DE2558789C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Hochdruck-Kraftstoffeinspritzein­ richtung für Dieselmotoren nach dem gattungsbildenden Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einer aus der DE-OS 24 19 260 bekannten Einspritzeinrichtung der gattungsgemäßen Bauart wird die Schließfeder der Einspritzdüse zusätzlich vom Servodruck beaufschlagt, der seinerseits zur Verän­ derung des Einspritzdruckes der als Pumpedüse ausgebildeten Kraft­ stoffeinspritzeinrichtung in der Druckhöhe änderbar ist und somit proportional zum Servodruck bzw. Einspritzdruck als eine "hydrau­ lische Feder" die Ventilnadel beaufschlagt, dabei aber sowohl den Öffnungs- als auch den Schließdruck an der Einspritzdüse verändert. Bei einer anderen, aus der DE-PS 10 70 442 bekannten, ebenfalls als Pumpedüse ausgebildeten Kraftstoffeinspritzeinrichtung ähnlicher Bauart fehlt eine Schließfeder, und es dient alleine der die Ventil­ nadel belastende Servodruck als hydraulische Feder und bestimmt somit direkt sowohl den Öffnungs- als auch den Schließdruck an der Einspritzdüse. Beide bekannten Einspritzeinrichtungen haben deshalb den Nachteil, daß der als hydraulische Feder wirkende Servodruck sowohl den Öffnungs- als auch den Schließdruck der Einspritzdüse bei sich ändernden Lastverhältnissen um den gleichen Betrag verändert. Dies verlangt einen Kompromiß in der Auslegung des auf die Ventil­ nadel einwirkenden Druckes und führt entweder zu einem zu hohen Öffnungsdruck mit verspätetem Öffnen oder zu einem verzögerten Schließen der Einspritzdüse.

Bei modernen, hochbelasteten Dieselmotoren werden extrem kurze Ein­ spritzzeiten verlangt und außerdem soll die Einspritzung plötzlich und abrupt, möglichst innerhalb von 1° Kurbelwinkel abgestoppt werden, weil ein verzögertes Ende der Einspritzung die dabei häufig auftretenden Nachspritzer die Verbrennung ungünstig beeinflussen und zu einer erhöhten CH- und CO-Emission führen. Ein günstiger Ver­ brennungsablauf wird dann erzielt, wenn die Einspritzung bei relativ niedrigem Öffnungsdruck und damit kurzem Einspritzstrahl beginnt und gegen Ende der Einspritzung auf den Höchstdruck bei entsprechend längstem Einspritzstrahl gesteigert wird, um dann plötzlich abzu­ brechen. Ein plötzlicher Nadelschluß läßt sich aber aufgrund der hydraulischen und mechanischen Gegebenheiten an der Kraftstoffein­ spritzeinrichtung sehr schwer verwirklichen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen schnellen Nadelschluß an der Einspritzdüse zu erreichen bei gleichzeitiger Beeinflussung des Einspritzverlaufs im Sinne eines zum Einspritzende hin steigenden Einspritzdruckes.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merk­ male des Patentanspruchs 1 gelöst. Damit wird eine hydraulische Schließdruckerhöhung an der Einspritzdüse erreicht, die erst gegen Ende des Einspritzhubes voll wirksam ist, und gleichzeitig damit wird der Einspritzverlauf im gewünschten Sinne beeinflußt, d. h. die hydraulische Zusatzkraft verläuft aufgrund der Kopplung an den Druck im Servodruckraum entsprechend dem Einspritzdruck einer hydraulisch angetriebenen Kolbenpumpe, welcher am Anfang proportional dem Düsen­ öffnungsdruck ist und am Hubende seinen Höchstwert erreicht. Unab­ hängig von der erreichbaren erhöhten Düsenschließkraft können der Düsenöffnungsdruck und der Querschnitt an der Düse frei gewählt werden, und die Vorspannung der Schließfeder der Ventilnadel kann entsprechend der bereits am Anfang der Einspritzung wirkenden hydraulischen Zusatzkraft verringert werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind aus den Unteransprüchen, der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, so wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 2 ein noch schnelleres Nadelschließen und außerdem eine einfache Bauweise der Kraftstoffeinspritzeinrichtung erzielt, da die Druckkammer von dem die Schließfeder aufnehmenden Federraum gebildet ist.

Zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritz­ einrichtung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im fol­ genden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung des ersten Ausführungsbei­ spiels und

Fig. 2 die Pumpedüse des zweiten Ausführungsbeispiels in ebenfalls vereinfachter Darstellung.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Hochdruck-Kraftstoffeinspritz­ einrichtung ist mit 10 eine Pumpedüse bezeichnet, die im wesent­ lichen aus einer hydraulisch angetriebenen Kolbenpumpe 11 und einer Einspritzdüse 12 besteht, wobei die Kolbenpumpe 11 in be­ kannter Weise als Servo-Kolbenpumpe ausgebildet ist, d. h. sie weist einen aus einem Servokolben 13 und Pumpenkolben 14 beste­ henden Differentialkolben auf. Die eine mit 15 bezeichnete Stirn­ seite des Servokolbens 13 begrenzt als bewegliche Wand eine Sei­ te eines Servodruckraumes 16, dem unter Servodruck (p _s ) stehender Kraftstoff von einer Druckquelle 17 über eine Förderleitung 18, ein Umschaltventil 19 und eine Steuerleitung 21 zugeführt wird.

Die den Servodruck erzeugende Druckquelle 17 besteht im wesent­ lichen aus einer vom Motor 22 angetriebenen regelbaren Hochdruck- Förderpumpe 23 und einem Druckbegrenzungs- oder Druckregelventil 24. Die Hochdruck-Förderpumpe 23 wird von einer Niederdruck-Förder­ pumpe 25 gespeist, die den Kraftstoff aus einem Tank 26 ansaugt und über ein Filter 27 zur Hochdruck-Förderpumpe 23 fördert und deren Förderdruck durch ein weiteres Druckbegrenzungsventil 28 begrenzt wird. Über eine Zweigleitung 29 werden zwei weitere, weiter hinten näher erläuterte Druckeinheiten 31 und 32 mit Kraftstoff von der Förderpumpe 25 versorgt.

Das Umschaltventil 19 ist als Schiebeventil ausgebildet und sein im Kopf der Pumpe-Düse 10 untergebrachter Steuerschieber 33 verbindet in der gezeichneten ersten Schaltstellung den Servodruckraum 16 mit der unter Servodruck stehenden Förderleitung 18, wobei durch einen verjüngten Abschnitt 33 a des Steuerschiebers 33 ein mit der Förderleitung 18 verbundener erster Ringraum 34 des Umschalt­ ventils 19 mit einem zweiten über die Steuerleitung 21 mit dem Servodruckraum 16 verbundenen Ringraum 35 verbunden ist. Durch einen von der Druckeinheit 31 im Takt des Motors 22 erzeugten Steuerdruckimpuls der über eine Leitung 36 zu einem Steuerdruck­ raum 37 gefördert wird, ist der Steuerschieber 33 in seine zwei­ te nicht dargestellte Schaltstellung entgegen der Kraft einer Feder 38 bewegbar. In dieser Schaltstellung ist der Servodruck­ raum 16 über die Steuerleitung 21, den Ringraum 35 und den ver­ jüngten Abschnitt 33 a mit einem dritten Ringraum 40 des umschalt­ ventils 19 verbunden, der an eine Rücklaufleitung 39 angeschlos­ sen ist, die in die Verbindung zwischen den Förderpumpen 25 und 23 einmündet und somit unter dem Druck des von der Förderpumpe 25 geförderten Kraftstoffes steht. Selbstverständlich kann diese Rücklaufleitung 39 auch direkt zum Tank 26 zurückgeführt werden, so daß lediglich der Atmosphärendruck in dieser Leitung vorhan­ den ist.

Als Druckeinheit 31 kann in bekannter Weise ein Drehverteiler oder eine Kolbenpumpe oder auch eine magnetventilgesteuerte Einrichtung dienen, die durch Druckentlastung des Steuerdruck­ raumes 37 die Bewegung des Steuerschiebers 33 in seine gezeichnete erste Schaltstellung bewirkt und damit den Einspritzbeginn auslöst, zu dem Servokraftstoff in den Servodruckraum 16 geleitet wird. Die zweite Druckeinheit 32 ist als Fördermengen-Zumeßeinrichtung über eine Leitung 41 und ein Druckventil 42 mit einem vom Pumpenkol­ ben 14 beaufschlagten Pumpenarbeitsraum 43 verbunden. Als För­ dermengen-Zumeßeinrichtung kann eine beliebige mengengeregel­ te Einspritzpumpe dienen, die - wie gezeichnet - vom Motor 22 ange­ trieben wird. Beide Druckeinheiten 31 und 32 werden im folgen­ den nicht näher beschrieben, da sie nicht direkt von der Erfin­ dung umfaßt werden.

In der gezeichneten Lage des Pumpenkolbens 14 ist die Verbindung vom Pumpenarbeitsraum 43 zur Einspritzdüse 12 unterbrochen und über einen Kanal 44 im Pumpenkolben 14 sind zwei Ringräume 45 und 46 in der Wand eines den Pumpenkolben 14 aufnehmenden Pumpenzylinders 47 miteinander verbunden, wobei der eine Ringraum 45 über einen Druckkanal 48 mit einem dem Ventilsitz 49 benachbarten Druckraum 51 in dem mit 50 bezeichneten Ventil­ gehäuse der Einspritzdüse 12 verbunden ist. Der Ringraum 46 ist über eine mit einer Drossel 52 versehene Entlastungsbohrung 53 mit einer zur Rücklaufleitung 39 führenden Leitung 54 verbunden, so daß in der gezeichneten Stellung des Pumpen­ kolbens 14 der Druckraum 51 an der Einspritzdüse 12 zur Rücklaufleitung 39 hin entlastet ist.

Der Ventilsitz 49 der Einspritzdüse 12 ist in bekannter Weise von einer entgegen der Strömungsrichtung des Kraftstoffes und gegen die Kraft einer Schließfeder 55 den Ventilsitz 49 öffnen­ den Ventilnadel 56 zwischen den Einspritzungen verschlossen.

Ein die Schließfeder 55 aufnehmender und dem dem Ventilsitz 49 abgewandten Ende 56 a der Ventilnadel 56 benachbarter Federraum 57 ist durch einen Überströmkanal 58 mit der Steuerleitung 21 ver­ bunden, so daß der im Servodruckraum 16 herrschende Druck in den auch als Druckkammer für eine Einrichtung 59 zur Schließdruckerhö­ hung dienenden Federraum 57 geleitet wird und eine dem Druck im Servodruckraum 16 proportionale Kraft auf die Ventilnadel 56 ausübt. Der Druck kann auch in an sich bekannter Weise über einen dichtend im Gehäuse 50 der Einspritzdüse 12 geführten Druck­ übertragungskolben auf die Ventilnadel 56 übertragen werden, so daß eine Druckübersetzung erreicht wird (nicht gezeichnet).

So hält nach dem Ende der Einspritzung der volle Servodruck p _s die Ventilnadel 56 auf ihrem Ventilsitz 49 und erst bei Beginn des Füllhubes der beiden Kolben 13 und 14, d. h. in der nicht dar­ gestellten zweiten Schaltstellung des Steuerschiebers 33 fällt der Druck im Federraum 57 auf den in der Rücklaufleitung 39 herr­ schenden Druck ab und die Ventilnadel 56 wird jetzt von der Schließfeder 55 und dem verminderten Druck im Federraum 57 ge­ schlossen gehalten, bis durch Umschalten des Steuerschiebers 33 in seine gezeichnete Lage der in der Förderleitung 18 herrschen­ de Servodruck p _s über das Schaltventil 19 zum Servodruckraum 16 geleitet wird und der Pumphub des Pumpenkolbens 14 beginnt. Der bei Beginn des Pump- oder Einspritzhubes herrschende Druck im Servodruckraum 16 wird vom Öffnungsdruck und Einspritzdruckver­ lauf an der Einspritzdüse 12 bestimmt und erreicht erst am Ende des Einspritzhubes seinen Höchstdruck, der dann auch über den Überströmkanal 58 in den Federraum 57 geleitet wird und die Ven­ tilnadel 56 auf ihren Sitz 49 treibt. Dieses schnelle Schließen der Ventilnadel 56 wird noch dadurch unterstützt, daß kurz vor Hubende oder gleichzeitig mit dem Abbremsen des Pumpenkolbens 14 der Ringraum 45 über den Kanal 44 im Pumpenkolben 14 und die Entlastungsbohrung 53 mit der Rücklaufleitung 39 verbunden wird und so den Druckraum 51 in der Einspritzdüse 12 entlastet. Für die beschriebene Funktion ist es erforderlich, daß der Über­ strömkanal 58 im Bereich eines vom Umschaltventil 19 gesteu­ erten Steuerraumes angeschlossen ist, wobei im beschriebenen Beispiel die Steuerleitung 21 als Steuerraum dient. Der Über­ strömkanal könnte auch noch an den Ringraum 35 oder den oberen Bereich des Servodruckraums 16 angeschlossen werden.

In den Überströmkanal 58 ist eine Drucksteuereinrichtung 61 eingefügt, die aus einem Drossel- oder Drucksteuerventil 62 und einem zu diesem Ventil 62 parallelgeschalteten und zum Fe­ derraum hin öffnenden Rückschlagventil 63 be­ steht. Das Drossel- oder Drucksteuerventil 62 ist willkürlich oder in Abhängigkeit von Motorkenngrößen, wie Drehzahl und/oder Last, verstellbar, womit der im Federraum 57 verbleibende Kraftstoffdruck einstellbar ist, d. h. es kann der Düsenöff­ nungsdruck in Abhängigkeit von Motorkenngrößen geregelt werden, oder dieses Ventil 62 wird so eingestellt, daß ein gewünschter über dem Druck in der Rücklaufleitung 39 liegender hydraulischer Druck in dem als Druckkammer zur Schließdruckerhöhung dienenden Federraum 57 verbleibt und bereits zum Einspritzbeginn zusätzlich zur Schließfeder 55 als hydraulische Feder wirkt, die dann im Verlaufe der Einspritzung durch den steigenden Druck im Servodruckraum 16 verstärkt wird. Soll der in den Federraum 57 eingeleitete, der Schließdruckerhöhung dienende Druck auch gegenüber dem im Servodruckraum 16 herrschenden Druck noch in Abhängigkeit von den bereits erwähnten Motorkenn­ größen gesteuert oder geregelt werden bzw. willkürlich verstellt werden, dann kann eine zweite Drucksteuereinrichtung 64 in den Überströmkanal 58 eingefügt werden. Diese Drucksteuereinrichtung 64 ist wie die Drucksteuereinrichtung 61 aufgebaut, enthält jedoch ein vom Federraum 57 zur Steuerleitung 21 öffnendes Rückschlagventil 65 und ein Drossel- oder Drucksteuerventil 66, das den Zufluß zum Federraum 57 steuert. Je nach der gewünschten Formung des Einspritzgesetzes können beide Drucksteuereinrichtungen 61 und 64 oder auch nur eine von beiden oder keine dieser Drucksteuer­ einrichtungen in den Überströmkanal 58 eingefügt sein. Es ist auch möglich, nur ein einziges Drosselventil 62 in den Über­ strömkanal 58 einzubauen, falls lediglich eine Formung des über­ strömenden zum Federraum 57 gelangenden Druckes erwünscht ist.

Das zweite Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 unterscheidet sich von dem er­ sten in Fig. 1 dargestellten lediglich durch eine gegenüber der Pumpedüse 10 geänderte Ausbildung einer Pumpedüse 10 a. Glei­ che Teile sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Das Um­ schaltventil 19 und die Kolbenpumpe 11 sind identisch gleich mit den entsprechenden Teilen der Pumpedüse 10. Jedoch die mit 12 a bezeichnete Einspritzdüse unterscheidet sich von der Einspritzdüse 12 in Fig. 1 im wesentlichen dadurch, daß eine Druckkammer 71 einer der Schließdruckerhöhung dienenden Einrich­ tung 72 durch einen dichtend in dem mit 73 bezeichneten Ventil­ gehäuse geführten Zwischenkolben 74 vom Federraum 57 getrennt ist. Der Zwischenkolben 74 ragt in das der Ventilnadel 56 abge­ wandte Ende des Federraumes 57 hinein und hat vor Beginn der Einspritzung einen mit h bezeichneten vorbestimmten Abstand zur Ventilnadel 56. Der Zwischenkolben 74 wird bei mit der Rücklaufleitung 39 verbundener Druckkammer 71 von einer Rück­ stellfeder 75 und der Schließfeder 55 der Einspritzdüse 12 a in seine gezeichnete den Abstand h zur Ventilnadel 56 festle­ gende Ausgangsstellung gedrückt. Je nach Abstimmung der Drücke und Auslegung der Kolbendurchmesser kann auch die Schließfeder 55 alleine die Funktion der Rückstellfeder übernehmen. Hat die Ventilnadel 56 keinen eigenen Hubanschlag, wie gezeichnet, dann ist der Abstand h gleich dem Nadelhub und der Zwischenkolben 74 dient der Ventilnadel 56 als Hubanschlag.

Auch beim zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist der dem Ventilsitz 49 benachbarte Druckraum 51 der Einspritzdüse 12 a über den Kanal 44 im Pumpenkolben 14, die Entlastungsbohrung 53 und die Leitung 54 mit der Rücklaufleitung 39 verbunden und so druckentlastet. Eine weitere Möglichkeit der Schließdruckerhö­ hung ergibt sich dann, wenn die Entlastungsbohrung 53, wie strich­ punktiert angedeutet, nicht direkt mit der Leitung 54 sondern über einen Kanal 76 mit dem Federraum 57 verbunden ist. Der Druck im Federraum 57 wird dann von einem Drucksteuerventil 77 begrenzt oder in Abhängigkeit von Motorkenngrößen, wie Drehzahl und/oder Last, geregelt. Über das Drucksteuerventil 77 ist der Federraum 57 mit der zur Rücklaufleitung 39 führenden Leitung 54 verbunden; die direkte Verbindung zwischen der Entlastungsbohrung 53 und der Leitung 54 ist in diesem Falle unterbrochen. Bei Mehrzylinder­ motoren genügt ein Drucksteuerventil 77 für alle Pumpedüsen, die über eine Leitung 78 angeschlossen sind. Stützt sich die Schließ­ feder 55 (nicht gezeichnet) im Ventilgehäuse 73, d. h. im Federraum 57, ab und ist der Zwischenkolben 74 nicht von der Rückstellfeder 75 belastet, dann wirkt der im Steuerraum 21 herrschende Servo­ druck als hydraulische Feder bereits beim Beginn der Einspritzung über den Zwischenkolben 74 auf die Ventilnadel 56, so daß die in Schließrichtung auf die Ventilnadel 56 wirkende Kraft dem Einspritz­ druckverlauf während jeder Einspritzung folgt. Die Schließfeder 55 kann entsprechend schwächer ausgelegt werden, und der maximale Spitzendruck wirkt in gewünschter Weise erst zum Einspritzende auf die Ventilnadel 56 und führt zu einem abrupten Nadelschluß.

Falls die Entlastungsbohrung 53 beim zweiten Ausführungs­ beispiel nicht über einen Kanal 76 mit dem Federraum 57 verbunden ist, kann trotzdem durch das Drucksteuerventil 77 der Druck des in den Federraum 57 durchleckenden und dort eingeschlossenen Kraftstoffes ge­ steuert oder geregelt werden.

Bei beiden Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 und 2 wird durch den nach dem Umschaltventil 19 abgenommenen Servodruck eine dem Einspritzdruck proportionale Schließdruckerhöhung an der Einspritzdüse erzeugt, die zu dem gewünschten abrupten und schnellen Nadelschluß und damit schnellen Einspritzende führt.

Claims (5)

1. Hochdruck-Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Diesel­ motoren mit je Arbeitszylinder einer hydraulisch ange­ triebenen Kolbenpumpe und Einspritzdüse, insbesondere Pumpedüse, deren Pumpenkolben durch einen im Durchmesser größeren Servokolben angetrieben wird, dessen eine Stirn­ seite einen Servodruckraum begrenzt, der über ein im Takt des Motors gesteuertes Umschaltventil in einer ersten Schaltstellung dieses Ventils mit einer den hydraulischen Servodruck erzeugenden Druckquelle und in einer zweiten Schaltstellung mit einer Rücklaufleitung verbindbar ist, und deren Einspritzdüse eine von einer in einem Feder­ raum angeordneten Schließfeder belastete und entgegen der Strömungsrichtung des unter Einspritzdruck einem dem Ventilsitz benachbarten Druckraum zugeführten Kraft­ stoffes den Ventilsitz öffnende Ventilnadel aufweist, die zusätzlich in Schließrichtung, direkt oder indirekt, über einen Überströmkanal von dem in eine im Bereich des dem Ventilsitz abgewandten Endes der Ventilnadel angeord­ nete Druckkammer eingeleiteten Servodruck belastbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Überströmkanal (58) einen in der hydraulischen Verbindung zwischen dem Umschalt­ ventil (19) und dem Servodruckraum (16) befindlichen Steuerraum (Steuerleitung 21) mit der Druckkammer (57, 71) verbindet, die zur Schließdruckerhöhung an der Ein­ spritzdüse (12, 12 a) nur in der ersten Schaltstellung des Umschaltventils (19) von dem in den Servodruckraum (16) eingeleiteten Servodruck beaufschlagt ist.

2. Hochdruck-Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Ventilsitz (49) benachbarte Druckraum (51) der Einspritzdüse (12) kurz vor Hubende des Pumpenkolbens (14) und von diesem gesteuert mit der von dem die Schließfeder aufnehmen­ den Federraum (57) gebildeten Druckkammer verbindbar ist.

3. Hochdruck-Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein dichtend im Ventilgehäuse (50) geführter Zwischenkolben (74) die Druckkammer (71) vom Federraum (57) trennt und in das der Ventilnadel (56) abgewandte Ende des Federraums (57) hineinragt.

4. Hochdruck-Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenkolben (74) vor Beginn der Ein­ spritzung bei mit der Rücklaufleitung (39) verbundener Druckkammer (71) von einer Rückstellfeder (55, 75) in seine einen vorbestimmten, dem Nadelhub entsprechenden Abstand (h) zur Ventilnadel (56) fest­ legende Ausgangsstellung gedrückt wird.

5. Hochdruck-Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Ventilsitz (49) benachbarte Druckraum (51) der Einspritzdüse (12 a) kurz vor Hubende des Pumpen­ kolbens (14) und von diesem gesteuert mit dem Federraum (57) ver­ bindbar ist.