Stand der Technik
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Die Erfindung geht von einer Einspritzanordnung für ein
Kraftstoff-Speichereinspritzsystem einer
Verbrennungsmaschine gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1
näher definierten Art sowie einem Verfahren zur Steuerung der
Einspritzanordnung gemäß der im Oberbegriff des
Patentanspruches 7 näher definierten Art aus.
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Ein derartige Einspritzanordnung ist aus der Praxis bekannt
und wird insbesondere als Kraftstoffeinspritzventil in Form
eines sogenannten Common-Rail-Injektors bei einem
Kraftfahrzeug mit einem Dieselverbrennungsmotor eingesetzt.
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Auch aus der EP 0 477 400 A1 ist eine derartige
Einspritzanordnung bekannt. Diese Einspritzanordnung umfaßt zur
Betätigung einen piezoelektrischen Aktor. Die Auslenkung des
Aktors wird über eine Hydraulikkammer, welche als
hydraulische Übersetzung bzw. Kopplungs- und
Toleranzausgleichselement arbeitet, auf ein Ventilschließglied übertragen. Das
Ventilschließglied, daß in einem Ventilraum angeordnet ist,
ist einer Ventilsteuereinheit zugeordnet, mittels der eine
in einem Düsenmodul angeordnete Düsennadel betätigbar ist,
die mit einer Einspritzdüse zusammenwirkt.
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Die Einspritzanordnung arbeitet derart, daß über eine
Betätigung des Ventilschließglieds eine Druckveränderung in
einem Ventilsteuerraum ausgelöst wird, der sich an die
Düsennadel bzw. einen mit der Düsennadel eine Baueinheit
bildenden Ventilsteuerkolben anschließt. Beim Öffnen des
Ventilschließglieds mittels des Aktors erfolgt eine
Druckminderung in dem Ventilsteuerraum, wodurch die Düsennadel eine
axiale Verschiebung erfährt und die Einspritzdüsen geöffnet
werden. Sobald das Ventilschließglied geschlossen wird,
erhöht sich der Druck in dem Ventilsteuerraum und die
Düsennadel verschließt die zu dem Verbrennungsraum führenden
Einspritzdüsen.
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Der Ventilsteuerraum steht über einen eine Zulaufdrossel
aufweisenden Zulaufkanal mit einem Hochdruckraum in
Verbindung. Der Hochdruckraum ist über eine sogenannte
Hochdruckbohrung mit einer Hochdruckpumpe verbunden.
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Bei bekannten Common-Rail-Einspritzsystemen ist zwischen
der Hochdruckpumpe und der vorstehend beschriebenen
Einspritzanordnung ein Druckregelventil angeordnet, mittels
dessen der sogenannte Raildruck, der über die
Hochdruckbohrung auf die Einspritzandordnung wirkt, bei Bedarf schnell
abgebaut werden kann.
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Insbesondere wenn hohe Drücke herrschen, muß das
Druckregelventil jedoch aus Haltbarkeitsgründen gekühlt werden,
was mit hohem konstruktiven Aufwand und entsprechend hohen
Kosten verbunden ist.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Einspritzanordnung für ein Kraftstoff-
Speichereinspritzsystem einer Verbrennungsmaschine mit den
Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, mit
einem Bypass-Kanal, der von dem Hochdruckraum zu den
Ventilraum führt und der während eines über die Einspritzdüse
erfolgenden Einspritzvorgangs mittels des
Ventilschließglieds verschließbar ist, hat demgegenüber den Vorteil, daß
der in der Einspritzanordnung während des Betriebs der
Verbrennungsmaschine aufstauende Raildruck über den Bypass-
Kanal sehr schnell abgebaut werden kann.
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Eine derartige Einspritzanordnung erlaubt es also, den
Raildruck über die Einspritzanordnung selbst, d. h. im Falle
eines Common-Rail-Einspritzsystems über den bzw. die
Injektoren abzubauen. Damit kann auf das bisher erforderliche
Druckregelventil verzichtet werden, was wiederum zu einer
Verringerung des Systempreises führt.
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Die Absteuerung des Druckes erfolgt bei der
Einspritzanordnung nach der Erfindung dadurch, daß das Ventilschließglied
beispielsweise mittels eines piezoelektrischen Aktors in
einer Mittelstellung zwischen einem ersten Ventilsitz und
einem zweiten Ventilsitz gehalten wird. Wenn das
Ventilschließglied an dem zweiten Ventilsitz anliegt, ist der
Bypass-Kanal verschlossen. Es kann aber in diesem Falle
Kraftstoff über den Ablaufkanal aus dem Ventilsteuerraum
abströmen, so daß die Einspritzdüse freigegeben wird und
eine Einspritzung erfolgt.
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Zur Steuerung umfaßt die Einspritzanordnung nach der
Erfindung zweckmäßigerweise eine Ventilsteuervorrichtung,
mittels der das Ventilschließglied in eine zwischen einem
ersten Ventilsitz und einem zweiten Ventilsitz liegende
Stellung verfahrbar ist. Diese Ventilsteuervorrichtung arbeitet
vorzugsweise softwaregestützt.
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Die zwischen dem ersten Ventilsitz und dem zweiten
Ventilsitz liegende Stellung entspricht bei einer zweckmäßigen
Ausführungsform etwa 80% des maximalen Hubes des
Ventilschließgliedes. Die Einspritzanordnung ist derart
ausgelegt, daß bei dieser Stellung des Ventilschließgliedes kein
Einspritzvorgang über die Einspritzdüse ausgelöst wird,
d. h. daß der Abfall des Druckes in dem Ventilsteuerraum
nicht ausreicht, um eine Verschiebung der Düsennadel
auszulösen.
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Die Erfindung hat auch ein Verfahren zur Steuerung der
Einspritzanordnung zum Gegenstand. Bei diesem Verfahren wird
zum Druckabbau in dem Hochdruckraum das Ventilschließglied
in einer zwischen einem ersten Ventilsitz und einem zweiten
Ventilsitz liegenden Stellung gehalten, so daß in dem
Hochdruckraum enthaltener Kraftstoff über einen Bypass-Kanal
und den Ventilraum abströmt.
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Ein Einspritzvorgang wird ausgelöst, wenn das
Ventilschließglied an dem dem Bypass-Kanal zugeordneten
Ventilsitz verfahren wird. In diesem Falle strömt in dem
Ventilsteuerraum enthaltener Kraftstoff über die Ablaufdrossel
und den Ventilraum ab, in dem das Ventilschließglied
angeordnet ist, so daß die Düsennadel über eine Druckabsenkung
in dem Ventilsteuerraum eine axiale Verschiebung erfährt.
Der Bypass-Kanal ist aber gesperrt.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des
Gegenstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung, der
Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Zeichnung
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Ein Ausführungsbeispiel der Einspritzanordnung nach der
Erfindung sowie das Verfahren nach der Erfindung sind in der
Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
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Fig. 1 eine schematische Darstellung einer einem Common-
Rail-Einspritzsystem zugeordneten Einspritzanordnung nach
der Erfindung im Längsschnitt;
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Fig. 2 ein Ventilhub/Zeit-Diagramm, das den Verlauf des
Ventilhubs bei dem Verfahren nach der Erfindung
verdeutlicht;
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Fig. 3 ein Nadelhub/Zeit- sowie ein Steuermenge/Zeit-
Diagramm, welche mit dem Diagramm nach Fig. 2
korrespondieren;
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Fig. 4 bis 7 Diagramme, die das Verfahren nach der
Erfindung bei einer mehrere Zylinder aufweisenden
Verbrennungsmaschine verdeutlichen.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt ein
Kraftstoffeinspritzventil 1, welches zum Einbau in eine
nicht dargestellte Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs
vorgesehen ist und hier als Common-Rail-Injektor zur
Einspritzung von vorzugsweise Dieselkraftstoff ausgebildet
ist. Das Kraftstoffeinspritzventil umfaßt hierzu als
wesentliche Baueinheiten ein Düsenmodul 2 und ein
Ventilsteuermodul 3 und ist mit einer hier ebenfalls nicht
dargestellten elektronischen Steuereinheit verbunden.
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Das Düsenmodul 2 umfaßt eine in einem Düsenkörper 4
angeordnete und geführte Düsennadel 5, welche zu einem
Brennraum der Brennkraftmaschine führende Einspritzdüsen 6 des
Kraftstoffeinspritzventils 1 steuert. Die Düsennadel 5
umfaßt an dem den Einspritzdüsen 6 abgewandten Ende einen
sogenannten Ventilsteuerkolben 7, der in einer axialen
Bohrung 8 eines sogenannten Federtellers 9 geführt ist. Der
Federteller 9 ist mittels einer Spiralfeder 10 belastet,
die an einem Auflager 11 der Düsennadel 5 anliegt.
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Der Federteller 9 ist in einem Hochdruckraum 12 angeordnet,
dem ein das Kraftstoffeinspritzventil 1 in axialer Richtung
durchquerender Hochdruckkanal 13 zugeordnet ist, der mit
einer hier nicht dargestellten Hochdruckpumpe in Verbindung
steht. Der Hochdruckraum 12 bzw. der Hochdruckkanal 13 ist
im Betrieb der Verbrennungsmaschine mit unter einem
Hochdruck von bis zu 1,5 kbar stehenden Kraftstoff befüllt.
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An die freie Stirnseite des Ventilsteuerkolbens 7 schließt
sich ein Ventilsteuerraum 14 an, der radial von dem
Federteller 9 begrenzt ist.
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An das Düsenmodul 2 schließt sich an dem den Einspritzdüsen
6 abgewandten Ende eine Ventilplatte 15 an, die dem
Ventilsteuermodul 3 zugeordnet ist und in der neben einem
Bereich des Hochdruckkanals 13, der zu dem Hochdruckraum 12
in dem Düsenmodul 2 führt, ein Zulaufkanal 16, in dem eine
sogenannte Zulaufdrossel 17 angeordnet ist und der von dem
Hochdruckkanal 13 zu dem Ventilsteuerraum 14 führt, ein
Ablaufkanal 18, in dem eine sogenannte Ablaufdrossel 19
angeordnet ist und der axial ausgerichtet ist, sowie ein
Bypass-Kanal 20 ausgebildet sind, in dem eine Bypass-Drossel
21 angeordnet ist.
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Der Ablaufkanal 20 verbindet den Ventilsteuerraum 14 mit
einem in einer weiteren Ventilplatte 22 ausgebildeten
Ventilraum 23, wohingegen der Bypass-Kanal 20 den
Hochdruckkanal 13 bzw. den Hochdruckraum 12 mit dem Ventilraum 23
verbindet.
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In dem Ventilraum 23 ist ein Ventilschließglied 24
angeordnet, das zum einen mit einem an der Ventilplatte
ausgebildeten ersten Ventilsitz 25 und zum anderen mit einem an der
ersten Ventilplatte 15 ausgebildeten zweiten Ventilsitz 26
zusammenwirkt. Mittels des Ventilschließglieds 24 ist das
Druckniveau in dem Ventilsteuerraum 14 und damit die axiale
Lage der Düsennadel 5 steuerbar. Liegt das
Ventilschließglied 24 an dem ersten Ventilsitz 25 an, so kann sich in
dem Ventilsteuerraum 14 über den Zulaufkanal 16 der
sogenannte Rail-Druck aufbauen. Die Düsennadel 5 befindet sich
so in Sperrstellung, verschließt also die Einspritzdüsen 6.
Wird das Ventilschließglied 24 an seinen zweiten Ventilsitz
26 verfahren, kann sich über den Ablaufkanal 18 der in dem
Ventilsteuerraum 14 herrschende Druck dadurch abbauen, daß
der in dem Ventilsteuerraum enthaltene Kraftstoff über den
Ablaufkanal 18, den Ventilsteuerraum 23, einen Ablaufraum
27 und einen zu einem nicht dargestellten Vorratstank
führenden Rücklaufkanal 28 abströmt.
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Die Betätigung des Ventilschließglieds 24 erfolgt mittels
eines piezoelektrischen Aktors 29, der mit der
Ventilsteuervorrichtung verbunden ist, und an den eine Spannung
anlegbar ist, so daß er eine axiale Ausdehnung erfährt. Die
Ventilsteuereinrichtung arbeitet softwaregestützt.
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Der piezoelektrische Aktor 29, der über eine Feder 30 in
der der Düsennadel 5 abgewandten Richtung vorgespannt ist,
ist mit einem sogenannten Stellkolben 31 verbunden. Der
Stellkolben 31 steht wiederum über einen hydraulischen
Koppler 32 mit einem Betätigungskolben 33 in
Wirkverbindung, der mit dem Ventilschließglied 24 verbunden ist.
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Der piezoelektrische Aktor 29, der Stellkolben 31 und der
Betätigungskolben 32 sind in einem Ventilkörper 34 der
Ventilsteuereinheit 3 angeordnet.
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Das Düsenmodul 2, die Ventilplatten 15 und 22 sowie der
Ventilkörper 34 der Ventilsteuereinheit 3 sind über eine
Ventilspannmutter 35 miteinander verspannt.
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Die hier nicht näher dargestellte Ventilsteuervorrichtung,
die mit dem piezoelektrischen Aktor 29 verbunden ist,
arbeitet derart, daß das Ventilschließglied 24 an dem ersten
Ventilsitz 25, an dem zweiten Ventilsitz 36 oder einer
zwischen dem ersten Ventilsitz 25 und dem zweiten Ventilsitz
26 liegenden Stellung gehalten werden kann. Die zwischen
dem ersten Ventilsitz 25 und dem zweiten Ventilsitz 26
liegende Stellung entspricht etwa 80% des maximalen Hubes des
Ventilschließgliedes 24, ausgehend davon, daß der erste
Ventilsitz 25 der Null-Lage des Ventilschließgliedes 24
entspricht und das Ventilschließglied 24 bei Anlage an den
zweiten Ventilsitz 26 seinen maximalen Hub erfährt.
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Befindet sich das Ventilschließglied 24 in der zwischen den
beiden Ventilsitzen 25 und 26 liegenden Stellung, kann in
dem Hochdruckraum 12 enthaltener Kraftstoff über den
Bypass-Kanal 20, den Ventilraum 23, den Ablaufraum 27 und den
Rücklaufkanal 28 zu dem Vorratsbehälter abströmen. Dadurch
kann sich auf vorteilhafte Weise der in dem Einspritzventil
1 herrschende Kraftstoffdruck abbauen. Wenn ein solcher
Druckabbau erforderlich ist, wird das Ventilschließglied
also in der zwischen dem ersten Ventilsitz 25 und dem
zweiten Ventilsitz 28 liegenden Stellung gehalten. Dies erfolgt
dadurch, daß an den piezoelektrischen Aktor 29 etwa 80%
der Spannung angelegt werden, die zum Verfahren des
Ventilschließgliedes 24 an den zweiten Ventilsitz 26 erforderlich
sind. In dieser Stellung ist der über den Ablaufkanal 18
erfolgende Druckabbau in dem Ventilsteuerraum 14 nicht
ausreichend, um eine axiale Lageverschiebung der Düsennadel 5
und damit einen Einspritzvorgang über die Einspritzdüsen 6
auszulösen, was insbesondere Fig. 3 zu entnehmen ist.
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Zum Auslösen eines Einspritzvorganges wird das
Ventilschließglied 24 an den zweiten Ventilsitz 26 verfahren. In
dieser Ventilgliedstellung ist die in den Ventilraum 23
führende Mündung des Bypass-Kanals 20 verschlossen.
Kraftstoff aus dem Ventilsteuerraum 14 kann nur über den
Ablaufkanal 18, den Ventilraum 23 und von dort in den Ablaufraum
25 und weiter in den Rücklaufkanal 28 abströmen. Die so
erfolgende Druckminderung in dem Ventilsteuerraum 14 löst
eine axiale Verschiebung der Düsennadel 5 und damit ein
Öffnen der Einspritzdüsen 6 aus.
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Das Verfahren nach der Erfindung wird nun anhand der in den
Fig. 2 bis 7 dargestellten Diagramme näher erläutert.
Die in den Fig. 2 und 3 dargestellten Diagramme beziehen
sich auf ein einzelnes Kraftstoffeinspritzventil,
beispielsweise ein Kraftstoffeinspritzventil nach der in Fig.
1 dargestellten Art, auf welches im folgenden Bezug
genommen wird, wohingegen sich die in den Fig. 3 bis 7
dargestellten Diagramme auf einen beispielhaften
Verbrennungsmotor mit zwei Zylindern und damit zwei Einspritzventilen
beziehen.
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Im linken Teil des in Fig. 2 dargestellten Diagramms, in
dem qualitativ der Ventilhub über der Zeit t angetragen
ist, ist der Ventilhub des Ventilschließglieds 24 bei einem
Einspritzvorgang dargestellt. Der Ventilhub beträgt hierzu
100%, so daß das Ventilschließglied 24 an dem zweiten
Ventilsitz 26 anliegt. Damit korreliert eine sogenannte
Steuermenge, die über den Ablaufkanal 18 und den Ventilraum 26
abgeführt wird und die einen Hub der Düsennadel 5 auslöst,
was Fig. 3 zu entnehmen ist.
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Im rechten Teil des in Fig. 2 dargestellten Diagramms ist
der Hub des Ventilschließglieds 24 im Falle einer
Druckabregelung dargestellt. Der Hub des Ventilschließgliedes 24
beträgt hier 80%. Damit korreliert eine Steuermenge,
welche in Fig. 2 dargestellt ist und die geringer als
diejenige bei einem Einspritzvorgang ist. Die Steuermenge reicht
nicht aus, um einen Hub der Düsennadel 5 auszulösen.
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In den Fig. 4 und 5 ist qualitativ die Ansteuerung
zweier Einspritzventile der in Fig. 1 dargestellten Art bei
einem Verbrennungsmotor mit zwei Zylindern dargestellt. Im
Schubbetrieb des Motors, der jeweils rechts der
gestrichelten, vertikalen Linie dargestellt ist, werden die beiden
Einspritzventile phasenverschoben angesteuert, und zwar
jeweils mit 100% der Spannung, die zum Öffnen der
Einspritzdüsen 6 erforderlich ist.
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In Fig. 6 ist dargestellt, daß in dem Fall, in dem eine
Druckabregelung in den beiden Kraftstoffeinspritzventilen
erforderlich ist, beide Kraftstoffeinspritzventile derart
angesteuert werden, daß der jeweilige Hub des
Ventilschließgliedes 24 nur noch 80% des Maximalwertes
entspricht. Dadurch kann über die beiden
Kraftstoffeinspritzventile der sogenannte Raildruck, der von einer
Hochdruckpumpe erzeugt wurde, abgeregelt werden. Der Abfall des
Raildruckes während des Absteuervorgangs ist in Fig. 7 in
dem rechts der gestrichelten Linie liegendem Bereich
dargestellt.