DE19612738A1 - Speichereinspritzsystem für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Speichereinspritzsystem für Brenn­ kraftmaschinen mit einem direkt einspritzenden über ein Ma­ gnetventil gesteuerten Einspritzventil pro Zylinder, mit einem von einer Hochdruckpumpe über eine Hochdruckleitung mit Kraft­ stoff beaufschlagbaren, eine axial verschiebbare Düsennadel zumindest teilweise umgebenden, vorzugsweise düsenseitig ange­ ordneten ersten Druckraum innerhalb des Einspritzventilgehäu­ ses, wobei die Düsennadel im Bereich des Druckraumes gegenüber der Düsennadelachse geneigte Druckangriffsflächen für Druck­ kräfte in Öffnungsrichtung der Düsennadel aufweist, mit einem mit der Düsennadel in Wirkverbindung stehenden, achsgleich zu dieser angeordneten längsverschiebbaren Steuerkolben innerhalb des Einspritzventilgehäuses, welcher stirnseitig an einen in einer Sperrstellung des Magnetventiles mit Hochdruck beauf­ schlagbaren Steuerraum grenzt, wobei in einer Freigabestellung des Magnetventiles der Steuerraum mit einer Leckölleitung ver­ bindbar ist, und wobei im Strömungsweg zwischen Hochdrucklei­ tung und Druckraum ein Sicherheitsventil vorgesehen ist, des­ sen entlang seiner Hubachse bewegbare Ventilkörper in seiner Öffnungsstellung die Strömungsverbindung zwischen der Hoch­ druckleitung und dem Druckraum freigibt und in seiner Schließ­ stellung die Strömungsverbindung unterbricht, wobei die Öff­ nungsstellung des Sicherheitsventiles mit der Freigabestellung des Magnetventiles und die Schließstellung mit der Sperrstel­ lung korreliert.

Bei einem Einspritzsystem herkömmlicher Bauart, wie es bei­ spielsweise aus der EP 0 459 429 A1 oder der Veröffentlichung "New Electronically Controlled Fuel Injection System ECD-U2 for Clean Diesel Engines", Toshihiko Omori, Tagung "Motor und Umwelt 92", AVL bist GmbH, Austria, bekannt ist, ist es üb­ lich, daß der die Düsennadel umgebende Druckraum ständig mit dem über die Hochdruckleitung anstehenden, bis zu 1500 bar be­ tragenden Hochdruck beaufschlagt wird. Im Falle eines undich­ ten Nadelsitzes oder bei einem Hängenbleiben der Düsennadel kann dies zur Einspritzung von unerwünschten großen Kraft­ stoffmengen führen, was in weiterer Folge eine Zerstörung des Motors bewirken kann.

Aus der DE 25 14 457 A1 ist ein Einspritzsystem der genannten Art bekannt, bei dem das Sicherheitsventil separat zum Steuer­ kolben des Einspritzventiles angeordnet ist. Dies ermöglicht einerseits ein sicheres Schließen der Ventilnadel und verhin­ dert andererseits, daß unzulässig hohe Einspritzmengen einge­ spritzt werden. Aufgrund der Trennung der Nadel und des Dicht­ sitzes des Sicherheitsventiles von den geometrischen und tech­ nischen Restriktionen, wie sie an der Düsenspitze herrschen (möglichst zentrale Lage der Düsenspitze zum Brennraum des Mo­ tors; thermische Beanspruchung in folge der Verbrennung) kann die Form der Nadel und des Sitzes des Sicherheitsventiles bei weitem freier gestaltet werden, als dies bei der Düsennadel und deren Sitz der Fall ist. Durch die separate Ausführung des Sicherheitsventiles und des Steuerkolbens sind allerdings re­ lativ viele Teile notwendig, wodurch ein hoher Herstellungs­ aufwand und vergleichsweise großer Raumbedarf besteht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und insbesondere ein herstellungsmäßig einfaches und kompaktes Speichereinspritzsystem bereitzustellen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß das Sicher­ heitsventil in das Gehäuse des Einspritzventiles integriert ist, wobei der Ventilkörper des Sicherheitsventiles mit dem Steuerkolben kombiniert ist, und wobei vorzugsweise die Hub­ achse des Sicherheitsventiles in der Düsennadelachse liegt. Dadurch kann das Einspritzventil sehr kompakt und mit wenigen Teilen ausgeführt werden. Vorzugsweise sind Sicherheitsventil und Steuerkolben einstückig ausgeführt. Sehr vorteilhaft ist es dabei, wenn im Bereich des Ventilsitzes des Ventilkörpers ein den Steuerkolben umgebender, mit dem ersten Druckraum in Strömungsverbindung stehender Ringraum angeordnet ist, welcher bei geöffnetem Sicherheitsventil mit der Hochdruckleitung ver­ bunden und bei geschlossenem Sicherheitsventil von dieser ge­ trennt ist. Der mit der Hochdruckleitung verbundene Ventilraum ist dabei im geschlossenen Zustand des Sicherheitsventiles durch den Ventilsitz vom Ringraum getrennt. Bei Absinken des Druckes im Steuerraum wird der Ventilkörper vom Ventilsitz an­ gehoben und die Strömungsverbindung des Ventilsitzes mit dem Ringraum und weiter mit dem Druckraum der Düsennadel herge­ stellt.

In einer sehr einfachen Ausführungsvariante ist vorgesehen, daß das Magnetventil als 2/2-Wegventil ausgeführt ist und der Steuerraum des Steuerkolbens ständig mit der Hochdruckleitung, vorzugsweise über eine Drosselstelle, in Strömungsverbindung steht, wobei vorzugsweise die Mündung der Hochdruckleitung über Verbindungskanäle innerhalb des Steuerkolbens mit dem Steuerraum verbunden ist. Über die Drosselstelle zwischen Steuerraum und Hochdruckleitung kann die Druckanstiegsge­ schwindigkeit im Steuerraum und damit die Schließgeschwindig­ keit der Ventilnadel beeinflußt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Verbindungskanäle als Drosselstelle ausgebil­ det sind. Über das 2/2-Wegventil wird in der Freigabestellung eine Strömungsverbindung zwischen dem Steuerraum und der Leckölleitung hergestellt, so daß der Druck im Steuerraum ab­ sinkt und der Ventilkörper vom Ventilsitz angehoben wird. Da­ durch wird der Druckraum mit Hochdruck beaufschlagt und die Ventilnadel ebenfalls angehoben. Die Hubbewegung der Düsenna­ del wird somit durch das 2/2-Wegventil eingeleitet. Dadurch, daß zwischen Steuerraum und Leckölleitung, vorzugsweise im Be­ reich des Magnetventilsitzes, eine erste Drosselstelle ange­ ordnet ist, kann die Hubgeschwindigkeit des Steuerkolbens und der Düsennadel über den Drosselquerschnitt voreingestellt wer­ den.

Wird das 2/2-Wegventil geschlossen, so steigt der Druck im Steuerraum sehr schnell an und drückt den Ventilkörper auf den Ventilsitz, wodurch die Kraftstoffzufuhr zum Druckraum unter­ brochen wird. Um einen definierten Druck vor Beginn der Ein­ spritzung im Bereich des Druckraumes sicherzustellen ist es vorteilhaft, wenn der Druckraum, vorzugsweise über eine wei­ tere Drosselstelle im Bereich des Ringraumes, mit der Lecköl­ leitung verbunden ist.

Ein rasches Ansprechen und Öffnen des Ventilkörpers wird er­ reicht, wenn auf den Steuerkolben in Öffnungsrichtung des Ven­ tilkörpers des Sicherheitsventiles eine Feder einwirkt. Das Öffnen kann aber bei geeigneter Dimensionierung von Druckan­ griffsflächen am Steuerkolben auch allein durch den Kraft­ stoffdruck erfolgen.

Ein rasches Schließen der Düsennadel wird dadurch erzielt, daß Steuerkolben und Düsennadel in der Öffnungsstellung der Düsen­ nadel vorzugsweise über ein axiales Distanzstück mechanisch in Verbindung stehen und in der Schließstellung der Düsennadel zueinander ein Spiel aufweisen. Die Düsennadel wird dabei durch den Steuerkolben bewegt, bis der Ventilkörper am Ventil­ sitz aufliegt. Die restliche Schließbewegung erfolgt durch die Düsenfeder. Das Spiel zwischen Steuerkolben und Distanzstück dient zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen.

Die Erfindung wird anhand von in den Fig. gezeigten Ausfüh­ rungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungs­ gemäßen Speichereinspritzventiles in der Sperr­ stellung,

Fig. 2 das Einspritzventil aus Fig. 1 in der Freigabe­ stellung,

Fig. 3 bis 8 Diagramme über die zeitliche Veränderung von Parametern bei der Öffnung des Einspritz­ ventiles.

Die Fig. 1 und 2 zeigen ein Einspritzsystem mit einem in das Einspritzventil 1 integrierten Sicherheitsventil 2. Im Ge­ häuse 3 ist die Düsennadel 4 entlang der Düsennadelachse 4a längsverschiebbar über den Schaft 4b gelagert. Die Düsenna­ del 4 wird teilweise von einem Druckraum 6 umgeben, welcher über eine Druckleitung 7 mit dem Ausgang 9 des Sicherheitsven­ tiles 2 verbunden ist. Der Ventilkörper 12 des Sicherheitsven­ tiles 2 ist einstückig mit dem Steuerkolben 5 ausgeführt, wo­ bei der Ventilkörper 12 und der Steuerkolben 5 zum Teil durch einen Ringraum 28 umgeben sind, an welchen über den Ausgang 9 die Druckleitung 7 anschließt. Steuerkolben 5 und Ventilkör­ per 12 sind entlang ihrer Hubachse 12a verschiebbar im Ge­ häuse 3 des Einspritzventiles 1 gelagert, wobei in der in Fig. 1 gezeigten Sperrstellung S der Ventilkörper 12 auf einem Ventilsitz 15 aufliegt und den Ringraum 28 von einem durch den Ventilkörper 12 und dem Gehäuse 3 gebildeten Ventilraum 14 trennt. In den Ventilraum 14 mündet die von einem Speicher 10 ausgehende Hochdruckleitung 11, deren Mündung mit 13 bezeich­ net ist. Der Speicher 10 wird von einer Hochdruckpumpe 29 und einer Vorpumpe 30 über einen Behälter 31 gespeist. Die Hoch­ druckpumpe 29 selbst erhält über eine Steuerleitung 32 Steuer­ signale von einer elektronischen Steuereinheit 33, welche in Abhängigkeit der Drehzahl 34, der Last 35, manueller Vorgabe, beispielsweise durch den Fahrer 36, vom Speicherdruck p des Speichers 10 und eventuell anderen Einflußgrößen die Hoch­ druckpumpe 29 und über die Leitung 38 das Magnetventil 24 des Einspritzventiles 2 steuert. 37 bezeichnet eine Sensorleitung für den Istwert des Hochdruckes P. Das Magnetventil 24 kann - wie in Fig. 1 und 2 dargestellt - entweder als 2/2-Wegventil, oder aber auch als 3/2-Wegventil ausgeführt sein.

Der Ventilraum 14 ist über Verbindungskanäle 39, die mit einer Drosselstelle 42 versehen sind, mit dem an den Steuerkolben 5 grenzenden Steuerraum 21 verbunden. Der Steuerraum 21 wiederum weist eine erste Steuerleitung 23 zum Magnetventil 24 auf, wo­ bei in der Steuerleitung 23 eine erste Drosselstelle 22 ange­ ordnet ist. Das Magnetventil 24 verschließt in seiner in Fig. 1 eingezeichneten Sperrstellung S über den durch die Fe­ der 24d auf den Magnetventilsitz 24a gedrückten Anker 24c die erste Steuerleitung 20. In der Freigabestellung F des Magnet­ ventiles 24, welche in Fig. 2 in vergrößerter Darstellung ge­ zeigt ist, wird durch Aktivierung der Spule 24b der Anker 24c vom Magnetventilsitz 24a angehoben und der Steuerraum 21 mit einer Leckölleitung 25 verbunden, welche zu einem Behälter 31a führt.

Die Funktionsweise des in den Fig. 1 und 2 gezeigten Systems ist folgendermaßen: In der Sperrstellung S verschließt das Ma­ gnetventil 24 die Drosselstelle 22. Der Hochdruck p_S im Steu­ erraum 21 bewirkt eine in Schließrichtung wirkende Kraft auf den Steuerkolben 5, wodurch dieser über den Ventilkörper 12 den Ventilsitz 15 verschließt. Durch eine optional vorhandene weitere Drosselstelle 40 kann der sich im Ringraum 28 zwischen dem Ventilsitz 15 und dem Druckraum 6 befindende Kraftstoff in die Leckölleitung 25 abfließen. Die Düsennadel 4 wird in die­ sem Zustand von der Feder 8 in geschlossenem Zustand gehalten.

Der Einspritzbeginn wird durch Betätigen des Magnetventiles 24 eingeleitet, wobei die Drosselstelle 22 geöffnet wird. Über die Drosselstelle 22 wird der an den Steuerkolben 5 grenzende Steuerraum 21 druckentlastet und der Steuerkolben 5 kann sich aufgrund der Kraft der Feder 8 nach oben bewegen. In den Ver­ bindungskanälen 39 zwischen Ventilraum 14 und Steuerraum 21 ist eine Drosselstelle 42 vorgesehen, welche so dimensioniert ist, daß der durchströmende Kraftstoff zu keinem Druckanstieg im Steuerraum 21 führt. Durch die Bewegung des Steuerkolbens 5 wird der Ventilsitz 15 geöffnet und die Strömungsverbindung zwischen Hochdruckleitung 11, dem Ringraum 28, der Drucklei­ tung 7 und dem Druckraum 6 hergestellt, was einen Druckanstieg an der Düsennadel 4 bewirkt. Die durch den Druckanstieg verur­ sachte Kraft in Öffnungsrichtung der Düsennadel 4 bewirkt ein Abheben der Düsennadel 4 vom Düsennadelsitz 1b und der Ein­ spritzvorgang durch die Düsenbohrungen 1a beginnt.

Das Ende der Einspritzung wird durch das Schalten des Magnet­ ventiles 24 in die Sperrstellung S eingeleitet, wobei die Drosselstelle 22 geschlossen wird. Der durch die Drossel­ stelle 42 einströmende Kraftstoff bewirkt einen Druckanstieg im Steuerraum 21 oberhalb des Steuerkolbens 5, wodurch der Steuerkolben 5 mit dem Ventilkörper 12 gegen den Ventilsitz 15 gedrückt wird. Während der Schließbewegung drückt der Steuer­ kolben 5 die Düsennadel 4 über ein vorzugsweise mit dieser verbundenes Distanzstück 41 in Richtung des Düsennadelsit­ zes 1b bis der Ventilkörper 12 am Ventilsitz 15 aufliegt. Die Düsennadel 4 wird durch die Feder 8 weiterbewegt, bis sie am Düsennadelsitz 1b aufliegt. Um ein von Fertigungstoleranzen unabhängiges sicheres Schließen sowohl der Düsennadel 4 als auch des Ventilkörpers 12 zu gewährleisten, ist zwischen Di­ stanzstück 41 und Steuerkolben 5 ein Spiel 43 vorgesehen. Gleichzeitig hat das Spiel 43 den Vorteil, daß die hydrauli­ sche Kraft auf den Steuerkolben 5 nicht vom Düsennadelsitz 1b aufgenommen werden muß, wodurch ein größerer Steuerkolben­ durchmesser und damit eine verläßlichere Funktion des Systems aufgrund der größeren hydraulischen Kräfte ermöglicht wird.

Gegebenenfalls kann die Drosselstelle 40 durch eine definierte Leckage zwischen dem Schaft 4b der Düsennadel 4 und dem Ge­ häuse 3 ersetzt werden, wodurch Kraftstoff in den Raum 44 zwi­ schen Steuerkolben 5 und Düsennadel 4 eindringen kann. In die­ sem Fall müßte der Raum 44 mit der Leckölleitung 25 verbunden sein, was durch die strichlierten Linien in Fig. 4 angedeutet ist. Der Ventilsitz 15 des Ventilkörpers 12 am Steuerkolben 5 kann geometrisch so ausgeführt werden, daß ein definierter Ventil-Querschnittsverlauf als Funktion des Steuerkolbenhu­ bes h_S zur Steuerung des zeitlichen Ablaufes des Einspritzvor­ ganges verwendet werden kann. So kann beispielsweise am Beginn der Einspritzung die Einspritzmenge gering sein und im Laufe des Einspritzvorganges erhöht werden.

Die Fig. 3 bis 8 zeigen die Veränderung verschiedener Parame­ ter in Abhängigkeit der Zeit t während eines Einspritzvorgan­ ges. In Fig. 3 ist der von der elektronischen Steuereinheit 33 an das Magnetventil 24 geleitete Schaltimpuls I_S während der Zeitpunkte T₁ und T₂ dargestellt. Fig. 4 zeigt den Magnetven­ tilhub h_M zwischen der mit S angedeuteten Sperrstellung und der mit F gekennzeichneten Freigabestellung. p_S in Fig. 5 zeigt den Druck im Steuerraum 21, h_s in Fig. 6 den Hub des Steuerkolbens 5, Fig. 7 und 8 zeigen den Druck p_D am Düsenna­ delsitz 1b und den Hub h_D der Düsennadel 4.

Claims (9)

1. Speichereinspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit einem direkt einspritzenden über ein Magnetventil gesteuerten Einspritzventil pro Zylinder, mit einem von einer Hoch­ druckpumpe über eine Hochdruckleitung mit Kraftstoff be­ aufschlagbaren, eine axial verschiebbare Düsennadel zu­ mindest teilweise umgebenden, vorzugsweise düsenseitig an­ geordneten ersten Druckraum innerhalb des Einspritzventil­ gehäuses, wobei die Düsennadel im Bereich des Druckraumes gegenüber der Düsennadelachse geneigte Druckangriffsflä­ chen für Druckkräfte in Öffnungsrichtung der Düsennadel aufweist, mit einem mit der Düsennadel in Wirkverbindung stehenden, achsgleich zu dieser angeordneten längsver­ schiebbaren Steuerkolben innerhalb des Einspritzventilge­ häuses, welcher stirnseitig an einen in einer Sperrstel­ lung des Magnetventiles mit Hochdruck beaufschlagbaren Steuerraum grenzt, wobei in einer Freigabestellung des Ma­ gnetventiles der Steuerraum mit einer Leckölleitung ver­ bindbar ist, und wobei im Strömungsweg zwischen Hochdruck­ leitung und Druckraum ein Sicherheitsventil vorgesehen ist, dessen entlang seiner Hubachse bewegbare Ventilkörper in seiner Öffnungsstellung die Strömungsverbindung zwi­ schen der Hochdruckleitung und dem Druckraum freigibt und in seiner Schließstellung die Strömungsverbindung unter­ bricht, wobei die Öffnungsstellung des Sicherheitsventiles mit der Freigabestellung des Magnetventiles und die Schließstellung mit der Sperrstellung korreliert, dadurch gekennzeichnet, daß das Sicherheitsventil (2) in das Ge­ häuse (3) des Einspritzventiles (1) integriert ist, wobei der Ventilkörper (12) des Sicherheitsventiles (2) mit dem Steuerkolben (5) kombiniert ist, und wobei vorzugsweise die Hubachse (12a) des Sicherheitsventiles (2) in der Dü­ sennadelachse (4a) liegt.

2. Speichereinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Sicherheitsventil (2) und Steuerkol­ ben (5) einstückig ausgeführt sind.

3. Speichereinspritzsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Ventilsitzes (15) des Ventilkörpers (1) ein den Steuerkolben (5) umgebender, mit dem ersten Druckraum (6) in Strömungsverbindung stehender Ringraum (28) angeordnet ist, welcher bei geöffnetem Si­ cherheitsventil (2) mit der Hochdruckleitung (11) verbun­ den und bei geschlossenem Sicherheitsventil (2) von dieser getrennt ist.

4. Speichereinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetventil (24) als 2/2- Wegventil ausgeführt ist und der Steuerraum (21) des Steu­ erkolbens (5) ständig mit der Hochdruckleitung (11), vor­ zugsweise über eine Drosselstelle (42), in Strömungsver­ bindung steht, wobei vorzugsweise die Mündung (13) der Hochdruckleitung (11) über Verbindungskanäle (39) inner­ halb des Steuerkolbens (5) mit dem Steuerraum (21) verbun­ den ist.

5. Speichereinspritzsystem nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verbindungskanäle (39) als Drossel­ stelle (42) ausgebildet sind.

6. Speichereinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Steuerraum (21) und Leckölleitung (25), vorzugsweise im Bereich des Magnetven­ tilsitzes (24a), eine erste Drosselstelle (22) angeordnet ist.

7. Speichereinspritzsystem nach Anspruch 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Druckraum (6), vorzugsweise über eine weitere Drosselstelle (40) im Bereich des Ringrau­ mes (28), mit der Leckölleitung (25) verbunden ist.

8. Speichereinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Steuerkolben (5) in Öffnungsrichtung des Ventilkörpers (12) des Sicherheits­ ventiles (2) eine Feder (8) einwirkt.

9. Speichereinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Steuerkolben (5) und Düsenna­ del (4) in der Öffnungsstellung der Düsennadel (4) vor­ zugsweise über ein axiales Distanzstück (41) mechanisch in Verbindung stehen und in der Schließstellung der Düsenna­ del (4) zueinander ein Spiel (43) aufweisen.