DE19621583C2 - Speichereinspritzsystem für Dieselbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Speichereinspritzsystem für Diesel­ brennkraftmaschinen mit zumindest einem Kraftstoff direkt in den Brennraum einspritzenden Einspritzventil pro Zylinder, mit einem Hochdruckkraftstoffzuführsystem mit einer Hochdruckpumpe, welche Kraftstoff aus einem Kraftstoffbehälter einem Hochdruck­ verteilerspeicher zuführt, welcher pro Zylinder über eine ein Magnetventil aufweisende Betätigungseinrichtung mit einem die Düsennadel des Einspritzventiles umgebenden Düsenraum strö­ mungsverbindbar ist, wobei in einer der Öffnungsstellung des Einspritzventiles zugeordneten Betätigungsstellung des Magnet­ ventiles die Öffnung der Düsennadel durch Druckbeaufschlagung des Düsenraumes entgegen einer Schließkraft erfolgt, und wobei die Betätigungseinrichtung einen in der Hochdruckleitung zwi­ schen Hochdruckverteilerspeicher und Düsenraum angeordneten Steuerzylinder mit einem axial verschiebbaren Steuerkolben auf­ weist, der an einen über das Magnetventil mit Druck beauf­ schlagbaren Steuerraum grenzt und in einer Stellung den Zufluß des Kraftstoffes in den Düsenraum sperrt und in einer anderen Stellung freigibt, und die Betätigungseinrichtung einen vom Hochdruckkraftstoffzuführsystem strömungsmäßig getrennten Betä­ tigungskreislauf, vorzugsweise mit einem externen Fluid, bei­ spielsweise Motoröl, aufweist, wobei die Steuerung des Zuflus­ ses zum Düsenraum über durch zumindest einen nutförmigen ersten Steuereinstich gebildete Steuerkanten des Steuerkolbens er­ folgt, welche mit zumindest einer Mündungsöffnung der Hoch­ druckleitung in den Steuerzylinder zusammenwirken.

Aus der Veröffentlichung MTZ Motortechnische Zeitschrift 55 (1994) 9, Seite 502; "Dieseleinspritzung für Großmotoren", Ger­ hard LEHNER, ist ein Speichereinspritzsystem bekannt, bei dem das Magnetventil, welches den Einspritzbeginn und die Spritz­ dauer definiert, vom Betriebsmedium durchflossen ist. In be­ stimmten Anwendungsfällen ist es allerdings vorteilhaft, wenn das Magnetventil nicht vom Betriebsmedium durchflossen wird. Wenn beispielsweise als Betriebsmedium Schweröl verwendet wird, bei dem sowohl hohe Viskositäten als auch entsprechend hoher Gehalt an Kohlenstoff, Asche oder Sedimenten auftreten, besteht die Gefahr, daß das Magnetventil samt Betätigungseinrichtung leicht verschmutzt und damit verschließen wird. Abgesehen davon ist, da das Schweröl auf 150 bis 180°C aufgeheizt ist, das Magnetventil thermisch hoher Belastung ausgesetzt. Andere Betriebsstoffe als Schmieröl, z. B. solche, mit kleinen Viskositäten, wiederum sind in Verbindung mit Magnetventilen als kritisch, beispielsweise aufgrund ihrer Kavitationsneigung, anzusehen.

Aus der DD 103 691 A ist eine Brennstoffeinspritzvorrichtung bekannt, bei der das Hochdruckkraftstoffzuführsystem strömungs­ mäßig mit dem betätigungskreislauf verbunden ist. Insbesondere bei Verwendung von kritischen Betriebsstoffen, wie Schweröl oder Schmieröl, kann es auch hier zu verstärktem Verschleiß der Düsennadel des Magnetventiles kommen. Weiters ist aus der DE 29 07 279 A1 ein Kraftstoffeinspritzsystem für Verbrennungs­ motoren mit einem Magnetventil bekannt, welches über einen Steuerkolben den Kraftstoffdurchfluß durch eine zum Einspritz­ ventil führende Hochdruckleitung steuert. Der Steuerkolben wird von einem Elektromagneten direkt betätigt. Dies erfordert al­ lerdings eine relativ große und vergleichsweise kostenaufwen­ dige Bauweise des Magnetventiles.

Aus der JP 60-67759 A2 ist ein Speichereinspritzsystem der ein­ gangs genannten Art bekannt, bei dem die Kraftstoffeinspritzung durch einen Steuerkolben pro Zylinder gesteuert wird, welcher einen einzigen nutförmigen Steuereinstich aufweist. Der Steuer­ kolben wird durch einen eigenen Betätigungskreislauf betätigt. Der Steuerzylinder steht dabei nur indirekt über das Betäti­ gungsmedium mit dem Magnetventil in Verbindung, wodurch die Nachteile der Verschmutzung und des verstärkten Verschleißes des Magnetventiles vermieden werden können. Zur Mehrfachein­ spritzung ist eine mehrfache Betätigung des Magnetventiles er­ forderlich. Die mehrmalige Betätigung des Magnetventiles wirkt sich allerdings nachteilig auf das Ansprechverhalten des Ein­ spritzventiles aus.

Aus der DE 29 09 307 C2 ist ein elektronisch gesteuertes Kraft­ stoffeinspritzsystem bekannt. Die Steuerung der Einspritzmenge erfolgt in einer Ausführungsvariante über einen direkt durch einen Elektromagneten betätigten Steuerkolben, der zwei nutför­ mige Steuereinstiche zur Steuerung von zwei Kraftstoffströ­ mungswegen aufweist, welche zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgesteuert werden.

Auch die US 4 425 885 A beschreibt ein Einspritzsystem für Die­ selbrennkraftmaschinen mit einem Steuerkolben, welcher zwei nutförmige Steuereinstiche zur Realisierung einer Voreinsprit­ zung aufweist. Ebenso zeigt die EP 0 030 907 A1 eine Einrich­ tung zur Steuerung der Einspritzmenge über Steuerkolben, welche jeweils mehrere Steuereinstiche aufweisen.

Ferner beschreibt die DE 30 24 975 C2 eine Brennstoffeinspritz­ vorrichtung für schwerölbetriebene Brennkraftmaschinen mit einer Vorschaltventilanordnung mit einem Vorschaltventil und einem Entlastungsventil, wobei das Vorschaltventil als auch das Entlastungsventil jeweils einen Steuerkolben aufweist. Durch die Vorschaltventilanordnung sollen kurze Ansprechzeiten und extrem kurze Einspritzzeiten ermöglicht und ein hoher Sicher­ heitsstandard bei Störfällen in der Eispritzanlage, beispiels­ weise im Falle des Hängenbleibens einer Ventilnadel in der Öff­ nungsstellung erreicht werden, wobei die Brennstoffzuführung zu den Einspritzventilen nur zu ganz bestimmten Zeiten gesteuert durch einen elektronischen Geber und die Vorschaltventile er­ folgt. Da pro Einspritzventil zwei Steuerkolben erforderlich sind, ist die bekannte Brennstoffeinspritzvorrichtung relativ aufwendig.

Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, diese Nachteile zu vermeiden und bei einem Speichereinspritzsystem der eingangs genannten Art eine Voreinspritzung bei sehr kurzen Ventilan­ sprechverhalten auf einfache und kostengünstige Weise zu ermög­ lichen, wobei das Magnetventil möglichst geringem Verschleiß ausgesetzt sein soll.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Steuerkol­ ben einen vom ersten Steuereinstich durch eine ringförmige Schulter getrennten nutförmigen zweiten Steuereinstich auf­ weist, dessen Steuerkanten bei einem Steuerkolbenhub die Mün­ dungsöffnung überstreichen, und daß die Masse des Steuerkolbens und die auf den Steuerkolben in Schließrichtung wirkende Feder­ kraft so ausgelegt sind, daß beim Überfahren der Mündungsöff­ nung durch die Schulter die Düsennadel noch geöffnet bleibt.

Durch die zwischen den beiden Steuereinstichen angeordnete Schulter wird der Kraftstoffzufluß zum Düsenraum unterbrochen und bei Weiterbewegung des Steuerkolbens wieder freigegeben, was zu einer Vor- und einer Haupteinspritzung bei nur einmali­ ger Betätigung des Magnetventiles während eines Einspritzvor­ ganges führt. Dadurch kann insbesondere auch dann eine Vorein­ spritzung realisiert werden, wenn ein zweimaliges Betätigen des Magnetventiles während eines Einspritzvorganges zufolge des Ventilansprechverhaltens nicht möglich ist. Bei bestimmter Kon­ struktionsdimensionierung des Steuerzylinders könnte es vorkom­ men, daß durch das Verschieben des Steuerkolbens in Schließ­ richtung zufolge der Feder auch beim Schließvorgang ein Nach­ spritzeffekt auftritt. Es sind Veröffentlichungen (SAE 940897, SAE 950217) bekannt, in denen in anderem Zusammenhang auf die Vorteile einer derartigen Dreifacheinspritzung hingewiesen ist. Oft ist der Nachspritzeffekt allerdings unerwünscht. Dieser kann durch die erfindungsgemäße Auslegung der Masse des Steuer­ kolbens und die auf den Steuerkolben in Schließrichtung wir­ kende Federkraft vermieden werden.

Dadurch, daß das Magnetventil für den einspritzlosen Zustand durch eine Federkraft in seiner Öffnungsposition gehalten wird und bei Aktivierung entgegen der Federkraft in seine Schließ­ position bringbar ist, wodurch der Einspritzvorgang ausgelöst wird, wird eine hohe Betriebssicherheit erreicht.

Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zei­ gen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsge­ mäßen Speichereinspritzsystems in der Absteuer­ phase,

Fig. 2 ein Detail des Speichereinspritzsystems aus Fig. 1 während der Einspritzphase,

Fig. 3 ein Detail des erfindungsgemäßen Speicherein­ spritzsystems in einer Ausführungsvariante mit Voreinspritzung während der Absteuerphase.

Fig. 1 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Spei­ chereinspritzsystem 1, bei dem das Hochdruckkraftstoffzuführ­ system 2 von der Betätigungseinrichtung 3 getrennt ist. Das Hochdruckkraftstoffzufuhrsystem 2 besteht aus einer Hochdruck­ pumpe 4, welche Kraftstoff aus einem Tank 4a, einem Hochdruck­ verteilerspeicher 5 (rail) und je einem Vorspeicher 6 pro Dü­ senhalter zuführt. Vom Vorspeicher 6 führt pro Einspritzventil jeweils eine Einspritzleitung 7 zum die Düsennadel 9a des zu speisenden Einspritzventiles 9 umgebenden Düsenraum 8. In der Einspritzleitung 7 ist ein Steuerzylinder 10 mit einem Steuer­ kolben 11 zur Steuerung der Einspritzung angeordnet. Der Steu­ erkolben 11 weist durch einen ringförmigen ersten Steuerein­ stich 12 gebildete Steuerkanten 13 und 14 auf, welche bei axi­ aler Verschiebung des Steuerkolbens 11 die Zuflußöffnung 7a und Abflußöffnung 7b der Einspritzleitung 7 steuern. Auf den Steuerkolben 11 wirkt eine durch die Feder 15 aufgebrachte Schließkraft. Aus dem Federraum 16 führt eine Rückflußlei­ tung 17 zurück zum Tank 4a.

An dem dem Federraum 16 gegenüberliegenden Ende weist der Steuerzylinder 10 einen an den Steuerkolben 11 grenzenden Steuerraum 18 auf, in welchen die Steuerleitung 19 der hydrau­ lisch vom Hochdruckkraftstoffzuführsystem 2 getrennten Betäti­ gungseinrichtung 3 einmündet. Die ein externes Arbeitsmedium aufweisende Betätigungseinrichtung 3 steuert durch Druckände­ rung in der Steuerleitung 19 die axiale Auslenkung des Steuer­ kolbens 11. Die Druckänderung in der Steuerleitung 19 erfolgt dabei durch ein Magnetventil 20, welches wahlweise den Rück­ fluß des von einer Pumpe 21 aus einem Tank 22 geförderten ex­ ternen Arbeitsfluid durch die Rückflußleitung 23 sperrt oder freigibt. Der Arbeitsdruck der Betätigungseinrichtung 3 wird über das Druckhalteventil 24 konstant gehalten.

Das externe Arbeitsfluid ist vorzugsweise bei der Brennkraft­ maschine leicht verfügbares Motoröl. In der in Fig. 1 gezeich­ neten Stellung des Steuerkolbens 11 ist das Magnetventil 20 geöffnet, wodurch das Arbeitsfluid über das offene Magnetven­ til 20 und die Rückflußleitung 23 in den Tank 22 zurückgeför­ dert wird. Die auf den Steuerkolben 11 einwirkende Feder 15 des Steuerzylinders 10 ist so stark ausgebildet, daß der Steu­ erkolben 11 bei geöffnetem Magnetventil 20 in seiner in Fig. 1 eingezeichneten Schließstellung gehalten wird. Der aus dem Vorspeicher 6 kommende Kraftstoff kann in dieser Stellung nicht in den Düsenraum 8 gelangen, da über die Mantel­ fläche 11a des Steuerkolbens 11 die Zuführöffnung 7a der Ein­ spritzleitung 7 geschlossen ist. In der Einspritzleitung 7 noch vorhandener Restdruck wird über den Federraum 16 und die Rückflußleitung 17 abgebaut. Diese beschriebene Stellung ent­ spricht dem Absteuervorgang oder dem Einspritzende.

Der Einspritzbeginn ist in Fig. 2 dargestellt. Der Rückfluß des externen Arbeitsfluids durch die Rückflußleitung 23 wird durch Schließen des Magnetventiles 20 unterbunden, wodurch das von der Pumpe 21 geförderte Arbeitsfluid in den Steuerraum 18 des Steuerzylinders 10 gelangt und den Steuerkolben 11 entge­ gen der Schließkraft der Feder 15 axial verschiebt. Der Druck in der Leitung 19 steigt dabei bis zu einem durch das Druck­ halteventil 24 definierten Maximalwert, um dann konstant zu bleiben. Durch den ringförmigen ersten Steuereinstich 12 geben die Steuerkanten 13 und 14 die Eintritts- und Austrittsquer­ schnitte 7a und 7b frei und ermöglichen den Kraftstoffluß durch die Einspritzleitung 7 zum Düsenraum 8.

Durch geeignete Auslegung der Federkraft der Feder 15, des Durchmessers des Steuerkolbens 11 und des Arbeitsdruckes des Arbeitsfluids kann eine Optimierung an die jeweiligen Erfor­ dernisse durchgeführt werden.

Fig. 3 zeigt eine Weiterbildung der Erfindung, bei der im Ge­ gensatz zu dem in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel eine Voreinspritzung möglich ist. Dies wird dadurch erreicht, daß der Steuerkolben 11' neben dem Steuereinstich 12' einen weiteren Steuereinstich 12" aufweist. Die Breite y dieses wei­ teren Steuereinstiches 12' muß dabei größer sein als der axiale Abstand x zwischen Zuflußöffnung 7a und Abflußöff­ nung 7b am Steuerzylinder 10. Bei einem Einspritzvorgang wird der Steuerkolben 11' wie beschrieben entgegen der Kraft der Feder 15 axial ausgelenkt, wodurch kurzzeitig zufolge des Zu­ satzeinstiches 12" der Kraftstoffluß vom Vorspeicher 6 zum Dü­ senraum 8 freigegeben wird um anschließend durch Überfahren der Schulter 25 zwischen den beiden Steuereinstichen 12' und 12" des Steuerkolbens 11' über die Zuflußöffnung 7a wieder un­ terbrochen zu werden. Die Haupteinspritzung erfolgt erst, wenn der Steuereinstich 12' Zuflußöffnung 7a und Abflußöffnung 7b wieder verbindet.

Um zu vermeiden, daß beim Schließvorgang des Steuerkolbens 11 ein Nachspritzeffekt an der Einspritzdüse 9 auftritt, wird die Federkraft der Feder 15 und die Masse des Steuerkolbens 11' vorzugsweise so ausgelegt, daß das Überfahren des Steuerein­ stiches 12" über die Öffnungen 7a und 7b noch vor dem Schlie­ ßen der Düsennadel 9a erfolgt und dadurch nur eine Druckwel­ lenänderung in der Einspritzleitung 7 erfolgt.

Claims (1)

1. Speichereinspritzsystem für Dieselbrennkraftmaschinen mit zu­ mindest einem Kraftstoff direkt in den Brennraum einspritzenden Einspritzventil (9) pro Zylinder, mit einem Hochdruckkraft­ stoffzuführsystem (2) mit einer Hochdruckpumpe (4), welche Kraftstoff aus einem Kraftstoffbehälter (4a) einem Hochdruck­ verteilerspeicher (5) zuführt, welcher pro Zylinder über eine ein Magnetventil (20) aufweisende Betätigungseinrichtung (3) mit einem die Düsennadel (9a) des Einspritzventiles (9) umge­ benden Düsenraum (8) strömungsverbindbar ist, wobei in einer der Öffnungsstellung des Einspritzventiles (9) zugeordneten Be­ tätigungsstellung des Magnetventiles (20) die Öffnung der Dü­ sennadel (9a) durch Druckbeaufschlagung des Düsenraumes (8) entgegen einer Schließkraft erfolgt, und wobei die Betätigungs­ einrichtung (3) einen in der Hochdruckleitung (7) zwischen Hochdruckverteilerspeicher (5) und Düsenraum (8) angeordneten Steuerzylinder (10) mit einem axial verschiebbaren Steuerkolben (11') aufweist, der an einen über das Magnetventil (20) mit Druck beaufschlagbaren Steuerraum (18) grenzt und in einer Stellung den Zufluß des Kraftstoffes in den Düsenraum (8) sperrt und in einer anderen Stellung freigibt, und die Betäti­ gungseinrichtung (3) einen vom Hochdruckkraftstoffzuführsystem (2) strömungsmäßig getrennten Betätigungskreislauf, vorzugswei­ se mit einem externen Fluid, beispielsweise Motoröl, aufweist, wobei die Steuerung des Zuflusses zum Düsenraum (8) über durch zumindest einen nutförmigen ersten Steuereinstich (12', 12") gebildete Steuerkanten (13', 14', 13", 14") des Steuerkolbens (11') erfolgt, welche mit zumindest einer Mündungsöffnung (7a; 7b) der Hochdruckleitung (7) in den Steuerzylinder (10) zusam­ menwirken, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkolben (11') einen vom ersten Steuereinstich (12') durch eine ringförmige Schulter (25) getrennten nutförmigen zweiten Steuerein­ stich (12") aufweist, dessen Steuerkanten (13", 14") bei einem Steuerkolbenhub die Mündungsöffnung (7a, 7b) überstreichen, und daß die Masse des Steuerkolbens (11') und die auf den Steuer­ kolben (11') in Schließrichtung wirkende Federkraft so ausge­ legt sind, daß beim Überfahren der Mündungsöffnung (7a, 7b) in Richtung der Sperrstellung des Steuerkolbens (11') durch die Schulter (25) die Düsennadel (9a) noch geöffnet bleibt.