DE3003904A1

DE3003904A1 - Elektronisch gesteuerte kraftstoffeinspritzung fuer brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE3003904A1
Application number: DE19803003904
Authority: DE
Inventors: Ing.(grad.) Hermann 8900 Augsburg Bante; Dieter 8900 Augsburg Hirt; Richard 8904 Friedberg Steigenberger
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1980-02-02
Filing date: 1980-02-02
Publication date: 1981-08-06
Also published as: IT8119435A0; JPS56121830A; IT1167703B; GB2069047A; FR2475134B3; FR2475134A1

Description

MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NORNBERG
Akti engeeseΠ schaft

München, 22. Januar 1980 10

Elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzung für Brennkraftmaschinen _

Die Erfindung betrifft eine elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzung für Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren, mit annähernd gleichmäßigen Drücken arbeitender Kraftstoff- und Steuerdruckversorgung, wobei ein Regler ein den Motorsolldaten entsprechendes elektrisches Eingangssignal an ein im Steuerdruckkreislauf angeordnetes Servoventil anlegt, über das mit einem, dem elektrischen Eingangssignal entsprechenden, entlastend und belastend wirkenden, hydraulischen Ausgangsdruckimpuls die Düsennadel angesteuert wird.

Eine derartige elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzung, die beispielsweise aus der DE-OS 25 29 933 bekannt ist, verwandet hydraulisch gesteuerte Düsennadelantriebe mit zweistufigem Servoventil (4/2-Wege-Ventil ) und nachgeschalteten Steuerstufen (Obersetzungskolben, Steuerkolben für die Düsennadel). Dies hat den Nachteil, daß durch die zu beschleunigenden Massen, die großen schädliehen Volumina und die indirekte Impulsumsetzung das

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System im Betrieb in seiner Geschwindigkeit verringert wird. Es ist deshalb für eine Düsennadelsteuerung schnei laufender Motoren nicht geeignet, zumindest aber nur bedingt an-5

wendbar. Ursächlich für die geringe Schnelligkeit im Betrieb ist insbesondere die dritte Stufe aufgrund der bewegten Massen der Steuernadel und der Dbersetzungskolben sowie der der Bewegung entgegenwirkenden Reibungskräfte.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer elektronisch

gesteuerten Kraftstoffeinspritzung für Brennkraftmaschinen der eingangs genannten Art, die bei einfachem Aufbau und zuverlässigem Betrieb besonders für schnelläufende Brenn-_ις kraftmaschinen geeignet ist.

Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch, daß als Steuerventil ein 3/2-Wege-Servoventi1 vorgesehen ist, dessen Ausgangssteuerleitung und damit der

2Q hydraulische Ausgangsdruckimpuls direkt an die dem Einspritzbereich der Einspritzdüse abgewandte Oberseite der Düsennadel angelegt ist. Der. hydraulische AusgangsdruckimpuTs kann sowohl druck- als auch mengenmäßig so zeitlich gesteuert werden, daß das zur Verschiebung der Düsennadel notwendige Hubvolumen einem bestimmten Verste.llweg der Düsennadel an der Drosselstel1e der Düse entspricht. Die Größe dieses Verstellweges ist ein Maß für die pro Zeiteinheit eingespritzte Menge und direkt abhängig vom hydraulischen Ausgangsdruckimpuls des Servoventils. Die Länge der Einspritzzeit ergibt sich aus der Zeitdauer des vorzugebenden elektrischen Eingangssignals. Durch Verändern dieses Signals lassen sich in direkter Abhängigkeit von diesem angenähert analoge Einspritzdruckverläufe und steuerbare variable Einspritzmengen erzielen. Durch die Erfindung entfallen somit die nachgeschalteten Steuerstufen des ein-

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gangs genannten bekannten Servoventils, d. h. der Steuerkolben sowie einzelne Obersetzungskolben. Die bewegten Massen des Steuersystems werden dadurch auf einem Minimum gehalten, was ursächlich für die höhere Schnelligkeit des Systems ist und zu vergleichsweise kurzen Einspritzzeiten führt. Dadurch eignet sich die erfindungsgemäß aufgebaute Kraftstoffeinspritzung für schnellaufende Brennkraftmaschinen, insbesondere für schnellaufende Dieselmotoren mit

"Ό kürzeren Steuer-' und Einspritzzeiten. Das verwendete Steuerventil ist ein sogenanntes 3/2-Wege-Servoventil (ein Weg für Druck, ein Weg für Rücklauf, ein Weg für Steuerdruck), das einfach und kompakt im Aufbau und aufgrund der einfachen Ausgestaltung sehr betriebssicher ist. Aufwendige

'^ Mehrwege-Steuerventi 1 e nach dem Stand der Technik können entfal1 en.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß Kraftstoff- und Steuerdruckversorgung integriert aus-

gebildet und an eine gemeinsame Druckquelle angeschlossen sind,'wobei die Kraftstoffversorgung vor dem Servoventil abzweigt und durch eine Anschlußleitung zum Einspritzbereich der Düsennadel gelegt ist. Die Druckquelle kann ein einziger annähernd druckkonstant arbeitender Hochdruck-

speicher sein, der über eine einzige Versorgungsleitung sowie über eine Speicherpumpe und eine Filteranordnung mit einem Versorgungstank verbunden ist. Durch die integrierte Ausbildung des Kraftstoff- und Steuerdruckversorgungssystems wird die Kraftstoffeinspritzung besonders

einfach und störunanfäl1 ig im Betrieb.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind in der Kraftstoff- und Steuerdruckversorgung zwischengeschaltete Druckregelorgange vorgesehen. Dadurch können geregelte unterschiedliche Drücke an der Düsennadel aufgebaut werden.

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Bei einer besonders bevorzugten Ausbildung einer Düsennadel ist vorgesehen, daß diese selbst als Differentialkolben ausgebildet ist, der die notwendige Druckdifferenz zwischen Ober- und Unterseite der Düsennadel zusammen mit den Druckminder- oder -Regelorganen schafft.

Eine andere zweckmäßige Ausführungsform kennzeichnet sich dadurch, daß die mit gleichen Drücken arbeitende Kraftstoff- und Steuerdruckversorgung getrennt ausgebildet sind, wobei die Düsennadel ein Differenzkolben ist, durch den. der notwendige Druckunterschied zwischen Ober- und Unterseite der Düsennadel erreicht wird. Bei dieser Ausgestaltung wird somit der Druckunterschied ausschließlich durch den Differenzkolben aufgebaut. Zwischengeschaltete Regelorgane können dadurch entfallen.

Zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, daß die mit ungleichen Drücken arbeitende Kraftstoff- und Steuerdruckversorgung getrennt ausgebildet und die Düsennadel als Einfachkolben ausgeführt ist.

Besonders einfach und wartungsfreundlich wird die Kraft- «c Stoffeinspritzung, wenn die einzelnen Bauelemente des Servoventils separat im Düsenhalter angeordnet sind. Dies bezieht sich auf die Anordnung der elektrohydraulisehen Verstärkerstufe (Magnetanker des Servoventils) und der hydraulischen Leistungsstufe (Steuerkolben des Servoventils), 3Q die bei örtlicher Trennung voneinander über Leitungen verbunden sind. Somit ist das Servoventil mit seinen Bestandteilen, hydraulischer Steuerschieber und Magnetanker, nicht als angebaute Ventil einheit ausgeführt, sondern getrennt im Einspritzventil als integrierte Einheit angeordnet.

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Die Düsennadel kann ein- oder mehrteilig ausgebildet sein.

Der Differenzkolben kann bei einer zweckmäßigen Ausführungsform über eine entsprechend konstruktive Gestaltung nicht nur ein- oder mehrteilig sein, sondern insbesondere auch durch einen Differenzkolben, basierend auf eine Membrankonstruktion, ersetzt v/erden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben;eszeigt:

Fig. 1 ein Schaltschema einer elektronisch gesteuerten Kraftstoffeinspritzung nach der Erfindung, wobei für die Kraftstoff- und Steuerdruckversorgung eine einzige gemeinsame Druckquelle vorgesehen ist,

Fig. 2 ein Schaltschema einer anderen erfindungsgemäßen elektronisch gesteuerten Kraftstoffeinspritzung, wobei die Steuerdruckversorgung getrennt von der Brennstoffversorgung geschaltet

ist, und
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Fig.3a-c 'Ausführungsformen von Düsennadeln.

Fig. 1 zeigt eine Konstantdruck-Einspritzung, bei der ein einziges Drucksystem für die Kraftstoff- und Steuerdruckversorgung vorgesehen ist. Ein Hochdruckspeicher 16 für Kraftstoff wird aus einem Kraftstofftank 10 mit Kraftstoff versorgt. Zum Aufbau und zur Aufrechterhaltung eines konstant hohen Drucks im Hochdruckspeicher 16 ist in der Kraftstoffzuleitung 26 eine Kraftstoffpumpe 12 vorgesehen,

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die kontinuierlich von einem Motor 14 angetrieben wird, der mit konstanter Drehzahl läuft.

Die vom Hochdruckfilter 15 wegführende Kraftstoffleitung ist über ein Oberdruckventil 18 und eine Anschlußleitung 30 an den Eingang P eines Servoventils 7 angeschlossen.

Der Ausgang R des Servoventils 7 ist zum Rückleiten des Kraftstoffs zum Kraftstofftank 10 vorgesehen. Hierfür ist eine Kraftstoffrücklauf1 eitung 32 zwischen Ausgang R und Tank 10 gelegt.

Zwischen Kraftstoffpumpe 12 bzw. Hochdruckfilter 15 und Überdruckventil 18 ist ferner über eine Kraftstoffüberlaufleitung 24 ein Regelventil 20 angeschlossen, das überschüssigen Kraftstoff in einen Oberlaufbehälter 22 leitet. Oberlaufbehälter 22 und Kraftstofftank 10 können integriert ausgebildet sein. Durch das Regel- bzw. Ober!aufsystem kann somit die Hochdruckpumpe 12 kontinuierlich durch den Motor 14 unabhängig von Einspritzmenge und -zeit betrieben werden.

c Die Anschlußleitung 30 weist vor dem Servoventil 7 eine Abzweigung in Form einer weiteren Anschlußleitung 28 auf, die an den Eingang C im Einspritzbereich 9 der Einspritzdüse 2 angelegt ist, und zwar an den Brennstoffvorlageraum 4 der Düsennadel 3. ■

Die Düsennadel 3 ist an ihrer Oberseite, d. h. an der dem Brennstoffvorlageraum 4 abgewandten Seite, durch eine Feder 5 in Einspritzrichtung vorgespannt. Die Oberseite der Düsennadel 3 ist direkt an die Ausgangssteuerleitung 1 angeschlossen, die mit dem Ausgang A des Servoventils 7 verbunden ist.

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Die Düsennadel 3 weist ferner an Ihrer nichtbeaufschlagten Kolbenseite eine Entlastungsleitung 34 auf, die mit einem

Entlastungsgefäß 35 in Verbindung steht. 5

Das Servoventil 7 wird durch den elektronischen Regler 6 geregelt, der Motorsollwerte und Motoristwerte 11 empfängt.

Das erfindungsgemäß verwendete Servoventil 7 ist somit als 3/2-Wege-Ventil ausgebildet, d. h. es sind drei Wege vorgesehen (ein Weg für Druck, ein Weg für Rücklauf, ein Weg für Steuerdruck). Das kompakt aufgebaute strichpunktiert in Fig. 1 dargestellte Servoventil 7 ist erfindungsgemäß direkt an die Düsennadel 3 der Einspritzdüse 2 angeschlossen, die in der- Zeichnung ebenfalls strichpunktiert schematisch umrissen ist.

Fig. 1 zeigt somit das Steuerschema bei einer gemeinsamen Versorgungsleitung für den hydraulischen Druck- und Kraft-

stoffkreislauf. Die gemeinsame hydraulische Druckversorgung wird vor dem Servoventil 7 in eine Kraftstoffversorgung 28 und in eine Energieversorgung 30 für das Servoventil 7 getrennt. Der hydraulische Druck steht fortwährend am Eingang P des Servoventil und unterhalb der Düselna-

del C an und wirkt zwischen den Einspritzperioden über den Ausgang A direkt auf die Düsennadel. Zum Erreichen des Einspritzens schaltet das Ventil die Verbindung A nach R und bewirkt damit eine Entlastung der Düsennadel 3 auf der Oberseite. Das Ende der Einspritzung wird durch Rückstellen des Servoventils 7 in Stellung P nach A bewirkt. Somit sind öffnungs- und Schließzeiten der Düsennadel nur noch von dem dynamischen Verhalten des Servoventils, der Leitungslänge, der Kompressibilität des Kraftstoffs und der Verdrängungsmenge infolge des Nadelhubs abhängig.

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Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform eines Schaltschemas einer Kraftstoffeinspritzung nach der Erfindung. Insbesondere sind zwei Drucksysteme vorgesehen, die separat voneinander geschaltet sind. Das eine Drucksystem der Kraftstoffversorgung, gemäß Fig. 2 rechts, weist hierbei Einzelaggregate auf, die bereits im Zusammenhang mit Fig.l beschrieben worden sind. Auch das hier verwendete Servoventil 7, die elektronische Regeleinrichtung sowie die Einspritzdüse 2 wurden im einzelnen bereits anhand der Fig. 1 beschrieben. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Das Kraftstoffversorgungssystem nach Fig. 2 unterscheidet sich von dem System der Fig. 1 dadurch, daß es ausschließlich an den Eingang G des Brennstoffvorlageraums 4 der Düsennadel 3 angelegt ist, während das Servoventil 7 durch ein separates System mit Steuerdruck versorgt wird, das in Fig. 2 links gelegen ist.

Das Steuerdrucksystem verwendet eine hydraulische Flüssigkeit als Betriebsmittel, die im Hydraul ikfl üs.sigkeitsbehälter 60 gespeichert ist. Ein hydraulischer Druckkreislauf, gebildet aus Hydraulikflüssigkeitsspeicher 66, Regelventil 70 und HydraulikflUssigkeitszuleitung 76, wird durch eine hydraulische Pumpe 62 über ein Hochdruckfilter 15 gespeist und liegt am Eingang des Servoventil* 7 an. Dieser hydraulische Druckkreis und damit der Hydraulikflüssigkeitsspeicher 66 werden über eine Oberlaufleitung von einem Regelventil druckgeregelt, wobei die überschüssige Hydraulikflüssigkeitsmenge abgesteuert in den Oberlaufbehälter 72 zurückfließt. Ausbildung und Funktion entsprechen den Einzelheiten 20, 22 und 24 gemäß Fig. 1, wobei jedoch als Betriebsmittel nicht Kraftstoff, sondern eine hydraulische Flüssigkeit Verwendung findet.

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Fig. 2 zeigt somit das Steuerschema bei getrennten Ver-

' sorgungsleitungen für Hydraulik- und Kraftstoffkreislauf. Der Hydraulikdruck steht am Eingang P des Servoventils 7

an und wirkt zwischen den Einspritzperioden über Ausgang A 5

direkt auf die Düsennadel 3. Zur Erreichung einer Einspritzung schaltet das Ventil die Verbindung A nach R und bewirkt eine Entlastung der Düsennadel auf der Oberseite. Das Ende der Einspritzung wird durch Rückschaltung des Servöventils 7 in Stellung P nach A bewirkt.

In den Fig. 3a, 3b und 3c sind Ausführungsformen von Düsennadeln 3 gezeigt. Die Düsennadeln sind hierbei als Differenzkolben ausgebildet, der den notwendigen Kraftunter-,_ schied an der Düsennadel allein oder in Verbindung mit zusätzlichen Steuerdrücken besorgt.

Die Ausführungsform nach Fig. 3a ist hierbei einteilig und weist einen Dichtring 40 auf. Der Dichtring ist aus zwei Elementen kombiniert, einem verschleißfesten und einem elastischen Dichtelement.

Die Ausführungsform des Differenzkolbens nach Fig. 3b ist ebenfalls einteilig. Eine mit dem Kolben fest verbundene federnde Membrankonstruktion wirkt als zusätzliches kombiniertes Dichtelement - Labyrinth - und Spaltdichtung.

Die Ausführungsform nach Fig. 3c ist zweiteilig. Zwei Kolben 43 und 44 unterschiedlichen Durchmessers werden über eine Membrankonstruktion 42 miteinander verbunden und stellen zusammen einen Differenzkolben 3 dar. Die Membrankonstruktion 42 ist als elastisches Verbindungselement ausgebildet und gleicht fertigungsbedingte Toleranzen aus.

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Claims

wt/hk/st

' MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NORNBERG
Aktiengesellschaft

München, 22. Januar 1980

Patentansprüche

Elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzung für Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren, mit annähernd drirckkonstant arbeitender Kraftstoff- und Steuerdruckversorgung, wobei ein Regler ein den Motorsolldaten entsprechendes elektrisches Eingangssignal an ein im Steuerdruckkreislauf angeordnetes Servoventil anlegt, über das mit einem, dem elektrischen Eingangssignal entsprechenden, entlastend und belastend wirkenden, hydraulischen Ausgangsdruckimpuls die Düsennadel angesteuert wird, dadurch ge ken nzeichnet, daß als Steuerventil ein 3/2-Wege-Servo-Ventil (7) vorgesehen ist, dessen Ausgangssteuerleitung (1) und damit der hydraulische Ausgangsdruckimpuls direkt an die dem Einspritzbereich der Einspritzdüse (2) abgewandte Oberseite der Düsennadel (3) angelegt ist.

2. Elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kraftstoff- und Steuerdruckversorgung integriert ausgebildet und an eine gemeinsame Druckquelle (16)

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angeschlossen sind, wobei die Kraftstoffversorgung vor dem Servoventil (7) abzweigt und durch eine Anschlußleitung (28) zum Einspritzbereich der Düsennadel (3) gelegt ist (Fig. 1).

3. Elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzung nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet, daß in der Kraftstoff- und Steuerdruckversorgung zv/ischengeschal tete Druckregelorgane vorgesehen sind.

4. Elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsennadel (3) als angesteuerter Differenzkolben ausgebildet ist.

5. Elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich-

__ net, daß die mit gleichen Drücken arbeitende Kraftstoff- und Steuerdruckversorgung getrennt ausgebildet sind, wobei die Düsennadel (3) ein Differenzkolben ist, durch den der notwendige Druckunterschied zwischen Ober- und Untersei te der Düsennadel erreicht wird.

6. Elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit ungleichen Drücken arbeitende Kraftstoff- und Steuerdruckversorgung getrennt ausge-

3Q bildet und die Düsennadel als Einfachkolben ausgeführt ist.

7. Elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Bau-

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elemente des Servoventils (7) separat im Düsenhalter angeordnet sind.

8. Elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzung nach

einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsennadelausbildung ein- oder mehrteilig ist.

9. Elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Membrankonstruktion vorgesehen ist.

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