftstoff beaufschlagt. Während des Einspritzvorgangs ist die neben dem Steuerteil vorgesehene Druckentlastungsleitung durch die Steuerkanten des Steuerteils verschlossen, so daß während der Einspritzung der hohe Kraftstoffdruck auch am Federraum ansteht, so daß sich als Funktion der Öffnungszeit des Steuerteils im Federraum ein den sich nach Einspritzende einstellenden Rückstellvorgang des Steuerteils begünstigender Kraftstoffdruck aufbaut.

[0005] Dem Steuerteil in seiner es umschließenden Hülse gegenüberliegend, befindet sich ein weiteres Drosselelement, welches in der druckfreien Entlastungsleitung vorgesehen ist. Nach Ende des Einspritzvorgangs verhindert die Drossel in der Entlastungsleitung, daß es in der Einspritzdüse zu Kavitationserscheinungen kommt. Bei entsprechender Dimensionierung des Querschnitts des Drosselelements kann der Federraum einerseits vollständig druckentlastet werden, andererseits kann eine vollständige Druckentlastung des Federraums dadurch unterbunden werden, daß durch eine geeignete Dimensionierung des Querschnitts des Drosselelements ein erhöhter Restdruck im Federraum voreinstellbar ist und erhalten bleibt.

[0006] Ein mit der erfindungsgemäßen Lösung weiterhin erzielbarer Vorteil liegt darin, daß vor dem ersten Start der Brennkraftmaschine eine Entlüftung der Brennkraftmaschine durch das Drosselelement am Steuerteil des 3/2-Wege-Ventils erzielbar ist.

[0007] Der für die Funktionssicherheit von Einspritzventilen bedeutsame Effekt der erfindungsgemäßen Lösung liegt in einem über das Drosselelement erfolgenden, sich allmählich einstellenden Druckausgleich an der Düsennadel einerseits und dem Federraum durch das Drosselelement und die Bohrung andererseits bei sich einstellenden Funktionsstörungen am Einspritzventil beispielsweise durch ein nicht schließendes Magnetventil oder durch Klemmen oder reiben des Steuerteils am Sitz. Der Druckausgleich stellt sich innerhalb einer Zeitspanne ein. Die über den Querschnitt des Drosselelements für den Druckausgleich zur Verfügung stehende Zeitspanne bestimmt bei maximalem Systemdruck die maximale Einspritzmenge. Die die nominale Einspritzmenge übersteigende maximale Einspritzmenge kann durch geeignete Dimensionierung des Querschnitts des Drosselelements im Steuerteil so ausgelenkt werden, daß es, falls es zu einem Einspritzvorgang mit maximaler Einspritzmenge in den Motor kommt, dieser keinen Schaden nimmt.

[0008] Mit der auf diese Weise mechanisch gesteuerten maximalen Einspritzmenge können auch elektronische Fehlfunktionen, in Gestalt ausbleibender oder zu langer Ansteuersignale, abgefangen werden.

Zeichnung:

[0009] Anhand der zeichnerischen Darstellung wird die Erfindung nachstehend detaillierter erläutert.

[0010] Es zeigt:

Figur 1

einen über einen Hochdrucksammelraum (Common Rail) beaufschlagten Injektor und

Figur 2

das vergrößert dargestellte Steuerteil des 3/2-Wege-Ventils zwischen Magnetventil und Federraum.

Ausführungsvarianten

[0011] Aus der Darstellung gemäß Figur 1 geht ein über einen Hochdrucksammelraum (Common Rail) beaufschlagter Injektor hervor.

[0012] Am der Einspritzdüse gegenüberliegenden Ende des Injektors befindet sich ein 2/2-Wege-Ventil, welches vorzugsweise als elektrisch ansteuerbares Magnetventil ausgeführt ist. Das 2/2-Wege-Ventil 1 hat die Aufgabe, eine oberhalb des Steuerteils 2 - vorzugsweise als Steuerschieber ausgebildet- vorgesehene Steuerkammer dadurch vom anstehenden hohen Druck zu entlasten, daß ein Entlastungskanal geöffnet wird. Dies bewirkt ein in Verbindungtreten von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff in der Versorgungsleitung 18 mit der Hochdruckleitung 9, 9', die zur Düsennadel 8 der Einspritzdüse 13 führt. Mittels der Einspritzdüse 13 wird der anstehende und unter hohem Druck stehende Kraftstoff bei Einspritzbeginn in definiert bemessener Menge in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.

[0013] Das Steuerteil 2, welches in Figur 2 in vergrößertem Maßstab und detaillierter dargestellt ist, wird von einer Hülse umschlossen, welche mit Zuström- und Abströmbohrungen für die Kraftstoffleitungen 4, 18 sowie die Hochdruckleitung 9 versehen ist. Die Hülse 12 ihrerseits ist in einem Gehäuse 21 eingelassen. Im Gehäuse 21 befindet sich ein Federraum 7, in welchem eine Schraubenfeder 24 eingelassen ist. Die Schraubenfeder 24 stützt sich einerseits auf einem Paar Scheiben 26 ab, während sie mit dem anderen Ende an einem ringförmigen Einsatz anliegt, der eine Düsennadel 8 aufnimmt, mit der die Einspritzdüse 13 zu öffnen und nach Einspritzende wieder zu verschließen ist.

[0014] Die Verbindung des in Figur 1 dargestellten Injektors mit dem Hochdrucksammelraum (Common Rail) erfolgt via Hochdruckleitung 18. Der Hochdrucksammelraum ist in Figur 1 nicht näher dargestellt. Die drucklose Entlastungsleitung 4 fördert überflüssigen Kraftstoff in einen ebenfalls nicht dargestellten Kraftstofftank. Im Vergleich zum Injektorgehäuse 21, welches aus relativ preisgünstigem Material gefertigt werden kann, sind die das Steuerteil 2 umschließende Hülse 12 sowie das Steuerteil 2 selbst aus hochwertigem Material hergestellt. Zur Minimierung sich bei der Relativbewegung zwischen Steuerteil 2 und es umgebender Hülse 12 einstellender Leckageverluste sind das Steuerteil 2 und die Hülse 12 mit engsten Toleranzen in Bezug aufeinander ausgeführt.

[0015] Figur 2 zeigt in detaillierter Darstellung das im Gehäuse 21 eingelassene Steuerteil 2, welches von einer Hülse 12 umschlossen ist.

[0016] Durch das im Injektorgehäuse 21 aufgenommene 2/2-Wege-Ventil 1 kann ein Schließkörper 15 geöffnet werden, der im Ruhezustand, beaufschlagt über ein Federelement 16, eine in einem Anschlag 17 vorgesehene Entlastungsbohrung 23 verschließt. Die Entlastungsbohrung 23 ist mit einer geringen Durchflußquerschnittsfläche ausgeführt, wodurch die Entlastungsbohrung 23 als Drossel wirkt. In das Injektorgehäuse 21 mündend ist eine Hochdruckversorgungsleitung 18 dargestellt, über die die Versorgung des Injektors mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff erfolgt. Die Hochdruckversorgungsleitung 18 vom Hochdrucksammelraum (Common Rail) mündet in eine Bohrung der Hülse 12. Das vorzugsweise als Steuerschieber ausgebildete Steuerteil 2 gibt bei Ansteuerung des 2/2-Wege-Ventils 1 die in eine Steuerkammer 22 mündende Entlastungsbohrung 23 frei, wodurch der Druck in der Steuerkammer 22 abnimmt. Dies bewirkt eine Bewegung des Steuerschiebers 2 auf die Anschlagfläche 17 hin, welche die das Steuerteil 2 aufnehmende Bohrung 20 der Hülse 12 begrenzt.

[0017] Bei abnehmendem Druck in der Steuerkammer 22 öffnet das Steuerteil 2 am Ventilsitz 3, unter hohem Druck stehender Kraftstoff schießt entlang der Steuerstufe 19 in die zur Einspritzdüse 13 führenden Hochdruckleitungen 9, 9' ein. Der Verlauf des Einspritzvorgangs kann maßgeblich durch die Ausformung der Steuerstufe 19 beeinflußt werden. Der unter hohem Druck stehende Kraftstoff beaufschlagt nicht nur die Hochdruckkanäle 9, 9' der zur Einspritzdüse führenden Leitungen, sondern auch ein im Steuerteil 2 vor den Steuerkanten 5, 6 angeordnetes Drosselelement 10. Dieses -beispielsweise als kostengünstige Bohrung im Steuerteil 2 ausgeführt - Drosselelement 10 mündet in eine axiale Bohrung 11 des Steuerteils 2, welche wiederum in einen Freiraum 7 mündet. In diesem Hohlraum des Injektorgehäuses 21 sind ein Scheiben 26 eingelassen, an denen sich das Federelement 24 abstützt. Das andere Ende des Federelements 24 ist dem der Düsennadel 8 zugewandten Ende des Hohlraums 7 zugeordnet.

[0018] Während des Einspritzvorgangs wird der Druck im Federraum 7 abhängig von der Öffnungszeit des Steuerventils 2 angehoben. Es kommt zum Druckaufbau im Hohlraum 7 auf der der Düsennadel 8 (Figur 1) abgewandten Seite. Gegen Einspritzende, d.h. das 2/2-Wege-Ventil 1 schließt, der Druck in der Steuerkammer 22 steigt demzufolge an und das Steuerteil 2 bewegt sich auf dem Ventilsitz 3 im Steuergehäuse 21 zu, erfolgt eine Entspannung der Einspritzdüse 13 durch eine Freigabe der Entlastungsleitung 4 durch die am Steuerteil 2 ausgebildeten Steuerkanten 5, 6.

[0019] Ebenfalls als Bohrung in der das Steuerteil 2 umschließenden Hülse 12 ist ein weiteres Drosselelement 14 ausgebildet, welches in der Entlastungsleitung 4 vorgesehen ist. Das weitere Drosselelement 14 verhindert ein schlagartiges Abfallen des Kraftstoffdrucks unter den entsprechenden Dampfdruck, so daß durch das weitere Drosselelement 14 Kavitation verhindert wird.

[0020] Da im Federraum 7 während des Einspritzvorgangs ein kontinuierliche - entsprechend der Öffnungszeit des Steuerteils 2 - Druckerhöhung stattgefunden hat, wird durch die Schließbewegung des Steuerteils 2 auf den Federraum 7 hin eine Erhöhung des Schließdruckanstiegs für das Steuerteil 2 erzielt. Dadurch lassen sich eventuell zwischen Ventilsitz 3 und der Steuerstufe 19 einstellende Leckagen, die zu höchst unerwünschten Kraftstoffnachspritzern führen können, wirksam vermeiden.

[0021] Zwischen den einzelnen Einspritzvorgängen kann der Federraum 7 durch den Öffnungsquerschnitt des Drosselelements 10 entlastet werden. Durch die Steuerkanten 5,6 kann Kraftstoff via Entlastungsleitung 4 in den nicht näher dargestellten Vorratstank zurückströmen. Je nach gewähltem Querschnitt am Drosselelement 10 kann eine vollständige Druckentlastung des Federraums 7 erfolgen. Bei entsprechender Dimensionierung des Drosselquerschnitts am Drosselelement 10 im Steuerteil 2 kann im Federraum 7 auch ein von der Motordrehzahl abhängiger Restdruck aufrechterhalten werden, wodurch der Düsenöffnungsdruck bei höheren Drehzahlen abgehoben werden kann.

[0022] Beim ersten Starten der Brennkraftmaschine kann in vorteilhafter Weise ein Entlüften der Brennräume der Brennkraftmaschine erfolgen, wodurch sich ein leichteres Starten des Motors erzielen läßt.

[0023] Mit der erfindungsgemäßen Lösung können in vorteilhafter Weise nachteilige Auswirkungen von mechanischen oder elektronischen Funktionsstörungen vermieden werden. Ist beispielsweise eine Undichtigkeit am 2/2-Wege-Ventil 1 aufgetreten oder die Feder 16 gebrochen oder ist ein Klemmen des Steuerteils 2 in der Hülse 12 aufgetreten, wird die Düsennadel 8 an ihrem Sitz mit dem gleichen Druck beaufschlagt, wie auf der anderen Seite, wo sich über das Drosselelement 10, die Bohrung 11 und den Federraum 7 allmählich der gleiche Druck aufbaut. Die Zeitspanne, in der der allmähliche Aufbau des Druckgleichgewichts erfolgt, wird durch den Drosselquerschnitt am Drosselelement 10 bestimmt. Die Zeitspanne, die der Druckausgleich bei maximalem Systemdruck an der Düsennadel 8 in Anspruch nimmt, legt die maximale Einspritzmenge fest. Die maximale Einspritzmenge, die die nominale Einspritzmenge übersteigt, kann durch Vorgabe des Drosselquerschnitts am Drosselelement 10 so bestimmt werden, daß bei Einspritzung der maximalen Einspritzmenge in den Brennraum der Brennkraftmaschine diese keinen Schaden nimmt.

[0024] Sollte eine elektronische Funktionsstörung in Gestalt eines zu langen Ansteuersignals am Magnetventil 1 auftreten, kann dieser Funktionsfehler durch die auf mechanischem Wege durch entsprechende Dimensionierung der Querschnittsfläche des Drosselelements 10 abgefangen werden, da die maximale Einspritzmenge auf mechanischem Wege vorgegeben ist.

Ansprüche

1. Kraftstoffeinspritzeinrichtung für eine Brennkraftmaschine, mit einem über eine Hochdruckpumpe befüllbaren gemeinsamen Hochdrucksammelraum, der mit den Einspritzventilen verbunden ist, welche ein als 3/2-Wege-Ventil ausgebildetes Steuerventil (2) enthalten, welches Steuerflächen (5, 6, 19) enthält, die eine Hochdruckversorgungsleitung (18) mit einer Einspritzleitung (9,9') oder die Einspritzleitung (9, 9') mit einer Entlastungsleitung (4) verbinden, wobei das Steuerteil (2) durch eine gesteuerte Abflussleitung (23) aktivierbar ist, wobei das Steuerteil (2) ein Drosselelement (10) enthält, und wobei das Drosselelement (10) auf der einen Seite über eine Bohrung (11) mit einem Hohlraum (7) in Verbindung steht, in welchen ein eine Düsennadel (8) beaufschlagendes Federelement (24) aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselelement (10) derart zwischen den Steuerflächen (5, 6) angeordnet ist, dass das Drosselelement (10) auf der anderen Seite mit dem Düsenzulauf (9) ständig verbunden ist.

2. Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Entlastungsleitung (4) ein weiteres Drosselelement (14) enthalten ist, das bei Druckentlastung der Einspritzdüse (13) Kavitation vermeidet

3. Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Verschließen der Entlastungsleitung (4) durch die Steuerkanten (5,6) des Steuerteils (2) der auf dieses wirkende Schließdruck erhöht wird.

4. Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Dimensionierung des Querschnitts des Drosselelements (10) der Hohlraum (7) vollständig druckentlastet wird.

5. Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine durch die Dimensionierung des Querschnitts des Drosselelements (10) ein den Öffnungsdruck der Einspritzdüse (13) erhöhender Restdruck im Hohlraum (7) einstellbar ist.

6. Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Drosselelement (10) der Hohlraum (7) beim ersten Start der Brennkraftmaschine entlüftbar ist.

7. Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Drosselelement (10) am Steuerteil (2) bei Funktionsstörungen des Steuerteils (2) sich ein Druckausgleich zwischen der Düsennadel (8) und dem Hohlraum (7) einstellt.

8. Kfaftstoffeinspritzeinrichting gemäß Ansprüch 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Querschnitt des Drosselelements (10) bei anstehendem maximalen Systemdruck die Zeitdifferenz des sich einstellenden Druckausgleichs an der Düsennadel (8) vorgebbar ist und damit die maximale Einspritzmenge begrenzt wird.

Claims

1. Fuel injection device for an internal combustion engine, having a common high-pressure collecting space which can be filled via a high-pressure pump and is connected to the injection valves which contain a control valve (2) which is designed as a 3/2-port directional control valve and contains control surfaces (5, 6, 19) which connect a high-pressure supply line (18) to an injection line (9, 9') or connect the injection line (9, 9') to a relief line (4), in which case the control part (2) can be activated by a controlled discharge line (23), the control part (2) containing a throttling element (10) and the throttling element (10) being connected on one side via an orifice (11) to a cavity (7), in which a spring element (24) which acts upon a nozzle needle (8) is accommodated, characterized in that the throttling element (10) is arranged between the control surfaces (5, 6) in such a manner that the throttling element (10) is continuously connected on the other side to the nozzle feed (9).

2. Fuel injection device according to Claim 1, characterized in that the relief line (4) contains a further throttling element (14) which avoids cavitation when the injection nozzle (13) is relieved from pressure.

3. Fuel injection device according to Claim 1, characterized in that closing of the relief line (4) by means of the control ramps (5, 6) of the control part (2) causes an increase in the closing pressure acting on the said control part.

4. Fuel injection device according to Claim 1, characterized in that the dimensioning of the cross section of the throttling element (10) enables the cavity (7) to be completely relieved from pressure.

5. Fuel injection device according to Claim 1, characterized in that depending on the speed of the internal combustion engine, the dimensioning of the cross section of the throttling element (10) enables a residual pressure which increases the opening pressure of the injection nozzle (13) to be set in the cavity (7).

6. Fuel injection device according to Claim 1, characterized in that the throttling element (10) enables air to be evacuated from the cavity (7) when the internal combustion engine is first started up.

7. Fuel injection device according to Claim 1, characterized in that during malfunctions of the control part (2) the throttling element (10) on the control part (2) enables pressure compensation between the nozzle needle (8) and the cavity (7) to arise.

8. Fuel injection device according to Claim 7, characterized in that when the maximum system pressure is present the cross section of the throttling element (10) enables the difference in time of the pressure compensation arising at the nozzle needle (8) to be predetermined and therefore the maximum injection quantity to be limited.

Revendications

1. Dispositif d'injection de carburant pour un moteur à combustion interne, dans lequel une chambre collectrice à haute pression commune pouvant être remplie par une pompe à haute pression est reliée aux injecteurs qui contiennent chacun une soupape de commande du genre soupape à 3/2 voies qui présente des portées de commande (5, 6, 19) qui relient une conduite d'alimentation à haute pression (18) à une conduite d'injection (9, 9'), ou relient cette conduite (9, 9') à une conduite de décharge (4), la partie de commande (2) pouvant être activée par une conduite d'écoulement (23) commandée et présentant un élément d'étranglement (10) qui est en liaison, d'un côté par un alésage (11) avec un volume creux (7) dans lequel est logé un élément élastique (24) actionnant une aiguille de buse (8),
caractérisé en ce que
l'élément d'étranglement (10) est disposé entre les portées de commande (5, 6) de manière à être relié de l'autre côté constamment à l'entrée de buse (9).

2. Injecteur de carburant selon la revendication 1,
caractérisé en ce que
dans la conduite de décharge (4), se trouve un autre élément d'étranglement (14) qui évite la cavitation quand la buse d'injection (13) est déchargée en pression.

3. Injecteur de carburant selon la revendication 1,
caractérisé en ce que
quand la conduite de décharge (4) se ferme, les bords de commande (5, 6) de la partie de commande (2) font que la pression de fermeture s'exerçant sur celle-ci augmente.

4. Injecteur de carburant selon la revendication 1,
caractérisé en ce que
par le dimensionnement de la section de l'élément d'étranglement (10), le volume creux (7) est totalement déchargé en pression.

5. Injecteur de carburant selon la revendication 1,
caractérisé en ce qu'
en fonction de la vitesse de rotation du moteur, dans le volume creux (7), une pression résiduelle qui augmente la pression d'ouverture de la buse d'injection (13) peut être réglée par le dimensionnement de la section de l'élément d'étranglement (10).

6. Injecteur de carburant selon la revendication 1,
caractérisé en ce qu'
au premier démarrage du moteur, le volume creux (7) peut être dégazé par l'élément d'étranglement (10).

7. Injecteur de carburant selon la revendication 1,
caractérisé en ce que
par l'élément d'étranglement (10) sur la partie de commande (2), quand celle-ci présente des désordres de fonctionnement, un équilibrage de pression s'établit entre l'aiguille de buse (8) et l'espace creux (7).

8. Injecteur de carburant selon la revendication 7,
caractérisé en ce que
quand s'établit la pression maximale du système, le temps que met l'équilibrage de pression pour s'établir sur l'aiguille de buse (8), peut être prédéfini par la section de l'élément d'étranglement (10) et ainsi le débit maximum d'injection est limité.

Zeichnung