DE2736317A1

DE2736317A1 - Kraftstoffsystem fuer motoren mit verdichtungszuendung

Info

Publication number: DE2736317A1
Application number: DE19772736317
Authority: DE
Inventors: Robert L Scholtz
Original assignee: Cummins Engine Co Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 1976-08-18
Filing date: 1977-08-12
Publication date: 1978-02-23
Also published as: FR2362279A1; BR7705444A; DE2736317C2; GB1533948A; SE432968B; US4095572A; JPS5341638A; JPS5637413B2; MX144588A; FR2362279B1; ES461674A1; SE7709281L

Description

Andrejewslei, Honke, Gesthuysen & Masch Patentanwälte

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? Diplom-Physiker

Dr. Walter Andrejewslei Diplom-Ingenieur Dr.-Ing. Manfred Honke Diplom-Ingenieur Hans Dieter Gesthuysen Diplom-Physiker Dr. Karl Gerhard Masch Anwaltsakte: 43 Essen 1, Theaterplatz 3, Postf. 789

50 593/Pe¹VR 9. August 1977

Patentanmeldung

Cummins Engine Company, Incorporated

lOOO Fifth Street

Columbus, Indiana 4 7 201 / USA

"Ii altstoifsystem für Motoren mit Verdichtungszünduruj"

üi(i iJri'indung betrifft ein Kraftstoffsystem für Motoren mit Verdi«rhtungszündung, insbesondere iür Dieselmotoren, die eint Ii Ansnuyluf I.vei t.ei ler und einen Tui bolnder aufweisen, wolii der Turbo]ader einen mit der Motoileitung ansteigenden Ji.'Helul tdruol; prxcugt, und wobei da:; Yrni tstoff system die I) )i t:.;t»>i ί 7.ui uhi in Abhängigkeit vcn (hii Motordrehzahl

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BAD ORIGINAL Andreiewski, Honke, Gesthuysen & Masch, Patentanwälte in Essen

mit Verdichtungszündung, insbesondere von Dieselmotoren, gesetzlich wesentlich niedriger angesetzt werden als bisher. Der höchste Abgasausstoß tritt bei einem Motor während der Beschleunigungsphase auf, insbesondere ist das bei Dieselmotoren ein Problem, bei denen ein Turbolader zur Luftverdichtung und Erhöhung des Druckes der vom Motor angesaugten Luft Verwendung findet. Bei einem derartigen Motor steigt die dem Motor zugeführte Kraftstoffmenge als direkte Funktion der Motordrehzahl an. Bei vollständig geöffnetem Drosselventil ist ein solcher Motor in der Lage, seine Höchstdrehzahl in sehr kurzer Zeit zu erreichen, womit gleichzeitig ein entsprechend starker Anstieg der zugeführten Kraftstoffmenge erfolgt. Die Luftverdichtung und Druckerhöhung durch den Turbolader erfolgt jedoch mit einer merkbaren Verzögerung gegenüber dem Drehzahlanstieg des Motors, so daß während des stellen Drehzahlanstieg des Motors der Ansaugluftdruck so niedrig ist, daß ein stark überfettetes Kraftstoff-Luftgemisch zur Verbrennung kommt, was zu einem erheblichen Abgasausstoß des Motors führt.

Wie aus der US-PS 30 77 873 bekannt ist, wird der erhebliche Abgasausstoß von Motoren mit Turbolader während eines schnellen Anstieges der Motordrehzahl dadurch zu verhindern versucht, daß die Kraftstoffzufuhr zu dem Motor in direkter Abhängigkeit des Ansaugluftdruckes gesteuert wird. Hierbei wird die Kraftstoff zufuhr zum Motor immer dann reduziert, wenn der Ansaugluftdruck unterhalb eines Maximalwertes liegt. Die Höhe des Kraftstoffdruckes wird dabei so eingestellt, daß während der Beschleunigungsphase kein überfettetes Kraftstoff-Luftgemisch zur Verbrennung gelangt.

Mit dem bekannten Kraftstoffsystem gelingt es zwar, den Abgasausstoß während der Beschleunigungsphase erheblich zu verrin-

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gern, jedoch treten in Verbindung damit bei geringerer Motorbelastung schwerwiegende Probleme auf. Die während der Beschleunigungsphase vorteilhafte Verringerung der Kraftstoffzufuhr begrenzt im Normalbetrieb des Motors die erreichbare Endleistung, wodurch vor allem das Durchzugsvermögen bei niedrigen Motordrehzahlen nachteilig beeinflußt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das bekannte Kraftstoffsystern für Motoren mit Verdichtungszündung so auszugestalten und weiterzubilden, daß einerseits während eines Ansteigens der Motordrehzahl der Abgasausstoß niedrig gehalten wird, daß andererseits ein gutes Durchzugsvermögen des Motors über einen weiten Drehzahlbereich garantiert wird.

Das erfindungsgemäße Kraftstoffsystem, bei dem diese Aufgabe gelöst ist, ist zunächst dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftstoffsystem eine Drucksteuerung aufweist, durch die der Kraftstoffdruck in Abhängigkeit vom Ansaugluftdruck des Motors steuerbar ist, und daß die Drucksteuerung mit dem Ansaugluftverteiler über eine Verzögerungseinrichtung verbunden ist, durch die eine Änderung des Ansaugluftdruckes mit Verzögerung an die Drucksteuerung für den Kraftstoffdruck weitergegeben wird.

Durch die erfindungsgemäße Verwendung einer Verzögerungseinrichtung wird die Kraftstoffzufuhr zum Motor erst dann erhöht, wenn auch der Turbolader einen Zustand erreicht hat, in dem er den für einen geringen Abgasausstoß während der Beschleunigungsphase notwendigen Ansaugluftdruck erzeugen kann.

Zweckmäßigerweise weist die Drucksteuerung eine Ventilanordnung auf, durch die die Kraftstoffzufuhr zum Motor steuerbar ist. Vorzugsweise ist diese Ventilanordnung dabei durch eine

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Membran betätigbar, die eine Wandung einer mit der Verzögerungseinrichtung verbundenen Pufferkammer bildet.

Nach einer weiteren Lehre der Erfindung, der besondere Bedeutung zukommt, weist die Verzögerungseinrichtung mindestens eine Drosselbohrung auf und ist zwischen der Drosselbohrung und der Drucksteuerung mindestens eine Druckkammer vorgesehen.

Zweckmäßigerweise sind der Durchlaßquerschnitt der Drosselbohrung und das Volumen der Druckkammer bzw. der Pufferkammer auf eine feste Verzögerungszeit hin abgestimmt.

Vorzugsweise ist die Drosselbohrung in einer Mittelwand der Verzögerungseinrichtung angeordnet, durch die die Verzögerungseinrichtung in zwei Druckkammern unterteilt wird. Schließlich ist es vorteilhaft, zusätzlich zu der Drosselbohrung eine Rückschlagventilanordnung vorzusehen, die für einen Luftstrom in Richtung zu der Drucksteuerung sperrt und für einen Luftstrom in entgegengesetzter Richtung öffnet.

Aufbau, Funktionsweise und Vorteile des erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems werden im folgenden anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Motors mit dem erfindungsgemäßen Kraftstoffsystem;

Figur 2 einen Querschnitt durch das Kraftstoffsystem in Figur 1 entlang der Linie 2-2;

Figur 3 zeigt den Verlauf des Luftdruckes in Abhängigkeit von der Zeit an zwei verschiedenen Punkten

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des Kraftstoffsystems in Figur 1.

In Figur 1 ist zunächst ein Motor mit Verdichtungszündung 10 gezeigt, bei dem ein erfindungsgemäßes Kraftstoffsystem Verwendung finden kann. Die Funktionsweise eines derartigen Motors mit Verdichtungszündung wird grundsätzlich als bekannt vorausgesetzt, an dieser Stelle nur stichwortartig erläutert. Bei dem Motor 10 wird der Kraftstoff mit Hilfe einer Einspritzanlage 12 direkt in die Zylinder des Motors 10 eingespritzt. Die Abgase des Motors 10 treiben eine Turbine eines Turboladers 13 an, dessen Kompressor 19 verdichtete Luft über eine Druckleitung 15 an einen Ansaugluftverteiler 17 abgibt. Die Einspritzanlage 12 wird von einem Kraftstoffsystem 16 über eine Mengenteilerleitung 14 mit Kraftstoff versorgt. Der über eine Kraftstoffleitung 18 dem Kraftstoffsystem 16 zugeführte Kraftstoff wird unter Druck an die Mengenteilerleitung 14 abgegeben. Die Druckverhältnisse in der Einspritzanlage 12 sind für sich bekannt (vgl. z. B. üS-PSen 27 27 503 bzw. 27 49 897).

Das Kraftstoffsystem 16 umfaßt eine motorangetriebene Kraftstoffpumpe 20, die z. B. als Zahnradpumpe ausgeführt sein kann; die gestrichelte Linie in Fig. 1 bedeutet die mechanische Verbindung zwischen der Kraftstoffpumpe 20 und dem Motor 10. Die Kraftstoffpumpe 20 ist mit ihrer Niederdruckseite an die Kraftstoffleitung 18 und mit ihrer Hochdruckseite an ein reglergesteuertes Bypassventil 22 angeschlossen. Durch das reglergesteuerte Bypassventil 22 kann Kraftstoff von der Hochdruckseite über eine Umwegleitung 24 zur Niederdruckseite der Kraftstoffpumpe 20 zurückgeführt werden. Die Funktion des reglergesteuerten Bypassventiles 22 wird durch einen mechanischen, drehzahlabhängigen Regler 26 gesteuert. Hinter

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dem reglergesteuerten Bypassventil 22 ist ein, z. B. vom Fahrrad zu betätigendes, Drosselventil 30 angeordnet, mit dem der Kraftstoffdurchfluß steuerbar ist. Über eine Leitung 32 ist das Drosselventil 30 an eine Drucksteuerung 34 angeschlossen.

Die Drucksteuerung 34 weist zunächst einen Ventilkörper 36 auf, der in eine Bohrung 38 im Trägerblock 40 des Kraftstoffsystems 16 eingesetzt ist. Der Ventilkörper 36 weist eine erste mit der Leitung 32 verbundene äußere Ringnut 42 und eine zweite mit der Mengenteilerleitung 14 verbundene äußere Ringnut 44 auf. Radiale öffnungen 46 verbinden die erste äußere Ringnut mit einer inneren Ringnut 48, die eine Richtkante 50 aufweist. Ein Ventilschaft 52 ist in Längsrichtung beweglich in einer Ventilbohrung 54 im Ventilkörper 36 angeordnet. In Verbindung mit der Richtkante 50 bildet eine ausgeformte Verdickung 56 an dem Ventilschaft 52 eine veränderliche Durchflußöffnung zwischen der inneren Ringnut 48 und mehreren radialen öffnungen 58, die mit der zweiten äußeren Ringnut 44 verbunden sind. Die Fläche der Durchflußöffnung ist eine direkte Funktion der Längsverschiebung des Ventilschaftes 52.

Das obere Ende des Ventilschaftes 52 ist in einer Führung 60 gehalten und an einem Membranträger 62 mit Hilfe von Befestigungselementen 64 und 66 befestigt. Die Befestigungselemente 64 und 66 halten gleichfalls eine Membran 68 aus elastischem Material. Eine auf den Membranträger 62 wirkende Ventilfeder 70 hält den Ventilschaft 52 in einer Stellung, in der der Kraftstoffzufluß zur Mengenteilerleitung 14 abgesperrt ist. Die Membran 68 wird mit Hilfe von Befestigungsmitteln 74 über eine Membranabdeckung 72 an den Trägerblock 40 gehalten. Die Membranabdeckung 72 weist einen Hohlraum 76 auf, der eine Pufferkammer 78 bildet. Die Pufferkammer 78 ist mit dem Ansaugluftverteiler 17 über eine Nebenluftleitung 82 und eine Ver-

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zögerungseinrichtung 84 verbunden.

Die Verzögerungseinrichtung 84 weist eine Fassung 86 auf, die in die Membranabdeckung 72 so eingesetzt ist, daß ein Kanal durch die Fassung 86 mit der Pufferkammer 78 in Verbindung steht. Ein kreisförmiges Gehäuse 90 ist auf der der Pufferkammer 78 gegenüberliegenden Seite mit der Fassung 86 verbunden. Das kreisförmige Gehäuse 90 weist eine Mittelwand 92 auf, durch die es in zwei Druckkammern 94 und 96 unterteilt wird. Die Druckkammer 96 ist mit der Nebenluftleitung 82 über einen Anschluß 98 und eine Durchführung 100 verbunden. Die Mittelwand 92 weist Drosselbohrungen 102 auf. Die Drosselbohrungen 102 bestehen vorzugsweise aus Sintermetall von entsprechend vorgewählter Porosität. Die Verwendung derartiger Sintermetalleinsätze als Drosselbohrungen 102 hat den Vorteil, daß der wirksame Durchlaßquerschnitt sehr kleiner Durchlässe trotz einer großen Oberfläche erreichbar ist. Dadurch werden die Durchführungen vergleichsweise unempfindlich gegenüber Verschmutzungen.

Zusätzlich sind weitere Bohrungen 104 in der Mittelwand 92 vorgesehen. Ein Luftstrom durch die Bohrungen 104 in Richtung zu der Drucksteuerung 34 wird durch eine flexible Ventilscheibe 106 verhindert, die mit einem Halteknauf 108 an der Mittelwand 92 befestigt ist. Bei einem Luftstrom in entgegengesetzter Richtung hebt jedoch die flexible Ventilscheibe von der Oberfläche der Mittelwand 92 ab und öffnet so die Bohrungen 104. Eine entsprechende Filterscheibe 110 senkt den Eintritt von Schmutzteilchen aus dem Ansaugluftverteiler 17 auf ein Minimum.

Die Verzögerungseinrichtung 84 besteht funktionell also aus einer oder mehreren Drosselbohrungen 102, die einen vorge-

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wählten und festgelegten wirksamen Durchlaßquerschnitt aufweisen, sowie aus einem Puffervolumen zwischen den Drosselbohrungen 102 und der Drucksteuerung 34, das besteht aus 1. der Pufferkammer 78, 2. dem Kanal 88 und 3. der Druckkammer 94. Drosselbohrungen 102 und Puffervolumen 78, 88, 94 wirken erfindungsgemäß so zusammen, daß eine Änderung des Ansaugluftdruckes im Ansaugluftverteiler 17 und damit in der Nebenluftleitung 82 mit einer Verzögerung an die Drucksteuerung 34 weitergegeben wird, wie das im folgenden noch beschrieben wird.

Das Kraftstoffsystem 16 steuert den Kraftstoffdruck in der Einspritzanlage 12 so, daß er im allgemeinen in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und der Stellung des Drosselventiles (z. B. vom Fahrer betätigt) ansteigt. Der Ansaugluftdruck im Ansaugluftverteiler 17 steigt normalerweise in Abhängigkeit von der Motorleistung an. Der Kraftstoffdruck, mit dem der Kraftstoff an die Mengenteilerleitung 14 abgegeben wird, wird zusätzlich durch die Drucksteuerung 34 beeinflußt, die den Kraftstoffdurchfluß in Abhängigkeit des Luftdruckes an der Membran 68 steuert. Eine Erhöhung des Luftdruckes an der Membran 68 verschiebt den Ventilschaft 52 in Längsrichtung (in Fig. 1 nach unten) und erhöht so den Durchlaßquerschnitt, vorbei an der Richtkante 50. Der Durchlaßquerschnitt steigt also entsprechend dem Luftdruckanstieg in der Pufferkammer an, der seinerseits vom ansteigenden Luftdruck im Ansaugluftverteiler 17 abhängt. Anders gesagt steigt der Druck in der Mengenteilerleitung 14 in direkter Abhängigkeit des Luftdruckes im Ansaugluftverteiler 17.

Durch Fig. 3 wird deutlich, wie eine bestimmte Verzögerung zwischen einer Druckänderung im Ansaugluftverteiler 17 und einer Druckänderung in der Pufferkammer 78 durch die Verzögerungseinrichtung 84 erreicht wird. In Fig. 3 ist der Luft-

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druck in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen, wobei die Kurve A den Druckverlauf in dem Ansaugluftverteiler 17 während einer Beschleunigungsphase mit vollständig geöffnetem Drosselventil 30 zeigt. Die Kurve B zeigt die Luftdruckänderung in der Pufferkammer 78, wie sie auf die Membran 68 wirkt. Die Verzögerung zwischen den beiden Kurven rührt daher, daß zunächst die Drosselbohrungen 102 den Luftstrom aus der Nebenluftleitung 82 in die Pufferkammer 78 begrenzen und die langsam einströmende Luft eine gewisse Zeit braucht, um das aus Pufferkammer 78, Kanal 88 und Druckkammer 94 gebildete Puffervolumen auf den in der Nebenluftleitung 82 herrschenden Druck zu bringen. Zusammen mit dem Puffervolumen 78, 88, 94 wirken die Drosselbohrungen 102 als eine Art pneumatischer Kondensator. Die Verzögerungszeit ist so festzulegen, daß der Turbolader 13 die benötigte Luftdichte und die benötigte Luftmenge erzeugt, wenn die Kraftstoffzufuhr anzusteigen beginnt. Durch das erfindungsgemäße Kraftstoffsystem wird also, ohne den Normalbetrieb negativ zu beeinflussen, während einer Beschelunigungsphase das Kraftstoff-Luftgemisch, das dem Motor zur Verbrennung zur Verfügung gestellt wird, niemals überfettet, so daß der Abgasausstoß außerordentlich niedrig gehalten wird. Durch die erfindungsgemäß vorgesehenen Bohrungen 104, die nur in einer Richtung für den Luftstrom geöffnet werden, wird bei einem schnellen Druckabfall im Ansaugluftverteiler 17 der Luftdruck in der Pufferkammer 78 ebenfalls sehr schnell und nahezu ohne Verzögerung absinken, so daß auch für diesen Fall das Kraftstoff-Luftgemisch, das zur Verbrennung gelangt, nicht überfettet ist.

Patentanwalt

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Claims

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-Kl-

Patentansprüche :

il.) Kraftstoff system für Motoren mit Verdichtungszündung, insbesondere für Dieselmotoren, die einen Ansaugluftverteiler und einen Turbolader aufweisen, wobei der Turbolader einen mit der Motorleistung ansteigenden Ladeluftdruck erzeugt, und wobei das Kraftstoffsystem die Kraftstoffzufuhr in Abhängigkeit von der Motordrehzahl steuert, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftstoffsystem (16) eine Drucksteuerung (34) aufweist, durch die der Kraftstoffdruck in Abhängigkeit vom Ansaugluftdruck des Motors (10) steuerbar ist, und daß die Drucksteuerung (34) mit dem Ansaugluftverteiler (17) über eine Verzögerungseinrichtung (84) verbunden ist, durch die eine Änderung des Ansaugluftdruckes mit Verzögerung an die Drucksteuerung (34) für den Kraftstoffdruck weitergegeben wird.
2. Kraftstoffsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucksteuerung (34) eine Ventilanordnung (36, 52, 56, 70) aufweist, durch die die Kraftstoffzufuhr zum Motor (10) steuerbar ist.
3. Kraftstoffsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilanordnung (36, 52, 56, 70) durch eine Membran (68) betätigbar ist, die eine Wandung einer mit der Verzögerungseinrichtung (84) verbundenen Pufferkammer (78) bildet.
4. Kraftstoffsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch cjekennzeichnet, daß die Verzöqeruncjseinrichtung (84) mindestens sine Drosselbohrunfj (LO2) aufweist, und daß zwischen der ürosselbohrun«) (1O2) und der DrucksttiuTiuifj (>4) mindestem;

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λ/ί!

eine Druckkammer (94) vorgesehen ist.
5. Kraftstoffsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchlaßquerschnitt der Drosselbohrung (102) und das Volumen der Druckkammer (94) bzw. der Pufferkairaner (78) auf eine feste Verzögerungszeit abgestimmt sind.
6. Kraftstoffsystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselbohrung (102) in einer Mittelwand (92) der Verzögerungseinrichtung (84) angeordnet ist, und daß die Verzögerungseinrichtung (84) durch die Mittelwand (92) in zwei Druckkammern (94, 96) unterteilt wird.
7. Kraftstoffsystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu der Drosselbohrung (1Ο2) eine Rückschlagventilanordnung (104, 106, 108) vorgesehen ist, die für einen Luftstrom in Richtung zu der Drucksteuerung (34) sperrt und für einen Luftstrom in entgegengesetzter Richtung öffnet.

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