DE10155718A1

DE10155718A1 - Einspritzsystem für Dieselmotoren

Info

Publication number: DE10155718A1
Application number: DE2001155718
Authority: DE
Inventors: Hermann Golle; Wolfgang Weis; Falk Hempel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-11-13
Filing date: 2001-11-13
Publication date: 2003-06-12
Anticipated expiration: 2021-11-14
Also published as: DE10155718C2

Abstract

Bei den derzeit gebräuchlichen Pumpe-Düse- und Pumpe-Leitungs-Düse-Systemen ist der Einspritzverlauf vom druckerzeugenden Antriebsnocken nicht entkoppelt. Das hat Nachteile für eine freie Formung des Einspritzverlaufes. Vorbildlich dagegen ist das Common Rail-System. DOLLAR A Auch die elektrohydraulisch gesteuerten Einspritzinjektoren sind für eine optimale Einspritzverlaufsformung noch verbesserungswürdig. DOLLAR A Die Aufgabe besteht in der Schaffung eines gegenüber dem derzeitigen Stand verbesserten Pumpe- und Einspritzsystems mit dem Ziel der optimalen Einspritzverlaufsformung. DOLLAR A Beim neuen System übt ein Federpaket (8) über mehrere Zwischenelemente (9; 11; 14; 15) die Druckkraft auf den Pumpenkolben (6) aus. Der Antriebsnocken (7) spannt das Federpaket (8) vor und gibt es mit Hilfe einer Nockennase (10) zum geeigneten Zeitpunkt frei. DOLLAR A Der Injektor besitzt eine Regelhülse (33), welche eine Ventilnadel (26), die die Be- und Entlastung des Steuerraumes (23) steuert, umschließt und den Abstand der Sitze (26a; 26b) verstellt. Ein Regelventil (37) dient zur Regelung der Verstellhülse (33) und der Ventilnadel (26). DOLLAR A Die Erfindung wird am besten durch die Fig. 2 charakterisiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einspritzeinrichtung, bestehend aus einer Hochdruckpumpe und einem Einspritzinjektor, welcher elektrohydraulisch gesteuert ist.

Die besondere Gestaltung der Hochdruckpumpe stellt eine wesentliche Verbesserung der Systeme Pumpe-Düse (PDS) und Pumpe-Leitungs-Düse (PLDS, auch UPS bzw. AUPS genannt) dar, indem diese Systeme auf die Stufe eines echten Common Rail- Systems (CRS) angehoben werden.

Der Injektor besitzt ein, einer üblichen Düsennadel ähnliches Steuerglied und erlaubt einen selbsttätig verstellbaren Hub dieses Steuergliedes sowie große Steuerquerschnitte bei zugleich kleinen Magnetkräften. Große Steuerquerschnitte sind einerseits wegen der Kavitationsgefahr, andererseits bei Schwerölkraftstoff von Vorteil.

Die bekannten Syteme PDS und PLDS haben den Nachteil, dass die Druckerzeugung in der Hochdruckpumpe nockengesteuert erfolgt, also die Druckerzeugung vom Einspritzvorgang nicht entkoppelt ist. Das hat Nachteile für eine freie Formung des Einspritzverlaufes und damit für das Erreichen niedrigster Schadstoffwerte.

Auch das System AUPS besitzt diesen Nachteil. Obwohl hier Hochdruckpumpe und Injektor mit Magnetventilen ausgestattet sind, erfolgt die Druckerzeugung nockengesteuert und unterliegt den prinzipiellen Nachteilen aller nockenangetriebenen Pumpen. Dieses System mit zwei Magnetventilen pro Einspritzeinheit stellt den derzeit höchsten Entwicklungsstand bei Großdieselmotoren dar. Es ist jedoch aufwändig und für eine freie Formung des Einspritzverlaufes noch nicht optimal.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die genannten Nachteile zu vermeiden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Druckhub des Pumpenkolbens nicht vom Antriebsnocken, sondern von einem vorgespannten Federpaket ausgeführt wird und das Vorspannen des Federpaketes durch den Antriebsnocken erfolgt.

Solche Federspeicher-Pumpen sind bereits vorgeschlagen worden.

Bei einer bekannten Ausführung nach DE 195 31 870 wird durch eine kontinuierlich fördernde Pumpe die Feder eines Stufenkolbens vorgespannt und durch ein besonderes hydraulisches Steuerventil die Einspritzung ausgelöst. Ein ähnliches System mit einer ebenfalls kontinuierlich arbeitenden Förderpumpe gibt DE 33 42 759 an. In anderen Fällen (DE 195 17 578 und DE 195 40 662) werden durch besondere elektronische Einrichtungen Speicherkammern gesteuert, wobei jedoch der Pumpenkolbenantrieb in herkömmlicher Weise über stetig fördernde Nocken und Kipphebel erfolgt. Andere Systeme, wie z. B. nach DE 30 11 097, DE 37 43 532, DE 43 20 620, DE 195 16 686 geben Steuereinrichtungen, z. T. mit Speicher, für Reihen- und Verteilerpumpen an.

Die Neuheit der vorliegenden Erfindung besteht in der Anwendung eines Federspeichersystems derart, dass anstelle einer kontinuierlich arbeitenden Förderpumpe ein unstetig arbeitender, mit einer Nockennase versehener Nocken in Verbindung mit einem Federpaket das Antriebssystem bildet. Die magnetventilgesteuerten Systeme PDS und PLDS erhalten durch die erfindungsgemäße Ausbildung den Charakter eines "echten" Common Rail-Systems, indem unabhängig vom Antriebsnocken jeder Pumpenzylinder (bei PDS) bzw. Pumpenzylinder und Leitung (bei PLDS) als "Minirail" fungieren.

Die Systeme werden so ausgelegt, dass noch vor dem frühesten Einspritzzeitpunkt der Antriebsnocken das Federpaket freigibt, dieses einen nahezu konstanten Kraftstoffdruck erzeugt und somit der gesamte Einspritzverlauf nur vom Magnetventil des Injektors gesteuert wird. Ein besonderer Vorteil ist dabei die Vermeidung von Druckspitzen im Antriebssystem, da für das Vorspannen des Federpaketes ein Exzenternocken ausreichend ist. Beim AUPS-System ist es ein weiterer Vorzug, dass das Magnetventil an der Pumpe entfallen kann und nur noch ein solches am Injektor erforderlich ist.

Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen dargestellt.
Die Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung als Pumpe-Düse-System (PDS),
Fig. 2 eine Darstellung als Pumpe-Leitung-Düse-System (PLDS),
Fig. 3 eine Darstellung des Injektors, wie er vorzugsweise bei dem in Fig. 2 dargestellten System zum Einsatz kommt,
Fig. 4 einen Ausschnitt aus der Fig. 3 bei geschlossenem Injektor und
Fig. 5 den gleichen Ausschnitt bei geöffnetem (einspritzendem) Injektor.
Die Fig. 1 zeigt eine Pumpe-Düse-Einheit 1, welche in einem Zylinderkopf 2 eingesetzt ist und wobei die Einspritzdüse 3 in den Verbrennungsraum 4 hineinragt.
Der Kraftstoff durchfließt über im Zylinderkopf 2 befindliche (hier nicht dargestellte) Zu- und Abflusskanäle das System und in der bekannten Weise wird die Einspritzung durch das Magnetventil 5 gesteuert. Bei geöffnetem Magnetventil 5 ist ein freier Durchfluss gewährleistet und auch im Förderhub des Pumpenkolbens 6 kann Kraftstoff zurückströmen. Erst nach Schließen des Magnetventiles 5setzt ein Druckaufbau im System ein und der Schaltzeitpunkt und die Schaltdauer des Magnetventiles 5 bestimmen den Einspritzzeitpunkt und die Einspritzdauer.
Der Pumpenkolben 6 wird jedoch nicht von einem Antriebsnocken 7 direkt bzw. über mechanische Elemente wie Kipphebel o. ä. und auch nicht über kontinuierlich arbeitende Förderpumpen betätigt, sondern sein Förderhub wird durch ein Federpaket 8 erzeugt, das seinerseits - vorzugsweise über Zwischenglieder 9 - vom Antriebsnocken 7 vorgespannt wird. Dieser ist dabei mit einer Nockennase 10 versehen, welche kurz vor dem (frühesten) Einspritzzeitpunkt die Zwischenglieder 9 und damit das vorgespannte Federpaket 8 freigibt. Auf diese Weise kann das Federpaket 8 über den Federteller 11 unabhängig vom Antriebsnocken 7 auf den Pumpenkolben 6 einwirken.
Somit sind Hochdruckerzeugung und Nockenantrieb voneinander entkoppelt, der Arbeitsraum des Pumpenkolbens 6 wirkt als "Minirail" im Sinne des klassischen Common Rail-Systems.
Um die Kräfteverhältnisse abzuschätzen, sollen 1600 bar maximaler Druck im Arbeitsraum, 60 cmm max. Einspritzmenge und 5,5 mm Pumpenkolben ∅ angenommen werden.
Der Pumpenkolben 6 muss dann bei einem Gesamthub von ca. 5-6 mm einen effektiven Druckhub von 2,5 mm ausführen und das Federpaket 3800 N Druckkraft aufbringen. Das ist bei Einsatz von speziellen Hochleistungsfedern mit vernünftigen Abmessungen zu erreichen.
Die Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Ausbildung eines Pumpe-Leitung-Düse-Systems, welches die bekannten Systeme

- UPS (das Magnetventil sitzt an der Pumpe) und
- AUPS (Pumpe und Injektor haben je ein Magnetventil) verbessert.

Das Magnetventil wird dabei nur noch am Injektor angeordnet und die Pumpe ist in der bereits vorher beschriebenen Weise ausgebildet.
Im Motorgehäuse 12 ist ein Pumpenkörper 13 eingesetzt und ein Rollenstößel 14 ist zwischen dem Motorgehäuse 12 und dem Pumpenkörper 13 axial beweglich angeordnet. Der Rollenstößel 14 arbeitet mit dem Antriebsnocken 7 zusammen. Das Federpaket 8 stützt sich einerseits am Rollenstößel 14, andererseits am oberen Flansch des Pumpenkörpers 13 ab. Der Pumpenkolben 6 ist über eine Brücke 15, die sich in einer Ausnehmung 16 des Pumpenkörpers 13 bewegen kann, mit dem Rollenstößel 14 verbunden und arbeitet zusammen mit einem Druckraum 17. Dieser ist einerseits mit dem Kraftstoffzulauf 18, andererseits mit dem Hochdruckanschluss 19 verbunden. Von diesem führt eine Hochdruckleitung 20 zum Einspritzinjektor 21, an welchem das Magnetventil 5 angeordnet ist.
Das System arbeitet in folgender Weise:
Vom Antriebsnocken 7 wird der Rollenstößel 14 angehoben und damit das Federpaket 8 vorgespannt. Kurz vor dem Einspritzzeitpunkt gibt die Nockennase 10 den Rollenstößel 14 frei und das Federpaket 8 drückt über Rollenstößel 14 und Brücke 15 auf den Pumpenkolben 6. Die Einspritzung beginnt, wenn der Pumpenkolben 6 stirnseitig die Ringnut 22 verschließt. Er kann für einen sanften Einspritzbeginn dabei stirnseitig eine bestimmte Konizität besitzen und insgesamt einen Hub vom Betrag "h" ausführen, dessen tatsächlicher Wert von der - durch das Magnetventil 5 gesteuerten - Einspritzmenge abhängig ist. Ein bestimmtes Maß an Druckverstärkung wird dadurch erzielt, dass nach Freigeben des Systems Rollenstößel 14/Federpaket 8 eine Beschleunigung dieses Systems die Druckkraft des Federpaketes 8 unterstützt.
In der Fig. 3 ist der Einspritzinjektor 21 dargestellt, wie er bevorzugt eingesetzt wird für die Pumpe-Leitung-Düse- Systeme.
Er besitzt in der bekannten Weise einen I. Steuerraum 23, welcher vom Einspritzdruck beaufschlagt wird. Ein Steuerkolben 24 steht mit einer Düsennadel 25 in direktem Kontakt. Mit dem I. Steuerraum 23 hydraulisch verbunden ist eine Ventilnadel 26, welche über einen Magnet 5 bzw. eine Feder 27 geöffnet und geschlossen werden kann und womit der I. Steuerraum 23 wechselseitig be- und entlastet wird.
In der Fig. 4 ist ein Ausschnitt aus der Fig. 3 dargestellt.
Der unter Hochdruck stehende Kraftstoff gelangt über den Zulaufkanal 28 in den Ringraum 29 und über den offenen Sitz 26a der Ventilnadel 26 sowie die Verbindungsbohrung 30 in den I. Steuerraum 23. Damit hält der Steuerkolben 24 die Düsennadel 25 geschlossen.
Eine Einspritzung beginnt, wenn der Magnet 5 die Ventilnadel 26 von ihrem unteren Sitz 26b abhebt und somit über die Verbindungsbohrung 30, die Sackbohrung 31 und den I. Ablaufkanal 32 der I. Steuerraum 23 entlastet wird. Zugleich ist der Kraftstoffzufluss durch Schließen des Sitzes 26a versperrt, wie es die Darstellung in Fig. 5 zeigt.
Erfindungsgemäß ist dabei der Abstand der Sitze 26a und 26b verstellbar derart, dass eine, die Ventilnadel 26 umschließende Regelhülse 33 verschiebbar gehalten ist. Diese wird einerseits am Sitz 26a vom Kraftstoffhochdruck beaufschlagt, andererseits kann durch eine Drossel 34 Kraftstoff auf die obere (größere) Stirnfläche der Regelhülse 33 gelangen. Der Druckaufbau in dem dort gebildeten II. Steuerraum 35 ist über ein, einem II. Ablaufkanal 36 nachgeschaltetes Regelventil 37 einstellbar. Mit diesem Ventil kann zugleich der Druck im I. Ablaufkanal 32 eingestellt werden, derart, dass der Druck in beiden Ablaufkanälen 32 und 36 miteinander korrespondierend geregelt wird.
Mit einem solchen kombinierten Regelsystem können z. B. die Hauptkriterien einer Einspritzverlaufsformung wie Kleinstmengenfähigkeit einerseits und Abstand zwischen Vor- und Haupteinspritzung andererseits gut erfüllt werden. Der kontinuierlich verstellbare Abstand der Sitze 26a und 26b zueinander ist dabei ein wesentliches erfinderisches Merkmal und grenzt sich vom DE 198 44 996 A1 und vom DE 297 08 369 U1, bei welchem dieser Abstand durch auswechselbare Scheiben einstellbar ist, deutlich ab. Bezugszeichenliste 1 Pumpe-Düse-Einheit
2 Zylinderkopf
3 Einspritzdüse
4 Verbrennungsraum
5 Magnetventil
6 Pumpenkolben
7 Antriebsnocken
8 Federpaket
9 Zwischenglied
10 Nockennase
11 Federteller
12 Motorgehäuse
13 Pumpenkörper
14 Rollenstößel
15 Brücke
16 Ausnehmung
17 Druckraum
18 Kraftstoffzulauf
19 Hochdruckanschluss
20 Hochdruckleitung
21 Einspritzinjektor
22 Ringnut
23 I. Steuerraum
24 Steuerkolben
25 Düsennadel
26 Ventilnadel
27 Feder
28 Zulaufkanal
29 Ringraum
30 Verbindungsbohrung
31 Sackbohrung
32 Ablaufkanal 1
33 Regelhülse
34 Drossel
35 II. Steuerraum
36 Ablaufkanal 2
37 Regelventil

In Betracht gezogene Druckschriften DE 30 11 097 A1
DE 33 42 759 A1
DE 37 43 532 A1
DE 43 20 620 A1
DE 195 16 686 A1
DE 195 17 578 A1
DE 195 31 870 A1
DE 195 40 662 A1
DE 198 44 996 A1
DE 297 08 369 U1
DE 43 02 668 A1
DE 195 29 826 C1
DE 195 40 155 C2
DE 197 16 220 A1
DE 198 44 996 A1
DE 199 25 308 A1

Claims

1. Einspritzsystem für Dieselmotoren, aufweisend
eine Pumpe-Düse-Einheit (1) bzw. einen Pumpenkörper (13)
einen Pumpenkolben (6), der mit der Einspitzdüse (3) direkt bzw. mit dem Einspritzinjektor (21) über eine Hockdruckleitung (29) verbunden ist,
einen Einspritzinjektor (21) mit einem Steuerkolben (24), der direkt mit einer Düsennadel (25) in Verbindung steht,
einen I. Steuerraum (23), dessen hydraulische Be- und Entlastung durch eine Ventilnadel (26) infolge wechselseitigen Anschlagens an Sitze (26a, 26b) gesteuert ist.

2. Einspritzsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
ein Federpaket (8), das über ein oder mehrere Zwischenglieder (9) sowie einen Federteller (11) bzw. eine Brücke (15) sowie einen Rollenstößel (14) den Pumpenkolben (6) mit Druckkraft beaufschlagt,
einen Antriebsnocken (7) mit einer Nockennase (10), der das Federpaket (8) vorspannt und zum geeigneten Zeitpunkt freigibt,

3. Einspritzsystem nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch
eine Regelhülse (33), welche längsbeweglich die Ventilnadel (26) umschließt und den Abstand der Sitze (26a; 26b) verstellt,
einen II. Steuerraum (35), dessen eine Begrenzungswand von der Regelhülse (33) gebildet wird und der über eine Drossel (34) mit Differenzdruck beaufschlagt ist,
ein Regelventil (37), welches den Abfluss aus den Ablaufkanälen (32; 36) korrespondierend regelt und die Geschwindigkeit und den Weg der Verstellhülse (33) und der Ventilnadel (26) bestimmt.