DE2854921A1

DE2854921A1 - Brennstoff-einspritzvorrichtung

Info

Publication number: DE2854921A1
Application number: DE19782854921
Authority: DE
Inventors: William H Leckie
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-12-21
Filing date: 1978-12-20
Publication date: 1979-07-05
Also published as: GB2010963A; GB2010963B; CA1100836A; JPS54145816A

Description

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19. Dezember 1978

William H. Leckie
3 Hickory Hollow, Birmingham, Mi 48010, U.S.A.

Brennstoff-Einspritzvorrichtung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoff-Einspritzvorrichtung, insbesondere eine solche für Brennkraftmaschinen mit Kompressions-Zündung. Bei derartigen Einspritzvorrichtungen besteht die Aufgabe, die Brennstoffmenge genau zu dosieren und den Zeitpunkt und die Dauer der Einspritzung in Abhängigkeit von mehreren Randbedingungen festzulegen.

Brennkraftmasshinen unterliegen im allgemeinen der Abhängigkeit vom Leistungsbedarf, der Art der Bedienung, der Wirtschaftlichkeit, den Emissionen usw. sowie dem Brennstoff-Luft-Gemisch, der ungleichförmigen Verteilung des Gemisches

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auf den Verbrennungsraum, die Zeitgabe der Zündung im Verhältnis zu der Lage des Kolbens in dem Zylinder, Beschleunigungen und Verzögerungen, der Art des jeweils verwendeten Brennstoffs sowie von den äußeren Arbeitsbedingungen, e.B. der Belastung, der Drehzahl, dem Luftdruck, Grad der ΐ-emperatur usw.. Außer den vorgenannten Parametern unterliegen die Brennkraftmaschinen mit Kompressionszündung dem Erfordernis, daß Brennstoff schon während des Kompressionshubes eingespritzt wird. Der vor dem Einspritzen des Brennstoffes in der Brennkammer erzeugte hohe Gasdruck erschwert die Einspritzung und macht es erforderlich, den Brennstoff mit einem relativ hohen Druck einzuspritzen. Ein hoher Einspritzdruck wird z.B. durch das Abpumpen mittels einer Niederdruckpumpe und dem Zuführen des Brennstoffs zu einer Hochdruckpumpe erreicht. Hochdruckpumpen sind üblicherweise als Rotationspumpen, Verdrängungspumpen und dergleichen ausgebildet. Eine spezielle Hochdruckpumpe umfaßt eine Kolben-Zylinder-Einheit, die von einem Nocken betätigt wird, der sich auf einer von der Brennkraftmaschine angetriebenen Nockenwelle befindet. Diese Nockenwelle ist in einer der bekannten Antriebsverbindungen mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbunden, wie z.B. über Zahnräder, Ketten usw..

Andere bekannte Pumpenanordnungen für die Brennstoff-Einspritzung arbeiten elektrisch, mechanisch, hydraulisch

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oder elektromechanisch und erzeugen für sich oder in Kombination mit anderen Einheiten einen ausreichenden Druck, um ein Ventilsystem zu öffnen, welches seinerseits den Brennstoff in die Brennkammer einspritzt.

Da die Kompressionszündung zu unterschiedlichen Zeitpunkten nach dem Einspritzen des Brennstoffes erfolgen kann, hängt der wirksame Druck- und Temperaturaufbau innerhalb der Brennkammer während des Kompressions- und des Expansionshubes relativ der Lage zur Kurbelwelle und damit die wirksame Leistung von vielen Parametern ab, zumindest aber von dem genauen Zeitpunkt und der Dauer der Einspritzung. Die zur Zeit verwendeten Brennkraftmaschinen mit Kompressionszündung und Brennkraft-Einspritzung verwenden daher eine direkte Koppelung der Zeitgabe-Vorrichtung für die Brennstoff-Einspritzung mit der Kurbelwelle über die oben erwähnten Koppelungselemente, nämlich Zahnräder, Ketten, Nocken und dergleichen. In den meisten Anwendungsfällen ist eine starre Koppelung mit der Winkellage der Kurbelwelle vorgesehen, feaeif obwohl einiger Spielraum in der Zeitgabe der Brennstoff-Einspritzung in Abhängigkeit von der Viinkellage der Kurbelwelle durch mechanische Verschiebungen oder durch bestimmte Anordnungen erzielt werden kann, die die Auslaßöffnungen oder die Einlaßöffnungen steuern. Es ist auch bekannt, schraubenlinienförmige Strömungspfade auf den Kolbenschaft der Einspritzvorrichtung vorzusehen,

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die gedreht werden können, um die Brennstoffmenge und/ oder den Einspritzzeitpunkt durch entsprechende Ausrichtung auf die Eintrittsöffnung und/oder den Einspritzzeitpunkt durch entsprechende Ausrichtung auf die Eintrittsöffnung und/oder die Austrittsöffnung für den Brennstoff zu steuern. Bei anderen bekanntan Vorrichtungen der genannten Art werden mechanische Hebel oder andere Anordnungen verwendet, die die Eintrittsöffnung oder die Austrittsöffnung des Brennstoffs öffnen oder schließen, um auf diese Weise die Brennstoffmenge zu dosieren und den Einspritzzeitpunkt zu steuern.

Es besteht daher die Aufgabe, ein Brennstoff-Einspritz-System zu schaffen, welches in der Lage ist, den Zeitpunkt und die Dauer der Brennstoff-Einspritzung relativ zur Winkelstellung der Kurbelwelle präzise steuern und verändern zu können und die Brennstoffmenge in Abhängigkeit von der Gesamtheit der Arbeitsbedingungen zu dosieren. Die meisten bekannten Dosiervorrichtungen, die für Brennstoff-Einspritzvorrichtungen verwendet werden, umfassen eine Dosierkammer, die stromaufwärts von der Düse angeordnet ist und die^tinzuspritzende Brennstoffmenge aufnimmt. Auf diese Dosierkammer wirkt dann ein Kolben ein, der den für die Einspritzung erforderlichen Druck erzeugt.

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Bei Einspritzvorrichtungen mit einem Verteilersystem werden Rotationspumpen, Verdrängungspumpen oder andere Vorrichtungen verwendet, um den Brennstoff unter Druck zu setzen, während ein Selektor den unter Druck stehenden Brennstoff zu einer entfernten Einspritzdüse führt, die an oder nahe bei jedem Zylinder angeordnet ist. Der unter Druck stehende Brennstoff fließt zu jeder Einspritzdüse, wobei diese geöffnet wird und den Brennstoff solange einspritzt, bis ein Druckabfall die Düse wieder schließt. Solche bekannten Systeme verursachen Verzögerungen und Ungenauigkeiten, die durch die Länge der Verbindungsleitung zwischen der Hochdruckpumpe und der Einspritzdüse bedingt sind und sind ungeeignet, den Einspritzzeitpunkt und die jeweils eingespritzte Brennstoffmenge genau festzulegen.

Die oben genannte Aufgabenstellung wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Ein erfindungsgemäßes Einspritzsystem wird unabhängig von der jeweiligen Winkellage der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine betätigt. Die Hochdruckpumpe wird dabei nicht zur Bestimmung des Einspritzzeitpunktes und zur Dosierung der Brennstoffmenge oder zur Betätigung der Einspritzdüsen benutzt. Die Festlegung des Einspritzzeitpunktes erfolgt relativ zu der präzisen Lage jedes Zylinders,

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und Variationen in der Brennstoffmenge der Einspritzdauer werden außerhalb der Einspritzvorrichtung mitteis einzelner Vorrichtungen errechnet, die unter anderem elektronische, elektroaaclianiscliep elektromagnetische, optischelektronische j piezoelektrische und andere Temperatur-, Druck- and Lagesensorea umfassen soxvie Positionsschalter und Vorrichtungen, die Arbeitsparameter und äußere Parameter abtasten.

So kann" Vorsorge für die Einbeziehung einer Vielzahl von Parametern getroffen werden, die in den Verbrennungsprozeß eingehen» Diese umfassen unter anderem die "winkellage der Kurbelwelle, die jeweilige Drehzahl, die Temperatur der Umgebungsluft, des Kühlmittels, des Brennstoffs, des Auspuffs, des Öles, sowie Brennstoff- und Luftdruck, Last,. Drehmoment, Fahrzeuggeschwindigkeit, Einstellung des Getriebes und der Drossel, des Mischungsverhältnisses von Luft und Brennstoff, Verbrennungsdruck, Verbrennungstemperatur, Durchsatz an Verbrennungsluft und Druck des Kompressors.

Außerdem sieht die Erfindung vor, daß Speicher verwendet werden, wie z.B. random-access und/oder read-only-Speicher (RAMS) und/oder (ROMS), die entweder die errechneten Daten speichern oder die vorprogrammiert werden können,

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um Änderungen des Einspritzzeitpunktes_p der Brennstoffmenge bzw= des Brennstoff-Durchsatzes wiederzugeben_o Dabei ergibt sichj, daß eine erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung lediglich durch Einsetzen eines anderen vorprogrammierten Speichers in unterschiedlichen Brennkraftmaschinen eingesetzt v/erden kanne

Eine erfindungsgemäß® Einspritzvorrichtung umfaßt ©Inen Druckspeicher (Akkumulator) in Verbindung mit entsprechen·= den_s angepaßten Ventilen und Überdruckventilen» der den Brennstoff direkt in die Brennkammer zuführte Auf diese Weise wird erfindungsgemäß ein sehr hoher Sinsprltzdruck verwendet^ der auch sehr schnell^ dLfcu nahszu augenblicklich verändert v/erden kann₉ so daß die mit den herkömmlichen Vorrichtungen verbundenen Verzögerungen entfallen« Damit wird die Ausnutzung des Brennstoffes und infolgedessen die Leistungsfähigkeit der Brennkraftmaschine verbessert und 'Verbesserungen in den Einsprühvorrichtungen sowie kürzere Einspritzzeiten erreicht, die bisher nicht erzielt werden konnten.

Insbesondere wird eine elektromechanisch arbeitende Spule als Steuervorrichtung für die Brennstoff-Einspritzung verwendet. Diese wird nicht durch die hohen Brennstoff-Drücke und dynamische Abschaltkräfte beeinflußt. Dadurch, daß sie

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in den Brennstoff eintaucht,, ist sie selbstschmierend, ständig gekühlt und dynamisch gedämpft, so daß ungetriinschte Vibrationen vermieden, warden«

Die Spulenanordnung kann elektromagnetische Kräfte oder Federkraft© als Rückstellkraft verwenden. Da diese Vorrichtung des. Druckaufbau in des? Brennstoff nicht beeinflußt, können elektromagnetische Kräfte und Geschwindigk®itsbediniguE,g@n lediglich auf die. Arbeitsbedingungen dor Brennkraftmaschin® bezogen werden,, z.B. in einem spezielles Ausführ-yjagsbelsplel zur Änderung des Maßes der Öffnung der Einspritzdüse oder in einer anderen einfachen Ausführung lediglich zum Öffnen und Schließen. Bei einem bevorzugten Ausfünrungsbeispiel der Erfindung ist diese Spulenanordnung inaerliailb des Druckspeichers der Einspritzvorrichtung angeordnet. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Spulenanordnung außerhalb desselben vorgesehen sein. Es kann auch mehr als eine solche Spulenanordnung vorgesehen werden, um entweder die hierauf einwirkenden Kräfte zu verstärken, Rückholfedern zu vermeiden oder um entgegengesetzt wirkende Kräfte für das Öffnen und Schließen unabhängig voneinander vorsehen zu können. Bei einigen Anwendungen können präzisere Bewegung und/oder Geschwindigkeit der Vorrichtung mit mehr als einer Spulenanordnung erzielt werden.

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Ein einstellbares und steuerbares Überdruckventil ist mit dem Druckspeicher verbunden, welches nicht nur die Betriebssicherheit erhöht^ sondern auch Änderungen in der Dosierung der Brennstoffeinspritzung ermöglicht.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert, und zwar zeigt

Fig. 1 eine Schnittansieht eines erfindungsgemäßen Brennstoff-Einspritz-Systems und

Fig. 2 eine Schnittansicht entsprechend Fig. 1 eines abgewandelten Ausführungsbeispiels.

Eine im ganzen mit 10 bezeichnete Einspritzvorrichtung nach der Erfindung umfaßt ein Gehäuse 12 mit einer Einlaßkammer 14 und einem rohrartigen Kopf 16. Die Kammer 14 ist mit üblichen Armaturen 18 und 20 versehen, über die Brennstoff mit geringem Druck in die Kammer 14 zugeführt wird.

Ein Stößel 22 ist in einer zylindrischen Führung 25 geführt und mittels einer Feder 24 in der Bewegungsrichtung nach oben in Fig. 1 beaufschlagt. Der Stößel 22 trägt eine Druckplatte 26, an welcher ein Nocken 28 einer nicht dargestellten Nockenwelle einer Brennkraftmaschine angreift.

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Der Stößel 22 trägt einen Kolben 30 an seinem unteren Ende, der auf den in einer Pumpenkammer 32 befindlichen Brennstoff einwirkt und ihn über ein Ventil 34 in eine Füllkammer bzw. einen Druckspeicher 36 drückt, welcher innerhalb des rohrförmigen Kopfes 16 ausgebildet ist.

An den Druckspeicher 36 schließt sich ein Kolben 38 an, der in einer Bohrung 40 verschiebbar geführt ist und mittels einer Feder 42 in einer Bewegungsrichtung nach unten s. Fig. 1 beaufschlagt ist» Der Kolben 38 kann gegen die Federvorspannung nach oben gedrückt werden, um den Brennstoffdruck innerhalb des Druckspeichers 36 beim Einspritzen des Brennstoffs in den Arbeitszylinder einer Brennkraftmaschine in naher Zukunft standhalten zu können.

Die von der Bohrung 40 gebildete Kammer ist über einen Strömungskanal 44 mit einer Abflußleitung 46 verbunden, die hinter einem Druckventil 48 angeordnet ist. Der Druckspeicher 36 ist mit einer Lüftungsleitung 50 verbunden, die auf der Druckseite des Ventils 48 mündet, welches als Überdruckventil für den Druckspeicher 36 arbeitet und ; entsprechend eingestellt werden kann.

In der dargestellten Anordnung fließt ständig Brennstoff ! über die Einlaßkammer in den Druckspeicher und von diesem ι über die Abflußleitung 46 in den nicht dargestellten j Brennstoffbehälter, so daß stets eine bestimmte Brennstoff-

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menge zum Einspritzen in einen Arbeitszylinder einer Brennkraftmaschine und zur Kühlung der Einspritzvorrichtung vorhanden ist.

Nach der vorliegenden Erfindung erfolgt die Brennstoffeinspritzung unter Druck in einen Arbeitszylinder unter Steuerung durch eine Spulenanordnung 60 _t die eine Wicklung 62, ein Außengehäuse 64 und ein inneres Polstück 66 umfaßt sowie einen manschettenartigen Anker 68. Der Anker 68 ist zu der normalen Offenstellung hin mittels einer Druckfeder beaufschlagt^ die sich einerseits an dem Außengehäuse 64 der Spule und andererseits an einer Schulter 72 auf dem Anker 68 abstützte

Die Spule 60 wird von einer elektronischen Steuervorrichtung 74 her gesteuert, die geeignete Sensoren, geeignete Vorrichtungen zur Signalverarbeitung, einen Mikroprozessor oder andere geeignete Datenverarbeitungsvorrichtungen umfaßt und einen Verstärkerteil enthält, der die zum Betrieb der Spule erforderliche Energie bereitstellt, so daß die Spulenwicklung 62 zum richtigen Zeitpunkt und für die richtige Zeitdauer mit Strom versorg^wird. Die Steuervorrichtung 74 tastet die unterschiedlichen, bereits oben genannten Parameter ab und leitet aus ihnen die erforderlichen elektrischen Steuersignale für die Spulenanordnung 60 her.

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Das untere Ende des Ankers 68 ist mit einem Paar von Querbohrungen 80 und 82 versehen,, die beim Verschieben des Ankers zum Fluchten mit entsprechenden Bohrungen 84 und 86 in einem feststehenden Kern 88 gebracht werden und dann den Durchfluß von Brennstoff unter Druck aus dem Druckspeicher 36 durch eine Mittelbohrung 90 des Kerns 88 ermöglichen, von wo der Brennstoff durch Kanäle 92 und 94 in der Düsenspitze 96 austritt. Der Kern 88 ist aus einem nicht magnetischen Werkstoff gefertigt, um die Bewegung des Ankers 68 nicht zu beeinträchtigen. Eine Mutter 104 verbindet die Spulenanordnung 62, den Anker 68 und den Kern 88 zu einer Baueinheit.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist das Gehäuse der Einspritzvorrichtung 110 im wesentlichen wie das Gehäuse 12 mit den darin enthaltenen Teilen ausgebildet. Lediglich die Spulenanordnung weicht in ihrem Aufbau von dem nach Fig. 1 ab.

In dem rohrförmigen Stück ist ein Paar von entgegengesetzt gewickelten Spulen 112 und 114 angeordnet, welche Wicklungen 116 und 118, zylindrische Außengehäuse 120 und 122 sowie Polstücke 124 und 126 aufweisen. Beiden Spulenanordnungen ist ein gemeinsamer zylindrischer Anker 128 zugeordnet. Dieser wird zwischen der

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Offenstellung und der Schließ stellring durch gesteuerte und/oder selektive Erregung der Spulen 116 und 118 beaufschlagt. Auf diese Weise ist eine Steuerung der Injektionsvorrichtung 110 durch ein Ein-Aus-Signal oder durch ein Proportional-Signal möglich.

Das untere Ende des Ankers 128 ist mit einem Paar von Querbohrungen 130 und 132 versehen, die zum Fluchten mit entsprechenden Bohrungen 134 und 136 im unteren Bereich 138 des Spulengehäuses 114 gebracht werden können und dann den Durchtritt von Brennstoff unter Druck aus dem Druckspeicher 36 durch eine Mittelbohrung 140 und von hier durch die Austrittskanäle 142 und 146 in den Brennraum ermöglichen.

Der untere Endbereich 148 und der obere Endbereich 150 des Ankers 128 sind aus einem nicht magnetischen Werkstoff hergestellt, während die mittleren Bereiche 152 und 153 magnetisierbar sind und von den Spulen beeinflußt werden können»

Erfindungsgemäß erfolgt also eine Trennung des Druckaufbaus in einem Brennstoffvorrat von dem eigentlichen Einspritzvorgang. Der genaue Zeitpunkt des letzteren und seine Dauer werden allein durch Erregung einer Spule gesteuert. Auf diese Weise kann die Brennstoffeinspritzung

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in Abhängigkeit von einer Anzahl von Parametern gesteuert werden, die bei herkömmlichen Systemen, bei denen der Druckaufbau des Brennstoffes erst zum Zeitpunkt der Einspritzung erfolgt, nicht berücksichtigt werden konnte.

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Claims

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Ansprüche

(Ιο/ Brennstoff-Einspritzvorrichtung zum dosierten Einspritzen von Brennstoff mittels einer Düse in einen . Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine. dadurch gekennzeichnets daß sie einen Druckspeicher (36) für den Brennstoff enthält _s der über eine Ventilanordnung mit der Düse (92-96) verbunden ist, und daß die Ventilanordnung eine elektrische Spulenanordnung (60) umfaßt j, die von einer Steuervorrichtung (74) zeitlich mit Erregerstrom gespeist wird«

2c Vorrichtung nach Abbildung 1_P dadurch gekennzeichnet,, daß die Steuervorrichtung mit Sensoren für eine Anzahl von Arbeitsparametern der Brennkraftmaschine, wie z.B. Winkelstellung der Kurbelwelle, Drehzahl verbunden ist.,

3» Vorrichtung nach Abb. 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung mit Sensoren für eine Anzahl von Umgebungsparametern, wie z.B. Luft, Temperatur, Druck, Last usw. verbunden ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Abbildungen, dadurch gekennzeichnet, daß dem Druckspeicher (36)

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ein unabhängig und ständig arbeitender Druckerzeuger (22-32) in der Brennstoffzuleitung vorgeschaltet ist.

ο Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche j dadurch gekennzeichnet, daß der Druckerzeuger und die Ventilanordnung mechanisch unabhängig voneinander arbeiten.

6» Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüoheg dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenanordnung zv/ei Spulen umfaßt (Fig. 2), die in einander entgegengesetzten Arbeitsrichtungen angeordnet sind.

7« Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Druckerzeuger, Druckspeicher und Ventilanordnung mit nachgeschalteter Einspritzdüse zu einer Baueinheit zusammengefaßt sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitpunkte des Beginns und des Endes der Brennstoffeinspritzung von der Steuervorrichtung gesteuert sind.

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