EP0050710A1 - Kraftstoffeinspritzanlage - Google Patents

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EP0050710A1
EP0050710A1 EP81105545A EP81105545A EP0050710A1 EP 0050710 A1 EP0050710 A1 EP 0050710A1 EP 81105545 A EP81105545 A EP 81105545A EP 81105545 A EP81105545 A EP 81105545A EP 0050710 A1 EP0050710 A1 EP 0050710A1
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EP
European Patent Office
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valve
valve member
injection system
fuel injection
fuel
Prior art date
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EP81105545A
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English (en)
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EP0050710B1 (de
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Rudolf Babitzka
Walter Beck
Walter Schlagmüller
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Publication date
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First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=6114997&utm_source=***_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP0050710(A1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP0050710A1 publication Critical patent/EP0050710A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0050710B1 publication Critical patent/EP0050710B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
    • F02M63/0012—Valves
    • F02M63/0014—Valves characterised by the valve actuating means
    • F02M63/0015—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid
    • F02M63/0026—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid using piezoelectric or magnetostrictive actuators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02M47/00—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M47/02—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure of accumulator-injector type, i.e. having fuel pressure of accumulator tending to open, and fuel pressure in other chamber tending to close, injection valves and having means for periodically releasing that closing pressure
    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M59/00—Pumps specially adapted for fuel-injection and not provided for in groups F02M39/00 -F02M57/00, e.g. rotary cylinder-block type of pumps
    • F02M59/20—Varying fuel delivery in quantity or timing
    • F02M59/36—Varying fuel delivery in quantity or timing by variably-timed valves controlling fuel passages to pumping elements or overflow passages
    • F02M59/366—Valves being actuated electrically
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B1/00—Engines characterised by fuel-air mixture compression
    • F02B1/02—Engines characterised by fuel-air mixture compression with positive ignition
    • F02B1/04—Engines characterised by fuel-air mixture compression with positive ignition with fuel-air mixture admission into cylinder

Definitions

  • the invention relates to a fuel injection system for an internal combustion engine according to the preamble of the main claim.
  • switching times 10 -3 seconds are achieved. It has been shown that the switching edges achieved here are not yet steep enough. In particular, the shortening of the spraying time has a lower limit.
  • the fuel injection system according to the invention for internal combustion engines with the characterizing features of the main claim has the advantage that it can achieve response times in the microsecond range.
  • the actuator consists of a column layered from piezoelectric disks, the column axis of which is at least almost perpendicular to the axis of movement of the valve member.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a fuel injection system for an internal combustion engine
  • FIGS. 2 and 3 show two electrically controllable valves used in the injection system
  • FIG. 4 shows the course of the delivery volume
  • FIG. 5 shows the course of the control voltages for the electrically controllable valves
  • FIG. 6 shows the course of the stroke 7 the pressure curve in the injection system according to FIG. 1,
  • FIG. 8 the curve of the injection quantity in each case plotted against time
  • FIG. 9 a second exemplary embodiment of an injection system
  • FIG. 10 the curve of the control voltages used in the injection system according to FIG Valves
  • Figure 11 the stroke of the valves of the injection device according to Figure 9 and Figure 12, the control pressure curve in the injection system.
  • FIG. 1 of the drawing a first exemplary embodiment of a fuel injection system for an internal combustion engine is shown in a semi-schematic representation.
  • This fuel injection system essentially consists of five main parts: a fuel tank 1, approximately as a piston Pump-trained fuel delivery pump 2, an injection nozzle 3, a valve device consisting of two valves 4, 5 and an electronic control unit 6.
  • the pump 2 draws the fuel from the tank 1 and delivers it through a feed line 7 to the inlet bore 8 of the injection nozzle 3.
  • An overflow line 49 is connected to the feed line 7 and leads to the inlets 9 and 10 of the valves 4 and 5.
  • the injection nozzle 3 distributes and atomizes the fuel in the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the injection nozzle is a liquid-controlled needle valve, the valve needle 11 of which is pressed onto the valve seat 13 by a spring 12. Above the nozzle opening 14 there is an annular space 15, into which the inlet bore 8 opens. The valve needle is lifted from its seat by the pressure prevailing in the annular space 15 as soon as the pressure forces exceed the forces of the spring 12.
  • the electrically controllable valve 4 is shown as a detail in FIG. 2. It has a housing 16 which has a valve bore 17. In the valve bore 17, a piston-like valve member 18 is tightly and slidably guided.
  • the inlet 10 is formed by a bore which has a larger diameter than the valve bore 17 running coaxially therewith. At the transition from the inlet 10 to the valve bore 17 a hollow conical seat 19 is formed. A conical sealing surface 20 cooperates with this seat, which is connected to a mushroom-shaped attachment of the valve member 18 is arranged. A compression spring 21, which is arranged in the valve bore 17 and is supported on the one hand on the end face of the valve member facing away from the sealing surface 20 and on the other hand on a stopper 22 which closes the mouth of the valve bore 17, holds the valve 4 in the open position shown in FIG.
  • An annular chamber 23, into which an outlet 24 opens, is arranged coaxially to the valve bore 17 at the inside of the end of the seat surface 19 facing away from the inlet 10.
  • a guide bore 25 opens at right angles to the direction of movement of the valve member 18, in which a clamping plunger 26 is movably arranged.
  • the clamping stamp 26 is part of an electrically controllable actuator 27.
  • the actuator 27 consists of several pi g zoelectric disks 29 layered to form a column 28, which are arranged in an insulating material housing 30.
  • the piezoelectric disks 29 are electrically connected in parallel and can be connected to DC voltage via supply lines 31, 32.
  • the column 28 is fastened to a cover 33 which closes a blind bore 34 in the housing 16.
  • the guide bore 25, in which the clamping punch 26 is located, opens into the bottom of the blind bore 34.
  • the distance between the outer surface of the valve member 18 and that is easy concave end face of the clamp 26 only a few thousandths of a millimeter in size. If a direct current is now applied to the feed line 31, 32, the pi g zoelectric disks 29 expand under the influence of the applied electric field with simultaneous contraction of their diameters in the direction of the column axis such that the clamping stamp 26 is displaced in the direction of the valve member 18 becomes.
  • the clamp 26 comes to rest on the outer surface of the valve member 18 and holds the valve member 18 against the opposite wall of the valve bore 17. Due to the high clamping force, the valve member 18 is held in frictional contact with the opposite wall of the valve bore in such a way that a Movement of the valve member is excluded.
  • the valve 5 shown in Figure 3 is also electrically controllable. It in turn has a housing 36 which has a valve bore 37. In the valve bore 37, a piston-like valve member 38, which has a conical sealing surface 40, is in turn guided in a sealed and sliding manner.
  • the sealing surface works together with a corresponding, hollow-conical seat 39.
  • the seat is arranged at the transition of the inlet 9 into the coaxially arranged valve bore 37, which has a larger diameter than the inlet 9.
  • annular chamber 43 is arranged coaxially with the valve bore 37, into which an outlet 44 of the valve 5 opens.
  • a compression spring 41 is supported, the other end of which rests on a stopper 42.
  • a guide bore 45 opens out again at right angles to the direction of movement of the valve member, in which a clamping plunger 46 is movably arranged.
  • the clamping plunger 46 is again part of an electrically controllable actuator 47, which corresponds entirely to the electrical actuator 27 of the valve according to FIG. 2.
  • a control voltage can also be applied to this actuator 47 via supply lines 51, 52.
  • the outputs 24, 44 of the valves 4, 5 forming the valve device of the fuel injection system shown in FIG. 1 are connected to a return line 55 which leads back to the tank 1.
  • the supply lines 31, 32 to the electrical actuator 27 of the valve 4 and the supply lines 51, 52 to the actuator 47 of the valve 5 are already mentioned electronic control unit 6 connected.
  • the electronic control unit supplies control voltages which depend, for example, on the intake manifold pressure, the engine speed and other correction variables.
  • the influencing variables are detected on the engine by mechanical-electrical transducers and input to the control unit in a manner known per se as electrical variables.
  • the transducers are, for example, injection triggers in the distributor, pressure sensors, temperature sensors, etc.
  • the function of the fuel injection system shown in FIG. 1 of the drawing is as follows: If the pump 2 is a piston pump used for example in an injection system for diesel engines, the volume flow indicated in FIG. 4 will result over time. Time t 1 to rise in the delivery volume flow of pump 2. At this time, the valve members 18, 38 of the valves 4, 5 are in the position shown in FIG. 1, in which - as can be seen in FIG. 5 - a control voltage is present at the points 27 and 37. At the same time, the valve member 18 of the valve 4 is in its maximum stroke position (curve s 4 in FIG. 6). The valve member 38 of the valve 5 is located on its seat 39, ie in the closed position, which corresponds to a zero stroke position (curve s 5 in FIG. 6).
  • the pump 2 it is of course also possible to design the pump 2 as a continuously delivering pump; operation from a memory would also be conceivable.
  • the second exemplary embodiment of a fuel injection system for an internal combustion engine shown in FIG. 9 of the drawing is equipped with a continuously delivering pump 62.
  • This fuel injection system also again consists of a fuel tank 6i, the pump 62, an injection nozzle 63, a valve device consisting of two valves 64, 65 and an electronic control unit 66.
  • the pump 62 conveys the fuel drawn from the tank 6 1 into a reservoir 60.
  • the reservoir 60 is in turn connected via a feed line 67 on the one hand to the inlet bore 68 of the injection nozzle 63 and on the other hand to the inlet 69 of the valve 65.
  • the injection nozzle 63 is also a liquid-controlled needle valve, the valve needle 7 i of which is held on the valve seat 73 by the control pressure acting on the rear of a control piston 72 connected to the needle 71.
  • An annular space 75, into which the inlet bore 68 opens, is again located above the nozzle opening 74.
  • the valve needle 71 is lifted from its seat due to the essentially constant pressure prevailing in the annular space 75 because of the storage volume 60 as soon as the forces exerted by the control pressure on the control piston 72 are below those in the ring room 75 fall on the valve needle 11, resulting from the storage pressure forces.
  • the electrically controllable valve 64 corresponds completely to the valve shown in FIG. 3.
  • the electrically controllable valve 65 also corresponds to the valve shown in FIG. 3 except for a modification which is explained in more detail below.
  • the reference numbers used in FIG. 3 are therefore used in the following description, insofar as there is agreement.
  • the inlet bore 69 of the valve 65 is connected to the accumulator 60.
  • the inlet bore 69 could be connected to another pressure source independent of the reservoir 60.
  • the outlet 84 of the valve 65 is connected to a control line 89 which opens into the space of the injection nozzle 63 in which the piston 72 is located.
  • the back of the valve member 38 of the valve 65 is pressure balanced via an adjustable throttle 85. (For the purpose of the valve shown in FIG. 3, only the plug 42 has to have a coaxial bore, via which the valve bore 37 can be connected to the outlet 84 via the throttle 85).
  • the actuator 47 ' which has a clamp 46', is connected to the electronic control device 66 via supply lines 51 ', 52'.
  • the control line 89 is in turn connected to the input 70 of the valve 64.
  • the valve 64 corresponds completely to the embodiment described in FIG. 3.
  • the outlet 9L of the valve 64 is connected to the tank 61 via a return line 95.
  • the valve 64 also has an electrically controllable actuator 47 "with a clamping plunger 46" which, like the valve 65, can clamp the valve member 38 "in its closed position.
  • the electrical actuator 47" is also connected to the via supply lines 51 ", 52" electronic control unit 66 connected.
  • the function of the fuel injection system shown in FIG. 9 is as follows: It is assumed that in the operating position shown in FIG. 9 there is zero p in the control line 89 (FIG. 12).
  • the pressure p s is, for example, approximately 200 bar.
  • the valve members 18; of the valve 65 and 38 "of the valve 64 are - since a control voltage U 65 and U 64 (FIG. 10) is present at the actuators 47 ', 47" - clamped in their closed position (curves s 64 and s 65 in FIG. 11). Since the effective area of the control piston 72 is larger than the hydraulically effective area of the valve needle 11 in the annular space 75, the valve needle 71 is held on the seat 73.
  • valve member 38 is very quickly lifted off its seat under the effect of the pressure p prevailing in the control line 89. Since the pressure force is already fully built up when the clamping force exerted by the actuator 47 "is released, a very steep switching edge of approximately 100 microseconds is also achieved with this valve. Since the control line 89 is now connected to the tank 61 via the return line 95, The pressure in the control line 98 drops to the value p0. Since the closing force acting on the control piston 72 is no longer present, the valve becomes needle 71 is lifted from the pressure prevailing in the annular space 75 and the fuel can pass through the opened nozzle opening 74 into the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • valve member 38" of the valve 64 Under the force of the spring 41 ", the valve member 38" of the valve 64 is now pushed back into its seat, after which the control unit 66 is again a control device at the time t 2 . voltage is applied to the actuator 47 “. As a result, the valve member 38" is clamped in its closed position by the clamping ram 46 ".
  • the electronic control unit 66 now switches off the control voltage applied to the actuator 47 'of the valve 65.
  • the valve member 38 ' is now lifted from its seat against the force of the spring 41'.
  • the control pressure p s (FIG. 12) builds up again in the control line 89.
  • the valve needle 71 is now pressed back onto its seat 73. This is the end of the period in which the fuel was able to get into the combustion chamber from the injection nozzle 63 - the injection duration t 3 - t 1 -.

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Abstract

Die Einsprizanlage enthält eine Ventileinrichtung mit zwei im Gegentakt arbeitenden Ventilen (4, 5), von denen das erste (4) den Einspritzbeginn und das zweite (5) das Einspritzende bestimmt. Zur Erzielung sehr steiler, nahezu senkrechter Schaltflanken hat jedes Ventil ein federbelastetes, vom zu steuernden Kraftstoff betätigbares Ventilglied, (18, 38) das von je einem elektrischen Steiler (27, 47), dessen Stellbewegung zumindest eine Komponente hat, die zur Bewegungsrichtung des Ventilglieds (18, 38) senkrecht verläuft, bei Ein- oder Ausschalten einer Betriebsspannung durch Klemmen in seiner Beweglichkeit gehindert ist. Dabei wird das Ventilglied (18, 38) so lange festgehalten, bis die Stellkraft - also hier die ruckbeaufschlagung des Ventilglieds - voll aufgebaut ist; erst dann wird die Klemmung aufgehoben.

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einer Kraftstoffeinspritzanlage für einen Verbrennungsmotor nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei in bekannten Einspritzanlagen verwendeten, ausreichend optimierten, elektrisch ansteuerbaren Ventileinrichtungen werden Schaltzeiten von 10-3 Sekunden erreicht. Es hat sich gezeigt, daß die hierbei erreichten Schaltflanken noch nicht steil genug sind. Insbesondere der Verkürzung der Spritzdauer ist so eine untere Grenze gesetzt.
    • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzanlage für Verbrennungsmotoren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß bei ihr Ansprechzeiten im Mikrosekundenbereich erzielt werden können.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Kraftstoffeinspritzanlagen möglich. Zur Erzielung von besonders kurzen Ansprechzeiten, im Bereich von 10 5 s besteht der Steller aus einer aus piezoelektrischen Scheiben geschichteten Säule, deren Säulenachse zumindest nahezu senkrecht zur Bewegungsachse des Ventilglieds steht.
    • Zeichnung
  • Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Kraftstoffeinspritzanlage für einen Verbrennungsmotor, Figur 2 und 3 zwei in der Einspritzanlage verwendete, elektrisch ansteuerbare Ventile, Figur 4 den Verlauf des Fördervolumens, Figur 5 den Verlauf der Steuerspannungen für die elektrisch ansteuerbaren Ventile, Figur 6 den Hubverlauf der Ventile der Ventileinrichtung, Figur 7 den Druckverlauf in der Einspritzanlage gemäß Figur 1, Figur 8 den Verlauf der Einspritzmenge jeweils über der Zeit aufgetragen, Figur 9 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Einspritzanlage, Figur 10 den Verlauf der Steuerspannungen der in der Einspritzanlage gemäß Figur 9 verwendeten Ventile, Figur 11 den Hubverlauf der Ventile der Einspritzeinrichtung gemäß Figur 9 und Figur 12 den Steuerdruckverlauf in der Einspritzanlage.
    • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • In Figur 1 der Zeichnung ist in halbschematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer Kraftstoffeinspritzanlage für einen Verbrennungsmotor abgebildet. Diese Kraftstoffeinspritzanlage besteht im wesentlichen aus fünf Hauptteilen: einem Kraftstofftank 1, einer etwa als Kolbenpumpe ausgebildeten Kraftstofförderpumpe 2, eine Einspritzdüse 3, einer aus zwei Ventilen 4, 5 bestehenden Ventileinrichtung und einem elektronischen Steuergerät 6.
  • Dabei saugt die Pumpe 2 aus dem Tank 1 den Kraftstoff an und fördert ihn durch eine Zuführungsleitung 7 zur Zulaufbohrung 8 der Einspritzdüse 3. An die Zuführungsleitung 7 ist eine Überströmleitung 49 angeschlossen, die zu den Eingängen 9 und 10 der Ventile 4 und 5 führt.
  • Die Einspritzdüse 3 verteilt und zerstäubt den Kraftstoff im Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors. Die Einspritzdüse ist ein flüssigkeitsgesteuertes Nadelventil, dessen Ventilnadel 11 durch eine Feder 12 auf den Ventilsitz 13 gedrückt wird. Oberhalb der Düsenöffnung 14 liegt ein Ringraum 15, in den die Zulaufbohrung 8 einmündet. Die Ventilnadel wird durch den im Ringraum 15 herrschenden Druck von ihrem Sitz abgehoben, sobald die Druckkräfte die Kräfte der Feder 12 übersteigen.
  • Das elektrisch ansteuerbare Ventil 4 ist als Einzelheit in Figur 2 dargestellt. Es hat ein Gehäuse 16, welches eine Ventilbohrung 17 aufweist. In der Ventilbohrung 17 ist dicht und gleitend ein kolbenartiges Ventilglied 18 geführt.
  • Der Eingang 10 wird von einer Bohrung gebildet, die einen größeren Durchmesser hat als die koaxial dazu verlaufende Ventilbohrung 17. Am Übergang vom Einlaß 10 zur Ventilbohrung 17 ist eine hohlkegelförmige Sitzfläche 19 ausgebildet. Mit dieser Sitzfläche wirkt eine kegelförmige Dichtfläche 20 zusammen, die an einem pilzförmigen Ansatz des Ventilglieds 18 angeordnet ist. Eine Druckfeder 21, die in der Ventilbohrung 17 angeordnet ist und sich einerseits auf der der Dichtfläche 20 abgewandten Stirnfläche des Ventilglieds und andererseits an einem die Ausmündung der Ventilbohrung 17 verschließenden Stopfen 22 abstützt, hält das Ventil 4 in der in Figur 2 dargestellten offenen Stellung.
  • An das Innere, dem Eingang 10 abgewandte Ende der Sitzfläche 19 anschließend ist koaxial zur Ventilbohrung 17 eine Ringkammer 23 angeordnet, in welche ein Ausgang 24 einmündet.
  • Etwa auf der Mitte der axialen Länge des sich in der in Figur 2 dargestellten geöffneten Stellung befindlichen Ventilgliedes 18 mündet rechtwinklig zur Bewegungsrichtung des Ventilglieds 18 eine Führungsbohrung 25 ein, in der ein Klemmstempel 26 beweglich angeordnet ist. Der Klemmstempel 26 ist ein Teil eines elektrisch ansteuerbaren Stellers 27.
  • Der Steller 27 besteht aus mehreren, zu einer Säule 28 geschichteten pigzoelektrischen Scheiben 29, die in einem Isolierstoffgehäuse 30 angeordnet sind. Die piëzoelektrischen Scheiben 29 sind elektrisch parallel geschaltet und können über Zuführungsleitungen 31, 32 an Gleichspannung gelegt werden. An seinem Fuß ist die Säule 28 an einem Deckel 33 befestigt, der eine Sackbohrung 34 im Gehäuse 16 verschließt. In dem Boden der Sackbohrung 34 mündet die Führungsbohrung 25 ein, in der sich der Klemmstempel 26 befindet.
  • In spannungsfreien Zustand des Stellers ist der Abstand zwischen der Außenfläche des Ventilglieds 18 und der leicht konkav ausgebildeten Stirnfläche des Klemmstempels 26 nur wenige Tausendstel Millimeter groß. Wird nun an die Zuführungsleitung 31, 32 ein Gleichstrom angelegt, so dehnen sich die pigzoelektrischen Scheiben 29 unter dem Einfluß des angelegten elektrischen Feldes bei gleichzeitiger Kontraktion ihrer Durchmesser in Richtung der Säulenachse so, daß der Klemmstempel 26 in Richtung auf das Ventilglied 18 verschoben wird. Der Klemmstempel 26 kommt dabei an der Aussenfläche des Ventilglieds 18 zur Anlage und hält das Ventilglied 18 gegen die gegenüberl-iegende Wandung der Ventilbohrung 17. Durch die hohe Klemmkraft wird das Ventilglied 18 mit der gegenüberliegenden Wandung der Ventilbohrung derart in kraftschlüssiger Berührung gehalten, daß eine Bewegung des Ventilglieds ausgeschlossen ist.
  • In der in Figur 2 der Zeichnung dargestellten Stellung liegt an den Zuführungsleitungen 31, 32 eine Gleichspannung an, wodurch der Klemmstempel das Ventilglied in der von der Sitzfläche 19 abgehobenen Stellung festklemmt. Ein vom Eingang 10 zum Ausgang 24 fließender Kraftstoffstrom . baut an der von der Dichtfläche 20 mit der Sitzfläche 19 gebildeten Drosselstelle einen Druck auf, der das Ventil zu schließen vermag. Erst bei Abschaltung der am Steller 27 anliegenden Gleichspannung kann sich die Dichtfläche 20 des Ventilglieds 18 auf die Sitzfläche 19 zu bewegen. Die Abschaltung der Steuerspannung erfolgt erst dann, wenn am Ventilglied der volle, erreichbare Drosseldruck P4 anliegt.
  • Das in Figur 3 dargestellte Ventil 5 ist ebenfalls elektrisch ansteuerbar. Es hat wiederum ein Gehäuse 36, welches eine Ventilbohrung 37 aufweist. In der Ventilbohrung 37 ist wiederum dicht und gleitend ein kolbenartiges Ventilglied 38 geführt, welches eine kegelförmige Dichtfläche 40 hat.
  • Die Dichtfläche arbeitet mit einer entsprechenden, hohlkegelförmigen Sitzfläche 39 zusammen. Die Sitzfläche ist am Übergang des Eingangs 9 in die koaxial angeordnete Ventilbohrung 37, die einen größeren Durchmesser als der Eingang 9 aufweist, angeordnet.
  • An das innere, dem Eingang 9 abgewandte Ende der Sitzfläche 39 anschließend ist wieder koaxial zur Ventilbohrung 37 eine Ringkammer 43 angeordnet, in die ein Ausgang 44 des Ventils 5 einmündet.
  • Auf die der Dichtfläche 40 abgewandte Endfläche des Ventilglieds 18 stützt sich wiederum eine Druckfeder 41 ab, die mit ihrem anderen Ende an einen Stopfen 42 anliegt.
  • Etwa auf der Mitte der Axialerstreckung des an der Sitzfläche 39 anliegenden Ventilglieds 38 - so wie in Figur 3 gezeichnet - mündet wieder rechtwinklig zur Bewegungsrichtung des Ventilglieds eine Führungsbohrung 45 ein, in der ein Klemmstempel 46 beweglich angeordnet ist. Der Klemmstempel 46 ist wieder Teil eines elektrisch ansteuerbaren Stellers 47, der vollkommen dem elektrischen Steller 27 des Ventils gemäß Figur 2 entspricht. Auch an diesem Steller 47 kann über Zuführungsleitungen 51, 52 eine Steuerspannung gelegt werden.
  • Die Ausgänge 24, 44 der die Ventileinrichtung der in Figur 1 dargestellten Kraftstoffeinspritzanlage bildenden Ventile 4, 5 sind an eine Rücklaufleitung 55 angeschlossen, welche zum Tank 1 zurückführt.
  • Die Zuführungsleitungen 31, 32 zum elektrischen Steller 27 des Ventils 4 und die Zuführungsleitungen 51, 52 zum Steller 47 des Ventils 5 sind mit dem schon erwähnten elektronischen Steuergerät 6 verbunden. Im Betrieb der Kraftstoffeinspritzanlage liefert das elektronische Steuergerät Steuerspannungen, die z.B. vom Saugrohrdruck, von der Motordrehzahl und von weiteren Korrekturgrößen abhängen. Die Einflußgrößen werden am Motor durch mechanisch-elektrische Meßwandler erfaßt und dem Steuergerät in an sich bekannter Art und Weise als elektrische Größen eingegeben. Bei den Meßwandler handelt es sich etwa um Einspritzauslöser im Zündverteiler, um Druckfühler, um Temperaturfühler usw.
  • Die Funktion der in Figur 1 der Zeichnung dargestellten Kraftstoffeinspritzanlage ist folgendermaßen: Handelt es sich bei der Pumpe 2 um eine etwa in Einspritzanlage für Dieselmotoren verwendete Kolbenpumpe, so wird sich der etwa in Figur 4 angedeutete Volumenstrom über die Zeit ergeben. Zeitpunkt t1 in der Fördervolumenstrom der Pumpe 2 anzusteigen. In diesem Zeitpunkt befinden sich die Ventilglieder 18, 38 der Ventile 4, 5 in der in Figur 1 dargestellten Stellung, in der - wie Figur 5 erkennen läßt - eine Steuerspannung an den Stellen 27 und 37 anliegt. Zum gleichen Zeitpunkt befindet sich das Ventilglied 18 des Ventils 4 in seiner maximalen Hubstellung (Kurve s4 in Figur 6). Das Ventilglied 38 des Ventils 5 befindet sich auf seinem Sitz 39, d.h. in der geschlossenen Stellung, was einer Hubstellung Null entspricht (Kurve s5 in Figur 6). Wie aus Figur 7 ersichtlich, herrscht in der Überströmleitung 49 in dem Zeitraum von Null bis t1 zunächst ein Druck pO. Erst mit dem Beginn des Anstiegs des Volumenstroms im Zeitpunkt t1 beginnt sich an der im Ventil 4 von der Dichtfläche 20 und der Sitzfläche 19 gebildeten Drosselstelle p4 aufzubauen. Dieser Druck p4 herrscht in der Überströmleitung 49 und in dem Ringraum 15 der Einspritzdüse 3.-Im Zeitpunkt t2 wird schließlich vom elektronischen Steuergerät 6 die an den Leitungen 31, 32 des Stellers 27 anliegende Steuerspannung (U27 in Figur 5) abgeschaltet. Da hierdurch die Klemmung aufgehoben wird, bewegt der am Ventilglied 18 des Ventils 4 angreifende Druck p4 das Ventilglied 18 in seine Schließstellung (Kurve s4 in Figur 6). Da jetzt die Überströmleitung 49 vom Rücklauf 55 zum Tank 1 abgeschlossen ist, steigt - wie im Druckverlauf aus Figur 7 abzulesen ist - der Druck sehr stark an. Da die Schaltzeit bei dem Ventil 4 in der Größenordnung von 10-5 s liegt, ergibt sich eine nahezu senkrechte Flanke im Druckanstieg bis zum maximal erreichbaren Druck pmax. Dieser Pmax liegt oberhalb des Öffnungsärucks pi der Einspritzdüse 3, weshalb die Ventilnadel 11 von ihrem Ventilsitz 13 abgehoben wird und der Kraftstoff durch die Düsenöffnung 14 in den Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors gespritzt wird. Nach einem vom elektronischen Steuergerät 6 bestimmten Zeitraum - der Einspritzdauer - wird nun die an die Zuführungsleitungen 51, 52 des Stellers 47 anliegende Steuerspannung (U47 in Figur 5) im Zeitpunkt t3 abgeschaltet. Durch den in der Überströmleitung 49 und im Eingang 9 des Ventils 5 und damit am Ventilglied 38 des Ventils 5 anliegenden Druck wird nun das Ventilglied 38 von seiner Sitzfläche 39 abgehoben (Kurve s5 in Figur 6), wodurch die Überströmleitung 49 und letztlich der Ringraum 15 der Einspritzdüse 3 wieder mit der Rücklaufleitung 55 zum Tank 1 verbunden wird. Dadurch fällt - wie Figur 7 erkennen läßt - der Druck im Zeitpunkt t3 wieder auf den Wert p0 ab: Die Feder 12 der Einspritzdüse bewegt die Ventilnadel 11 wieder auf den Ven- tilsitz 13; die Einspritzdüse ist jetzt wieder geschlossen. Damit ist das in Figur 8 dargestellte Einspritzvolumen in den Verbrennungsraum des Motors gelangt. Schließlich hat der Kolben der Einspritzpumpe 2 seinen oberen Totpunkt erreicht, das im Zylinder der Pumpe 2 eingeschlossene Volumen ist ausgeschoben. Danach beginnt der beschriebene Vorgang von neuem.
  • Natürlich ist es prinzipiell auch möglich, die Pumpe 2 als kontinuierlich fördernde Pumpe auszugestalten; ebenso wäre auch ein Betrieb aus einem Speicher denkbar.
  • Das in Figur 9 der Zeichnung dargestellte zweite Ausführungsbeispiel einer Kraftstoffeinspritzanlage für einen Verbrennungsmotor ist dagegen mit einer kontinuierlich fördernden Pumpe 62 ausgerüstet. Auch diese Kraftstoffeinspritzanlage besteht wieder aus einem Kraftstofftank 6i, der Pumpe 62, einer Einspritzdüse 63, einer aus zwei Ventilen 64, 65 bestehenden Ventileinrichtung und einem elektronischen Steuergerät 66. Die Pumpe 62 fördert den aus dem Tank 61 angesaugten Kraftstoff in einen Speicher 60. Der Speicher 60 wiederum ist über eine Zuführungsleitung 67 einerseits mit der Zulaufbohrung 68 der Einspritzdüse 63 und andererseits mit dem Eingang 69 des Ventils 65 verbunden.
  • Auch die Einspritzdüse 63 ist ein flüssigkeitsgesteuertes Nadelventil, dessen Ventilnadel 7i durch den auf die Rückseite eines mit der Nadel 71 verbundenen Steuerkolbens 72 wirkenden Steuerdrucks auf dem Ventilsitz 73 gehalten wird. Oberhalb der Düsenöffnung 74 liegt wieder ein Ringraum 75, in den die Zulaufbohrung 68 eimündet. Die Ventilnadel 71 wird durch den wegen des Speichervolumens 60 im wesentlichen stets gleichen, im Ringraum 75 herrschenden Druck von ihrem Sitz abgehoben, sobald die vom Steuerdruck auf den Steuerkolben 72 ausgeübten Kräfte unter die von im Ringraum 75 auf die Ventilnadel 11 ausgeübten, vom Speicherdruck herrührenden Kräfte fallen.
  • Das elektrisch ansteuerbare Ventil 64 entspricht vollkommen dem in Figur 3 dargestellten Ventil. Das elektrisch ansteuerbare Ventil 65 entspricht ebenfalls bis auf eine unten näher ausgeführte Abänderung dem in Figur 3 dargestellten Ventil. In der nachfolgenden Beschreibung werden deshalb - so weit eine Übereinstimmung vorliegt - die in Figur 3 verwendeten Bezugszahlen benutzt werden.
  • Die Zulaufbohrung 69 des Ventils 65 ist - wie oben erwähnt - mit dem Speicher 60 verbunden. Natürlich könnte die Zulaufbohrung 69 mit einer anderen, vom Speicher 60 unabhängigen Druckquelle verbunden sein. Der Ausgang 84 des Ventils 65 ist mit einer Steuerleitung 89 verbunden, die in den Raum der Einspritzdüse 63 mündet, in der sich der Kolben 72 befindet. Die Rückseite des Ventilglieds 38 des Ventils 65 ist über eine einstellbare Drossel 85 druckausgeglichen. (Bei dem in Figur 3 dargestellten Ventil muß zu diesem Zweck lediglich der Stopfen 42 eine koaxiale Bohrung aufweisen, über die die Ventilbohrung 37 über die Drossel 85 mit dem Ausgang 84 verbunden werden kann.)
  • Über Zuführungsleitungen 51', 52' ist der Steller 47', der einen Klemmstempel 46' aufweist mit dem elektronischen Steuergerät 66 verbunden.
  • Die Steuerleitung 89 ist wiederum mit dem Eingang 70 des Ventils 64 verbunden. Das Ventil 64 entspricht vollkommen dem in Figur 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel. Der Ausgang 9L des Ventils 64 ist über eine Rücklaufleitung 95 mit dem Tank 61 verbunden.
  • Auch das Ventil 64 weist einen elektrisch ansteuerbaren Steller 47" mit einem Klemmstempel 46" auf, der das Ventilglied 38" ebenso wie beim Ventil 65 in seiner Schließstellung festklemmen kann. Der elektrische Steller 47" ist auch über Zuführungsleitungen 51", 52" mit dem elektronischen Steuergerät 66 verbunden.
  • Die Funktion der in Figur 9 dargestellten Kraftstoffeinspritzanlage ist folgendermaßen: Es sei angenommen, daß in der in Figur 9 dargestellten Betriebsstellung in der Steuerleitung 89 im Zeitpunkt Null p herrscht (Figur 12). Der Druck ps beträgt beispielsweise etwa 200 bar. Die Ventilglieder 18; des Ventils 65 und 38" des Ventils 64 sind - da an den Stellern 47', 47" eine Steuerspannung U65 und U64 (Figur 10) anliegt - in ihrer Schließstellung festgeklemmt (Kurven s64 und s65 in Figur 11). Da die wirksame Fläche des Steuerkolbens 72 größer ist als die hydraulisch wirksame Fläche der Ventilnadel 11 im Ringraum 75 wird die Ventilnadel 71 auf den Sitz 73 gehalten. Wenn im Zeitpunkt t1 elektronische Steuergeräte 66 die am Steller 47" des Ventils 64 anliegende Steuerspannung (U65 in Figur 10) abschaltet, wird unter der Wirkung des in der Steuerleitung 89 herrschenden Druckes p das Ventilglied 38" sehr schnell von seinem Sitz abgehoben. Da die Druckkraft bereits voll aufgebaut ist, wenn die vom Steller 47" ausgeübte Klemmkraft aufgehoben wird, wird auch bei diesem Ventil eine sehr steile Schaltflanke von etwa 100 Mikrosekunden erzielt. Da nun die Steuerleitung 89 über die Rücklaufleitung 95 mit dem Tank 61 verbunden ist, fällt der Druck in der Steuerleitung 98 auf den Wert p0 ab. Da nun die auf den Steuerkolben 72 wirkende Schließkraft entfällt, wird die Ventilnadel 71 von dem im Ringraum 75 herrschenden Druck abgehoben und der Kraftstoff kann durch die geöffnete Düsenöffnung 74 in den Brennraum des Verbrennungsmotors gelangen.
  • Unter der Kraft der Feder 41" wird nun das Ventilglied 38" des Ventils 64 wieder auf seinen Sitz zurückgedrückt, wonach im Zeitpunkt t2 das Steuergerät 66 wieder eine Steuer- . spannung an den Steller 47" anliegt. Dadurch wird vom Klemmstempel 46" das Ventilglied 38" in seiner Schließstellung festgeklemmt.
  • Im Zeitpunkt t3 (Figur 10) schaltet nun das elektronische Steuergerät 66 die am Steller 47' des Ventils 65 anliegende Stuerspannung ab. Unter der Wirkung des am Eingang 69 des Ventils 65 herrschenden Druckes wird nun das Ventilglied 38' gegen die Kraft der Feder 41' von seinem Sitz abgehoben. Hierdurch baut sich jetzt in der Steuerleitung 89 wieder der Steuerdruck p s (Figur 12) auf. Infolge der auf den Stellkolben 72 wirkenden Stellkraft wird nun die Ventilnadel 71 wieder auf ihren Sitz 73 gedrückt. Damit ist das Ende des Zeitraumes, in dem der Kraftstoff von der Einspritzdüse 63 in den Brennraum gelangen konnte - die Einspritzdauer t3 - t1 -, erreicht.
  • Da inzwischen über die einstellbare Drossel 85 die Rückseite des Ventilglieds 38' des Ventils 65 druckentlastet worden ist, kann die Feder 41' das Ventilglied 38' wieder in die Schließstellung bewegen. Damit beginnt der beschriebene Vorgang von neuem.

Claims (12)

1. Kraftstoffeinspritzanlage für einen Verbrennungsmotor, vorzugsweise Dieselmotor, mit einer Pumpe, die Kraftstoff zu einer Einspritzdüse fördert, wobei eine elektrisch ansteuerbare Ventileinrichtung die Öffnungsbewegung der Einspritzdüse steuert, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtung zwei im Gegentakt arbeitende Ventile (4, 5, 64, 65) enthält, von denen das erste (4, 64) den Einspritzbeginn und das zweite (5, 65) das Einspritzende bestimmt, wobei jedes Ventil ein federbelastetes, vom zu steuernden Kraftstoff betätigbares Ventilglied (18, 38, 38', 38") aufweist, das von je einem elektrischen Steller (27, 47, 47', 47"), dessen Stellbewegung zumindest eine Komponente hat, die zur Bewegungsrichtung des Ventilglieds senkrecht verläuft bei Ein- oder Ausschalten einer Steuerspannung durch Klemmen in seiner Beweglichkeit gehindert ist.
2. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steller (27, 47, 47', 47") eine aus piëzoelektrischen Scheiben geschichtete Säule (28) ist, deren Säulenachse zumindest nahezu senkrecht zur Bewegungsachse des Ventilglieds (18, 38, 38', 38") steht.
3. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Ventile (4, 5) der Ventileinrichtung eine Überströmleitung (49), die an die von der insbesondere als Kolbenpumpe ausgebildeten Pumpe (2) zur Einspritzdüse (3) führende Zuführungsleitung (7) angeschlossen ist, wechselweise mit einer Rücklaufleitung (55) zum Tank (1) verbindbar ist.
4. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied des zweiten Ventils (5) gegen die Kraft der Feder (41) aus seiner Schließstellung, in der esvom Steller (47) festklemmbar ist, von seinem Sitz (39) abhebbar ist.
5. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (18) des ersten Ventils (4) gegen die Kraft der Feder (21) aus der geöffneten Stellung, in der es vom Steller (27) festklemmbar ist, vom Druck des Kraftstoffs auf seinen Sitz (19) bewegbar isz.
6. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (18) eine an einem schirmartigen Fortsatz angeordnete kegelförmige, in Schließbewegungsrichtung des Ventilglieds (18) sich verjüngende Dichtfläche (20) aufweist, die durch die Feder (21) von ihrer Sitzfläche (19) abgehoben ist und daß das Ventilglied (18) in dieser Stellung festklemmbar ist.
7. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der geöffneten Stellung des Ventils (4) die Dichtfläche (20) des Ventilglieds (18) zusammen mit ihrer Sitzfläche (19) eine Drosselstelle bildet und daß der dieser Drosselstelle aufgebaute Druck das Ventil (4) zu schließen sucht.
8. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Ventile (64, 65) der Ventileinrichtung eine zur Rückseite einer Ventilnadel (71) der Einspritzdüse (63) führende Steuerleitung (89) wegverweise mit einer Rücklaufleitung (95) zum Tank (61) oder mit einer Steuerdruckleitung (77) verbindbar ist.
9. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerdruckleitung (77) an die vorzugsweise als Verteilereinspritzpumpe ausgebildete, insbesondere mit einem Druckspeicher (60) verbundene Pumpe (62) angeschlossen ist.
10. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (38', 38") jedes Ventils (64, 65) gegen die Kraft der Feder (41', 41") aus seiner Schließstellung in der es vom Steller (47, 47") festklemmbar ist, von seinem Sitz abhebbar ist.
11. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Ventil (65) durch Druckbeaufschlagung der Rückseite des Ventilglieds (38') vorzugsweise über eine insbesondere einstellbare Drossel (85) druckausgeglichen ist.
12. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 3 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilnadel (71) der Einspritzdüse (69) von dem in einer Zuführungsleitung (67) herrschenden Druck, insbesonder gegen die Kraft einer Feder betätigbar ist.
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