DE3507692A1

DE3507692A1 - Einspritzsystem fuer eine dieselbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3507692A1
Application number: DE19853507692
Authority: DE
Inventors: Robert Elgg Hofer
Original assignee: Sulzer AG; Gebrueder Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1985-02-28
Filing date: 1985-03-05
Publication date: 1986-08-28
Also published as: DE3507692C2; US4757794A

Description

P. 5936/Wg/IS

Gebrüder Sulzer, Aktiengesellschaft, Winterthur/Schweiz Einspritzsystem für eine Dieselbrennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft ein Einspritzsystem für eine Dieselbrennkraftmaschine mit mindestens einem hydraulisch zeitgesteuerten Einspritzventil, dessen Ventilnadel mit einem Ventilkolben versehen ist, der auf einer Seite einen dem Ventilsitz des Einspritzventils zugewandten Zylinderraum begrenzt, der seinerseits über eine Steuerleitung mit einem Steuerdruck eines Druckmittels durch eine drehzahlabhängig betätigte Steuerpumpe im Takt beaufschlagt ist, wobei deren Kolben den Steuerdruck in der Steuerleitung erzeugt.

Ein Einspritzsystem der genannten Art ist bekannt aus der DE-PS 12 81 207; in einem derartigen System erzeugt eine Steuerpumpe, vorzugsweise eine Kolbenpumpe, deren Hub durch die Kurbelwelle gesteuert wird, in einer Steuerleitung einen hydraulischen Steuerdruck, durch den die Ventilnadel des Einspritzventils von ihrem Sitz abgehoben und in Offenstellung gehalten wird. In gewissen Grenzen sind dabei der Zeitpunkt der Einspritzung, d.h. ihr Beginn und die Einspritzdauer veränderbar. Die endliche Länge der Steuerleitung bedingt eine endliche Laufzeit des von der Steuerpumpe erzeugten Druckstosses, der sich - infolge der Kompressibilität der Hydraulik-Flüssigkeit bei den mindestens mehrere Hundert bar betragenden Druckänderungen - als "komprimiertes" Volumen fortpflanzt. Dieses Kompressionsvolumen kann dabei ein Mehrfaches des beim Hub der Ventil-

nadel veränderten Hubvolumens betragen. Weiterhin wird bekanntlich ein Druckstoss am Ende einer Leitung reflektiert und läuft in der Leitung wieder zurück. In dem hydraulischen System entstehen auf diese Weise Druckwellen, die als Störungen in der Signalübertragung des hydraulischen Steuersystems in Erscheinung treten; ihre Laufzeit ist im allgemeinen kleiner als die Einspritzdauer. Der Steuerkolben muss daher eine längere Zeit fördern als der Laufzeit der Druckwelle für einen Hin- und Rückweg in der Steuerleitung entspricht. Dadurch können besonders am Ende der Steuerleitung Drücke entstehen, die etwa dem 2-fachen des für einen Hub der Ventilnadel benötigten Steuerdrucks entsprechen, was aus Materialgründen unerwünscht ist. Ferner ist der von dem Kolben der Steuerpumpe erzeugte Druck proportional der Drehzahl der Brennkraftmaschine' (Stosswellentheorie); dies kann dszu

führen
/dass bei niedrigen Drehzahlen der für einen Hub der Ventil- _; nadel benötigte Steuerdruck noch nicht beim ersten, sondern

erst beim zweiten üruckstoss erreicht wird, was *■

zu ünstetigkeiten im Betrieb des Motors führt.

Es hat sich nun gezeigt, dass die Unstetigkeiten und Druckschwankungen in der Steuerleitung eliminiert werden können, wenn der vom Steuerkolben erzeugte Volumenstrom des "Kompressionsvolumens" mindestens nahezu innerhalb der Druckwellen-Laufzeit von Null aufeinen bestimmten Wert erhöht und dann konstant gehalten wird, wodurch ein linearer Druckanstieg in der Steuerleitung erzwungen wird. Der einfachste Weg dafür besteht in einer variablen Geschwindigkeit des Steuerkolbens während der "Aufbau"-Phase des Volumenstroms. Dieser Weg lässt sich im vorliegenden Fall nicht beschreiten, da für einen variablen Beginn der Einspritzung eine konstante Geschwindigkeit des Steuerkolbens während des steuernden Hubes erforderlich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, die geschilderten Druckschwankungen und Unstetigkeiten im Druckverlauf in der Steuerleitung zu eliminieren, ohne dass die Geschwindigkeit des Steuerkolbens während des Kompressionshubes für das Steuermittel verändert werden muss. Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch -gelöst, dass zu Beginn des den Steuerdruck erzeugenden Kolbenhubes

für eine teilweise Rückführung des Druckmittels ein

Bypass-Strömungsweg offensteht, dessen Querschnitt sich mit fortschreitendem Kolbenhub stetig verrinaert.

Zu Beginn des Steuerhubes fliesst praktisch das ganze vom Steuerkolben verdrängte Volumen über den Bypass-Strömungsweg ab;bei Hullbeginnend setzt dann mit fortschreitendem Hub des Steuerkolbens und damit einer kontinuierlichen Verkleinerung des Oeffnungsquerschnitts im Bypass-Strömungsweg ein Druckanstieg in der Steuerleitung ein, der ebenfalls kontinuierlich verläuft. Dieser Druckanstieg setzt sich kontinuierlich fort bis der gewünschte Steuerdruck erreicht ist. Durch einen steuernden Eingriff erfolgt dann in der Steuerpumpe eine Entlastung, während mindestens der minimal notwendige Steuerdruck in der Steuerleitung bis zum Ende der Einspritzdauer aufrechterhalten wird. Sobald der Bypass-Strömungsweg geschlossen ist, erfolgt dieser Druckanstieg unabhängig von der Drehzahldes Motors annähernd proportional (stosswellen-

/Kurbeiwinkel^er Brennkraftmaschine, also annähernd proportional zum vom Steuerkoiben zurückgelegten Weg.

Der Bypass-Strömungsweg wird mit Vorteil realisiert durch mindestens eine Rücklaufnut auf dem Umfang des freien Endes des Steuerkolbens. Aus Symmetrie- und Gleichgewichtsgründen ist es dabei vorteilhaft, wenn zwei einander diametral gegenüberliegende Rücklaufnuten vorgesehen sind. Weiterhin

ist es für einen linearen Druckanstieg zweckmässig, wenn der Querschnitt des Bypass-Strömungsweges sich mindestens annähernd parabelförmig verringert; diese Forderung kann zweckmässigerweise dadurch verwirklicht werden, dass die Rücklaufnuten des Steuerkolbens V-förmig ausgebildet sind.

Die Zeitdauer, während der der Bypass-Strömungsweg geöffnet ist, bestimmt sich durch die Länge der Steuerleitung. Während dieser Zeit muss der notwendige Steuerdruck einmal hin und zurück die Steuerleitung durchwandert haben.

Diese Laufzeit ist bekanntlich eine aus der Länge der Steuerleitung, der Schallgeschwindigkeit in dem Druckmittel sowie dessen Dichte berechenbare Grosse. Aus dieser Zeitforderung erhält man eine Bedingung für in Hubrichtung des Steuerkolbens zulässige Länge der Rücklaufnuten. Diese können dabei Werte zwischen 1/5 und 3/4 des Kolbenhubes annehmen.

Nach Erreichen des für eine Ventilöffnung notwendigen Steuerdrucks einschliesslich eines Sicherheitszuschlags, wird der Zylinderraum des Steuerkolbens durch eine Entlastungsverbindung zur .Niederdruckseite der Steuerpumpe entlastet. Die Steuerdruckleitung wird gleichzeitig durch ein Rückschlagventil verschlossen und so auf Druck gehalten. Sie wirkt dabei als Druckspeicher und deckt dadurch die Leckverluste an Nadel und Entlastungsschieber.

Der Steuerdruck muss jedoch bis zum Ende der Einspritzung erhalten bleiben; er ist daher so hoch zu wählen, dass auch für die längste Einspritzdauer die Leckverluste nicht ein Schliessen der Ventilnadel bewirken können. Ohne diese Zylinderraumentlastung würde der Steuerdruck auf unzulässig hohe Werte ansteigen. Die Einspritzzeit wird durch einen Entlastungsschieber in der Steuerleitung beendet.

Selbstverständlich ist es auch möglich, statt V-förmigen Rücklaufnuten solche mit parallelen Seitenwänden - und vorteilhafterweise dann einem parabelförmigen "Boden" oder solche vorzusehen, die beispielsweise eine zylinderförmige Ausnehmung am freien Kolbenende bilden. Weiterhin ist es denkbar, die Rücklaufnuten in der Zylinderwand des den Steuerkolben umgebenden Zylinders anzuordnen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.

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Fig. 1 zeigt schematisch ein Einspritzsystem mit einem hydraulischen Steuerkreislauf, in dem eine erfindungsgemäss ausgebildete Steuerpumpe vorgesehen ist; Fig. 2 ist der Schnitt II-II von Fig. 1;

Fig. 3 gibt eine Abwicklung des Zylinders und des Kolbens der Steuerpumpe wieder.

Ein in Fig. 1 im Schnitt dargestelltes Einspritzventil 1 einer Dieselbrennkraftmaschine wird über eine Zuführleitung in einem nur teilweise dargestellten Gehäuseteil 4 mit Brennstoff versorgt. Die Leitung 3 steht dabei mit einer ebenfalls nicht gezeigten Brennstoffpumpe und/oder mit einem Brennstoffspeicher in Verbindung, die den Brennstoff mit dem erforderlichen Druck von beispielsweise 10 bar liefern.

In der zentralen Längsachse des Gehäuseteils 4, der Einspritzdüsen 5 enthält, ist vor den Düsenöffnungen 5 ein Ventilsitz 7 angeordnet, der mit einer an ihn angepassten Ventilnadel 8 zusammenwirkt. Die Ventilnadel 8 ist in einer Bohrung dicht geführt, an die sich ein Zylinderraum 10 anschliesst. In diesem ist ein mit der Ventilnadel 8 fest verbundener Ventilkolben 11 vorhanden. In den Zylinderraum 10 mündet weiterhin eine Steuerleitung 6 eines mit einem hydraulischen Druckmittel gefüllten Steuerkreislaufes, der später ausführlich beschrieben wird. Ueber die Steuerleitung 6 wird dem Zylinderraum 10 der Steuerdruck zugeführt, durch den eine Einspritzung von Brennstoff ausgelöst und aufrechterhalten wird.

Ausgehend von einem Vorratsbehälter für ein hydraulisches Druckmittel enthält der hydraulische Steuerkreislauf eine

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Niederdruckpumpe 13, deren Förderdruck durch eine mit einem Regelorgan 14 versehene Leitung 15 geregelt wird. Die Pumpe 13 fördert in einen Speicherbehälter 16; aus ihrer Druckleitung 17 zweigen zwei Leitungen 18 und 19 ab, die zu Steueröffnungen 20 und 21 im Zylinder-, mantel 3 9 einer Kolben- oder Steuerpumpe 22 führen, während eine Rückführleitung 23 für das Druckmittel einen in der Steuerleitung 6 vorgesehenen Entlastungsschieber 24 an den Speicher 16 bzw. die Druckleitung anschliesst. Die Steuerleitung 6, die neben dem Entlastungsschieber 24 ein Rückschlagorgan 25 enthält, verbindet den Druckraum der Steuerpumpe 22 mit dem Zylinderraum 10 des Einspritzventils 1.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel bestehen die erfindungsgemässen Bypass-Strömungswege in Nuten 26 am freien Ende des Kolbens 27 der Steuerpumpe 22; wie Fig. 2 zeigt, sind zwei einander diametral gegenüberliegende Nuten 26 vorgesehen, so dass sich sowohl bei den Steueröffnungen 20 und 21 im Zylindermantel 3 9 als auch bei den Nuten 26 ein symmetrischer Aufbau ergibt. Dieser bringt den Vorteil, dass die hydraulischen Kräfte in radialer Richtung ausgeglichen sind, womit ein Klemmen des Kolbens 27 verhindert wird.

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Darüberhinaus enthält der Kolben 27 eine Längsbohrung 28, die in einer Querbohrung 29 endet. Die Bohrungen 28 und ermöglichen im Zusammenwirken mit den Steueröffnungen 21 und der Leitung 19 eine Entlastung des Zylinderraums der Pumpe 22 nach Erreichen des geforderten Steuerdrucks, wodurch - wie bereits erwähnt - ein Ansteigen des Druckes auf unzulässig hohe Werte verhindert wird.

Entlastungsschieber 24 und Steuerpumpe 22 werden primär gesteuert durch eine Nockenwelle 30, die mit der Kurbelwelle des Motors gekoppelt ist. In bekannter Weise ist der Kolben 2 7 dabei drehbar,um den Einspritzbeginn in Abhängigkeit vom nicht gezeigten Reglers des Motors, beispielsweise mit Hilfe einer Zahnstange 31 und eines Ritzels 32, verändern zu können. Diese Aenderungen des Einspritzbeginns können dabei von der Last oder der Drehzahl des Motors und/oder vom Einspritzdruck beeinflusst werden.

Der mit dem Hub der Steuerpumpe 22 gekoppelte Hub des Entlastungsschiebers 24, durch den das Einspritzende, also die Einspritzdauer bestimmt wird, ist über ein Gestänge 33 ebenfalls mit dem Motorregler verbunden und kann daher von den gleichen Grossen beeinflusst werden wie der Einspritzbeginn.

Diese Steuerung des Einspritzvorgangs, seines Beginns und seiner Dauer ist an sich bekannt und beispielsweise beschrieben in DE-PS 17 51 200.

Anhand der Darstellung der Fig. 3, die je eine Abwicklung des Zylindermantels 3 9 (ausgezogene Linien) und des Kolbenmantels (strichpunktierte Linien) der Steuerpumpe 22 darstellt, sei nun die Wirkungsweise der Erfindung erläutert.

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Bei einem - mindestens im Steuerbereich mit konstanter Geschwindigkeit erfolgenden - Hub des Kolbens 27 setzt bei bekannten Einspritzsystemen der Volumenstrom schlagartig ein, sobald die Kolbenoberkante 35 die Steuerkanten 36 der Steueröffnungen 20 verschliesst, was infolge des plötzlichen Druckstosses zu den eingangs erwähnten Druckwellen in der Steuerleitung 6 führt. Bei der vorliegenden Erfindung führen die Nuten 26 zunächst das ganze vom Kolben 27 verdrängte Druckmittel-Volumen praktisch vollständig in die Steueröffnung 20 zurück; erst mit weiterem Fortschreiten des Kolbens 27 - und damit mit Kleinerwerden des Oeffnungsquerschnitts 37 der Nuten 26, dessen Aenderung in Hubrichtung mit Vorteil etwa nach einer Parabel erfolgt - setzt bei i^ull beginnend stetig und weitgehend linear ein Volumenstrom ein, der seinen Endwert erreicht, wenn die Spitze der Nut 26 die Kante 36 überschreiten. Von diesem Augenblick an erfolgt die weitere Druckerhöhung bei konstantem Volumenstrom annähernd proportional mit dem Fortschreiten des Kolbenhubes.

Diese Druckerhöhung setzt sich fort bis die Oeffnungen 29 die unteren Steuerkanten 38 der Steueröffnungen 21 überschreiten. Nunmehr ist über die Längsbohrung 28 (Fig. 1 und 2) und die Querbohrungen 29 ein Rückschluss des Druckmittels aus dem Zylinderraum der Pumpe 22 in die Leitung 17 geöffnet, wodurch der Steuerdruck auf einen zulässigen Wert begrenzt wird. Wie bereits erwähnt, schliesst bei Entlastung des Zylinderraums das Rückschlagventil 25 und hält den Steuerdruck in der Steuerleitung 6 solange aufrecht, bis der Entlastungsschieber 27 öffnet.

In der Darstellung der Fig. 3 manifestiert sich eine Aenderung des Einspritzbeginns in einer horizontalen Relativverschiebung der Nuten 26 zu den Steuerkanten 36, wobei

eine Vorverlegung des Einspritzbeginns einer Verschiebung der Nut 26 nach links entspricht und umgekehrt.

Claims

Patentansprüche

j l/ Einspritzsystem für eine Dieselbrennkraftmaschine mit mindestens eine hydraulisch zeitgesteuerten Einspritzventil, dessen Ventilnadel mit einem Ventilkolben versehen ist, der auf einer Seite einen dem Ventilsitz des Einspritzventils zugewandten Zylinderraum begrenzt, der seinerseits über eine Steuerleitung mit einem Steuerdruck eines Druckmittels durch eine drehzahlabhängig betätigte Steuerpumpe im Takt beaufschlagt ist, wobei deren Kolben den Steuerdruck in der Steuerleitung erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn des den Steuerdruck erzeugenden Kolbenhubes für eine teilweise Rückführung des Druckmittels ein Bypass-Strömungsweg (26) offensteht, dessen Querschnitt sich mit fortschrei- tendem Kolbenhub stetig verringert.
2. Einspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, * dass der Bypass-Strömungsweg in mindestens einer Rücklauf- ι nut (26) auf dem Umfang des freien Kolbenendes (35) besteht.
3. Einspritzsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei einander diametral gegenüberliegende Rücklaufnuten (26) vorgesehen sind.
4. Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Oeffnungsquerschnitt der Nut sich vom Kolbenende (3 5) aus mindestens annähernd parabelförmig verringert.
5. Einspritzsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rücklaufnuten (26) V-förmig ausgebildet sind.
6. Einspritzsystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutlänge etwa 1/5 bis 3/4 des Kolbenhubes beträgt.