DE4334802C1

DE4334802C1 - Brennstoffeinspritzsystem für Dieselmotoren

Info

Publication number: DE4334802C1
Application number: DE19934334802
Authority: DE
Inventors: Guenther Schmidt
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH; MTU Motoren und Turbinen Union Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 1993-10-13
Filing date: 1993-10-13
Publication date: 1995-01-05
Anticipated expiration: 2013-10-14

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzsystem für Dieselmotoren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Dieselmotoren müssen heute für einen großen Bereich verschiedenartiger Kraftstoffe ausgelegt sein. Mit der Anwendung elektromagnetisch be triebener Einspritzventile lassen sich bemerkenswerte Verbesserungen bei der Verbrennung unterschiedlicher Kraftstoffe in Dieselmotoren nachweisen.

Aus der DE 41 90 251 T1 ein Brennstoffeinspritzsystem für Diesel motoren bekannt, das eine Brennstoffeinspritzpumpe aufweist, die einen von einem Antriebsnocken betätigten gleitbeweglichen Kolben in einem Zylinder enthält. Die Brennstoffeinspritzpumpe fördert durch ein Ein spritzrohr Brennstoff zu einem Einspritzventil. Das Einspritzrohr ist mit einem magnetspulenbetätigten Ventil verbunden. Das Ventil wird von einer Vorspannfeder normalerweise zu einem Rücklauf offengehalten und entgegen der Federkraft geschlossen, wenn die Magnetspule mit Strom beaufschlagt wird, wobei gemäß diesem Stand der Technik der Strom nicht gleichförmig an der Magnetspule anliegt, sondern nur über einen vorbestimmten Zeitraum angelegt und wieder unterbrochen wird, so daß eine aufgespaltene Brennstoffeinspritzung erzielt werden kann.

Bei hoher Motordrehzahl und geringer Last ist es erforderlich, fein dosierte kleine Einspritzmengen pro Arbeitstakt und Einspritzventil in die Zylinder des Dieselmotors einzuspritzen, wozu das magnetspulenbe tätigte Ventil im ballistischen Bereich (= Ventil frei fliegend, Ven tilsitz wird nicht erreicht) betrieben werden muß. Hydraulische Rück wirkungen im Einspritzsystem können in diesem Betriebsbereich jedoch den Bewegungsverlauf eines magnetspulenbetätigten Ventils beeinflussen und damit die Einspritzmenge. Bei dem genannten vorbekannten Ein spritzsystem kann von Zylinder zu Zylinder und von Arbeitstakt zu Ar beitstakt die Einspritzmenge daher stark variieren, so daß der Gleich lauf des Dieselmotors gestört wird. Ein weiteres Problem ergibt sich, wenn bei Erhöhung der Bestromungsdauer das magnetspulenbetätigte Ven til den ballistischen Bereich verläßt, am Ventilsitz anschlägt und dadurch einen Impuls in eine der Schließrichtung entgegengesetzte Richtung bekommt. Dieser Impuls kann zu einer spontan steileren Öff nungsflanke führen, wodurch die Einspritzmenge bei steigender Bestro mungsdauer reduziert wird. Wird zur Verhinderung des beschriebenen Problems die Dämpfung des magnetspulenbetätigten Ventils erhöht, erge ben sich für das Ventil größere Schaltzeiten, wodurch wiederum die kleinstmögliche Einspritzmenge am Einspritzventil größer wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Einspritzsystem für Dieselmotoren zu schaffen, das die genaue Dosierung kleinster Ein spritzmengen bei hoher Drehzahl des Dieselmotors erlaubt.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt bei einem gattungsgemäßen Brennstoffeinspritzsystem für Dieselmotoren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Die Unteransprüche weisen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung auf.

Gemäß der Erfindung ist in einem Einspritzsystem eine Steuereinrich tung mit einem magnetspulenbetätigten Ventil versehen, das in zwei unterschiedlichen Hubbereichen den Querschnitt eines Rücklaufs kon trolliert, über den die zu einem Einspritzventil geförderte Brenn stoffmenge reguliert werden kann. Liegt keine Spannung an der Magnet spule der Steuereinrichtung an, ist das Ventil von einer ersten Feder offen gehalten, so daß von einer Einspritzpumpe zu dem Einspritzventil beförderter Brennstoff in den auf Umgebungsdruck befindlichen Rücklauf fließen kann. Wird Spannung an die Magnetspule angelegt, reduziert das Ventil in einem ersten Hubbereich entgegen der Kraft der ersten Feder den Querschnitt des Rücklaufs und erzeugt so bei hohen Drehzahlen des Dieselmotors einen hydraulischen Drosselwiderstand, der im Einspritz system eine dynamische Förderung bewirkt, so daß genau dosierte kleine Mengen Brennstoff durch das Einspritzventil gelangen können. Wird die Spannung an der Magnetspule erhöht, bis das Ventil den ersten Hubbe reich in Schließrichtung durchlaufen hat, gelangt das Ventil in Ein griff mit einer zweiten Feder, die in einem zweiten Hubbereich zusätz lich zur ersten Feder der Schließbewegung des Ventils entgegenwirkt. Wird die Spannung an der Magnetspule weiter erhöht, kommt das Ventil nach Durchlaufen beider Hubbereiche entgegen der Kräfte aus den ersten und zweiten Federn zur Anlage an seinen Ventilsitz, so daß der Rück lauf geschlossen ist und die von der Einspritzpumpe geförderte Brenn stoffmenge über das Einspritzventil insgesamt in den Zylinder des Die selmotors eingespritzt wird. Mit dieser magnetspulenbetätigten Steuer vorrichtung ist es gemäß der Erfindung möglich, in einem ersten Hubbereich kleine Einspritzmengen mit geringen Kräften am Ventil genau zu dosieren und in einem zweiten Hubbereich größerer Einspritzmengen die Neigung des Ventils zu unterbinden, beim Schließen durch Nachfedern am Ventilsitz den Rücklauf nochmal zu öffnen, so daß in beiden Hubberei chen die Einspritzmenge des Brennstoffs genau zugemessen werden kann.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Steuereinrichtung des er findungsgemäßen Einspritzsystems ist die zweite Feder mit einer Dämp fungseinrichtung verbunden, so daß beim Schließvorgang das magnetspu lenbetätigte Ventil mit verminderter Bewegungsenergie auf den Ven tilsitz aufsetzt und nochmaliges Öffnen des Ventils durch Nachfedern verhindert wird.

Mit einer vorgespannten zweiten Feder der Steuereinrichtung des erfin dungsgemäßen Einspritzsystems ist für das magnetspulenbetätigte Ventil der Übergang vom ersten zum zweiten Hubbereich deutlich abgegrenzt, so daß nicht bei hydraulischen Rückwirkungen aus dem Einspritzsystem, son dern nur bei einer deutlich geänderten Spannung an der Magnetspule das Ventil vom ersten in den zweiten Hubbereich oder umgekehrt geht.

Vorteilhafterweise wird das magnetspulenbetätigte Ventil des erfin dungsgemäßen Einspritzsystems mit einer drehzahlabhängigen Spannung betrieben. Da die dynamischen Probleme am magnetspulenbetätigten Ven til akut bei hohen Drehzahlen auftreten, wird erst ab einer bestimmten Drehzahl des Dieselmotors die Spannung an der Magnetspule so variiert, daß bei kleinen Einspritzmengen das Ventil sich nur im ersten Hubbe reich bewegt.

Zur Unterdrückung von aus dem Einspritzsystem induzierten Schwingungen im ersten Hubbereich des Ventils wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die erste Feder mit einer Dämpfungseinrichtung zu koppeln, die eine deutlich kleinere Dämpfungsrate als die mit der zweiten Feder ge koppelte Dämpfungseinrichtung aufweist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels dar gestellt. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzsystems,

Fig. 2 ein Diagramm der Steuerspannung an dem erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzsystem bei kleiner Spritzmenge und hoher Drehzahl,

Fig. 3 ein Diagramm der Steuerspannung an dem erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzsystem bei großer Spritzmenge.

Fig. 1: Eine Einspritzpumpe 1 enthält gleitbeweglich einen Kolben 2, der von einem Nocken 3 in üblicher Weise angetrieben wird. Die Ein spritzpumpe 1 steht mit einem Brennstoffreservoir (nicht dargestellt) in Verbindung. Ein Einspritzrohr 4 verbindet die Einspritzpumpe 1 mit einer Druckkammer 5 eines Einspritzventils 6, das ein Ventil 7, eine Feder 8 und Einspritzöffnungen 9 aufweist.

Das Einspritzrohr 4 steht über eine Leitung 11 mit einer Steuerein richtung 10 in Verbindung, die in einem Gehäuse 12 ein Ventil 13 ent hält, das den Querschnitt eines Rücklaufs 14 zu einem Brennstoff reservoir (nicht dargestellt) kontrolliert.

Das Ventil 13 ist einteilig mit einem ebenen, kreisförmigen Anker 15 ver bunden, an dem koaxial eine vorzugsweise spiralförmige erste Druck feder 16 anliegt. Koaxial zu der ersten Druckfeder 16 ist eine zweite Druckfeder 17 im Gehäuse 12 vorgesehen, die einen Durchmesser auf weist, der innerhalb der senkrechten Projektion des kreisförmigen An kers 15 liegt.

Die zweite Druckfeder 17 stützt sich an einem Anschlag 22 des Gehäuses 12 ab, wenn das Ventil 13 den Rücklauf 14 offen hält, und ist mit ei ner Dämpfungseinrichtung 23 gekoppelt. Die erste Druckfeder 16 kann ebenfalls mit einer Dämpfungseinrichtung (nicht dargestellt) mit klei nerem Dämpfungsgrad gekoppelt sein.

Innerhalb und koaxial zu den ersten und zweiten Druckfedern 16, 17 ist eine Magnetspule 18 im Gehäuse 12 angeordnet. Die Magnetspule 18 ist mit einer Wicklung 19 versehen, die über Anschlüsse 20, 21 mit Span nung beaufschlagt werden kann.

Verfahren zum Betrieb des erfindungsgemäßen Einspritzsystems

Bei Drehung des Nockens 3 fördert die Einspritzpumpe 1 Brennstoff aus einem Brennstoffreservoir unter Druck in das Einspritzrohr 4 zum Ein spritzventil 6. Ist das Ventil 13 und damit der Rücklauf 14 geöffnet, kann der Brennstoff über den Rücklauf 14 in ein Brennstoffreservoir abfließen, so daß das Einspritzventil 6 geschlossen bleibt und kein Brennstoff in den Zylinder des Dieselmotors (nicht dargestellt) ge langt.

Bei ausreichend hoher Spannung an der Wicklung 19 der Magnetspule 18 kann das Ventil 13 über den Anker 15 gegen die Kraft der ersten und zweiten Druckfedern 16, 17 vollständig geschlossen werden. Der Rück lauf 14 ist dann gesperrt, und der Druck aus der Einspritzpumpe 1 liegt an der Druckkammer 5 des Einspritzventils 6 an, so daß das Ventil 7 abhebt und Brennstoff über die Einspritzöffnungen 9 in den Zylinder des Dieselmotors eingespritzt wird.

Gemäß der Erfindung liegt bei niedriger Drehzahl des Dieselmotors zum Einspritzzeitpunkt für eine vorbestimmte Dauer eine ausreichend hohe Spannung an der Magnetspule 18 der Steuereinrichtung 10, so daß sich das Ventil 13 über beide Hubbereiche bewegt und eine große Einspritz menge in die Zylinder gelangt.

Fig. 2 und Fig. 3 stellen für jeweils eine Einspritzung zwei bevorzug te Spannungsverläufe an der Magnetspule 18 der Steuereinrichtung 10 und die jeweils entsprechenden, durch das Ventil 13 bewirkten Änderungen des Öffnungsquerschnitts des Rücklaufs 14 über der Zeit aufgetragen dar.

Fig. 2: Soll ab einer vorbestimmtem höheren Drehzahl eine fein do sierte kleine Brennstoffmenge in die Zylinder des Dieselmotors einge spritzt werden, wird gemäß der Erfindung zum Einspritzzeitpunkt te bis zu einer vorbestimmten Zeit t1 eine Rechteckspannung U1 an die Wick lung 19 der Magnetspule 18 angelegt, und somit eine Kraft K1 auf den Anker 15 ausgeübt. Das Ventil 13 kann sich mit dieser Kraft K1 gegen die Feder 16 aus der geöffneten Stellung mit dem Öffnungsquerschnitt A0 des Rücklaufs 14 durch den ersten Hubbereich bis zu einer Stellung bewegen, die einem Öffnungsquerschnitt A1 des Rücklaufs 14 entspricht. Die Kraft K1 reicht aber nicht aus, das Ventil 13 gegen die Kraft der zwei ten Feder 17 zu schließen, und den Öffnungsquerschnitt A_eff des Rück laufs 14 bis auf einen Wert kleiner als den Öffnungsquerschnitt A1 zu reduzieren. Aus der Schließbewegung des Ventils 13 resultiert eine Druckerhöhung am Rücklauf 14, die eine dynamische Förderung im Ein spritzsystem bewirkt, so daß das Ventil 7 des Einspritzventils 6 für eine genau dosierte kleine Einspritzmenge die Einspritzöffnungen 9 freigibt. Druckschwingungen aus dem Einspritzsystem können das Ventil 13 innerhalb des ersten Hubbereichs nur bis zur Anlage an die vorge spannte Feder 17 führen, da die Kräfte aus den Druckschwingungen nicht ausreichen, das Ventil 13 gegen die Kraft der Feder 17 zu bewegen. Die Einspritzmenge in die Zylinder kann über eine Erhöhung Δt der Zeit t1, während der die Spannung U1 an der Wicklung 19 der Magnetspule 18 an liegt, innerhalb des ersten Hubbereichs vergrößert werden. Das Ventil 13 wird von der Feder 16 wieder in die geöffnete Stellung mit Öffnungs querschnitt A0 am Rücklauf 14 bewegt, wenn keine Spannung an der Mag netspule 18 anliegt.

Fig. 3: Soll ab einer vorbestimmten höheren Drehzahl eine große Brenn stoffmenge in die Zylinder eingespritzt werden, wird gemäß der Erfin dung zum Einspritzzeitpunkt te bis zu einer vorbestimmten Zeit t2 eine Rechteckspannung U2 an die Wicklung 19 der Magnetspule 18 angelegt, die ausreicht, das Ventil 13 aus der geöffneten Stellung mit dem ent sprechenden Öffnungsquerschnitt A0 des Rücklaufs 14 über beide Hubbe reiche entgegen der Kräfte der ersten und zweiten Federn 16, 17 zu schließen und den Rücklauf 14 vollständig zu sperren. Nach der Zeit t2 wird bis zu einer Zeit t3 die reduzierte Spannung U3 an die Wicklung 19 der Magnetspule 18 angelegt, so daß das Ventil 13 weiter geschlossen gehalten wird. Im ersten Hubbereich, wenn das Ventil 13 gegen die Kraft der ersten Feder 16 von der Magnetspule 18 in Schließrichtung bewegt wird, reduziert das Ventil 13 relativ rasch den Öffnungsquer schnitt A_eff des Rücklaufs 14 bis auf den Öffnungsquerschnitt A1. Im zweiten Hubbereich, wenn das Ventil 13 gegen die Summe der Kräfte der ersten Feder 16 und der zweiten Feder 17 und der damit verbundenen Dämpfungseinrichtung 23 von der Magnetspule 18 in Schließrichtung be wegt wird, reduziert das Ventil 13 relativ langsam den Öffnungsquer schnitt A_eff des Rücklaufs 14 bis auf null, so daß das Ventil 13 sanft und ohne Neigung zu einem nochmaligen Öffnen des Rücklaufs 14 am Ven tilsitz aufsetzt. Die Einspritzmenge in die Zylinder kann über eine Erhöhung Δt1 der Zeit t3, während der die Spannung U3 an die Wicklung 19 der Magnetspule 18 angelegt ist, vergrößert werden.

Nach Unterbrechung der Spannung U an der Wicklung 19 der Magnetspule 18 öffnet sich das Ventil 13 im zweiten Hubbereich auf Grund der Dämp fung der zweiten Feder 17 zunächst langsam und im ersten Hubbereich auf Grund der geringen Dämpfung der Feder 16 etwas schneller.

Claims

1. Brennstoffeinspritzsystem für Dieselmotoren mit einer Einspritz pumpe (1), einem Einspritzventil (6), einem Einspritzrohr (4) zwischen der Einspritzpumpe (1) und dem Einspritzventil (6), und einer Steuereinrichtung (10), die das Einspritzrohr (4) mit einem Rücklauf (14) verbindet, wobei die Steuereinrichtung (10) zur Kontrolle des Öffnungsquerschnitts A_eff des Rücklaufs (14) ein Ventil (13), das von einer ersten Feder (16) in einer offenen Stellung gehalten wird, einen mit dem Ventil (13) verbundenen An ker (15) und eine Magnetspule (18) aufweist, dadurch ge kennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (10) eine zweite Feder (17) enthält, die sich an einem Anschlag (22) abstützt, wenn das Ventil (13) in seiner offenen Stellung ist und an dem Ventil (13) zur Anlage kommt und entgegen dessen Schließbewegung wirkt, bevor das Ventil (13) den Öffnungsquerschnitt des Rücklaufs (14) schließt.

2. Einspritzsystem für Dieselmotoren gemäß Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Feder (17) mit einer Dämpfungseinrichtung (23) zusammenwirkt.

3. Einspritzsystem für Dieselmotoren gemäß Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Feder (17) vorgespannt ist.

4. Einspritzsystem für Dieselmotoren gemäß Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die an der Wicklung (19) der Magnetspule (18) anliegende Spannung U in Abhängigkeit von der Drehzahl des Diesel motors gesteuert wird.

5. Einspritzsystem für Dieselmotoren gemäß Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Feder (16) mit einer Dämpfungseinrichtung zusammenwirkt, deren Dämpfungswirkung kleiner ist als die Dämp fungswirkung der Dämpfungseinrichtung (23) der Feder (17).