DE3382635T2

DE3382635T2 - Verfahren und geraet fuer die genaue steuerung der kraftstoffeinspritzung in einer brennkraftmaschine.

Info

Publication number: DE3382635T2
Application number: DE8989110630T
Authority: DE
Inventors: Robert L Barkhimer; Neils J Beck; Michael A Calkins; Christian G Goohs; William E Weseloh
Original assignee: BKM Inc
Current assignee: Servojet Electronic Systems Ltd Lp San Diego
Priority date: 1982-09-16
Filing date: 1983-09-06
Publication date: 1993-06-03
Anticipated expiration: 2003-09-07
Also published as: EP0340807A3; EP0340807A2; EP0107894B1; EP0107894A2; EP0340807B1; EP0107894A3; DE3382635D1; DE3381174D1; JPS5985433A; JPH0567773B2

Description

1. HINTERGRUND DER ERFINDUNG UND STAND DER TECHNIK

Verbrennungskraftmaschinen des Dieseltyps sind dadurch gekennzeichnet, daß sie eine sorgfältig vordosierte Menge von Flüssigkraftstoff unmittelbar in die durch Verdichtung erwärmte Luft eines Brennraums einspritzen, der durch die rasche, nach innen gerichtete Bewegung eines Kolbens in seinem Zylinder gebildet wird. Vor der Einspritzung findet kein Vormischen von Kraftstoff und Luft statt.
Dieses heterogene Gemisch aus Kraftstoff und Luft zum Zeitpunkt der Einspritzung, das vorliegt, wenn sich der Kolben nahe seinem oberen Totpunkt des Verdichtungshubs befindet, bereitet seit der Erfindung des Motors durch Rudolf Diesel in den 1890er Jahren den Dieselmotor-Ingenieuren Probleme. Diese beinhalten die genaue Steuerung zu Beginn und Ende der Einspritzung, die Geschwindigkeit, mit der der Kraftstoff eingespritzt wird, die Form und Richtung des Einspritzstrahles sowie den Aufbau und die Steuerung des Hydraulikdrucks, unter dem der Kraftstoff in den Motorzylinder gepreßt wird. Abgesehen davon, daß ein Dieselkraftstoffsystem die korrekte Kraftstoffmenge bei jeder Einspritzung unter allen Drehzahl- und Lastbedingungen bereitstellt, muß es außerdem die Kraftstoffzufuhr für den Motorkaltstart steuern, die Leerlauf- und Maximaldrehzahlen regeln sowie über Sicherheitsvorkehrungen verfügen, um ein "Überdrehen" des Motors zu verhindern.
Eine Prüfung der Patentschriften und Veröffentlichungen zum Stand der Technik zeigt, daß der Fortschritt auf dem Gebiet der Dieselkraftstoff-Einspritzsysteme umfassend dokumentiert ist. Eine einschlägige Veröffentlichung auf diesem Sektor stammt von Burman und DeLuca, Fuel Injection and Controls for Internal Combustion Engines (Kraftstoffeinspritzung und Regler für Brennkraftmaschinen); 1962, die in einem getrennten Abschnitt die historische Entwicklung der Kraftstoffeinspritzung zum größten Teil anhand von Patentveröffentlichungen beschreibt.
Andere einschlägige Fachveröffentlichungen sind u. a. folgende Schriften:
1. K. Komiyama, Electronically Controlled High Pressure Injection System for Heavy Duty Diesel Engine (Elektronisch gesteuertes Hochdruck-Dieseleinspritzsystem für hochbeanspruchte Dieselmotoren) - KOMPICS, Soc. of Auto Engrs, Aufsatz Nr. 810997, 1981.
2. J. Akagi, A New Accumulator Fuel Injection System for Direct Injection Diesel Engines (Neues Speicherkraftstoffeinspritzsystem für Dieselmotoren mit direkter Einspritzung), Soc. of Auto Engrs, Aufsatz Nr. 821114, 1982.
3. Ralph J. Hooker, "Orion - A Gas Generator Turbocompound Engine" (Orion - Ein Gasgenerator-Turboverbundmotor), Transactions, Soc. of Auto Engrs, Bd. 65, 1957, S. 15- 17.
Die obigen Veröffentlichungen bieten Hintergrundinformationen, die innerhalb des Rahmens des vorliegenden Patents liegen, d. h. Einspritzdüsen des Speichertyps mit Druckverstärkern. Eine nützliche Zusammenfassung der handelsüblichen Dieselkraftstoffsysteme findet sich in Robert Brady, Diesel Fuel Systems (Dieselkraftstoffsysteme), Reston, 1981.
Von Anfang an traten bei den Dieselmotoren Probleme in Zusammenhang mit den Kraftstoffleitungen zwischen der Einspritzpumpe und den Düsen auf. Die Einspritzeinheit stellt eine Kombination aus Pumpe und Düse dar, macht die Hochdruckleitungen überflüssig und bietet somit eine Lösung des Problems.
Zahlreiche Dieselmotoren werden mit einem einzelnen Zylinder hergestellt, so daß die notwendige Kraftstoffzufuhr relativ einfach ist. Dennoch umfaßt die gesamte Kraftstofförderanlage außer der dem einen Zylinder zugeordneten Einspritzdüse zahlreiche weitere Komponenten. Bei Mehrzylinder-Dieselmotoren wird das vollständige Kraftstoffördersystem verhältnismäßig komplex.
Die Kraftstoffeinspritzdüsen stellen im allgemeinen die am weitaus teuersten Einzelkomponenten eines Dieselmotors dar. Der Grund hierfür ist, daß sie Kraftstoffdrücke im Bereich vieler Millionen Pascal (mehreren tausend psi) führen, ihre mechanischen Abläufe sehr schnell erfolgen, und um sowohl die Menge des einzuspritzenden Kraftstoffs als auch den Einspritzzeitpunkt mit einem gewünschten Maß an Präzision steuern zu können, müssen die mechanischen Teile des Einspritzmechanismus selbst unter extrem genauen Fertigungstoleranzen hergestellt werden.
Beiden derzeit im gewerblichen Einsatz befindlichen Dieselkraftstoff-Einspritzsystemen sind die Regler für das System im wesentlichen mechanischer Art. Zur Steuerung der Kraftstoffversorgung des Motors sind zahlreiche verschiedene mechanische Anordnungen im Einsatz, um die Motordrehzahl- und -lastbedingungen zu erfüllen.
Einschlägige dem Stand der Technik zuzuordnende US-Patente beinhalten u. a.:
Eichelberg Nr. 2,283,725 1942
Falberg Nr. 2,985,378 1961
Links Nr. 3,835,829 1974
Luscomb Nr. 4,219,154 1980

2. ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß Anspruch 1 oder 10 der vorliegenden Erfindung wird eine vollständige Einspritzeinheit bereitgestellt, die nicht nur bei sehr hohem Druck arbeitet, wobei sie eine Kraftstoffdosis auf extrem schnelle und präzise Weise einspritzt, sondern die auch aus einer Kraftstoffversorgungsquelle mit relativ niedrigem Druck gespeist wird. Die Einspritzeinheit der vorliegenden Erfindung umfaßt einen Hydraulikdruckverstärker, eine Einspritzdüse des Speichertyps und ein Rückschlagventil, das den Austritt des Druckverstärkers mit der Speichereinspritzdüse verbindet.
Weiterhin umfaßt die vollständige Einspritzeinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein elektromagnetisch gesteuertes Dreiwegeventil, das betätigt wird, um die Kraftstoffdosis in den Druckverstärker zu leiten. Somit befinden sich also das Magnetventil, der Druckverstärker, das Rückschlagventil und die Kraftstoffeinspritzdüse des Speichertyps alle in der vollständigen Einspritzeinheit und können somit bequem am Zylinderkopf eines Dieselmotors angebaut werden.
Ein weiteres wichtiges Merkmal besteht darin, daß die Zumessung der Kraftstoffdosis gesteuert erfolgt und wie gewünscht eingestellt werden kann, ohne daß mechanische Einstellungen innerhalb des Mechanismus der vollständigen Einspritzeinheit auszuführen sind. Die gewünschten Einstellungen der zuzumessenden Kraftstoffdosis erfolgen statt dessen entweder hydraulisch oder elektrisch oder durch eine Kombination hydraulischer und elektrischer Maßnahmen.
Die hydraulische Steuerung der Zumessung der Kraftstoffdosis wird erreicht, indem der Austrittsdruck einer Pumpe verändert wird, die als gemeinsame Versorgungsquelle für alle Einspritzeinheiten aller Motorzylinder dient. Wenn die Einstellung am Ort der Pumpe vorgenommen wird, ist für den gesamten Motor nur eine derartige Einstellung erforderlich, die auch nicht im Inneren der Einspritzeinheiten auszuführen ist.
Da der Förderdruck gelegentlichen Änderungen unterliegt, wird er nicht als Druck "aus gemeinsamer Druckleitung" bezeichnet.
Erfolgt die Zumessungsregelung der Kraftstoffdosis auf elektrische Weise, so geschieht dies einfach durch Variieren des Zeitintervalls, während dem das Magnetventil in jedem Zyklus des Motorbetriebs in geöffneter Position ist. Speziell durch längeres Offenhalten des Magnetventils wird das im Druckverstärker aufgebaute Druckniveau höher und die Menge der in den Speicher geförderten Kraftstoffdosis wird größer. Umgekehrt kann die Kraftstoffdosis verringert werden, indem das Zeitintervall, während dem das Magnetventil geöffnet ist, verkürzt wird.
Gemäß einem weiteren Merkmal eines Ausführungsbeispiels der Erfindung erfolgt die Zumessungsregelung der Kraftstoffdosis teilweise durch hydraulische Einrichtungen und teilweise durch elektrische Einrichtungen. Speziell wenn die Erfindung auf einen Mehrzylindermotor angewandt wird, erfolgt die Haupteinstellung bei der Kraftstoffzumessung durch Regelung des Drucks der gemeinsamen Kraftstoffversorgungsquelle, während Änderungen der Impulsfolge der elektrischen Steuersignale für die verschiedenen Zylinder in unterschiedlicher Weise erfolgen können, um die Leistung aller Zylinder auszugleichen und damit die Leistung des Motors insgesamt zu optimieren.
Ein weiteres Merkmal einer Ausführungsform der Erfindung sieht eine Funktion zur präzisen Steuerung des Zeitpunkts vor, in dem die Kraftstoffeinspritzung erfolgen soll.
Als weiteres Merkmal einer Ausführungsform der Erfindung ist ein verbessertes Steuermodul vorgesehen, in dem ein Dreiwege-Magnetventil und ein Druckverstärker in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind, die eine Reihe verbesserter Struktur- und Funktionsmerkmale aufweisen.
Ein weiteres Merkmal einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer verbesserten Kraftstoffeinspritzdüse des Speichertyps, die mit einem Rückschlagventil am Kraftstoffeinlaß ausgerüstet ist, und die verschiedene Verbesserungen hinsichtlich ihres Aufbaus und ihrer Betriebsweise enthält.
Schwankungen des Leitungsdrucks aufgrund von Ungenauigkeiten der Reglerkomponenten oder Fehlfunktionen einzelner Einspritzdüsen werden automatisch vom System korrigiert. Sollte eine Fehlfunktion derart eintreten, daß der Kraftstofffluß einer bestimmten Einspritzdüse reduziert wird, so wird der Kraftstofffluß vom Druckregler unter Einhaltung des korrekten Drucks reduziert, und folglich wird an die übrigen Brennräume weiterhin korrekt Kraftstoff gefördert.
Durch Variieren des Zeitintervalls, während dem das Magnetventil in jedem Zyklus des Motorbetriebs in geöffneter Position ist, und speziell durch längeres Offenhalten des Magnetventils erhöht sich das im Druckverstärker aufgebaute Druckniveau und die Menge der an den Speicher geförderten Kraftstoffdosis wird größer. Umgekehrt kann die Kraftstoffdosis durch Verkürzen des Zeitintervalls, während dem das Magnetventil geöffnet ist, verringert werden.
Die Menge des eingespritzten Kraftstoffs und der Druck, unter dem der Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird, werden durch die Wahl des Fassungsvermögens der Speicherkammer sowie durch Steuerung der maximalen und minimale Drücke des Einspritzprozesses geregelt.

3. VORTEILE DER ERFINDUNG

Die Erfindung stellt ein kostengünstiges und praktisches Mittel zur präzisen Regelung und Kraftstoffeinspritzung unter sehr hohem Druck bei Verbrennungskraftmaschinen bereit. Vorteile, die aus dem hohen Druck und der präzisen Regelung resultieren, sind verbesserte Kraftstoffeinsparung, geringe Abgasemissionen, geringer Lärmpegel und geringere Belastung der Komponenten des Einspritzsystems. Darüber hinaus ist das System sehr einfach und gestattet die volle Nutzung der Vorteile und Möglichkeiten der modernen elektronischen Technologie. Ein einziges elektrisches Signal an eine Einspritzeinheit veranlaßt den Beginn der Einspritzung. Danach wird die Einspritzung ohne irgendein weiteres Signal beendet. Die Funktion der Beendigung ohne ein weiteres Signal ist ein inhärentes Merkmal des Systems.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das Volumen oder die Menge des eingespritzten Kraftstoffs von der Motordrehzahl unabhängig ist.

4. ZUSAMMENFASSUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Schemazeichnung eines Kraftstoffeinspritzsystems für einen Vierzylindermotor gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm, das die primären Funktionsmerkmale einer der vollständigen Einspritzeinheiten darstellt;
Fig. 3 ist eine Seitenansicht einer vollständigen Einspritzeinheit gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 ist eine Draufsicht der vollständigen Einspritzeinheit gemäß Fig. 3;
Fig. 5 und 6 sind Querschnittsaufrißansichten der vollständigen Einspritzeinheit entlang den entsprechenden Schnittlinien in der Fig. 4;
Fig. 7 ist eine vergrößerte teilweise Querschnittsansicht, die das T-Ventil in seiner geschlossenen Position zeigt;
Fig. 8 ist eine vergrößerte teilweise Querschnittsansicht der Strahlspitze;
Fig. 9 ist ein vergrößerter Teilbereich von Fig. 5a, der jedoch die Kolben des Druckverstärkers während ihres Vorwärtshubs und das T-Ventil in seiner geöffneten Position darstellt;
Fig. 10 ist eine Teilansicht wie Fig. 9, die jedoch die zweite Position des Magnetventils zeigt;
Fig. 11 stellt den elektrischen Impuls dar, der an das Magnetventil angelegt wird;
Fig! 12 ist ein Wellenformdiagramm, das den Arbeitszyklus der vollständigen Einspritzeinheit gemäß Fig. 2 bis 10 darstellt; und
Fig. 13 ist eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs des Wellenformdiagramms gemäß Fig. 12.

5. AUFBAU DES SYSTEMS (Fig. 1 und 2)

In der Fig. 1 ist ein vollständiges Kraftstoffversorgungssystem für einen Vierzylinder-Dieselmotor in schematischer Form dargestellt.
Aus einem Kraftstoffvorratstank 10 wird flüssiger Kraftstoff über ein Filter 11 von einer Pumpe 12 angesaugt, die mechanisch von der Motornockenwelle 13 (nicht dargestellt) angetrieben wird. Bei der Pumpe 12 handelt es sich um einen Durchflußtyp, der einen relativ konstanten, aber verstellbaren Druck erzeugt. Von der Pumpe 12 wird der Kraftstoff durch ein Überdruckventil 14 zu einem Druckregler 15 gefördert. Vom Druckregler 15 aus gelangt der flüssige Kraftstoff unter stabilem Druck in eine Kraftstoffversorgungsleitung 16, die mit allen Einspritzeinheiten verbunden ist.
Vier im wesentlichen identische vollständige Kraftstoffeinspritzeinheiten 100 sind entsprechend ihrem tatsächlichen physikalischen Erscheinungsbild dargestellt. Es versteht sich von selbst, daß jede Einspritzeinheit zu dem Zweck am Motorzylinderkopf montiert ist, um die Kraftstoffdosis in den Brennraum des jeweils zugeordneten Motorzylinders einzuspritzen.
Des weiteren zeigt die Fig. 1 eine Kraftstoffrücklaufleitung 20. Sie dient als ein Ablauf aus jeder der Einspritzeinheiten 100.
Nunmehr sei auf die Fig. 2 verwiesen, die in schematischer Form den Aufbau und die Funktionsweise einer einzelnen Einspritzeinheit 100 zeigt. Es ist zu beachten, daß die Bezugszeichen kleiner 100 zur Kennzeichnung der verschiedenen Merkmale des vollständigen in der Fig. 1 dargestellten Kraftstoffeinspritzsystems dienen. Außerdem werden sie zur Kennzeichnung der schematisch dargestellten Teile der Einspritzeinheit gemäß Fig. 2 verwendet. In den späteren Figuren, in denen der tatsächliche mechanische Aufbau einer Einspritzeinheit 100 dargestellt ist, werden die verschiedenen Teile mit Bezugszeichen größer 100 gekennzeichnet.
Wie in der Fig. 2 schematisch dargestellt, erhält die Einspritzeinheit 100 ihren unter Druck stehenden Kraftstoff aus der gemeinsamen Kraftstoffversorgungsleitung 16. Die Kraftstoffrücklaufleitung 20 geht von der Einspritzeinheit 100 ab. Die Kraftstoffrücklaufleitung 20 ist in Fachkreisen auch als Kraftstoffablaufleitung oder Kraftstoffrücklaufleitung bekannt. Der Betrieb der Einspritzeinheit wird durch ein Dreiwegemagnetventil 30 gesteuert. Die Betätigung des Ventils wiederum wird durch Spannungsimpulse 36 gesteuert, die über eine elektrische Steuersignalleitung 37 empfangen werden. Die Einspritzeinheit ist am Motorzylinderkopf (nicht dargestellt) montiert. Die Aufgabe der Einspritzeinheit besteht darin, Kraftstoff in einen mit gestrichelten Linien dargestellten Brennraum 80 eines zugehörigen Motorzylinders einzuspritzen.
Im einzelnen bedeutet dies, daß die gemeinsame Kraftstoffversorgung einen konstanten Druckpegel aufweist, wie im kleinen Diagramm 17 dargestellt. Das elektrische Steuersignal für das Magnetventil besteht aus einer Reihe von im wesentlichen Rechteckspannungsimpulsen 36, wie im Diagramm gezeigt. Ein Spannungsimpuls wird während jedes Zyklus des Motorbetriebs geliefert, was später noch ausführlicher beschrieben wird.
Das Magnetventil 30 hat eine Einlaßöffnung 31 zur Aufnahme des Kraftstoffs aus der gemeinsamen Kraftstoffversorgungsleitung 16. Außerdem hat es einen Auslaufkanal 33. Des weiteren hat es einen Ausgangskanal 32, an die die Kraftstoffrücklaufleitung gekoppelt ist. Das Anlegen der Vorderflanke des Spannungsimpulses 36 bewirkt, daß das Ventil in den "Ein"-Zustand bewegt wird, so daß zwischen der Einlaßöffnung 31 und dem gemeinsamen Auslaufkanal 33 eine Flüssigkeitsverbindung besteht. Gleichzeitig besteht keine Flüssigkeitsverbindung mit dem Kanal 32. Mit dem Ende des Spannungsimpulses geht das Ventil dann in seine "Aus"-Position zurück, in der eine Flüssigkeitsverbindung zwischen dem gemeinsamen Auslaufkanal 33 und dem Kraftstoffrücklaufkanal 32 und nicht mit der Kraftstoffeinlaßöffnung 31 besteht. Es wird vorausgesetzt, daß nach diesem allgemeinen Prinzip arbeitende elektromagnetisch gesteuerte Dreiwegeventile dem Fachmann bereits bekannt sind.
Ein Hydraulikdruckverstärker 40 umfaßt eine Niederdruckkammer 45 und eine Hochdruckkammer 50. Die Hochdruckkammer 50 ist auch unter der Bezeichnung Kompressions- oder Druckverstärkerkammer bekannt. Ein Zumeßkanal 18 ist unmittelbar von der Kraftstoffversorgungsleitung 16 über ein Rückschlagventil 19 mit der Kompressionskammer 50 verbunden, so daß die Kompressionskammer stets mit Kraftstoff versorgt ist.
Im schematischen Diagramm der Fig. 2 ist eine zwischen dem gemeinsamen Auslaufkanal 33 des Magnetventils und der Niederdruckkammer 45 angeschlossene Leitung 35 mit Pfeilen versehen, die in beide Richtungen weisen. Diese Leitung mit ihren Pfeilen zeigt schematisch die Betriebsweise an, nach der Kraftstoff abwechselnd während eines Teils des Zyklus vom Ventil in die Niederdruckkammer gefördert wird und dann von dieser Kammer zurück zum Ventil fließt. Im einzelnen bedeutet dies, daß nach Einschalten des Ventils durch den Spannungsimpuls 36 Kraftstoff von der Versorgungsleitung 16 durch die Einlaßöffnung 31 und somit durch das Innere des Ventils 30, durch den gemeinsamen Auslaufkanal 33 und in die Niederdruckkammer 45 des Druckverstärkers fließt. Wenn mit dem Ende des Spannungsimpulses das Magnetventil ausgeschaltet wird, fließt der Kraftstoff aus der Niederdruckkammer 45 in umgekehrter Richtung zum gemeinsamen Auslaufkanal 33 des Ventils und somit durch das Innere des Ventils zum Ausgangskanal 32 und von dort zur Kraftstoffauslauf- oder -rücklaufleitung 20.
Die Niederdruckkammer 45 des Hydraulikdruckverstärkers 40 enthält nicht diejenige Kraftstoffdosis, die letztendlich in den Brennraum 80 eingespritzt wird. Ihre einzige Aufgabe besteht darin, den Druck des in der Kompressions- oder Druckverstärkungskammer 50 befindlichen Kraftstoffs zu vervielfachen. Der im Rahmen dieser Erfindung verwendete Begriff "Vervielfachen" bezeichnet das Verhältnis der Flächen der Niederdruck- und Hochdruck-Verstärkerkolben. Somit wird also einmal während jedes Motorzyklus eine Kraftstoffmenge durch das Magnetventil in die Niederdruckkammer 45 gefördert, und die durch die Strömung dieser Kraftstoffmenge entstandene Energie wird zur Vervielfachung des Drucks des in der Hochdruckkammer 50 befindlichen Kraftstoffs genutzt. Wenn die im Speicher vorhandene potentielle Energie in Einspritzenergie umgewandelt worden ist, wird die in die Kammer 45 eingespeiste Kraftstoffmenge veranlaßt, zur Kraftstoffrücklaufleitung 20 abzulaufen. Dieser Vorgang wiederholt sich während jedes Zyklus des Motorbetriebs. Der Einsatz eines Hydraulikdruckverstärkers in einem Dieselkraftstoffeinspritzsystem ist im Luscomb-Patent Nr. 4,219,154 beschrieben.
Eine Speichereinspritzdüse 70 ist mit zwei getrennten Kraftstoffeinlässen dargestellt, die mit 72 und 73 gekennzeichnet sind. Der in den Einlaß 73 gelangende Kraftstoff kommt über einen Ausgangskanal 51 und das Rückschlagventil 60 mit seiner Eintrittsöffnung 52 von der Kompressionskammer 50. Der Einlaß 72 erhält seinen Kraftstoff über eine Leitung 53, die das Rückschlagventil 60 umgeht. Die durch diese Leitung fließende Kraftstoffmenge ist äußerst gering. Im Schema der Fig. 2 zeigen in entgegengesetzte Richtungen weisende Pfeile 54 und 55 an der Leitung 53, daß zwar eine Strömung in beiden Richtungen möglich ist, der Zweck dieser Leitung 53 jedoch mehr eine Druckverbindung ist.
Während jedes Zyklus, wenn sich der Druck in der Kompressionskammer 50 aufbaut, wird das Rückschlagventil 60 in Vorwärtsrichtung vorbelastet, so daß Kraftstoff von der Hochdruckkammer 50 in die Speichereinspritzdüse 70 gelangt. Auf dieses Weise gelangt während jedes Zyklus eine Kraftstoffdosis in die Speichereinspritzdüse. Mit dem Ende des elektrischen Impulses 36 schließt das Magnetventil 301 der Druck in der Niederdruckkammer 45 fällt ab und der Druck in der Hochdruckkammer 50 nimmt ebenfalls rasch ab. Dies veranlaßt das Schließen des Rückschlagventils 60, so daß der Kraftstofffluß durch das Rückschlagventil in den Speicher unterbrochen wird. Allerdings besteht weiterhin eine Kraftstoffdruckkopplung von begrenzter Wirkung zwischen der Zumeßkammer 50 und der Speichereinspritzdüse 70 über den schematisch durch die Leitung 53 dargestellten Pfad.
Die Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr in die Speichereinspritzdüse 70 sowie der Druckabfall in der Leitung 52 veranlassen das Einspritzen der Kraftstoffdosis in den Brennraum. Der Kraftstoff gelangt in Form von Strahlen 76 in den Raum 80, deren Richtungen durch die Düsen einer Strahlspitze 75 bestimmt sind.
Der Aufbau der Speichereinspritzdüse 70 und ihre Funktionsweise, einschließlich des Rückschlagventils 60 und des parallelen Druckpfades 53 sind im wesentlichen ähnlich dem im Falberg-Patent Nr. 2,985,378 beschriebenen. Wie jedoch in Zusammenhang mit der Beschreibung der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gezeigt werden wird, verfügt die Speichereinspritzdüse der Erfindung über bestimmte neue Merkmale, die in einem verbesserten Betrieb resultieren.
Es ist selbstverständlich, daß ein hydraulischer Mechanismus wie der in der Fig. 2 schematisch dargestellte, eine erstmalige Flutung mit der Betriebsflüssigkeit erfordert, bevor er einen stabilen Betriebszustand erreicht. In der vorstehenden Beschreibung wird vorausgesetzt, daß die erstmalige Flutung erfolgt ist bzw. der Zustand der Betriebsbereitschaft bereits vorliegt, und daß die Vorrichtung unter stabilen Bedingungen arbeitet.
Ein typischer Druck in der Versorgungsleitung 16 kann beispielsweise in der Größenordnung von 103,4 bar liegen. Der Vervielfachungseffekt des Druckverstärkers 40 kann einem Faktor 15 oder mehr oder auch nur drei entsprechen. Der Druck in der Zumeßkammer 50 kann also auf etwa 1550,9 bar (103,4 · 15 = 1550,9) angehoben werden, und dieser volle Druck wird in die Speichereinspritzdüse 70 übertragen.
Es sei nochmals auf die Fig. 1 verwiesen, die das vollständige Kraftstoffversorgungssystem darstellt. Ein elektrisches Steuerungssystem wie beispielsweise ein Mikroprozessor 78 dient zur Steuerung des Betriebs des Kraftstoffversorgungssystems. Der Mikroprozessor empfängt verschiedene Eingangssignale und erzeugt verschiedene Ausgangssignale, wie nunmehr beschrieben wird.
Ein den Einlaßkrümmerluftdruck des Motors repräsentierendes Eingangssignal wird an einer Eingangsleitung 81 empfangen. Ein weiteres die Zylinderblockwassertemperatur repräsentierendes Eingangssignal wird an einer Eingangsleitung 82 empfangen. Eine weitere Eingangsleitung 83 liefert ein elektrisches Signal, dessen Größe den Druckpegel in der Kraftstoffversorgungsleitung 16 repräsentiert. Ein weiteres an eine Eingangsleitung 84 gelegtes Signal repräsentiert die Position der Drosselklappe, wie sie durch Betreiber des Motors oder durch den Steuerregler festgelegt ist, um die dem Motor auferlegten erforderlichen Lastbedingungen zu erfüllen. Da der Mikroprozessor 78 mit dem Motor synchronisiert sein muß, wird ein elektrisches Signal beispielsweise von der Hockenwelle 13 zu dem Zweck erfaßt, einen Impulsgenerator 85 mit dem Motor zu takten oder zu synchronisieren. Signale vom Impulsgenerator 85 werden über eine Eingangsleitung 86 an den Mikroprozessor geliefert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung führt der Mikroprozessor 78 einen Taktzyklus aus, innerhalb dessen eine Reihe von Ereignissen zeitlich vorgegeben und gesteuert stattfinden, wobei die Dauer dieses Taktzyklus einer Umdrehung der Kurbelwelle des Motors oder auch zwei oder mehr Umdrehungen der Kurbelwelle entsprechen kann. Im Falle eines Zweitaktmotors wird der Taktzyklus normalerweise während einer vollständigen Umdrehung der Kurbelwelle des Motors ausgeführt. Bei einem Viertaktmotor würde der Taktzyklus normalerweise zwei Umdrehungen der Kurbelwelle des Motors entsprechen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann jedoch der Kraftstoffverbrauch für bestimmte Motorbetriebsbedingungen durch Änderung der zeitlichen Vorgaben erheblich gesenkt werden. So könnte beispielsweise der Taktzyklus eines Zweitaktmotors, der sich im Leerlauf und nicht unter Last befindet, vom Multiprozessor so eingestellt sein, daß eine Kraftstoffeinspritzung nicht mit jeder Umdrehung, sondern nach jeweils zwei, drei oder vier Motorumdrehungen stattfindet. Auf ähnliche Weise kann bei einem Viertaktmotorzyklus der Taktzyklus des Mikroprozessors so modifiziert werden, daß er einem ganzzahligen Vielfachen von zwei Motorumdrehungen entspricht. Der Betriebszyklus des Motors entspricht dann dem vom Mikroprozessor eingestellten Taktzyklus.
Der gewünschte Taktzyklus des Mikroprozessors kann vollständig innerhalb dieser Systemeinheit ausgeführt werden. Wahlweise kann der Impulsgenerator 85, falls gewünscht, so Programmiert werden, daß er als ein Frequenzvervielfacher wirkt, so daß er anstelle nur eines Impulses für jede Umdrehung der Kurbelwelle eine Reihe von Impulsen generiert, die eine vorgegebene Anzahl von abstandsgleichen Impulsen umfaßt.
Eine Ausgangsleitung 90 generiert ein elektrisches Signal, das zur Steuerung des Betriebs des Druckreglers 15 herangezogen wird. Die Änderung der Druckeinstellung des Reglers 15 bewirkt ihrerseits, daß der Druck in der Versorgungsleitung 16 entweder ansteigt oder sinkt und resultiert in einer entsprechenden Änderung der Menge der in den Brennraum jedes Zylinders einzuspritzenden Kraftstoffdosis. Die Art, in der diese Druckregler-Steuerfunktion ausgeführt wird sowie deren Bedeutung werden später ausführlicher beschrieben.
Der Mikroprozessor 78 hat außerdem Signalausleitungen 91a, 91b, 91c und 91d. Das von der Ausgangsleitung 91a gelieferte Ausgangssignal steuert den Betrieb einer Einspritzeinheit 100a, während die Ausgangsleitungen 91b, c und d Einspritzeinheiten 100b, c bzw. d steuern. Jedes Ausgangssignal auf jeder der Leitungen 91 besteht aus einer Rechteckspannungswelle (siehe Impuls 36, Fig. 2), die einmal während jedes Taktzyklus des Mikroprozessors 78 auftritt. Mit Beginn der Rechteckwelle wird die Spule des Magnetventils 30 (Fig. 2) der zugehörigen Einspritzeinheit erregt. Mit dem Ende der Rechteckwelle der Spannung (36) wird die Magnetspule stromlos.
Die an die Ausgangsleitungen 91 gelieferten Signale veranlassen drei wichtige Taktfunktionen zur Steuerung des Betriebs der Einspritzeinheiten 100 und damit des Betriebs des Dieselmotors insgesamt.
Diese verschiedenen Taktfunktionen werden nunmehr kurz erläutert.
Eine bereits erwähnte Taktfunktion besteht darin, den Kraftstoffverbrauch des Motors zu senken, indem der Taktzyklus des Mikroprozessors und damit der Motorzyklus einem ganzzahligen Vielfachen des normalen Zündzyklus des Motors angepaßt wird.
Eine zweite wichtige Taktfunktion der Mikroprozessorausgangssignale ist die Festlegung des Zeitpunktes, zu dem die Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum relativ zum oberen Totpunkt des zugehörigen Kolbens beginnt. Diese besondere Taktfunktion ist durch den Punkt gesteuert, in dem die Rechteckwelle der Spannung endet und damit das zugehörige Magnetventil stromlos macht. Diese Funktion wird später ausführlicher beschrieben.
Eine dritte Taktfunktion des Mikroprozessors ist die Festlegung der Länge des Zeitintervalls, während dessen das Magnetventil erregt ist. Die Länge dieses Zeitintervalls kann durch früheres Einschalten des Ventils verlängert oder durch früheres Ausschalten verkürzt werden. Diese besondere Taktfunktion beeinflußt das Ausmaß der vom Druckverstärker 40 (Fig. 2) erzielbaren Druckverstärkung und damit die Menge jeder eingespritzten Kraftstoffdosis, wie später ausführlicher beschrieben ist.
Es gibt eine vierte Taktfunktion, deren Durchführung vom Mikroprozessor 78 angefordert werden kann. Diese Taktfunktion besteht darin, individuelle Einstellungen für jeden Motorzylinder hinsichtlich des Zeitpunkts, in dem die Einspritzung beginnen soll, wie auch hinsichtlich der Länge des Zeitintervalls, während dessen das Magnetventil eingeschaltet ist, vorzunehmen. Bei dieser Funktion handelt es sich um eine "Feinabstimmungs"-Funktion, die in einem der letzten Absätze dieser Beschreibung näher erörtert wird.

6. AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER MECHANISCHEN TEILE DER VOLLSTÄNDIGEN EINSPRITZEINHEIT

Diese Beschreibung nimmt Bezug auf die Fig. 3 bis einschließlich 10 und ist in numerierte Absätze gegliedert.

Absatz 1.

Die Solenoideinheit 30, Fig. 3, ist in einem eigenen Gehäuse untergebracht. Sie ist in der vom US-Patentamt am 5. Juli 1983 veröffentlichten US-Patentschrift Nr. 4,391,292 beschrieben, die demselben Inhaber gehört wie die vorliegende Anmeldung. Die Solenoideinheit ist mit einigen Ausnahmen konzentrisch um eine zentrale Längsachse angeordnet. Eine Ausnahme sind die Leiterdrähte 37, die an einem Teil des Umfangs der Erregerspule angeschlossen sind. Eine weitere Ausnahme sind die beiden Querkanäle 38, 39 (Fig. 5a und 9), die den entsprechenden Kugelventilen 31a, 32a zugeordnet sind. Wie aus diesen Zeichnungen ersichtlich, sind sie senkrecht ausgerichtet, wobei diese Ausrichtung jedoch nicht erforderlich ist.

Absatz 2.

Das nächste Strukturteil ist ein Block- oder Sokkelelement 110 für das Steuermodul. Es ist in den Fig. 3, 4, 5a, 6 und 9 dargestellt. Wie die Fig. 5a zeigt, ist die oberste Öffnung 32 der Ausgangskanal. Die Öffnung an der linken Seite ist die Kraftstoffeinlaßöffnung 31. An der rechten Seite befindet sich ebenfalls eine Öffnung mit Paßgewinde, in die die Solenoideinheit 30 eingesetzt wird; dazu ist sie einfach bis zum sicheren Sitz fest einzuschrauben. Drei O-Ringe unterstützen die Abdichtung des Solenoids im Block. Eine Schulter am Magnetventilgehäuse 35 liegt an einer Schulter 110a an, um das Magnetventil im Block 110 zu fixieren. Die Kraftstoffeinlaßöffnung 31 ist konzentrisch mit der Vertiefung im Block 110, die die Solenoideinheit 30 aufnimmt. Aus diesem Grund strömt der eintretende Kraftstoff direkt an das Ende der Solenoideinheit. Unterhalb der Vertiefung für das Magnetventil sind drei sich senkrecht nach unten erstreckende Kanäle vorgesehen. Die in der Fig. 5a äußerst links gezeigte Öffnung ist der Zumeßkanal 118. Die Öffnung in der Mitte ist der gemeinsame Auslaufkanal 33, der mit der Niederdruckkammer des Hydraulikdruckverstärkers in Verbindung steht. Die Öffnung an der rechten Seite ist eine Auslaufleitung oder ein Kanal 120 für die Sicherstellung der einwandfreien Funktion des Druckverstärkers, was später beschrieben ist. Außerdem sind im Block 110 eine ringförmige Öffnung 122 ausgeformt, die die Verbindung zwischen dem Querkanal 38 und dem Austrittskanal 33 herstellt, sowie eine ringförmige Öffnung 124, die die Verbindung zwischen dem Querkanal 39 und der Auslaufleitung 120 herstellt.

Absatz 3.

In der Auslaufleitung 120 befindet sich ein Rückschlagventil 121, dessen Aufbau im einzelnen dem Rückschlagventil 119 gemäß Fig. 9 entspricht. Dieser Aufbau beinhaltet eine Feder und eine Haltekappe, wobei die Haltekappe durch einen Preßsitz in einer Öffnung von Block 110 gesichert ist.

Absatz 4.

Die Fig. 6 zeigt eine Schnittdarstellung des Block- oder Sockelelements 110 für das Steuermodul, jedoch gegenüber der Fig. 5 um 90º gedreht. Der vollständige Schmierkreis für das Steuermodul gemäß Fig. 6 umfaßt eine Schmieröffnung 125 an der Oberseite, ein Rückschlagventil 127 unterhalb der Schmieröffnung und ein Paar Kanäle 128, 129, die zu einem großen Kolben 130 bzw. zu einem kleinen Kolben 140 des Druckverstärkers führen. Der nur in der Fig. 6 vollständig dargestellte Schmierkreis ist ein optionales Merkmal der Vorrichtung. Abgesehen von der Reibungsverringerung im Falle mancher Kraftstoffe hat er die Aufgabe, das Durchsickern von Kraftstoff hinter die Kolben 130 und 140 zu verhindern.

Absatz 5.

Der große und der kleine Kolben 130 und 140 des Hydraulikdruckverstärkers sind in den Fig. 5a, 6, 7 und 9 dargestellt. Der große Kolben 130 ist hohl, hat die Form eines umgedrehten Bechers und bewegt sich axial in einer zylindrischen Bohrung, die in einer Kammer 145 ausgebildet ist. Der kleine Kolben oder die Stange 140 bewegt sich axial in seiner eigenen Bohrung. Um Konzentrizitäts- und Fluchtungsprobleme zu vermeiden, sind die beiden Kolbenelemente nicht befestigt, bleiben jedoch im wesentlichen immer in Berührung. Das Sockelelement oder der Block 110 enthält die große Bohrung 145 für den großen Kolben 130 des Druckverstärkers sowie außerdem eine ringförmige im Abstand entlang der Bohrung 145 verlaufende Nut 128a, die Schmieröl führt, wie bereits beschrieben.

Absatz 6.

Ein kleinerer Block 111 ist unmittelbar unterhalb und fest am großen Block 110 des Steuermoduls anliegend angeordnet. Siehe Fig. 5a, 6, 7 und 9. Eine axiale Bohrung 112, in der die Stange oder der kleine Kolben hin- und hergeht, enthält ebenfalls eine ringförmige Schmiernut 129a, wie aus verschiedenen Figuren ersichtlich ist. Gemäß Fig. 5a enthält der Block 111 außerdem einen Zumeßkanal 118a und ein Rückschlagventil 119. Der Kanal 118a ist so ausgerichtet, daß der Kanal 118 im Block 110 mit einer Kammer 150 unterhalb des Kolbens 140 in Verbindung steht.

Absatz 7.

Die baulichen Einzelheiten des Rückschlagventils 119 im Zumeßkanal sind in der Fig. 9 dargestellt.

Absatz 8.

Die Kammer 150 unterhalb des Kolbens 140 bildet eine Kompressions- oder Verstärkungskammer. Siehe Fig. 5a. Am unteren Ende der Kompressionskammer befindet sich eine Scheibe 151. Im Block 111 ist eine Aussparung vorgesehen, die konzentrisch zur Zumeßkammer ist, jedoch einen größeren Durchmesser hat, und die Scheibe paßt in diese Aussparung. Die Scheibe hat in der Mitte ein Loch, das einen etwas kleineren Durchmesser als die Kompressionskammer hat. Der Zumeßkanal 118a mündet unmittelbar neben der Scheibe in die Kompressionskammer 150.

Absatz 9.

Ein nur in der Fig. 5a deutlich dargestellter Paßstift 155 bewirkt eine formschlüssige Ausrichtung der beiden Blöcke 110, 111 des Steuermoduls, so daß die beiden Teile 118, 118a des Zumeßkanals voll miteinander kommunizieren. Derselbe Paßstift 155 hat eine solche Länge, daß er sich auch bis unterhalb des Blocks 111 erstreckt und eine kurze Strecke in das obere Ende des Hauptgehäuse eines Speichers 160 ragt. Dieser Paßstift ist gemeinsam mit einem später zu beschreibenden weiteren Paßstift erforderlich, um die korrekte Drehstellung der Düsenöffnungen relativ zur Längsachse der Speichereinspritzeinheit festzulegen.

Absatz 10.

Die bisher kurz beschriebenen Teile stellen die Gesamtheit der Einzelteile des Steuermoduls dar. Eine Sechskantmutter 157, die die beiden Blöcke 110 und 111 zusammenhält, ist nachstehend beschrieben.

Absatz 11.

Innerhalb einer zylindrischen Bohrung am oberen Ende des Speichergehäuses 160 befindet sich ein Federdistanzstück 170. Der Durchmesser der dieses Federdistanzstück 170 aufnehmenden Bohrung ist so dimensioniert, daß es darin fest sitzt, und am Ende der Bohrung ist eine Flachschulter ausgeformt, um das Distanzstück 170 in ringförmigem Dichtkontakt zu halten. Die Länge dieses Distanzstücks 170 ist so gewählt, daß es nach dem Einsetzen in die Aussparung des Speichergehäuses bündig mit der Stirnfläche des Gehäuses 160 abschließt. Wenn also die Mutter 157 das Gehäuse 160 gegen den Block 111 preßt, ist das Federdistanzstück 170 starr innerhalb des Gehäuses 160 fixiert, als wäre es ein integraler Bestandteil des Speichergehäuses selbst.

Absatz 12.

Ein T-Ventil 180, das kleiner als, aber ähnlich geformt wie das Federdistanzstück 170 ist, ist in den Fig. 5a, 7 und 9 lose in das Distanzstück 170 eingesetzt in einer umgekehrten Position relativ zum Distanzstück 170 dargestellt. Ein Radialspiel von ca. 0,0254 cm zwischen den beiden Teilen 170 und 180 gestattet eine Abwärtsströmung des Kraftstoffs am Umfang dieses T-Ventils. Die obere oder Stirnwand des Ventilstücks 180 hat eine zentrale Öffnung 185 zur Aufnahme des oberen Endes eines Nadelventilelements 190. Der Durchmesser dieser Öffnung 185 beträgt etwa 0,310 cm.
Die Nadel 190 und das T-Ventil 180 gleiten relativ zueinander, das Spiel zwischen den beiden Teilen wird jedoch auf einem Minimum gehalten. In der Oberfläche des T-Ventils, d. h. im Boden des Bechers, befindet sich eine Ausnehmung 187, die in den Fig. 5a, 7 und 9 deutlich dargestellt ist.

Absatz 13.

Es ist wichtig, daß das zentrale Loch 152 durch die Scheibe 151 einen kleineren Durchmesser hat als das obere Ende des Nadelventilelements 190, da die Scheibe 151 als Anschlag oder Stoßdämpfer für das Element 190 dient. Sie könnte diese Aufgabe nicht erfüllen, wenn die zentrale Öffnung so groß wäre, daß das Nadelventil hindurchgehen kann. Ein weiteres Größenverhältnis ist das der Tiefe der Ausnehmung 187 an der Oberfläche des Nadelventils zur Dicke der Scheibe 151. Die Tiefe der Ausnehmung muß kleiner sein als die Dicke der Scheibe, um zu vermeiden, daß die Scheibe aus ihrer Aussparung verschoben wird, weil der Durchmesser der Ausnehmung 187 größer ist als der Durchmesser der Scheibe 151. Der Grund für den großen Durchmesser der Ausnehmung 187 ist, daß an der oberen Umfangsfläche des T-Ventils eine relativ schmale Lippe erwünscht ist. Die schmale Lippe 182 (Fig. 7) stellt bei geschlossenem T-Ventil einen hohen Druck in der Einheit sicher und sorgt für eine wirksame Dichtung gegenüber der Bodenfläche des Blocks 111. In der vorliegenden Ausführungsform beträgt der Durchmesser des gesamten T- Ventils etwa 0,978 cm, während die radiale Dicke der Dichtlippe etwa 0,053 cm mißt.

Absatz 14.

Eine kleine in den Fig. 5a, 7 und 9 gezeigte Feder 200 arbeitet mit dem T-Ventil als Bestandteil desselben Mechanismus zusammen. Hierbei handelt es sich um eine relativ schwache Feder, die nur eine kleine Kraft ausübt. Ihr unteres Ende sitzt auf dem Federdistanzstück 170 auf, während ihr oberes Ende an der Unterseite der horizontalen Wandung des T-Ventilelements 180 anliegt.

Absatz 15.

Nunmehr wird auf das Nadelventilelement 190 verwiesen, das in den Fig. 5a, 5b, 7, 8 und 9 gezeigt ist. Eine Speicherspitze 165 stellt eine Verlängerung des unteren Endes des Speichergehäuses 160 dar. Das Nadelventilelement 190 ist ein integrales Element, das sich über nahezu die gesamte Länge des Speichers erstreckt. Eine halbkugelige Oberfläche 192 am unteren Ende des Ventilelements 190 greift in einen halbkugeligen Ventilsitz 166 ein, wie die Fig. 8 zeigt. Der Radius der Ventiloberfläche 192 des Ventilelements 190 ist geringfügig kleiner gehalten als der Radius des Ventilsitzes 166 (in der Größenordnung von 1% kleiner). Das Nadelventilelement 190 ist eine Stange mit einem über die gesamte Länge im wesentlichen gleichförmigen Durchmesser, ausgenommen am unteren Ende, wo die Ventiloberfläche 192 angeformt ist, und nahe des oberen Endes, wo ein ringförmiger Flansch 195 (Fig. 5a) vorgesehen ist. Es ist jedoch von entscheidender Bedeutung, daß der Durchmesser des Nadelventilelements am Ventilsitz 166 kleiner ist als der Durchmesser oberhalb des Flansches 195. Siehe Fig. 8. Dies ist zur Erzeugung einer Nettodruckbelastung des Nadelventils 190 erforderlich, damit das Nadelventil 190 von seinem Sitz abhebt, wenn die Einspritzung beginnen soll. Die Länge des Nadelventilelements relativ zum Speichergehäuse ist ebenfalls kritisch. Das bedeutet, daß wie in den Fig. 5a und 5b gezeigt, bei Sitz des Nadelventilelements 190 in seinem Ventilsitz 166 am unteren Ende des Speichergehäuses das obere Ende 194 des Nadelventilelements in einem kurzen Abstand unterhalb der zuvor beschriebenen Scheibe 151 steht. Dieser Abstand beträgt in der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform etwa 0,041 cm.

Absatz 16.

Nunmehr sei auf eine untere Scheibe 205 verwiesen, die nur in der Fig. 5a dargestellt ist. Das Speichergehäuse 160 weist eine Durchmesseränderung seiner inneren Öffnung an einem Punkt unmittelbar unterhalb der Position des ringförmigen Flansches 195 des Nadelventilelements 190 auf. Diese Durchmesseränderung bewirkt innerhalb des Speichergehäuses eine ringförmige Schulter 161. Die untere Scheibe 205 liegt am ringförmigen Flansch 195 des Nadelventilelements an. Zwischen dem Speichergehäuse 160 und dem ringförmigen Flansch 195 des Ventilelements 190 ist erhebliches Spiel vorgesehen. Zwischen der Scheibe 205 und dem Speichergehäuse ist ebenfalls Spiel eingehalten. Dieses Spiel ist notwendig, um eine Abwärtsströmung des flüssigen Kraftstoffs an allen Punkten des Umfangs des Nadelventilelements und der Scheibe zu gestatten.

Absatz 17.

Eine in den Fig. 5a, 7 und 9 dargestellte große Feder 210 erstreckt sich zwischen der unteren Scheibe 205 und dem Federdistanzstück 170. Sie hält normalerweise das Nadelventilelement in seinem Sitz. Die große Feder 210 hat eine sehr viel höhere Federkraft als die zum T-Ventil gehörige kleine Feder 200. Die Feder 200 ist klein ausgelegt, um das Druckgefälle in dem T-Ventil zu reduzieren.

Absatz 18.

Die Speicherspitze 165 gemäß den Fig. 3 und 5a ist in vergrößerter Form in der Fig. 8 zusammen mit dem Ventilsitz 166 und typischen Kanälen 177 dargestellt, die als Düsenöffnungen für die Kraftstoffstrahlen 176 fungieren.

Absatz 19.

Ein unterer Paßstift 167 ist nur in der Fig. 5b dargestellt. Er hält die Spitze 165 des Speichers in einer vorgegebenen Drehposition auf dem Speichergehäuse 165 fest, so daß eine korrekte Ausrichtung der Düsenöffnungen gegeben ist.

Absatz 20.

Eine untere Sechskantmutter 168 ist in der Fig. 3 und im Querschnitt in der Fig. 5b dargestellt. Sie hat eine ähnliche Funktion wie die obere und größere Sechskantmutter 157, hält jedoch anstelle von drei nur zwei Gehäuseelemente zusammen.
Das Einspritzmodul ist so konzipiert, daß es als eine vom Steuermodul getrennte Einheit herzustellen ist.

7. FUNKTIONSWEISE DES MAGNETVENTILS (Fig. 5a, 9 und 10)

Bezugnehmend auf die Fig. 5a hat das Magnetventil 30 eine Spulenwicklung 34, die während jedes Zyklus des Motorbetriebs einen der Rechteckspannungsimpulse 36 empfängt. Die Erregung der Spule 34 veranlaßt einen Solenoid-Tauchkern 34a, sich eine kurze Strecke nach links zu bewegen. Die in der Fig. 5a dargestellte Position stellt seine äußerst rechte oder äußerste Position dar, die als geschlossene Position des Dreiwegeventils gilt.
Befindet sich der Tauchkern in der in der Fig. 5a dargestellten Position, kann der durch die Öffnung 31 eintretende Flüssigkraftstoff nicht in das Innere des Magnetventils gelangen, da er durch eine Kugel 31a, die in ihrem Ventilsitz sitzt, daran gehindert wird. Der die Einlaßöffnung 31 beaufschlagende Zufuhrdruck stellt sicher, daß die Kugel 31a in ihrem Ventilsitz gehalten wird. Somit besteht keine Flüssigkeitsverbindung zwischen der Einlaßöffnung 31 und entweder der Auslauföffnung 32 oder der gemeinsamen Austrittsöffnung 33.
Gleichzeitig hält die in ihrem Sitz befindliche Kugel 31a über eine Tauchkolbenverlängerung 34b eine Kugel 32a in geöffneter Position und abgehoben von ihrem zugehörigen Ventilsitz. Aus diesem Grund kann eventuell in der gemeinsamen Austrittsöffnung vorhandener Flüssigkraftstoff ungehindert durch den Ringraum 122 des Blocks 110 in den Querkanal 38 des Magnetventils, der in Längsrichtung im zentralen Kern des Ventilgehäuses verläuft, und um die Kugel 32a fließen. Ab diesem Punkt fließt die Flüssigkeit in den Querkanal 39 des Ventils, dann in den Ringraum 124 des Blocks 110 und von dort zum Ausgangskanal 32. Die Finger an vier Punkten um den Umfang der Kugel 32a begrenzen die Bewegung der Kugel 32a, wie in der Fig. 5a gezeigt. Somit ergeben sich Abstände zwischen diesen Fingern, die die Strömung der Flüssigkeit zwischen dem Querkanal 38 und dem Querkanal 39 des Ventils gestatten.
Die geöffnete Position bei erregtem Magnetventil ist in der Fig. 9 gezeigt. Der durch die Öffnung 31 eintretende Kraftstoff fließt nun um die Kugel 31a in den Querkanal 38 und durch den Ringraum 122 in den gemeinsamen Auslaufkanal 33. Gleichzeitig wird die Kugel 32a fest ihrem Ventilsitz gehalten, wodurch die Flüssigkeitsverbindung zwischen der gemeinsamen Austrittsöffnung 33 und der Auslauföffnung 32 unterbrochen ist.

8. FUNKTIONSWEISE DES HYDRAULIKDRUCKVERSTÄRKERS (Fig. 5a, 9 und 13)

Im allgemeinen läßt das Magnetventil 30 den Flüssigkraftstoff aus der gemeinsamen Versorgungsleitung 16 während eines Teils jedes Motorzyklus in den gemeinsamen Ausgangskanal 33 einströmen. Danach fließt er in die Niederdruckkammer 145, was in der Fig. 9 am deutlichsten zu sehen ist. Durch das Füllen der Niederdruckkammer 9 wird der große oder Niederdruckkolben 130 nach unten bewegt. Diese Bewegung drückt ihrerseits die Stange oder den Hochdruckkolben 140 nach unten, so daß das Volumen der Kompressionskammer 150 (Fig. 5a) unter dem Kolben 140 reduziert wird.
Mit dem Ende des Spannungsimpulses 36 und der Rückkehr des Magnetventils in seine geschlossene Stellung gemäß Fig. 5a ergibt sich folgender Ablauf. Der unter dem Druck der gemeinsamen Druckleitung stehende flüssige Kraftstoff fließt von der Versorgungsleitung 16 durch den Zumeßkanal 118 am Rückschlagventil 119 vorbei in den Kompressionskammer 150. Dieser Druck übt eine Kraft auf die Stange oder den Zylinder 140 aus, wodurch dieser nach oben bewegt wird. Gleichzeitig hat das Schließen des Magnetventils den Kanal zwischen dem gemeinsamen Ausgangskanal 33 und dem Auslaufkanal 32 geöffnet, so daß der Kraftstoff in der Niederdruckkammer 145 in die Kraftstoffrücklaufleitung abfließt. Da der Druck in der Kraftstoffrücklaufleitung auf einem Null- oder Referenzpegelniveau liegt, besteht eine Netto-Druckdifferenz von 103,4 bar (1500 psi - gemeinsamer Versorgungsdruck), der die beiden Kolben 130, 140 aus ihren untersten Positionen gemäß Fig. 9 zurück in ihre obersten Positionen gemäß Fig. 5a verfährt.
Es sei darauf hingewiesen, daß der Hohlraum im großen Kolben 130 einen großen Innenraum darstellt, der den Kraftstoff (oder das Schmieröl, sofern der Schmierkreis verwendet wird) aufnimmt, der am großen Kolben 130 und am kleinen Kolben 140 vorbei eingedrungen ist. Eine Reihe von Kanälen 120 sorgt für eine Verbindung zwischen diesem Raum oder dieser Kammer durch die untere Kante von Block 110 zum Ringraum 124 des Block 110 und in die Kraftstoffauslaufleitung. Ohne diese Reihe von Kanälen würde eine hydraulische Blockierung der Kolben eintreten. Das in den Fig. 5a und 9 gezeigte Rückschlagventil 121 verhindert das Strömen der Flüssigkeit in die entgegengesetzte Richtung und sorgt für die konstante Wirksamkeit des Druckverstärkers. Somit wird jegliche Ansammlung von Flüssigkeit in der Kammer durch das Zusammenwirken der Auslaufleitung 120, des Rückschlagventils 121 und des Ringraums 124 verhindert.
Ein weiteres Merkmal des Hydraulikdruckverstärkers gemäß der vorliegenden Erfindung sind die vorgesehenen Schmiermittelnuten 128a und 129a. Die Nut 128a umgibt den großen Kolben 130, während 129a den kleinen Kolben 140 umgibt. Schmieröl oder Schmierfett mit einer hohen Viskosität gelangt gemäß Fig. 6 in die Öffnung 125 und von dort durch das Rückschlagventil 127 und die Kanäle 128, 129 zu den entsprechenden Schmiermittelnuten. Der Zweck dieser Anordnung besteht nicht nur in einer Schmierung der hin- und hergehenden Bewegungen der Kolben des Hydraulikdruckverstärkers. Eine weitere, vielleicht sogar wichtigere Aufgabe ist die Verhinderung oder die weitgehende Reduzierung eines Auslaufens von Dieselkraftstoff über die schmiermittelnuten hinaus. Die Verhinderung oder Reduzierung des Auslaufens von Kraftstoff ist möglich, weil das Schmieröl eine wesentlich höhere Viskosität besitzt als der flüssige Kraftstoff.

9. FUNKTIONSWEISE DER KOMPRESSIONSKAMMER (Fig. 5a, 7 und 9)

Wenn sich der Hochdruckkolben 140 in seiner obersten Position befindet, wie in der Fig. 5a gezeigt, ist die Kompressionskammer 150 mit flüssigem Kraftstoff gefüllt. Mit der Aufwärtsbewegung des Kolbens 140 fließt der unter Druck stehende Kraftstoff aus der Versorgungsleitung 16 durch die Einlaßöffnung 31 und den Zumeßkanal 118 am Rückschlagventil 119 vorbei in die Kompressionskammer. Wenn jedoch der Hochdruckkolben die Abwärtsbewegung beginnt, schließt das Kugelventil 119, wodurch jegliche Strömung des flüssigen Kraftstoffs in Umkehrrichtung aus dem Zumeßkanal 118 verhindert ist. Auf diese Weise ist eine gewählte oder vorgegebene Kraftstoffmenge mit Leitungsdruck (ca. 103,4 bar) in der Kompressionskammer 150 eingeschlossen.
Während des anschließenden Betriebs des Druckverstärkers wird der Druck in der Kompressionskammer 150 stark erhöht auf einen Druck, der gleich ist dem Druck des großen Kolbens mal dem Flächenverhältnis des kleinen und des großen Kolbens. Das Volumen der Kammer 150 nimmt mit zunehmendem Druck ab. Als ein typischer Wert kann ein Faktor Fünfzehn genannt werden, um den das Druckniveau des Kraftstoffs in der Kompressionskammer erhöht werden kann.
Es sei nunmehr auf die Fig. 13 verwiesen, die die Funktionsweise der derzeit bevorzugten Ausführungsform der Erfindung darstellt. Wie in der Fig. 13 gezeigt, beträgt der Druck in der Kompressions- oder Hochdruckkammer 150 bei Null Millisekunden oder unmittelbar vor dem Öffnen des Magnetventils 30, ca. 103,4 bar.
Das Öffnen des Magnetventils 30 bewirkt ein rasches Ansteigen des Druckniveaus auf etwa 413,6 bar (6000 psi). Der anhaltende Betrieb des Druckverstärkers mit dem Einströmen von weiterem flüssigem Kraftstoff in die Niederdruckkammer 145 bewirkt den Anstieg des Druckniveaus in der Kompressionskammer auf etwa 1516,4 bar (22000 psi). Dieser Vorgang läuft innerhalb von ungefähr 9 ms ab. Wie in der Fig. 13 gezeigt, öffnet das T-Ventil, wenn der Druck in der Zumeßkammer etwa 413,6 bar erreicht; der anschließende Übergang von Kraftstoff in den Speicher ist für eine Senkung der Druckanstiegsgeschwindigkeit verantwortlich. Der Anstieg sowie die Druckanstiegsgeschwindigkeit innerhalb der Kompressionskammerhängen von der Komprimierbarkeit des Kraftstoffs ab, und da sich die Komprimierbarkeit des Kraftstoffs nicht genau linear (d. h. in Form einer Geraden) verhält, ist der Druckanstieg in der Kompressionskammer ebenfalls nicht linear.

10. FUNKTIONSWEISE DES T-VENTILS UND DES NADELVENTILS (Fig. 5a, 7 und 9)

Die Bewegungen des T-Ventils und des Nadelventils stehen hinsichtlich der Abfolge zueinander in einer festen Beziehung. Die Ausgangsposition entspricht der Darstellung in den Fig. 5a und 7, wo beide Ventile geschlossen sind; das heißt, das T-Ventil befindet sich in seiner obersten Stellung, so daß seine Lippe 182 in Dichtkontakt mit der unteren Fläche des Blocks 111 steht. Gleichzeitig befindet sich das Nadelventilelement 190 in seiner untersten Stellung, so daß seine Ventilfläche 192 auf dem Ventilsitz 166 sitzt, wie die Fig. 8 zeigt.
Die erste der sequentiell ablaufenden Aktionen besteht darin, daß der Hydraulikdruckverstärker eine Druckerhöhung des Kraftstoffs in der Kompressionskammer 150 mit der zuvor beschriebenen Geschwindigkeit und gemäß der in der Fig. 13 dargestellten Kurve herbeiführt. Das T-Ventil öffnet, wenn der Druck in der Kompressionskammer 150 den Druck im Speicher um einen Betrag überschreitet, der sich sowohl aus der das T-Ventil beaufschlagenden Federkraft als auch der Geometrie der Dichtlippe 182 ergibt. Dies entspricht ungefähr dem Schließdruck des Elements 150. Wie bereits erwähnt, wird hier davon ausgegangen, daß das Kraftstoffsystem bereits geflutet ist, und daß die Beschreibung eines kontinuierlichen Systembetriebs auf Basis stabiler Bedingungen zutrifft. Die zweite Position der Funktionsabfolge beider Ventile ist, daß das T-Ventil geöffnet ist, während das Nadelventil geschlossen bleibt, wie die Fig. 9 zeigt. Wie durch die Pfeile in der Fig. 9 gekennzeichnet, fließt der flüssige Kraftstoff dann am Umfangsprofil des Speichergehäuses nach unten.
Als nächster Schritt erfolgt das Schließen des T-Ventils, so daß beide Ventilelemente 180 und 190 in ihre Ausgangspositionen gemäß den Fig. 5a, 5b, 7 und 9 zurückkehren. Diese Aktion wird durch das Abschalten des Magnetventils 30, den daraus resultierenden Druckabfall in der Niederdruckkammer 145 und somit auch in der Hochdruckkammer 150 verursacht.
Obwohl die Ventilpositionen wieder den vorigen entsprechen, haben sich doch die Bedingungen im Inneren des Speichers in signifikanter Weise geändert. Das heißt, daß in den Innenbehälter 162 des Speichergehäuses 160 eine zusätzliche Menge flüssigen Kraftstoffs eingespeist wurde, durch die der Innendruck von etwa 413,6 bar auf etwa 1516,4 bar angehoben wird. Als Ergebnis bewirkt der im Inneren des Speichers vorliegende Differenzdruck ein Abheben des Nadelventilelements 190 von seinem Ventilsitz 166. Auch wenn diese Aktion dem Fachmann bekannt ist, soll sie hier dennoch kurz zusammengefaßt werden.
Der Durchmesser des Nadelventils 190 unterhalb des Flansches 195 ist kleiner als der Durchmesser oberhalb dieses Flansches. Der die Umfangsflächen gemäß der vorstehenden Beschreibung beaufschlagende Flüssigkeitsdruck erzeugt eine nach oben gerichtete Nettokraft am Nadelventilelement. Diese Kraft muß hinreichend groß sein, um die Kraft der großen Feder 210 zu überwinden. Sie muß außerdem ausreichen, um die Kraft des die oberere Endfläche 194 des Nadelventilelements beaufschlagenden Flüssigkeitsdrucks zu überwinden. In diesem Zusammenhang wird auf die in entgegengesetzte Richtungen weisenden Pfeile 54 und 55 gemäß Fig. 2 verwiesen, die schematisch die am oberen Ende des Nadelventilelements (Rückschlagventil 60 im Schema gemäß Fig. 2) stattfindenden Druckwechsel andeuten. Die Druckdifferenz ist hinreichend groß, um das Nadelventil von seinem Sitz abzuheben, und die Kraftstoffeinspritzung beginnt durch die Bohrungen 177 in der Strahlspitze 175.
Die Kraftstoffeinspritzung erfolgt während eines Zeitintervalls von etwa einer bis 1½ ms. Der Innendruck im Speicher fällt je nach Kraft der Feder 210 und anderer Auslegungsfaktoren rasch auf den Auslegungsschließdruck, ca. 413,6 bar, ab. Danach geht das Nadelventilelement 190 in seine geschlossene Position zurück. Die kugelige Dichtfläche 192 am Element 190 greift wieder in den kugeligen Sitz 166 ein, wobei die im Sitz auftretenden Spannungen durch die zuvor beschriebene maßliche Beziehung zwischen den Oberflächen 192 und 166 auf ein Minimum begrenzt werden. Beide Ventilelemente befinden sich erneut in ihren Ausgangspositionen gemäß Fig. 5a und 7.
Zur näheren Erläuterung läuft der Öffnungsvorgang des T-Ventils wie folgt ab: Der Druck in der Kompressionskammer 150 wirkt auf die Ausnehmung 187, d. h. auf die gesamte Querschnittsfläche des T-Ventilelements 180 abzüglich der Flächen des Bohrungsdurchmessers 185 mit dem Nadelventilelement 190 und der Umfangslippe 182. Der Druck im Speicher erfaßt eine größere Fläche, nämlich die des Elements 180 abzüglich der Bohrung 185. Der Druck in der Kompressionskammer 150 beaufschlagt also zunächst eine kleinere Fläche und muß außerdem die Kraft der Feder 200 überwinden. Nach der Öffnung des Ventils ist nur noch die Federkraft zu überwinden.
Das Nadelventil arbeitet aufgrund seiner besonderen Konstruktion selbstzentrierend. Das heißt, das obere Ende des Nadelventils sitzt lose in der Öffnung des Federdistanzstücks 170. In ähnlicher Weise sitzt auch das T-Ventilelement 180 lose im Federdistanzstück 170. Gleichzeitig ist die obere Endfläche 194 des Nadelventils in keiner Weise durch die darüber befindliche Scheibe 151 oder die untere Fläche des Blocks 111 in seiner seitlichen Bewegungsfreiheit begrenzt. Wenn also das Nadelventil in seine normale, geschlossene Position zurückkehrt, zentriert es sich selbst auf dem Ventilsitz 166 am unteren Ende des Speichers, während sich der obere Endabschnitt des Nadelventilelements selbst so positioniert, wie es zur Fluchtung mit dem unteren Ende erforderlich ist. Diese Funktion wird in der beschriebenen Weise durch die am oberen Ende des Nadelventils vorgesehene Stützeinrichtung ermöglicht.
Ein weiteres wichtiges Merkmal der Funktionsweise des Nadelventils ist, daß es nur durch die Kraft der Feder 210 geschlossen wird. Da die Ventilfläche 192 einen etwas kleineren Radius hat als der Ventilsitz 166, erfolgt der Schließvorgang rasch und reibungslos unter minimalem Verschleiß der Ventilteile.

11. FUNKTIONSWEISE DER VOLLSTÄNDIGEN EINSPRITZEINHEIT (Fig. 2, 12 und 13)

Die Funktionsweise der vollständigen Einspritzeinheit gemäß der vorliegenden Erfindung ist bereits in allgemeiner Form anhand des schematischen Diagramms von Fig. 2 beschrieben.
Nachdem nun die spezifischen Mechanismen der bevorzugten Ausführungsform der vollständigen Einspritzeinheit in Zusammenhang mit ihren zugehörigen detaillierten Zeichnungen beschrieben sind, ist es sinnvoll, auf die Fig. 12 und 13 zu verweisen, die ein Beispiel für den tatsächlichen Betrieb der Vorrichtung bei 5700 U/min darstellen.
Wie aus der Fig. 12 ersichtlich, veranlaßt der Spannungsimpuls 36 das Öffnen des Magnetventils, allerdings erst nach einer Verzögerung von etwa 3,0 ms. Der gemeinsame Ausgangskanal 32 war zuvor über die Kraftstoffrücklaufleitung oder den Auslaufkanal 32 auf das Druckniveau Null entlüftet worden. Die Zuströmung von Kraftstoff über den Einlaß 31 bewirkt einen anfangs ziemlich raschen Druckanstieg, dann jedoch einen langsameren, da er Arbeit verrichten muß, wenn er den großen Kolben 130 des Hydraulikdruckverstärkers nach unten bewegt. Somit steigt, wie in der Fig. 12 gezeigt, der Druck in der Niederdruckkammer 145 mit der Bewegung der Kolben über ihren Hubbereich auf das Niveau des Versorgungsdrucks (ca. 103,4 bar). Noch vor Abschluß dieser Aktion endet der Spannungsimpuls, und nach einer Verzögerung von etwa 2,3 ms schließt das Magnetventil.
Das Schließen des Magnetventils veranlaßt das Schließen des T-Ventils. Der Druck in der Hochdruckkammer 150, der auch derjenige Druck ist, mit dem die obere Endfläche 194 des Nadelventils beaufschlagt wird, fällt steil ab (siehe Fig. 12). Der Speicherdruck fällt ebenfalls steil ab, jedoch nicht so ausgeprägt. Die Differenz zwischen diesen beiden Drücken beaufschlagt das Nadelventilelement, so daß es gegen die Kraft der großen Feder 210 nach oben bewegt wird. Im oberen Bereich der Fig. 12 ist die tatsächliche Bewegung oder der Versatz des Nadelventilelements 190 dargestellt. Wie dort gezeigt, beträgt der maximale Versatz der Nadel nur etwas mehr als 0,40 mm (0,016 Zoll), da dies dem Abstand zwischen dem oberen Ende des Nadelventilelements und der Scheibe 151 entspricht, die als ein Stoßdämpfer zur Begrenzung des Nadelwegs dient.
Ein sehr kleiner Versatz der Nadel reicht aus, um einen vollen Kraftstofffluß durch die Düsenöffnungen zu veranlassen. Die oberste Kurve der Fig. 12 zeigt ein Beispiel für die Geschwindigkeit, mit der Kraftstoff in den Brennraum eines Motorzylinders eingespritzt wird.

12. EINSPRITZEINSTELLUNG

Der Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung wird durch das Ende des Spannungsimpulses 36 festgelegt, der das Magnetventil 30 veranlaßt wird, nach der obengenannten Verzögerungszeit von etwa 2,3 ms in seine geschlossene Stellung zurückzukehren. Das mechanische Schließen des Magnetventils bewirkt jedoch, daß die Kraftstoffeinspritzung nahezu sofort eintritt.
Die zur Kraftstoffeinspritzung erforderliche Zeitdauer hängt von verschiedenen Auslegungskonstanten des Geräts ab. Der Abschluß der Einspritzung wird durch die in die Einspritzeinheit integrierten Merkmale bestimmt und nicht durch eine externe Quelle getaktet oder gesteuert.

13. EINSTELLUNG (REGELUNG) DER KRAFTSTOFFDOSIS

Nach dem Fluten des Kraftstoffsystems und Erreichen stabiler Drehzahl- und Lastbedingungen des Motors arbeitet die Einspritzeinheit gemäß den ausgeglichenen Bedingungen, die durch die Kurven der Fig. 12 und 13 dargestellt sind. Das heißt, nach dem Einspritzen jeder Kraftstoffdosis geht der Kraftstoffdruck im Inneren des Speichers auf das Eigendruckniveau zurück, für das der Speicher ausgelegt wurde. Mit der nächsten Betätigung des Hydraulikdruckverstärkers muß dieses Druckniveau ausgeglichen und etwas überschritten werden, bevor das T-Ventil öffnet und zusätzlichen Kraftstoff aus der Kompressionskammer einläßt.
Während dieser Betriebsbedingung wird eine Kraftstoffdosis, deren Menge anhand ihres Volumens bei einem vorgeschriebenen Druck gewählt wird, aus der Kompressionskammer in den Speicher gebracht. Eine typische Kraftstoffdosis bei atmosphärischem Druck entspricht beispielsweise 30 mm³. Die Menge dieser Kraftstoffdosis ist geringfügig kleiner als die Gesamtkraftstoffmenge, die sich in der Kompressionskammer 150 und dem Zumeßkanal 118b befand, der zwischen der Kammer 150 und dem Rückschlagventil 119 verläuft. Wenn diese vorgegebene Kraftstoffdosis in den Speicher übergeht, kann sie die Gesamtmenge des im Speicher gehaltenden Kraftstoffs um ca. fünf Prozent erhöhen. Dies ist wegen der Komprimierbarkeit des Kraftstoffs möglich. So kann beispielsweise das innere Fassungsvermögen des Speicher 700 mm³ betragen (d. h. 700 · 0,05 = 35 mm³). Da eine Betriebsbedingung, die im hydraulischen Gleichgewicht ist, erreicht ist, wird die Menge der vom Speicher in den Brennraum eingespritzten Kraftstoffdosis nahezu genau gleich sein der Menge, die aus der Kompressionskammer in den Speicher gebracht wurde.
Bei dieser Erfindung ist unbedingt darauf hinzuweisen, daß die Funktion der Zumessung der gewünschten Masse (im Unterschied zum Volumen) der einzuspritzenden Kraftstoffdosis in der Speicherkammer der Einspritzdüse erfolgt. Insbesondere wird die Masse jeder eingespritzten Kraftstoffdosis zugemessen oder bestimmt durch das gewählte feste Volumen der Speicherkammer und durch die (sowie als direkte Funktion von der) Differenz zwischen dem Spitzendruck im Inneren der Speicherdüse und dem Druck, bei dem das Spitzenventil schließt. Obwohl zwischen der Kompressionskammer und dem Speicher (über das T-Ventil) ein geringer Druckabfall auftritt, ist die Masse der eingespritzten Kraftstoffdosis auch direkt abhängig vom Volumen der Speicherkammer sowie der Differenz zwischen dem Spitzendruck in der Kompressionskammer und dem Schließdruck des Düsenspitzenventils (Kraftstoffeinspritz-Schwellendruck) des Speichers. Die Menge des in die Kompressionskammer übertragenen Kraftstoffs ersetzt einfach die zuvor eingespritzte Kraftstoffdosis.
Wenn es gewünscht ist, die Leistung und/oder Drehzahl des Motors zu ändern, müssen bestimmte Regelungseingriffe ausgeführt werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht das bevorzugte Verfahren solcher Verstellungen der Menge der Kraftstoffdosis darin, das Versorgungsdurchniveau zu verstellen. Diese Maßnahme wurde zuvor in Zusammenhang mit dem elektrischen Steuerungssystem 78 und seiner Ausgangsleitung 90 erörtert, über die Signale an den Leitungsdruckregler 15 geschickt werden.
Die Menge der Kraftstoffdosis kann ebenfalls eingestellt werden, indem die Dauer des Zeitintervalls, während dessen der Hydraulikdruckverstärker arbeitet, geändert wird. Das heißt, der Start des Spannungsimpulses 36 kann vorverlegt oder hinausgezögert werden. Im allgemeinen beginnt der Spannungsimpuls um einen deutlichen Anteil des Motorzyklus vor demjenigen Zeitpunkt, in dem die Einspritzung stattfinden soll, und der Druckverstärker baut in mindestens einigen Millisekunden Druck in der Kompressionskammer 150 auf. Siehe Fig. 11, in der eine Kombination aus einer durchgezogenen und einer gestrichelten Linie markiert, daß der Punkt, in dem der Spannungsimpuls 36 beginnt, verstellbar ist. In diesem Zusammenhang ist aus dem besonderen Beispiel gemäß Fig. 12 zu erkennen, daß ein Zeitintervall von etwa 9 ms erforderlich ist, damit die Druckverstärkerkolben ihren maximalen Versatz erreichen, und ein Zeitintervall von etwa 10 ms ist für den Niederdruckkolben erforderlich, um in seine Ausgangsposition zurückzukehren. Der Flüssigkeitsdruck in der Niederdruckkammer 145 bleibt auf einem niedrigen Druck, bis der große Kolben in seine obere Ausgangsposition zurückgekehrt ist; danach fällt der Druck in der Kammer 145 und im gemeinsamen Auslaufkanal 33 auf Null ab. Im Motorzyklus folgt nun eine Totraum oder ein ungenutztes Zeitintervall, während dessen die Funktionen der Einspritzeinheit nicht genutzt werden. Die Verlängerung oder Verkürzung dieses ungenutzten Zeitintervalls bringt außerdem eine entsprechende Verkürzung oder Verlängerung der Zeitspanne mit sich, während der das Magnetventil geöffnet ist. Indem die Verstellung auf diejenige Zeitdauer vorgenommen wird, während der das Magnetventil offen bleibt, kann die daran anschließende Zeitdauer, während der der Hydraulikdruckverstärker arbeiten kann, ihrerseits verlängert oder verkürzt werden, und die Menge der dadurch gebildeten Kraftstoffdosis kann entsprechend eingestellt werden.
Abgesehen von der Verstellung der Kraftstoffdosis durch Verstellen des Niveaus des Leitungsdrucks kann eine hydraulische Regelung auch dadurch verwirklicht werden, daß eine variable Querschnittsverengung in der Kraftstoffrücklaufleitung vorgesehen und das Ausmaß dieser Verengung verstellt wird. Als Alternative können beide Verstellmöglichkeiten gleichzeitig genutzt werden.
Des weiteren können mit Hilfe des Mikroprozessors die Verstellung der Dauer des Spannungsimpulses sowie die Verstellung der die Einspritzeinheit beaufschlagenden Hydraulikdrücke gemeinsam miteinander in unterschiedlichem Ausmaß wie gewünscht eingesetzt werden.

14. OPTIMIERUNG DER MOTORLEISTUNG

Ein inhärentes Merkmal des Kraftstoffversorgungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist, daß die zum Betrieb der Kraftstoffeinspritzdüsen erforderliche Hydraulikleistung über den gesamten Motorzyklus relativ konstant bleibt, so daß der Leistungsspitzenbedarf deutlich geringer ist.
Wie bereits erwähnt, kann der Taktzyklus des elektrischen Steuerungssystems im Leerlauf des Motors geändert werden, so daß er mit einem ganzzahligen Vielfachen der normalen Anzahl von Kurbelwellenumdrehungen übereinstimmt. Damit kann ein modifizierter Betriebszyklus des Motors erzielt werden, mit dem nur halb oder ein Viertel so oft wie im Grundbetriebszyklus eine Kraftstoffdosis eingespritzt wird. Diese Zyklen eignen sich für Betrieb unter Teillastbedingungen. In jeden Motorzylinder wird nur einmal während eines Betriebszyklus eine Kraftstoffdosis eingespritzt.
Diese Betriebsart spart nicht nur Kraftstoff, sondern verringert auch den Ausstoß von Schadstoffen.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist der Einsatz des elektrischen Steuerungssystems zur Steuerung der einzelnen Zylinder in einer voneinander verschiedenen Weise. Das heißt, daß beispielsweise im ersten Zylinder des Motors der Hydraulikdruckverstärker 9 ms eingeschaltet sein kann, während der Hydraulikdruckverstärker des zweiten Zylinders 9½ ms und der des dritten Zylinders nur 8½ ms eingeschaltet sein kann. Dieses Steuerungsverfahren ermöglicht zusätzlich zur primären oder Haupteinstellung der Kraftstoffdosis durch Verstellung des Drucks der gemeinsamen Kraftstoffversorgung die Verwirklichung einer "Feineinstellung". Damit werden eventuelle Differenzen zwischen den Zylindern ausgeglichen, wodurch sie ausgewogen arbeiten können, und der Gesamt-Leistungsgrad sowie die Wirtschaftlichkeit des Motorbetriebs werden verbessert.

15. STEUERUNGSMERKMALE

Die zuvor beschriebenen grundlegenden Kraftstoffsteuerungsverfahren werden für die Durchführung der Motorregelungsfunktionen herangezogen. So verringert z. B. eine Regelung der maximalen Drehzahl die Kraftstofförderung nach jedem der beschriebenen Verfahren als Reaktion auf vom Impulsgenerator generierte Signale und anschließende vom elektronischen Steuerungssystem durchgeführte Operationen. In einer ähnlichen Weise kann der Impulsgenerator gemeinsam mit dem elektronischen Steuerungssystem eine Drehzahlsteuerungs- oder Drehzahlregelungsfunktion wahrnehmen, indem er die Kraftstoffzufuhr zur Erhöhung der Motordrehzahl steigert, oder indem er die Kraftstoffzufuhr zur Verringerung der Motordrehzahl senkt. Auf diese Weise kann eine gewählte Mindestdrehzahl oder jede Drehzahl innerhalb des Motorbetriebsbereichs geregelt werden.
Eine Folge elektronischer Taktsignale wird generiert und einmal pro Motorzyklus wiederholt. Beim Schalten in den Leerlaufmodus wird die durch die Signalfolge beanspruchte Zeit mit einer ganzzahligen Zahl multipliziert, der relative Abstand zwischen den einzelnen Signalen bleibt jedoch erhalten.

16. ALTERNATIVE FORMEN

Hinsichtlich der Einzelheiten der in den Fig. 3 bis einschließlich 10 dargestellten Mechanismen sind zahlreiche Variationen möglich. Des weiteren wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Steuerung des Motorbetriebs für optimale Leistung vorgesehen, das sich möglicherweise nicht auf den in der Fig. 2 schematisch dargestellten spezifischen Typ von Einspritzeinheit stützt.
So kann beispielsweise die Pumpe 12 als Verstellpumpe des Druckausgleichstyps ausgeführt sein, für die der Druckregler 15 nicht erforderlich wäre.
Außerdem besteht Klarheit darüber, daß die Fig. 12 und 13 die Funktionsweise der Erfindung unter einem bestimmten Satz von Bedingungen darstellen und daß sowohl die Betriebsdrehzahl als auch die Auslegungsparameter der Vorrichtung zusammen mit einer entsprechenden Modifikation der Betriebsweise modifiziert werden können.
Die vorliegende Erfindung ist entsprechend den Patentgesetzen sehr detailliert beschrieben, indem mindestens eine ihrer Ausführungsformen vollständig offengelegt wurde. Diese detaillierte Beschreibung hat jedoch nicht die Absicht, die Erfindung in irgendeiner Weise einzugrenzen.

Claims

1. Verfahren zum Einspritzen aufeinanderfolgender, steuerbar veränderlicher Ladungen eines unter Druck stehenden, komprimierbaren Kraftstoffes in die Brennkammer (80, einer Brennkraftmaschine zu wählbaren Zeiten innerhalb des Motortaktes unter Verwendung eines Kraftstoffeinspritzsystems, welches eine akkumulatorartige Einspritzdüse (70) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kraftstoffbehälter (70, 162) mit im wesentlichen festem Volumen zyklisch gefüllt wird über ein Einwegeinlaßventil (60), das von einer mit Druck beaufschlagten Kraftstoffversorgung (16) kommt, und dann durch ein in die Brennkammer (80) führendes Auslaßventil (190) entleert wird, daß das Öffnen und Schließen der beiden Ventile durch den Druckunterschied zwischen dem Behälter und der Kraftstoffversorgung gesteuert wird, und daß die bei jeder Füllung eingespritzte Kraftstoffmenge abhängig ist von dem Volumen des Behälters und dem Druckunterschied des Kraftstoffs in dem Behälter unmittelbar vor und nach dem Einspritzvorgang, umfassend die folgenden Schritte:

an das Einlaßventil (60) der Einspritzdüse (70) wird eine Reihe von Förderdruckimpulsen angelegt, wobei jeder Impuls eine gesteuerte Impulsbreite besitzt und eine Amplitude, die moduliert wird zwischen einem Einlaßdruckpegel, der größer oder gleich ist wie der Kraftstoffdruck, der in dem nächstfolgenden Einspritzzyklus unmittelbar vor der Entleerung in dem Behälter erzeugt werden soll, und einem Auslaßdruckpegel, der um einen festen Betrag geringer ist als der Kraftstoffdruck, der in dem nächstfolgenden Einspritzzyklus unmittelbar nach der Entleerung in dem Behälter noch herrschen soll;

von jedem Förderdruckimpuls wird mindestens entweder die Amplitude oder die Impulsbreite elektronisch gesteuert, um den Druck des Kraftstoffes in dem Behälter der Einspritzdüse unmittelbar vor einem entsprechenden Einspritzvorgang zu bestimmen, und damit die Menge des bei jeder entsprechenden Füllung eingespritzten Kraftstoffes; und

die Phase jedes Förderdruckimpulses wird in bezug auf den Motortakt elektronisch gesteuert, um den Zeitpunkt innerhalb jedes Motortaktes zu bestimmen, an dem jeder Einspritzvorgang beginnt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das System ferner zwei Kraftstoffquellen (16, 20) umfaßt, die jeweils auf den Einlaßdruckpegel bzw. auf den Auslaßdruckpegel mit Druck beaufschlagt sind, und daß die Einspritzdüse ferner ein elektronisch betätigtes Magnetventil (30) umfaßt, das am Einlaß der Einspritzdüse angeordnet ist und sich zwischen zwei Stellungen bewegt und dadurch abwechselnd die Einspritzdüse mit der einen oder mit der anderen Kraftstoffquelle verbindet, und daß der Schritt des Anlegens einer Reihe von Förderdruckimpulsen an das Einlaßventil der Einspritzdüse ferner den folgenden Schritt umfaßt:

Anlegen eines elektrischen Impulses (36) mit einer steuerbaren Impulsbreite und Phase an das Magnetventil, um dieses zwischen seinen zwei Stellungen zu modulieren.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der an das Magnetventil angelegte elektrische Impuls ein Rechteckimpuls ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des elektronischen Steuerns der Impulsbreite von jedem Förderdruckimpuls ferner folgenden Schritt umfaßt:

Steuern der Breite des an das Magnetventil angelegten elektronischen Impulses.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des elektronischen Steuerns der Phase jedes Förderdruckimpulses ferner folgenden Schritt umfaßt:

Steuern der Phase des an das Magnetventil angelegten elektronischen Impulses in bezug auf den Motortakt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßdruckquelle und die Auslaßdruckquelle jeweils auf einem ausgewählten Druckpegel gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß das System ferner einen elektronisch gesteuerten Druckregler aufweist, der mit mindestens einer von der Einlaßdruckquelle und der Auslaßdruckquelle verbunden ist, und daß der Schritt des elektronischen Steuerns der Amplitude von jedem Förderdruckimpuls ferner den folgenden Schritt umfaßt:

Anlegen eines elektrischen Signals an den Druckregler zwischen Einspritzzyklen, und zwar so schnell, daß ein gewünschter Druckpegel von mindestens einer von der Einlaßdruckquelle und der Auslaßdruckquelle erzeugt wird, bevor diese während des nächstfolgenden Einspritzzyklus jeweils mit dem Einspritzdüseneinlaß verbunden werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die bei jeder Füllung eingespritzte Kraftstoffmenge dadurch bestimmt wird, daß man jeweils nur entweder den Einlaßdruckpegel, den Auslaßdruckpegel oder die Breite des entsprechenden Förderdruckimpulses einstellt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die bei jeder Füllung eingespritzte Kraftstoffmenge dadurch bestimmt wird, daß man sowohl die Impulsbreite des entsprechenden Förderdruckimpulses als auch wenigstens einen von dem an das Einlaßventil der Einspritzdüse angelegten Einlaßdruckpegel und dem Auslaßdruckpegel einstellt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, ferner umfassend die folgenden Schritte:

Erfassen von einem oder mehr der Parameter Motorwellendrehzahl und -stellung, Förderdruck, Drosselstellung, Kühlmitteltemperatur und Ladedruck;

Verarbeiten der erfaßten Parameter in einem Mikroprozessor (78) gemäß einem Satz von Motorsteuerbefehlen, die in dem Mikroprozessor enthalten sind, und Herleiten entsprechender elektrischer Steuersignale; und

Anlegen der Steuersignale an das System zur Steuerung der Amplitude, der Impulsbreite und der Phase von jedem Förderdruckimpuls.

10. Vorrichtung zum Einspritzen aufeinanderfolgender, steuerbar veränderlicher Ladungen eines unter Druck stehenden, komprimierbaren Kraftstoffes in die Brennkammer (80) einer Brennkraftmaschine zu wählbaren Zeiten innerhalb des Motortaktes unter Verwendung eines Kraftstoffeinspritzsystems, welches eine akkumulatorartige Einspritzdüse (70) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kraftstoffbehälter (70, 162) mit im wesentlichen festem Volumen zyklisch gefüllt wird über ein Einwegeinlaßventil (60), das von einer mit Druck beaufschlagten Kraftstoffversorgung (16) kommt, und dann durch ein in die Brennkammer führendes Auslaßventil (190) entleert wird, daß das Öffnen und Schließen der beiden Ventile durch den Druckunterschied zwischen dem Behälter und der Kraftstoffversorgung gesteuert wird, und daß die bei jeder Füllung eingespritzte Kraftstoffmenge abhängig ist von dem Volumen des Behälters und dem Druckunterschied des Kraftstoffes in dem Behälter unmittelbar vor und nach dem Einspritzvorgang, umfassend:

eine Einrichtung (16, 30, 50), die eine Reihe von Förderdruckimpulsen an den Einlaß der Einspritzdüse anlegt, wobei jeder Impuls eine gesteuerte Impulsbreite und eine Amplitude besitzt, die moduliert ist zwischen einem Einlaßdruckpegel, der größer oder gleich ist wie der Kraftstoffdruck, der in dem nächstfolgenden Einspritzzyklus unmittelbar vor der Entleerung in dem Behälter erzeugt werden soll, und einem Auslaßdruckpegel, der um einen festen Betrag geringer ist als der Kraftstoffdruck, der in dem nächstfolgenden Einspritzzyklus unmittelbar nach der Entleerung in dem Behälter noch herrschen soll;

eine Einrichtung (78, 90, 91), die mindestens die Amplitude oder die Impulsbreite von jedem Förderdruckimpuls elektronisch steuert, um den Kraftstoffdruck in dem Behälter unmittelbar vor dem jeweiligen Einspritzvorgang zu bestimmen, und damit die Menge des bei der jeweiligen Füllung eingespritzten Kraftstoffes; und

eine Einrichtung (86, 78), die die Phase von jedem Förderdruckimpuls in bezug auf den Motortakt elektronisch steuert, um den Zeitpunkt innerhalb von jedem Motortakt zu bestimmen, an dem jeder Einspritzvorgang beginnt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Anlegen einer Reihe von Förderdruckimpulsen an den Einlaß der Einspritzdüse ferner umfaßt:

zwei Kraftstoffquellen (16, 20), die jeweils entweder auf den Einlaßdruckpegel oder auf den Auslaßdruckpegel mit Druck beaufschlagt sind;

ein elektronisch betätigtes Magnetventil (30), das am Einlaß der Einspritzdüse angeordnet ist und sich zwischen zwei Stellungen bewegt und dadurch abwechselnd den Einlaß der Einspritzdüse mit der einen oder mit der anderen der Kraftstoffquellen verbindet; und

eine Einrichtung (91, 37), die einen elektrischen Impuls mit einer steuerbaren Impulsbreite und Phase an das Magnetventil anlegt, um das Ventil zwischen den zwei Stellungen zu modulieren.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßdruckquelle und die Auslaßdruckquelle jeweils auf einen konstanten Druckpegel gehalten werden, und daß die Einrichtung zum elektronischen Steuern der Amplitude von jedem Förderdruckimpuls ferner umfaßt:

einen elektronisch gesteuerten Druckregler (15), der wenigstens mit einer von der Einlaßdruckquelle und der Auslaßdruckquelle verbunden ist; und

eine Einrichtung (90), die zwischen Einspritzzyklen ein elektrisches Signal an den Druckregler anlegt, und zwar so schnell, daß ein gewünschter Druckpegel von wenigstens einer von der Einlaßdruckquelle und der Auslaßdruckquelle hergestellt wird, bevor diese jeweils während des nächstfolgenden Einspritzzyklus mit dem Einspritzdüseneinlaß verbunden werden.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetventil ferner umfaßt:

ein Zweiwege-, Zweistellungs-, normalerweise offenes, Kugel- Teller-Ventil.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetventil ferner umfaßt:

ein Dreiwege-, Zweistellungs-Schiebeventil.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetventil ferner umfaßt:

ein Dreiwege-, Zweistellungs-, Kugel-Teller-Ventil (30).

16. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetventil ferner umfaßt:

einen Stößel (34a) mit einer ersten Kugel (31a) an einem Ende, der mit der Einlaßdruckquelle (31) verbunden ist, eine Verlängerung (34b), und eine zweite Kugel (32a) am anderen Ende der Verlängerung, die mit der Auslaßdruckquelle (32) verbunden ist, wobei jede der Kugeln so gehalten ist, daß sie eine Hin- und Herbewegung ausführt, um eine Ventilwirkung zu erreichen, und das Einlaßventil der Einspritzdüse liegt zwischen den zwei Kugeln und ist mit beiden von ihnen verbunden.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, ferner umfassend:

eine Einrichtung zum Erfassen von einem oder mehr der Parameter Motorwellendrehzahl und -stellung (86), Förderdruck (83), Drosselstellung (84), Kühlmitteltemperatur (82) und Ladedruck (81);

einen Mikroprozessor (78), der die erfaßten Parameter gemäß einem Satz von Befehlen verarbeitet, die in dem Mikroprozessor enthalten sind, und der in Abhängigkeit davon elektrische Steuersignale erzeugt;

eine Einrichtung (90, 91) die die Steuersignale an das System anlegt, um die Amplitude, die Impulsbreite und die Phase von jedem Förderdruckimpuls zu steuern.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansprechzeit des Systems kleiner oder gleich ist wie die Zeit für einen Motortakt.