DE4015557A1 - Kraftstoff-einspritzvorrichtung fuer eine brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einer aus der JP-A 58-98 654 bekannten Hochdruck-Einspritz­ vorrichtung dieses Aufbaus begrenzt der Druckkolben mit seiner gesamten einen Stirnfläche die dauernd mit dem Kraftstoffzulauf verbundene erste Steuerkammer, während seine andere, wesentlich kleinere Stirnfläche als Hochdruckfläche die Hochdruckkammer begrenzt. Die zweite Steuerkammer, die also zeitweilig mit dem Kraftstoffzulauf und zeitweilig mit dem Kraftstoffrücklauf über das Mehrwegeventil in Verbindung steht, umgibt den Druck­ kolben ringartig und wird von einer durch schulterartige Kolben­ bereiche gebildeten zweiten Steuerfläche desselben begrenzt. Sie dient ferner als Federkammer zur Aufnahme einer wendelförmigen Druckfeder, die den Kolben in Richtung Vergrößerung der Hochdruck­ kammer kraftbeaufschlagt.

Eine derartige Einspritzvorrichtung ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil durch entsprechend unterschiedlich große Auslegung der Hochdruckkammer und der zweiten Steuerkammer und damit verbunden der Hochdruckfläche und der zweiten Steuer­ fläche des Druckkolbens der Vorrichtung vom Kraftstoffzulauf her eine größere Kraftstoffmenge zugeführt wird als dem Volumen der Druckkammer und damit der einzuspritzenden Kraftstoffmenge entspricht. Das bedeutet, daß gegenüber der Zuführung exakt der jeweils einzuspritzenden Kraftstoffmenge durch Toleranzen bedingte Fehler entsprechend dem Volumenverhältnis von Druck­ kammer und zweiter Steuerkammer untersetzt werden. Weiterhin wird auf einfache Weise, nämlich mittels des als Magnetventil ausgeführten Mehrwegeventils, sowohl der Zumeßbeginn und die Zumeßphase als auch der Spritzbeginn sowie eine "Ruhephase" zwischen beiden definiert.

Die beschriebene bekannte Einspritzvorrichtung besitzt jedoch Nachteile, die sich insbesondere bei ihrem praktischen Einsatz in der Großserie bemerkbar machen. So erfordert die Unterbrin­ gung der auf den Druckkolben einwirkenden Druckfeder nicht nur in unerwünschter Weise Bauraum - zur Gewinnung der Federkammer ist bei dem diskutierten Stand der Technik der Druckkolben zweiteilig ausgeführt -, sondern die Federtoleranzen können zu störenden Abweichungen der zeitlichen Arbeitsweise der ver­ schiedenen Einspritzvorrichtungen führen, die den unterschied­ lichen Zylindern ein und derselben Maschine zugeordnet sind. Ebenfalls in Richtung Ungenauigkeit der jeweils zugeführten Kraftstoffmenge macht sich die Tatsache bemerkbar, daß der Kraftstoff nach entsprechender Betätigung des Mehrwegeventils gleichsam schlagartig in die zweite Steuerkammer einströmen kann, obwohl zur Belieferung derselben relativ viel Zeit zur Verfügung steht.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine Ein­ spritzvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 unter Wahrung der vorteilhaften Eigenschaften des relevanten Standes der Technik bei Verringerung ihres Bauaufwands und demgemäß ihrer Abmessungen hinsichtlich der Genauigkeit der Kraftstoffzumessung zu verbessern.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs, vorteilhafte Ausbil­ dungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.

Bei der Erfindung ist also in vorteilhafter Weise durch Vorsehen einer dritten Steuerkammer, die stets mit dem Kraftstoffabfluß verbunden und demgemäß praktisch drucklos ist, die Notwendigkeit einer Druckfeder zur Bewegung des Kolbens im Sinne einer Ver­ größerung der Hochdruckkammer während der Zumeßphase vermieden. Diese dritte Steuerkammer bzw. die dritte Steuerfläche stellt gleichsam eine Verringerung der ersten Steuerfläche dar, die stets unter der Krafteinwirkung des unter Druck stehenden, von der Kraftstoffzufuhr kommenden Kraftstoffs steht. Das Vor­ sehen der Drossel in der Verbindung zwischen der Kraftstoffzufuhr einerseits und der zweiten Steuerkammer andererseits definiert ein Druckübersetzungsverhältnis zwischen dem Kraftstoffdruck im Kraftstoffzulauf und dem Kraftstoffdruck in der Hochdruck­ kammer, also letztlich dem Einspritzdruck. Die Zumessung des Kraftstoffs zur zweiten Steuerkammer erfolgt nicht mehr schlag­ artig nach entsprechender Betätigung des Mehrwegeventils, sondern über einen längeren Teil der zur Verfügung stehenden Zeit zwischen der Beendigung eines Einspritzimpulses und dem durch Änderung der Erregung des Mehrwegeventils eingeleiteten nächsten Einspritz­ vorgang. Alle diese Maßnahmen wirken sich günstig hinsichtlich der Genauigkeit der abgespritzten Kraftstoffmenge aus.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, die einen Axialschnitt durch die er­ findungsgemäße Vorrichtung wiedergibt.

Alle Bestandteile der Vorrichtung sind zu einer Baueinheit in einem mehrteiligen Gehäuse zusammengefaßt, das in bekannter Weise direkt in die eigentliche Brennkraftmaschine eingesetzt werden kann. Einen zentralen Bestandteil der Vorrichtung bildet die Hochdruckkammer 1, die dazu dient, über die Kanalanordnung 2 Kraftstoff zum nicht dargestellten Düsennadelraum des Kraftstoff- Einspritzventils 3 zu transportieren und durch dort stattfindende Druckerhöhung die Düsennadel von ihrem Sitz abzuheben, wodurch in bekannter Weise Düsenquerschnitte zum Einspritzen von Kraft­ stoff in den jeweiligen Brennraum der Maschine freigegeben werden. Diese Einzelheiten interessieren hier nicht, zumal sie, wie gesagt, bekannt sind.

Die Hochdruckkammer 1, die dauernd über das Rückschlagventil 4 und die Kanalanordnung 5 in Strömungsverbindung mit dem Kraft­ stoffzulauf 6 steht, also druckbeaufschlagt ist, wird in der Figur nach oben begrenzt durch die Hochdruckfläche 7 des allge­ mein mit 8 bezeichneten Druckkolbens, der bei seiner durch den Pfeil angedeuteten Hubbewegung in der Figur nach unten die Verkleinerung der Hochdruckkammer zum Zwecke der Betätigung des Einspritzventils 3 bewirkt. Der Druckkolben 8 ist symme­ trisch bezüglich der Längsachse 9 ausgebildet. Er enthält die beiden axialen Bereiche 10 und 11, die mit ihren Stirnflächen die Hochdruckfläche 7 und die in ihrer Bedeutung noch zu beschrei­ bende dritte Steuerfläche 12 bilden, sowie den bundartigen Be­ reich 13, der eine erste und eine zweite Steuerfläche 14 bzw. 15 bildet; diese letztgenannten Steuerflächen sind ringscheibenför­ mige Flächen, die die axialen Bereiche 9 und 10 umschließen.

Betrachtet man zunächst die Verhältnisse im Bereich der ersten Steuerfläche 14, so begrenzt sie die erste Steuerkammer 16, die dauernd über den Kanal 17 in Strömungsverbindung mit dem Kraftstoffzulauf 6 steht; in ihr herrscht also der Versorgungs­ druck des Systems, der in der Regel konstant sein wird, also an einem Druckspeicher abgegriffen wird. Es ist aber auch möglich, den Versorgungsdruck und damit den Druck im Kraftstoffzulauf 6 zu steuern oder zu regeln in Abhängigkeit von Parametern der Brennkraftmaschine, beispielweise in Abhängigkeit von ihrer jeweiligen Drehzahl.

Während also in dem angenommenen Beispiel der Druck in der ersten Druckkammer 16 stets denselben Wert hat, wird die durch die zweite Steuerfläche 15 des Druckkolbens 8 begrenzte zweite Steuerkammer 18 über den Kanal 19 und das Mehrwegeventil 20 zeitweilig mit dem Kraftstoffzulauf 6 und zeitweilig mit dem Kraftstoffrücklauf 21 strömungsmäßig verbunden.

Ehe auf die Ausbildung des Mehrwegeventils 20 eingegangen wird, sei ergänzt, daß die dritte Steuerfläche 12 des Druckkolbens 8 die dritte Druckkammer 22 begrenzt, die über den Kanal 23 und eine entsprechende Ausnehmung in dem Gehäuse 24 des Mehrwege­ ventils 20 dauernd mit dem Kraftstoffrücklauf 21 verbunden und damit drucklos ist.

Zusammenfassend ist also festzustellen, daß die Hochdruckkammer und die erste Steuerkammer 16 dauernd ein relativ hohes Druck­ niveau haben, während die dritte Steuerkammer 22 dauernd praktisch drucklos ist; die zweite Steuerkammer 18 führt zeitweilig - bei entsprechender Stellung des Ankers 25 des Mehrwegeventils 20 - Versorgungsdruck, zeitweise ist sie drucklos.

Das Mehrwegeventil 20 hat eine an sich beispielsweise aus dem SAE-Paper 831 326 bekannten Aufbau: Das bereits erwähnte Gehäuse 24 bildet zwei Ventilsitze 26 und 27 für die beiden über die Stange 28 in solchem Abstand miteinander verbundenen, als Ventilkörper dienenden Kugeln 29 und 30, daß dann, wenn der Betätigungselektro­ magnet 31 Erregerstrom führt, der Ventilkörper 30 auf seinem Sitz 27 aufliegt und demgemäß die zweite Steuerkammer 18 unter Aufhebung ihrer Verbindung zum Kraftstoffrücklauf 21 mit dem Kraftstoffzulauf 6 verbindet. Wie noch erläutert wird, bedeutet dies ein Anheben des Druckkolbens 8 zum Zwecke der Kraftstoff­ zufuhr zur Hochdruckkammer 1. Bei Aberregung des Elektromag­ neten 31 dagegen kehrt die Ventilkörperanordnung 29, 30 unter dem Druck des Kraftstoffs im Kraftstoffzulauf 6 in ihre gezeich­ nete rechte Endlage zurück, in der jetzt der Ventilkörper 29 auf seinem Sitz 26 aufliegt, dagegen der Ventilkörper 30 einen Strömungsquerschnitt zur Verbindung des Kanals 19 mit dem Kraft­ stoffrücklauf freigibt. Insoweit ist das Mehrwegeventil also, wie gesagt, bekannt. Erfindungsgemäß ist nun in der Strömungs­ verbindung zwischen dem Kraftstoffzulauf 6 einerseits und dem Kanal 19 und damit der zweiten Steuerkammer 18 andererseits die zylinderringförmige Drossel 32 vorgesehen, die sich leicht relativ genau fertigen läßt. Das bedeutet, daß nach Herstellung der Strömungsverbindung zwischen Zulauf 6 und Kanal 19 der Druckaufbau in der ersten Steuerkammer 18 relativ langsam erfolgt.

Im einzelnen arbeitet die beschriebene Vorrichtung wie folgt: In der dargestellten Ausgangslage liegt am Kraftstoffzulauf ein konstanter Druck von z.B. 100 bar vor; der Rücklauf 21 ist drucklos. Durch den am Kraftstoffzulauf 6 anstehenden Ver­ sorgungsdruck wird die Ventilkörperanordnung 29, 30 bei aberreg­ tem Elektromagneten 31 in die gezeichnete rechte Endlage gedrückt. Wie bereits beschrieben, ist die erste Steuerkammer 18 drucklos; der Druckkolben 8 nimmt demgemäß unter der Wirkung des auf seiner ersten Steuerfläche 14 lastenden Kraftstoffdrucks seine untere Endposition ein, und das Volumen der Hochdruckkammer 1 besitzt seinen Minimalwert (Beendigung des Einspritzvorgangs). Zur schnellen Druckentlastung des Düsennadelraums können, wie aus der JP-A 58-98 654 bekannt, vom Druckkolben in dieser Stellung Abströmquerschnitte freigegeben werden.

Wird nunmehr der Elektromagnet 31 des Mehrwegeventils 20 erregt, so bewegt sich sein Anker 25 aus der gezeichneten rechten End­ position in die linke Endposition, in der der Ventilkörper 30 die Verbindung zwischen Kanal 19 und Rücklauf 21 unterbricht, dagegen der Ventilkörper 29 die Verbindung zwischen Zulauf 6 und Kanal 19 herstellt. Über die Zylinderringdrossel 32 strömt eine definierte Kraftstoffmenge in die erste Steuerkammer 18, wodurch der Druckkolben 8 in der Figur in Richtung nach oben angehoben wird, da die dritte Steuerkammer 22 stets praktisch drucklos ist. Bei dieser Aufwärtsbewegung des Druckkolbens 8 strömt über das Rückschlagventil 4 die beim nächsten Einspritz­ vorgang einzuspritzende Kraftstoffmenge in die Hochdruckkammer 1.

Wird die Erregung des Elektromagneten 31 des Mehrwegeventils 20 abgeschaltet, so wird in bereits beschriebener Weise die zweite Steuerkammer 18 vom Zulauf 6 getrennt und mit dem Rücklauf 21 verbunden. Dadurch kann der Kraftstoff aus dieser Steuerkammer ungedrosselt abfließen. Dies wiederum hat zur Folge, daß über den dauernd in der ersten Steuerkammer 16 herrschenden Versorgungs­ druck der Druckkolben 8 unter Volumenverkleinerung der Hochdruck­ kammer 1 in der Figur im Sinne des Pfeils abwärts bewegt wird, so daß die in der Hochdruckkammer 1 eingeschlossene Kraftstoff­ menge in üblicher Weise über die Einspritzdüse 3 in den Brenn­ raum gespritzt wird. Dies setzt verständlicherweise voraus, daß der Öffnungsdruck der Düsennadel über dem Versorgungsdruck liegt, damit nur bei der beschriebenen Abwärtsbewegung des Druckkolbens 8 die Einspritzung erfolgt.

Befindet sich dieser in seiner unteren Endlage, so wird der Einspritzvorgang beendet; eine Rückstellfeder drückt die Ventil­ nadel wieder in ihre Dichtstellung.

Nach dieser Beendigung des Einspritzvorgangs bleibt der Druck­ kolben 8 in seiner unteren Totlage, da sich die Druckverhält­ nisse an seinen vier Steuerflächen nicht im Sinne einer Ver­ größerung von nach oben wirkenden Druckkräften ändern. Erst dann, wenn der Elektromagnet 31 über eine Steuervorrichtung wieder erregt wird, also der Ventilkörper 29 von seinem Sitz 26 abhebt und demgemäß die zweite Steuerkammer wieder mit Kraft­ stoff unter Druck beaufschlagt wird, beginnt die erneute Auf­ wärtsbewegung des Druckkolbens 8, also die neue Zumeßphase, und der Zyklus beginnt von neuem.

Verständlicherweise ist es auch möglich, ein in anderer Weise aufgebautes Elektromagnetventil oder ein hydraulisch angesteuer­ tes Ventil zu verwenden, wie dies auf diesem Gebiet der Technik bekannt ist.

Mit der Erfindung ist demgemäß eine hohe Kraftstoffdrücke er­ zeugende Kraftstoff-Einspritzvorrichtung der gattungsgemäßen Art geschaffen, die insbesondere infolge Vermeidung von Federn und alleiniger Ausnutzung von Kraftstoffdruckverhältnissen klein und zuverlässig baut und bei der durch Drosselung der Kraftstoffströmung in eine Steuerkammer in großem Maße eine Toleranzunempfindlichkeit sichergestellt ist.

Claims (5)

1. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einer dauernd mit einem Kraftstoffzulauf und mit einem vom Kraftstoffdruck betätigten Einspritzventil in Verbindung stehenden, eine diesem vorgelagerte Kraftstoffmenge aufnehmen­ den, von einer Hochdruckfläche eines Druckkolbens begrenzten Hochdruckkammer, der mit Steuerflächen mehrere Steuerkammern begrenzt, von denen eine erste dauernd mit dem Kraftstoff­ zulauf in Verbindung steht und in der der Kraftstoffdruck eine erste Steuerfläche des Druckkolbens im Sinne einer Verkleinerung der Hochdruckkammer beaufschlagt, während eine den Druckkolben ringförmig umschließende zweite Steuer­ kammer, in der der Kraftstoffdruck eine zweite Steuerfläche des Druckkolbens im Sinne einer Vergrößerung der Hochdruck­ kammer beaufschlagt, über ein zur zeitlichen Steuerung der Betätigung des Einspritzventils durch Fremdenergie angesteuer­ tes Mehrwegeventil während des Einspritzvorgangs mit einem Kraftstoffrücklauf, sonst mit dem Kraftstoffzulauf in Verbin­ dung steht, dadurch gekennzeichnet, daß der nur unter der Kraftwirkung von Kraftstoffdrücken stehende Druckkolben (8) mit einer dritten Steuerfläche (12) eine dritte Steuerkammer (22) begrenzt, die dauernd mit dem Kraftstoffrücklauf (21) verbun­ den ist und in der der Kraftstoffdruck die dritte Steuer­ fläche (12) im Sinne der Verkleinerung der Hochdruckkammer (1) beaufschlagt, und daß in der Verbindung zwischen zweiter Steuerkammer (18) und Kraftstoffzulauf (6) eine derart be­ messene Drossel (32) liegt, daß während des Zeitintervalls des Vorliegens dieser Verbindung unter Berücksichtigung des Größenverhältnisses von Hochdruckfläche (7) und zweiter Steuerfläche (15) der Druckkolben (8) einen der gewünschten einzuspritzenden Kraftstoffmenge entsprechenden Hub ausführt.

2. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrwegeventil (20) ein Magnetventil solcher Ausbildung ist, daß es bei Abschalten seiner Erregung die Verbindung der zweiten Steuerkammer (18) mit dem Kraftstoffrücklauf (21) herstellt.

3. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Druckkolben (8) einen bezüglich seiner mit der Hubrichtung zusammenfallenden Längsachse (9) symme­ trischen Aufbau besitzt mit zwei nach entgegengesetzten Richtungen weisenden axialen Bereichen (10, 11) zur Bildung der Hochdruckfläche (7) und der dritten Steuerfläche (12) sowie einem bundartigen Bereich (13) zur Bildung der - von jeweils einem der axialen Bereiche (10, 11) durchsetzten - ersten und zweiten Steuerfläche (14, 15) .

4. Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Hochdruckfläche (7) und dritte Steuer­ fläche (12) gleich groß sind.

5. Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der dritten Steuerfläche (12) verschieden, bevorzugt kleiner, als diejenige der Hochdruck­ fläche (7) ist.