DE19954058A1 - Kraftspeicherunterstützte Steuerung der Einspritzmengen bei Großdieselmotoren - Google Patents

Kraftspeicherunterstützte Steuerung der Einspritzmengen bei Großdieselmotoren

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuereinheit für ein Einspritzsystem für Kraftstoff mit einem Steuerteil (1). Das Steuerteil (1) ist zwischen einem Ventilsitz (6) und einer Anschlagfläche (7) einer Bohrung (32) im Gehäuse (29) bewegbar. Eine Hochdruckleitung (25) mündet in eine das Gehäuse (29) durchsetzende, das Steuerteil (1) aufnehmende Bohrung (32). Eine dem Ventilsitz (6) gegenüberliegende Steuerfläche (28) des Steuerteils (1) dient im höheren Drehzahlbereich als Drosselelement für die Befüllung eines Pumpenraums (9) im Gehäuse (29).

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf das technische Gebiet der Steuerung der Kraftstoff­ einspritzmengen bei Großdieselapplikationen, bei denen einerseits höhere Ven­ tilhübe bei höheren Durchflußquerschnitten und andererseits bei hohen Drehzah­ len kleinere Einspritzmengen gefordert werden.
Stand der Technik
Aus dem Stande der Technik sind für Personenkraftwagen- und Lastkraftwagen- Anwendungsfällen schnell schaltende Ventil bekannt, bei denen schnell schalten­ de Magnete vorgesehen werden. Die mit schnell schaltenden Magneten erzielba­ ren Schaltzeiten lassen sich insbesondere bei solchen Applikationen erzielen, bei denen niedrige Durchflußquerschnitte für den Kraftstoff benötigt werden und die Ventilhübe insbesondere unterhalb von etwa 0,3 mm liegen. Bei Großdieselmoto­ ren, die beispielsweise bei maritimen Anwendungen zum Einsatz kommen oder für militärische Zwecke bei gepanzerten Fahrzeugen eingesetzt werden, sind hö­ here Ventilhübe zu realisieren, da die benötigten Kraftstoffeinspritzmengen größer sind. Bei höheren Ventilhüben und großen Kraftstoffeinspritzmengen schwinden jedoch die mit elektrisch ansteuerbaren Magneten erzielbaren Vorteile der kürze­ ren Schaltzeiten, da die Magnete nur beschränkte Schließkräfte aufbringen kön­ nen, die bei Großdieselapplikationen überschritten werden. Andererseits sind für Anwendungsfälle bei Großdieselmotoren 2/2-Wege-Ventile nur begrenzt einsetz­ bar. Diese größer bauenden 2/2-Wege-Ventile stellen bei niedrigeren Drehzahlen die nötigen größeren Einspritzmengen zur Verfügung und bringen auch die erfor­ derlichen hohen Schließkräfte an den Steuerkanten den Steuerschiebers auf An­ dererseits sind die Schaltzeiten solcher größer bauender 2/2-Wege-Ventile größer, da die bewegten Massen am Ventil, Ankerplatte und Schließkörper größere Träg­ heitskräfte nach sich ziehen. Zudem sind die Ventilhübe länger, was die Schalt­ zeiten ebenfalls verlängert.
Im höheren Drehzahlbereich benötigen Großdieselmotoren kleiner dosierte Kraft­ stoffeinspritzmengen, die sich mit träger arbeitenden 2/2-Wege-Ventilen wegen der höheren Schaltzeiten nur schwer erzielen lassen. Schnell schaltende Magnet­ ventile hingegen bringen die für die Abdichtung der Steuerkanten erforderlichen hohen Schließkräfte nicht auf; mit dieser Ventilbauart hingegen ließen sich jedoch kleinere Kraftstoffeinspritzmengen erzielen.
Darstellung der Erfindung
Mit der erfindungsgemäßen Lösung lassen sich in vorteilhafter Weise die Vorteile längerer Hubwege und größerer Schaltzeiten bei höheren Durchflußquerschnitten des 2/2-Wege-Ventils mit bei Magnetventilen erzielbaren kürzeren Schaltzeiten und bei höheren Drehzahlen geringer dosierter Kraftstoffeinspritzmengen kombi­ nieren. Mit der Steuereinheit können die beiden die Stellbewegung des Steuerteils auslösenden Betätigungsorgane individuell angesteuert werden und ermöglichen das In-Verbindung-Treten des das Steuerteils umgebenden Saugraumes mit einem als Reservoir dienenden Pumpraum oder die Abtrennung des Pumpraumes von der mit dem Saugraum in Verbindung stehenden Hochdruckleitung, die dem unter hohem Druck stehenden Kraftstoff der Steuereinheit zuleitet.
Durch beim Hochfahren der Brennkraftmaschine in höhere Drehzahlbereiche er­ forderlich werdenden kürzeren Ventilschaltzeiten einhergehend mit niedrigeren Kraftstoffeinspritzmengen lassen sich geringere Kraftstoffeinspritzmengen da­ durch erzielen, daß der sich zwischen Ventilsitz des Gehäuses und Steuerfläche am Steuerteil ausbildende Ringspalt als Drossel genutzt wird und die Befüllung des Pumpraumes mit Kraftstoff behindert wird. Durch weniger im Pumpraum des Gehäuses vorhandenen Kraftstoff kann die Einspritzmenge trotz größeren Durch­ flußquerschnitts an der Steuereinheit und längeren Hubwegen bei höheren Dreh­ zahlen wirksam begrenzt werden.
Eine individuelle Regelung der Förderfrequenz des Steuerteiles kann durch die mit der Steuereinheit in Verbindung stehenden und über diese jeweils individuell ansteuerbaren Betätigungsorgane erzielt werden. Die Betätigungsorgane sind be­ vorzugt als elektrisch betätigbare Magnetelemente ausgebildet. Da unter alleiniger Verwendung solcher Bauelemente die erzielbaren Schließkräfte bei den geforder­ ten Durchflußquerschnitten und den bei Großdieselapplikationen geförderten Kraftstoffeinspritzmengen nicht ausreichend sind, sind die das Steuerteil bewe­ genden Betätigungsorgane von Kraftspeichern unterstützt. Dadurch lassen sich die Schließkräfte erhöhen und die Schließzeiten drastisch verkürzen. In Kombination mit dem bei höheren Drehzahlen geforderten geringeren Einspritzmengen lassen sich die Einspritzparameter bei Großdieselapplikationen exakt auf die dort gefor­ derten Anforderungen einstellen.
Durch unterschiedliche Durchmesserausführung von Zylinder und Schließkörper am im Gehäuse bewegbar ausgeführten Steuerteil läßt sich durch die auf den grö­ ßeren Durchmesser des Schließkörpers in Zusammenwirken mit dem rücklaufsei­ tigen Kraftspeicher ein definiertes Ende des Förderns aus dem Pumpraum errei­ chen, der durch Anschlag des Schließkörpers an dem diesem zugeordneten An­ schlag in der gehäuseseitigen Bohrung wieder mit der Hochdruckleitung verbun­ den werden kann.
Im Steuerteil ist eine Durchgangsbohrung ausgebildet, die über Öffnungen im Steuerteil jeweils mit dem die Kraftspeicher aufnehmenden Hohlräumen in Ver­ bindung steht. Die Durchgangsbohrung leitet überschüssigen Kraftstoff über die Rücklaufleitung in den Kraftstoffvorratstank zurück; einem das Steuerteil im Ge­ häuse der Steuereinheit umgebendem Saugraum ist eine Überströmleitung zuge­ ordnet, die bei zu hohen auftretenden Systemdrücken - abgesichert durch ein Rückschlagventil angeordnet vor dem Vorratstank - die Steuereinheit vor Scha­ den bewahrt.
Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung eingehend beschrieben.
Die einzige Figur zeigt den Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Ausfüh­ rungsvariante des 2/2-Wege-Ventils für Großdieselapplikationen, welches in dem es umschließenden Gehäuse durch zwei kraftspeicherunterstützte Betätigungsor­ gane angesteuert wird.
Ausführungsvariante
In der Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Steuereinheit als 2/2-Wege-Ventil sind dem das Steuerteil 1 umgebenden Gehäuse 29 an den Enden des Steuerteils 1 jeweils Betätigungsorgane 2 und 3 zugeordnet. Diese Be­ tätigungsorgane 2, 3 sind vorzugsweise als Magnetelemente ausgebildet und über eine Steuereinheit 12 jeweils individuell ansteuerbar; zu diesem Zwecke dienen die beiden Steuerleitungen 15 und 16.
Das Steuergehäuse 29 des 2/2-Wege-Ventils ist als eine kompakte Einheit ausge­ bildet, das von einer Gehäusebohrung 32 durchzogen ist. In die Gehäuseboh­ rung 32 ist ein Steuerventil eingelassen, welches vorzugsweise als Steuerschieber ausgebildet ist. Das Gehäuse 29 kann aus preiswertem Material hergestellt sein, während das Steuerteil 1 an sich aus hochwertigem Material besteht. Die beiden Paßflächen der Gehäusebohrung 32 des Gehäuses 29 und die Außenfläche des Steuerteils 1 sind mit engen Toleranzen ausgeführt, so daß die Überströmleckage­ verluste bei der Relativbewegung des Steuerteils 1 in der Gehäusebohrung 32 auf ein Minimum beschränkt bleiben. In das Gehäuse 29 des 2/2-Wege-Ventils sind weiterhin eine Bohrung 30 eingelassen, welche die Gehäusebohrung 32 mit einer Einspritzdüse 11 verbindet. Aus Gründen der Vereinfachung ist hier lediglich eine Einspritzdüse 11 dargestellt. Ferner ist im Gehäuse 29 ein Pumpenraum 9 vorge­ sehen, der ebenfalls mit der das Gehäuse 29 durchsetzenden Gehäusebohrung 32 in Verbindung steht. Seitlich am Gehäuse 29 des 2/2-Wege-Ventils sind Flansche angebracht, die jeweils bei gegen die Flansche verspannten Betätigungselemen­ te 2, 3 Hohlräume 17 bzw. 19 ausbilden. In den beiden Hohlräumen 17 bzw. 19 sind Ankerplatten 18 bzw. 20 aufgenommen, die mit den vorzugsweise als Elek­ tromagneten ausgebildeten Betätigungsorgane 2, 3 zusammenwirken. Die Anker­ platten 18 bzw. 20 sind mit den Enden des Steuerteils 1 verschraubt, wobei die Schrauben eine Durchgangsbohrung 33 im Steuerteil 1 nach beiden Enden hin abdichtet.
An der Gehäusebohrung 32 ist ferner ein Saugraum 10 ausgebildet, der einen Be­ reich der Gehäusebohrung 32 ringförmig erweitert. In den ringförmig ausgebilde­ ten Saugraum 10 mündet eine Hochdruckleitung 25. In der Hochdruckleitung 25 steht der durch eine Hochdruckpumpe 24 aus dem Tank 23 geförderte Kraftstoff an, um nach Freigabe des Saugraumes 10 durch den Schließkörper 13 in den Pumpenraum 9 bzw. die Bohrung 30 im Gehäuse 29 einzuströmen. Der Sau­ graum 10 steht des weiteren mit einer Überströmleitung 27 in Verbindung, die durch ein Rückschlagventil 26 abgesichert, in den Tank 23 mündet. Mittels der Uberströmleitung 27 kann das 2/2-Wege-Ventil durch einen im Rückschlagven­ til 29 einstellbaren Auslösedruck gegen Beschädigung bei Druckspitzen gesichert werden.
Im Gehäuse 29 des 2/2-Wege-Ventils ist ferner eine drucklose Rücklaufleitung 22 ausgebildet, über welche überschüssiger Kraftstoff wieder in den Vorratstank 23 zurückströmen kann und von dort via Hochdruckpumpe 24 wieder in die Hoch­ druckleitung 25 gefördert werden kann.
In den Endbereichen der Gehäusebohrung 32 sind im Durchmesser etwas vergrö­ ßerte Ausnehmungen vorgesehen, die jeweils einen Kraftspeicher 4, 5 aufnehmen, vorzugsweise in der Form einer Schraubenfeder. Die Kraftspeicher 4, 5 stützen sich einerseits am Gehäuse 29 des 2/2-Wege-Ventils ab und liegen andererseits an den Ringflächen von am Steuerteil 1 ausgebildeten Zylinder 14 und Schließkör­ per 13 an. Der Zylinder 14 ist in einem etwas geringeren Durchmesser 14.1 ausge­ führt, verglichen mit dem Durchmesser 13.1 des Schließkörpers 13. Der Schließ­ körper 13 umfaßt eine Stellfläche 28, die mit einem Ventilsitz 6, der am Gehäu­ se 29 vorgesehen ist, zusammenwirkt. Die Steuerfläche 28 ist vorzugsweise als sich auf den drucklosen Rücklauf 22 hin verjüngende Kegelfläche am Steuerteil 1 ausgebildet, beispielsweise als Konus oder Kegelstumpf.
Der Hubweg des als Schließkörper 13 fungierenden Zylinders mit Kegel­ stumpfauslauf 28 wird einerseits durch den Ventilsitz 6 am Gehäuse 29 des 2/2-Wege-Ventils begrenzt, andererseits durch den Anschlag 7 einer in die Ge­ häusebohrung 32 eingelassenen Hülse 8. Zwischen den Anschlägen 6 und 7 kann der Stellweg eingestellt werden, der bei Großdieselapplikationen größer als 0,3 mm liegt.
Das Steuerteil 1 ist von einer Durchgangsbohrung 33 durchzogen, die jeweils durch die die Ankerplatten 18 bzw. 20 befestigenden Schrauben an den Enden des Steuerteils 1 abgedichtet ist. Die Durchgangsbohrung 33 steht über Öffnun­ gen 34, 35 jeweils mit den die Kraftspeicher 4, 5 beherbergenden Hohlräumen in Verbindung. Abströmender Kraftstoff gelangt über den Passungsspalt zwischen Schließkörper 13 und Gehäusebohrung 32 in den Hohlraum, der sich um den Kraftspeicher 5 erstreckt. Über die Öffnung 35 und die Durchgangsbohrung 33 strömt der Kraftstoff in den den Kraftspeicher 4 auf der Rücklaufseite umgeben­ den Hohlraum, in den der Rücklauf 22 in den Tank 23 mündet und in den der Kraftstoff zurückströmen kann.
Die Wirkungsweise des 2/2-Wege-Ventils stellt sich wie folgt dar. Die Kraftspei­ cher 4, 5 sind so dimensioniert, daß bei nicht bestromten Magneten 2, 3 der Schließkörper 13 in seiner freigegebenen Stellung verbleibt. Bei niedrigen Dreh­ zahlen erfolgt keine Einspritzung, bei höher liegenden Drehzahlen und nicht be­ stromten Magneten 2, 3 wird das Befüllen des Pumpenraum 9 mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff durch den sich zwischen Ventilsitz 6 und Schaltflä­ che 28 einstellenden Ringspalts einstellenden Drosselwirkung so beeinträchtigt, daß nur sehr kleine Mengen oder gar kein Kraftstoff zur Einspritzdüse 11 geför­ dert wird.
Bei normalem Betrieb des 2/2-Wege-Ventils hingegen wird durch die Steuerein­ heit 12 via Steuerleitung 15 und Magnet 3 bestromt, so daß das Steuerteil 1 auf den Anschlag 7 hinbewegt wird und den Kraftspeicher 5 vorspannt. Dadurch wird der Ringspalt zwischen Ventilsitz 6 und Steuerfläche 28 freigegeben, der Pum­ penraum 9 füllt sich mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff. Beim Pumpen­ förderbeginn wird die Bestromung des Magneten 3 via Steuerleitung 15 durch die Steuereinheit 12 beendet, während der Magnet 2 auf der rücklaufseitigen Seite des Steuerteils 1 bestromt wird. Der Bestromungswechsel vollzieht sich im Zeitraum von etwa 1 ms.
Die Entspannung des Kraftspeichers 5 unterstützt das Verschließen des Ringspalts zwischen Ventilsitz 6 und Steuerfläche 28, so daß sich eine schneller ablaufende Schließbewegung selbst bei Hubwegen die größer als 0,3 mm liegen, wie bei Großdieselapplikationen die Regel, einstellt. Somit lassen sich auch längere Hub­ wege bei höheren Drehzahlen innerhalb kürzester Zeit zurücklegen und die erfor­ derlichen Schließkräfte wirksam aufbringen.
Wird hingegen der Magnet 3 wieder durch die Steuereinheit 12 bestromt - etwa bei Förderende - wird der Magnet 2 deaktiviert. Durch den Kraftspeicher 4 und die hydraulische Kraft entgegen des Kraftspeichers 5, bewegt sich der Schließ­ körper 13 gegen den Anschlag 7, der in die Gehäusebohrung 32 eingelassen Hül­ se 8. Diese Verfahrbewegung wird noch dadurch unterstützt, daß der Durchmes­ ser 13.1 des Schließkörpers 13 etwas größer bemessen ist als der Durchmes­ ser 14.1 des Zylinders 14 am Steuerteil 1. Dadurch stellen sich in der Summe die Kraft des Kraftspeichers 5 überwiegende Kräfte ein.
Das Öffnen und Schließen des Steuerteils 1 läßt sich durch die Steuereinheit 12 durch die Analyse des Steuerstromes bzw. der Steuerspannung erkennen. Damit läßt sich ohne zusätzliche Komponenten eine einfache Funktionsdiagnose durch­ führen, ferner läßt sich der Spritzbeginn dem oberen Totpunkt des Zylinders einer Brennkraftmaschine exakt zuordnen. Auch die Einspritzmenge kann durch den Öffnungsgrad des Steuerteils 1 wirksam vorherbestimmt werden. Damit steht eine elektronische Überwachung des Förderbeginns und des Förderendes eines Ein­ spritzsystems zur Verfügung. Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung für ein 2/2-Wege-Ventil mit längeren Hubwegen für Großdieselapplikationen las­ sen sich die Schaltzeiten drastisch verkürzen und die Einspritzmengen an der Ein­ spritzdüse genauestens dosieren.
Bezugszeichenliste
1
Steuerteil
2
Magnet
3
Magnet
4
Kraftspeicher
5
Kraftspeicher
6
Ventilsitz
7
Hubanschlag
8
Hülse
9
Pumpenraum
10
Saugraum
11
Einspritzdüse
12
Steuereinheit
13
Schließkörper
13.1
Durchmesser Schließkörper
14
Zylinder
14.1
Durchmesser Zylinder
15
Ansteuerleitung
16
Ansteuerleitung
17
Hohlraum
18
Ankerplatte
19
Hohlraum
20
Ankerplatte
21
Hohlraum
22
Rücklauf
23
Vorratstank
24
Hochdruckpumpe
25
Hochdruckleitung
26
Rückschlagventil
27
Überströmleitung
28
Steuerfläche
29
Gehäuse
30
Bohrung
31
Gewinde
32
Gehäusebohrung
33
Durchgangsbohrung
34
Öffnung
35
Öffnung

Claims (11)

1. Steuereinheit für ein Einspritzsystem für Kraftstoff mit einem Steuer­ teil (1), welches zwischen einem Ventilsitz (6) und einer Anschlagflä­ che (7) einer Bohrung (32) im Gehäuse (29) bewegbar ist und eine Hoch­ druckleitung (25) in die das Gehäuse (29) durchsetzende, das Steuerteil (1) aufnehmende Bohrung (32) mündet, dadurch gekennzeichnet, daß eine dem Ventilsitz (6) gegenüberliegende Steuerfläche (28) des Steuerteils (1) im höheren Drehzahlbereich als Drosselelement für die Befüllung eines Pumpenraum (9) dient.
2. Steuereinheit für ein Einspritzsystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Steuerteil (1) im Gehäuse (29) durch zwei ansteuerbare Betätigungsorgane (2, 3) bewegt wird.
3. Steuereinheit für ein Einspritzsystem gemäß Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Betätigungsorgane (2, 3) über eine Steuereinheit (12) in­ dividuell ansteuerbar sind.
4. Steuereinheit für ein Einspritzsystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Bewegung des Steuerteils (1) durch zwei den Betäti­ gungsorganen (2, 3) des Steuerteils (1) zugeordnete Kraftspeicher (4, 5) unterstützt wird.
5. Steuereinheit für ein Einspritzsystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Steuerteil (1) mit einem Schließkörper (13) und einem Zylinder (14) versehen ist.
6. Steuereinheit für ein Einspritzsystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hochdruckleitung (25) in einem ringförmig das Steuer­ teil (1) umgebenden Saugraum (10) mündet.
7. Steuereinheit für ein Einspritzsystem gemäß der Ansprüche 4 und 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kraftspeicher (4, 5) auf die Endflächen von Schließkörper (13) und Zylinder (14) einwirken.
8. Steuereinheit für ein Einspritzsystem gemäß Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Durchmesser (13.1) des Schließkörpers (13) größer als der Durchmesser (14.1) des Zylinders (14) bemessen ist.
9. Steuereinheit für ein Einspritzsystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuerfläche (28) des Steuerteils (1) in Schließrichtung gesehen mit abnehmendem Querschnitt ausgeführt ist.
10. Steuereinheit für ein Einspritzsystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Steuerteil (1) mit einer dieses durchsetzenden Durch­ gangsbohrung (33) versehen ist, die über Öffnungen (34, 35) mit einem der Kraftspeicher (4, 5) umgebenden Hohlraum (21) der Bohrung (32) in Verbindung steht.
11. Steuereinheit für ein Einspritzsystem gemäß Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß einer der die Kraftspeicher (4, 5) aufnehmenden Hohl­ räume (21) der Bohrung (32) mit der Rücklaufleitung (22) in den Vorrat­ stank (23) verbunden ist.
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