DE2342109A1

DE2342109A1 - Elektromagnetisch gesteuertes kraftstoffeinspritzventil fuer brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2342109A1
Application number: DE19732342109
Authority: DE
Inventors: Guenter Kulke; Kurt Dipl Ing Dr Ziesche
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1973-08-21
Filing date: 1973-08-21
Publication date: 1975-02-27
Also published as: FR2241697B1; FR2241697A1; US3913537A; DE2342109C2; JPS5072020A; GB1481061A; JPS5743735B2

Description

20.7.1975 Ks/Ma

Anlage zur .'

Patent- und Gebrauchs-

musterhiIfsanme!dung

ROBERT BOSCH GMBH, Stuttgart

Elektromagnetisch gesteuertes Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromechanisch gesteuertes Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren,, mit einem elektromeehanisehen Wandler, insbesondere")zur Steuerung des Einspritzbeginns und einer in einer Bohrung des Ventilgehäuses dichtend geführten und unter der Kraftwirkung einer Ventilfeder stehenden Ventilnadel, durch deren Schliessglied ein mindestens eine Düsenöffnung steuernder Ventilsitz versehliessbar ist, und mit einem einen federnd nachgiebi-

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gen Speicherkolben aufweisenden Kraftstoffspeicher, dessen Speicherraum einerseits über eine Druckleitung mit einem dem Ventilsitz benachbarten Druckraum und andererseits über eine mit einem Rückschlagventil versehene Zulaufleitung mit einer die pro Arbeitstakt benötigte Kraftstoffeinspritzmenge in den Speicherraum vorlagernden Zumeßpumpe verbunden ist.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird als elektromechanischer Wandler zur Steuerung des Einspritzbeginns ein Elektromagnet benutzt und beschrieben. Anstelle dieses Elektromagneten können aber auch elektromechanische Wandler eingesetzt werden, die piezoelektrisch oder magnetostriktiv arbeiten.

-Kraftstoffeinspritzventile der eingangs genannten Bauart sind besonders für die Einspritzung mit hohen Einspritzdrücken geeignet und erlauben es, den Einspritzbeginn auch in einem grossen Drehzahlbereich willkürlich zu steuern, ohne dass hierzu aufwendige und mechanisch hochbelastete Teile benötigt v/erden. Da bei diesen bekannten Kraftstoffeinspritzventilen der zur Steuerung des Einspritzbeginns dienende Elektromagnet einen 'Ventilschieber in der Druckleitung zwischen dem Kraftstoffspeicher und dem Druckraum der Einspritzdüse steuert, öffnet die Ventilnadel aufgrund ihrer vom Kraftstoffdruck beaufschlagten Druckschulter entgegen der Kraftwirkung der Ventilfeder mit einer gegenüber dem Öffnungsimpuls zeitlichen Verzögerung, die durch die Ansprechzeit des Elektromagneten, den Schaltweg des Steuerschiebers und die Drosselung an den Steuerquerschnitten verursacht wird. Diese Verzögerung ist auch sehr

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stark von den Fertigungstoler.anzen abhängig, so dass bei Mehrzylinder-Einspritzmotoren eine Gleichstellung aller Kraftstoffeinspritzventile zu grossen Schwierigkeiten führt.

Der Nachteil der indirekten, d.h. hydraulischen Betätigung der Ventilnadel könnte durch eine direkte Betätigung der Ventilnadel durch den Elektromagneten behoben werden. Solche Einspritzventile sind bei der Benzineinspritzung bereits in sehr grossen Stückzahlen in Verwendung. Sie eignen sich aber nicht für die Kraftstoffeinspritzung mit sehr hohen Einspritzdrücken (bis zu 1000 bar), denn bei der bekannten Konstruktion der elektromagnetisch gesteuerten Kraftstoffeinspritzventile muss der Elektromagnet eine der Ventilsitzfläche entsprechende und vom Kraftstoffdruck abhängige Schliesskraft bei der Betätigung der Ventilnadel überwinden, wozu sehr starke Elektromagneten notwendig werden, die dann aufgrund ihres grossen Bauraumes zu Einbauschwierigkeiten führen würden und ausserdem einen z.B. für den Kraftfahrzeugbetrieb unzulässig hohen Stromverbrauch hätten. Desweiteren bereitet die bekannte Anlage Schwierigkeiten bei der Gestaltung des Einspritzverlaufs. Bei Untersuchungen zur Verbesserung des Abgasverhaltens von Dieselmotoren hat es sich herausgestellt, dass die Gestaltung des Einspritzverlaufs, d.h. der zeitliche Ablauf des Spritzbeginns und des Spritzendes, einen grossen Einfluss auf den Verbrennungsablauf und damit auf die Bildung von giftigen Bestandteilen in den Abgasen hat.

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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die vorerwähnten Nachteile zu beseitigen und ein elektromechanisch gesteuertes Kraftstoffeinspritzventil zu schaffen, das mit möglichst geringer Verzögerung öffnet, ein schnelles Schliessende ermöglicht und eine Beeinflussung des Einspritzverlaufs erlaubt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass gleichachsig zur Ventilnadel ein dichtend in einer Bohrung des Ventilgehäuses geführter Kraftausgleichskolben und ein Betätigungsglied des elektromechanischen Wandlers angeordnet und kraftschlüssig mit der Ventilnadel verbunden sind, dass ferner das eine Ende des Kraftausgleichskolbens druckentlastet und das andere Ende von dem im Speicherraum des Kraftstoffspeichers herrschenden Druck des Kraftstoffes beaufschlagt ist und die dem Durchmesser des Kraftausgleichkolbens entsprechende Querschnittsflache so bemessen ist, dass bei geschlossenem Ventilsitz die in öffnungs- und Schliessriehtung auf die Ventilnadel einwirkenden hydraulischen Kräfte gleich oder mindestens annähernd gleich sind, und dass schliesslich die in Schliessriehtung auf die Ventilnadel einwirkenden Kräfte durch eine von dem bei Einspritzende in seiner Ausgangsstellung gelangenden Speicherkolben mindestens mittelbar erzeugte Zusatzkraft verstärkbar sind. Aufgrund der vorgenannten Merkmalskombination benötigt der elektromechanische Wandler nur eine sehr einfache Steuerschaltung zur Betätigung der Ventilnadel im öffnungssinne. Der bei geschlossenem Einspritzventil auf die Ventilnadel einwirkende hydraulische Druck ist durch den Kraftausgleichskolben ausgeglichen oder mindestens teilweise

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ausgeglichen, und das Spritzende wird unabhängig von dem öffnungsimpuls durch den in seine Ruhestellung gelangenden Speicherkolben bewirkt. Dies ergibt ein sehr sicheres und schnelles Arbeiten auch bei sehr hohen, für die Direkteinspritzung bei Dieselmotoren notwendigen Einspritzdrücken.

Eine bauraummässig sehr günstige Anordnung des Kraftstoffeinspritzventils und das erwünschte sehr schnelle Schliessen bei Spritzende ergibt sich in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dadurch, dass der Speicherkolben in Verlängerung der Achsen von Ventilnadel, Kraftausgleichskolben und Betätigungsglied des Wandlers gleichachsig zu diesen angeordnet ist, spätestens in seiner Ausgangsstellung mit der Ventilnadel kraftschlüssig verbunden ist und letztere dabei auf den Ventilsitz drückt. Da der bei Einspritzende mit der Ventilnadel mechanisch verbundene Kraftstoffspeioher entsprechend den hohen Einspritzdrücken eine entsprechend hohe Federbelastung aufweist, ergibt sich das gewünschte sichere und schnelle Schliessen des Ventilsitzes zur Beendigung der Einspritzung.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ist derart, dass in der Druckleitung zwischen dem Speicherraum und dem Druckraum eine Drosselstelle angeordnet ist, durch deren Drosselquerschnitt der Druck im Druckraum bei geöffnetem Ventilsitz so veränderbar ist, dass die im Druckraum auf die Ventilnadel in Öffnungsrichtung wirkende Kraft mindestens annähernd gleich der bei geschlossenem Ventilsitz im gleichen Raum in gleicher Richtung wirkenden Kraft ist. Die in die Druckleitung eingesetzte Drosselstelle bewirkt während der

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Einspritzung einen Druckabfall, der einer ohne diese Drossel auftretenden bei geöffnetem Ventil zusätzlich in Öffnungsrichtung wirkenden hydraulischen Kraft ent-, gegenwirkt, wodurch neben dem statischen auch noch ein dynamischer Kraftausgleich erzielt wird.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ist durch den bei Einspritzende in seiner Ausgangsstellung gelangenden Speicherkolben ein elektrischer Schalter betätigbar, der die Stromzufuhr zu einem als elektromechanischer Wandler dienenden Elektromagneten mittelbar unterbricht. Dadurch steht der Schliessbewegung der Ventilnadel keine elektromagnetische Kraft mehr entgegen, die Sehliessbewegung wird also unterstützt und der Strombedarf des Elektromagneten wird herabgesetzt, ohne dass eine komplizierte, die Einschaltdauer des Elektromagneten abhängig von der Einspritzmenge steuernde elektrische Schaltung notwendig ist.

Weitere Ausgestaltungen und zweckmässige Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den in der Zeichnung dargestellten und nachstehend beschriebenen •Ausführungsbeispielen. Es zeigen:

Pig. 1 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen elektromechanisch gesteuerten Kraftstoffeinspritzventils,

Pig. 2 einen Schnitt entsprechend Fig. 1, jedoch nur durch den erfindungswesentlichen Teil im Bereich des KraftstoffSpeichers eines zweiten Ausführungsbeispiels,

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Pig. 3 ein Blockschaltbild einer mit dem erfindungsgemässen Kraftstoffeinspritzventil ausgerüsteten Kraftstoffeinspritzanlage,

Pig. 4 ein Schaltbild einer elektronischen Steuereinrichtung für den Elektromagneten des in Fig. 2 dargestellten zweiten Ausführung'sbeispiels des erfindungsgemässen Kraftstoffeinspritzventils.

Das in Fig. 1 dargestellte Kraftstoffeinspritzventil hat ein Gehäuse 11, das einen im wesentlichen aus einem Speicherraum 12, einem Speicherkolben 13 und einer Schraubendruckfeder 14 bestehenden Kraftstoffspeicher 15 enthält, Der Speicherraum 12 ist einerseits über eine im wesentlichen aus den Druckleitungsabschnitten l6a und l6b bestehende Druckleitung 16 mit einem einem Ventilsitz 17 benachbarten Druckraum l8 und andererseits über eine mit einem Rückschlagventil 19 versehene Zulaufleitung 21 mit einer die pro Arbeitstakt benötigte Kraftstoffeinspritzmenge in den Speicherraum 12 vorlagernden Zumesspumpe (siehe weiter hinten zu Fig. 3) verbunden.

Ab Speicherraum 12 ist speziell der durch eine abgestufte Bohrung 22 im Zentrum eines mehrteiligen Gehäuses 23 eines mit 24 bezeichneten Elektromagneten gebildete. Raum benannt, da dieser sein Volumen entsprechend der zugeführten Kraftstoffmenge in dem.Masse ändert, wie sich der Speicherkolben 13 entgegen der Kraft der Feder 14 nach oben bewegt. Genaugenommen wird der Speicherraum durch den gesamten zwischen dem Rückschlagventil 19 und dem Ventilsitz 17 befindlichen Innenraum des Kraftstoffeinspritzventils 10 gebildet.

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Der Elektromagnet 24 dient in. beiden Ausführungsbeispielen als elektromechanischer Wandler und könnte auch, ohne die erfindungswesentlichen Merkmale zu verlassen, durch piezoelektrische oder magnetostritive Betätigungseinrichtungen ersetzt werden.

Das Rückschlagventil 19 ist in einen Schraubstutzen 25 eingesetzt, der seinerseits in das Gehäuse 11 eingeschraubt ist. Der innerhalb des Schraubstutzens 25 befindliche Teil der Zulaufleitung 21 ist mit 21a und der im Gehäuse 11 befindliche Teil dieser Zulaufleitung mit 21b bezeichnet.

Das Gehäuse 25 des Elektromagneten 24 ist in eine Aufnahmebohrung 26 im Gehäuse 11 eingesetzt und druckdicht mittels einer Schraubhülse 27 mit letzterem verspannt. Durch die Schraubhülse 27 werden ausser dem Elektromagneten 24 noch eine Zwischenplatte 28, eine Pührungsbüchse 29, ein Zwischenring J>1 und ein Düsenkörper 32 druckdicht mit dem Gehäuse 11 verspannt. Eine mit 35 bezeichnete Wicklung des Elektromagneten 24 ist über Steckanschlüsse y\ mit zwei in das Gehäuse 11 eingegossene Anschlussfahnen 35 verbunden, an die ein Anschlusskabel angeschlossen werden kann, das durch die Linie J>6 angedeutet ist. Der den Ventilsitz 17 und den Druckraum l8 enthaltende Düsenkörper 32 hat unterhalb des Ventilsitzes 17, dem nicht näher dargestellten Brennraum der Brennkraftmaschine zugewandt, eine Düsenöffnung 37 und oberhalb des Druckraumes 18 eine Pührungsbohrung 38, in der, flüssigkeitsdicht eingeläppt, eine Ventilnadel 39 geführt ist. Die Ventilnadel 39 ist zur Gewichtsverminderung hohl ausgeführt, hat als Schliessglied einen mit dem Ventilsitz 17 zusammenwirkenden Ventilkegel 41.und im Bereich der Führungsbohrung einen mit Dv bezeichneten Führungsdurchmesser. Ein aus

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der Führungsbohrung 38 austauchendes und dem Ventilsitz 17 abgewandtes Ende 39a der Ventilnadel 39 bildet eine Anlageschulter für einen Federteller 42, der durch eine Ventilfeder 43 belastet ist, die sich einerseits an dem FederteHer 42 und andererseits an der Führungsbüchse 29 abstützt und somit die Ventilnadel 39 mit ihrem Schliessglied 4l auf den Ventilsitz 17 drückt und letzteren verschliesst. Ein im wesentlichen den Federteller 42 und die Ventilfeder 43 umgebender Hauptfederraum 44 ist druckent-3ggtet und über eine Bohrung 45 in der Führungs büchse 29, eine Bohrung 46 in der Zwisehenplatte 28, eine Bohrung im Gehäuse 23 des Elektromagneten 24, eine Ringnut 48 und eine gestrichelt angedeutete Axialbohrung 49 im Gehäuse mit einem die Schraubendruckfeder 14 aufnehmenden Raum verbunden, der durch eine gleichzeitig als Widerlager für die Schraubendruckfeder l4 dienende Verschlußschraube 52 verschlossen ist und in der Wand des Gehäuses 11 eine Kraftstoffrücklaufbohrung 53 aufweist, an die eine durch 54 angedeutete Kraftstoffrücklaufleitung angeschlossen werden kann. Als Verbindung zwischen dem Speicherkolben 13 und der Schraubendruckfeder 14 dient ein Federteller 55·

Eine mit 56 bezeichnete Kante des Speicherkolbens 13 arbeitet so mit einer Überströmbohrung 50 zusammen, dass über eine maximal zulässige Kraftstoffmenge hinaus vorgelagerter Kraftstoff im Speicherraum 12 über diese Bohrung 50 in den Raum 51 entweichen kann und über die Kraftstoffrücklaufleitung 54 zum Tank zurückfliessen kann (näheres zur gesamten Anlage siehe Fig. 3)· Eine die maximal zulässige Menge überschreitende Kraftstoffö'rdermenge könnißz.B. in den Speicherraum 12 vorgelagert werden, wenn durch Störungen in der Elektrik oder an der Ventilnadel die vorgelagerte Kraftstoffmenge nicht abgespritzt wird.

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Zwischen einem zapfenförmigen der-Schraubendruckfeder abgewandten Ende 57 des Speicherkolbens 13 und dem Ende 39a der Ventilnadel 39 ist ein dichtend in einer Bohrung

58 der als Teil des Ventilgehäuses 11 anzusehenden Führungsbüchse 29 geführter Kraftausgleichskolben 59 angeordnet. In der in Fig. 1 gezeichneten Stellung des Speicherkolbens IJ>, des Kraft ausgle i chskolbens 59 und der Ventilnadel 39 sind alle drei genannten Teile durch die Kraft der Schraubendruckfeder l4 kraftschlüssig zusammengehalten. Wird in den Speicherraum 12 Kraftstoff vorgelagert, dann hebt sich der Speicherkolben 13 entgegen der Kraft der Schraubendruckfeder 14 von dem Kraftausgleichskolben 59 ab, und zwar entsprechend dem Volumen der vorgelagerten Kraftstoffmenge, und der Kraftausgleichskolben

59 und die Ventilnadel 39 werden jetzt durch den auf sie einwirkenden Kraftstoffdruck kraftschlüssig zusammengehalten, da auf den Kraftausgleichskolben 59 eine nach unten, d.h. zum Ventilsitz 17 hin gerichtete Kraft und auf die Ventilnadel 39 eine dieser entgegengesetzt gerichtete vom Ventilsitz 17 wegorientierte Kraft einwirkt. Die Kräfte halten beide Teile in kraftschlüssiger Verbindung, da der Federraum 44, wie bereits beschrieben, druckentlastet ist. Die dem Durchmesser Dk des Kraftausgleichskolbens 59 entsprechende Querschnittsfläche

ist gleich der in Öffnungsrichtung an der Ventilnadel vom Kraftstoffdruck beaufschlagten Ringfläche, die die Differenzfläche zwischen der dem Durchmesser Dv entsprechenden Querschnittsfläche der Ventilsnadel 39 und der Querschnittsfläche des Ventilsitzes 17 ist.

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Dadurch wirken sowohl in Öffnungs- als auch in Schliessrichtung gleiche hydraulische Kräfte auf die Ventilnadel 39 ein, und die Ventilnadel 39 wird nach Ende der Vorlagerung bei nicht mehr in Berührung mit dem Kraftausgleichskolben 59 stehendem Speicherkolben 13 nur durch die Kraft der Ventilfeder 43 mit dem Ventilkegel 4l auf den Ventilsitz 17 gedrückt, so dass ein mit 6l bezeichneter, als Betätigungsglied dienender Anker des Elektromagneten 24 den Kraftausgleichskolben 59 und damit die Ventilnadel 39 bei Erregung des Elektromagneten 24 anziehen kann, wodurch der Ventilsitz 17 geöffnet und eine Verbindung zwischen dem Druckraum 18 und der Düsenöffnung 37 hergestellt wird. Das eine der Ventilnadel 39 zugewandte Ende 59a des Kraftausgleichskolbens 59 ist druckentlastet, da es in den Federraum 44 hineinragt, der wie bereits beschrieben, mit der Kraftstoffrücklaufleitung Verbindung hat, und das andere mit 59b bezeichnete Ende des Kraftausgleichskolbens 59 ist von dem im Speicherraum 12 des Kraftstoffspeichers 15 herrschenden Druck des Kraftstoffes beaufsehlagtund trägt den Anker 6l des Elektromagneten 24.

Zwischen den beiden Leitungsabschnitten löa und l6b der Druckleitung 16 ist eine Drosselstelle 62 angeordnet, durch deren Drosselquerschnitt der Druck im Druckraum bei geöffnetem Ventilsitz 17 so verringerbar ist, dass die im Druckraum 18 auf die Ventilnadel 39 in Öffnungsrichtung wirkende Kraft mindestens annähernd gleich der bei geschlossenem Ventilsitz 17 im gleichen Raum in gleicher Richtung wirkenden Kraft ist. Die Drosselstelle 62 ist eine verengte Bohrung im Zwischenring 31 und bildet die einzige Verbindung vom Speicherraum 12 zum Druckraum

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Durch die vorher beschriebene Bemessung dieser Drosselet
stelle wird erreicht, dass durch den Druckabfall in der Drosselstelle-62 die in Öffnungsrichtung auf die Ventilnadel 39 bei geöffnetem Ventilsitz 17 zusätzlich einwirkende Kraft ausgeglichen wird, so dass auch bei offenem Ventil sowohl in öffnungs- als auch in Schliessrichtung gleiche hydraulische Kräfte auf die Ventilnadel 39 einwirken. Um ein schnelleres öffnen oder um ein schnelleres Schliessen der Ventilnadel 39 zu. erreichen, kann es auch erwünscht sein, dass entweder in Öffnungs- oder in Schliessrichtung ein geringer Kraftüberschuss vorhanden ist. Durch die Drosselstelle 62 ist somit neben dem statischen Kraftausgleich durch den Kraftausgleichskolben 59 auch ein sogenannter dynamischer Kraftausgleich erzielt worden.

Bei der vorliegenden Konstruktion, bei der der Speicherkolben 13 mechanisch unter Zwischenschaltung des Kraftausgleichskolbens 59 die Ventilnadel 39·auf ihren Ventilsitz 17 drückt, wenn die vorgelagerte Kraftstoffmenge eingespritzt ist, ist aufgrund der starken Schliesskraft der Schraubendruckfeder 14 der dynamische Kraftausgleich nicht in allen Fällen notxvendig, so dass die Drosselstelle 62 auch entfallen könnte. Sie ist aber dann notwendig, wenn in einer abgewandelten, nicht dargestellten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes der Speicherkolben 13 nicht in mechanische Verbindung mit der Ventilnadel 39 gelangt. Eine solche Anordnung hätte unter anderem den Vorteil, dass der Kraftstoffspeicher 15 nicht unbedingt in Achsrichtung von Ventilnadel 39 und Kraftausgleichskolben 59 angeordnet sein muss, sondern entsprechend den baulichen ,Gegebenheiten beliebig angebracht xverden kann. Die von deimEinspritzende in seine in Fig. 1" gezeichnete Ausgangsstellung gelangenden Speicherkolben 13 erzeugte Zusatzkraft ist in der Lage, auch

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bei eingeschaltetem Elektromagneten 24 die Ventilnadel 39 mit ihrem Schliessglied 4l auf den Ventilsitz 17 zu drücken, so dass diese-Anordnung den besonderen Vorteil hat, dass eine mit einer fest eingestellten Impulsdauer arbeitende Steuereinrichtung zur Ansteuerung des Elektromagneten 24 verwendet werden kann. Eine solche Einrichtung ist wesentlich einfacher und billiger herzustellen als eine eine genau vorbestimmte Impulsdauer erzeugende Steuereinrichtung, da bei der Dieseleinspritzung sehr kurze, im Bereich von 1 Millisekunde liegende Einspritzzeiten notwendig sind.

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Kraftstoffeinspritzventils in einem nur teilweise dargestellten Schnitt, der die Teile zeigt, die sich von denen in Pig. I unterscheiden. Gleiche Teile sind mit gleichen Ziffern be ze i ohne t^ und die rechte Hälfte der Schnittdarstellung zeigt eine vorzugsweise um 120 Grad versetzte Schnittebene gegenüber der rechten Hälfte in Pig. Ein Federteller 55^f des auch hier in seiner Ausgangsstellung bei Einspritzende gezeichneten Speicherkolbens 15 ist in Berührung mit einem Kontaktstift 71 eines elektrischen Schalters 72, der in das mit II¹ bezeichnete Ventilgehäuse des Kraftstoffeinspritzventils 10^f eingesetzt ist. Der in einer aus Isolierstoff gefertigten Buchse 73 geführte Kontaktstift 71 ist in leitender Verbindung mit einer Anschlussfahne 74 an die, wie.mit 75 angedeutet, eine Leitung angeschlossen ist. Der Kontaktstift 71 ist federnd ausgebildet, und seine Länge bestimmt den Zeitpunkt, zu dem der Federteller 55^r den Kontaktstift 71 berührt. Der Federteller 55 ist über die Schraubendruckfeder 14 mit Masse verbunden, und durch die Berührung des Federtellers 55^f mit dem Kontaktstift 71 wird die Stromzufuhr zum Elektromagneten 24 mittel-

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bar unterbrochen. Die Art der Stromunterbrechung ist weiter hinten zu Fig. 4 näher erläutert. Die hier nicht näher dargestellte und aus Pig. I zu entnehmende Wicklung 33 des Elektromagneten 24 ist über Anschlussfahnen 35' mit Anschlussleitung«^' verbunden, von denen hier nur eine gezeigt ist. Der in Fig. 2 dargestellte Schalter 72 zeigt nur eine von vielen möglichen Bauformen.

Das Blocksch.alfcbild nach Pig. 3 zeigt das Kraftstoffeinspritzventil 10* und eine als Zumesspumpe dienende Kraftstoffe inspritzpumpe 8l. Die Kraftstoffeinspritzpumpe 8l ist eine bekannte Vierzylinder-Reiheneinspritzpumpe mit einem mechanischen Fliehkraftdrehzahlregler 82, über dessen Verstelinebei 83 die von der Einspritzpumpe 8l zu fördernde Kraftstoffmenge vorbestimmt wird, falls es sich um einen Füllungsregler handelt, oder bei dem über den Verstellhebel 83 eine einzuhaltende Drehzahl vorgewählt wird. Die zu dem Kraftstoffeinspritzveritil 10' führende Zulaufleitung 21 ist gleichzeitig die sogenannte Druckleitung der

_o lO&nxAUSS/p? Use*-

Einspritzpumpe öl. Der> Kraftstoff wird aus dem Kraftstoffeinspritzventil 10' über die Kraftstoffrücklaufleitung 54 zu einem Tank 84 zurückgeführt. Der von der Kraftstoff einspritzpumpe 8l benötigte Kraftstoff wird über eine Vor-.förderpumpe 85 und eine Förderleitung 86 in an sich bekannter V/eise dem Saugraum der Kraftstoffeinspritzpumpe 8l zugeführt und überschüssiger Kraftstoff wird über die Leitung 87 in die zum Tank 84 führende Kraftstoffrücklaufleitung 54 abgeleitet. Eine über die Anschlussleitung 36' mit dem Kraftstoffeinspritzventil 10' verbundene elektronische Steuereinrichtung ist in Fig. 3 mit 88 bezeichnet und weiter hinten zu Fig. 4 näher ausgeführt. Die elektronische Steuereinrichtung 88 ist ausserdem noch mit der als Steuerleitung dienenden Leitung 75 mit dem Kraftstoffeinspritzventil 10' verbunden. Die Steuereinrichtung 88 gibt Steuerimpulse 89 ab, die im Falle der Ansteuerung des Kr aft-

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Stoffeinspritzventils 10 nach Fig. 1 eine konstante Einschaltdauer ti haben und deren Einschaltdauer ti in dem in Pig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel durch den vom Schalter 72 (siehe Fig. 2) ausgelösten und über die Leitung 75 der Steuereinrichtung 88 zugeführten Schaltimpuls an die abgespritzte Kraftstoffeinspritzmenge angepasst wird. Der Beginn der Kraftstoffeinspritzung wird von einem Drehwinkelgeber 91 ausgelöst, der vorzugsweise auf der Welle der Kraftstoffeinspritzpumpe 8l befestigt ist und über eine Leitung 92 mit der elektronischen Steuereinrichtung 88 verbunden ist. Um eine drehzahlabhängige Spritzbeginnverschiebung zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn der Drehwinkelgeber 91 mit einem Drehzahlgeber kombiniert ist und beide ihre Signale an die elektronische Steuereinrichtung 88 abgeben.

Die in Pig. 4 in einem Schaltbild dargestellte elektronische Steuereinrichtung 88 erhält ihre Betriebsspannung von einer bei 101 angedeuteten Starterbatterie über eine mit 102 bezeichnete Plusleitung und eine Minusleitung 10J. Die Steuereinrichtung 88 wird von einem mit der Nockenwelle der Einspritzpumpe 8l (siehe Pig. 3) gekuppelten als Signalgeber ausgebildeten Drehwinkelgeber 91 ausgelöst, der in Fig. 4 durch einen Schaltkontakt 104 und Kontakthebel 105 angedeutet ist. Der Kontakthebel 105 ist" über einen Widerstand 106 an die Minusleitung 103 angeschlossen und mit einer der Elektroden eines Differenzierkondensators 107 verbunden.

Zur Erzeugung der -Steuerimpulse 89 ist in der als Transist or schalt einrichtung ausgebildeten Steuereinrichtung 88 ein monostabiler Steuermultivibrator 108 vorgesehen, der einen im Ruhezustand stromleitenden Eingangstransistor und einen an dessen Kollektor über einen Widerstand 110 mit seiner Basis angeschlossenen,, im Ruhezustand gesperrten

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Ausgangstransistor 111 und ausserdem ein die jeweilige Impulsdauer ti bestimmendes Zeitglied enthält. Dieses besteht bei dem lediglich als /'usfuhrungsbeispiel zu wertenden Steuermultivibrator 108 aus einem Widerstand 112 und einem Kondensator 113* die in Reihe geschaltet zwischen der Basis des Transistors 109 und dem Kollektor des Transistors 111 eingefügt sind. Der Kollektor des Ausgangstransistors 111 ist ausser mit dem Kondensator 115 über einen Widerstand 114 mit der Minusleitung 103 und über eine Steuerleitung 115 mit der Basis eines Leistungstransistors Il6 verbunden, der wesentlicher Bestandteil einer Leistungsstufe 117 ist. Der Leistungsstufe 117 ist in bekannter und deshalb nicht näher dar- · gestellter Weise ein in die Steuerleitung 115 eingefügter Zwischenverstärker vorgeschaltet. Die durch das Symbol 53 angedeutete Wicklung des Elektromagneten. 24 ist einerseits über einen Widerstand 118 und eine Diode 119 an die gemeinsame Plusleitung 102 und andererseits an den Kollektor des Leistungstransistors 116 angeschlossen. Der Emitter des Leistungstransistors 116 ist mit der Minusleitung 10J verbunden, wobei selbstverständlich anstelle der Minusleitung getrennte, mit Masse verbundene Leitungsteile in der Schaltung vorhanden sein können.

Der als Zeitglied dienende Kondensator 113 und¹ Widerstand 112, der zum Einstellen der Einschaltdauer ti vorzugsweise einstellbar ist, und die Basis des Eingangstransistors 109 des Steuermultivibrators 108 sind an den Verbindungspunkt P zweier Widerstände 121 und 122 angeschlossen, die als Spannungsteiler zwischen der mit Masse verbundenen Minusleitung 10J und der gemeinsamen Plusleitung 102 angeordnet sind. Beide Transistoren 109 und 111 gehören zum pnp-Typ und sind daher mit ihrem Emitter an die Plusleitung 102 angeschlossen.

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Bei jedem von dem Drehwinkelgeber 91 ausgehenden Schaltimpuls, der im vorliegenden Beispiel durch Schliessen des Schaltkontaktes 104 erzeugt wird, wird der Steuermultivibrator 88 in seinen instabilen Kippzustand gebracht, dessen Dauer die Impulslänge ti ergibt, die ihrerseits vom Zeitglied 112, 113 abhängt. Um im Auslösezeitpunkt den Eingangstransistor 109 sperren zu können, ist der Kondensator 107 über eine Diode 123 mit der Basis des Eingangstransistors 109 und ausserdem über einen Ladewiderstand 124 mit der Plusleitung 102 verbunden. Solange der Kontakthebel 105 sich in der Offenstellung befindet, kann sich der Differenzierkondensator 107 jeweils aufladen und seine Ladung in dem Schliesszeitpunkt des Kontakthebels zur Sperrung des Eingangstransistors 109 abgeben. Sobald der Eingangstransistor 109 in den ,Sperrzustand übergeht, wird der Ausgangstransistor 111 in seinen stromleitenden Zustand gebracht. Sein exponentiell ansteigender Kollektorstrom erzeugt in dem Zeitglied 112, 113 eine Rückkopplungsspannung, welche den Eingangstransistor 109 über den jeweiligen Schliesszeitpunkt hinaus noch so lange gesperrt hält, bis die Rückkopplungsspannung unter einen durch das Potential des Spannungsteilerabgriffs P festgelegten Wert absinkt, bei welchem der Eingangstransistor 109 wieder in seinen ursprünglichen leitenden Zustand zurückkehren kann. Während des stromleitenden Zustandes des Ausgangstransistors entsteht der bei 89 angedeutete öffnungsimpuls ti für die Einspritzventile.

Das in Pig. I dargestellte elektromagnetisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzventil benötigt nur eine festgelegte, die Einschaltdauer des Elektromagneten 24 bestimmende Impulslänge ti, die immer grosser oder mindestens gleich der maximal möglichen Einspritzdauer ist. Die in Fig. 2

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dargestellte zweite Ausfuhrungsform des Erfindungsgegenstandes enthält den Schalter 72, der,, wie in Fig. 4 gestrichelt angedeutet, über die Steuerleitung 75 den Spannungsteilerabgriff P und damit die Basis des Eingangstransistors 109 mit der Minusleitung Io3 in seinem geschlossenen Zustand verbindet. Dadurch wird die Impulslänge ti verkürzt und an die mögliche Einspritzdauer angepasst, wodurch sowohl der benötigte Stromverbrauch verringert wird, als auch die zum Schliessen des Einspritzventils 10' aufzuwendenden Kräfte geringer sind.

Eine zweite Schaltungsmöglichkeit für den Schalter 72 ergibt sich, wenn er, wie strichpunktiert mit 72' angedeutet, über eine Steuerleitung 75' mit der Steuerleitung 115 bzw. mit der Basis des Leistungstransistors 116 verbunden ist und dabei die Basis dieses Transistors im geschlossenen Zustand mit der Minusleitung 103 verbindet.

Die Wirkungsv/eise des erfindungsgemässen Kraftstoffeinspritzventils wird nun anhand der Zeichnung erläutert. Das für das zweite Ausführungsbeispiel ausgelegte Blockschaltbild Fig. 3 ist auch für das erste Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 gültig, wenn anstelle des Einspritzventils 10' das Einspritzventil 10 nach Fig. 1 an die Kraftstoffleitungen 21 und 54 angeschlossen wird und die Anschlussleitung 36' durch 36 ersetzt wird. Beim ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 entfällt die Steuerleitung 75.

Das Kraftstoffeinspritzventil nach Fig. 1 erhält über die Zulaufleitung 21 und das Rückschlagventil 19 eine dem jeweiligen Betriebszustand des Motors genau zugemessene, vom Fliehkraftdrehzahlregler 82 (siehe Fig. 3) eingestellte und von der Kraftstoffeinspritzpumpe 8l geförderte Kraftstoffmenge, die in den Speicherraum 12 unterhalb des Speicher-

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kolbens 13 vorgelagert wird. D-.bei verschiebt sich der Speicherkolben nach oben unter Zusammendrückung der als Speicherfeder .dienenden Schraubendruckfeder 14. Der im Speicherraum 12 und damit auch im Druckraum 18 herrschende von der Vorspannung der Schraubendruckfeder 14 bestimmte Druck des Kraftstoffes wirkt sowohl in Öffnungs-ais auch in Schliessrichtung auf die Ventilnadel 39 ein. Da der Durchmesser Dk des Kraftausgleichskolbens 59 so bemessen ist, dass die Querschnittsfläche des Kraftausgleiehskolbens 59 gleich der Ringquerschnittsfläohe an der Ventilnadel 39 ist, welche im Druckraum 18 vom Kraftstoffdruck beaufschlagt wird und einerseits vom Druchmesser Dv der Ventilnadel 39 ^und andererseits vom Durchmesser des Ventilsitzes IJ begrenzt ist, wird ein vollständiger Kraftausgleich erreich^ d.h. die in Öffnungsund Schliessrichtung auf die Ventilnadel 39 einwirkenden und vom Kraftstoffdruck herrührenden Kräfte sind gleich. Gewollte, geringe Abweichungen von diesen festgelegten Durchmessern können dazu dienen, eine die Öffnungs- oder Schliessbewegung des Ventilgliedes beschleunigende zusätzliche Kraft zu erzeugen. Da lediglich die Kraft der Ventilfeder 43, die aufgrund des Kraftausgleichs relativ gering ist, vom Elektromagneten 24 überwunden werden muss, kann der Elektromagnet 24 relativ klein ausgeführt sein und trotzdem ein schnelles öffnen des Ventils bewirken. Bei einem von der Steuereinrichtung 88 (siehe Fig. 4) erzeugten Steuerimpuls 89 zieht der Elektromagnet 24 über seinen Anker 6l und den Kraftausgleichskolben 59 die durch den Kraftstoffdruck mit dem Kraftausgleichskolben 59 kraftschlüssig verbundene Ventilnadel 39 an, wodurch der Ventilsitz 17 geöffnet wird, und der im Speicherraum 12 vorgelagerte und im Druckraum l8 stehende Kraftstoff kann über die Düsenöffnung 37 in den nicht näher dargestellten Brennraum des Motors eingespritzt werden. Am Ende der Einspritzung gelangt der

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Speicherkolben 13 wieder in seine in Pig. 1 gezeichnete Ausgangslage zurück und drückt mit seinem Ende 57 unter der Kraftwirkung der Schraubendruckfeder 14 über den Kraftausgleichskolben 59 die Ventilnadel 39 wieder auf den Ventilsitz 17, wobei letzterer geschlossen wird. Dieser Schliessvorgang verhindert ein langsames Schliessen der Ventilnadel 39 und damit ein Nachtropfen des Kraftstoffes in den Brennraum des Motors. Aufgrund der zur Festlegung des Einspritzdruckes sehr hoch vorgespannten Schraubendruckfeder 14 ist die Schliesskraft so hoch, dass die Schliessbewegung sehr schnell erfolgt und von dem noch eingeschalteten Elektromagneten 24 nicht behindert wird. Dadurch wird in vorteilhafter Weise einmal ein sehr schnelles Schliessen erzielt, und zum anderen ist eine genaue zeitgerechte Steuerung der Einschaltdauer des Elektromagneten nicht notwendig. Dieser letztgenannte Vorteil wiegt doppelt schwer, da es überaus schwierig ist, die im Bereich von 1 bis 3 Millisekunden liegenden, für die Dieseleinspritzung benötigten Schaltzeiten elektronisch mit der erforderlichen Genauigkeit zu steuern, und zum anderen ist bei der durch die Einspritzpumpe vorgelagerten Kraftstoffeinspritzmenge gewährleistet, dass auch bei Fehlern in der Steuerelektronik niemals eine grössere als die vorgelagerte Kraftstoffeinspritzmenge abgespritzt v/erden kann. Die Kraft der Schraubendruckfeder l4 ist so gross, dass sie auch trotz der im geöffneten Zustand der Ventilnadel 39 zusätzlich vom Kraftstoffdruck beaufschlagten, dem Ventilsitz 17 entsprechenden Fläche an de.r Ventilnadel 39 und der daraus resul-

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tierenden zusätzlich'^ öffnungsrichtung wirkenden hydraulischen Kraft das Ventil auf seinen Sitz 17 zurückführen kann.

Diese vorgenannte, zusätzlich in Öffnungsrichtung wirkende Kraft tritt aber beim Ausführungsbeispiel des Kraftstoff₇ einspritzventils nach Fig. 1 nicht auf, da zwischen dem

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Speicherraum 12 und dem Druckraum 18, zwischen die Abschnitte l6a und l6b der Druckleitung 16, eine Drosselstelle 62 eingefügt ist, die bei geöffnetem Einspritzventil einen solchen Druckabfall im Druckraum 18 gegenüber dem im Speicherraum 12 herrschenden Druck erzeugt, dass die bei geöffnetem Ventil auf die ganze dem DurchmesserDv entsprechende Querschnittsfläche der Ventilnadel J59 einwirkende hydraulische Kraft gleich der vorher bei geschlossenem Ventil auf den vorerwähnten Ringquerschnitt einwirkenden Kraft ist. Dadurch wird ein dynamischer Kraftausgleich erzielt, so dass beim Schliessen der Ventilnadel ]59 keine zusätzliche Kraft aufgewendet werden muss.

Beim zweiten Ausführungsbeispiel nach Pig. 2 ändert sich der gesamte Einspritzvorgang nur in der Weise, dass beim Ende der Einspritzung der in seine Ausgangslage zurückkehrende Speicherkolben 1^>, wie Fig. 2 zeigt, mittels des Federtellers 55^r den Schalter 72 betätigt, der über die Steuerleitung 75 einen Steuerimpuls in die elektronische Steuereinrichtung 88 eingibt, der die Impulslänge ti des Steuerimpulses 89 verkürzt, bzw. genauer gesagt, die Einschal tdauer des Elektromagneten 24 beendet. Der Eingriff des Steuerimpulses in die elektronische Steuereinrichtung ist auf verschiedene Art und Weise möglich und zwei Beispiele sind bereits zu Fig. 4 beschrieben worden.

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Claims

Ansprüche 1 6 .5 7

Elektromechanisch gesteuertes Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren, mit,einem elektromechanischen Wandler, insbesondere)zur Steuerung des Einspritzbeginns und einer in einer Bohrung des Ventilgehäuses dichtend geführten und unter der Kraftwirkung einer Ventilfeder stehenden Ventilnadel, durch deren Schliessglied ein mindestens eine Düsenöffnung steuernder Ventilsitz verschliessbar ist, und mit einem einen federnd nachgiebigen Speicherkolben aufweisenden Kraftstoffspeicher, dessenSpeicherraum einerseits über eine Druckleitung mit einem dem Ventilsitz benachbarten Druckraum und andererseits über eine mit einem Rückschlagventil versehene Zulaufieitung mit einer die pro Arbeitstakt benötigte Kraftstoffeinspritzmenge in den Speicherraum vorlagernden Zumesspumpe verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass gleichachsig zur Ventilnadel (39) ein dichtend in einer Bohrung (58) des Ventilgehäuses (11, 29) geführter Kraftausgleichskolben (59) und ein Eetätigungsglied (6l) des elektromechanischen Wandlers (24) angeordnet und kraftschlüssig mit der Ventilnadel (59) verbunden sind, dass ferner das eine Ende (59a) des Kraftausgleichskolbens (59) druckentlastet und das andere Ende (59b) von dem im Speicherraum (12) des Kraftstoff Speichers (15) herrschenden Druck des Kraftstoffes beaufschlagt ist und die dem Durchmesser (Dk) des Kraftausgleichskolbens (59) entsprechende Querschnittsfläche so bemessen ist, dass bei geschlossenem Ventilsitz (17) die in Öffnungs- und Schliessrichtung auf die Ventilnadel (59) einwirkenden hydraulischen Kräfte gleich oder mindestens annähernd gleich

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sind, und dass sehliesslioh die in Sehliessrichtung auf die Ventilnadel (39) einwirkenden Kräfte durch eine von dem lsi Einspritzende in seine Ausgangsstellung gelangenden Speicherkolben (13) mindestens mittelbar erzeugte Zusatzkraft verstärkbar sind.
2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherkolben (13) in Verlängerung der Achsen von Ventilnadel (39)> Kraftausgleichskolben (59) und Betätigungsglied (6l) des Wandlers (24) gleichachsig zu diesen angeordnet ist, spätestens in seiner Ausgangsstellung mit der Ventilnadel (39) kraftschlüssig verbunden ist und letztere dabei auf den Ventilsitz (17) drückt.
3. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche

1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Druckleitung (16) zwischen dem Speicherraum (12) und dem Druckraum (18) eine Drosselstelle (62) angeordnet ist, durch deren Drosselquerschnitt der Druck im Druckraum (l8) bei geöffnetem Ventilsitz (17) so verringerbar ist, dass die im Druckraum (l8) auf die Ventilnadel (39) in Öffnungsrichtung wirkende Kraft mindestens annähernd gleich der bei geschlossenem Ventilsitz (17) im gleichen Raum in gleicher Richtung wirkenden Kraft ist.
4. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den bei Einspritzende in seine Ausgangsstellung gelangenden Speicherkolben (13) ein elektrischer Schalter (72) betätigbar ist, der die Stromzufuhr eines als elektromechanischer Wandler dienenden Elektromagneten (24) mittelbar unterbricht.

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5. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (72) an eine Steuerleitung (75) angeschlossen ist, die mit der Basis eines Schalttransistors (109) verbunden ist, der Teil einer die Einschaltdauer des Elektromagneten (24) steuernden Transistorschalteinrichtung (88) ist.
6. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (72*) an eine Steuerleitung (75') angeschlossen ist, die mit der Basis eines in Reihe mit der Magnetisierungswicklung (23) des Elektromagneten (24) liegenden Leistungstransistors (ll6) verbunden ist. /S

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