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Die
vorliegende Erfindung betrifft nach Ihrer Gattung eine elektromagnetisch
gesteuerte Aufschalteinheit zur Steuerung des Durchgangs einer fluidleitenden
Verbindung zwischen dem auf Fluidhochdruck gebrachten Hochdrucksystem
und einem Niederdrucksystem einer nockenbetätigten Einspritzanlage bei
einer selbstzündenden
Brennkraftmaschine. Eine solche Steuerung des Durchgangs einer fluidleitenden
Verbindung zwischen dem Hochdrucksystem und dem Niederdrucksystem
dient für
eine Regelung der in den Brennraum eingespritzten Kraftstoffmenge.
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In
nockengesteuerten Einspritzanlagen bei Brennkraftmaschinen vom Typ
Pumpe-Leitung-Düse bzw.
Pumpe-Düse
wird die eingespritzte Kraftstoffmenge mechanisch-hydraulisch über Drehzahl
und Last oder elektronisch über
ein Kennfeld geregelt.
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Im
Kraftfahrzeugbau werden beispielsweise mechanische Fliehkraftregler
als Enddrehzahlregler verwendet. Bei einem Fliehkraftregler wird
die Reglernabe von der Nockenwelle der Einspritzpumpe angetrieben.
In der Reglernabe sind über
zwei Winkelhebel zwei gegenüberliegende
Fliehgewichte gelagert, die einen Verstellbolzen verschieben, welcher über einen
Regelhebel auf die Regelstange einwirkt, wodurch die Stellung der
Steuerkanten der Pumpenstempel zum Elementsaugloch verändert wird.
Enddrehzahlregler regeln nur die Leerlauf- und Höchstdrehzahl. Zwischen diesen
Grenzwerten erfolgt die Regelung durch den Fahrer über das
Fahrpedal.
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Eine
elektronische Regelung der dem Brennraum zugeführten Kraftstoffmenge ist wesentlich
aufwändiger,
erfüllt
aber deut lich mehr Funktionen. So ist die Volllastcharakteristik
frei wählbar,
wobei die Rauchgrenze immer eingehalten wird. Die eingespritzte
Kraftstoffmenge kann entsprechend einer Messung der Luft-, Kühlmittel-
und Kraftstofftemperatur in nahezu optimaler Weise eingestellt werden. Weiterhin
kann die Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von
der Luftmasse und der Drehzahl begrenzt werden, die Fahrgeschwindigkeit
geregelt und insbesondere begrenzt werden, sowie eine Eigendiagnose bzw.
eine Diagnosehilfe bereitgestellt und die Kraftstoffverbrauch angezeigt
werden.
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Um
eine elektronische Regelung zu bewerkstelligen, übermitteln Sensoren Messwerte über den Betriebszustand
des Gesamtsystems an ein mikroprozessorgesteuertes Steuergerät. Im Steuergerät erfolgt
ein Abgleich zwischen dem Istwert der dem Brennraum zugeführten Kraftstoffmenge
und einem sich aufgrund der erfassten Messwerte ergebenden Sollwert,
zu welchem Zweck in einer Speichereinheit des Steuergeräts die für den Abgleich
notwendigen Daten in Form eines Kennfeldes gespeichert sind. Nach
erfolgtem Abgleich gibt das Steuergerät Korrektursignale zur Betätigung eines
Stellmagneten für die
Regelstange aus, bis Sollwert und Istwert gleich sind. Ein weiterer
Regelkreis, bei welchem der Istwert des Spritzbeginns durch einen
Nadelbewegungsfühler
erfasst wird, dient zur Steuerung eines Förderbeginn-Stellmagneten, welcher über ein
Gestänge
und einen Exzenter einen Hubschieber betätigt.
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Obgleich
mit der elektronischen Regelung der eingespritzten Kraftstoffmenge
zahlreiche Vorteile verbunden sind, ist deren Einsatz aufgrund der
im Vergleich zu mechanisch-hydraulischen Systemen höheren Kosten
und des vermehrten Wartungsaufwands oft nicht praktikabel. Aus diesem
Grund wäre es
höchst
wünschenswert,
auch bei mechanisch-hydraulisch geregelten Ein spritzanlagen die
Fördermenge
mit einfachen Mitteln einer Kennfeldregelung zuzuführen.
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Demgegenüber ist
es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Aufschalteinheit
für nockenbetätigte Einspritzanlagen
bereitzustellen, durch welche die Fördermenge solcher Einspritzanlagen
in einfacher Weise einer Kennfeldregelung zugeführt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird nach einem Vorschlag der Erfindung durch eine elektromagnetisch
gesteuerte Aufschalteinheit zur Steuerung des Durchgangs einer fluidleitenden
Verbindung zwischen einem auf Fluidhochdruck gebrachten Hochdrucksystem
und einem Niederdrucksystem einer nockenbetätigten Einspritzanlage bei
einer selbstzündenden
Brennkraftmaschine gemäß den Merkmalen
von Anspruch 1 erfüllt.
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Eine
erfindungsgemäße Aufschalteinheit umfasst
demnach einen Treibschieber, der in einer mit dem Hochdrucksystem
fluidleitend verbundenen axialen Führungsbohrung eines Schieberzylinders passgenau
geführt
ist. Der Treibschieber ist hierbei entgegen der rückstellenden
Federkraft einer Schieberfeder zwischen einer durch die Federkraft
bewirkten Ruheposition und einer durch den Fluiddruck bewirkten
Endanschlagsposition axial verschiebbar. Ein wesentliches Merkmal
der Erfindung ist, dass in der Mantelfläche des Treibschiebers senkrecht
zur Verschieberichtung zwei den Umfang ringförmig umgebende Steuernuten
ausgespart sind. Die erfindungsgemäße Aufschalteinheit umfasst
ferner einen Überströmraum, der über ein
elektrisch gesteuertes Magnetventil mit der Führungsbohrung für den Treibschieber
fluidleitend verbunden ist. Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Aufschalteinheit
eine die Führungsbohrung
querende Querbohrung, die mit einem Ende mit dem Hochdrucksy stem
und mit dem anderen Ende mit dem Niederdrucksystem der Einspritzanlage
verbunden ist. Die Querbohrung ist derart angeordnet, bzw. die axiale
Länge des
Treibschiebers derart bemessen, dass in der Ruheposition des Treibschiebers
die Querbohrung durch die Mantelfläche des Treibschiebers verschlossen
ist. Niederdruckseitig verschließt ein Druckhalteventil die
Querbohrung. In die Führungsbohrung
des Treibschiebers mündet
darüber
hinaus eine Blocksteuerbohrung, welche mit dem Niederdrucksystem
fluidleitend verbunden ist. Die Mündung der Blocksteuerbohrung
ist derart angeordnet, dass die Blocksteuerbohrung in Richtung der
Verschiebung des Treibschiebers entgegen der Rückstellkraft der Schieberfeder
nach der Querbohrung in die Führungsbohrung
mündet.
Zudem darf die Blocksteuerbohrung in der Ruheposition des Treibschiebers
nicht durch dessen Mantelfläche verschlossen
sein. Ferner ist eine Überströmraumbohrung
vorgesehen, durch welche der Überströmraumraum
mit dem Niederdrucksystem fluidleitend verbunden ist.
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Ein
charakteristisches Merkmal der Erfindung ist, dass die beiden Steuernuten
derart angeordnet sind, dass bei einer axialen Verschiebung des Treibschiebers
entgegen der Rückstellkraft
der Schieberfeder ein Verschluss der Blocksteuerbohrung durch die
Mantelfläche
des Treibschiebers erst dann erfolgt, wenn die vorauseilende Steuernut
die Querbohrung bereits passiert hat und bevor die nacheilende Steuernut
in wenigstens teilweise Gegenüberstellung
zur Querbohrung gelangt. Mit anderen Worten, die Blocksteuerbohrung
wird erst dann durch die Mantelfläche des Treibschiebers verschlossen, wenn
die Querbohrung durch die zwischen den Steuernuten befindliche Mantelfläche verschlossen
ist und bevor die nacheilende Steuernut die Blockbohrung erreicht.
Weiterhin ist wesentlich, dass die nacheilende Steuernut in der
Endanschlagsposition des Treibschiebers in wenigstens teilweise
Gegenüberstellung
zur Querbohrung gelangt.
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Ferner
betrifft die Erfindung eine nockenbetätigte Einspritzanlage bei einer
Brennkraftmaschine, die mit einer erfindungsgemäßen Aufschalteinheit gekoppelt
ist.
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Die
Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei
Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen genommen wird. Es zeigen
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1 eine
schematische Übersichtsdarstellung
einer Einspritzanlage mit angekoppelter erfindungsgemäßer Aufschalteinheit;
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2 einen
Axialschnitt durch eine erfindungsgemäße Aufschalteinheit in einem
Funktionszustand vor Beginn der Voreinspritzung (Phase I); in dem
kleinen Diagramm, welches den Einspritzverlauf schematisch darstellt,
ist der Funktionszustand der Aufschalteinheit durch die vertikale
Linie gekennzeichnet;
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3 einen
Axialschnitt durch die erfindungsgemäße Aufschalteinheit von 2 in
einem Funktionszustand während
der Voreinspritzung (Phase II); in dem kleinen Diagramm, welches
den Einspritzverlauf schematisch darstellt, ist der Funktionszustand
der Aufschalteinheit durch die vertikale Linie gekennzeichnet;
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4 einen
Axialschnitt durch die erfindungsgemäße Aufschalteinheit von 2 in
einem Funktionszustand zwischen der Voreinspritzung und der Haupteinsprit zung
(Phase III); in dem kleinen Diagramm, welches den Einspritzverlauf
schematisch darstellt, ist der Funktionszustand der Aufschalteinheit
durch die vertikale Linie gekennzeichnet;
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5 einen
Axialschnitt durch die erfindungsgemäße Aufschalteinheit von 2 in
einem Funktionszustand während
der Haupteinspritzung (Phase IV); in dem kleinen Diagramm, welches
den Einspritzverlauf schematisch darstellt, ist der Funktionszustand
der Aufschalteinheit durch die vertikale Linie gekennzeichnet;
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6 einen
Axialschnitt durch die erfindungsgemäße Aufschalteinheit von 2 in
einem Funktionszustand am Ende der Haupteinspritzung (Phase V);
in dem kleinen Diagramm, welches den Einspritzverlauf schematisch
darstellt, ist der Funktionszustand der Aufschalteinheit durch die
vertikale Linie gekennzeichnet.
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Zunächst sei
die schematische Übersichtsdarstellung
einer nokkengesteuerten Einspritzanlage vom Typ Pumpe-Leitung-Düse mit angekoppelter Aufschalteinheit
von 1 betrachtet.
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Eine
Einspritzpumpe 20 wird von einem Tank 19 über eine
Niederdruckleitung 24 mit Kraftstoff versorgt. Die Einspritzpumpe 20 befördert den
Kraftstoff über
eine Hochdruckleitung 22 zur Einspritzdüse 21, von wo aus
der Kraftstoff in den (nicht dargestellten) Brennraum eingespritzt
wird. Von der Einspritzdüse 21 führt eine
sog. Leckölleitung 23 Kraftstoff
unter Niederdruck zurück
zum Tank 19. Die erfindungsgemäße Aufschalteinheit 28 ist über die
Verbindungsleitung 29 mit der Hochdruckleitung 22 und über die Überströmleitung 30 mit
der Lecköllei tung 23 fluidleitend
verbunden, so dass – abhängig von
dem jeweiligen Strömungswiderstand
innerhalb der Aufschalteinheit – Kraftstoff über die
Aufschalteinheit 28 an die Leckölleitung 23 abgesteuert
werden kann. Der Vollständigkeit
sei erwähnt,
dass auch von der Einspritzpumpe 20 eine Leckölleitung 25 zum
Kraftstofftank 19 zurückführt.
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Die
Aufschalteinheit 28 wird von einem Steuergerät 26 über eine
elektrische Verbindungsleitung 27 mit elektrischen Steuersignalen
versorgt. Im Steuergerät 26 ist.
in einer Speichereinheit die für
einen bestimmten Betriebszustand der Brennkraftmaschine in den Brennraum
einzuspritzende Kraftstoffmenge in Form eines Kennfelds abgelegt.
Zur Bestimmung des Ist-Zustands der Brennkraftmaschine empfängt das
Steuergerät 26 die
von Sensoren erfassten Zustandswerte 31 der Brennkraftmaschine, z.
B. Drehzahl, Lufttemperatur, Abgaszusammensetzung und dergleichen.
Nach Abgleich des erfassten Ist-Zustands mit dem anhand des Kennfelds
ermittelten Soll-Zustand, schickt das Steuergerät über die elektrische Verbindungsleitung 27 elektrische
Steuersignale an die Aufschalteinheit 28, wodurch der Strömungswiderstand
innerhalb der Aufschalteinheit für
den von der Hochdruckleitung 22 an die Leckölleitung 23 abgesteuerten
Kraftstoff verändert
wird. Ein hoher Strömungswiderstand
bedeutet, dass wenig oder kein Kraftstoff aus der Hochdruckleitung 22 in die
Leckölleitung 23 abgesteuert
wird, wohingegen bei. einem kleinen oder einem verschwindend geringen
Strömungswiderstand
der Druck im Hochdrucksystem durch Absteuern von Kraftstoff stark
abfällt, wodurch
ein Einspritzvorgang unterbunden werden kann.
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Obgleich
in 1 die erfindungsgemäße Aufschalteinheit mit der
Hochdruck- und Niederdruckleitung einer Einspritzpumpe vom Typ Pumpe-Leitung-Düse verbunden
wurde, ist es in gleicher Weise möglich, die erfindungsgemäße Aufschalteinheit
mit dem Hochdruck- und Niederdruckraum einer Einspritzpumpe vom
Typ Pumpe-Düse
zu verbinden, was ohne zusätzliche
Verbindungsleitungen möglich ist.
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Zur
Veranschaulichung von Aufbau und Funktion der erfindungsgemäßen Aufschalteinheit wird
Bezug auf die 2 bis 6 genommen.
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2 zeigt
einen Axialschnitt durch eine erfindungsgemäße Aufschalteinheit 28 in
einem Funktionszustand vor Beginn der Voreinspritzung (Phase I).
In dem kleinen Diagramm ist der vollständige Einspritzverlauf in Form
des gegen die Zeit aufgetragenen Drucks im Hochdrucksystem der Einspritzanlage schematisch
darstellt. Der Funktionszustand der Aufschalteinheit in Phase I
ist durch die vertikale Linie gekennzeichnet.
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Die
erfindungsgemäße Aufschalteinheit
umfasst einen von einem Schiebergehäuse 4 umgebenen Schieberzylinder 3,
einen am Schiebergehäuse 4 stirnseitig
befestigten Schiebergehäusedekkel 6 und
ein am Schiebergehäuse 4 bodenseitig
befestigtes Magnetgehäuse 5.
Magnetgehäuse 5,
Schiebergehäuse 4 und
Schiebergehäusedeckel 6 werden durch
vier Schrauben 8, welche an einem Pumpe-Düse-Gehäuse 36 einer
Einspritzpumpe verschraubt sind, fest verbunden.
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In
dem Schieberzylinder 3 ist eine axiale Führungsbohrung 32 ausgebildet,
in welcher ein Treibschieber 1 passgenau geführt ist.
Der Treibschieber 1 ist entgegen der Rückstellkraft einer Schieberfeder 12 axial
verschiebbar. Die Schieberfeder 12 ist in einem als Teil
der Führungsbohrung 32 ausgebildeten
Schieberfederraum 33 angeordnet. In der Mantelfläche des
Treib schiebers 1 sind, senkrecht zur Verschieberichtung,
um den Umfang herum, zwei ringförmige
Steuernuten 34, 51 ausgespart.
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Der
am Schiebergehäuse 4 stirnseitig
befestigte Schiebergehäusedeckel 6 umfasst
einen Zulauf 34 in Form eines Zulaufdichtkegels und einen
Ablauf 35. Der Zulauf 34 ist an einem Ende mit
einem in dem Pumpe-Düse-Gehäuse 36 ausgebildeten
Hochdruckraum 37 fluidleitend verbunden. An seinem anderen
Ende ist der Zulauf 34 mit der Führungsbohrung 32 fluidleitend
verbunden. Hierdurch wird der Treibschieber 1 mit dem Fluiddruck
des Fluids aus dem Hochdruckraum 38 beaufschlagt. Der Treibschieber
kann durch den Fluiddruck aus einer durch die Federkraft der Schieberfeder 12 bewirkten
Ruheposition in eine Endanschlagslage überführt werden. Der Ablauf 35 ist
mit der in dem Pumpe-Düse-Gehäuse 36 ausgebildeten
Leckölleitung 38 fluidleitend
verbunden. Ein O-Ring 13 sorgt für eine fluiddichte Verbindung
zwischen Ablauf 35 und Leckölleitung 38.
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Das
Magnetgehäuse 5 ist über einen
O-Ring 14 am Schiebergehäuse 4 bodenseitig
befestigt. Das Magnetgehäuse 5 umfasst
einen mit dem Schieberfederraum 33 verbundenen Überströmraum 39.
Im Überströmraum 39 befindet
sich ein Magnetventil, welches sich aus einer Magnetwicklung 9,
einem Spulenmagnetkern 11, einem Magnetanker 10 und einer
mit dem Magnetanker zusammenwirkenden Steuerkugel 2 zusammensetzt.
In Schließstellung des
Magnetventils sitzt die Steuerkugel 2 einem Dichtsitz 40 auf.
Der Dichtsitz 40 ist in einem auf den Schieberzylinder 3 dicht
aufgesetzten Aufsatzstück 41 ausgebildet.
In Schließstellung
verschließt
das Magnetventil die fluidleitende Verbindung zwischen Schieberfederraum 33 und Überströmraum 39,
während
das Magnetventil in Öffnungsstellung
den Durchgang freigibt. Das Magnetventil kann durch entsprechende
Bestromung der Magnetwicklung 9 über eine (in 2 nicht
dargestellte) elektri sche Verbindungsleitung 27 zwischen
Steuergerät 26 und Aufschalteinheit 28 in Öffnungs-
oder Schließstellung gebracht
werden. Zusätzlich
verfügt
die in 2 dargestellte Aufschalteinheit über eine
Magnetrückstellfeder 18,
durch deren Federkraft der Magnetanker 10 gegen die Steuerkugel 2 gedrückt wird,
wodurch bewirkt wird, dass die Steuerkugel 2 ihrem Dichtsitz 40 aufsitzt.
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Die
erfindungsgemäße Aufschalteinheit
ist ferner mit einer die Führungsbohrung 32 querenden Querbohrung 42 versehen.
Die Querbohrung 42 ist an ihrem einen Ende über eine
axiale Bohrung 43 und eine Ausfräsung 44 des Schiebergehäusedeckels 6 mit
dem Zulauf 34 verbunden. An ihrem anderen Ende ist die
Querbohrung 43 über
eine gegenüber
der Querbohrung 43 verbreiterte Bohrung 45 mit dem
Ablauf 35 verbunden. Der Ablauf 35 ist in Form einer
Schraubenlochbohrung ausgeführt.
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In
dem in 2 gezeigten Funktionszustand der Aufschalteinheit
(Phase 1), in welchem der Treibschieber 1 durch
die Rückstellkraft
der Schieberfeder 12 gegen den Anschlag 47 des
Schiebergehäusedeckels 6,
d. h. in seine Ruheposition, gedrückt wird, ist der Durchgang
der Querbohrung 42 von der Mantelfläche des Treibschiebers 1 versperrt.
Durch eine axiale Verschiebung des Treibschiebers 1 entgegen
der Rückstellkraft
der Schieberfeder 12 können
die Steuernuten 34 jeweils in eine Gegenüberstellung
zur Querbohrung 42 gelangen, so dass die beiden in die Führungsbohrung 32 mündenden
Teile der Querbohrung 42 durch die Steuernuten 34 des
Treibschiebers 1 fluidleitend verbunden sind und somit
eine fluidleitende Verbindung zwischen Hochdrucksystem und Niederdrucksystem
erstellt wird.
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Die
Querbohrung 42 wird ablaufseitig des Treibschiebers 1 durch
ein Druckhalteventil verschlossen. Das Druckhalteventil besteht
aus einer Blattfeder 16 und einer mit der Blattfeder zusammenwirkenden
Aufsteuerkugel 15. Die Aufsteuerkugel 15 wird
durch die Blattfeder auf ihren Dichtsitz 48 gedrückt, wodurch
die Querbohrung 42 verschlossen wird. Der Dichtsitz 48 ergibt
sich aus einem kegelförmigen Übergang
der verbreiterten Bohrung 45 in die Querbohrung 42.
Die Blattfeder 16 ist in eine Ausfräsung eingespannt, welche sich
aus einem Teil einer in der Mantelfläche des Schieberzylinders 3 vollumfänglich ausgebildeten
Ausfräsung 46 und
einer dieser Ausfräsung 46 angrenzenden
Ausfräsung 48 zusammensetzt.
Die in den Ablauf 35 mündende
verbreiterte Querbohrung 45 quert die Ausfräsung 46 in der
Mantelfläche
des Schieberzylinders 3, so dass die Ausfräsung 46 mit
dem Ablauf 25 fluidleitend verbunden ist.
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Das
Druckventil kann durch einen Fluiddruck oberhalb eines bestimmten Öffnungsdrucks
geöffnet werden,
welcher vorzugsweise zwischen 20 und 50 bar beträgt. Die Größe des Öffnungsdrucks kann hierbei
durch die Federkraft der Blattfeder 16 reguliert werden.
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Weiterhin
weist die erfindungsgemäße Aufschalteinheit
einen Verbindungskanal zur fluidleitenden Verbindung des Überströmraums 39 und
des Schieberfederraums 33 mit dem Ablauf 35 auf.
Der Verbindungskanal umfasst zu diesem Zweck eine in den Überströmraum 39 mündende Überströmraumbohrung 50 und
eine die Überströmraumbohrung 50 mit
der Ausfräsung 46 verbindende
Bohrung 49, wodurch eine fluidleitende Verbindung mit dem
Ablauf 35 erstellt ist, da die Ausfräsung 46 über die
verbreiterte Bohrung 45 stromabwärts des Druckventils mit dem
Ablauf 35 fluidleitend verbunden ist. Die die Überströmraumbohrung 50 mit
der Ausfräsung 46 fluidleitend
verbindende Bohrung 49 mündet in ihrer Verlängerung
in die Blocksteuerbohrung 17, welche sich in den Schieberfederraum 33 öffnet. Somit
ist der Schie berfederraum über
Blocksteuerbohrung 17, Bohrung 49, Ausfräsung 46 und
Bohrung 45 mit dem Ablauf 35 fluidleitend verbunden.
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In
dem in 2 gezeigten Funktionszustand der Aufschalteinheit
(Phase I), in welchem der Treibschieber 1 durch die Rückstellkraft
der Schieberfeder 12 gegen seinen Anschlag 47 innerhalb
der Ausfräsung 44 des
Schiebergehäusedeckels 6 gedrückt wird,
ist die Blocksteuerbohrung 17 von der Mantelfläche des
Treibschiebers 1 nicht versperrt, so dass eine fluidleitende
Verbindung zwischen Schieberfederraum 33 und Ablauf 35 vorliegt.
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Die
axiale Länge
des erfindungsgemäßen Treibschiebers 1 ist
so bemessen, dass in der in 2 gezeigten
Ruheposition des Treibschiebers 1 die Querbohrung durch
die Mantelfläche
des Treibschiebers 1 verschlossen ist.
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Die
Steuernuten 34, 51 sind derart angeordnet, dass
bei einer axialen Verschiebung des Treibschiebers 1 entgegen
der Rückstellkraft
der Schieberfeder 12 ein Verschluss der Blocksteuerbohrung 17 durch
die Mantelfläche
des Treibschiebers 1 erst dann erfolgt, wenn die vorauseilende
Steuernut 34 die Querbohrung 42 bereits passiert
hat und bevor die nacheilende Steuernut 51 in wenigstens
teilweise Gegenüberstellung
zur Querbohrung gelangt. Weiterhin gelangt die nacheilende Steuernut 51 in
der Endanschlagsposition des Treibschiebers 1 in wenigstens
teilweise Gegenüberstellung
zur Querbohrung.
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Phase
I stellt die Ausgangsposition des Treibschiebers 1 vor
dem Beginn der Voreinspritzung dar. Das Magnetventil ist geschlossen.
Der Treibschieber befindet sich in einer Ruheposition, in der er durch
die Federkraft der Schieberfeder 12 ge gen den Anschlag 47 des
Schiebergehäusedeckels 6 (in
der Zeichnung rechts) gedrückt
wird. Der Druck im Hochdruckraum 37 und Zulauf 34 entspricht
dem Standdruck des Hochdrucksystems zwischen zwei Einspritzvorgängen, und
liegt im allgemeinen zwischen 5 und 50 bar. Der Systemstanddruck
wirkt auf den Treibschieber 1, reicht jedoch nicht aus,
den Treibschieber 1 entgegen der Rückstellkraft der Schieberfeder 12 zu
verschieben. In den anderen mit Kraftstoff gefüllten Hohlräumen liegt ein Fluiddruck vor, welcher
sich aus dem Fluiddruck im Niederdruckversorgungssystem (Leckölleitung)
ergibt. Dieser liegt im allgemeinen zwischen 0,5 und 5 bar.
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Der
Förderbeginn
der mit der Aufschalteinheit gekoppelten Einspritzpumpe kann beispielsweise über eine
obenliegende Steuerkante des Pumpenstempels reguliert werden. Beginnt
nun der Pumpenstempel seine Förderung
zu dem Zeitpunkt, wenn die obenliegende Steuerkante das Elementsaugloch schließt, so steigt
der Fluiddruck im Hochdrucksystem an und die Voreinspritzung beginnt.
Das Ansteigen des Fluiddrucks im Hochdruckraum 34 bewirkt ein
Verschieben des Treibschiebers 1 entgegen der Rückstellkraft
der Schieberfeder 12. Dieser Funktionszustand der Aufschalteinheit
(Phase II) ist in 3 dargestellt.
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3 zeigt
einen Axialschnitt durch die erfindungsgemäße Aufschalteinheit von 2 in
einem Funktionszustand während
der Voreinspritzung (Phase II). In dem kleinen Diagramm ist der
vollständige
Einspritzverlauf in Form des gegen die Zeit aufgetragenen Drucks
im Hochdrucksystem der Einspritzanlage schematisch darstellt. Der
Funktionszustand der Aufschalteinheit in Phase II ist durch die vertikale
Linie gekennzeichnet.
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In 3,
sowie in den 4, 5 und 6,
sind die zu 2 gleichen Elemente mit denselben
Bezugszahlen bezeichnet. Um Wiederholungen zu vermeiden, werden
jeweils nur die Unterschiede in den jeweiligen Funktionszuständen der Aufschalteinheit
dargestellt.
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In 3 ist
der entgegen der Rückstellkraft der
Schieberfeder 12 (in der Zeichnung nach links) verschobene
Treibschieber 1 in einer Position unmittelbar vor Ende
der Voreinspritzung gezeigt. Das Magnetventil ist geschlossen. Der
Druck im Hochdrucksystem beträgt
nunmehr im allgemeinen zwischen 200 und 300 bar. Der verschobene
Treibschieber 1 gibt die Ausfräsung 44 des Schiebergehäusedeckels 6 frei,
wodurch der Druck des Hochdrucksystems auch in der Bohrung 43 und
dem damit verbundenen Teil der Querbohrung 42 herrscht.
In allen anderen mit Kraftstoff gefüllten Hohlräumen liegt weiterhin ein Druck
vor, welcher sich aus dem Druck im Niederdruckversorgungssystem
(Leckölleitung)
ergibt. Zu diesem Zeitpunkt ist die hochdruckbeaufschlagte Querbohrung 42 noch
durch die Mantelfläche
des Treibschiebers 1 verschlossen.
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Phase
II dauert jedoch nur sehr kurz, weil der schnell ansteigende Druck
im Hochdrucksystem die vorauseilende Steuernut 34 des Treibschiebers 1 in Gegenüberstellung
zur Querbohrung 42 bringt. Dieser Funktionszustand des
Treibschiebers 1 (Phase III) ist in 4 dargestellt.
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Wie
in 4 (Phase III) ersichtlich ist, verbindet die vorauseilende
Steuernut 34 die in die Führungsbohrung 32 mündenden
Teile der Querbohrung 42. Über die Querbohrung 42 wird
somit eine fluidleitende Verbindung zwischen Hochdruck- und Niederdrucksystem
erstellt, wodurch der Druck im Hochdrucksystem schlagartig zusammenbricht,
die Düsennadel
schließt
und die Voreinspritzung beendet wird. Die Dauer der Voreinspritzung
hängt somit
von dem Laufverhalten des Treibschiebers 1, das seinerseits
von dem Flächenverhältnis Pumpenstempel/Treibschieberfläche abhängt, sowie
von den Überdeckungslängen von
Querbohrung 42 und die diese verschließende Mantelfläche bis
zum Erreichen der vorauseilenden Steuernut 34 ab. Je länger es
dauert, bis die vorauseilende Steuernut 34 in Gegenüberstellung
zur Querbohrung 42 gelangt und den Durchgang der Querbohrung 42 freigibt,
desto länger
dauert die Voreinspritzung, und umgekehrt.
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Durch
den Öffnungsdruck
des die Querbohrung 42 verschließenden Druckhalteventils ergibt sich
ein Haltedruck im Hochdrucksystem von ca. 20 bis 50 bar. Stromabwärts des
Druckhalteventils, sowie in allen anderen mit Kraftstoff gefüllten Hohlräumen liegt
ein Fluiddruck vor, welcher sich aus dem Fluiddruck im Niederdruckversorgungssystem (Leckölleitung)
ergibt. Das Magnetventil ist weiterhin geschlossen.
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Der
Pumpenkolben setzt seine Förderung fort
und treibt den Treibschieber 1 mit dem Haltedruck von ca.
20 bis 50 bar weiter, bis die nacheilende Kante der vorauseilenden
Steuernut 32 die Querbohrung 42 schließt. Hieraus
ergibt sich ein Auslegungskriterium für die Federkraft der Schieberfeder 12,
wonach der Treibschieber 1 zu Beginn der Phase I durch
die Rückstellkraft
der Schieberfeder 12 zur Anlage gegen den Anschlag 47 gebracht
werden soll, jedoch durch den Haltedruck entgegen der Rückstellkraft
der Schieberfeder 12 axial verschoben werden soll.
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Sobald
die nachfolgende Kante der vorauseilenden Steuernut 34 die
Querbohrung 42 schließt, steigt
der Druck im Hochdrucksystem schnell an und die Haupteinspritzung
beginnt.
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Die
Dauer von Phase III, d. h. der Abkoppelungsabstand zwischen Voreinspritzung
und Haupteinspritzung, hängt
von der konkreten Auslegung der Aufschalteinheit ab. Der Abkoppelungsabstand
ergibt sich aus dem Laufverhalten des Treibschiebers 1,
sowie aus den Überdeckungslängen von
Querbohrung 42 und vorauseilender Steuernut 34.
Je schneller der Treibschieber 1 entgegen der Rückstellkraft der
Schieberfeder 12 verschoben wird, desto größer ist
bei einer konstanten Überdeckungslänge von Querbohrung 42 und
vorauseilender Steuernut 34 der Abkoppelungsabstand zwischen
Voreinspritzung und Haupteinspritzung. Je größer die Überdeckungslänge von
Querbohrung 42 und vorauseilender Steuernut 34 ist,
desto größer ist
bei einem konstanten Laufverhalten der Abkoppelungsabstand zwischen Voreinspritzung
und Haupteinspritzung.
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Nach
Beginn der Haupteinspritzung (Phase IV) liegt im Hochdruckraum 37,
Zulauf 34, Ausfräsung 44,
Bohrung 43 und dem zulaufseitigen Teil der Querbohrung 42 der
Fluiddruck des Hochdrucksystems vor. Dieser liegt im allgemeinen
zwischen 250 und 1000 bar. Im ablaufseitigen Teil der Querbohrung 42 bis
zum Druckhalteventil herrscht der Haltedruck des Druckhalteventils
(25 bis 50 bar), da der zulaufseitige Teil der Querbohrung 42 und
der ablaufseitige Teil der Querbohrung 42 durch die Mantelfläche des Treibschiebers 1 getrennt
sind. In allen anderen mit Kraftstoff gefüllten Hohlräumen liegt ein Fluiddruck vor,
welcher sich aus dem Fluiddruck im Niederdruckversorgungssystem
(Leckölleitung)
ergibt. Das Magnetventil ist weiterhin geschlossen.
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Durch
den Druck im Hochdrucksystem wird der Treibschieber 1 entgegen
der Rückstellkraft
der Schieberfeder 12 weiter verschoben. Die axiale Abmessung
des Treibschiebers 1 und der räumliche Abstand der beiden
Steuernuten 34, 51 ist derart be messen, dass,
bei einer Verschiebung des Treibschiebers 1 entgegen der
Rückstellkraft
der Schieberfeder 12, die vorauseilende Mantelfläche des Treibschiebers 1 die
Blocksteuerbohrung 17 schließt, solange die Querbohrung 42 durch
die zwischen den beiden Steuernuten 34, 51 befindliche
Mantelfläche des
Treibschiebers 1 verschlossen ist, d. h. bevor die nacheilende
Steuernut 51 den zulaufseitigen Teil der Querbohrung 42 und
den ablaufseitigen Teil der Querbohrung 42 fluidleitend
verbindet.
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Überfährt der
Treibschieber 1 mit seiner vorauseilenden Mantelfläche die
Blocksteuerbohrung 17, wird eine hydraulische Blockierung
des Treibschiebers 1 erreicht, solange das Magnetventil
geschlossen gehalten wird.
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Dieser
Funktionszustand der Aufschalteinheit (Phase IV) ist in 5 dargestellt.
Durch den Verschluss der Blocksteuerbohrung 17 steigt bei
geschlossenem Magnetventil der Fluiddruck im Schieberfederraum 33 sehr
schnell an. Die axiale Verschiebung des Treibschiebers 1 entgegen
der Rückstellkraft
der Schieberfeder 12 wird hydraulisch blockiert, so dass
die nacheilende Steuernut 51 nicht bis zur Querbohrung 42 gelangt
und den Durchgang der Querbohrung freigeben kann. Die Haupteinspritzung dauert
somit an.
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Wird
nun das Magnetventil durch Bestromung der Magnetspule geöffnet, d.
h. gibt die Steuerkugel 2 den Durchgang zwischen Schieberfederraum 33 und Überströmraum 39 frei,
wird die hydraulische Blockierung des Treibschiebers 1 gelöst und der Treibschieber
wird durch den Druck des Hochdrucksystems sofort in seine Endanschlagsposition
gedrückt,
in der die nacheilende Steuernut 51 in Gegenüberstellung
zur Querbohrung 42 gelangt. In der Endanschlagsposition
des Treibschiebers 1 ist der Durchgang der Querbohrung 42 somit
durch die Steuernut 51 freigegeben, der Druck im Hochdrucksystem
fällt schlagartig
ab, die Düsennadel
schließt schnell
und die Haupteinspritzung wird beendet.
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Dieser
Funktionszustand (Phase V) der Aufschalteinheit ist in 6 dargestellt.
Die nacheilende Steuernut 51 befindet sich in Gegenüberstellung
zur Querbohrung 42 und stellt eine fluidleitende Verbindung
zwischen Hochdrucksystem und Niederdrucksystem her. Der Treibschieber 1 ist
in seiner Endanschlagsposition mit seinen Stoßflächen 53 zur Anlage
gegen den Anschlag 52 des Aufsatzstücks 41 gelangt.
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Sobald
der Druck im Hochdrucksystem unterhalb des Öffnungsdrucks des Druckhalteventils fällt, schließt das Druckhalteventil.
Infolgedessen liegt im Hochdrucksystem ein Haltedruck entsprechend
dem Öffnungsdruck
des Druckhalteventils vor, welcher im allgemeinen zwischen 20 und
50 bar liegt. Dieser Druck genügt
entsprechend der Auslegung der Schieberfeder 12, dass der
Treibschieber 1 weiterhin in seiner Endanschlagsposition
verharrt. Erst wenn die untere Steuerkurve des Pumpenstempels das
Elementsaugloch freigibt und die Förderung des Pumpenstempels
beendet ist, fällt
der Druck im Hochdrucksystem unterhalb des Haltedrucks und der Treibschieber
wird durch die Rückstellkraft
der Schieberfeder 12 in seine Ausgangslage, d. h. in seine
Ruheposition in der dem Anschlag 47 des Schiebergehäusedeckels 6 anliegt,
gedrückt.
In diesem Funktionszustand, welche Phase I entspricht, liegt im
Hochdruckraum 37, im Zulauf 34, in der Bohrung 43 und
in der Querbohrung 42 der Hochdrucksystem-Standdruck zwischen
zwei Einspritzvorgängen
vor. In allen anderen mit Kraftstoff gefüllten Hohlräumen liegt ein Fluiddruck vor,
welcher sich aus dem Fluiddruck im Niederdruckversorgungssystem
(Leckölleitung)
ergibt. Das Magnetven til wird durch Bestromung der Ankerspule bzw.
alleinig durch die Federkraft der Feder 18 geschlossen.
Die Steuerkugel 2 liegt ihrem Dichtsitz an.
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Zur
Auslegung der Abmessungen von Magnetventil und Druckhalteventil
ist folgendes zu bemerken. Das Magnetventil kann wegen der geringen durchströmenden Fluidmengen
sehr klein werden. Der Kugelsitz weist hierzu vorteilhaft eine Querschnittsfläche auf,
die dem 5-fachen der Querschnittsfläche eines Düsenspritzlochs entspricht. Aufgrund
der vergleichsweise kleinen Öffnung
des Magnetventils und der hierdurch bedingten geringen Kräfte, genügt es kleine
Magnetspulen und -kerne einzusetzen. Auf ein schnell schaltendes
(auf – zu) Magnetventil
kann wegen des großen
zur Verfügung stehenden
Zeitraums (im allgemeinen bis zu 720° KW) bis zum Beginn des nächsten Einspritzvorgangs verzichtet
werden. Vielmehr reicht es, dass das Magnetventil schnell aufmacht,
was durch eine bloße Stromlosschaltung
der Magnetspule und die Druckunterstützung der hydraulischen Blokkierung
im Schieberfederraum stets gewährleistet
werden kann. Typischerweise haben die eingesetzten Magnetventile
eine Leistungsaufnahme von weniger als 20 W, vorzugsweise weniger
als 5 W. Eine Gefährdung
der Steuerkugel des Magnetventils durch Kaviation ist aufgrund der
geringen Durchflussmengen nicht zu befürchten.
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Etwas
anderes gilt für
das Druckhalteventil, da über
diesen Weg beispielsweise bei einem Motorstopp die gesamte von einem
Pumpenstempel geförderte
Kraftstoffmenge abgesteuert werden muss. Für die Querschnittsfläche der
Querbohrung bedeutet dies, dass diese wenigstens das 10-fache der
Querschnittsfläche
eines Düsenspritzlochs
betragen soll. Eine typische Größe für den Durchmesser
der Querbohrung beträgt
ca. 1 mm. Da für
das Druckhalteventil keine Anforderungen bezüglich hoher Drük ke zu stellen
sind, kann eine geringe Strömungsgeschwindigkeit
einfach realisiert werden. Wenn der Durchmesser der Querbohrung
ca. 1 mm beträgt,
beträgt der
Durchmesser der Aufsteuerkugel des Druckhalteventils typisch 2 mm.
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Die
dem Fluiddruck des Hochdrucksystems ausgesetzte Stirnfläche des
Steuerschiebers beträgt vorzugsweise
ca. das 30-fache der Querschnittsfläche eines Düsenspritzlochs. Typisch beträgt der Durchmesser
einer im Querschnitt kreisförmigen Stirnfläche des
Steuerschiebers 3 mm.
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Durch
die erfindungsgemäße Aufschalteinheit
wird über
Treibschieber, Steuernuten, hydraulische Blockierung des Treibschiebers
und das elektrisch gesteuerte Magnetventil der Förderverlauf der Einspritzung,
das Förderende
und somit die Einspritzmenge beeinflusst. Der statische Förderbeginn wird
gewöhnlich über eine
obenliegende Steuerkante des Pumpenstempels geregelt. Die untenliegende Steuerkante
des Pumpenstempels ist bei Ankoppelung der Aufschalteinheit im Unterschied
zum Stand der Technik ohne Funktion für das Förderende. Das Förderende
wird anstelle dessen durch einen erzwungenen Druckabfall im Hochdrucksystem
mithilfe einer Regelung des Durchgangs einer fluidleitenden Verbindung
zwischen Hochdrucksystem und Niederdrucksystem durch die erfindungsgemäße Aufschalteinheit
herbeigeführt.
Durch die Ansteuerung der erfindungsgemäßen Aufschalteinheit über ein
Steuergerät
ist eine Kennfeldregelung möglich.
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Bereits
bestehende rein mechanisch-hydraulisch geregelte nokkengesteuerte
Einspritzanlagen können
in einfacher und wirtschaftlicher Weise mit der erfindungsgemäßen Aufschalteinheit
nachgerüstet
werden, um die wichtigen Funktionen Einspritzende und Einspritzmenge
einer Kennfeldregelung zuzuführen.
Zudem kann in äußerst vorteilhafter
Weise eine Voreinspritzung realisiert werden, ohne zu diesem Zweck
auf schnellschaltende Magnetventile angewiesen zu sein. Da die elektrische
Schaltleistung im allgemeinen weniger als 20 W betragen kann, kann
die Aufschalteinheit sehr klein ausgeführt werden.
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Die
erfindungsgemäße Aufschalteinheit kann
an Einspritzanlagen vom Typ Pumpe-Düse oder Pumpe-Leitung-Düse angekoppelt
werden.
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Selbstverständlich ist
die Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern
einer Vielzahl von Abänderungen
zugänglich, ohne
aus dem Schutzumfang der Erfindung zu gelangen. Insbesondere liegt
es im Belieben des Fachmanns, den Treibschieber der erfindungsgemäßen Aufschalteinheit
mit nur einer einzigen Steuernut zu versehen und somit auf eine
Realisierung der Voreinspritzung zu verzichten.