DE2639572A1

DE2639572A1 - Zumessventil fuer die brennstoffeinspritzung

Info

Publication number: DE2639572A1
Application number: DE19762639572
Authority: DE
Inventors: Robert Charles Merritt
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 1975-09-02
Filing date: 1976-09-02
Publication date: 1977-03-10
Also published as: FR2323026B3; JPS5232129A; FR2323026A1; CA1052363A; US4132205A

Description

EATON CORPORATION, Cleveland, Ohio 44114, V.St.A.

Zumeßventil für die Brennstoffeinspritzung

Die Erfindung bezieht sich auf die Brennstoffeinspritzung für einen Verbrennungsmotor, und zwar insbesondere auf ein Zumeßventil für einen solchen Motor.

Die Vorteile der Brennstoffeinspritzung sind bekannt. Das Ausmaß, mit welchem man die Vorteile erhält, hängt stark von der Genauigkeit und zeitlichen Flexibilität des Zumeßventils oder der Zumeßventile in einem Einspritzsystem ab und letzten Endes auch von den Kosten der Zumeßventile und dem System zur Steuerung der Ventile. Ein Einspritzzumeßventil für einen kompressionsgezündeten Motor sollte die für die Motordrehzahl und Last angeforderte Brennstoffmenge abmessen, sollte eine gleiche Menge für jeden Zylinder zur optimalen Zeit und mit optimaler Rate zumessen, und sollte schließlich den Einspritzdruckanstieg und -abfall

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zur Einspritzdüse scharf steuern, um das Tropfen der Düse und die Nacheinspritzung zu vermeiden. Es wurden bereits verschiedene grundsätzliche Brennstoffeinspritzsysteme bekannt. Am erfolgreichsten von den Grundtypen ist das eine gemeinsame Schiene verwendende System und das Stoßpumpensystem. Es wurden auch bereits zahlreiche Abwandlungen und Kombinationen der Grundsysteme angegeben. Das eine gemeinsame Schiene verwendende System benutzt eine einzige Pumpe zur Aufrechterhaltung des Einspritzdrucks für ein gemeinsames Kopf- oder Sammelstück und eines oder mehrere Zumeßventile. Die Rate der Brennstoffzumeßung in derartigen Systemen ist eine Funktion der Zeit, da der Einspritzdruck konstant ist. Das Aufstoßpumpensystem verwendet eine oder mehrere Stoßpumpen, die sowohl den Einspritzdruck als auch die Zumessung vorsehen. Die Rate der Brennstoffeinspritzung in einem solchen System ist relativ konstant bezüglich der Grade der Motorkurbelwellendrehung; die Rate ändert sich stark bezüglich der Zeit und der Druck ändert sich stark bezüglich der Motordrehzahl.

Während der letzten mehreren Jahre besaßen die eine gemeinsame Schiene verwendenden Systeme einen kleiner werdenden Erfolg bei kompressionsgezündeten Motoren, die über einan großen Geschwindigkeits- und Lastbereich hin arbeiten. Kompressions gezündete Motoren erfordern hohe Einspritzdrücke und die bekannten Bauarten von Zumeßventilen, die in der Lage sind, den Hochdruckbrennstoff genau zuzumessen, machten relativ hohe synchronisierte Betätigungskräfte erforderlich. Durch den Motor angetriebene Betätigungsvorrichtungen erzeugten beides. Sie betätigen jedoch auch die Ventilglieder in den Zumeßventilen bei Drehzahlen proportional zur Motordrehzahl, d.h. ansteigende Motordrehzahlen riefen erhöhte Ventilglieddrehzahlen bezüglich der Zeit hervor, wodurch in unerwünschter Weise die Menge des zugemessenen Brennstoffs vermindert wurde, da die Zumeßrate in solchen Systemen eine Funktion der Zeit ist. Die Veränderung der Größe der Zumeßöffnung im Ventil als Funktion der· Motordrehzahl und -last war ein Verfahren zur Aufrechterhaltung bzw. Vergrößerung der Menge des zugemessenen Brennstoffs. Diese Ver-

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fahren war jedoch ebenso wie andere Verfahren kostspielig und kompliziert. Eine gemeinsame Schiene verwendende Systeme waren ziemlich erfolgreich bei durch Funken gezündeten Motoren, da derartige Motore einen relativ niedrigen Druck für die Sammelleitungseinspritzung benötigen, wobei das Zumeßventil durch einen Solenoid betätigt werden kann, der relativ geringe Kräfte erzeugt.

Injektionssysteme mit Stoßpumpen, welche das Pumpen und Zumessen in einer einzigen Einheit kombinieren, waren außerordentlich erfolgreich bei Dieselmotoren. Derartige Systeme können eine kombinierte Einheit aufweisen, die mehrere Motorzylinder über einen Verteiler versorgen oder aber es kann eine Einheit pro Motorzylinder vorgesehen sein. In jedem Fall verwendet die Einheit oftmals einen Kolben und eine eine Kammer definierende Bohrung, die infolge der hin-und hergehenden Bewegung des Kolbens erweitert und zusammengezogen wird. Der Kolben wird durch einen Motorantriebsnocken hin und her bewegt, und zwar mit einer Geschwindigkeit proportional zur Motordrehzahl. In der expandierten Kammer wird ein veränderbares Brennstoffvolumen eingefangen und dann impulsiv zu einem Motorzylinder gestossen, und infolge der Bewegung des Kolbens in eine die Kammer einziehende oder verkleinernde Richtung. Derartige Einheiten haben eine Reihe von Nachteilen infolge der hohen Kräfte, die erforderlich sind, um das eingeschlossene Brennstoffvolumen auf den hohen Einspritzdruck anzuheben, der für einen Dieselmotor erforderlich ist. Die Antriebskette zwischen dem Kolben und dem Motor muß daher derart entworfen sein, daß sie hohen Drehmomenten widersteht. Wenn eine veränderbare Einspritzzeitsteuerung erforderlich ist, so muß die Antriebskette eine stabile Phasenanderungsvorrichtung aufweisen, die den erforderlichen hohen Drehmomenten widersteht. Die hohen Antriebskräfte bewirken eine hohe Seitenbelastung des Kolbens; diese Belastung beschleunigt den Abrieb des KoI-bens und der Bohrung. Die Einspritzdrücke sind bei niedrigen Motordrehzahlen niedriger als ideal und bei hohen Drehzahlen höher als ideal, da die Kolbengeschwindigkeit proportional zur Motordrehzahl ist. Leck von Brennstoff aus dem eingeschlossenen

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Volumen erhöht sich mit abnehmender Motordrehzahl. Der Anstieg und Abfall des Einspritzdrucks ist ziemlich langsam, und zwar infolge des zyklischen Pumpens des Brennstoffs durch den Kolben.

Die vorliegende Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, ein einfaches, geringe Kosten verursachendes Ventil vorzusehen, welches in der Lage ist, einen sehr kleinen und genauen Strömungsmittelimpuls zuzumessen. Die Erfindung sieht ferner ein StrömungsmitteIzumeßventil vor, welches die Kosten und die Kompliziertheit eines Strömungsmitteleinspritzsystems reduziert. Die Erfindung bezweckt ferner, ein Ventil vorzusehen, welches relativ niedrige Betätigungskräfte bei der Zumessung von stark unter Druck stehendem Strömungsmittel benötigt, wodurch die Abrieblebensdauer des Ventils infolge der niedrigen Betätigungskräfte verbessert wird. Die Erfindung sieht ferner ein Zumeßventil vor, welches den Druckanstieg und Druckabfall an der Auslaßöffnung des Ventils scharf steuert.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung werden die obigen Ziele durch ein Ventil erreicht, welches eine Bohrung und ein Ventilglied der Kolbenbauart definiert, welches in einer Richtung in der Bohrung durch einen abgestuften Nocken und in der anderen Richtung durch eine Feder bewegt wird. Der Kolben besitzt einen Zumeßkanal und das Gehäuse besitzt Einlaß- und Auslaßöffnungen, die mit der Bohrung in Verbindung stehen. Der Zumeßkanal durchquert mindestens eine der Öffnungen vollständig und verbindet dabei augenblicklich die öffnungen. Verteiler- oder Blockiermittel können vorgesehen sein, und zwar entweder im oder verbunden mit dem Ventil, um die Strömungsmittelzumessung dann zu verhindern, wenn der Kolben durch den abgestuften Nocken bewegt wird, und um die Zumessung dann zu gestatten, wenn der Kolben durch die Feder bewegt wird. Da der Betätigungsnocken für das Ventilglied abgestuft ist, kann das Ventilglied Brennstoff unabhängig von der Motordrehzahl zumessen, obwohl der Nocken zweckmäßigerweise und synchron durch den Motor angetrieben ist.

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Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Einspritzsystems mit einem Einspritzventil pro Motorzylinder;

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Einspritzsystems mit einem Einspritzventil für mehrere Motorzylinder.

In Fig. 1 ist schematisch ein Brennstoffeinspritzsystem 10 dargestellt, welches eine Hochdruckbrennstoffpumpe 12, einen Brennstoffverteiler 14, ein Brennstoffzumeßventil 16 für jeden Zylinder 18 eines Dieselmotors und eine Brennstoffeinspritzdüse 20 für jeden Zylinder 18 aufweist. Das Zumeßventil 16 ist bezüglich der anderen Komponenten des Systems 10 vergrössert, um die Einzelheiten des Ventils deutlicher zu zeigen.

Pumpe 12, Verteiler 14, Zylinder 18 und Düsen 20 können von irgendeiner der bekannten Bauarten sein. Die Pumpe 12 wird vorzugsweise durch den Motor angetrieben und liefert unter hohem Druck stehenden Brennstoff an den Verteiler 14 über ein Rohr 22. Der von der Pumpe 12 gelieferte Brennstoffdruck kann in der Größenordnung von 4000 bis 10 000 psi (englische Pfund pro Quadratzoll) liegen. Der Ausdruck "Hochdruck" wie er hier verwendet ist, soll den Unterschied zwischen dem für die Brennstoffeinspritzung in einen Motorzylinder erforderlichen hohen Druck gegenüber dem relativ niedrigen Druck unterscheiden, der für die Brennstoffeinspritzung in eine Motorsammelleitung erforderlich ist. Das Ventil 16 kann jedoch (auch) bei niedrigeren Drücken für Sammelleitungseinspritzung verwendet werden.

Der Verteiler 14 kann irgendeiner der wohlbekannten Verteilerbauarten angehören und eine feststehende Scheibe mit einer Vielzahl von Brennstoffauslaßöffnungen aufweisen, die mit Rohren 2 4a, 24b, 24c und 24d verbunden sind, und wobei eine

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sich drehende Scheibe mit einer einzigen Öffnung sich in konstanter Verbindung mit dem Hochdruckbrennstoff in Rohr 22 befindet. Die sich drehende Scheibe wird mit der Nockenwellendrehzahl angetrieben und wird vorzugsweise durch den Motor angetrieben. Die Einlaßöffnung traversiert die Auslaßöffnungen und setzt die Rohre 24 in der Motorzündfolge unter Druck. Die Rohre 24 sind jeweils mit der Einlaßöffnung eines der Zumeßventile verbunden.

Das Zumeßventil 16 ist mit der Einspritzdüse 20 über ein Rohr 26 verbunden. Die Düse 20 spritzt direkt in den Zylinder 18 ein. Der Zylinder 18 besitzt Einlaß- und Auslaßventile 28 bzw. 30 sowie einen Kolben 32, der durch die Motorwelle über eine Verbindungsstange 34 angetrieben wird.

Das Zumeßventil 16 besitzt ein Gehäuse 36, einen abgestuften Nocken 38, einen Kolben oder ein Ventilglied 40 sowie eine Schraubenfeder 42. Das Gehäuse 36 besitzt eine Nockenkammer 36a, eine Bohrung 36b, eine Federkammer 36c mit einer Schulter 36d, einer Einlaßöffnung 36e, die Rohr 24 mit Bohrung 36b verbindet, und eine Auslaßöffnung 36f, die Bohrung 36b mit Rohr 26 verbindet.

Der abgestufte Nocken 38 besitzt einen Vorsprung oder Scheitelteil 38a, der sich glatt ansteigend auf seine Maximalhöhe in Richtung der Nockendrehung (Pfeil A) erhöht und sodann abrupt auf einen eine minimale Höhe aufweisenden Teil 38b abfällt. Der abgestufte Nocken 38 wird durch eine Welle 38c in zeitliche Beziehung mit dem Verteiler bei Motornockenwellendrehzahl angetrieben und vorzugsweise durch den Motor angetrieben.

Der Kolben 40 besitzt einen Schaftteil 40a in gleitender abdichtender Berührung mit der Wand der Bohrung 36b, eine Ringnut oder einen Zumeßkanal 40b, der den Schaft unterteilt, und einen Flanschteil 40c. Der Flanschteil 40c erzeugt eine Lageroberfläche für die Feder 42 und einen Anschlag, der mit Schulter 36d in Eingriff kommt, um die Abwärtsbewegung des Kolbens zu begrenzen, um so zu verhindern, daß das sich

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in Gleitberührung mit dem abgestuften Nocken befindliche Kolbenende gegen den Teil 38b mit minimaler Höhe schlägt.

Es sei nunmehr die Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 beschrieben. Die Schaftteile 40a des Kolbens 40 blockieren die Verbindung zwischen den Öffnungen 36e und 36f, wenn sich der Kolben in seiner unteren oder ersten Stellung und in seiner oberen oder zweiten Stellung befindet. Der Zumeßkanal 40b gestattet die Verbindung zwischen den Öffnungen 36e und 36f dann_f wenn sich der Kolben zwischen der ersten und zweiten Stellung bewegt und die Öffnungen (Kanäle) 36e und 36f traversiert.

Der Nocken 38 dreht sich in Richtung des Pfeiles A und der Vorsprung 38a bewegt den Kolben 40 aus der ersten Stellung nach oben in die Bohrung 36d in die gezeigte zweite Stellung, und zwar mit einer Geschwindigkeit proportional zur Motordrehzahl. Wenn der Vorsprung 38a am Kolben 40 vorbeiläuft, so bewegt die Feder 42 den Kolben zurück in die erste Stellung, und zwar mit einer Geschwindigkeit proportional zur Federkraft und unabhängig von der Motordrehzahl.

Der Nocken 38 dreht sich mit einer zeitlichen Phasenbeziehung bezüglich des Verteilers 14. Der Verteiler blockiert die Brennstoffverbindungen zwischen Pumpe 12 und Einlaßöffnung 36e, während der Nocken den Kolben aus der ersten in die zweite Stellung bewegt, wodurch das Zumessen von Brennstoff verhindert wird, wenn der Zumeßkanal 4Od die öffnungen oder Kanäle 36e und 36f durchschreitet oder traversiert. Der Verteiler gestattet die Brennstoffverbindung zwischen der Pumpe 12 und der Einlaßöffnung 36e, während die Feder den Kolben aus der zweiten Stellung in die erste Stellung bewegt, auf welche Weise der Kanal 40b eine Brennstoffladung von der Einlaßöffnung zur Auslaßöffnung beim Traversieren der Kanäle oder Öffnungen durchführt.

Der Nocken 38 kann vom Motor auf irgendeine der bekannten Weisen

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angetrieben sein. Wenn der Antrieb derart erfolgt, so kann die winkelmäßige Phasenbeziehing zwischen dem Nocken 38 und der Motorkurbelwelle oder Nockenwelle durch Verwendung einer Phasenänderungsvorrichtung, wie im U.S. Patent 3 827 413 beschrieben, geändert werden, wodurch die Einspritzzeitsteuerung der durch das Ventil 16 zugemessenen Brennstoffladungen verändert werden kann.

Wie man ohne weiteres erkennt, wird jede Brennstoffladung unabhängig von der Motordrehzahl zugemessen, obwohl das Ventil durch den Motor angetrieben ist. Die Menge des pro Ladung zugemessenen Brennstoffs kann als eine Funktion der Drosselstellung oder entsprechend anderen Motorparametern verändert werden, und zwar durch Veränderung der Fläche des Einlaß- und/oder Auslaßkanals in einer Weise ähnlich der U.S. Patentanmeldung 403,308 vom 3. Oktober 1973, die auf den Anmelder der vorliegenden Anmeldung übertragen wurde.

In Fig. 2 ist schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel eines Brennstoffeinspritzsystems 100 dargestellt. Der Hauptunterschied zwischen den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. und Fig. 2 besteht in der Anzahl der für einen Mehrzylindermotor erforderlichen Zumeßventile. Das System 10 verwendete ein Zumeßventil pro Zylinder, während das System 100 ein Zumeßventil für mehrere Zylinder verwendet. Die Bauteile der beiden Systeme unterscheiden sich lediglich bezüglich ihrer Lage im System. Die Bauteile des Systems 100 sind mit den entsprechenden Bezugszeichen der Fig. 1 bezeichnet, allerdings sind sie mit einem Strich gekennzeichnet. Das Einspritzsystem 100 umfaßt eine Pumpe 12', einen Verteiler 14', der über ein Rohr 102 mit Ventil 16' und über ein Rohr 24a¹ mit einer Düse 20' in Verbindung steht, und einen Motorzylinder 18'. Die Rohre 24b¹, 24c¹ und 24d' stehen mit zusätzlichen Düsen 20' in Verbindung.

Ein abgestufter Nocken 38' wird in zeitlicher Phasenbeziehung mit dem Verteiler verdreht, aber mit einer erhöhten Drehge-

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schwindigkeit, die durch die Anzahl der vom Ventil belieferten Motorzylinder bestimmt ist. Wenn hier vier Zylinder versorgt werden, so dreht sich der Nocken 38'viermal schneller als der Verteiler.

Zusammenfassend sieht die Erfindung somit ein Zumeßventil für ein Dieselmotor-Einspritzsystem vor. Dabei sind zwei das Ventil darstellende Einspritzsysteme gezeigt. Erfindungsgemäß besitzt das Ventil einen Kolben, der in einer Richtung durch einen abgestuften Nocken bewegt wird, und der in der anderen Richtung durch eine Feder bewegt wird. Der Nocken bewegt dabei den Kolben mit einer Geschwindigkeit proportional zur Motordrehzahl Die Feder bewegt den Kolben mit einer Geschwindigkeit proportional zur Federkraft und unabhängig von der Motordrehzahl. Schließlich sieht die Erfindung noch einen mechanischen Brennstoffverteiler vor, der die Brennstoffzumessung durch den Kolben dann verhindert, wenn der Nocken den Kolben bewegt und die Brennstoffzumessung dann erlaubt, wenn die Feder den Kolben bewegt.

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Claims

Ansprüche

■^; 1. j Zumeßventil mit einem Ventilgehäuse, welches einen Strömungsmitteleinlaß und einen Strömungsmittelauslaß aufweist, gekennzeichnet durch ein zwischen ersten und zweiten Stellungen in dem Gehäuse (36) bewegbares Ventilglied (40), welches die Verbindung zwischen dem Einlaß(36e) und dem Auslaß (36f) dann blockieren kann, wenn es sich in seinen ersten und zweiten Stellungen befindet, und wobei Zumeßmittel (40b) mit dem Ventilglied bewegbar angeordnet sind, um den Einlaß mit dem Auslaß dann zu verbinden, wenn die Bewegung zwischen den ersten und zweiten Stellungen erfolgt, wobei ferner Nockenmittel (38) das Ventilglied aus der ersten in die zweite Stellung bewegen und dann in abrupter Weise gestatten, daß das Ventilglied in die zweite Stellung gelangt, und wobei schließlich elastische Mittel (42) vorgesehen sind, welche das Ventilglied aus der zweiten in die erste Stellung bewegen können.
2. Zumeßventil für ein Einspritzsystem mit einer Quelle von unter Druck stehendem Strömungsmittel, einer Abgabedüse, Kanalmitteln zur Verbindung der Quelle mit der Düse und Mitteln zum periodischen Blockieren und Öffnen der Kanalmittel, gekennzeichnet durch ein Ventilgehäuse (36) mit einer Einlaßöffnung (36e) und einer Auslaßöffnung (36f), die mit der Quelle bzw. der Düse (20) durch die Kanalmittel verbindbar sind, und wobei ein Ventilglied (40) zwischen ersten und zweiten Stellungen im Gehäuse bewegbar ist und die Verbindung der erwähnten Öffnungen dann blockiert, wenn es sich in der ersten und zweiten Stellung befindet, und wobei das Ventilglied Zumeßmittel (40b) aufweist, die mit dem Ventilglied bewegbar sind, um die Öffnungen bei der Bewegung zwischen den ersten und zweiten Stellungen zu verbinden, und wobei ferner elastische Mittel (42) das Ventilglied aus der zweiten in die erste Stellung bewegen können, und wobei ferner Nockenmittel· (38) vorgesehen sind, welche in einer zeitlichen Beziehung mit den periodisch (blockierenden) Mitteln stehen und das Ventilglied (40) aus der ersten in die zweite Stellung

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bewegen, wenn die periodischen Mittel den Kanal blockieren, und wobei die Nockenmittel das Ventilglied dann sich abrupt in die zweite Stellung infolge der Kraft der elastischen Mittel bewegen lassen, wenn die periodischen Mittel die Kanalmittel öffnen.
3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied ein Kolbenventil ist, welches gleitend in einer Bohrung im Gehäuse angeordnet ist, und wobei die Nockenmittel einen Vorsprung (38a) aufweisen, der sich glatt bis zu einer maximalen Höhe vergrößert, um den Kolben in die zweite Stellung zu bewegen, und der dann abrupt sich auf eine kleinere Höhe (38b) verkleinert, um zu gestatten, daß die elastischen Mittel den Kolben in die erste Stellung bewegen .
4. Zumeßventil für ein Einspritzsystem der Bauart mit einer Quelle von unter Druck stehendem flüssigen Brennstoff, einer Düse zur Lieferung des Brennstoffs an einen Kolbenzylinder eines Verbrennungsmotors, Kanalmittel zur Verbindung der Quelle mit der Düse und Mitteln zum periodischen Blockieren und Öffnen der Kanalmittel in zeitliche Beziehung mit dem Kolben, gekennzeichnet durch ein Ventilgehäuse mit einer Einlaßöffnung und einer Auslaßöffnung, die mit der Quelle bzw. Düse verbunden sind, und wobei eine Bohrung in Verbindung mit den öffnungen steht, und wobei ferner ein Ventilglied in der Bohrung angeordnet ist, um Brennstoff vom Einlaß zum Auslaß dann zuzumessen, wenn das Ventilglied sich zwischen ersten und zweiten Stellungen in der Bohrung bewegt, und um das Zumessen dann zu verhindern, wenn sich das Ventilglied in der ersten oder zweiten Stellung befindet, und wobei elastische Mittel das Ventilglied aus der zweiten Stellung in die erste Stellung bewegen, und wobei schließlich Nockenmittel beim Betrieb das Ventilglied in die zweite Stellung dann bewegen, wenn die periodischen Mittel die Leitungsmittel blockieren, und wobei die Nockenmittel dann gestatten, daß die elastischen Mittel das Ventilglied in die erste Stellung sich bewegen lassen, wenn die periodischen Mittel die Leitung öffnen. 709810/0 413
5. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bewegung des Ventilglieds einen Nocken in Gleitberührung mit dem Ventilglied aufweisen, der sich stetig glatt auf einen Vorsprung in Richtung der Nockendrehung vergrößert, um das Ventilglied in die zweite Stellung anzuheben, und der dann sich plötzlich auf eine Höhe verkleinert, die gestattet, daß die elastischen Mittel das Ventilglied in die erste Stellung bewegen.
6. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenmittel durch den Motor in zeitlich gesteuerter Phasenbeziehung damit angetrieben werden.

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