DE3003142A1

DE3003142A1 - Kraftstoffzufuhrsystem fuer dieselmotoren

Info

Publication number: DE3003142A1
Application number: DE19803003142
Authority: DE
Inventors: Boaz Antony London Jarrett; Dorian Farrar Burnham Buckinghamshire Mowbray
Original assignee: Lucas Industries Ltd
Current assignee: ZF International UK Ltd
Priority date: 1979-10-05
Filing date: 1980-01-29
Publication date: 1981-04-16
Also published as: ES488094A1; GB2060052B; JPS5654956A; PL221655A1; IT1130225B; US4392466A; GB2060052A; FR2466629A1; AU5479880A; ZA80142B; CA1141248A; IT8019460A0; BR8000547A

Description

LUCAS INDUSTRIES LIMITED

Birmingham Bl9 2XF,

Großbritannien

Kraftstoffzufuhrsystem für Dieselmotoren

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kraftstoffzufuhr system für Dieselmotoren, insbesondere solche mit Direkteinsprit. zung, wobei elektromagnetisch betätigte Kraftstoffpumpen vorgesehen sind.

Wenn in einen durch den Zylinder eines Dieselmotors gebildeten Brennraum Kraftstoff direkt einzuspritzen ist, muß der Kraftstoff mit einem höheren Druck als bei einem Motor mit indirekter Einspritzung zugeführt werden; bei dem letztgenannten Motor wird der Kraftstoff einem Brennraum zugeführt, der über eine Leitung mit dem Motorzylinder verbunden ist. Bei einem Motor mit Direkteinspritzung ist es ferner erforderlich, eine sich nach innen öffnende Düse zu verwenden, wogegen bei Motoren mit indirekter Einspritzung eine sich nach außen öffnende Düse verwendbar ist.

In der GB-Patentanmeldung Nr. 79/12311 ist eine von einer elektromagnetischen Vorrichtung betätigte Pumpe angegeben, die eine sich nach außen öffnende Düse aufweist, die in den Pumpenkörper eingebaut ist. Wenn ein höherer Druck benötigt wird, ist es natürlich erforderlich, die elektromagnetische Vorrichtung größer zu bauen, so daß für eine bestimmte zuzuführende Kraftstoffmenge ein höherer Kraftstoffdruck erzeugbar ist. Infolgedessen werden Größe und Gewicht der Pumpe erhöht, so daß es schwierig ist, mehrere solche Pumpen an einem Motor unterzubringen, und außerdem erhöhen sich die Kosten des Kraftstoffsystems beträchtlich.

Wenn der Pumpenhub verkleinert wird, können allerdings der oder die Luftspalte im Magnetkreis der Vorrichtung verkleinert werden, und somit kann die Pumpe bei gleicher Größe von Kolben und Vorrichtung und bei im wesentlichen dem gleichen der Vorrichtung zugeführten Betriebsstrom einen erhöhten Druck erzeugen. Die erzielbare Druckerhöhung ist ausreichend, um die Pumpe zur Kraftstoffzufuhr durch eine sich nach innen öffnende Düse und daher in einen Direkteinspritz-Motor einzusetzen. Allerdings wird dabei die förderbare Kraftstoffmenge vermindert, und für die Zufuhr einer größeren Kraftstoffmenge , als von einer einzigen Pumpe förderbar ist, muß eine zweite Pumpe vorgesehen werden. Alternativ kann die Größe des Kolbens vermindert werden, wodurch zwar der Druck erhöht, aber wiederum die zugeführte Kraftstoffmenge vermindert wird. Allerdings können immer noch zwei Düsen von zwei Pumpen gespeist werden, da bei einem Viertaktmotor jede Düse einmal während zwei Umdrehungen des Motors Kraftstoff einspritzt. Es sind dann zwei Pumpen einsetzbar, um zwei Düsen Kraftstoff zuzuführen, wobei beide Pumpen eingesetzt werden, wenn die durch jede Düse einzuspritzende Kraftstoffmenge die von einer Pumpe förderbare Kraftstoffmenge übersteigt.

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Das Kraftstoffzufuhrsystem nach der Erfindung für Dieselmotoren, mit auf dem zugehörigen Motor angeordneten Düsen für die Kraftstoffeinspritzung in die jeweiligen Brennräume des Motors, und mit elektromagnetisch betriebenen Pumpen zur Druckkraftstoffzufuhr zu den entsprechenden Einspritzdüsen, ist gekennzeichnet durch den jeweiligen Pumpen zugeordnete Absperrorgane, die so betätigbar sind, daß bei Kraftstoffzufuhr zu einer bestimmten Düse die dieser Düse zugeführte Kraftstoffmenge von der ihr zugeordneten Pumpe förderbar und durch Kraftstoff von einer der anderen Düse zugeordneten Pumpe erhöhbar ist.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine seitliche Schnittansicht einer Pumpe; und

Fig. 2 eine schaubildliche Darstellung eines Kraftstoffzufuhrsystems für einen Vierzylindermotor .

Nach Fig. 1 ist eine elektromagnetisch betätigte Pumpe 9 vorgesehen, die ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 10 umfaßt. Das Gehäuse 10 hat einen ersten Ansatz 11, der in Axialrichtung des Gehäuses von diesem vorspringt, und einen zweiten Ansatz 12, der seitlich vom Gehäuse vorspringt. Beide Ansätze 11 und 12 weisen Außengewinde auf.

Der erste Ansatz 11 ist hohl und bildet eine Innenschulter 13, an der der Flansch eines Pumpenzylinders 14 festgelegt ist. Der Pumpenzylinder verläuft mit Spiel in einer im Gehäuse gebildeten zylindrischen Kammer 15, und der Flansch des Pumpenzylinders wird in Anlage an der Schulter 13 durch ein

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becherförmiges Organ 16 gehalten, das einen Auslaß 17 bildet. Das becherförmige Organ 16 ist in Anlage mit dem Flansch des Pumpenzylinders durch eine auf den Ansatz 11 geschraubte Sicherungsmutter 18 gehalten.

In der im Pumpenzylinder gebildeten Bohrung ist ein Pumpenkolben 23 angeordnet, der vom Ende des Pumpenzylinders ausgeht und einen Flansch aufweist; zwischen diesem Flansch und dem Ende des Pumpenzylinders ist eine Schrauben-Druckfeder 24 festgelegt. Das geflanschte Ende des Pumpenkolbens weist radial verlaufende Nuten auf, und die Bewegung des Pumpenkolbens unter der Einwirkung der Druckfeder 24 wird durch Anlage des Pumpenkolbens an einem Anschlagring 25 begrenzt, der an einer im Gehäuse gebildeten Schulter festgelegt ist. Ferner weist der Pumpenkolben eine das Ende einer Kolbenstange 26 aufnehmende Ausnehmung auf.

Kraftstoff wird dem im Gehäuse gebildeten Raum in noch zu erläuternder Weise zugeführt. Dieser Kraftstoff steht unter geringem Druck, und während der Auswärtsbewegung des Pumpenkolbens unter der Einwirkung der Druckfeder 24 wird Kraftstoff in die vom Pumpenzylinder gebildete Kammer gesaugt und strömt durch ein Rückschlagventil, so daß beim Einwärtsverschieben des Pumpenkolbens das Rückschlagventil geschlossen bleibt und der Kraftstoff durch den Auslaß 17 gefördert wird.

Das Rückschlagventil umfaßt einen Ventilkörper 27 mit einem Schaft 28, der in der Bohrung im Pumpenzylinder gleitend gelagert ist. Ferner umfaßt der Ventilkörper einen Ventilkopf 29, der größeren Durchmesser als der Schaft 28 hat; in der Schließstellung des Ventilkörpers liegt der Ventilkopf an einem ringförmigen Rand 30 am Ende eines vergrößerten Teils der Bohrung im Pumpenzylinder an. Der Ventilkörper

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wird von einer Druckfeder 31 in die Schließstellung beaufschlagt, und durch den Ventilkörper verläuft eine Bohrung 32. Ferner weist der Pumpenzylinder 14 angrenzend an den Flansch zwei radial verlaufende Schlitze 33 auf, die an ihren äußeren Enden mit dem zwischen dem Äußeren des Pumpenzylinders und der Wandung 15 der im Gehäuse gebildeten Kammer gebildeten Raum in Strömungsverbindung stehen. An ihren inneren Enden stehen die Schlitze 33 mit einer im Außenumfang des Schafts 28 des Ventilkörpers 27 gebildeten Umfangsnut 34- in Strömungsverbindung. Der Schaft 28 hat eine solche Länge, daß der Pumpenkolben gegen Ende seines Hubs mit dem Schaft 28 in Anlage gelangt und den Ventilkörper gegen die Kraft der Druckfeder 31 verschiebt. In diesem Fall hört die Kraftstofförderung durch den Auslaß 17 auf, und das verbleibende, vom Pumpenkolben verdrängte Kraftstoffvolumen strömt durch die Schlitze 33.

Wenn der Pumpenkolben unter der Kraft der Feder Z¹+ zurückbewegt wird, bleibt der Ventilkörper 27 in einer solchen Stellung, daß die Schlitze 33 mit der Bohrung in Verbindung stehen und der Ventilkopf 29 vom Rand 30 abgehoben ist. Der Grund hierfür ist, daß der unter Druck stehende Kraftstoff aus der vorgenannten Kammer auf den Ventilkopf wirkt und ein Kraftstofffluß in die vom Pumpenkolben eingenommene Bohrung erfolgti Der Kraftstoff fließt so lange, bis die Bewegung des Kolbens entweder durch den Anschlagring oder vorher (wie noch erläutert wird) unterbrochen wird. Infolgedessen verschiebt sich der Ventilkörper unter der Kraft der Feder 31, bis der Kopf an dem genannten Rand anliegt und die Verbindung zwischen den Schlitzen und der Bohrung unterbrochen ist.

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Um eine Verschiebung des Pumpenkolbens gegen die Kraft der Feder 24 und in eine Richtung zum Fördern von Kraftstoff durch den Auslaß 17 zu bewirken, ist eine elektromagnetische Vorrichtung vorgesehen, die den Pumpenkolben mittels einer Kolbenstange 26 bewegt, die durch eine in einem Kernkörper

35 gebildete Bohrung 34a verläuft. Der Kernkörper besteht aus magnetisierbarer« Werkstoff und ist vorteilhafterweise mit dem Gehäuse einstückig ausgeführt. Er kann jedoch auch als gesonderter Körper ausgebildet sein, und in diesem Fall braucht das Gehäuse nicht aus magnetisierbarem Werkstoff zu bestehen. Der Kernkörper 35 ist im wesentlichen kegelstumpfförmig und weist eine Mehrzahl Umfangsnuten 36 auf. Diese bilden in Umfangsrichtung verlaufende Rippen 37, und je weiter die Rippen vom Gehäuse 10 entfernt sind, desto kleiner ist ihr Durchmesser. Ferner nimmt die Weite der Nuten

36 mit zunehmendem Abstand vom Gehäuse 10 zu. Die Außenflächen der Rippen sind zur Achse des Kernkörpers 35 geneigt ausgebildet, und jede Nut enthält eine Wicklung 36. Die Wicklungen sind Mehrwindungswicklungen und vorteilhafterweise derart reihengeschaltet, daß bei Stromfluß durch die Wicklungen die Stromflußrichtung in benachbarten Wicklungen jeweils entgegengesetzt erfolgt. Auf diese Weise werden benachbarte Rippen 37, wenn ein elektrischer Strom durch die Wicklungen geschickt wird, mit entgegengesetzter magnetischer Polarität magnetisiert. Vorteilhafterweise ist ein Ende der reihengeschalteten Wicklungen mit dem Kernkörper 35 verbunden, während das andere Wicklungsende mit einem Anschlußorgan 39 verbunden ist, das an einem Isolierblock 40, der am Gehäuse gesichert ist, angeordnet ist.

Der Kernkörper 35 ist von einem Anker 41 umgeben, der ebenfalls aus magnetisierbarem Werkstoff besteht, jedoch im Schnitt dünn ist. Der Anker 41 kann als aus einer Anzahl

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Ringe mit abnehmendem Durchmesser bestehend angesehen werden, die durch schräge Abschnitte 42 miteinander verbunden sind. Die Innenflächen der schrägen Abschnitte 42 verlaufen im wesentlichen parallel zu den schrägen Außenflächen der Rippen 37. Der Anker 41 ist becherförmig, und die Endwand weist zwei Öffnungen 43 und eine Mittenöffnung·auf, die einen Verschluß 44 aufnimmt, in dem das ferne Ende der Kolbenstange 26 positioniert ist. Wenn die Wicklungen erregt werden, wird der Anker abwärtsbewegt, so daß der magnetische Widerstand der Luftspalte zwischen den Rippen und den schrägen Abschnitten 42 des Ankers vermindert wird, und dabei wird dem Pumpenkolben 23 eine Bewegung erteilt.

Der Anker ist von einer hohlen Abdeckung 45 umgeben, die aus nichtmagnetischem Werkstoff besteht und vorteilhafterweise ein Druckgußteil aus einer Legierung auf Zinkbasis ist. Zweckjnäßigerweise weist die Außenfläche der Abdeckung 45 eine Schulter 46 auf, und die Abdeckungsseiten verlaufen konisch, Um das Herausziehen aus der Druckgußform zu erleichtern. Die Innenfläche ist ebenfalls gestuft ausgebildet und so geformt, daß der Anker axialverschiebbar gehaltert ist. Der Endabschnitt der Abdeckung, d. h. der zwischen der äußeren Schulter 46 und dem Gehäuse 10 verlaufende Abschnitt, weist vier Innenrippen 47 auf, und zwischen diesen Rippen sind Aussparungen gebildet. Damit das Druckgußstück aus der Form entnehmbar ist, verlaufen die Innenflächen konisch, und nach Entnahme aus der Form werden die Innenrippen 47 spanabhebend bearbeitet zur Bildung von zylindrischen Flächen, die parallel zur Achse des Kernkörpers 35 verlaufen. Auf diese Weise sind vier Stützflächen 48 gebildet, an denen der Anker mit seinem breiteren Ende anliegt.

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Die Abdeckung weist vier weitere Rippen 49 auf, die ebenfalls bei der Herstellung konisch geformt werden. Die Innenflächen der Rippen sind spanabhebend bearbeitet, so daß zylindrische Anlageflächen entstehen, die mit komplementären Flächen des Ankers nahe dessen schmalerem Ende in Anlage gelangen. Das offene Ende der Abdeckung ist von einem nichtmetallischen Verschlußteil 51 verschlossen, das im wesentlichen becherförmig ist. Die Wandung des Verschlußteils 51 erstreckt sich in die Abdeckung, und der Endabschnitt liegt an einem Dichtring an, der an einer den Rippen 49 benachbarten Schulter festgelegt ist. Das Verschlußteil 51 ist durch geeignete Verformung des Endabschnitts der Abdeckung festgelegt, und der innerhalb der Abdeckung gebildete Raum ist mit einem im Ansatz 12 gebildeten Kraftstoffeinlaß 52 verbunden. Im Betrieb strömt Kraftstoff an der Innen- oder der Außenseite des Ankers durch die Öffnungen 43 aufwärts, wenn er an der Außenseite des Ankers aufwärtsgeströmt ist, und nach unten durch die Bohrung 34a zur Bohrung 50 im Gehäuse. Somit werden die Wicklungen durch den Kraftstoff gekühlt.

Der Becherteil des Verschlußteils 51 weist in seiner Außenfläche eine Umfangsnut 55 auf. In dieser ist eine einlagige elektrische Wicklung 56 positioniert, deren Enden mit am Verschlußteil befestigten Anschlußorganen 57 verbunden sind. Der Anker 41 trägt einen aus elektrisch leitfähigem Werkstoff bestehenden Ring 58, und wenn der Wicklung 56 Wechselstrom zugeführt wird, fließen Wirbelströme im Ring 58, wodurch die Induktivität der Wicklung 56 änderbar ist. Das Maß der Änderung der Induktivität hängt von der Länge des Abschnitts des Rings 58 ab, der innerhalb der Wicklung positioniert ist, und da der Ring auf dem Anker 41 sitzt, ist der Wert der Induktivität ein Maß für die axiale Lage des Ankers.

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Wenn im Betrieb die größte Kraftstoffmenge zuzuführen ist, kann sich der Pumpenkolben 23 unter der Kraft der Feder 24 so weit wie möglich verschieben. Die Wicklungen können entweder unmittelbar nach der Kraftstoffzufuhr entregt werden, oder sie können zu einem Zeitpunkt vor der nächsten Kraftstoffzufuhr entregt werden, vorausgesetzt, daß genügend Zeit verfügbar ist, um den Kraftstoff in die Bohrung im Zylinder strömen zu lassen. Wenn die Pumpe weniger als die Höchstkraftstoffmenge fördern soll, muß die Rückbewegung des Ankers unter der Einwirkung der Feder 24 in einer Zwischenstellung angehalten werden. Der durch die Wicklung i>6 und den Ring 58 gebildete Wandler gibt die Lage des Pumpenkolbens an, und unter Nutzung des vom Wandler erzeugten Signals können die Wicklungen teilerregt werden, wenn sich der Kolben um den erforderlichen Betrag verschoben hat. Eine solche Teilerregung der Wicklungen erzeugt eine ausreichend große Kraft, um den Anker gegen die Krafteinwirkung der Feder 24 zu halten, bewirkt jedoch kein merkliches Unterdrucksetzen des Kraftstoffs im Auslaß 17. Wenn die Kraftstoffzufuhr verlangt wird, werden die Wicklungen vollständig erregt, und der Kraftstoff strömt dann aus dem Auslaß 17, bis der Ventilkopf 29 von seinem Sitz abgehoben wird, Das Füllen der Bohrung kann jederzeit nach Beendigung der Kraftstoffzufuhr und vor der nächsten benötigten Kraftstoffzufuhr erfolgen. Es ist jedoch zu beachten, daß das Füllen der Bohrung mit Kraftstoff eine bestimmte Zeit dauer, und wenn das Füllen erfolgen soll, unmittelbar bevor die Kraftzufuhr verlangt wird, muß ausreichend Zeit für das Füllen vorhanden sein.

Fig. 2 zeigt zwei der Kraftstoffeinspritzdüsen 19, 20 eines Vierzylinder-Dieselmotors mit Direkteinspritzung. Die Düsen sind am Motor so angeordnet, daß sie Kraftstoff in von den

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Motorzylindern gebildete Verbrennungsräume richten. Jede Düse öffnet sich nach innen und weist ein Absperrorgan 21 auf, das durch eine Feder 22 in Kontakt mit einem Sitz vorgespannt ist.

Jeder Düse ist eine Pumpe 9 der unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläuterten Art zugeordnet, und jeder Pumpe ist ein Umschaltventil 60 zugeordnet. Jedes Umschaltventil umfaßt einen Steuerschieber 61 mit zwei Steuerflächen 62, 63. Die Steuerschieber 61 sind durch Druckfedern 64· beaufschlagt und durch Magnet-Stelleinheiten 65 gegen die Kraft der Federn in Gegenrichtung verschiebbar.

Wenn die Magnet-Stelleinheit 65 entregt ist, ist der Steuerschieber so eingestellt, daß der Auslaß 17 der Pumpe mit einer Öffnung 66 verbunden ist, der in direkter Verbindung mit der zugehörigen Düse 19 oder 20 steht. Wenn also die obere Pumpe 9 betätigt wird, wird der Düse 19 Kraftstoff zugeführt, und wenn die untere Pumpe betätigt wird, wird der Düse 20 Kraftstoff zugeführt. Wie bereits erläutert, muß zur Kraftstoffzufuhr mit ausreichend hohem Druck die Kraftstoffabgabe aus den Pumpen 9 vermindert werden, und somit wurden die Pumpen nicht in der Lage sein, für den Vollastbetrieb des Motors ausreichend Kraftstoff zu fördern. Um diese Schwierigkeit zu beseitigen, ist jedes Umschaltventil mit der jeweils anderen Düse des Düsenpaars verbunden; dabei hat das obere Absperrorgan 60 eine Öffnung 67, die mit einer Stelle zwischen der Öffnung 66 des anderen Umschaltventils und der ihm zugeordneten Düse 20 verbunden ist. Gleichermaßen hat das untere Umschaltventil eine Öffnung 67, die mit einer Stelle zwischen der Öffnung 66 und der Düse 19 verbunden ist.

Wenn im Betrieb der Düse 19 mehr Kraftstoff zuzuführen ist, als von der oberen Pumpe 9 gefördert werden kann, wird die

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Magnet-Stelleinheit 65 des unteren Umschaltventils erregt, so daß die Verbindung zwischen dessen Öffnung 66 und der unteren Pumpe unterbrochen und eine Strömungsverbindung zwischen der Öffnung 67 und der oberen Pumpe hergestellt wird Dann werden beide Pumpen betrieben, und die obere Pumpe 9 ebenso wie die untere Pumpe 9 fördern Kraftstoff direkt zur Düse 19. Wenn der Düse 20 Kraftstoff zuzuführen ist, wird, ausgehend von dem gerade erläuterten Zustand, die Magnet-Stelleinheit 65 des unteren Umschaltventils entregt und diejenige des oberen Umschaltventils erregt, und dann wird Kraftstoff sowohl von der unteren Pumpe 9 als auch über die Öffnung 61 des Umschaltventils der oberen Pumpe 9 direkt, der Düse 20 zugeführt. Wenn also die den Düsen zuzuführende Kraftstoffmenge kleiner oder gerade gleich derjenigen ist, die von den Pumpen förderbar ist, fördert jede Pumpe einmaJ während zwei Umdrehungen des Motors; wenn jedoch die Krdftstoffmenge größer als die von einer Pumpe förderbare Menge ist, fördert jede Pumpe einmal pro Umdrehung des Motors.

Die Energiezufuhr zu den Magnet-Stelleinheiten 65 wird von einer Logik gesteuert, die einen Teil des zugehörigen Kraftstoff-Steuersystems bildet und nur wirksam wird, wenn die den Düsen zuzuführende Kraftstoffmenge größer als die von einer Pumpe förderbare Menge ist.

Vorteilhafterweise sind die Pumpen so nahe wie möglich bei den jeweiligen Umschaltventilen angeordnet. Sie können direkt an den Gehäusen der Umschaltventile befestigt oder über kurze Abschnitte von Hochdruckleitungen damit verbunden sein.

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Claims

Ansprüche

- mit elektromagnetisch betriebenen Pumpen zur Druckkraftstoffzufuhr zu den entsprechenden Einspritzdüsen,

gekennzeichnet durch

- den jeweiligen Pumpen (9) zugeordnete Absperrorgane (60),

- die so betätigbar sind, daß bei Kraftstoffzufuhr zu einer bestimmten Düse (19 oder 20) die dieser Düse (z. B. 19) zugeführte Kraftstoffmenge von der ihr zugeordneten Pumpe (9) förderbar und durch Kraftstoff von einer der anderen Düse (z. B. 20) zugeordneten Pumpe (9) erhöhbar ist.
2. Kraftstoffzufuhrsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Absperrorgane Umschaltventile (60) sind, deren jedes mit der ihm zugeordneten Pumpe (9) verbunden ist und zwei Auslässe (66, 67) aufweist,

- wobei der erste Auslaß (66) mit der zugehörigen Düse (z. B. 19) und der zweite Auslaß (67) mit einer Stelle zwischen dem ersten Auslaß (66) eines weiteren Umschaltventils (60) und dessen zugehöriger Düse (z. B. 20) verbunden ist.

67-(1Ol 135T)-Schö

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BAD QRIQJNAL

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3. Kraftstoffzufuhrsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß jedes Umschaltventil (60) aufweist:

- einen Steuerschieber (61),

- ein Federelement (6A-), das den Steuerschieber (61) in eine Stellung beaufschlagt, in der der eine Auslaß (67) außer Verbindung mit dem Einlaß liegt, und

- eine Magnet-Stelleinheit (65) zum Verschieben des Steuerschiebers (61) gegen die Kraft des Federelements (6A-) in eine zweite Stellung, in der der andere Auslaß (66) außer Verbindung mit dem Einlaß liegt.

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