DE2736317C2

DE2736317C2 - Kraftstoffsystem für Motoren mit Verdichtungszündung

Info

Publication number: DE2736317C2
Application number: DE2736317A
Authority: DE
Inventors: Robert L. Columbus Ind. Scholtz
Original assignee: Cummins Engine Co Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 1976-08-18
Filing date: 1977-08-12
Publication date: 1982-07-29
Also published as: GB1533948A; FR2362279A1; US4095572A; SE432968B; JPS5637413B2; JPS5341638A; BR7705444A; SE7709281L; FR2362279B1; ES461674A1; MX144588A; DE2736317A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffsystem 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 eine Drucksteuerung aufweist, durch die der Kraftstoffdruck in Abhängigkeit vom Ansaugluftdruck des Motors steuerbar ist.

Im Zuge immer schärfer werdender Umweltschutzbestimmungen werden auch die Maximalwerte des Abgasausstoßes von Motoren 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, >ei denen ein Turbolader 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 Krafistoffmenge erfolgt Die

ίο Erhöhung des Ladeluftdruckes durch den Turbolader erfolgt jedoch mit einer merkbaren Verzögerung gegenüber dem Anstieg der Drehzahl des Motors, so daß während eines steilen Anstiegs der Drehzahl des Motors der Ansaugluftdruck so niedrig ist daß ein stark

is überfettetes Kraftstoff/Luft-Gemisch zur Verbrennung kommt was zu einem erheblichen Abgasausstoß des Motors führt

Bei einem bekannten Kraftstoffsystem der eingangs beschriebenen Art (vgl. die US-PS 27 49 898) sowie bei einem anderen bekannten Kraftstoffsystem (vgl. die US-PS 30 77 873} wird der erhebliche Abgasausstoß von Motoren mit Turbolader während eines schnellen Anstiegs der Drehzahl des Motors — also in einer sogenannten Beschleunigungsphase — dadurch zu verhindern versucht, daß die Kraftstoffzufuhr zu dem Motor in direkter Abhängigkeit des Ansaugluftdruckes gesteuert wird. Hierbei wird die Kraftstoffzufuhr zum Motor immer dann reduziert, wenn der Ansaugluftdruck unterhalb eines Vergleichswertes liegt Die Höhe des Kraftstoffdrucks wird dabei so eingestellt daß während der Beschleunigungsphase kein überfettetes Kraftstoff/ Luft-Gemisch zur Verbrennung gelangt

Bei dem Kraftstoffsystem, von dem die Erfindung ausgeht, steuert ein an der Eingangsseite und an der Ausgangsseite des Turboladers angeschlossener Druckregler eine für variablen Förderdruck eingerichtete Kraftstoffpumpe, wodurch bei höheren Drehzahlen des Motors die Kraftstoffzufuhr reduziert wird. Mit den bekannten Kraftstoffsystemen gelingt es zwar, den Abgasausstoß während der Beschleunigungsphase erheblich zu verringern, jedoch treten in Verbindung damit bei geringerer Motorleistung schwerwiegende Probleme auf. Die während der Beschleunigungsphase vorteilhafte Verringerung der Kraftstoffzu- fuhr begrenzt im Normalbetrieb des Motors die erreichbare Motorleistung, wodurch vor allem das

Durchzugsvermögen bei niedrigen Drehzahlen des Motors nachteilig beeinflußt wird. Weiterhin ist ein Kraftstoffsystem mit vom Ansaug-

luftdruck gesteuerter Kraftstoffzufuhr bekannt (vgl. die

US-PS 24 26 153), das insbesondere für aufgeladene Flugmotoren ausgelegt ist, die Kraftstoffeinspritzung

erfolgt hierbei in den Ansaugkanal.

Auch sind weitere Kraftstoffsysteme bekannt, bei

denen eine Steuerung der Kraftstoffzufuhr nach Maßgabe des Ansaugluftdrucks erfolgt (vgl. die US-PS 37 71 507 und 28 84 918). Dabei wird einerseits mittels eines Steuerventils der Kraftstoffdruck so eingeregelt, daß er den Ansaugluftdruck um einen Wert übersteigt, der mit der Höhe des Ansaugluftdrucks zunimmt (vgl. die US-PS 37 71 507), erfolgt andererseits die Steuerung der Kraftstoffzufuhr mittels eines in der Kraftstoffeinspritzleitung angeordneten Ventils, das über eine an den Ansaugluftverteiler angeschlossene Membran verstellt wird (vgl. die US-PS 28 84 918). Auch bei diesen Kraftstoffsystemen begrenzt die während der Beschleunigungsphase vorteilhafte Verringerung der Kraftstoffzufahr im Normalbetrieb des Motors die erreichbare

Motorleistung, insbesondere das Durchzugsvermögen.

Aufgabe der Erfindung ist es, das bekannte Kraftstoffsystem der eingangs genannten Art für Motoren mit Verdichtungszündung so auszugestalten und weiterzubilden, daß trotz Verringerung des Atgasausstoßes s während einer Beschleunigungsphase ein gutes Durchzugsvermögen des Motors über einen weiten Drehzahlbereich gewährleistet ist

Das erfindungsgemäße Kraftstoffsystem, bei dem diese Aufgabe gelöst ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Drucksteuerung mit dem Ansaugluftverteiler über eine Verzögerungseinrichtung verbunden ist, durch die eine Veränderung 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 Membran betätigbar, die eine Wandung einer mit der Verzögerungseinrichtung verbundenen Pufferkammer bildet

Desweiteren weist die Verzögerungseinrichtung mindestens eine Drosselbohrung auf und es ist zwischen der Drosselbohrung und der Drucksteuerung mindestens eine Druckkammer vorgesehen. Zweckmäßigerweise sind dabei 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 zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Motors mit dem erfindungsgemäßen Kraftstoffsystem,

F i g. 2 einen Querschnitt durch das Kraftstoffsystem so in F i g. 1 längs der Linie 2-2 und

F i g. 3 den Verlauf des Luftdruckes in Abhängigkeit von der Zeit an zwei verschiedenen Punkten des Kraftstof (systems in F i g. 1.

In F i g. 1 ist zunächst ein Motor 10 mit Verdichtungszündung gezeigt, bei dem ein erfindungsgemäßes Kraftstoffsystem Verwendung finden kann. Die Funktionsweise eines derartigen Motors 10 mit Verdichtungszündung wird grundsätzlich als bekannt vorausgesetzt und an dieser Stelle nur stichworthaltig 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 Ober 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 deiü 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. die US-PS 27 27 503 und 27 49 898).

Das Kraftstoffsystem 16 umfaßt eine motorangetriebene Kraftstoffpumpe 20, die z. B. als Zahnradpumpe ausgeführt sein kann. Die gestrichelte Linie in F i g. 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 Bypassleitung 24 zur Niederdruckseite der Kraftstoffpumpe 20 zurückgeführt werden. Die Funktion des reglergesteuerten Bypassventiles 22 wird durch einen mechanischen, drehzahlabhängigen Regler 26 gesteuert Hinter dem reglergesteuerten Bypassventil 22 ist ein, z. B. vom Fahrer zu betätigendes Drosselventil 30 angeordnet, mit dem der Kraftstoffdurchfluß steuerbar ist Über eine Verbindungsleitung 32 ist das Drosselventil 30 an eine Drucksteuerung 34 angeschlossen.

Die Drucksteuerung 34 weist zunächst einen Veniilkörper 36 auf, der in eine Bohrung 38 in einem Trägerblock 40 des Kraftstoffsystems 16 eingesetzt ist. Der Ventilkörper 36 weist eine erste, mit der Verbindungsleitung 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 42 mit einer inneren Ringnut 48, die eine Steuerkante 50 aufweist. Ein Ventilschaft 52 ist in Längsrichtung beweglich in einer Ventilbohrung 54 im Ventilkörper 36 angeordnet. In Verbindung mit der Steuerkante 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, 66 befestigt. Die Befestigungselemente 64,66 halten gleichfalls eine Membran 68 aus elastischem Material. Eine auf dem 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 Verzögerungseinrichtung 84 verbunden.

Die Verzögerungseinrichtung 84 weist eine Fassung 86 auf, die in die Membranabdeckung 72 so eingesetzt ist, daß ein Kanal 88 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 Mittelwanu 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 106 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 mehreren Drosselbohrungen 102, die einen vorgewählten und festgelegten wirksamen Durchlaßquerschnitt aufweisen, sowie aus einem Puffervolumen zwischen den Drosselbohrungen 102 und der Drucksteuerung 34, das erstens aus der Pufferkammer 78, zweitens aus dem Kanal 88 und drittens aus der Druckkammer 84 besteht Drosselbohrungen 102 und Puffervolumen wirken 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 Drehzahl des Motors und der Stellung des Drosselventiles 30 (z. B. vom Fahrer betätigt) ansteigt Der Ansaugluftdruck im Ansaugluftverteiler 17 steigt normalerweise in Abhängigkeit von der Leistung des Motors 10 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 F i g. 1 nach unten) und erhöht so den Durchlaßquerschnitt, vorbei an der Steuerkante 50. Der Durchlaßquerschnitt steigt also entsprechend dem Anstieg des Luftdruckes in der Pufferkammer 78 an, der seinerseits vom ansteigenden Luftdruck im Ansaugluftverteiler 17 abhängt. Anders gesagt steigt der Druck in der Mengenteilerleitung 14 in direkter Abhängigkeit vom Luftdruck im Ansaugluftverteiler 17.

ίο Durch Fig.3 wird deutlich, wie eine bestimmte Verzögerung zwischen einer Druckänderung im Ansaugluft verteiler 17 und einer Druckänderung in der Pufferkammer 78 durch die Verzögerungseinrichtung 84 erreicht wird. In Fig.3 ist der Luftdruck 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 den Druckverlauf in der Pufferkammer 78. 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 der Pufferkammer 78, dem Kanal 88 und der Druckkammer 94 gebildete Puffervolumen auf den in der Nebenluftleitung 82 herrschenden Druck zu bringen. Zusammen mit dem Puffervolumen 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 Beschleunigungsphase des Kraftstoff/ Luft-Gemisch, das dem Motor 10 zur Verbrennung zur Verfügung gestellt wird, niemals aberfettet, so daß der Abgasausstoß außerordentlich niedrig gehalten wird. Durch die 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/Luft-Gemisch, das zur Verbrennung gelangt, nicht überfettet ist

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Kraftstoffsystem 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 eine Drucksteuerung aufweist, durch die der Kraftstoffdruck in Abhängigkeit vom Ansaugluftdruck des Motors steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucksteuerung (34) mit dem Ansaugluftverteiler (17) über eine Verzögerungseinrichtung (84) verbunden ist, durch die eine Veränderung 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 aufweist, durch die die Kraftstoffzufuhr zum Motor(10)steuerbar ist

3. Kraftstoffsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilanordnung 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 gekennzeichnet daß die Verzögerungseinrichtung (84) mindestens eine Drosselbohrung (102) aufweist und zwischen der Drosselbohrung (102) und der Drucksteuerung (34) mindestens 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 Pufferkammer (78) auf eine feste Verzögerungszeit abgestimmt sind.

6. Kraftstoffsystem nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselbohmng (102) in einer Mittelwand (92) der Verzögerungseinrichtung (84) angeordnef ist und die Verzögerungseinrichtung (84) durch die Mittelwand (92) in zwei Druckkammern (94,96) unterteilt ist

7. Kraftstoffsystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu der Drosselbohrung (102) eine Rückschlagventilanordnung vorgesehen ist, die für einen Luftstrom in Richtung zu der Drucksteuerung (34) sperrt und für einen Luftstrom in entgegengesetzter Richtung öffnet.