DE3148671C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach der Gattung des Patentanspruchs 1.

Eine durch die US-PS 34 86 493 bekanntgewordene Kraftstoffeinspritz­ einrichtung dieser Bauart besitzt pro Arbeitszylinder der zuge­ hörigen Brennkraftmaschine eine als Pumpe-Düse ausgebildete Ein­ spritzpumpe, bei der die Kraftstoffeinspritzmenge durch einen in einen Überströmkanal eingesetzten, hydraulisch angetriebenen Ventil­ schieber gesteuert wird. Dieser Ventilschieber bestimmt den wirksamen Förderhub und damit die Kraftstoffeinspritzmenge der Einspritzpumpe durch Sperren und Freigeben des Kraftstoffrückflusses aus dem Pumpenarbeitsraum. Bei dieser bekannten Kraftstoffeinspritz­ einrichtung ist als Steuereinrichtung für alle Einspritzpumpen ein synchron mit der Motornockenwelle angetriebener Drehverteiler verwendet. Dieser Drehverteiler bestimmt sowohl den Beginn als auch das Ende der Kraftstoffeinspritzung. Über eine durch Fliehgewichte verschiebbare Steuerhülse ergibt sich dabei eine drehzahlabhängige Förderbeginnänderung. Der Drehverteiler dient zugleich auch als Verteilervorrichtung für das Zuführen des Steuerkraftstoffes zu den jeweiligen Druckräumen der Ventilschieber. Eine solche mechanisch angetriebene Steuervorrichtung ist stark drehzahlabhängig, d. h. die eingespritzte Kraftstoffmenge ändert sich bei wechselnden Dreh­ zahlen, obwohl die Stellglieder nicht verstellt werden. Damit sind solche Steuervorrichtungen für schnellaufende Motoren nur begrenzt einsetzbar.

Durch die US-PS 34 65 737 ist eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung sehr ähnlicher Bauart bekannt. Bei dieser wird jedoch der Steuer­ schieber mittels einer eigenen, als Steuerpumpe dienenden Einspritz­ pumpe angetrieben, die zugleich mit der Pumpe-Düse angetrieben wird. Zur Änderung des Spritzbeginns ist in den Antrieb der Steuerpumpe ein das Antriebsdrehmoment übertragender Spritzversteller eingebaut. Diese Kraftstoffeinspritzvorrichtung ist daher sehr aufwendig und braucht viel Raum.

Eine weitere bekannte Kraftstoffeinspritzeinrichtung (DE-OS 23 28 563) mit durch ein Magnetventil gesteuerten Einzylinder-Ein­ spritzpumpen bzw. Pumpe-Düsen besitzt ein Ventilglied einer Magnet­ ventilanordnung, das als in die Rücklaufleitung eingesetzter Ventil­ schieber ausgebildet ist. Hier ist jeder Pumpe-Düse ein Magnetventil zugeordnet, dessen Ventilschieber wohl druckentlastet ist aber jeweils ein Magnetstellglied benötigt und bei jeder Hubbewegung eine stirnseitig eingeschlossene Kraftstoffmenge umpumpt. Unvermeidliche Exemplarstreuungen der einzelnen Magnetventile und die angreifenden, dynamisch wirksamen Druckkräfte verhindern, daß jeder Zylinder eines Mehrzylindermotors von seiner Pumpe-Düse die gleiche Kraftstoffmenge erhält.

Mit diesen bekannten Konstruktionen ist eine reaktionsschnelle und sichere Steuerung des Spritzbeginns und der Einspritzdauer bei einfachem und raumsparendem Aufbau der Steuermittel nicht möglich. Deshalb liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine schnell ansprechende Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit geringem Bau­ raum- und Bauteileaufwand zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmalen gelöst. So kann mit der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzeinrichtung auf besonders vorteilhafte Weise innerhalb der mechanisch von den Antriebsnocken vorgegebenen Druckphasen der Einspritzpumpen durch extrem kurze, durch die hydraulische Hubverstärkung des Piezostellers verwirklich­ bare Ansprechzeiten ein großer Bereich zum Variieren des Spritz­ beginns und der Einspritzdauer ausgenutzt werden. Durch den Einsatz je eines durch einen Piezosteller bewegten Ventilschiebers in den Rücklaufleitungen von jeweils mindestens zwei zu einer Gruppe zusammengefaßten Einspritzpumpen bleibt der erforderliche Aufwand dennoch gering.

Ein unter Ausnutzung einer hydraulischen Hubverstärkung einen Kolbenschieber eines Steuerventils in seine jeweilige Schließ- und Offenstellung für eine Rücklaufleitung steuernder Piezosteller ist an sich aus der GB-PS 15 38 226 bekannt. Dieser Piezosteller treibt über einen einen Arbeitsraum begrenzenden Kolben hydraulisch den im Querschnitt wesentlich kleineren Kolbenschieber an, der seinerseits ein federbelastetes Sitzventil betätigt. Dieses Sitzventil wiederum steuert eine Rücklaufleitung aus einem Servodruckraum einer hydrau­ lisch angetriebenen ihrerseits druckübersetzten Einspritzpumpe. Der von diesem Piezosteller und Kolbenschieber mit Sitzventil gebildete piezo-hydraulische Steuerblock weicht bezüglich Aufbau und Wirkungs­ weise demnach beträchtlich von dem in der Erfindung verwendeten ab.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Patentanspruch 1 angegebenen Kraftstoffeinspritzeinrichtung möglich. So bewirkt der gemäß Anspruch 2 über den gesamten möglichen Einspritzbereich mit konstanter Kolbengeschwindigkeit erfolgende Förderhub der die Pump­ kolben treibenden Steuernocken und deren Phasenversatz, daß der Druckhub des pumpenden Kolbens auf einen Null-Hub seines Partner­ kolbens trifft. Dies ermöglicht eine weitere Vereinfachung, denn jede Pumpe-Düse braucht nur mittels einer Kraftstoffleitung an den Kraftstoffvorratsbehälter angeschlossen zu werden. Der Aufbau der hierzu benötigten Pumpe-Düsen ist einfach.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung des Erfindungsgegenstandes, mit vier als Pumpe-Düsen ausgebildeten Einspritzpumpen, teilweise geschnitten,

Fig. 2 graphische Darstellungen zur Ausbildung zweier gegeneinander versetzter Antriebs­ nocken für den Antrieb von Pumpkolben zweier Ein­ spritzpumpen und

Fig. 3 einen Schnitt durch einen piezo­ hydraulischen Steuerblock, mit einem zwei Einspritzpumpen steuernden Ventilschieber.

In einem Motor 1 ist eine Kraftstoffeinspritzein­ richtung für vier Zylinder gezeigt. Vier Antriebsnocken 2, 3, 4 und 5 auf einer Motornockenwelle 6 treiben Pump­ kolben 7, 8, 9 und 10 von Einspritzpumpen 11, 12, 13 und 14 an. Dabei wird die Bewegung der Antriebsnocken 2 bis 5 über Rollenstößel 15 bis 18 auf die Pumpkolben 7 bis 10 übertragen. Stößelfedern 19 bis 22 suchen über Sicherungs­ scheiben 23 die Pumpkolben 7 bis 10 stets an die Antriebs­ nocken 2 bis 5 anzulegen. In Führungszylindern 24 bis 27, in denen die Pumpkolben 7 bis 10 gleiten können, sind an deren den Antriebsnocken 2 bis 5 abgewendeten Enden Einspritz­ düsen 28 eingesetzt. Zwischen den Pumpkolben 7 bis 10 und den Einspritzdüsen 28 befinden sich Pumpenarbeits­ räume 29 der Einspritzpumpen 11 bis 14. Die Pumpenarbeits­ räume 29 der zu einer Gruppe gehörenden Einspritzpumpen 11 und 12 sind über Ver­ bindungskanäle 30 bzw. 31 und eine Rück­ laufleitung 32 mit einem unter Vorförderdruck stehenden Speicher 33 verbunden. Dieser Speicher 33 wird über eine Leitung 34 durch eine Förderpumpe 35 aus einem Tank 36 mit Kraftstoff versorgt. Ein Druckbegrenzungsventil 37 begrenzt den Vorförderdruck vorzugsweise auf 6 bar. Die Verbindungskanäle 30 und 31 sind dabei über ein piezo­ elektrisch gesteuertes Schieberventil 38 geleitet. Dieses Schieberventil 38 wird später noch näher beschrieben. In gleicher Weise wie die Einspritzpumpen 11 und 12 sind die zu einer anderen Gruppe gehörenden Einspritzpumpen 13 und 14 über Verbindungskanaäle 39 und 40, ein Schieberventil 38 und eine Rück­ laufleitung 41 mit dem Speicher 33 bzw. dem Tank 36 ver­ bunden. Der Antrieb der Förderpumpe 35 geschieht im Bei­ spielsfalle gleichfalls durch die Motornockenwelle 6.

Fig. 2 zeigt in graphischen Darstellungen (Fig. 2A u. B) Weg­ kurven a und b der Antriebsnocken 2 und 3 bzw. 5 und 4. Der Hub ist jeweils über dem Drehwinkel der Motornockenwelle 6 aufgetragen. Abschnitte A geben den möglichen Einspritzbereich für die Pumpkolben 7 und 8 bzw. 10 und 9 an. Mit B ist ein steigungsloser Rast­ bereich gekennzeichnet, in dem sich der jeweilige Antriebs­ nocken dreht, ohne daß der zugeordnete Pumpkolben be­ wegt würde. Aus der Zuordnung der Wegkurve b zur Weg­ kurve a ist deutlich erkennbar, daß der Einspritzbereich A in b in den Rastbereich B von a hineinge­ legt ist. Dabei sind beiderseits von A Sicherheitsab­ stände α eingehalten.

Das Schieberventil 38 ist Teil eines piezo-hydraulischen Steuerblocks 42, der anschließend näher erläutert wird.

Im Gehäuse 43 des piezo-hydraulischen Steuerblocks 42 befindet sich eine Führungsbohrung 44 für einen Ventil­ schieber 45. Beiderseits des Ventilschiebers 45 ist die Führungsbohrung 44 durch Gewindebolzen 46 verschlossen, die von Zapfen gebildete Anschläge 47 haben. In der Darstellung gemäß Fig. 3 ist links zwischen dem Gewindebolzen 46 und dem Ventilschieber 45 ein Druckraum 48, rechts vom Ventil­ schieber 45 zwischen diesem und dem Gewindebolzen 46 ein Druckraum 49 gebildet. Der Ventilschieber 45 be­ sitzt Eindrehungen 50 und 51 und außerdem nahe seiner Enden zwei Nuten 52 und 53. Die Eindrehung 51 und die Nuten 52 und 53 sind durch eine Ausgleichsbohrung 54 verbunden. Im Bewegungsbereich der beiden Eindrehungen 50 und 51 besitzt die Führungsbohrung 44 zwei Ring­ nuten 55 und 56. In ihnen münden die zu den Pumpenarbeitsräumen 29 führenden Verbindungskanäle 30 bzw. 39 und 31 bzw. 40. Je zwei Ab­ zweigungen 57 der zugleich als Versorgungsleitungen dienenden Rücklauf­ leitung 32 bzw. 41 münden ebenfalls in die Führungsbohrung 44 und zwar stets im Bereich der Eindrehungen 50 bzw. 51 des Ventilschiebers 45. Die Mündungen dieser Abzweigungen 57 sind also in jeder Stellung des Ventilschiebers 45 offen, während die Mündungen der Verbindungskanäle 30, 31 bzw. 39, 40 in der dargestellten einen Endstellung des Ventilschiebers 45 durch den Eindrehungen 50 bzw. 51 benachbarte Dichtungsabschnitte 45 a bzw. 45 b des Ventilschiebers 45 verschlossen, in der anderen Endstellung dagegen offen sind. In einem zylindrischen Raum 58 im Gehäuse 43 ist ein Kolben 59 geführt. Dieser Kolben 59 teilt den zylindrischen Raum 58 in einen Arbeits­ raum 60 und einen Arbeitsraum 61. Der Kolben 59 ist weiter über einen Zapfen 62 mit einem Piezo­ steller 63 verbunden, der aus einer Säule übereinander gestapelter piezo-elektrischer Scheiben besteht. Das andere Ende dieses Stellers 63 ist über einen Zapfen 64 mit dem Gehäuse 43 fest verbunden. Durch eine mit einer isolierenden Dichtung 65 angefüllte Bohrung 66 ist eine elektrische Leitung 67 von einem nicht näher darge­ stellten elektronischen Steuergerät zum Piezo­ steller 63 geführt. Der zylindrische Raum 58 ist ver­ schlossen durch einen Verschluß 68, der mittels eines Ge­ windes 69 in eine entsprechende Gewindebohrung im Ge­ häuse 43 eingeschraubt und gegen eine Dichtungsstufe 70 gepreßt ist. Im Verschluß 68 befindet sich ein Kanal 71 der von der kolbenseitigen Stirnwand des Verschlusses 68 zu einer Ringnut 72 im Mantel dieses Verschlusses 68 führt. Von der Ringnut 72 führt ein Kanal 73 im Gehäuse 43 zum Druckraum 49. Auf diese Weise sind also der Druckraum 49 und der Arbeitsraum 61 verbunden. Die Verbindung vom Druck­ raum 48 zum Arbeitsraum 60 ist durch einen Kanal 74 im Gehäuse 43 hergestellt. Sämtliche Druck- und Arbeitsräume, die sie verbindenden Kanäle, die Freiräume in der Führungs­ bohrung 44 im Bereich des Ventilschiebers 45, die Aus­ gleichsbohrung 54, die Versorgungs- und Rücklaufleitung 32 bzw. 41 mit ihrem aufgezweigten Ende 57 und die Ver­ bindungskanäle 30 und 31 bzw. 39 und 40 sind mit Kraft­ stoff gefüllt. Dabei sorgen Leckspalte C zwischen der Führungsbohrung 44 und dem Ventilschieber 45 im Zusammen­ wirken mit der Ausgleichsbohrung 54 dafür, daß eventuelle Leckverluste in den Druck- und Arbeitsräumen und den sie verbindenden Kanälen durch unter Vorförderdruck stehenden Kraftstoff stets ausge­ glichen werden.

Beim Anlegen einer Spannung an den Piezo­ steller 63 wird der Kolben 59 in der Darstellung gemäß Fig. 3 nach rechts getrieben und verkleinert den Arbeits­ raum 61. Der so durch die Kanäle 71 und 73 in den Druck­ raum 49 gepreßte Kraftstoff steuert den Ventilschieber 45 nach links in seine eine Endstellung am Anschlag 47. Nun sind die Kanäle 30, 31 bzw. 39, 40 verschlossen.

Betrachtet man hierzu die Stellung der Antriebsnocken 2 und 3 gemäß Fig. 1, so bedeutet dies, daß der Pump­ kolben 7 in seiner untersten Stellung stehenbleibt während der Pumpkolben 8 soeben nach unten gedrückt wird. Wenn in dieser Druckphase der Verbindungskanal 31 verschlossen wird, drückt der Pumpkolben 8 Kraftstoff durch die ihm zugeordnete Einspritzdüse 28. Wird durch Abschalten der Spannung am Steller 63 der Arbeitsraum 61 vergrößert und der Arbeitsraum 60 verkleinert, bedeutet dies Druckabfall in den Räumen 61 und 49 und zu­ gleich Druckanstieg in den Räumen 60 und 48. Um diesen Differenzdruck auszugleichen, bewegt sich der Ventilschieber 45 in seine rechte Anschlagstellung am Anschlag 47 des anderen Gewindebolzens 46. Der Verbindungskanal 31 wird frei, der Einspritzdruck im Pumpenarbeitsraum 29 der Einspritzpumpe 12 fällt ab und der Einspritzvorgang ist beendet. In der Folge wird sich zunächst der Pumpenarbeitsraum 29 der Ein­ spritzpumpe 12 auf sein Minimum verkleinern der Pumpenarbeitsraum der Einspritzpumpe 11 sich durch den seinem Antriebsnocken nachfolgenden Pumpkolben 7 er­ weitert und Kraftstoff nachsaugt.

Der nächste Druck­ hub folgt an der Einspritzpumpe 14, die einer anderen Pumpengruppe angehört und deren Antriebsnocken 5 dann seinen Pumpkolben 10 nach unten drückt. Sobald, durch einen anderen Steuerblock piezo-elektrisch ge­ steuert, der Verbindungskanal 40 verschlossen wird, beginnt das Einspritzen durch die Einspritzdüse 28 der Einspritzpumpe 14. Die an ein gleichartiges Schieberventil 38 angeschlossene Ein­ spritzpumpe 13 hat ihren Pumpenarbeitsraum 29 mit Kraft­ stoff gefüllt, ihr Pumpkolben 9 verharrt in seiner obersten Stellung. Dieses Wechselspiel erfolgt mit dem in Fig. 2 dargestellten Versatz zwischen Druckphase und Stillstandsphase der einander zugeordneten Pump­ kolben.

Claims (4)

1. Elektrisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Mehr­ zylinder-Brennkraftmaschinen, insbesondere Pumpe-Düsen für Diesel­ motoren, bei der jedem Arbeitszylinder ein über Nocken (2 bis 5) angetriebener Pumpkolben (7 bis 10) einer Einspritzpumpe (11 bis 14) zugeordnet ist, wobei der Pumpenarbeitsraum (29) jedes Pumpkolbens von einer Förderpumpe (35) mit Kraftstoff versorgt wird und mit einer Rücklaufleitung (32, 41) verbunden ist, in die ein Ventil­ schieber (45) eingesetzt ist, der diese Rücklaufleitung zum Ein­ spritzen von Kraftstoff verschließt, dadurch gekennzeichnet, daß

• - Gruppen aus jeweils mindestens zwei Einspritzpumpen (11, 12 bzw. 13, 14) gebildet sind,
• - wobei die Druckphasen der Pumpen einer Gruppe durch ent­ sprechend ausgebildete und gegeneinander versetzte Antriebs­ nocken (2, 3 bzw. 4, 5) derart gegeneinander versetzt sind, daß sich jeweils nur ein in der Förderphase befindlicher Pumpkolben (7, 8 bzw. 9, 10) bewegt,
• - daß für jede Pumpengruppe nur ein durch einen Piezosteller (63) betätigter Ventilschieber (45) vorgesehen ist, den der Piezo­ steller unter Ausnutzung einer hydraulischen Hubverstärkung in die jeweilige Schließ- und Offenstellung für die Rücklauf­ leitungen (32 bzw. 41) steuert,
• - und daß jeder Ventilschieber (45) über getrennte, in einzelne Verbindungskanäle (30, 31 bzw. 39, 40) von jedem Pumpenarbeits­ raum (29) zu der Rücklaufleitung (32 bzw. 41) einer Pumpengruppe eingreifende Dichtungsabschnitte (45a, 45 b) verfügt.

2. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeder der den Pumpkolben (7 bis 10) treibenden Antriebsnocken (2 bis 5) so ausgelegt ist, daß der Druckhub des zugehörigen Pumpkolbens über einen die gesamten möglichen Einspritzungen abdeckenden Einspritzbereich (A) mit konstanter Kolbengeschwindigkeit erfolgt, ein nachfolgender, steigungsloser Rastbereich (B) des Antriebsnockens (2 bis 5) größer gehalten ist als der Einspritzbereich (A) und die Antriebsnocken (2, 3; 4, 5) der dem gleichen Ventilschieber (45) zugeordneten Einspritzpumpen (11, 12; 13, 14) so gegeneinander versetzt angeordnet sind, daß der Einspritzbereich (A) des nachfolgend seinen Pumpkolben treibenden Antriebsnockens (3; 4) immer innerhalb des steigungslosen Rastbereichs (B) des vorlaufenden Antriebsnockens (2; 5) liegt.

3. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der in einer Führungsbohrung (44) eines piezo-hydraulischen Steuerblocks (42) geführte Ventilschieber (45) zwei durch Anschläge (47) begrenzte Endstellungen hat und durch Druck­ änderung in zwei stirnseitigen Druckräumen (48, 49) geschaltet wird, deren Basisdruck durch den Vorförderdruck der Förderpumpe (35), über eine Ausgleichsbohrung (54) im Ventilschieber (45) und Leckspalte (C) zwischen dem Ventilschieber (45) und seiner Führungsbohrung (44), bestimmt wird.

4. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der piezo-hydraulische Steuerblock (42) den Piezo­ steller (63), einen mit diesem Steller (63) verbundenen, in einen mit Kraftstoff gefüllten Raum (58) eingebrachten und diesen Raum (58) in zwei Arbeitsräume (60, 61) trennenden Kolben (59) und den Ventilschieber (45) in seiner Führungsbohrung (44) umfaßt, daß der Ventilschieber (45) einen wesentlich kleineren Querschnitt als der mit dem Piezosteller (63) verbundene Kolben (59) hat und die zwei Druckräume (48, 49) trennt, die ständig mit je einem der dem Kolben (59) benachbarten Arbeitsräume (60, 61) verbunden sind, und daß der Ventilschieber (45) in seinem mittleren Bereich zwei ständig mit zwei Abzweigungen (57) von der Rücklaufleitung (32; 41) zur Führungsbohrung (44) verbundene Eindrehungen (50, 51) und die daran anschließenden Dichtungsabschnitte (45 a, 45 b) besitzt, die in der einen Endstellung des Ventilschiebers die Verbindungskanäle (30, 31; 39, 40) von der Führungsbohrung (44) zu den Pumpenarbeitsräumen (29) der angeschlossenen Einspritzpumpen (11 bis 14) geschlossen halten, wogegen in seiner anderen Endstellung diese Verbindungskanäle (30, 31; 39, 40) zu den Eindrehungen (50, 51) hin offen sind.