DE2342109C2 - Elektromechanisch gesteuertes Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromechanisch gesteuertes Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird als elektromechanischer Wandler zur Steuerung des Einspritzbeginns ein Elektromagnet benutzt und beschrieben. Anstelle dieses Elektromagneten können aber auch

so elektromechanische Wandler eingesetzt werden, die piezoelektrisch oder magnetostriktiv arbeiten.

Kraftstoffeinspritzventile der eingangs genannten, beispielsweise aus der DE-OS 19 42 610 bekannten 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 werden. Da bei diesen bekannten, im übrigen relativ raumaufwendig bauenden 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 Kraft stoffdruck 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 =>ehr stark von den Fertigungstoleranzen abhängig, so daß bei Mehrzylinder-Einspritzmotoren eine Gleichstellung aller Kraftstoffeinspritzventile nur unter großen Schwierigkeiten und mittels aufwendiger Justierarbeiten erfolgen kann.

Der Nachteil der indirekten, & h. hydraulischen Betätigung der Ventilnadel könnte durch eine direkte Betäti-

raum und dem der Ventilsitz benachbarten 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 hydraulische 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 Einsprit-

gung der Ventilnadel durch den Elektromagneten beiio- 10 zung einen Druckabfall, der einer ohne diese Drossel ben weren. Solche Einspritzventile, wie sie beispiels- auftretenden, bei geöffnetem Ventil zusätzlich in öffweise aus der DE-OS 19 10 113 bekannt sind, sind insbe-

nungsrichtung wirkenden hydraulischen Kraft entgegenwirkt, wodurch neben dem statischen auch noch ein dynamischer Kraftausgleich erzielt wird.

Ferner ist in einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes mit Hilfe des bei Einspritzende wieder in seine Ausgangsstellung gelangenden Speicherkolbens ein elektrischer Schalter betätigbar, der die Stromzufuhr zu einem als elektromechanidruck abhängige Schließkraft bei der Betätigung der 20 scher Wandler dienenden Elektromagneten mittelbar Ventilnadel überwinden, wozu sehr starke Elektroma- unterbricht Dadurch steht der Schließbewegung der

Ventilnadel keine elektromagnetische Kraft mehr entgegen, die Schließbewegung wird also unterstützt und der Strommedarf des Elektromagneten wird herabgesetzt, ohne daß eine komplizierte, die Einschaltdauer des Elektromagneten abhängig von der Einspritzmenge steuernde elektrische Schaltung notwendig ist

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an Hand der Zeichnung näher beschrieben. Es möglichst geringer Verzögerung öffnet und überdies ein 30 zeigt

schnelles Schließende ermöglicht. F i g. 1 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbei-

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im spiel des erfindungsgemäßen elektromechanisch gesteu-Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 angegebene erten Kraftstoffeinspritzventils,

Merkmalskombination gelöst. Aufgrund dieser Merk- Fig.2 einen Schnitt entsprechend Fig. 1, jedoch nur

malskombination benötigt der elektromechanische 35 durch den erfindungswesentlichen Teil im Bereich des

sondere bei der Benzineinspritzung bereits in sehr großen Stückzahlen in Verwendung. Sie eignen sich aber weniger 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 Kraftstoff-

gnete notwendig werden, die dann aufgrund ihres großen Bauraumes zu Einbauschwierigkeiten führen würden und außerdem einen z. B. für den Kraftfahrzeugbetrieb unzulässig hohen Stromverbrauch hätten.

Der Erfindung liegt nun die Auugabe zugrunde, die vorerwähnten Nachteile zu beseitigen und ein elektromechanisch gesteuertes, relativ wenig Raum beansprucchendes Kraftstoffeinspritzventil zu schaffen, das mit

Wandler dieses relativ wenig Raum beanspruchenden Einspritzventils nur eine sehr einfache und mit relativ geringem Stromaufwand arbeitende 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 ausgeglichen, und das Spritzende wird unabhängig von dem Öffnungsimpuls durch den in seine Ruhestellung

Kraftstoffspeichers eines zweiten Ausführungsbeispiels, F i g. 3 ein Blockschaltbild einer mit dem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventil ausgerüsteten Kraftstoffeinspritzanlage,

F i g. 4 ein Schaltbild einer elektronischen Steuereinrichtung für den Elektromagneten des in F i g. 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils. Das in F i g. 1 dargestellte Kraftstoffeinspritzventil 10

gelangenden Speicherkolben bewirkt Dies ergibt ein 45 hat ein Gehäuse 11, das einen im wesentlichen aus einem sehr sicheres und schnelles Arbeiten auch bei sehr ho- Speicherraum 12, einem Speicherkolben 13 und einer als hen, für die Direkteinspritzung bei Dieselmotoren not- Schraubendruckfeder ausgebildeten Speicherfeder 14 wendigen Einspritzdrücken. Dadurch daß der Speicher- bestehenden Kraftstoffspeicher 15 enthält Der Speikolben spätestens in seiner bei Einspritzende eingenom- cherraum 12 ist einerseits über eine im wesentlichen aus menen Ausgangsstellung über den Kraftausgleichskol- 50 den Druckleitungsabschnitten 16a und 166 bestehende ben auf die Ventilnadel und letztere dabei auf den Ven- Druckleitung 16 mit einem einem Ventilsitz 17 benach tilsitz drückt, wobei aufgrund der den hohen Einspritzdrücken entsprechenden starken Speicherfeder sogar
eine durch einen ggf. noch eingeschalteten elektromechanischen Wandler vorhandene Gegenkraft überwun- 55 Stoffeinspritzmenge in den Speicherraum 12 vorlagernden wird, ergibt sich das gewünschte sichere und den Kraftstoffzumeßpumpe 21 (siehe weiter hinten zu schnelle Schließen des Ventilsitzes zur Beendigung der F i g. 3) verbunden.

Einspritzung. Als Speicherraum 12 ist speziell der durch eine abge-Im Zusammenhang mit der Verwendung druckaus- stufte Bohrung 22 im Zentrum eines mehrteiligen Gegeglichener Ventile bei Einspritzventilen läßt sich die 60 häuses 23 eines mit 24 bezeichneten Elektromagneten

barten Druckraum 18 und andererseits über eine mit einem Rückschlagventil 19 versehene Kraftstoffzulaufleitung 21 mit einer die pro Arbeitstakt benötigte Kraft-

DE-OS 22 17 655 nennen, wobei es hier jedoch um den Druckausgleich bei einem elektromagnetisch gesteuerten 3/2-Wege-Veniil geht

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung lassen sich den Unteransprüchen entnehmen.

Eine besonders hervorzuhebende vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ist dabei derart, daß in der Druckleitung zwischen dem Speichergebildete Raum benannt, da dieser sein Volumen entsprechend der zugeführten Kraftstoffmenge in dem Maße ändert, wie sich der Speicherkolben 13 entgegen der K.aft der Speicherfeder 14 nach oben bewegt. Gsnaugenommen wird der Speicherraum durch den gesamten zwischen dem Rückschlagventil 19 und dem Ventilsitz 17 befindlichen Innenraum des Kraftstoffeinspritzventils 10 gebildet.

Der Elektromagnet 24 dient in beiden Ausführangsbeispielen als elektromechanischer Wandler und könnte auch durch piezoelektrische oder magnetostriktive 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 vor dem Rückschlagventil 19 befindliche Teil der Kraftstoffzulaufleitung 21 ist mit 21a und der im Gehäuse 11 hinter dem Rückschlagventil 19 befindliche Teil dieser Zulaufleitung mit 21 b bezeichnet

Das Gehäuse 23 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 Führungsbüchse 29, ein Zwischenring 31 und ein Düsenkörper 32 druckdicht mit dem Gehäuse 11 verspannt Eine mit 33 bezeichnete Wicklung des Elektromagneten 24 ist über Steckanschlüsse 34 mit zwei in das Gehäuse 11 eingegossene Anschlußfahnen 35 verbunden, an die ein Anschlußkabel angeschlossen werden kann, das durch die Linie 36 angedeutet ist Der den Ventilsitz 17 und den Druckraum 18 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 Führungsbohrung 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 38 einen mit Dv bezeichneten Führungsdurchmesser. Ein aus der Führungsbohrung 38 austauchendes und dem Ventilsitz 17 abgewandetes Ende 39a der Ventilnadel 39 bildet eine Anlageschulter für einen Federteller 42, der durch eine Ventilfeder 43 belastet ist, die sich einerseits an dem Federteller 42 und andererseits an der Führungsbüchse 29 abstützt und somit die Ventilnadel 39 mit ihrem Schließglied 41 auf den Ventilsitz 17 drückt und letzteren verschließt Ein im wesentlichen den Federteller 42 und die Ventilfeder 43 umgebender Hauptfederraum 44 ist druckentlastet und über eine Bohrung 45 in der Führungsbüchse 29, eine Bohrung 46 in der Zwischenplatte 28, eine Bohrung 47 im Gehäuse 23 des Elektromagneten 24, eine Ringnut 48 und eine gestrichelt angedeutete Axialbohrung 49 im Gehäuse 11 mit einem die Speicherfeder 14 aufnehmenden Raum 51 verbunden, der durch eine gleichzeitig als Widerlager für die Speicherfeder 14 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 Speicherfeder 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 F i g. 3). Eine die maximal zulässige Menge überschreitende Kraftstoffördermenge könnte z. B. in den Speicherraum 12 vorgelagert werden, wenn durch Störungen in der Elektrik oder an der Ventilnadel die vorgelagerte Kraftstoffmenge nicht abgespritzt wird.

Zwischen einem zapfenförmigen der Speicherfeder 14 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 F i g. 1 gezeichneten Stellung des Speicherkolbens 13, des Kraftausgleichskolbens 59 und der Ventilnadel 39 sind alle drei genannten Teile durch die Kraft der Speicherfeder 14 kraftschlüssig zusammengehalten. Wird in den Speicherraum 12 Kraftstoff vorgelagert, dann hebt sich der Speicherkolben 13 entgegen der Kraft der Speicherfeder 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 18 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 Ventilnadel 39 und der Querschnittsfläche des Ventilsitzes 17 ist.

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 41 auf den Ventilsitz 17 gedrückt, so daß ein mit 61 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 54 Verbindung hat, und das andere mit 596 bezeichnete Ende des Kraftausgleichskolbens 59 ist von dem im Speicherraum 12 des Kraftstoffspeichers 15 herrschenden Druck des Kraftstoffes beaufschlagt und trägt den Anker 61 des Elektromagneten 24.

Zwischen den beiden Leitungsabschnitten 16a und 166 der Druckleitung 16 ist eine Drosselstelle 62 angeordnet, durch deren Drosselquerschnitt der Druck im Druckraum 18 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, über die die einzige Verbindung vom Speicherraum 12 zum Druckraum 18 geht

Durch die vorher beschriebene Bemessung dieser Drosselstelle 62 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.

Die von dem bei Einspritzende in seine in F i g. 1 gezeichnete Ausgangsstellung gelangenden Speicherkolben 13 erzeugte Zusatzkraft ist in der Lage, auch bei eingeschaltetem Elektromagneten 24 die Ventilnadel 39 mit ihrem Schließglied 41 auf den Ventilsitz 17 zu drükken, 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.

F i g. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils in einem nur teilweise dargestellten Schnitt, der die Teile zeigt, die sich von denen in F i g. 1 unterscheidea Gleiche Teile sind mit gleichen Ziffern bezeichnet, und die rechte Hälfte der Schnittdarstellung zeigt eine vorzugsweise um 120 Grad versetzte Schnittebene gegenüber der rechten Hälfte in Fig. 1. Ein Federteller 55' des auch hier in seiner Ausgangsstellung bei Einspritzende gezeichneten Speicherkolbens 13 ist in Berührung mit einem Kontaktstift 71 eines elektrischen Schalters 72, der in das mit 11' bezeichnete Ventilgehäuse des Kraftstoffeinspritzventils 10' 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 stützt sich an einer Schraubendruckfeder 76 ab, und seine Länge bestimmt den Zeitpunkt, zu dem der Federteller 55' den Kontaktstift 71 berührt Der Federteller 55' ist über die Speicherfeder 14 mit Masse verbunden, und durch die Berührung des Federtellers 55' mit dem Kontaktstift 71 wird die Stromzufuhr zum Elektromagneten 24 mittelbar unterbrochen. Die Art der Stromunterbrechung ist weiter hinten zu F i g. 4 näher erläutert Die hier nicht näher dargestellte und aus F i g. 1 zu entnehmende Wicklung 33 des Elektromagneten 24 ist über Anschlußfahnen 35' mit Anschlußleitungen 36' verbunden, von denen hier nur eine gezeigt ist Der in F i g. 2 dargestellte Schalter

72 zeigt nur eine der möglichen Bauformen.

Das Blockschaltbild nach F i g. 3 zeigt das Kraftstoffeinspritzventil 10' und eine als Kraftstoffpumpe 81 dienende Kraftstoffeinspritzpumpe. Die Kraftstoffeinspritzpumpe ist eine bekannte Vierzylinder-Reiheneinspritzpumpe mit einem mechanischen Fliehkraftdrehzahlregler 82, über dessen Verstellhebel 83 die von der Einspritzpumpe 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 Kraftstoffeinspritzventil 10' führende Kraftstoffzulaufleitung 21 ist gleichzeitig die sogenannte Druckleitung der Einspritzpumpe. Der überschüssige Leck-Kraftstoff wird aus dem Kraftstoffeinspritzventil 10' über die Kraftstoffrücklaufleitung 54 zu einem Tank 84 zurückgeführt. Der von der Kraftstoffeinspritzpumpe benötigte Kraftstoff wird über eine Vorförderpumpe 85 und eine Förderleitung 86 in an sich bekannter Weise dem Saugraum der Kraftstoffeinspritzpumpe 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 F i g. 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 Kraftstoff einspritzvenils 10 nach F i g. 1 eine konstante Einschaltdauer ti haben und deren Einschaltdauer ti in dem in Fig.3 dargestellten Ausführungsbeispiel durch den vom Schalter 72 (siehe F i g. 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 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 F i g. 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 103. Die Steuereinrichtung 88 wird von einem mit der Nockenwelle der als Kraftstoffzumeßpumpe dienenden Einspritzpumpe (siehe F i g. 3) gekuppelten als Signalgeber ausgebildeten Drehwinkelgeber 91 ausgelöst, der in F i g. 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 verbundea

Zur Erzeugung der Steuerimpulse 89 ist in der als Transistorschalteinrichtung ausgebildeten Steuereinrichtung 88 ein monostabiler Steuermultivibrator 108 vorgesehen, der einen im Ruhestand stromleitenden Eingangstransistor 109 und einen an dessen Kollektor über einen Widerstand 110 mit seiner Basis angeschlossenen, im Ruhezustand gesperrten Ausgangstransistor Ul und außerdem ein die jeweilige Impulsdauer ti bestimmendes Zeitglied enthält Dieses besteht bei dem lediglich als Ausführungsbeispiel zu wertenden Steuermultivibrator 108 aus einem Widerstand 112 und einem Kondensator 113, die in Reihe geschaltet zwischen der Basis des Eingangstransistors 109 und dem Kollektor des Ausgangstransistors 111 eingefügt sind. Der Kollektor des Ausgangstransistors 111 ist außer mit dem Kondensator 113 über einen Widerstand 114 mit der Minusleitung 103 und über eine Steuerleitung 115 mit der Basis eines Leistungstransistors 116 verbunden, der wesentlicher Bestandteil einer Leistungsstufe 117 ist Der Leistungsstufe 117 ist in bekannter und deshalb nicht näher dargestellter Weise ein in die Steuerleitung 115 eingefügter Zwischenverstärker vorgeschaltet Die durch das Symbol 33 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 103 verbunden, wobei selbstverständlich anstelle der Minusleitung getrennte, mit Masse verbundene Leitungsteile in der Schaltung vorhanden sein können.

Der als Zeitglied dienende Kondensator 113 und der 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 103 und der gemeinsamen Plusleitung 102 angeordnet sind. Beide Transistoren 109 und ίίί gehören zum pnp-Typ und sind daher mit ihrem Emitter an die Plusleitung 102 angeschlossen.

Bei jedem von dem Drehwinkelgeber 91 ausgehenden Schaltimpuls, der im vorliegenden Beispiel durch Schließen des Schaltkontaktes 104 erzeugt wird, wird der monostabile 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 seiner ursprünglichen leitenden Zustand zurückkehren kann. Während des stromleitenden Zustandes des Ausgangstransistors 111 entsteht der bei 89 angedeutete Öffnungsimpuls ti für die Einspritzventile.

Das in F i g. 1 dargestellte elektromagnetisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzventil benötigt nur eine festgelegte, die Einschaltdauer des Elektromagneten 24 bestimmende Impulslänge ti, die immer größer oder mindestens gleich der maximal möglichen Einspritzdauer ist Die in Fig.2 dargestellte zweite Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes enthält den Schalter 72, der, wie in F i g. 4 gestrichelt angedeutet, über die Steuerleitung 75 den Spannungsteilerabgriff P und damit die Basis des Eingangstransistors 109 mit der Minusleitung

103 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 Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils wird nun anhand der Zeichnung erläutert. Das für das zweite Ausführungsbeispiel ausgelegte Blockschaltbild F i g. 3 ist auch für das erste Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 gültig, wenn anstelle des Einspritzventils 10' das Einspritzventil 10 nach F i g. 1 an die Kraftstoffleitungen 21 und 54 angeschlossen wird und die Anschlußleitung 36' durch 36 ersetzt wird. Beim ersten Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 entfällt außerdem die Steuerleitung 75.

Das Kraftstoffeinspritzventil nach F i g. 1 erhält über die Kraftstoffzulaufleitung 21 und das Rückschlagventil 19 eine dem jeweiligen Betriebszustand des Motors genau zugemessene, vom Fiiehkraftdrehzahlregier 82 (siehe F i g. 3) eingestellte und von der als Kraftstoffzumeßpumpe 81 dienenden Kraftstoffeinspritzpumpe geförderte Kraftstoffmenge, die in den Speicherraum 12 unterhalb des Speicherkolbens 13 vorgelagert wird. Dabei verschiebt sich der Speicherkolben nach oben unter Zusammendrückung der als Speicherfeder 14 dienenden Schraubendruckfeder. Der im Speicherraum 12 und damit auch im Druckraum 18 herrschende von der Vorspannung der Schraubendruckfeder bestimmte Druck des Kraftstoffes wirkt sowohl in öffnungs- als auch in Schließrichtung auf die Ventilnadel 39 ein. Da der Durchmesser DJt des Kraftausgle'chskolbens 59 so bemessen ist, daß die Querschnittsfläche des Kraftausgleichskolbens 59 gleich der Ringquerschnittsfläche an der Ventilnadel 39 ist, welche im Druckraum 18 vom Kraftstoffdruck beaufschlagt wird und einerseits vom Durchmesse Dv der Ventilnadel 39 und andererseits vom Durchmesser des Ventilsitzes 17 begrenzt ist, wird ein vollständiger Kraftausgleich erreicht, d. h. die in Öffnungs- und Schließrichtung auf die Ventünadel 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 elektronischen Steuereinrichtung 88 (siehe F i g. 4) erzeugten Steuerimpuls 89 zieht der Elektromagnet 24 über seinen Anker 61 den mit diesem gekoppelten Kraftausgleichskolben 59 an, wodurch der an der Ventünadel 39 angreifende Kraftstoffdruck diese anheben kann und der Ventilsitz 17 geöffnet wird. Der im Speicherraum 12 vorgelagerte und im Druckraum 18 stehende Krafttoff kann somit über die Düsenöffnung 37 in den nicht näher dargestellten Brennraum des Motors eingespritzt werden. Am Ende der Einspritzung gelangt der Speicherkolben 13 wieder in seine in F i g. 1 gezeichnete Ausgangslage zurück und drückt mit seinem Ende 57 unter der Kraftwirkung der Speicherfeder 14 über den Kraftausgleichskolben 59 die Ventünadel 39 wieder auf den Ventilsitz J7, wobei letzterer geschlossen wird. Dieser Schließvorgang ermöglicht ein rasches Schließen der Ventünadel 39 und verhindert außerdem ein Nachtropfen des Kraftstoffes in den Brennraum des Motors. Aufgrund der zur Festlegung des Einspritzdrukkes sehr hoch vorgespannten Speicherfeder 14 ist die Schließkraft so hoch, daß die Schließbewegung sehr schnell erfolgt und von dem noch eingeschalteten EIek-

tromagneten 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 werden kann. Die Kraft der Speicherfeder 14 ist so groß, daß sie auch trotz der im geöffneten Zustand der Ventilnadel 39 zusätzlich vom Kraftstoffdruck beaufschlagten dem Ventilsitz 17 entsprechenden Fläche an der Ventilnadel 39 und der daraus resultierenden zusätzlich in Öffnungsrichtung wirkenden hydraulischen Kraft das Ventil auf seinen Sitz 17 zurückführen kann.

Diese vorgenannte, zusätzlich in Öffnungsrichtung wirkende Kraft tritt aber beim Ausführungsbeispiel des Kraftstoffeinspritzventils nach F i g. 1 nicht auf, da zwischen dem Speicherraum 12 und dem Druckraum 18, zwischen die Abschnitte 16a und 166 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 Durchmesse. Dv entprechende Querschnittsfläche der Ventilnadel 39 einwirkende hydraulische Kraft gleich der vorher bei geschlossenem Ventil

ίο auf den vorerwähnten Ringquerschnitt einwirkenden Kraft ist Dadurch wird ein dynamischer Kraftausgleich erzielt, so daß beim Schließen der Ventilnadel 39 keine zusätzliche Kraft aufgewendet werden muß.

Beim zweiten Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 ändert sich der gesamte Einspritzvorgang nur in der Weise, daß beim Ende der Einspritzung der in seine Ausgangslage zurückkehrende Speicherkolben 13, wie F i g. 2 zeigt, mittels des Federtellers 55' 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 Einschaltdauer des Elektromagneten 24 beendet

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Elektromechanisch gesteuertes Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren, mit einem elektromechanischen Wandler zur Steuerung des Einspritzbeginns und einer in einer Bohrung des Ventilgehäuses dichtend geführten, gegen die Kraft einer Ventilfeder und entgegen der Kraftstoffströmungsrichtung von ihrem Ventilsitz abhebenden, den Kraftstoffzutritt zumindest einer Düsenöffnung steuernden Ventilnadel, und mit einem einen gegen die Kraft einer Speicherfeder unter dem Druck zugeführten Einspritzkraftstoffs nachgebenden Speicherkolben aufweisenden Kraftstoffspeicher, dessen Speicherraum einerseits über eine Druckleitung Anschluß an einen dem Ventilsitz benachbarten Druckraum hat und andererseits über eine mit einem Rückschlagventil versehene Kraftstoffzuiaufleitung mit einer die pro Arbeitstakt benötigte Kraftstoffeinspritzmenge in den Speicherraum fördernden Kraftstoffzumeßpumpe verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß gleichachsig zur Ventilnadel (39) ein dichtend in einer Bohrung (58) des Ventilgehäuses (11,29) geführter Kraftausgleichskolben (59) und ein mit diesem gekoppeltes, beispielsweise als Anker des vorzugsweise als Elektromagnet ausgebildeten elektromechanischen Wandlers (24) ausgebildetes Betätigungsglied angeordnet ist und der Kraftausgleichskolben (59) mit seinem der Ventilnadel (39) zugewandten Ende (59a) kraftschlüssig an dem der Einspritzseite abgewandten Ende der Ventilnadel (39) anliegt, wobei die Anlagestelle im Bereich eines vorzugsweise zugleich die Ventilfeder (43) für die Ventilnadel (39) aufnehmenden druckentlasteten Raumes (44) liegt, das andere Ende (596) des Kraftausgleichskolbens (59) sowie Jas einspritzsseitige Ende der Ventilnadel (39) über die ständig mit dem Speicherraum (12) verbundene Druckleitung (16) zu dem dem Ventilsitz (17) benachbarten Druckraum (18) hin von dem im Speicherraum (12) des Kraftstoffspeichers (15) herrschenden Druck des Einspritzkraftstoffes beaufschlagt ist, und die dem größten, vom Kraftstoffeinspritzdruck beaufschlagten Durchmesser (Dk) des Kraftausgleichskolbens (59) entsprechende Querschnittsfläche in etwa der sich aus der dem größten vom Kraftstoffeinspritzdruck beaufschlagten Durchmesser (Dv) der Ventilnadel (39) entsprechenden Querschnittsfläche nach Abzug der vom Ventilsitz (17) bei geschlossenem Einspritzventil beanspruchten Fläche ergebenden Ringfläche entspricht, so daß bei geschlossenem Ventilsitz (17) die in Offnungs- und Schließrichtung auf die Ventilnadel (39) und den Kraftausgleichskolben (59) in Achsrichtung des Einspritzventils einwirkenden hydraulischen Kräfte gleich oder mindestens annähernd ausgeglichen sind, und daß schließlich der Speicherkolben (13) gleichachsig zu den fluchtenden Achsen von Ventil nadel (39) und Kraftausgleichskolben (59) und im Anschluß an letzteren so angordnet ist, daß er ggf. unter Überwindung einer noch eingeschalteten Gegenkraft des elektromechanischen Wandlers (24) spätestens in seiner bei Einspritzende eingenommenen Ausgangsstellung über den Kraftausgleichskolben (59) auf die Ventilnadel (39) eine diese auf ihrem Ventilsitz (17)

drückende Zusatzkraft überträgt

2. Elektromechanisch gesteuertes Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß in der Druckleitung (16) zwischen dem

ä Speicherraum (12) und dem dem Ventilsitz (17) benachbarten Druckraum (18) eine Drosselstelle (62) angeordnet ist, durch deren Drosselquerschnitt der Druck im Druckraum (18) bei geöffnetem Ventilsitz (17) so verringerbar ist, daß die im Druckraum (18)

auf die Ventilnadel (39) in Öffnungsrichtung wirkende hydraulische Kraft mindestens annähernd gleich der bei geschlossenem Ventilsitz (17) im gleichen Raum in gleicher Richtung wirkenden Kraft ist.

3. Elektromechanisch gesteuertes Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe des bei Einspritzende wieder in seine Ausgangsstellung gelangenden Speicherkolbens (13) ein elektrischer Schalter (72) betätigbar ist, der die Stromzufuhr eines als elektromechanischer Wandler dienenden Elektromagneten (24) mittelbar unterbricht

4. Elektromechanisch gesteuertes Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (72) an eine Steuerleitung (75) angeschlossen ist, die mit der Basis eines Eingangstransistors (109) eines monostabilen Steuermultivibrators Ί08) verbunden ist, der Teil einer die Einschaltdauer des Elektromagneten (24) steuernden elektronischen Steuereinrichtung (88) ist

5. Elektromechanisch gesteuertes Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (72') an eine Steuerleitung (75') angeschlossen ist, die mit der Basis eines in Reihe mit der Magnetisierungswicklung (33) des als Elektromagnet ausgebildeten elektromechanischen Wandlers (24) liegenden Leistungstransistor (116) verbunden ist.