DE3802161A1

DE3802161A1 - Dieseleinspritzung durch elektrohydraulisch betriebene zylinderfoermige schieber

Info

Publication number: DE3802161A1
Application number: DE19883802161
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: ZIESCHE GEB KEISER ELISABETH
Current assignee: ZIESCHE GEB KEISER ELISABETH
Priority date: 1988-01-26
Filing date: 1988-01-26
Publication date: 1989-07-27

Description

In Folgendem ist die Anwendungsmöglichkeit beschrieben, bei welcher die gesamte Einspritzmenge eines Arbeitsspieles für einen Zylinder sich aus mehreren sehr kleinen "digital" ge nannten Einspritzmengen etwa von der Größe der Voreinspritz menge zusammensetzt.

Die hydraulische Energie für die Einspritzung des Kraft stoffes in den Motorzylinder wird aus einem Druckspeicher für Kraftstoff mit einem stationären Druck von einigen hun dert bar bezogen. Der Einspritzdruck kann aber, abhängig von Motorparametern, im Betrieb veränderlich sein.

Der Speicherdruck tritt bei Leitung 7 (Fig. 1) ein und wird elektrisch, d. h. elektromagnetisch oder piezoelektrisch betätigt durch die Ventile 3 und 4 auf die zwei Seiten des einspritzenden Schiebers 9 gesteuert, so daß dieser bei sei ner Hin- und Herbewegung jeweils eine genau abgemessene Ein spritzmenge zum Einspritzventil 24 befördert. Diese Funktion wird ermöglicht durch die vier Ventile 10, 11, 12 und 13 des Schiebers 9, 10 und 11 sind Einlaßventile, 12 und 13 Auslaß ventile. Diese letzteren müssen zeitweise auch in ihrem Öffnungssinn geschlossen bleiben, damit der Schieber 9 seine Funktion erfüllen kann. Daher werden die Ventile 12 und 13 zeitweise durch die Zusatzkolben 22 und 23 gesperrt.

Dies wird an Hand von Fig. 1 im einzelnen erläutert: Das Ventil 3 des elektrischen Gliedes 2 (Elektromagnet oder pie zoelektrisch betätigt) leitet den Speicherdruck aus Leitung 7 über Puffer 19 zur Leitung 31 und zum Einlaßventil 10 unter die untere Stirnfläche des Schiebers 9 und treibt dadurch den Schieber nach oben. Damit der Speicherdruck aus Leitung 7 nicht über das Auslaßventil 13 ohne Bemessung der Einspritz menge durch den Schieber 9 zum Einspritzventil 24 entweichen kann, muß jedoch das Auslaßventil 13 geschlossen bleiben. Dies geschieht durch den Kolben 23, welcher über Leitung 26 unter dem Speicherdruck aus Leitung 7 steht und dadurch das Auslaß ventil 13 geschlossen hält, so daß der Speicherkraftstoff aus Leitung 7 bestimmungsgemäß den Schieber 9 nach oben be wegt. Kolben 23 drückt also mit seinem Schaft auf die Ventil kugel 13 und verschließt diese. Die Rückseite des Kolbens 23 (ebenso wie die des Kolbens 22) muß stets Nulldruck haben, sonst würde der Einspritzdruck in der Zuleitung zum Einspritz ventil während der Einspritzung auf die Rückseite des Kolbens 23 wirken und so die Anpressung der Kugel 13 aufheben. Der Schaft des Kolbens muß daher beim Durchtritt zur Einspritz leitung abgedichtet werden (das Gleiche gilt für Kolben 22).

Das Kraftstoffvolumen einer Einzeleinspritzmenge wird also durch Ventil 12 zum Einspritzventil 24 gefördert. Der Kolben 22 schließt zu diesem Zeitpunkt das Auslaßventil 12 nicht, weil die Leitung 25 über Leitung 30 in Verbindung mit der Abflußleitung 8 steht und somit Nulldruck hat.

Das Ende der digitalen Einzeleinspritzung ist dann gegeben, wenn der Schieber 9 am oberen Anschlag ankommt und mit seiner Nase in das eng angepaßte Rohr 33 eintaucht, wo er ohne mecha nische Berührung hydraulisch gebremst seine Förderung beendet.

Schließt das Ventil 3, so tritt kurzzeitig eine Entlastung des Einspritzdruckes in Einspritzleitung und Einspritzventil 24 auf, weil sich die Stange des Kolbens 23 von der Ventilkugel 13 zurückzieht und das Kraftstoffvolumen bis zur Einspritzdüse 24 entlastet wird. Hierdurch ist ein abrupter Einspritzschluß nach jeder Einzeleinspritzung gegeben, was Nachtropfen vermei det und der Rußfreiheit dient.

Als Einspritzventil ist in Fig. 1 eine nach außen öffnende Düse gezeichnet, weil sie den Vorteil sehr kleiner Massen hat und dadurch der hohen Frequenz der digitalen Einzeleinspritzun gen gut folgen kann. Da der Zulaufdruck mehrere hundert bar be trägt, ist eine Druckbildung durch das Einspritzventil hier nicht notwendig. Andererseits würde eine Nadeldüse ein sehr kleines Volumen im Düsenvorraum ergeben, was wiederum für den Einspritz schluß günstig wäre. Die günstigste Düsenkonstruktion kann wohl nur der Versuch ergeben.

In Fig. 2 ist statt der in Fig. 1 gezeichneten Magnetventile 1 und 2 eine piezoelektrische Betätigung dargestellt. Die Piezokeramik 34 dehnt sich, aus Leitung 35 gespeist, durch eine hohe Steuerspannung um sehr kleine Werte aus (ca. 0,05 mm). Die Steuerspannung von 3000 Volt, aus Leitung 35 gespeist, ist jedoch klein gegenüber der Zündspannung im Ottomotor. Um einen zur Betätigung des Ventiles 38 genügend großen Hub zu erhalten, ist eine hydraulische Übersetzung vorgesehen, bestehend aus einer starren Platte 36, welche dichtend verbunden ist mit einem elastischen Kunststoffkörper 37, welcher allseitig engstens umschlossen ist und eine weitgehend inkompressible Flüssigkeit enthält. Eine weitere Möglichkeit, siehe Fig. 3, be steht darin, daß die dichtend zugeschweißte Kunststoffhülse mit der eingeschlossenen Flüssigkeit 92 durch die gegeneinander be weglichen Stahlkappen 90 und 91 vorgespannt und so eng umschlos sen ist, daß sich bei Ausdehnung der Piezokeramik 34 durch die hohe Spannung aus 35 trotz geringen Hubs von 34 ein Hub von einigen Zehnteln mm am Ventil 38 ergibt. Die Schaltgeschwin digkeit der Piezokeramik ist ca. hundertfach größer als die eines Magnetventiles. Ein Teil dieser Geschwindigkeit wird al lerdings durch die Elastizität der Übersetzung verloren gehen. Wenn jedoch nur die zehnfache Geschwindigkeit gegenüber dem Mag neten erreicht wird, so würde die Schaltgeschwindigkeit Frequen zen erlauben, welche auch bei höchsten Drehzahlen die Verwendung von kleinsten digitalen Einspritzmengen anwendbar macht.

Für beide Arten von elektrohydraulischen Stellmotoren gilt, daß man bestrebt sein muß, die abfließende elektrische Energie nach Beendigung der Betätigung z. B. in Kondensatoren so weit als möglich zurückzugewinnen, wodurch sie dann bei der nächsten Betätigung verwendet werden kann.

Fig. 4: Bei der sehr hohen Frequenz der digitalen Einzelein spritzungen müssen die Schaltventile des Schiebers 9 möglichst massearm sein und geringe Toträume ergeben, um für die Druck wellen zum Ein- und Ausschalten der Ventile 3 und 4 zum Betäti gen des Schiebers 9 steile Fronten und Enden zu ergeben. Diese Eigenschaften hat das in Fig. 4 gezeigte Ventil, welches aus einer Metallzunge 39 besteht, die an einem Ende befestigt ist, während der andere Teil der Zunge sich bei Überdruck dichtend anlegt, aber durch Überdruck von der entgegengesetz ten Seite öffnet, wodurch fast kein zusätzlicher Strömungs widerstand bei richtiger Konstruktion entsteht (Werkstoff: Titan).

Der Kolben 42 hat die schon oben geschilderte Funktion der Kolben 22 und 23 in den Kugelventilen 12 und 13, d. h. er hält das Ventil 39 geschlossen, wenn dieses auf der druckbe aufschlagten Seite des Schwingkolbens 9 liegt. Wie die Schäf te der Kolben 22 und 23 gegen die Einspritzleitung 41 abge dichtet sind, ist dies auch beim Schaft des Kolbens 42 der Fall, damit der Druck der Einspritzleitung nicht auf die Rückseite des Kolbens 42 kommen und die Anpressung der Zunge 39 aufheben kann. Der Schaft des Kolbens 42 ist also zur Ein spritzleitung 41 hin abgedichtet. Durch Dimensionierung des Durchmessers des Schaftes des Kolbens 42 kann ferner der Grad der Entlastung der Leitung zum Einspritzventil hin bei Spritz ende bestimmt werden. Den Durchmesser des Schaftes des Kolbens 42 und seinen Hub bestimmt somit das Entlastungsvolumen. Der Durchmesser des Kolbens 42 muß so dimensioniert werden, daß seine Anpreßkraft zum zuverlässigen Abdichten der Zunge 39 ge nügt.

In den Fig. 5-13 sind die Einspritzverläufe bei verschiedenen Motorzuständen gezeigt, wie sie bei einer Benutzung kleinster "digitaler" Einzeleinspritzmengen entsprechend der Konstruktion von Fig. 1 auftreten. Die kleinste vorkommende Einzeleinspritz menge ist bekanntlich die Voreinspritzmenge. Daher bestehen die Diagramme 5-13 aus einer Vielzahl von Voreinspritzmengen.

Fig. 5: Zeigt den Leerlauf bei niedriger Drehzahl: Die gesamte Einspritzmenge bei Leerlauf besteht erfahrungsgemäß bei Fahr zeugdieseln aus dem ca. Dreifachen der Voreinspritzmenge, also dem Dreifachen unserer digitalen Einzeleinspritzmenge. Ist die wirkliche Leerlaufeinspritzmenge durch wechselnde Ölviskosität oder Öltemperatur etwas wechselnd, so wechselt die elektronische Regelung der einzelnen Motorzylinder zwischen zwei und vier Einzeleinspritzmengen, wobei der zeitliche Mittelwert der benötigten Leerlaufeinspritzmenge entspricht.

Fig. 6: Bei Vollast setzt sich die gesamte Einspritzmenge er fahrungsgemäß aus ca. zehn digitalen Einzeleinspritzmengen zu sammen.

Fig. 7 und 8: Da der Spritzwinkel (α) erfahrungsgemäß in Kurbelwinkelgeraden trotz wechselnder Drehzahlen in etwa kon stant sein muß, ist wegen des Zusammenhanges von Spritzzeit (t) und Spritzwinkel (α):

(n ist die Motordreh zahl) bei 4,5facher Höchstdrehzahl gegenüber der Mindestdreh zahl die Frequenz der digitalen Einzeleinspritzungen 4,5mal so hoch wie bei kleiner Drehzahl (Fig. 6).

Es muß daher später geprüft werden, bis zu welcher Drehzahl das Auseinanderziehen des Einspritzvorganges durch die Einzel einspritzungen der Verbesserung des Einspritzverlaufes dient.

Fig. 9 und 10: Voreinspritzung. Die digitale Einzeleinspritzmen ge wurde bekanntlich konstruktiv der Voreinspritzmenge gleichge setzt. Daher bestehen die Einspritzverläufe für Vollast bei Voreinspritzung aus einer Einzeleinspritzmenge, auf welche neun weitere Einzeleinspritzmengen folgen: Fig. 9 zeigt Voll ast bei kleiner Drehzahl und Voreinspritzung.

Fig. 10: Zeigt Vollast und hohe Drehzahl. Die bei Aufrechterhal tung der digitalen Einzeleinspritzmengen notwendige hohe Fre quenz der Einzeleinspritzungen wurde schon in der Besprechung des Diagrammes zu Fig. 8, 9 und 10 erläutert.

Daß der Zeitabstand zwischen Vor- und Haupteinspritzung fast unabhängig von der Drehzahl ist, erklärt sich daraus, daß die Zeit vom Spritzbeginn der Voreinspritzmenge bis zur Entwicklung der Flamme im Brennraum, in welche die Haupteinspritzung erfolgt, in etwa konstant ist, d. h. fast unabhängig von der Drehzahl.

Fig. 11: Zeigt das maximale Drehmoment bei ca. 60% der maxima len Drehzahl und bei Voreinspritzung. Der Zeitabstand Voreinsprit zung - Haupteinspritzung ist wieder in etwa konstant. Das Dreh moment des Motors ist gegenüber dem bei maximaler Leistung um 30% erhöht, d. h. 30% größere Einspritzmenge.

Eine automatische Regelung für optimale Voreinspritzung ist mit einem elektronischen Regler relativ einfach lösbar, indem das Klopfgeräusch im Zylinder durch Mikrofon gemessen und der Abstand Voreinspritzung - Haupteinspritzung vom Regler variiert wird, bis das Geräuschminimum erreicht ist. Auf diese Weise können Unterschiede durch verschiedene Kraftstoffsorten oder zwischen kaltem und warmem Motor auf einfache Weise ausgegli chen werden.

Fig. 12: Startfüllung bei kaltem Motor: Der elektronische Reg ler fühlt die Kühlwassertemperatur ab und entscheidet hiernach, wieviele Gruppen von (z. B. 5) Einzeleinspritzmengen einge spritzt werden, bzw. wie groß der Einspritzdruck sein muß, da mit das Klopfgeräusch ein Minimum wird. Die zweite Gruppe soll te z. B. erst nach einer Pause eingespritzt werden, d. h. wenn der Kraftstoff der ersten Gruppe gezündet hat. Auch hier sollte eine Regelung den Abstand zweier Einspritzgruppen, also entspre chend dem Minimum an Zündgeräusch und Rauch, variieren. Diese Möglichkeit wird später genauer beschrieben.

Bei Kaltstart und bei sehr großer Kälte muß der Speicherdruck er höht werden dann, wenn beim Kaltstart kein Zündgeräusch festgestellt bzw. keine Beschleunigung des Motors gemessen wird. Eventuell muß hiernach eine dritte Gruppe von Einzeleinspritz mengen zugefügt werden.

Fig. 13: Bei warmem Motor, d. h. entsprechend der Kühlwasser temperatur, wird die Startmenge vom Regler aus auf eine etwas vergrößerte Leerlaufeinspritzmenge reduziert, um den Startrauch zu vermeiden.

Ersatz der Ventilsteuerung für den einspritzenden Schieber 44 in Fig. 14 durch steuernde Schieber 45 und 46:

Diese Anordnung hat neben der konstruktiven Vereinfachung den Vorteil, daß die Toträume und Leitungslängen zwischen Schieber 44 und Einspritzventil 24 kleiner werden, wodurch die Anordnung: Einspritzender Schieber 44 - Einspritzventil 24 die Verhältnisse einer Pumpe - Düse erhält.

Funktion der Schiebersteuerung: Ventil 3 läßt den Speicherdruck aus Leitung 7 über Leitung 31 unter die Schieber 45 und 46 treten, wodurch sich beide Schieber an den oberen Anschlag bewegen, wobei Kanal 58 den Weg zum unteren Teil des Schiebers 44 freigibt, während Schieber 46 den Abfluß zur Einspritz düse 24 versperrt. Der obere Einlaßkanal 30 bzw. 55 hat je doch den oberen Teil des Schiebers 45 gesperrt, der Abfluß kanal 55 ist durch Schieber 46 geöffnet, wodurch der Kraft stoff zur Düse 24 fließen kann und die Einspritzmenge aus dem Hub des Schiebers 44 eingespritzt wird.

Für die nächste Einspritzung schalten die Magnete 1 und 2 um, d. h. das Ventil 3 verbindet über Leitung 31 die Unterseiten der Schieber 45 und 46 auf Nulldruck, während ihre Oberseite über Ventil 4 und die Leitung 30 die Schieber 45 und 46 nach unten bewegt. Die Oberseite des einspritzenden Schiebers 44 er hält Speicherdruck, und seine Unterseite kann zur Einspritzdüse 24 fördern, d. h. die nächste Einzeleinspritzung erfolgt.

Nachdem hier die Auslaßventile entfallen mit ihrer entlasten den Wirkung, ist es zweckmäßig, getrennte Entlastungsventile (Fig. 15 und 16) vorzusehen.

In Fig. 15 ist eine Ventilkugel vorgesehen, bei welcher h den Hub der Kugel 48 bis zum Austreten des Radius' das Entlastungs volumen darstellt. Wegen der Kleinheit der Toträume und der ge ringen Entfernung Einspritzschieber - Einspritzdüse wird hier mit einem sehr kleinen Entlastungsvolumen gerechnet. Spiralfeder 49 und Federteller 50 pressen die Kugel nach der Einspritzung in den Sitz zurück.

Noch einfachere Bauart mit noch weniger Toträumen ergibt sich bei der Konstruktion nach Fig. 16. Die Feder ist hier eine Blatt feder 51.

Bei dem Zusammenspiel der beiden Magnete 1 und 2 kann der zwei te Magnet schon magnetisiert werden, bevor die Magnetkraft des ersten Magneten abgeklungen ist, da es einige Zeit beansprucht, bis die Magnetisierung des zweiten Magneten eine Magnetkraft ent wickelt. Hierdurch kann die mögliche Frequenz der Einzeleinspritz mengen gesteigert werden. Eine weitere Möglichkeit der Frequenz steigerung liegt in der Konstruktion der steuernden Schieber durch Änderungen, wie in Folgendem beschrieben:

Fig. 17: Steuernde Schieber mit Ringkanälen und ohne hydraulische Seitenkräfte. Bei den hier verwendeten Schiebern 58 und 59 werden jeweils zwei Ringkanäle, einer im Schieber und einer im Gehäuse, freigegeben, wodurch sich bei gleichem Schieberdurchmesser und bei voller Öffnung ein sechsfach größerer Durchtrittsquerschnitt ergibt. Es treten keine Seitenkräfte auf, so daß ein Klemmen der Schieber hierdurch nicht auftreten kann. Durch den kleineren Hub ist die mögliche Frequenz bei der Bauart nach Fig. 17 höher, und der Schieber kann platzsparender gebaut werden.

Wirkungsweise von Fig. 17: Der Speicherdruck kommt, durch Magnet 2 eingeschaltet, aus Kanal 7 über Ventil 3 in Kanal 31, greift unter die Schieber 58 und 59 und preßt beide an den oberen An schlag. Schieber 44 sitzt vom vorigen Arbeitsspiel her noch am unteren Anschlag. Die Schulter 64 des Schiebers 58 versperrt den oberen Hinterstich 65 im Gehäuse, so daß nur der Auslaß zum Einspritzventil 24 über die Hinterstiche 66 und 67 geöffnet ist. Durch den Speicherdruck aus 61 bewegt sich dann Schieber 44 nach oben und fördert eine digitale Einspritzmenge zum Einspritzventil 24. Die Entlastungsventile entsprechend Fig. 15 und 16 sind hier nicht gezeichnet.

Die anderen Funktionen des Schiebers 44 bei der Bewegung nach un ten sind hier nicht besonders dargestellt, nachdem sie schon in der Besprechung von Fig. 14 erläutert wurden.

Die Zahl der Einzeleinspritzmengen bestimmt der elektronische Reg ler und damit auch die Einspritzmenge für ein Arbeitsspiel, wie dies schon in den Diagrammen 5-13 dargestellt ist.

Es wurde schon erwähnt, daß die Vorteile der Unterteilung des Ein spritzvorganges durch digitale Einspritzmengen besonders bei niedrigen und mittleren Drehzahlen hervortreten. Bei hohen Dreh zahlen ist dagegen meist ein kurzer Spritzwinkel erwünscht.

Die Funktionen der Anordnungen nach Fig. 14 und 17 wurden schon besprochen, wobei durch die beiden Magnete 1 und 2 mit den Ventilen 3 und 4 die digitale Einspritzung entsprechend Dia gramm 19 entsteht. Für hohe Drehzahlen soll nun die gleiche Einspritzmenge entsprechend Diagramm in Fig. 20 einschließ lich Voreinspritzung als Zweifacheinspritzung eingebracht werden, d. h. es erfolgt wie bisher die Voreinspritzmenge durch den Schieber 44, wie aus Fig. 14 ersichtlich und schon früher besprochen. Dann wird durch den Magneten 68, wie in Fig. 18 gezeigt, das Ventil 69 geöffnet und hierdurch der Schieber 81 angehoben und damit der Mengenschieber 71 in Betrieb gesetzt, welcher bestimmungsgemäß die Haupteinspritzung entsprechend Diagramm in Fig. 20 auslöst.

Es arbeiten also jetzt zwei Schieber, 44 von Fig. 14 für die Voreinspritzung und 71 von Fig. 18 für die Haupteinspritzmenge.

Die elektrische Auslösung der einzelnen digitalen Einspritzung entsprechend Fig. 20 geschieht also über Schieber 44 in Fig. 14 in bisher normaler Weise und die Haupteinspritzung entsprechend Fig. 20 über Schieber 71, wie aus Fig. 18 hervorgeht.

Der elektrische Regler 88 in Fig. 18 mit seinen Stellgliedern 82 und 84 sowie dem beweglichen Anschlag 83 bestimmt also die Haupteinspritzmenge. Diese wird durch Hilfskräfte, d. h. aus dem Speicherdruck von Leitung 7 und dem Stelldruck aus Regler 88 eingestellt, wobei die Rückmeldung zum zentralen elektrischen Teil des Reglers über das Meßglied 89 erfolgt.

Aus Fig. 20 geht weiterhin hervor, daß mit der veränderlichen Größe des Speicherdruckes die Zeitdauer der Einspritzung verän dert werden kann. Durch die Erhöhung des Speicherdruckes kann also über die Verkürzung der Einspritzdauer die Rußbildung im Auspuff gemildert oder beseitigt werden.

Um zu einer Regelung der Rußbildung zu kommen, muß diese gemes sen werden. Ein Meßgerät ist in Fig. 21 dargestellt. Die Auspuff gase des Dieselmotors treten bei 86 in ein doppeltes Venturirohr 101 und 102 ein, welches an den Stellen 98 bzw. 99 Unterdruck er zeugt. Ferner tritt bei 92 durch ein Luftfilter Frischluft ein, so daß die Glühbirne 96 und die Fotozelle 94 das Licht unbehin dert durch die Schlitze 93 und 95 in vollem Maße empfangen, weil der Kanal 103 mit gefilterter Frischluft in zwei Kanälen 104 und 105 um den Abgaskanal 101 geführt wird, wodurch Licht von Lampe 96 zu der Fotozelle 94 nur durch jeweils zwei vor Ruß ge schützte Öffnungen 93 und 95 gelangen kann. Durch den doppelten Frischluftvorhang werden also Fotozelle 94 und Lampe 96 im Mo torbetrieb vor Ruß geschützt, so daß die lichtdurchlässigen Flä chen sauber bleiben und kein falsche Anzeige von Auspuffruß erfolgt.

Weitere Maßnahmen verhindern, daß z. B. in Stillstandsperioden Ruß an diese empfindlichen Teile gelangen kann. Hierzu sind Schutzkappen 106 und 107 vorgesehen, welche automatisch bei Stillstand des Motors geschlossen werden.

Erhöhte Rußwerte sind möglich durch Unterschiede in den Kraft stoffen und durch große Höhenunterschiede in Bergen.

Durch mangelnde Pflege, d. h. zum Beispiel verstopfte Luftfilter oder Verschleiß an nicht kontrollierten Einspritzventilen kann sich weiterhin Ruß ergeben.

Falls zu große Rußwerte gemessen werden, wird im Regler zunächst eine Erhöhung des Einspritzdruckes in Leitung 7 und, falls dies nicht schon der Fall ist, eine Umschaltung auf Zweifachdiagramme, d. h. Vor- und Haupteinspritzung entsprechend Fig. 20, vorge nommen, also die Spritzzeit verkürzt. Falls dies unzureichend ist, wird überhitzter Dampf als Zusatz zur angesaugten Luft durch einen zusätzlich eingeschalteten Abgasstutzen geleitet, durch welchen eine Heizschlange zur Erzeugung von überhitztem Dampf gelegt ist. Wenn alle diese Maßnahmen die Rußmenge nicht genügend verkleinern, wird die maximale Einspritzmenge zurückgenommen.

Weitere Vereinfachung des schon erläuterten Einspritzverfahrens nach Fig. 20 und 14 durch ein vereinfachtes Verfahren nach Fig. 22:

Es erscheint wünschenswert, daß das Verfahren nach Fig. 18 so abgeändert wird, daß nur ein einziger einspritzender Schieber den gewünschten Einspritzverlauf erzeugt, sowohl für digitale Einspritzung entsprechend Fig. 14 als auch für Vor- und Haupt einspritzung entsprechend Fig. 18.

Ein solches Verfahren ist in Fig. 22 beschrieben:

Diese Ausführung besteht wieder aus zwei Magnetventilen 1 und 2, welche aus der Speicherleitung 7 und dem Rückfluß 8 über die Ventile 3 und 4 den einspritzenden Schieber in ge wohnter Weise steuern. Die Steuerung dieses Schiebers 107 erfolgt über die Schieber 108 und 111.

Der einspritzende Schieber 107 erzeugt sowohl die digitale Einspritzung entsprechend dem Diagramm in Fig. 23 als auch Vor- und Haupteinspritzung entsprechend dem Diagramm in Fig. 24.

Digitale Einspritzung nach beiden Seiten: Der Schieber 107 er laubt es also, bei digitaler Einspritzung eine bei Hin- und Rückhub gleich große Einspritzmenge einzuspritzen: Die in Fig. 22 gezeichnete Ausgangslage des Schiebers 107 und sein Einspritzhub aus der Bauart des Blechkäfigs 117 und der vor gespannten Feder 109 ist so, daß bei digitaler Einspritzmenge das Stellglied 83 am oberen Ende des Schiebers 107 anliegt und daß die Feder 83 den Blechkäfig 117 über das Anschlag blech 170 an den unteren Anschlag anpreßt. Wenn der Öldruck aus Leitung 7 auf die Oberseite des Schiebers 107 drückt, so wird Feder 109 bis zum Anschlag gespannt, d. h. Scheibe bzw. Anschlagblech 170 erlaubt eine digitale Einspritzmenge, nachdem der Überdruck aus Leitung 7 über Leitung 30 den Schie ber 111 nach unten preßt, wodurch die unterste Ringnut des Schiebers 111 über Leitung 113 mit der Düse 24 verbindet: Es spritzt dadurch eine digitale Einspritzmenge ab.

Einspritzhub nach oben: Um zwischen zwei Einspritzungen den Schieber 107 in der unteren Stellung zu halten, bleibt der Speicherdruck von Leitung 30 bis zum Beginn des Rückhubes er halten. Danach wechselt der Speicherdruck 7 von Leitung 30 auf 31, Schieber 108 öffnet unten, Schieber 111 mit der ober sten Nut ebenfalls zu Leitung 113 und eine digitale Einspritz menge spritzt aus der Oberseite des Schiebers 107 durch Ein spritzventil 24 wiederum ab.

Vor- und Haupteinspritzung durch den gleichen Schieber 107: Das heißt, der gleiche Schieber 107 soll jetzt mit der unteren Seite die Voreinspritzmenge = digitale Einspritzmenge ein spritzen und mit der oberen Seite die bis zu 30mal größere Haupteinspritzmenge, welche regelbar ist. Hierzu dient das Stellglied 83: Dieses wird über die Reglereinstellung 88 ein gestellt, wobei die Verstärkungskraft aus dem Speicherdruck, d. h. Leitung 7, kommt, wodurch sich eine entsprechend große Stellkraft durch den Kolben 87 und der entsprechenden Feder 84 ergibt.

Bei Vollastfüllung macht also der Einspritzschieber 107 den maximalen Einspritzhub:

Abgabe der Haupteinspritzmenge im einzelnen: Das Magnetventil 2 verbindet Leitung 31 und Leitung 7 (= Speicherdruck), worauf Schieber 107 und 111 an den oberen Anschlag getrieben werden. Hierbei schließt der Schieber 108 in der oberen Stellung den Zulauf von Leitung 30 und Schieber 111 öffnet in dieser Stel lung den Abfluß zum Einspritzventil 24. Nach erfolgter Ein spritzung der Haupteinspritzmenge muß der Schieber 107 wie der in seine untere Ausgangsstellung zurück, um für die näch ste Voreinspritzmenge bereit zu sein (wie in Fig. 22 gezeich net). Dies geschieht dadurch, daß sowohl Magnetventil 1 und Magnetventil 2 bzw. die Ventile 3 und 4, damit auch die Lei tungen 30 und 31, auf Abflußdruck geschaltet sind, so daß bei de Seiten des Schiebers 107 drucklos sind, so daß die Feder 110 den Schieber 107 in die unterste Stellung drücken kann, bis der Anschlag 170 des Käfigs 117 die Nase des Gehäuses berührt. Das heißt, es ist notwendig, die Federkraft von Feder 110 sowie die entsprechenden Querschnitte so zu dimensionieren, daß auch bei höchster Drehzahl der Schieber 107 den unteren Anschlag be rührt, bevor die nächste Einspritzung, also eine digitale Vor einspritzung, beginnt.

Schieber 111 sitzt zwei vorgespannten Federn 120, damit seine Stellung trotz zufälliger Druckstöße beibehalten wird.

Kombination von Verdrängereinspritzung und elektrohydraulisch gesteuertem Schieber: Fig. 25.

Zur nachträglichen Ausrüstung von vorhandenen Bauarten von Einspritzventilen mit elektrisch gesteuerter Zusatzeinspritzung kann das bisher beschriebene System mit elektrohydraulisch bewegtem Einspritzschieber in vereinfachter Form ebenfalls verwendet werden.

Fig. 25: Das Einspritzventilgehäuse 130 mit Nadeleinspritzven til 131 entspricht der üblichen Verdrängereinspritzung. Durch Klammer 132 und Schraube 133 kann das Zusatzgehäuse 134 an das übliche Einspritzventilgehäuse angeflanscht werden.

Ein elektrisch-mechanisch betätigtes Glied 136 steuert das Ventil 139, welches den Vordruck als Speicherdruck dazu be nutzt, die sehr kleine Voreinspritzmenge mittels einer hydrau lischen Übersetzung vor der Haupteinspritzung abzuspritzen, wie dies im Diagramm von Fig. 26 dargestellt ist.

Der Speicherdruck für die Voreinspritzung ist also der Vor druck aus 137, unter dem das Lecköl der Nadeldüse steht, wo bei dieser eventuell gesteigert werden kann. Dieser Vordruck wird durch Kanal 138 zum Ventilkegel 139 des elektrischen Stell gliedes 136 unter den Druckspeicher 152 geleitet. Kanal 140 hat stets Nulldruck, weil er in der Oberseite der Membran mün det, welche mit dem Abfluß 143 verbunden ist.

Schaltet Ventil 139, elektrohydraulisch ausgelöst, um, so kann der Vordruck 138 auf die Unterseite der Membran 141 wirken. Durch die hydraulische Übersetzung von der Membran 141 auf den Schieber 135 wird ein Druck erzeugt, welcher wesentlich größer ist als der Öffnungsdruck der Nadeldüse, d. h. die Vor einspritzmenge fließt über Ventil 142 zur Nadeldüse 131 und wird abgespritzt. Rückschlagventil 144 sorgt dafür, daß die vom Kolben 135 verdrängte Einspritzmenge zur Düse fließen muß. Wenn die Voreinspritzung beendet ist, so drückt die Elastizi tät der Membran 141 sowie der Vordruck über das Ventil 145 und den Kolben 135 die Membran in die alte Lage zurück.

Den Zeitpunkt der Voreinspritzung bestimmen entweder Versuche oder ein Regler, welcher mittels Mikrofon und einer Suchschal tung die Mindestlautstärke automatisch sucht, also äußere Ein flüsse auf das Motorverhalten, die Kraftstoffeigenschaften, Motortemperatur, Drehzahl usw. berücksichtigt.

In Fig. 27 ist im Diagramm für Startfüllung dargestellt, wie schon in Fig. 12 und 13 besprochen wurde: Ein Fühler fühlt die Motor- = Kühlwassertemperatur ab und entscheidet dann, wieviele Gruppen von Einzeleinspritzmengen einge spritzt werden, wobei der Regler die nachfolgenden Gruppen ausschaltet, wenn eine starke Beschleunigung des Motors ge messen wird, um den Startrauch möglichst klein zu halten.

Stand der Technik

Zweistufige Dieseleinspritzung, wobei die gleiche Düse so wohl zweimal abspritzt oder auch zwei verschiedene Düsen je einmal abspritzen:
EP 01 16 168 A3
OS 25 55 019
OS 33 30 772 A1
DE 33 30 774 A1
DE 35 16 537.5

Mehrfacheinspritzung: Die Einspritzmenge für eine Gesamt einspritzung ist durch die Länge der Einspritzung variabel entsprechend der Einspritzdauer. Die elektrische Steuerung geschieht über piezoelektrisch gesteuerte Ventile:
Mit einer Einspritzdüse:
EP 00 50 710
Mit zwei Einspritzdüsen:
OS 30 39 967 A1

Steuerung der Einspritzmenge durch ein Magnetventil und konstanter Einspritzdruck aus einem Speicher. Das Magnet ventil betätigt einen schwingenden Schieber, welcher die Steuerung für Beginn und Ende der Einspritzung betätigt:
OS 25 29 933.

Claims

1. Elektrohydraulisch gesteuertes Einspritzverfahren, welches aus einem hohen stationären Druck gespeist wird, da durch gekennzeichnet, daß die Einspritzmenge durch das Ver drängervolumen eines neben dem Einspritzventil liegenden Schie berkolbens (9, 44, 71, 107, 135 und 156) bestimmt wird.

2. Einspritzverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schie berkolben mittels zweier elektrohydraulischer Glieder (1 und 2, 3 und 4) in beiden Richtungen fördert, wodurch Leerhübe vermie den und eine höhere Frequenz ermöglicht wird.

3. Einspritzverfahren nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß elektrohydraulische Glieder (1 und 2, 3 und 4) den Speicher öldruck, elektronisch gesteuert, aus Leitung (7) auf eine der Stirnseiten des Schieberkolbens (9, 44, 71 und 107) leiten und auf der anderen Seite zum Einspritzventil (24) abführen.

4. Einspritzverfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrohydraulischen Glieder Elektromagnete (1 und 2) sind, deren Ventile (3 und 4) durch Kolben (5 und 6) kraftausgeglichen sind.

5. Einspritzverfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrisches Betätigungssystem für die Ventile (3 und 4) ein nach dem piezoelektrischen Prinzip arbeitender Schieber (34) be nutzt wird, welcher sich durch Anlegen einer hohen Spannung um kleine Werte ausdehnt, wodurch ein elastischer Kunststoffkörper, welcher dichtend einen Flüssigkeitsinhalt umschließt und selbst spielfrei in zwei Halbschalen (90 und 91) so umschlossen ist, daß er mit seinem großen Durchmesser zusammengedrückt wird und nur in Richtung Ventilkörper (38 bzw. 161) mit seinem wesentlich klei neren Durchmesser ausweichen kann, wobei er durch einen Konuswin kel von 2-5° in der Bohrung (160) der Halbschale (90) unterstützt wird, so daß der Ventilkegel (3, 4) einen genügend großen Hub macht, um die Leitungen (30 und 31) einmal mit dem Speicherdruck (7) und einmal mit dem Abflußdruck (8) zu verbinden.

6. Einspritzverfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieberkolben (9) über eine Elektronik und eine elektrohydrau lische Steuerung (1 und 2, 3 und 4), sowie mittels der Rückschlag ventile (10, 11, 12, 13) jeweils auf der einen Seite mit dem Spei cherdruck aus Leitung (7) und auf der anderen Seite mit der Einspritz düse (24) verbunden wird, wobei die Abflußventile (12 und 13) jeweils über Zusatzkolben (22 und 23) zeitweise gesperrt werden, um zu ver hindern, daß Kraftstoff ohne Bemessung durch den Kolbenschieber (9) direkt zum Einspritzventil (24) abfließen kann, d. h. Zusatzkolben (22) blockiert Ventil (12), wenn der Speicherdruck in Leitung (30) bzw. (25) herrscht, so daß die Einspritzmenge über Ventil (11), den Kolbenschieber (9) nach unten bewegt und dieser die Einspritz menge über Ventil (13) zur Düse fördert, weil zu dieser Zeit Lei tung (31 und 26) drucklos sind und somit Kolben (23) den Abfluß nicht sperrt und umgekehrt bei der Bewegung des Kolbenschiebers (9) von unten nach oben, wobei der Speicherdruck aus (7) in Leitung (32 und 26) ist und hierbei der Zusatzkolben (23) das Abflußventil (13) sperrt, wodurch diesmal der Einspritzkraftstoff über Ventil (12) zur Ein spritzdüse (24) fließt.

7. Einspritzverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdränger volumen der Schäfte der Zusatzkolben (22 und 23) als Entlastungsvo lumen wirkt, da diese bei der Rückbewegung der Kolben (22 und 23) das Volumen der Einspritzleitung vergrößern, also hier den Druck entlasten.

8. Rückschlagventil entsprechend Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abdichten eine Metallzunge (39) benutzt wird, welche sich bei Über druck im Innern des Rohres (42) an die Rohrwand von Rohr (41) dich tend anlegt, aber bei Überdruck in Leitung (40) nur einen sehr gerin gen Widerstand nach dem Öffnen ergibt.

9. Rückschlagventil entsprechend Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß wie in Anspruch 6 und Anspruch 7 Zusatzkolben (42) vorgesehen sind, welche das Ven til (39) schließen, solange Speicherdruck aus Leitung (7) auf Lei tung (43) wirkt, so daß kein Kraftstoff aus Leitung (40) ausströmen kann, solange Leitung (43) unter Speicherdruck steht.

10. Rückschlagventil entsprechend Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dessen Schaft als Entlastungsventil wirkt, wenn dieser sich nach Anpressen der Metallzunge am Ende der Einspritzung zurückzieht, da der Speicherdruck abgebaut wird und damit das Volumen in der Einspritzleitung vergrößert, also entlastend wirkt.

11. Einspritzverfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsmagnete so geschaltet werden, daß der indukti ve Rückstrom nach Abschalten der Magnete in Kondensatoren ge speichert und wieder bei den folgenden Magnetbetätigungen ver wendet wird.

12. Einspritzverfahren nach Anspruch 1-3 bzw. Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß nach Abschalten der Hochspannung aus dem piezo elektrischen Körper (34) diese Strommenge in einem Kondensator aufgenommen wird und so für folgende Betätigungen gespeichert wird.

13. Einspritzverfahren nach Anspruch 1 bis Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Einspritzmenge für ein Arbeitsspiel eines Motorzy linders aus mehreren kleinen Einzeleinspritzmengen besteht, vorzugsweise von der Größe der Voreinspritzmenge, hier "digi tale" Einspritzmenge genannt, wobei der Einspritzverlauf durch die zeitlichen Abstände der digitalen Einspritzmengen geformt und die gesamte Einspritzmenge für ein Arbeitsspiel durch die Zahl der digitalen Einspritzmengen gebildet wird.

14. Einspritzverfahren nach Anspruch 1 bis Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des einspritzenden Kolbenschiebers über eine Elektronik und elektrohydraulische Glieder mittels der Schie ber (45 und 46) erfolgt, wobei diese die steuernden Drücke aus Speicher (7) und Abfluß (8) und zur Einspritzdüse so verteilen, daß einmal das eine Ende des einspritzenden Schieberkolbens (44) und dann das andere Ende die Einzeleinspritzmenge zur Düse (24) befördert.

15. Einspritzverfahren nach Anspruch 1 bis Anspruch 5 und Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die steuernden Schieber (64 und 59), welche die Be wegung des einspritzenden Schiebers bewirken, bei ihrer Bewe gung jeweils Ringquerschnitte im Gehäuse freigeben, so daß kein einseitiger Andruck der Schieber quer zur Achse ein tritt, der Schieber also völlig kraftfrei arbeitet und die volle Öffnung nach einem Sechstel des bisher benötigten Kol benschieberhubes erreicht.

16. Einspritzverfahren nach Anspruch 1-15, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieberkolben für die Einspritzmenge (9, 44, 71, 107) zy linderförmige Absätze an seinen Enden hat, welchen in den En den der Führungsrohre abgesetzte Endstücke (32 und 33) ent sprechen, in welche die zylinderförmigen Absätze des Schie bers am Ende ihres Hubes eintauchen und damit den Schieber kolben ohne metallische Berührung abbremsen.

17. Einspritzverfahren nach Anspruch 1 bis Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem einspritzenden Schieber und dem Einspritzventil ein Entlastungsventil vorgesehen wird mit einer Führung (54), welche eine Ventilkugel (48) trägt, die in einem Kegel sitzt und in einer eng angepaßten Führung, deren Tiefe die Größe des Entlastungsvolumens bestimmt und aus einer Feder (49) und einem Deckel (57) besteht.

18. Einspritzverfahren nach Anspruch 1 bis Anspruch 17, dadurch gekennzeichnt, daß das Entlastungsventil gleich gebaut ist wie bei Anspruch 17, aber als Feder eine Blattfeder (51) hat, was eine einfachere Deckel form ermöglicht und eine wesentliche Verkleinerung des Tot volumens.

19. Einspritzverfahren nach Anspruch 1 bis Anspruch 18, wobei mit tels der digitalen Einzeleinspritzungen Voreinspritzung zur Minderung des Zündgeräusches benutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines im Motor installierten Mikrofones und einer elektroni schen Suchschaltung der zeitliche Abstand zwischen Voreinsprit zung und Haupteinspritzung so lange variiert wird, bis das Zündgeräusch ein Minimum erreicht hat, wobei der zeitliche Abstand Voreinspritzung - Haupteinspritzung wieder verklei nert wird, wenn mit der Verminderung des Zündgeräusches ein Drehzahlabfall eintritt.

20. Einspritzverfahren nach Anspruch 1-19, dadurch gekennzeichnet, daß beim Kaltstart und extrem niedrigen Kühlwassertemperaturen die Zahl der Einspritzgruppen vergrößert und die Höhe des Speicheröldruckes weiter vergrößert wird, wenn das Mikrofon keinen Zündschlag meldet.

21. Einspritzverfahren nach Anspruch 1 bis Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß bei betriebswarmem Motor beim Starten nur eine einzige Gruppe der digitalen Einspritzmengen eingespritzt wird.

22. Einspritzverfahren nach Anspruch 1 bis Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu der digitalen Mehrfacheinspritzung kleiner Ein zelmengen noch die Möglichkeit geschaffen wird, die gesamte Einspritzmenge durch eine Voreinspritzung und eine regelbare Haupteinspritzung vorzunehmen, indem über dritte elektrohydrau lische Glieder (68, 69 und 70) über einen steuernden Schieber (81) ein zweiter Kolbenschieber (71) für regelbare Einspritzmen gen in Betrieb gesetzt wird, welcher die Haupteinspritzmenge einspritzt, wobei vom gleichen Einspritzventil (24) einmal die di gitale Einspritzmenge durch Leitung (55) und die Haupteinspritz menge durch Leitung (91) eingespritzt wird.

23. Einspritzverfahren nach Anspruch 1 bis Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Mengenschieber (71) durch den beweglichen Anschlag (83) re gelbar ist, indem über den Regler (88) ein Stelldruck eingestellt wird, welcher sich aus der Rückmeldung von Meßglied (89) und der Größe des Speicherdruckes (7) ergibt.

24. Einspritzverfahren nach Anspruch 1 bis Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß zur Überwachung der Verbrennung die Rußbildung in den Abgasen durch die Sichttrübung zwischen einer Lichtquelle (96) und einer Fotozelle (84) gemessen wird, wobei zur Vermeidung von Rußabla gerungen das Licht nur durch die beiden Öffnungen (93 und 95) treten kann sowie durch einen doppelten Vorhang (104 und 105) aus gefilterter Frischluft von (92 und 103) und weiterhin in Still standsperioden des Motors automatische Schutzkappen (106 und 107) geschlossen werden, um Rußablagerungen an Lampe und Fotozelle zu verhindern.

25. Einspritzverfahren nach Anspruch 1 bis Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß bei Rußanfall über eine durch Versuche festgelegte Grenze die Einspritzung von digitaler auf Vor- und Haupteinspritzung übergeht, wobei gleichzeitig der Speicherdruck erhöht wird und, falls dies nicht genügt, dem Motor aus einem entsprechend vor bereiteten Abgasstutzen überhitzter Dampf zugeführt wird und wenn dann noch zuviel Ruß gemessen wird, die Einspritzmenge reduziert wird.

26. Einspritzverfahren nach Anspruch 1 bis Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mengenschieber (107) in der Lage ist, sowohl digitale als Vor- und Haupteinspritzung auszuführen, indem bei Einstellung des Reglers auf kleinsten Hub, welcher durch die Einspritzmen genbegrenzung (83) eingestellt wird, nach beiden Seiten digitale Einspritzmengen abgespritzt werden, daß aber bei einer Vergrö ßerung der Einspritzmenge durch Mengenregler (83) zwischen den elektrohydraulischen Stellgliedern (1 und 2, 3 und 4, 5 und 6) die Schaltfolge geändert wird, so daß eine Pause eintritt, in welcher beide Steuerglieder (1 und 2) gleichzeitig ihre Ventile (3 und 4) mit dem Abfluß (8) verbunden haben, so daß die Feder (110) den Schieber (107) bis zum unteren Anschlag (170), der durch Käfig (108) vorgespannten Feder (117) drückt, wodurch die untere Seite des Schiebers einspritzbereit ist für eine digitale Vorein spritzmenge, welche beim Einschalten des elektrohydraulischen Steuergliedes (1) und der Verbindungsleitung (30) mit dem Zufluß (7) über Ventil (4) bewerkstelligt wird, wobei die Voreinspritz menge über den nach unten gedrückten Schieber (111) und Leitung (113) sowie Einspritzdüse (24) eingespritzt wird und nach Umschal ten auf das elektrohydraulische Glied (2) des Ventiles (3) den Speicherdruck aus Leitung (7) bzw. Leitung (31) erhält, dann Schieber (108) Leitung (30) abschließt und Schieber (111) oben Lei tung (113) öffnet und Schieber (107) eine geregelte Haupteinspritz menge durch das Einspritzventil abspritzt, wonach beide elek trohydraulischen Glieder (1 und 2) abgeschaltet werden und Schie ber (107) wieder in die Bereitschaftsstellung für die untere Voreinspritzmenge zurückkehrt.

27. Einspritzverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu sätzlich zur Verdrängereinspritzung ein elektrohydraulisch gesteuertes Einspritzverfahren vorgesehen ist für zusätzli che kleine Einspritzmengen, deren stationärer Druck aus der Übersetzung, d. h. einem Mehrfachen des Vordruckes der Leck ölseite (137) besteht, welcher über Puffer (152) auf das kraft ausgeglichene elektrohydraulisch gesteuerte Ventil (139) wirkt, welches nach Öffnen diesen Druck unter die Membran (141) lei tet, wobei dieser Druck im Kolben (135) durch das Durchmesser verhältnis von Membran (141) zu Kolben (135) auf hohe Drücke wächst und diesen Kraftstoff über das Einspritzventil (131) zum Abspritzen bringt.

28. Einspritzverfahren nach Anspruch 1 und Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch ausgelöste Teil der Einspritzung beim Start vorgang in mehreren Gruppen eingespritzt wird, wobei die Zahl der Gruppen abhängig ist von der Kühlwassertemperatur und bei warmem Motor nur eine Gruppe abgespritzt wird.