DE2046182A1

DE2046182A1 - Kraftstoffeinspritzeinrichtung fur mehrzylindnge Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2046182A1
Application number: DE19702046182
Authority: DE
Inventors: Hans 7000 Stuttgart Sturmer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1970-09-18
Filing date: 1970-09-18
Publication date: 1972-03-23
Also published as: GB1364561A; FR2107690A5

Description

R. 9969
10.9.1970 Lr/pa

Anlage zur
Patent- "äset
i·

BOBERO) BOSCH GMBH, Stuttgart

Kraftstoffeinspritzeinrichtung für mehrzylindrige Brennkraft-, maschinen

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung für a mehrzylindrige Brennkraftmaschinen mit periodischem Kraftstoffdruck von mehr als 10 atü. Diese Einspritzeinrichtung hat den Vorteil, daß die vereinfachend als Ventil-Verteilerpumpe bezeichnete Einspritzpumpe auch bei Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen nur einen einzigen, im Gegensatz zu anderen System nicht drehenden Kolben aufzuweisen braucht * der bei jedem Druckhub an einen anderen der Zylinder Kraftstoff unter einem Druck zu liefern vermag, der weit über beispielsweise 50 &tü liegen kann und sich daher auch ζχχτ Einspritzung von Piesslöl in Dieselbrennkraftmaschinen eignet.

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Die während eines einzelnen Druckhubes geförderte Kraftstoffmenge ist für diese Art der Einspritzung größer gewählt als der beim Betrieb der Brennkraftmaschine auftretende Kraftstoff-. bedarf für einen der Zylinder. Zum Verteilen, Dosieren und zeitgereichten Einspritzen des Kraftstoffs an den einzelnen Zylindern sind ausschließlich elektromagnetische Ventile geringer Leistung und großer Ansprechgeschwindigkeit vorgesehen, die unmittelbar elektronisch gesteuert werden können. Dadurch erhält die Pumpe einen sehr einfachen, mechanisch unkomplizierten Aufbau und kann ohne eigene Nockenwelle direkt von einem Nocken auf der Kurbelwelle angetrieben werden. Abweichend von eigenen älteren Vorschlägen kann eine zum Verteilen des Kraftstoffs dienende Anzahl von elektromagnetischen Verteilerventilen am Auslaß der Einspritzpumpe angeordnet und zum Zurückführen des vor Spritzbeginn geförderten Kraftstoffes ein gleichartig ausgebildetes Rücklaufventil vorgesehai sein. Der Kraftstoff tritt beim Saughub des Pumpenkolbens von einem Saugraum in den Pumpenzylinder ein und wird beim Förderhub zunächst durch das offene Rücklaufventil über eine Rücklaufleitung zum Kraftstoffvorratsbehälter oder in den Saugraum gedrückt. Während dieses Fördervorgangs ist von den Verteilerventilen nur dasjenige geöffnet, daß zu demjenigen Zylinder gehört, der als nächster mit Kraftstoff versorgt werden soll. Die Einspritzung an diesem Zylinder erfolgt jedoch erst dann, wenn durch einen Impuls eines elektronischen Steuergerätes das Rücklaufventil geschlossen wird, so daß die weitere Förderung durch das eine offene Verteilerventil in eine Einspritzleitung zur zugehörigen Einspritzdüse erfolgt. Dort wird solange abgespritzt, bis auch das offene Verteilerventil durch einen zweiten, vom Steuergerät gelieferten Steuerimpuls geschlossen wird. In Anpassung an die jeweils vorherrschenden Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine bestimmt also der erste Impuls den Spritzbeginn und der veränderbare zeitliche Abstand zwischen

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beiden Impulsen die Dauer des Einspritzvorgangs und demzufolge denjenigen Teil der geförderten Kraftstoffmenge, welcher zur Einspritzung gelangt. Die im Überschuß von dem mit konstantem Hub arbeitenden Pumpenkolben geförderte Kraftstoffmenge kann in einem Speicherraum aufgenommen werden, der durch einen federbelasteten Speicherkolben begrenzt ist, und beim nächsten Saughub der Einspritzpumpe aus dem Speicherraum wieder abgegeben werden, wobei es möglich ist, anstelle eines Federspeichers auch einen Gasdruckspeicher mit Trennmembran zu _t verwenden. Anstelle des Speichers kann auch ein nicht dargestelltes Überströmventil treten. Die einzelnen Verteilerventile werden nacheinander in der durch die Arbeitstakte ihrer zugehörigen Zylinder festgelegten Folge geöffnet. Bei vielzylindrigen Motoren können gleichzeitg arbeitende Zylinder an einem einzigen Verteilerventil zusammengefaßt und von diesem ■versorgt werden.

Für eine zuverlässige Steuerung der Ventile durch ein elektronisches Steuergerät und für die genaue Zumessung des Kraftstoffs ist es notwendig, daß die Magnetventile sehr rasch und mit kleiner Erregerleistung ansprechen. Außerdem ist es notwendig, daß die Magnetventile im Hinblick auf Hochdruckein- J spritzung mit Druckwerten bis 1000 atü entweder eine druckfeste Spule oder aber eine Spule haben, die dem Kraftstoffdruck nicht ausgesetzt ist.

Zur LösjSung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß zur Förderung des Kraftstoffes eine einzylindrige Hubkolbenpumpe mit Überschußspeicher oder Überströmventil dient, die Verteilung des Kraftstoffes durch elektromagnetische Verteilerventile in bzw. vor den Kraftstoffleitungen zu den Zylindern erfolgt, von denen jeweils eines vor oder mit Beginn der Förderung geöffnet wird, der Spritzbeginn durch Schliessen

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eines Rücklaufνentiles in bzw. vor der Rücklaufleitung ausgelöst wird, das Ende der Einspritzung durch Schliessen des betreffenden Verteilerventils herbeigeführt wird und der überschüssige Kraftstoff von einem Speicher aufgenommen oder über ein Überströmventil abgeführt wird.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn in Weiterbildung der Erfindung die elektromagnetisch betätigbaren Verteilerventile als Sperrventile ausgebildetet sind und eine bei ihrer Betätigung unter Ausnutzung des Kraftstoffdrucks sich einstellende Selbstverstärkung der Schließbewegung auf v/eisen.

Um eine hohe Selbstverstärkung zu erzielen, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß in den Ventilen die Schließflächen am Ventilsitz und an einem Ventilteller als Planflächen mit relativ großem Durchmesser ausgebildet sind. Darüber hinaus ist weiterhin vorgesehen, daß der geförderte Kraftstoff von außen nach innen durch den zwischen dem Ventilsitz und seinem zugehörigen Ventilteller geöffneten Planspalt fließen kann, wobei entsprechend der Geschwindigkeitszunahme eine Abnahme des statischen Drucks auftritt, während auf der" Rückseite des Ventiltellers der volle statische Druck erhalten bleibt. Wenn der Elektromagnet des Ventils den Ventilteller anzieht und dabei dem Ventilsitz näher bringt, so verengt sich der Spalt zwischen Ventilsitz und Ventilteller, die Strömungsgeschwindigkeit und der Überdruck auf der Rückseite des Ventiltellers steigen an und forcieren dadurch die Schließbewegung. Es kann daher in vielen Fällen bereits ausreichend sein, dem Elektromagneten zur Einleitung der Schließbewegung einen kurzen starken Stromimpuls zu geben, während die Schließbewegung selbst durch die SelbstverStärkung vollzogen wird. Ein solcher Schließimpuls kann in Form einer Kondensatorentladung gewonnen werden.

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Besonders kleine Erregerleistungen bei verhältnismäßig großen magnetischen Zugkräften lassen sich erzielen, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung der Elektromagnet der Ventile als Topfmagnet ausgebildet ist. Dies bietet einerseits den oben geschilderten Vorteil einer großen hydraulischen Schließfläche am Ventilsitz und Ventilteller und andererseits ergeben sich bei geringer Masse und kleinem Schließweg des Ventiltellers zwei Polflächen, nämlich eine äußere und eine innere, durch welche die Schließkraft erheblich vergrößert werden kann. Außerdem ergeben die geläppten Planflächen am Ventilteller und am Ventilsitz absolute Dichtheit im Gegensatz zu Ventilen mit spielbehafteten Zylinderpassungen. Vorteilhafte Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung der in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiele. Es zeigen jeweils in ihrem axialen Längsschnitt:

Fig. 1 eine Speicherpumpe mit mehreren Verteilerventilen und einem Rücklaufventil,

Fig. 2 eines dieser Ventile und

Fig. 3 eine abgewandelte Ausfühnmgsform eines solchen Ventils,

Fig. 4- eine weitere Ausführugsform eines Sperrventils, welches jedoch im Gegensatz zu den Ausführungsbeispielen nach Fig. 2 und 3 mit einem Öffnermagnet ausgerüstet ist und

Fig. 5 eine Ventilverteilerpumpe mit Verteilerventilen einer weiteren Ausführungsform.

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Die Speicherpumpe nach Fig. 1 enthält in ihrem Gehäuse 10 einen eiigesetzten Pumpenzylinder 11, in dessen f einstbearbeitet er Längsbohrung 12 ein eingeläppter Pumpenkolben 13 längsverschiebbar geführt ist und von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine derart angetrieben wird, daß er während jeder Kurbelwellenumdrehung zweimal einen mit einem Pfeil angedeuteten Druckhub ausführt. Der mit seinem Flansch 14 gegen das Gehäuse· 10 abgestützte Pumpenzylinder 11 liegt stirnseitig über einen Dichtring 15 gegen eine Einspannschulter 16 in dem auf das Pumpengehäuse 10 aufgesetzten Verteilerkopf 18 an und mündet in eine Verteilerkammer 19 ein. In die freie Stirnfläche 21 des Verteilerkopfes ist gleichachsig mit der Zylinderbohung 11 ein Stauraum 22 und ein gleichachsig zu diesem liegendes Muttergewinde 23 für ein Rücklaufventil 24 eingearbeitet. Das Rücklaufventil ist an eine Rücklaufleitung 25 angeschlossen, die zu einem nicht dargestellten Vorratsbehälter für den Kraftstoff führt.

In gleichem radialen Abstand und gleichmäßig entlang dem Umfang des Verteilerkopfes verteilt sind außerdem vier Verteilerventile 28 angeordnet, von denen in Fig. 1 nur eines dargestellt ist. Jedes dieser Verteilerventile ist einem der vier Zylinder der Brennkraftmaschine zugeordnet und steht mit einer zu diesem Zylinder gehörenden, in der Zeichnung nicht dargestellten Einspritzdüse über eine Kraftstoffzuführleitung 29 in Verbindung. Für jedes der Verteilerventile ist gleichachsig zur Zylinderbohrung 12 eine Staukammer 30 und eine zu dieser gleichachsige Gewindebohrung 31 vorgesehen. Die in diese Gewindebohrung schraubbaren Verteilerventile 28 können ebenso wie das zentral angeordnete Rücklaufventil 24 einen Aufbau gemäß Fig. 2 oder 3 haben.

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Das in Fig. 2 dargestellte Sperrventil enthält in seinem aus Weicheisen hergestellten Gehäusemantel 33 eine zentral angeordnete Erregerspule 34, welche den zentralen, mit dem Gehäusemantel 33 einstückig verbundenen Kern 35 umgibt. Die topfförmige Gestalt des die magnetischen Kraftlinien führenden Magnetgestelles wird ergänzt durch ein den Matel 33 mit dem Kern verbindendes, nach außen flanscharitg verbreitertes Jochstück, das an seiner Umfangsflache als Sechskant 37 ausgebildet ist. In Verlängerung des Kerns 35 ist ein Schraubnippel 38 für den Anschluß einer Düsenzuführleitung 29 oder einer Rücklaufleitung 25 vorgesehen. Um die Erregerspule 34 gegen den hohen Kraftstoffdruck zu schützen, ist ein im Querschnitt schwach trapezförmiger Abschlußring 39 aus magnetisch nichtleitendem und elektrisch schlecht leitendem Material vorgesehen, gegen welchen die über das Schraubengewinde 40 vorstehende Randzone des Mantels verstemmt und die Bohrung an der Stirnzone 42 aufgeweitet ist. Diese beiden Randzonen sind stirnseitig plangeschliffen und bilden eine innere Polfläche 43 und eine äußere Polfläche 44. Diese dienen gleichzeitig als.Ventilsitz und stehen einem aus magnetisch leitendem Werkstoff hergestellten Ventilteller 45 gegenüber, welcher an seiner die beiden Polflächen überdeckenden Ringzone plangeschliffen ist. Sobald durch die Erregerspule ein von einem nichtdargestellten Steuergerät gelieferter Strom fließt, wird der Ventilteller vom Topfmagneten angezogen und versperrt dann dem vom Pumpenkolben geförderten Kraftstoff, der aus der Verteilerkammer in die Staukammern 30 bzw. die Staukammer 22 des Rücklaufventils durch Schrägbohrungen 46 bzw. 47 gelangt ist, den Durchtritt zu der den Kern 35 durchsetzenden Zentralbohrung 48. Während der Schließbewegung entsteht infolge der vom Tellerrand zur Zentralbohrung 48 gerichteten Strömung eine erhebliche Selbstverstärkung, welche einen schlagartigen Abschluß des Ventils herbeiführt.

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Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ventil wird der Ventilteller 4-5 nicht durch Federkraft sondern durch einen ringförmigen Haltemagnet 4-9 geöffnet, welcher bei stromloser Erregerwicklung den Ventilteller von den Polflächen abhebt und dadurch das Ventil offenhält, bis der nächste Schließimpuls auf die Erregerspule gegeben wird.

Das in Fig. 3 dargestellte Sperrventil ist gegenüber dem vorher beschriebenen dadurch verbessert, daß es als Ringventil ausgeführt ist. Bei dieser Ausführungsform kann der Durchfluß des Kraftstoffs in der mit Pfeilen ausgedeuteten Weise sowohl über den Außenrand 51 als auch über den Innenrand 52 des ringförmig ausgebildeten Tellerventils 53 erfolgen. Hierdurch ist es möglich, den Spalt kleiner als bei dem vorher beschriebenen Tellerventil zu halten. Auch wird die hydraulisch beaufschlagte Fläche und demzufolge die hydraulische Schließkraft in offenem Zustand kleiner, so daß die von einem ebenfalls ringförmig ausgebildeten Dauermagneten 55 oder durch eine nicht dargestellte Druckfeder bereitgestellte Rückstellkraft schwächer gewählt werden kann.

Dies wiederum ermöglicht es für den nur* auschnittsweise wiedergegebenen, aus der Spule 56» dem Polkern 57 und dem Polring

58 spwie dem als Rückschluß dienenden Gehäuse 59 bestehenden Topfmagneten kleinere Abmessungen vorzusehen und demzufolge einen schnelleren Stromanstieg in der Spule 56 zuzulassen. Ebenso trägt die geringere Masse des Ventilrings 53 zum rascheren Schließen des Ventils bei. Der bei offenem Ventil über den Ringspalt in einen Ringraum 60 zwischen der Strinzone der Gehäusewand und dem Polring 58 gelangende Kraftstoff fließt über Radialnuten 61, mit diesen verbundene Querbohrung 62 sowie über die bis zu diesen Querborhungen reichende zentrale Längsbohrung 63 im Polkern 57 ab.

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Für den Zutritt des Kraftstoffs zum Innenrand 52 des Ventiltellers 53 ist der Haltemagnet 55 an seiner strinfläche mit radial verlaufenden Nuten 64 versehen. In der dargestellten Ausführungsform erfolgt die Zentrierung des Ventilrings 53 durch die jeweiligen Magnetkräfte. Erforderlichenfalls ist es Jedoch ohne weiteres möglich, äußere axiale in der Zeichnung nicht wiedergegebene Führungsstifte vorzusehen. ·

Im Gegensatz zu den seither beschriebenen Ausführungsbeispielen nach Fig. 2 und 3 wird bei dem Magnetventil nach Fig. 4 der Ventilteller 67 vom dem als öffner ausgebildeten Topfmagneten gegen die Kraft einer Schließfeder 68 jeweils in drucklosem Zustand auf den Durchfluß-Spalt S geöffnet; und dann bis zum AbschaltZeitpunkt des die Magnetspule 69 durchfließenden Haltestromes offengehalten. Wenn kein Haltestrom fließt, schließt das Ventil unter dem Einfluß der Schließfeder 68 und der hydraulischen Schließkraft des Kraftstoffs. Der den Ventilsitz ergebende Ring 70 wird vorteilhafterweise aus magnetisch nicht leitendem Werkstoff hergestellt. Der Zufluß des Kraftstoffs zum Ventilsitz erfolgt Jeweils über eine Zentralbohrung 71 und eine Schrägbohrung 72 im Verteilerkopf 73 der Pumpe.

Gegenüber den Ausführungsbeispielen nach Fig. 2 und 3 bringt das Magnetventil nach Fig. 4 den Vorteil mit sich, daß die magnetischen Kräfte wesentlich schwächer sein können, weil die Schließfeder 68 nicht nach dem hydraulischen Schließdruck bemessen zu werden braucht und der Ventilteller 67 nur im ange- . < zogenen, also luftspaltlosen Zustand gegen die hydraulische Schließkraft gehalten werden muß. Allerdings ist eine niedrigere Schließgeschwindigkeit als bei den vorher behandelten Magnetventilen zu erwarten·

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Bei der Ventilverteilerpumpe nach Fig. 5 ist der Pumpenkolben 80 in einem eingesetzten Pumpenzylinder 81 geführt, der an seinem stirnseitigen Ende ein Druckventil 82 mit Entlastug aufweist, dessen Ventilschaft 83 in Pumpenzylinder geführt ist. Das Druckventil 82 steht unter dem Druck einer Schließfeder 84 und verhindert, daß während des.Saughubs des Pumpenkolbens 80 bereits im Verteilerraum 85 befindlicher Kraftstoff in den Pumpenzylinder zurückgesaugt wird.

Die Verteilerventile und das Rücklaufventil, von denen nur eines in seinem axialen Längschnitt wiedergegeben ist, sitzen in einer der Zahl der Zylinder der Brennkraftmaschine entsprechenden Anzahl mit gleichen Tangentialabständen im Verteilerkopf 86. Der Verteilerkopf 86 bildet jeweils einen Teil des magnetischen Pfades und gleichzeitig den äußeren Polring des Elektromagneten. Die Spule 87 und der Abschlußring 88 werden durch den Polkern 89, den Dichtring 90, der mit seiner plangeläppten Stirnseite gegen den Polkern anliegt, und durch den mit einem Einschraubgewinde 92 versehenen Anschlußnippel 93 gehalten. Das öffnen des Ventiltellers 94- wird von einer zentral angeordneten Druckfeder 95 bewirkt, und zwar jeweils im drucklosen Zustand des Ventils während des Saughubes des Pumpenkolbens 80. Die an der unteren Stirnfläche 96 und den einzelnen Polkernen 89 liegenden Dichtsitze können gemeinsam feinstgeschliffen werden. Der Topfmagnet wirkt bei diesem Ausführungsbeispiel ebenso wie bei denjenigen nach den Figuren 1 bis 3 als Schließmagnet und muß zum Einleiten der Schließbewegung die Kraft der Druckfeder 95 überwinden, welche nach der maximalen vom durchfließenden Kraftstoff ausgeübten hydraulischen Schließkraft bei offenem Ventil bemessen sein soll.

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Claims

Robert Bosch GmbH ' R. 9969 Lr/pa Stuttgart Ansprüche

1. Kraftstoffeinspritzeinrichtung für mehrzylindrige Brennkraftmaschinen mit periodischem Kraftstoffdruck von mehr als 10 atü, dadurch gekennzeichnet, daß zur Förderung des Kraftstoffes eine einzylindrige Hubkolbenpumpe mit über- i schußspeicher oder Überströmventil dient, die Verteilung des Kraftstoffes durch elektromagnetische Verteilerventile in bzw. vor den Kraftstoffleitungen zu den Zylindern erfolgt, von denen jeweils eines vor oder mit Beginn der Förderung geöffnet wird, der Spritzbeginn durch Schließen eines Rücklauf ventiles in bzw. vor der Rücklaufleitung ausgelöst wird, das Ende der Einspritzung durch Schließen des betreffenden Verteilerventils herbeigeführt wird und der überschüssige Kraftstoff von einem Speicher aufgenommen oder über ein nicht dargestelltes Überströmventil abgeführt wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetisch betätigbaren Ventile als Sperrventile ausgebildet sind und eine bei ihrer Betätigung unter Ausnutzung des Kraftstoffdrucks sich einstellende SelbstverStärkung der Schließbewegung aufweisen.

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3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile als im Ruhezustand offene Sperrventile (Fig. 1,2, 3 und 5) ausgebildet sind. '

4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3i dadurch gekennzeichnet, daß in den Ventilen die Schließflächen am Ventilsitz und an einem Ventilteller als Planflächen mit relativ großem Durchmesser ausgebildet sind.

5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff eine von, außen nach innen durch den zwischen dem Ventilsitz und seinem zugehörigen Ventilteller geöffneten Planspalt gehende Flußrichtung hat.

6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz zwei zueinander konzentrische, vorzugsweise zueinander plane Kreisringflächen (43» 44) um-

faßt.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreisringflächen (43, 44) gleichzeitig Polflächen deg Elektromagneten sind.

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8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß dem Elektromagneten zur Einleitung der Schließbewegung ein Stromimpuls zugeführt wird, der wesentlich kürzer als die beabsichtigte Schließdauer ist.

9· Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet der Ventile als Topfmagnet ausgebildet ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9? dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilteller (46) aus magnetisch leitendem Werkstoff besteht und daß seiner Rückseite ein die Offenstellung bewirkender, vorzugsweise ringförmiger Dauermagnet (49, 55) gegenübergestellt ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilteller (51) als Ringscheibe ausgebildet ist und daß die dem Ventilteller zugekehrte Stirnseite des Dauermagneten (55) mindestens eine Zulaufnut (64) für den Kraftstoff enthält.

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