DE10155718C2 - Einspritzsystem für Dieselmotoren - Google Patents
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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).
Description
Die Erfindung betrifft ein Einspritzsystem für Dieselmotoren
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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
durch die Merkmale des Patentanspruchs 1
gelöst.
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 5
setzt 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 ø
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.
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.
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
Claims (3)
1. Einspritzsystem für Dieselmotoren, ausgebildet
als Pumpe-Düse-System (PDS) oder
als Pumpe-Leitungs-Düse-System (PLDS), mit unstetig arbeitenden Nocken auf der Pumpenseite, und einer Einheit Düsennadel-Steuerkolben, welche durch eine an zwei Sitzen anschlagende Ventilnadel hydraulisch gesteuert ist, auf der Injektorseite, dadurch gekennzeichnet, dass ein Federpaket (8) über ein oder mehrere Zwischenglieder (9) sowie einen Federteller (11) oder eine Brücke (15) sowie einen Rollenstößel (14) einen Pumpenkolben (6) mit Druckkraft beaufschlagt, und ein Antriebsnocken (7) mit Nockennase (10) das Federpaket (8) vorspannt und zum geeigneten Zeitpunkt freigibt.
als Pumpe-Düse-System (PDS) oder
als Pumpe-Leitungs-Düse-System (PLDS), mit unstetig arbeitenden Nocken auf der Pumpenseite, und einer Einheit Düsennadel-Steuerkolben, welche durch eine an zwei Sitzen anschlagende Ventilnadel hydraulisch gesteuert ist, auf der Injektorseite, dadurch gekennzeichnet, dass ein Federpaket (8) über ein oder mehrere Zwischenglieder (9) sowie einen Federteller (11) oder eine Brücke (15) sowie einen Rollenstößel (14) einen Pumpenkolben (6) mit Druckkraft beaufschlagt, und ein Antriebsnocken (7) mit Nockennase (10) das Federpaket (8) vorspannt und zum geeigneten Zeitpunkt freigibt.
2. Einspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass eine Regelhülse (33), welche
längsbeweglich die Ventilnadel (26) umschließt, den
Abstand von Ventilnadelsitzen (26a; 26b) zueinander
verstellt.
3. Einspritzsystem nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, dass ein Regelventil (37), welches den
Abfluss aus Ablaufkanälen (32; 36) korrespondierend
regelt, die Geschwindigkeit und den Weg der Regelhülse
(33) und der Ventilnadel (26) bestimmt.
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