EP0078983B1

EP0078983B1 - Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: EP0078983B1
Application number: EP82109914A
Authority: EP
Inventors: Franz Eheim; Wilfried Böhringer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1981-11-07
Filing date: 1982-10-27
Publication date: 1985-05-29
Also published as: JPS5885327A; US4491111A; EP0078983A1; DE3144361A1; JPH0364691B2; DE3263924D1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs aus. Es ist durch die SU-A-174468 eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung dieser Art bekannt. Dort ist ein Rückschlagventil vorgesehen, das zwar koaxial an den Pumpenarbeitsraum angrenzend angeordnet ist, dessen Rückstellfeder sich aber am Pumpengehäuse auf der Seite des Pumpenarbeitsraums abstützt und dessen bewegliches Ventilglied als Kugel ausgebildet ist, die die pumpenarbeitsraumseitig als Ventilsitz ausgebildete Öffnung eines Verbindungskanals kontrolliert, der an seinem anderen Ende durch ein plattenförmiges bewegliches Ventilglied des elektromagnetisch betätigten Zumeßventils gesteuert wird.
Diese Ausgestaltung hat den Nachteil, daß zwischen dem Ventilsitz des Rückschlagventils und dem Pumpenarbeitsraum ein für das Rückschlagventil benötigter schädlicher Totraum liegt, der sich nachteilig auf die Genauigkeit der Einspritzmengensteuerung in den verschiedenen Betriebspunkten der Einspritzeinrichtung auswirkt.
Es ist ferner durch die US-PS 3724436 eine Einspritzvorrichtung bekannt, bei der das bewegliche Ventilglied eines zum Pumpenarbeitsraum hin öffnenden Rückschlagventils zugleich bewegliches Ventilglied eines elektromagnetisch betätigten Zumeßventils ist. Dabei wird mit Hilfe des Ankers des Zumeßventils das bewegliche Ventilglied für die Dauer der Erregung der Magnetspule des Zumeßventils aufgestoßen. Diese Einrichtung hat den Nachteil, daß die Feder, die das bewegliche Ventilglied in Schließstellung bringt, relativ stark ausgeführt werden muß, damit am Ende des Zumeßtaktes von Kraftstoff in den Pumpenarbeitsraum sicher ein Nachsaugen von Kraftstoff während des sich fortsetzenden Saughubs des Pumpenkolbens verhindert wird oder daß ein Ansaugen von Kraftstoff bei abgeschaltetem Elektromagneten des Zumeßventils überhaupt vermieden wird. Damit ergibt sich eine erhebliche Betriebsunsicherheit insbesondere bei einem möglichen Versagen der Feder.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sie mit einem sehr geringen schädlichen Totraum zu verwirklichen ist bei geringem Montageaufwand, da der federseitige Teil des Rückschlagventils sich auf der dem Pumpenarbeitsraum abgewandten Seite des Ventilsitzes befindet. Weiterhin ist das Zumeßventil und das Rückschlagventil als Baueinheit unmittelbar angrenzend an den Pumpenarbeitsraum in das Gehäuse einsetzbar.
Darüber hinaus ist eine sehr große Betriebssicherheit dadurch gegeben, daß das bewegliche Ventilglied des Zumeßventils durch Federkraft und unterstützt durch den Kraftstoffzulaufdruck bei nicht erregtem Elektromagneten in Schließstellung gedrückt wird, so daß bei einem Federbruch sowohl beim Rückschlagventil als auch beim Zumeßventil eine sichere Unterbindung der Kraftstoffzumessung zum Pumpenarbeitsraum möglich ist und ein Schaden bei der von der Kraftstoffeinspritzeinrichtung versorgten Brennkraftmaschine im Versagensfall vermieden wird.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung,
Fig. 2a ein Diagramm der Schaltzeit des elektromagnetisch betätigbaren Zumeßventils über dem Drehwinkel des Pumpenkolbens,
Fig. 2b den Hubverlauf des Pumpenkolbens in Zuordnung zu dem Drehwinkel des Pumpenkolbens,
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem in ein elektromagnetisch betätigbares Zumeßventil integriertes Rückschlagventil.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Bei der prinzipiellen Darstellung einer Kraftstoffeinspritzpumpe in Fig. 1 ist in einem Pumpengehäuse 1 eine Zylinderbohrung 2 vorgesehen, in der ein Pumpenkolben 3 einen Pumpenarbeitsraum 4 einschließt. Der Pumpenkolben 3 wird über eine Nockenscheibe 5, die auf einem Rollenring 6 läuft, durch nicht weiter dargestellte Mittel angetrieben und führt bei seiner Drehbewegung eine hin- und hergehende Pumpenbewegung mit aufeinanderfolgendem Ansaughub und Förderhub aus. Die Kraftstoffversorgung des Pumpenarbeitsraums 4 erfolgt über einen Kraftstoffeinlaßkanal 8, der zu einem strichpunktiert dargestellten Pumpensaugraum 9 führt. Dieser Pumpensaugraum 9 wird mittels einer Kraftstofförderpumpe 11 aus einem Kraftstoffbehälter 12 mit Kraftstoff versorgt, wobei der Druck im Pumpensaugraum 9 mit Hilfe eines Druckregelventils 14 eingestellt wird, das parallel zur Kraftstofförderpumpe 11 geschaltet ist.
In den Kraftstoffeinlaßkanal 8 ist ein elektromagnetisch betätigbares Zumeßventil 16 als Kraftstoffmengendosiereinrichtung eingesetzt. Stromabwärts dieses Zumeßventils 16 ist ferner ein in Richtung zum Pumpenarbeitsraum 4 hin öffnendes Rückschlagventil 17 vorgesehen. Vom Pumpenarbeitsraum 4 führt eine im Pumpenkolben 3 angeordnete Sackbohrung 18 ab, von der eine Radialbohrung 19 nach außen führt. Eine weitere Radialbohrung 20 verbindet die Sackbohrung 18 mit einer Verteilernut 21, durch die bei der Drehung des Pumpenkolbens 3 und dessen Förderhub nacheinander Förderleitungen 22 mit dem Pumpenarbeitsraum 4 verbunden werden. Die Förderleitungen 22 sind entsprechend der Zahl der zu versorgenden Zylinder der nicht dargestellten Brennkraftmaschine am Umfang der Zylinderbohrung 2 verteilt und enthalten je ein Entlastungsventil 23, über das sie mit je einem Einspritzventil 24 verbunden sind. In der Wand der Zylinderbohrung 2 ist weiterhin eine Ringnut 26 vorgesehen, die über wenigstens eine Bohrung 27 mit dem Pumpensaugraum 9 verbunden ist. Die Ringnut 26 ist dabei so angeordnet, daß die Radialbohrung 19 im Pumpenkolben 3 ab einem maximalen Förderhub aufgesteuert wird, so daß der ab diesem Punkt bei der weiteren Hubbewegung des Pumpenkolbens 3 geförderte Kraftstoff über die als Entlastungskanal dienende Sackbohrung 18, die Radialbohrung 19 und die Bohrung 27 in den Pumpensaugraum 9 abströmen kann und somit die Druckförderung in die Förderleitung 22 unterbrochen wird.
Zur Änderung des Spritzzeitpunktes ist weiterhin ein Spritzverstellkolben 29 vorgesehen, der mit dem Rollenring 6 gekuppelt und entgegen der Kraft einer Feder 30 verstellbar ist. Der Spritzverstellkolben 29 schließt dabei einen Druckraum 31 ein, der über eine Drossel 32 mit dem Pumpensaugraum 9 verbunden ist und somit von einem drehzahlabhängigen Druck im Pumpensaugraum 9 beaufschlagt wird. Entsprechend diesem drehzahlabhängigen Druck wird mit Hilfe des Spritzverstellerkolbens 29 der Spritzzeitpunkt durch Verdrehen des Rollenrings 6 mit zunehmender Drehzahl auf früh verstellt. Zur Beeinflussung des Spritzzeitpunkts ist der Druckraum 31 ferner über ein Magnetventil 34 mit der Saugseite der Kraftstofförderpumpe 11 verbunden und kann mit Hilfe dieses Magnetventils 34 entlastet werden. Das Magnetventil 34 wird von einem elektronischen Steuergerät 36 gesteuert, das weiterhin auch der Steuerung des elektromagnetisch betätigbaren Zumeßventils 16 im Kraftstoffeinlaßkanal 8 dient. Das Steuergerät 36 arbeitet dazu in Abhängigkeit von Parametern, die für die Bemessung und die Zeitsteuerung der Kraftstoffeinspritzmenge zu berücksichtigen sind. Das Steuergerät 36 kann dabei z. B. wenigstens ein Kennfeld enthalten, in dem Sollwerte für die einzuspritzende Kraftstoffmenge in mittelbarer oder unmittelbarer Form enthalten sind. In an sich bekannter Weise können hierbei als Parameter die Drehzahl n, die Temperatur T, der Luftdruck P_L und die Last berücksichtigt werden. Speziell für die Ansteuerung des Zumeßventils 16 können als weitere Parameter Signale eines Nadelhubgebers im Einspritzventil 24 für die Ermittlung des tatsächlichen Spritzbeginns und der tatsächlichen Kraftstoffeinspritzdauer erfaßt werden. Alternativ hierzu können auch über einen Druckgeber 38, der in geeigneter Weise auf der Hochdruckseite der Kraftstoffeinspritzpumpe angeordnet ist, Steuersignale zur Ermittlung des Förderbeginns bzw. der Förderdauer verwendet werden. Zur Ermittlung der Hubstellung des Pumpenkolbens und/oder seiner Drehzahl n kann ein Geber 39 z. B. in Form eines Induktivgebers an der Nokkenscheibe 5 vorgesehen werden.
Die Arbeitsweise der in Fig. 1 gezeigten Kraftstoffeinspritzeinrichtung wird nun unter Zuhilfenahme der Diagramme in den Fig. 2a und 2b erläutert. Fig. 2b zeigt den Verlauf des Hubes h des Pumpenkolbens 3 über den Drehwinkel α. Durch entsprechende Ausgestaltung der Nockenscheibe 5 ist hierbei erzielt worden, daß die Hubänderung pro Drehwinkel α beim Druck- bzw. Förderhub des Pumpenkolbens 3 wesentlich größer ist als die Hubänderung während des Saughubs des Pumpenkolbens. Dieser Kurventeil B der Erhebungskurve verläuft sehr flach und bis auf den Grenzbereich bei den Umkehrpunkten des Pumpenkolbens 3 linear. Der Druckhubteil A der Erhebungskurve in Fig. 2b teilt sich auf in drei Streckenabschnitte. Zwischen dem unteren Totpunkt UT des Pumpenkolbens 3 bei Beginn des Druckhubs bis zu dem Punkt FB wird der im Pumpenarbeitsraum 4 vorhandene Kraftstoff komprimiert, bis der Förderdruck, der ein Öffnen des Einspritzventils 24 bewirkt, erreicht ist. Der zweite Teil der Erhebungskurve erstreckt sich zwischen den Punkten FB und EO. In diesem Bereich wird Kraftstoff in die Förderleitung 22 gefördert. Durch den Förderdruck wird das Rückschlagventil 17, gegebenenfalls unterstützt durch die dort eingebaute Feder, geschlossen. Damit ist das elektromagnetisch betätigbare Zumeßventil 16 druckentlastet.
Bei Erreichen des Punktes EO der Erhebungskurve wird die Radialbohrung 19 in Verbindung mit der Ringnut 26 gebracht, so daß der Pumpenarbeitsraum 4 in den Pumpensaugraum 9 entlastet wird. Die vom Pumpenkolben 3 zu verdrängende restliche Kraftstoffmenge fließt dorthin ab. Dies erfolgt im Bereich zwischen dem Öffnen EO der Radialbohrung 19 und dem oberen Totpunkt OT des Pumpenkolbens 3. Spätestens bei Erreichen des oberen Totpunktes OT wird das Zumeßventil 16 geöffnet. Das Öffnen kann bereits früher geschehen, da während des Druckhubes der Kraftstoffeinlaßkanal 8 durch das Rückschlagventil 17 verschlossen ist. Im Bereich zwischen OT und dem Schließpunkt ES der Radialbohrung 19 wird über den großen Öffnungsquerschnitt des Zumeßventils 16 Kraftstoff angesaugt. Im Bereich zwischen EO und ES ist gewährleistet, daß der Pumpenarbeitsraum 4 druckausgeglichen, ständig gefüllt und gespült ist. Ab ES beginnt der wirksame Saughub des Pumpenkolbens 3, während dem bis zum Schließen des Zumeßventils 16 bei MS Kraftstoff angesaugt wird. Die wirksame Saughublänge h_s wird somit einerseits durch die geometrische Gestaltung der Kraftstoffeinspritzpumpe bzw. durch die Lage der die Ringnut 26 begrenzenden Steuerkante bestimmt und andererseits durch die Schaltzeit des Zumeßventils 16. In Fig.2a sind die Schaltzeiten des Zumeßventils 16 durch Ansteuerung mit einer Stromstärke 1 aufgezeichnet, wobei at die gesamte Öffnungszeit des Zumeßventils 16 ist und αz die für die Zumessung wirksame Zeit bezeichnet.
Da das Zumeßventil 16 bereits wesentlich vor Beginn des eigentlich wirksamen Saughubes h_s geöffnet werden kann und zwischen dem wirksamen Förderhub und dem wirksamen Saughub des Pumpenkolbens 3 eine Spülphase liegt (EO-ES), braucht beim Öffnen des Zumeßventils 16 der Spritzzeitpunkt innerhalb des möglichen Spritzzeitpunktverstellbereichs nicht weiter beachtet werden.
Durch Festlegung der wirksamen Saughublänge erhält man eine sehr gute Genauigkeit der zuzumessenden Kraftstoffmenge. Im einfachsten Fall kann die wirksame Saughublänge für die Zumessung direkt gesteuert werden, ohne daß eine Rückmeldung der tatsächlich eingespritzten Kraftstoffmenge erforderlich ist. Sehr gute Steuerergebnisse erhält man, wenn mittels des Steuergerätes 36 die Ist-Kraftstoffeinspritzmenge in an sich bekannter Weise erfaßt und in einer Vergleichseinrichtung des Steuergerätes mit einem dort gebildeten Soll-Kraftstoffmengensignal verglichen wird. Die Ist-Kraftstoffmenge kann dabei wie eingangs erwähnt, durch einen Nadelhubgeber oder durch ein entsprechend ausgewertetes Drucksignal des Druckgebers 38 ermittelt werden. Die Soll-Kraftstoffmenge wird aus den eingangs genannten Parametern mit der Last als Führungsgröße gebildet. Entsprechend dem Vergleichsergebnis wird dann die Ist-Öffnungszeit des Zumeßventils 16 bei vom Sollwert abweichender Kraftstoff-Ist-Menge korrigiert. Das Grund-Öffnungsdauersignal des Zumeßventils 16 wird entsprechend dem Soll-Kraftstoffmengensignal gebildet.
Zur Erfassung des Erhebungspunktes ES, bei dem die Radialbohrung 19 wieder geschlossen wird, ist an der Bohrung 27 ein druckfühlender Geber 40 vorgesehen, dessen Signal dem Steuergerät 36 eingegeben wird. Mit dem den Punkt ES kennzeichnenden Signal des Gebers 40 wird eine Integriereinrichtung im Steuergerät 36 gesetzt, und sobald der Ausgangswert der Integriereinrichtung den vom Steuergerät 36 gegebenen Sollwert für die Kraftstoffmenge erreicht hat, wird von einer Vergleichseinrichtung beider Werte ein Schaltsignal an das Zumeßventil 16 zum Schließen des Kraftstoffeinlaßkanals 8 abgegeben. Damit die Schaltzeit des Zumeßventils 16 rein hublängenbezogen wird, muß bei der Integration die Laufzeit des Integrators durch eine drehzahlangepaßte Integrationszeitkonstante korrigiert werden. Dies kann mit bekannten Verfahren gemacht werden, indem einerseits die Auslegung des Integrators selbst in analoger Weise drehzahlabhängig ist oder der Integrator in konstanten Integrationsschritten mit drehzahlabhängiger Frequenz integriert.
In anderer Ausgestaltung kann auch aus einem OT-Signal, das mit Hilfe des Gebers 39 erzielt wird und dem Signal, das vom Geber 40 abgegeben wird, ein Korrektursignal erzeugt werden, das die Öffnungsphase des drehzahlsynchron geschalteten Zumeßventils 16 korrigiert.
In Fig. ist in Teilansicht eine entsprechend der schematischen Darstellung in Fig. 1 ausgebildete Kraftstoffeinspritzpumpe dargestellt, wobei für die gleichwirkenden Teile die gleichen Bezugszeichen gewählt wurden. In das Pumpengehäuse 1 ist eine Zylinderbüchse 44 eingepaßt, in der die Zylinderbohrung 2 ausgebildet und der Pumpenkolben 3 gleitbar gelagert ist. In das Pumpengehäuse 1 ist das elektromagnetisch betätigbare Zumeßventil 16 eingesetzt, beispielsweise eingeschraubt, dessen Ventilgehäuse 45 eine Stirnplatte 46 zumindest teilweise mit Laschen 47 umgreift. Die Stirnplatte 46 liegt dichtend an der Zylinderbüchse 44 an und begrenzt in axialer Richtung einerseits den Pumpenarbeitsraum 4. Das Ventilgehäuse 45 ist topfförmig ausgebildet und lagert in einer Innenbohrung 48 an einem Innenansatz 49 einen Bund 50 eines Außenkerns 51. Zwischen dem Bund 50 und die Stirnplatte 46 sind in axialer Richtung ein Distanzring 53, eine Führungsmembran 54 und ein Ventilsitzkörper 55 in der Innenbohrung 48 eingespannt. Der Außenkern 51 ist in nicht dargestellter Weise über ein Joch mit einem ringförmigen Innenkern 56 verbunden. Eine Magnetspule 57 ist mindestens teilweise von einem isolierenden Trägerkörper 58 umschlossen, der mit der Magnetspule 57 in den zwischen Außenkern 51 und Innenkern 56 gebildeten Ringraum eingeschoben ist. Die Stromzuführung zur Magnetspule erfolgt beispielsweise über Kontaktstifte 59, von denen nur einer dargestellt ist. Zwischen den Stirnflächen von Außenkern 51 sowie Innenkern 56 und der Führungsmembran 54 ist ein Flachanker 61 angeordnet. Im mittleren Bereich des Flachankers 61 ist mit dem Flachanker ein bewegliches Ventilteil 62 verbunden, z. B. verlötet oder verschweißt. Das Ventilteil 62 durchdringt eine zentrale Führungsöffnung 63 in der Führungsmembran 54 und arbeitet mit einem am Ventilsitzkörper 55 ausgebildeten festen Ventilsitz 64 zusammen. Das Ventilteil 62 und der Flachanker 61 werden durch die zentrale Führungsöffnung 63 der Führungsmembran 54 in radialer Richtung einerseits zum Ventilsitz 64 und andererseits zur Stirnfläche des Außenkerns 51 und des Innenkerns 56 geführt. Eine starre Verbindung der Führungsmembran 54 besteht weder mit dem Ventilteil 62 nocht mit dem Flachanker 61. Der Flachanker 61 weist einen ringförmigen, der Führungsmembran 54 zugewandten Führungskranz 65 auf, an dem eine Führungskante 66 ausgebildet ist, die an der Führungsmembran 54 anliegt, wodurch der Flachanker 61 planparallel zur Stirnfläche vom Außenkern 51 und Innenkern 56 geführt wird.
Das Ventilteil 62 hat beispielsweise einen mit dem Ventilsitz 64 zusammenwirkenden kugelförmigen Abschnitt, beispielsweise als Kugelzone abgeflacht ausgebildet. Bei am Ventilsitz 64 anliegendem Ventilteil 62 liegt die Führungsmembran 54 durchgebogen unter Spannung an der Führungskante 66 des Flachankers 61 an. Das Ventilteil 62 wird in Schließrichtung des Zumeßventils durch eine Druckfeder 67 beaufschlagt, die andererseits in eine Innenbohrung 68 des Innenkerns 56 ragt und sich an einem Schieberglied 69 abstützt. Die Kraft der Druckfeder 67 auf den Flachanker 61 und das Ventilteil 62 ist durch axiales Verschieben des Schiebergliedes 69 beeinflußbar.
Eine stromaufwärts des Ventilsitzes 64 ausgebildete Kammer 71, die von dem beweglichen Ventilteil 62 durchragt wird, steht mit dem Kraftstoffeinlaßkanal 8 in Verbindung. In erregtem Zustand der Magnetspule 57 wird der Flachanker 61 angezogen, und das Ventilteil 62 hebt von dem Ventilsitz 64 ab, so daß Kraftstoff aus der Kammer 71 in eine im Ventilsitzkörper 55 ausgebildete Aufnahmebohrung 72 strömen kann, in der eine Rückstellfeder 73 angeordnet ist, die sich über einen Federteller 74 an einer Ventilnadel 75 des Rückschlagventils 17 abstützt. Die Ventilnadel 75 durchragt eine sich an die Aufnahmebohrung 72 anschließende Bohrung 76 und liegt mit einem konischen Dichtteil 77 an einem Ventilsitz 78 an. Die Bohrung 76 und der Ventilsitz 78 sind in einer Ventilsitzplatte 79 ausgebildet, die zwischen Ventilsitzkörper 55 und Stirnplatte 46 eingespannt ist. Die Öffnungsbewegung der Ventilnadel 75 des Rückschlagventils 17 zum Pumpenarbeitsraum 4 hin wird durch einen Anschlag 81 in der Stirnplatte 46 begrenzt. Die Integration des Rückschlagventils 17 in das Zumeßventil 16 bringt nicht nur einer Verringerung des erforderlichen Bauraumes mit sich, sondern sie erlaubt auch die gemeinsame Montage beider Ventile in das Pumpengehäuse bei möglichst geringerem Totraumvolumen.

Claims

Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen mit wenigstens einem von einem Pumpenkolben (3) in einem Pumpengehäuse (1) eingeschlossenen Pumpenarbeitsraum (4), der über wenigstens eine Förderleitung (22) mit einer Kraftstoffeinspritzstelle (24) und während des Saughubes des Pumpenkolbens (3) zumindest zeitweise durch ein elektromagnetisch betätigbares Zumeßventil (16) über ein zum Pumpenarbeitsraum (4) hin öffnendes Rückschlagventil (17) mit einem von einer unter einem Förderdruck stehenden Kraftstoffversorgungsquelle herführenden Kraftstoffeinlaßkanal (8) verbindbar ist, wobei das Zumeßventil ein bewegliches Ventilglied (62) aufweist, das durch eine Rückstellfeder (67) in Schließrichtung beaufschlagt ist und als Ventilsitz (64) den Eintritt einer zum Pumpenarbeitsraum (4) führenden axialen Bohrung (72) hat, dadurch gekennzeichnet, daß das elektromagnetisch betätigbare Zumeßventil (16) und das Rückschlagventil (17) in einem gemeinsamen, stirnseitig den Pumpenarbeitsraum (4) verschließenden, in das Pumpengehäuse (1) eingesetzten Ventilgehäuse (45) angeordnet sind, daß das Ventilgehäuse (45) einen Ventilsitzkörper (55) aufweist, in dem die axiale Bohrung (72) verläuft, in der das Rückschlagventil (17) angeordnet ist mit einer Rückstellfeder (73), die sich an einer sich an den Ventilsitzkörper (55) zum Pumpenarbeitsraum (4) hin anschließenden Ventilsitzplatte (79) abstützt und mit einem beweglichen Ventilteil (75,77), das seinen Ventilsitz (78) auf der Pumpenarbeitsraumseite der Ventilsitzplatte (79) hat.