DE3833664C2 - Kraftstoffeinspritz-Anlage für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftstoff­ einspritzanlage für Brennkraftmaschinen mit mindestens einer Einspritzpumpe und zugeordneter Einspritzdüse, die über eine Druckleitung miteinander in Verbindung stehen, wobei eine Einrichtung zur Aufteilung der Einspritzung in eine Voreinspritzung und eine Haupt­ einspritzung vorgesehen ist.

Eine derartige Kraftstoffeinspritzanlage ist aus der DE-OS 15 76 477 bekannt. Die Einrichtung weist einen gegen eine Rückstellfeder wirkenden Voreinspritzkolben sowie einen gegen eine Rückstellfeder wirkenden Ausweichkolben zur Steuerung der Haupteinspritzung auf. Dabei ist jeweils eine Stirnfläche des Voreinspritz­ kolbens und des Ausweichkolbens dem einspritzpumpen­ seitigen Kraftstoffdruck ausgesetzt. Und der Vorein­ spritzkolben ist über einen vorbestimmten Hub beweglich in einem Arbeitsraum aufgenommen, der zu dem zur Einspritzdüse führenden Druckleitungsteil stets offen ist, so daß aus diesem Arbeitsraum durch den Vorein­ spritzkolben die zur Voreinspritzung bestimmte Kraft­ stoffmenge zur Einspritzdüse gefördert wird. Der Ausweichkolben öffnet oder schließt eine Verbindungs­ leitung zwischen dem vorgschalteten und dem nachge­ schalteten Druckleitungsteil, wobei die dem Einspritz­ pumpendruck ausgesetzte Stirnfläche des Ausweichkolbens im geschlossenen Zustand der Verbindungsleitung kleiner ist als in deren geöffnetem Zustand. Bei dieser Anlage, bei der die Voreinspritzeinheit in die Einspritzdüse integriert ist, ist es von Nachteil, daß die optimale, eine klar definierte Abfolge von Voreinspritzung und Haupteinspritzung aufweisende Einspritzcharakteristik nicht unter allen Betriebszuständen eingehalten wird.

Insbesondere kann die Haupteinspritzung unter ungünstigen Umständen vorzeitig eingeleitet werden, indem der Ausweichkolben infolge von durch die Voreinspritzung ausgelösten Druckwellen verfrüht öffnet.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Einspritzanlage zu schaffen, bei der bei klar definierter optimaler Einspritzcharakteristik über den gesamten Betriebsbereich ein vorzeitiger Beginn der Haupteinspritzung ausgeschlossen ist. Dabei soll sich des weiteren eine Einspritzanlage ohne Voreinspritzung im Bedarfsfalle in eine Anlage mit Voreinspritzung umrüsten lassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Demgemäß wird - bei geeigneter Bemessung der dem Ausweich- und dem Voreinspritzkolben zugeordneten Rückstellfedern - erreicht, daß nach Hubende des Voreinspritzkolbens der Ausweichkolben durch steigenden Druck im vorgeschal­ teten Druckleitungsteil über einen vorbestimmten Hub verstellt wird, dabei das Volumen in diesem Leitungs­ teil vergrößert und so die Druckhöhe vorübergehend senkt. Weiterhin wird nach Hubende des Ausweichkolbens die Leitungsverbindung zwischen dem vorgeschalteten und dem nachgeschalteten Druckleitungsteil durch diesen Kolben vollständig freigegeben, so daß bei wieder steigendem Druck der Kraftstoff über ein Ventil zur Einspritzdüse zwecks Haupteinspritzung gelangen kann.

Die in sich geschlossene Voreinspritzeinheit ist gemäß einem besonderen Erfindungsmerkmal in einem mehr­ teiligen Gehäuse derart untergebracht, daß in dem an den vorgeschalteten Druckleitungsteil angeschlossenen ersten Gehäuseteil getrennte Zuleitungen zu den beiden Kolben vorgesehen sind, die selbst mit ihren Rückstell­ federn in einem zweiten Gehäuseteil untergebracht sind, während in einem dritten Gehäuseteil die Verbindungs­ leitungen der beiden Kolben einerseits und dem nachgeschalteten, zur Einspritzdüse führenden Druck­ leitungsteil andererseits eingearbeitet sind. Dabei ist in dem zweiten Gehäuseteil noch ein Entlastungsventil, vorgesehen, das sich nach Haupteinspritzende öffnet und einen raschen Druckausgleich zwischen dem nachgeschal­ teten und dem vorgeschalteten Druckleitungsventil ermöglicht.

In der nachstehenden Beschreibung ist ein Ausführungs­ beispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Voreinspritzeinheit im Schnitt,

Fig. 2 eine Draufsicht zu Fig. 1 und

Fig. 3 ein Druck- und Förderdiagramm der Einheit.

In Fig. 1 ist die Voreinspritzeinheit als Ganzes mit E bezeichnet. Sie ist in einem dreiteiligen Gehäuse 12, 14, 16 untergebracht, wobei die drei Gehäuseteile durch Schrauben 18 miteinander fest verbunden sind. Der Gehäuseteil 12 besitzt einen Anschlußnippel 12a, mit dessen Hilfe das eine Ende eines vorgeschalteten Druck­ leitungsteiles 20 an den Gehäuseteil 12 anschließbar ist. Das andere Ende des Druckleitungsteiles 20 ist an eine Einspritzpumpe 22 bekannter Art angeschlossen. Der vorgeschaltete Druckleitungsteil stellt somit die Leitungsverbindung zwischen der Einspritzpumpe und der Voreinspritzeinheit dar.

Einen weiteren Anschlußnippel 16a besitzt der Gehäuse­ teil 16, mit dessen Hilfe das eine Ende eines nach­ geschalteten Druckleitungsteiles 24 an die Einheit E anschließbar ist. Das andere Ende des Druckleitungs­ teiles 24 ist an eine Einspritzdüse 26 bekannter Art anschließbar. Der nachgeschaltete Druckleitungsteil 24 stellt somit die Leitungsverbindung zwischen der Einheit E und der Einspritzdüse 26 dar.

Die im Anschlußnippel 12a verlaufende Einlaufbohrung 12e geht in zwei seitliche Leitungszweige 12f, 12g über. Der Leitungszweig 12f mündet in einem Druckraum 14a im Gehäuseteil 14, in dem sich ein mit flachem Ende ausgerüsteter Voreinspritzkolben 28 befindet. Der Leitungszweig 12f mündet teilweise unterhalb des Endes 28a des Voreinspritzkolbens 28 aus, so daß dieser von dem Kraftstoff im vorgeschalteten Druckleitungsteil 20 beaufschlagt werden kann. Der Voreinspritzkolben 28 ist in einem Arbeitsraum 14b entgegen einer Rückstellfeder 30 verschiebbar; er besitzt an seinem unteren Ende 28a einen Ringflansch 28b, der mit der zugewandten Fläche 14f zusammenspielt und den Hub des Voreinspritzkolbens 28 auf ein vorbestimmtes Maß begrenzt.

Die im Anschlußnippel 16a verlaufende Auslaufbohrung 16b ist über einen seitlichen Leitungszweig 16c mit dem Arbeitsraum 14b des Voreinspritzkolbens 28 leitungs­ mäßig verbunden. Die Leitung 16c steht auch mit einer Bohrung 14c in Leitungsverbindung, die zu einem Druck­ entlastungsventil 32 führt, das sich zum Druckraum 14a hin öffnet.

In der Bohrung 14d des Gehäuseteiles 14 ist ein Ausweichkolben 34 entgegen seiner Rückstellfeder 36 verschiebbar, wobei er in Ruhelage mit seiner Stirn­ fläche auf einer Ringfläche einer Büchse 38 aufsitzt. Der im Leitungszweig 12g aus dem vorgeschalteten Druck­ leitungsteil 20 kommende Kraftstoff kann somit auf den Ausweichkolben 34 einwirken und ihn verstellen. Der Hub des Ausweichkolbens 34 ist auf ein vorbestimmtes Maß dadurch begrenzt, daß seine obere Ringfläche gegen eine zugeordnete Anschlagfläche 14ff des Gehäuseteiles 14 anliegt.

Ein in Richtung auf die Auslaufbohrung 16b hin sich öffnendes Druckventil 40 ist in einer zentralen Bohrung 14z des Gehäuseteiles 14 angeordnet. Diese Bohrung 14z steht mit dem Raum unterhalb der Stirnfläche des Ausweichkolbens 34 in Leitungsverbindung. Der Arbeits­ raum in der Bohrung 14d oberhalb des Ausweichkolbens 34 ist an eine Lecköl-Rückführleitung angeschlossen, wozu der Gehäuseteil 14 einen Anschlußnippel 42 trägt.

Die beschriebene Voreinspritzeinheit arbeitet in folgender Weise:

Vor Beginn der Kraftstofförderung durch die Einspritz­ pumpe 22 herrscht im Leitungssystem der Anlage ein sog. Standdruck von ca. 50 bar, und zwar sowohl vor als auch nach der Einheit E. Sobald die Einspritzpumpe 22 ihre Förderung beginnt, so steigt - wie der Abschnitt A1 in der oberen Druckkurve im Diagramm nach Fig. 3 zeigt - der Druck im vorgeschalteten Druckleitungsteil 20 und auch in den Leitungen 12e, 12f, 12g der Einheit E an.

Der auf der Büchse 38 aufsitzende Ausweichkolben 34 verschließt zu diesem Zeitpunkt die Leitungsverbindung zwischen dem Leitungszweig 12g und der Bohrung 14z. Die Rückstellfeder 36 des Ausweichkolbens 34 ist nämlich derart stark bemessen, daß sie dessen Verstellung erst dann erlaubt, wenn der Druck, welcher auf die durch die Innenbohrung der Büchse 38 gegebene kleine Fläche des Ausweichkolbens 34 einwirkt, auf ein wesentlich höheres Maß ansteigt, bspw. 350 bar.

Der von der Einspritzpumpe 22 kommende Kraftstoff kann deshalb nur in den Druckraum 14a gelangen, hier auf den Voreinspritzkolben 28 einwirken und ihn nach oben verstellen. Bei Verstellung dieses Voreinspritzkolbens 28 wird der Druck - da das Druckentlastungsventil 32 seine Schließstellung hält - in Leitungszweigen 16b, 16c sowie im nachgeschalteten Druckleitungsteil 24 steigen. Gegen Ende des Hubes HV des Voreinspritz­ kolbens 28 wird in diesen Leitungen derjenige Druck erreicht, der zum Öffnen der Einspritzdüse 26 erforder­ lich ist, z. B. 240 bar. Es erfolgt dann eine Vorein­ spritzung des Kraftstoffes, wobei die Voreinspritzmenge in der unteren, die Einspritzmengen darstellenden Kurve des Diagramms nach Fig. 3 angedeutet und mit VM bezeichnet ist. Die Voreinspritzmenge ist stets konstant, da der Hub HV des Voreinspritzkolbens 28 auch konstant ist. Die Voreinspritzmenge wird allein aus dem nachgeschalteten Druckleitungssystem gefördert und ist - da keine Vorfördereffekte gegeben sind - von der Drehzahl und der Last der Brennkraftmaschine weit­ gehendst unabhängig.

Es sei an dieser Stelle erwähnt, daß während der Voreinspritzphase das Druckentlastungsventil 32 infolge Gleichdrucks seine Schließstellung einnimmt und das Druckventil 40 durch den Druck im Leitungszweig 16c geschlossen gehalten wird. Eine Leitungsverbindung aus den Leitungszweigen 16b, 16c zur Bohrung 14z und zum Ausweichkolben 34 ist somit in dieser Phase nicht gegeben.

Nach dem Ende der Voreinspritzung durch den Vorein­ spritzkolben 28 fällt der Druck im vorgeschalteten Leitungssystem als Folge bekannter dynamischer Förder­ effekte zurück, wie der Abschnitt A2 im Diagramm zeigt. Er wird jedoch bald mit dem weiter steigenden Förder­ druck von der Einspritzpumpe 22 wieder ansteigen, wie der Abschnitt A3 im Diagramm zeigt. Beim Erreichen der bereits erwähnten Druckhöhe von 350 bar, die auf die kleine, durch Innenbohrung der Büchse 38 begrenzte Fläche des Ausweichkolbens 34 einwirkt, wird dieser Kolben von seinem Sitz angehoben und sofort über seinen vollen Hub HD in seine obere Anschlagstellung verstellt. Als Folge dieser Verstellung wird das Volumen im vorgeschalteten Druckleitungsteil 20 und den Leitungszweigen 12g, 12f, 12e plötzlich vergrößert, was wiederum zu einem Druckabfall in diesem System führt (Abschnitt A4).

Der Ausweichkolben 34 verbleibt während der nach­ folgenden Steuerphase in seiner oberen Endstellung, weil nun ein zwar wesentlich geringerer, aber auf seine ganze Stirnfläche einwirkender Druck genügt, um ihn in dieser Endstellung zu halten.

Nach dem vorstehend erläuterten Druckabfall führt der weiter ansteigende Förderdruck aus der Einspritzpumpe 22 zu einem erneuten Druckanstieg (Abschnitt A5) im vorgeschalteten Druckleitungsteil 20 und den Leitungs­ zweigen 12e, 12g. Da nun der Durchlaß durch die Büchse 38 vom Ausweichkolben 34 offengelassen bleibt, strömt der Kraftstoff in die zentrale Bohrung 14z ein, öffnet das Druckventil 40 und gelangt in das nachgeschaltete Leitungssystem 16b, 24. Sobald hier der Druck die zum Öffnen der Einspritzdüse 26 erforderliche Höhe von 240 bar erreicht, öffnet die Einspritzdüse 26 und die Haupteinspritzung des Kraftstoffes beginnt (Abschnitt A6), die bis zum Ende der Förderphase der Einspritz­ pumpe 22 andauert.

Nach erfolgreicher Haupteinspritzung fällt der Druck im gesamten Leitungssystem sofort ab, wie der Abschnitt A7 im Diagramm zeigt.

Die Größe der Haupteinspritzmenge HM kann man in bekannter, beliebiger Weise durch Steuerelemente in der Einspritzpumpe 22 regeln.

Während der Haupteinspritzphase bewegt sich der Vorein­ spritzkolben 28 in seine untere Sitzstellung zurück, da in den Leitungssystemen auf beiden Seiten des Vorein­ spritzkolbens 28 gleicher Druck herrscht und seine Rückstellfeder 30 diese Rückstellung bewirken kann.

Nach Beendigung der Haupteinspritzung schließt das Druckventil 40 sofort die zentrale Bohrung 14z ab. Ein Druckausgleich zwischen den beiden Seiten des Leitungs­ systems bis auf den erwähnten Standdruck kann daher nur über das Druckentlastungsventil 32 erfolgen, welches die Leitungsverbindung zwischen den beiden Seiten des Systems öffnet und so einen Druckausgleich von der Einspritzpumpe 22 bis zur Einspritzdüse 26 ermöglicht. Die gewünschte Höhe des Standdruckes bestimmt dabei ein in der Einspritzpumpe selbst eingebautes Entlastungs­ ventil, z. B. ein Gleichdruckventil.

Beim Erreichen des Standdruckes nach der Hauptein­ spritzung geht auch der Ausweichkolben 34 unter Wirkung seiner Feder 36 in seine untere Sitzstellung auf der Büchse 38 zurück. Die bei dieser Rückstellung verdrängte Kraftstoffmenge wird aus dem vorgeschalteten Leitungssystem (12g, 12f, 12e, 20) in den Saugraum der Einspritzpumpe 22 zurückgeleitet.

Die beschriebene Voreinspritzeinheit erbringt den Vorteil, daß sie in jedes bekannte, ohne Vorein­ spritzung arbeitende System bzw. Anlage ohne Schwierig­ keiten eingebaut werden kann, weil hierfür nur die Druckleitung aufgetrennt und die Voreinspritzeinheit in diese Trennstelle eingebracht werden muß. Man kann auch in die Steuerphasen und Steuergrößen innerhalb der Einheit im voraus bestimmen und den jeweils gegebenen Betriebsbedingungen anpassen, insbesondere die Hub­ größen der beiden Kolben bspw. durch geeignete Gestal­ tung der diesen Kolben in der Einheit zugeordneten Hubbegrenzungsanschläge bestimmen.

Es sei abschließend noch erwähnt, daß bei Verwendung der beschriebenen Voreinspritzeinheit zwischen der Voreinspritzung und der Haupteinspritzung eine klare zeitliche Trennphase (ohne Kraftstoffeinspritzung) gegeben ist. Diese Trennphase wird über den Ausweich­ kolben der Einheit erreicht, der nach der Vorein­ spritzung für einen Druckabfall sorgt, der erst wieder aufgebaut werden muß, um die Haupteinspritzung sicher­ zustellen. Diese zeitliche Trennphase bzw. Abkopplung zwischen den Einspritzungen ist sehr wichtig, weil sie den Kraftstoffverbrennungsvorgang innerhalb der Brenn­ kraftmaschine günstig beeinflußt, woraus wiederum eine wesentliche Herabsetzung des Geräuschpegels resultiert.

Claims (3)

1. Kraftstoffeinspritzanlage für Brennkraftmaschinen mit mindestens einer Einspritzpumpe (22) und zuge­ ordneter Einspritzdüse (26), die über eine Druck­ leitung (20, 24) miteinander in Verbindung stehen, wobei zur Aufteilung der Einspritzung in eine Vor- und eine Haupteinspritzung eine Einrichtung (E) mit den folgenden Merkmalen vorgesehen ist:

• 1. Die Einrichtung (E) ist als geschlossene Einheit in die Druckleitung, welche in einen vorgeschalteten Druckleitungsteil (20) und einen nachgeschalteten Druckleitungsteil (24) unterteilt ist, einsetzbar;
• 2. die Einrichtung (E) weist einen gegen eine Rückstellfeder (30) wirkenden Voreinspritz­ kolben (28) sowie einen gegen eine Rückstell­ feder (36) wirkenden Ausweichkolben (34) zur Steuerung der Haupteinspritzung auf;
• 3. jeweils eine Stirnfläche des Voreinspritz­ kolbens (28) und des Ausweichkolbens (34) ist dem einspritzpumpenseitigen Kraftstoffdruck ausgesetzt;
• 4. der Voreinspritzkolben (28) ist über einen vorbestimmten Hub (HV) beweglich in einem Arbeitsraum (14b) aufgenommen, der zu dem zur Einspritzdüse (26) führenden Druckleitungsteil (24) stets offen ist, so daß aus diesem Arbeitsraum (14b) durch den Voreinspritzkolben (28) die zur Voreinspritzung bestimmte Kraftstoffmenge (VM) zur Einspritzdüse (26) gefördert wird;
• 5. der Ausweichkolben (34) öffnet oder schließt eine Verbindungsleitung (12e, 12g, 14z, 16b) zwischen dem vorgeschalteten Druckleitungsteil (20) und dem nachgeschalteten Druckleitungsteil (24), wobei die dem Einspritzpumpendruck ausge­ setzte Stirnfläche des Ausweichkolbens (34) im geschlossenen Zustand der Verbindungsleitung (12e, 12g, 14z, 16b) kleiner ist als in deren geöffnetem Zustand;
• 6. der Ausweichkolben (34) wird nach Hubende des Voreinspritzkolbens (28) durch steigenden Druck im vorgeschalteten Druckleitungsteil (20) über einen vorbestimmten Hub (HD) verstellt, wobei das Volumen in diesem Leitungsteil vergrößert und so die Druckhöhe vorübergehend gesenkt wird;
• 7. in der Verbindungsleitung (14z) zwischen dem Dichtsitz des Ausweichkolbens (34) und dem Arbeitsraum (14b) des Voreinspritzkolbens (28) ist ein Rückschlagventil (40) vorgesehen, welches verhindert, daß der im Arbeitsraum (14b) des Voreinspritzkolbens (28) herrschende Druck auf den Teil der Stirnfläche des Ausweichkolbens (34), der außerhalb dessen Sitzes liegt, wirkt.

2. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Voreinspritzeinheit (E) ein mehrteiliges Gehäuse (12, 14, 16) besitzt, wobei in dem an den vorgeschalteten Druckleitungsteil (20) angeschlos­ senen ersten Gehäuseteil (12) getrennte Zuleitungen (12e, 12f, 12g) zu beiden Kolben (28, 34) vorge­ sehen sind, daß die Kolben selbst mit ihren Rück­ stellfedern (30, 36) sowie die Verbindungsleitung (14z) in einem zweiten Gehäuseteil (14) unter­ gebracht sind, und daß in einem dritten Gehäuseteil (16) die Verbindungsleitungen (16b, 16c) zwischen dem Arbeitsraum (14b) des Voreinspritzkolbens (28) und dem der Stirnfläche des Ausweichkolbens (34) zugeordneten Raum (14z) einerseits und dem nach­ geschalteten, zur Einspritzdüse (26) führenden Druckleitungsteil (24) andererseits eingearbeitet sind.

3. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten Gehäuseteil (14) ein Entlastungs­ ventil (32) vorgesehen ist, das sich nach Haupt­ einspritzende öffnet und einen raschen Druck­ ausgleich zwischen dem nachgeschalteten und dem vorgeschalteten Druckleitungsteil (20; 24) ermög­ licht.