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Dokumentenidentifikation DE10024258C2 10.04.2003
Titel Verfahren zur intermittierenden Zufuhr von Kraftstoff in Brennräume einer Brennkraftmaschine und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Anmelder DaimlerChrysler AG, 70567 Stuttgart, DE
Erfinder Flämig-Vetter, Tobias, Dr., 73728 Esslingen, DE;
Heinl, Ulrich, Dipl.-Ing., 73760 Ostfildern, DE;
Mühleisen, Thomas, Dipl.-Ing., 73110 Hattenhofen, DE
DE-Anmeldedatum 17.05.2000
DE-Aktenzeichen 10024258
Offenlegungstag 20.12.2001
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 10.04.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.04.2003
IPC-Hauptklasse F02M 45/12

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur intermittierenden Zufuhr von Kraftstoff in Brennräume einer Brennkraftmaschine der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Aus der JP 10288113 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur intermittierenden Zufuhr von Kraftstoff in Brennräume einer Brennkraftmaschine bekannt. Die Vorrichtung umfaßt eine Speicherkammer zur Kraftstoffversorgung von Einspritzventilen. Während des Öffnens der Einspritzventile ist vorgesehen, den Druck in der Speicherkammer zu erhöhen, um so eine Druckwelle zu erzeugen. Hierdurch soll die Einspritzung verbessert werden. Während des Öffnungs- und Schließvorgangs bildet das Einspritzventil jedoch eine Drosselstelle, die eine gute Kraftstoffzerstäubung aufgrund des Druckabfalls verhindert. Die Druckwelle vergrößert dabei die unzureichend zerstäubte Kraftstoffmenge noch.

Aus der DE 195 12 270 A1 ist eine Kraftstoffeinspritzanlage für eine Brennkraftmaschine mit elektrisch betätigten Einspritzventilen für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine und einem von einer kontinuierlich fördernden Kraftstoffpumpe beaufschlagten Common-Rail-Druckspeicher bekannt. Vom Common-Rail-Druckspeicher führt eine Leitung mit einem Zwischenspeicher zu jeweils einem Einspritzventil. Der Zwischenspeicher ist mit einer Vorrichtung zur Volumenänderung ausgestaltet. Die Vorrichtung zur Volumenänderung ist von einer Kennfeldsteuerung der Brennkraftmaschine betätigt, wobei zu jedem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine ein optimales Volumen des Zwischenspeichers bewirkt ist. Der Zwischenspeicher beeinflußt mit seiner Größe die Druckanstiegsgeschwindigkeiten an den Einspritzventilen. Bei großem Volumen des Zwischenspeichers etwa bei hoher Last der Brennkraftmaschine kann ein schneller Druckanstieg erzielt werden, weil der Druckabfall zu Beginn der Einspritzung klein ist und umgekehrt.

Mit einer derartigen Vorrichtung ist es nicht über den gesamten Drehzahl- und Lastbereich einer Brennkraftmaschine möglich, ausreichend zerstäubten Kraftstoff in die Brennräume der Brennkraftmaschine einzuspritzen, da während der Öffnungs- und Schließphase des jeweiligen Einspritzventils zwischen Düsennadel und Düsensitz eine Drosselstelle gebildet wird. Diese Drosselstelle behindert den Kraftstofffluß von dem Common-Rail-Druckspeicher durch die Einspritzöffnungen des Einspritzventils und bewirkt eine unzureichende Zerstäubung des Kraftstoffes mit der Folge einer unvollständigen Verbrennung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur intermittierenden Zufuhr von Kraftstoff in Brennräume einer Brennkraftmaschine der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Gattung zu schaffen, das eine verbesserte Verbrennung von Kraftstoff ermöglicht. Außerdem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, mittels derer das Verfahren ausführbar ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 3 gelöst.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur intermittierenden Zufuhr von Kraftstoff in Brennräume einer Brennkraftmaschine wird erreicht, daß die Kraftstoffmenge im Zeitintervall des nicht voll geöffneten Spaltes zwischen Ventilsitz und Düsennadel der Einspritzventile minimiert wird. Dazu ist eine fluidisch mit dem ventilseitigen Abschnitt der Kraftstoffleitung, stromab einer Drossel in der Kraftstoffleitung verbundene Vorrichtung zur Druckmodulierung des Kraftstoffdruckes am Einspritzventil vorgesehen. Die Vorrichtung zur Druckmodulierung bringt auf den in dem Druckraum an den Einspritzöffnungen des Einspritzventils anliegenden Kraftstoffdruck des Common-Rail-Druckspeichers zusätzlichen Druck auf oder reduziert den Kraftstoffdruck im Druckraum an den Einspritzöffnungen. Dabei wird über das Zeitintervall eines jeden Einspritzvorganges der Kraftstoffdruck so gesteuert, daß zu Beginn des Einspritzvorganges der Kraftstoffdruck gegenüber dem Druck im Common-Rail-Druckspeicher abgesenkt, anschließend nivelliert und schließlich vergrößert wird. Die Vorrichtung zur Druckmodulierung ist im wesentlichen aus einem Druckzylinder und einem darin verschiebbar gehaltenen Kolben gebildet. Der Kolben ist vorzugsweise durch einen Piezoaktor betätigt, wobei der Piezoaktor von einer Kennfeldsteuerung der Brennkraftmaschine angesteuert ist.

Es kann zweckmäßig sein, den Kolben in dem Druckzylinder als doppelt wirkenden Kolben auszubilden, wobei die Druckräume zu beiden Seiten des Kolbens in dem Druckzylinder mit je einer fluidischen Verbindung an die Kraftstoffleitung gekoppelt sind. Die Vorrichtung zur Druckmodulierung ist dabei mit zwei fluidischen Verbindungen stromauf und stromab der Drossel mit der Kraftstoffleitung zwischen dem Common-Rail-Druckspeicher und dem Einspritzventil verbunden.

Zur baulichen Vereinfachung der Kraftstoffeinspritzanlage ist es zweckmäßig, die Drossel in die Vorrichtung zur Druckmodulierung zu integrieren. Dies wird erreicht, indem ein Spalt, vorzugsweise ein Ringspalt, zwischen dem Kolben und der Zylinderinnenwand der Vorrichtung zur Druckmodulierung gebildet ist. Der Spalt hat die Funktion der Drossel. Der gesamte Kraftstoffvolumenstrom zwischen dem Common- Rail-Druckspeicher und dem Einspritzventil wird von einem ersten Druckraum zwischen dem Kolben und der Innenwand des Druckzylinders und dem Spalt zu dem zweiten Druckraum zwischen dem Kolben und der Innenwand des Druckzylinders zum Einspritzventil geleitet. Vorzugsweise sind der Kolbenmantel des Kolbens und diesem gegenüberliegende Zylinderinnenwandbereiche des Druckzylinders konisch ausgebildet.

Zur Erzeugung eines Druckabfalls im Druckraum des Einspritzventils durch Kontraktion des Piezoaktors und die daraus resultierende Volumenvergrößerung wird vom Kolben zunächst nur eine sehr kleine Drosselöffnung freigegeben, die dann mit zunehmendem Kolbenweg größer wird und nach vollständiger Öffnung des Einspritzventils einen schnellen Druckausgleich zwischen dem Kraftstoffdruck in dem Common- Rail-Druckspeicher und der Einspritzdüse ermöglicht. Bei einer anderen Bauart kann es zweckmäßig sein, anstelle eines Spaltes die Drossel als Durchgangsbohrung in dem Kolben auszubilden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Kraftstoffeinspritzanlage mit einer Vorrichtung zur Druckmodulierung,

Fig. 2a einen Verlauf der Steuerspannung eines Piezoaktors einer Vorrichtung zur Druckmodulierung,

Fig. 2b einen Verlauf des Kolbenweges eines mit einem Piezoaktor betätigten Kolbens einer Vorrichtung zur Druckmodulierung,

Fig. 3a den Verlauf des Kraftstoffdruckes im Common-Rail- Druckspeicher,

Fig. 3b den Verlauf des Kraftstoffdruckes in einem ventilseitigen Abschnitt der Kraftstoffleitung,

Fig. 3c den Weg der Düsennadel eines Einspritzventils über den Ansteuerzeitraum des Piezoaktors,

Fig. 4 eine Ausführungsvariante zu Fig. 1,

Fig. 5 eine weitere Ausführungsvariante zu Fig. 4 mit einer in die Vorrichtung zur Druckmodulierung integrierten Drossel.

In Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur intermittierenden Zufuhr von Kraftstoff mit einer Vorrichtung zur Druckmodulierung 17 gezeigt. Die Vorrichtung 1 dient zur intermittierenden Zufuhr von Kraftstoff 2 in Brennräume 3 einer Brennkraftmaschine 4. Jeweils ein Einspritzventil 5 ist an einem Zylinder 6 der Brennkraftmaschine 4 festgelegt und ein Druckraum 14 in dem Einspritzventil 5 ist mit Kraftstoff 2 beaufschlagt. Eine kontinuierlich fördernde Kraftstoffpumpe 7 fördert Kraftstoff 2 mit hohem Druck in einen Common-Rail-Druckspeicher 8, von dem jeweils eine Kraftstoffleitung 9 zu jedem Einspritzventil 5 der Brennkraftmaschine 4 führt. Zwischen dem Common- Rail-Druckspeicher 8 und dem Einspritzventil 5 ist in der Kraftstoffleitung 9 eine Drossel 21 vorgesehen. Durch die Drossel 21 wird die Kraftstoffleitung 9 in einem druckspeicherseitigen Abschnitt 9' und einen ventilseitigen Abschnitt 9* unterteilt. Das Einspritzventil 5 ist im wesentlichen durch eine Düsennadel 28 im Gehäuse des Einspritzventils 5 gebildet, die in dem Druckraum 14 auf einen Ventilsitz 11 gepreßt ist und diesen alternierend öffnet und schließt. Zwischen dem Ventilsitz 11 und dem Brennraum 3 sind Einspritzöffnungen 15 im Gehäuse des Einspritzventils 5 angeordnet, durch die der in den Brennraum 3 einspritzende Kraftstoff 2 zerstäubt wird.

Der einzuspritzende Kraftstoff 5 gelangt von der Kraftstoffleitung 9 zu dem Druckraum 14 in dem Einspritzventil 5 und wird von diesem aus, wenn die Düsennadel 28 sich um den Weg xN vom Ventilsitz 11 wegbewegt, über die Einspritzöffnungen 15 in den Brennraum 3 eingespritzt. Stromab der Drossel 21 ist an dem ventilseitigen Abschnitt 9* der Kraftstoffleitung 9 über eine fluidische Verbindung 18 die Vorrichtung zur Druckmodulierung 17 des Kraftstoffdruckes im Einspritzventil 5 angeordnet. Vorteilhaft ist die Vorrichtung zur Druckmodulierung 17 aus einem Piezoaktor 19, durch den ein Kolben 20 in einem Druckzylinder 16 betätigt ist, gebildet. Der Piezoaktor 19 wird von einer Kennfeldsteuerung 26 der Brennkraftmaschine 4 angesteuert und dadurch der Kolben 20 um den Weg xK bewegt. In dem Druckraum 27 unter dem Kolben 20 wird dadurch der Kraftstoffdruck schlagartig erhöht oder verringert.

Fig. 2a verdeutlicht einen Verlauf der Steuerspannung UA der Kennfeldsteuerung 26 auf den Piezoaktor 19 der Vorrichtung zur Druckmodulierung. Zum Zeitpunkt t1 zu Beginn des Einspritzvorganges wird der Piezoaktor 19 ausgehend von einer Endspannung UE vollständig entladen, so daß er kontrahiert und den Kolben 20 um den Weg xK (vergl. Fig. 2b) auslenkt. In einem bestimmten zeitlichen Abstand wird zum Zeitpunkt t2 der Piezoaktor 19 wieder angesteuert, so daß er seinen Ausgangszustand maximaler Ausdehnung wieder einnimmt und dabei eine Verschiebung des Kolbens 20 schlagartig um den Weg -xK bewirkt, wie dies die Fig. 2b zeigt. Dieser Vorgang wiederholt sich bei jedem Einspritzintervall eines jeden Einspritzventils der Brennkraftmaschine.

Fig. 3a zeigt den Verlauf des Kraftstoffdruckes PR in dem Common-Rail-Druckspeicher 8 in Fig. 1. Wie zu sehen ist, ist der Kraftstoffdruck PR im Betrieb der Brennkraftmaschine in dem Common-Rail-Druckspeicher konstant.

Fig. 3b zeigt den Druckverlauf des Kraftstoffdruckes PD in der Leitung 9 zwischen dem Common-Rail-Druckspeicher 8 und dem Einspritzventil 5 stromab der Drossel 21 (vergl. Fig. 3b). Nach dem Zeitpunkt t1, bei Auslenkung des Kolbens, wird das Volumen des Druckraumes 27 (vergl. Fig. 1) vergrößert und der Kraftstoffdruck PD bis zu den Einspritzöffnungen des Einspritzventils fällt dabei trotz gleichbleibendem Druck PR im Common-Rail-Druckspeicher 8 kurzfristig ab, bis er nach einem Druckausgleich über die Drossel 21 wieder das Niveau des Kraftstoffdruckes PR im Common-Rail-Druckspeicher erreicht.

Fig. 3c zeigt den Weg xN der Düsennadel 28 des Einspritzventils in Fig. 1 über den Ansteuerzeitraum des Piezoaktors 19 aufgetragen. In dem Zeitintervall zwischen t1 und t2, in dem der Piezoaktor 19 den Kolben 20 ansteuert und der Druck in dem Druckraum 27 gesenkt ist, tritt eine konstante lineare Öffnungsbewegung der Düsennadel 28 des Einspritzventils 5 ein. Während dieser Öffnungsbewegung der Düsennadel 28 ist, wie Fig. 3b zeigt, der Kraftstoffdruck in dem Druckraum 27 abgesenkt. Diese Maßnahme bewirkt, daß weniger Kraftstoff während des Öffnungsvorganges des Einspritzventils durch die Einspritzöffnungen 15 gelangt und unvollständig zerstäubt werden könnte. Erst etwa zum Zeitpunkt der vollständigen Öffnung der Einspritzöffnungen des Einspritzventils 5, zum Zeitpunkt t2, ist der volle Zerstäubungsdruck PD in dem Druckraum 27 anliegend.

Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur intermittierenden Zufuhr von Kraftstoff 1 mit einem doppelt wirkendem Kolben 22 im Druckzylinder 16 in der Vorrichtung zur Druckmodulierung 17. Für gleiche Bauteile gelten dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1. Die beiden Druckräume 27, 27' zu beiden Seiten des Kolbens in dem Druckzylinder 16 der Vorrichtung zur Druckmodulierung 17 sind mit einer fluidischen Verbindung 18, 18' mit dem druckspeicherseitigen Abschnitt 9' und dem ventilseitigen Abschnitt 9* der Kraftstoffleitung 9 verbunden, wobei die Drossel 21 demgemäß zwischen den jeweiligen Anschlüssen der Verbindungen 18, 18' angeordnet ist.

Fig. 5 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur intermittierenden Zufuhr von Kraftstoff 1 mit einer in die Vorrichtung zur Druckmodulierung 17 integrierten Drossel 21. Der doppelt wirkende Kolben 22 hat einen Kolbenmantel 25, welcher in gleicher Weise konisch zum Druckraum 27 verläuft wie ein axialer Bereich der Zylinderinnenwand 24 des Druckzylinders 16. Zwischen dem Kolbenmantel 25 und dem Bereich der Zylinderinnenwand 24 ist ein Spalt 23 gebildet, der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Ringspalt ist und die Funktion der Drossel 21 einnimmt. Der gesamte Kraftstoffvolumenstrom zwischen dem Common-Rail-Druckspeicher 8 und dem Einspritzventil 5 wird von dem ersten Druckraum 27' im Druckzylinder 16 der Vorrichtung zur Druckmodulierung 17 über den Spalt 23 in den zweiten Druckraum 27 und von dort zum Druckraum 14 des Einspritzventils 5 geführt. Bei Erzeugung des Druckabfalls im Druckraum 27 und 14 durch Kontraktion des Piezoaktors 19 wird der Kolben 22 zunächst nur eine sehr kleine Drosselöffnung freigeben, die dann mit wachsender Ansteuerung des Kolbens 22 in diesem Sinne größer wird und einen schnellen Druckausgleich zwischen dem Kraftstoffdruck in dem Common-Rail-Druckspeicher 8 und dem Druckraum 14 der Einspritzdüse 5 ermöglicht.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur intermittierenden Zufuhr von Kraftstoff (2) in Brennräume (3) einer Brennkraftmaschine (4), bei dem der Kraftstoff aus einem Common-Rail-Druckspeicher (8) über eine Kraftstoffleitung (9) Einspritzventilen (5) an den jeweiligen Zylindern (6) zugeführt und bei aus einem Ventilsitz abgehobener Düsennadel (28) unmittelbar in den Brennraum eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffleitung (9) mittels einer Drossel (21) in einen druckspeicherseitigen Abschnitt (9') und einen ventilseitigen Abschnitt (9*) unterteilt wird und daß im ventilseitigen Abschnitt über das Zeitintervall eines jeden Einspritzvorganges der Kraftstoffdruck durch Druckmodulierung gesteuert wird, wobei zu Beginn des Einspritzvorganges der Kraftstoffdruck gegenüber dem Druck im Common-Rail- Druckspeicher (8) abgesenkt, anschließend nivelliert und schließlich vergrößert wird.
  2. 2. Verfahren zum Betrieb einer Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmodulierung (17) von einer Kennfeldsteuerung (26) der Brennkraftmaschine (4) gesteuert wird.
  3. 3. Vorrichtung zur intermittierenden Zufuhr von Kraftstoff (2) in Brennräume (3) einer Brennkraftmaschine (4) mit jeweils einem Einspritzventil (5) an den jeweiligen Zylindern (6) der Brennkraftmaschine (4), mit einem Common-Rail-Druckspeicher (8), von dem jeweils eine Kraftstoffleitung (9) zu Einspritzöffnungen (15) jedes Einspritzventils (5) führt, und mit einer Vorrichtung zur Druckmodulierung (17) des Kraftstoffdruckes an den Einspritzöffnungen (15), dadurch gekennzeichnet, daß in der Kraftstoffleitung (9) eine Drossel (21) angeordnet ist, wodurch die Kraftstoffleitung (9) einen druckspeicherseitigen Abschnitt (9') und einen ventilseitigen Abschnitt (9*) umfaßt und die Vorrichtung zur Druckmodulierung (17) fluidisch mit dem ventilseitigen Abschnitt (9*) gekoppelt ist.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Druckmodulierung (17) durch einen Druckzylinder (16) gebildet ist, in dem ein Kolben (20) verschiebbar gelagert ist und eine fluidische Verbindung (18) eines von dem Kolben (20) und dem Druckzylinder (16) gebildeten Druckraumes (27) stromab der Drossel (21) in der Kraftstoffleitung (9) gebildet ist.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Druckzylinder (16) ein doppelt wirkender Kolben (22) angeordnet ist und eine fluidische Verbindung (18') des Druckzylinders (16) stromauf und eine fluidische Verbindung (18) stromab der Drossel (21) mit der Kraftstoffleitung (9) gebildet ist.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (21) und die Vorrichtung zur Druckmodulierung (17) baulich zusammengefaßt sind und die Drossel (21) durch einen Spalt (23) zwischen dem Kolben (22) und der Zylinderinnenwand (24) des Druckzylinders (16) gebildet ist.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (21) durch eine Bohrung in dem Kolben (22) gebildet ist.
  8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenmantel (25) des Kolbens (22) und das dem Kolbenmantel (25) gegenüberliegende Zylinderinnenwandsegment (24) des Druckzylinders (16) konisch ausgebildet sind.
  9. 9. Vorrichtung nach einem der Anprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Betätigungselement für den Kolben (20, 22) ein Piezoaktor (19) vorgesehen ist.






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