DE4413787A1 - Ventil zum Luftdruckaufbau für eine luftdruckbetriebene Kraftstoff-Einspritzdüse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Luftdruckaufbau für den Einsatz mit einer kompressorlosen, luftdruckbetriebenen Kraftstoff-Einspritzdüse in Verbindung mit einem Zylinder eines Viertakt-Verbrennungsmotors, eine luftdruckbetriebene Kraftstoff-Einspritzbaugruppe für die Verwendung mit einem Zylinder eines Verbrennungsmotors sowie eine Kraftstoff- Einspritzvorrichtung zum Einsatz mit mehreren Zylindern eines Verbrennungsmotors. Insbesondere bezieht sie sich auf ein Ventil in einer druckluftbetriebenen Kraftstoff-Ein­ spritzvorrichtung.

Im Stand der Technik ist eine Kraftstoff-Einspritzvorrich­ tung bekannt, die Druckluft als Hochdruckquelle für den Ein­ spritzvorgang in der Kraftstoff-Einspritzdüse verwendet und bei der Luft und Kraftstoff vor dem Einspritzen in der Ein­ spritzdüse vorgemischt werden. Eine typische Kraftstoff- Pumpe setzt den Kraftstoff unter Druck. Die Luft kann durch Verwendung eines separaten, vom Motor angetriebenen Kom­ pressors unter Druck gesetzt werden. Ferner kann die Luft unter Einsatz eines Ventils unter Druck gesetzt werden, das den Druck im Motorzylinder während des Kompressionshubes dazu verwendet, um die Luft unter Druck zu setzen. Diese Art Einspritzvorrichtung, bei der die Druckluft ein Öffnen der Kraftstoff-Einspritzdüse bewirkt, um ein vorgemischtes Luftkraftstoffgemisch in die Verbrennungskammer einzusprit­ zen, wird für eine verbesserte Kraftstoffzerstäubung ver­ wendet.

Das Ventil ist wirksamer als ein separater Kompressor, da es keiner getrennten Energiequelle bedarf, um den Kompres­ sor zu betreiben. Zusätzlich benötigt das Ventil keinen Platz auf den Motor, um den getrennten Kompressor zu befe­ stigen. Zum Betrieb zieht das Ventil etwas Energie vom Mo­ tor ab, da es lediglich etwas Druck von dem bereits unter Druck stehenden Motorzylinder abzweigt. Daher besteht Be­ darf an einem Ventil, das eine ausreichende Luftmenge ver­ dichtet und speichert, um eine luftdruckbetriebene Kraft­ stoff-Einspritzvorrichtung zu betreiben.

Die US-PS 4,899,714 von Schechter et al. beschreibt eine Ventilbaugruppe, die dazu in der Lage ist. Dieses Ventil arbeitet in der luftdruckbetriebenen Einspritzvorrichtung, um Luft unter Druck zu setzen, ohne daß ein separater Kom­ pressor zur Energieversorgung der Vorrichtung notwendig ist. Es kann ausreichend Druckluft für jeden Einspritzvor­ gang bereitstellen, ohne die Vorrichtung zu überladen. Da sich jedoch das Ventil in das Innere des Zylinders öffnet, wenn der Zylinderdruck während des Expansionshubes fällt, neigt dieser restliche Druck dazu, Luft mit dem verbleiben­ den Kraftstoff aus dem Ventil in den Zylinder zurückzuzie­ hen, was schädlich für die gesamte Motoremission ist.

Daher besteht ein Bedarf an einem Ventil, das bei jedem Zy­ klus ausreichend Luft für die Verwendung in einer luft­ druckbetriebenen Einspritzvorrichtung verdichtet, ohne die Vorrichtung zu überladen, indem sie vom Zylinder verdich­ tete Luft als Ladedruckmittel verwendet, aber ein Rückströ­ men des verbleibenden Kraftstoffs aus dem Ventil in den Mo­ torzylinder verhindert.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ventil zum Luftdruckauf­ bau für den Einsatz mit einer kompressorlosen, luftdruckbe­ triebenen Kraftstoff-Einspritzdüse zu schaffen, das ausrei­ chend Druckluft für den Einspritzvorgang bereitstellt.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Ventil zum Luftdruckauf­ bau für den Einsatz mit einer kompressorlosen, luftdruckbe­ triebenen Kraftstoff-Einspritzdüse in Verbindung mit einem Zylinder eines Viertakt-Verbrennungsmotors, das einen Ven­ tilkörper mit einer Durchgangsbohrung, die ein zum Zylinder offenes erstes Ende und ein zweites Ende mit Abstand zum ersten Ende aufweist; Ventilmittel in der Durchgangsboh­ rung, die wahlweise Druckluft durch das erste Ende der Durchgangsbohrung aus dem Zylinder strömen lassen, wenn der Druck im Zylinder größer als ein vorbestimmter Minimaldruck ist; Speichermittel zum Aufnehmen der Druckluft aus dem zweiten Ende der Durchgangsbohrung und zum zeitweiligen Speichern der Druckluft, bevor sie in die luftdruckbetrie­ bene Kraftstoff-Einspritzdüse eintritt; und Kolben-Stößel- Mittel zum wahlweisen Schließen der Ventilmittel gegenüber der vom Zylinder in die Durchgangsbohrung strömenden Druck­ luft, wenn der Druck in den Speichermitteln ein vorbestimm­ tes Niveau erreicht, um zu verhindern, daß Druckluft aus der Durchgangsbohrung in den Zylinder zurückströmt, umfaßt.

Die Erfindung betrifft aber auch eine luftdruckbetriebene Kraftstoff-Einspritzbaugruppe für die Verwendung mit einem Zylinder eines Verbrennungsmotors, die eine Kraftstoff-Ein­ spritzdüse mit einem Lufteinlaß, einer Kraftstoffeinlaß und einem betätigbaren, normalerweise geschlossenen Luft/Kraft­ stoff-Auslaß; Mittel zum Verbinden des Lufteinlasses mit Luft unter Umgebungsdruck; Mittel zum Verbinden des Kraft­ stoffeinlasses mit einer unter Druck stehenden Kraftstoff­ quelle, um den Kraftstoff mit Umgebungsluft in der Kraft­ stoff-Einspritzdüse zu mischen; einen mit dem Lufteinlaß der Kraftstoff-Einspritzdüse verbundenen Druckluftbehälter; und ein Ventil, um den Druckluftbehälter mit Druckluft aus dem Zylinder zu versorgen und ein Zurückströmen der Luft aus dem Ventil zurück in den Zylinder zu verhindern, umfaßt sowie eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung zum Einsatz mit mehreren Zylindern eines Verbrennungsmotors, die mehrere, einzeln in Folge betreibbare, luftdruckbetriebene Kraft­ stoff-Einspritzdüsen, die jede eine Luft/Kraftstoff-Misch­ kammer mit Kraftstoff- und Lufteinlässen und einen Luft/ Kraftstoff-Auslaß, der normalerweise durch ein durch eine Feder verschließbares und durch Druck zu öffnendes Ventil verschlossen ist; eine mit dem Kraftstoffeinlaß verbundene, unter Druck stehende Kraftstoffquelle; mindestens einen mit dem Lufteinlaß der Kraftstoff-Einspritzdüsen verbundenen Druckluftbehälter; Ventil-Mittel, die eine Druckluftquelle von den Zylindern zu mindestens einem Druckluftbehälter be­ reitstellen und ein Zurückströmen des Gases von den Ven­ til-Mitteln in die Zylinder verhindern; Mittel zum Entlüf­ ten der Luft/Kraftstoff-Mischkammer auf Umgebungsdruck vor Eintritt des Kraftstoffs in dieselbe; die Kraftstoffquelle mit jedem Einspritzdüsen-Lufteinlaß verbindende erste Magnetsteuerungsmittel; und elektrisch betriebene Mittel zur Steuerung der Energieversorgung der Magnetsteuerungs­ mittel, um wahlweise Kraftstoff und Luft jeder der Kraft­ stoff-Einspritzdüsen so zuzuführen, daß eine zeitliche Verzögerung zwischen dem Eintritt des Kraftstoffs in die Kraftstoff-Einspitzdüse und dem Eintritt der Druckluft ge­ schaffen wird, aufweist.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen.

Die Erfindung betrifft ein Ventil für den Einsatz mit einer kompressorlosen, luftdruckbetriebenen Kraftstoff-Einspritz­ düse in Verbindung mit einem Zylinder eines Viertaktver­ brennungsmotors. Das Ventil hat einen Ventilkörper mit ei­ ner Durchgangsbohrung. Außerdem umfaßt es Ventilmittel in­ nerhalb der Durchgangsbohrung, um wahlweise Druckluft durch die Durchgangsbohrung aus dem Zylinder strömen zu lassen, wenn der Druck im Motorzylinder über einen vorbestimmten Minimaldruck ist. Ein Speichermittel ist mit dem Körper verbunden, um die Druckluft aus der Durchgangsbohrung auf­ zunehmen und um die Druckluft zeitweilig zu speichern, be­ vor sie in die luftdruckbetriebene Kraftstoff-Einspritzdüse eintritt. Außerdem hat das Ventil ein Kolben-Stößel-Mittel zum wahlweisen Schließen der Ventilmittel gegenüber der vom Motorzylinder in die Durchgangsbohrung strömenden Druckluft, wenn der Druck im Speichermittel ein vorbestimm­ tes Niveau erreicht, um zu verhindern, daß Druckluft aus der Durchgangsbohrung in den Motorzylinder zurückströmt.

Die Erfindung betrifft ferner mehrere Ventile, die in einer luftdruckbetriebenen Einspritzvorrichtung in Verbindung mit einem mehrzylindrigen Verbrennungsmotor untergebracht sind.

Dementsprechend ist ein Ziel der Erfindung, ein Ventil zu schaffen, das eine druckluftbetriebene Einspritzvorrichtung unter Druck setzt und dabei die Notwendigkeit für einen die gleiche Tätigkeit ausübenden, motorbetriebenen Luftkompres­ sors entfällt.

Ferner ist es ein Ziel der Erfindung, ein Ventil zu schaf­ fen, das eine luftdruckbetriebene Einspritzvorrichtung un­ ter Druck setzt, während es das Zurückströmen von Luft aus dem Ventil in den Motorzylinder verhindert, um ein Zurück­ ziehen von in der Luft enthaltenem, verbleibenden Kraft­ stoff in den Motorzylinder zu verhindern und dadurch schäd­ liche Wirkungen auf den Motoremissionen zu verhindern.

Zusätzlich ist es ein Ziel der Erfindung, ein Ventil zu schaffen, das in einer druckluftbetriebenen Einspritzvor­ richtung verwendet wird, ohne die Vorrichtung unter zu ho­ hem Druck zu setzen, während es sicherstellt, daß die er­ forderliche Druckluftmenge bei jedem Zyklus für die druck­ luftbetriebene Einspritzung verfügbar ist.

Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden, detaillierten Beschreibung erfin­ dungsgemäßer Ausführungsformen, in Verbindung mit der be­ gleitenden Zeichnung. Während das Wort "Luft" aus Gründen der Vereinfachung durchgehend verwendet wird, soll darunter verstanden werden, daß "Luft" jedes Gas/Luft-Gemisch sein kann, das vorher mit Kraftstoff in den Einspritzdüsen ge­ mischt und dann dem Motor zugeführt wird. In der Beschrei­ bung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsge­ mäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer weiteren, er­ findungsgemäßen Ausführungsform der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung;

Fig. 2a eine schematische Darstellung einer weiteren, er­ findungsgemäßen Ausführungsform der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung;

Fig. 3 eine geschnittene Ansicht eines erfindungsgemäßen Ventils;

Fig. 4 eine geschnittene Ansicht entlang der Schnittli­ nie 4-4 der Fig. 3;

Fig. 5a, 5b und 5c schematische Ansichten eines einzelnen, erfindungsgemäßen Ventils, wobei das Ventil bei drei verschiedenen Betriebszuständen gezeigt wird;

Fig. 6 eine geschnittene Ansicht einer weiteren, erfin­ dungsgemäßen Ausführungsform des Ventils;

Fig. 7 eine geschnittene, schematische Ansicht einer be­ kannten Kraftstoff-Einspritz-Baugruppe, die aber für die Verwendung mit der erfindungsgemäßen Ein­ spritzvorrichtung geeignet ist; und

Fig. 8 eine geschnittene Ansicht entlang der Schnittli­ nie 8-8 der Fig. 7.

Die Erfindung betrifft Ventile für luftdruckbetriebene Ein­ spritzvorrichtungen zur Verwendung in Verbrennungsmotoren, die elektronische Einrichtungen für die Kraftstoff- und Luftsteuerung verwenden. Um das Luftkraftstoffgemisch durch die Einspritzdüse in den Motorzylinder einzuspritzen, wird der Einspritzdüse Druckluft zugeführt. Damit kein separa­ ter, vom Motor angetriebenen Kompressors zur Ausführung der Verdichtung notwendig ist, verwendet die Vorrichtung ein Ventil, das die zur Durchführung der Kraftstoffeinspritzung notwendige Druckluft zuführt. Das Ventil führt die Druck­ luft zu, die für eine luftdruckbetriebene Kraftstoffein­ spritzung und für eine bessere Zerstäubung des Kraftstoffes notwendig ist.

Die Druckluft wird während des Kompressionshubes aus dem Motorzylinder gezogen und kurz in einem Speicher gespei­ chert, bis sie in die luftdruckbetriebene Einspritzdüse entladen wird. Die Einspritzung erfolgt, sobald das Luft­ steuerungsmagnetventil für die Kraftstoffeinspritzung beim nächsten Motorzyklus aktiviert wird. Dadurch bedarf es kei­ nes motorbetriebenen Kompressors zum Unter-Druck-Setzen der Luft. Das erfindungsgemäße Ventil baut Druck auf, ohne Überladen der Vorrichtung, sie stellt sicher, daß die für eine luftdruckbetriebene Einspritzung bei jedem Zyklus er­ forderliche Luftmenge verfügbar ist und verhindert das Zu­ rückströmen von Luft aus dem Ventil in den Motorzylinder, um ein Zurückziehen von verbleibendem Kraftstoff zurück in den Zylinder zu vermeiden.

Fig. 1 zeigt eine Ventile 22 verwendende, luftdruckbetrie­ bene Einspritzvorrichtung 20 für einen Dreizylindermotor 12. Die Vorrichtung 20 arbeitet genausogut mit irgendwel­ chen, bekannten Verbrennungsmotoranordnungen einer be­ liebigen Zylinderzahl. Im Zylinderkopf 14 ist eine Kraft­ stoff-Einspritzdüse 24 befestigt und jedem Zylinder 16 ein entsprechendes Ventil 22 zugeordnet. Der Kraftstoff und die Druckluft werden den Kraftstoffeinspritzdüsen 24 über zwei getrennte Unterbaugruppen zugeführt. Bei dieser Kraftstoff- Versorgungsunterbaugruppe zieht eine Kraftstoff-Pumpe 26 Kraftstoff aus einem Kraftstoff-Behälter 28 und liefert sie unter Druck an eine gemeinsame, mit allen drei Einspritzdü­ sen 24 verbundene Kraftstoffleitung 30. Der Kraftstoff fließt durch einen Kraftstoff-Druckregler 32, der über­ schüssigen Kraftstoff über eine Rückführleitung 34 zum Kraftstoff-Behälter 28 rückführt, wenn in dieser Unterbau­ gruppe Überdruck herrscht.

Bei der Druckluftversorgungsunterbaugruppe verbindet eine Druckluftleitung 36 ein unter Bezugnahme auf Fig. 3 be­ schriebenes Ventil 22 jede Einspritzdüse 24 mit ihrem ent­ sprechenden Ventil 22. Bei einem gegebenen Zylinder 16 ist dessen angeschlossene Einspritzdüse 24 mit dem Ventil 22 verbunden, das im selben Zylinder 16 befestigt ist. Diese Anordnung minimiert die Entfernung, die die Druckluft zwi­ schen dem Ventil 22 und seiner entsprechenden Kraftstoff- Einspritzdüse 24 zurücklegen muß, wodurch der Wärmeverlust der Druckluft minimiert wird, bevor sie in die Kraftstoff- Einspritzdüse 24 eintritt. Die Luft höherer Temperatur er­ höht die Verdampfung des Kraftstoffes, bevor er in dem Mo­ torzylinder 16 eintritt.

Zwischen jedem Ventil 22 und seiner entsprechenden Ein­ spritzdüse 24 ist ein Druckluft-Behälter 38 angeschlossen, der die Druckluft zeitweilig speichert, bevor sie in die Einspritzdüse 24 abgelassen wird. Im einfachsten Fall um­ faßt die Druckluftversorgungsvorrichtung Druckluftleitungen 36, die jedes angeschlossene Ventil 22 mit seiner entspre­ chenden Einspritzdüse 24 verbinden. Dieses funktioniert, falls jede Druckluftleitung 36 ausreichend Kapazität hat, die für den nächsten Kraftstoffeinspritzvorgang notwendige Druckluft aufzunehmen. Die aus allen Einspritzdüsen 24 ab­ gegebene Luft wird über eine Luftentlüftungsrückführleitung 40 einem Motoreinlaß zurückgeführt.

Eine andere Ausführungsform der druckluftbetriebenen Ein­ spritzvorrichtung ist in Fig. 2 gezeigt. Bei dieser Ausfüh­ rungsform ist die Kraftstoffversorgungsunterbaugruppe wie die erste Ausführungsform ausgeführt; jedoch sind die Ver­ bindungen zwischen den Ventilen 22 und den Kraftstoffein­ spritzdüsen 24 unterschiedlich ausgebildet. Bei einem be­ stimmten Motorzylinder 16 ist die Einspritzdüse 24 mit dem Ventil 22 verbunden, das im Zylinder 16 angebracht ist, der in der Zündzeitfolge des Motors vor dem bestimmten Zylinder 16 steht. Da die Druckluftleitungen 36 länger sind als bei der ersten Ausführungsform, ist bei dieser Anordnung das Volumen jeder Druckluftleitung 36 ausreichend, um genug Druckluft für die Ausführung mindestens eines Kraftstoff­ einspritzvorgangs zu speichern. Somit werden die Druck­ luftleitungen 36 selbst als Druckluft-Behälter verwendet.

Eine weitere, in Fig. 2a gezeigte Anordnung besitzt eine Gemeinschaftsleitung 42 zwischen den Ventilen 22 und den Kraftstoffeinspritzdüsen 24, die als ein einzelner Behälter für die auf den Einsatz in den Einspritzdüsen 24 wartende Druckluft dient.

Die Fig. 3 und 4 zeigen eine Ventilbaugruppe 22 für den Einsatz in luftdruckbetriebenen Einspritzvorrichtungen 20, wie sie in den Fig. 1, 2 und 2a dargestellt sind. Der Zweck jedes Ventils 22 ist, vom während eines Kompressionshubes im Motorzylinder 16 erzeugten Druck abzuzweigen und den Druck in der Druckluftversorgungsunterbaugruppe bis zum vorbestimmten, maximalen Druck aufzubauen.

Das Ventil 22 weist einen Ventilkörper 50 auf, der einen Gewindekopfabschnitt 44, einen zylindrischen Körperab­ schnitt 46, einen außenliegenden, kegelförmigen Mündungs­ abschnitt 48, der das Ventil 22 innerhalb der entsprechend kegelförmigen Aufnahmebohrung des Zylinderkopfes ausrich­ tet, und einen Innenhohlraum oder Durchgangsbohrung 52 um­ faßt. Durchgangsbohrung 52 ist an beiden Enden angesenkt, wodurch ein Federanschlag 53 und ein fertig bearbeiteter Kolbenzylinderwandabschnitt 55 am einen Ende und ein Hohl­ raum 57 am anderen Ende entsteht. Der Rest der Durchgangs­ bohrung 52 bietet einen Führungszylinderwandabschnitt 59 für einen Stößelabschnitt 66 eines unten beschriebenen Kolben-Stößel-Bauteils 62. Die Durchgangsbohrung 52 besitzt einen Einlaß am ersten Ende 54 des Ventilkörpers 50 und einen Auslaß am zweiten Ende 56 des Ventilkörpers 50. In der Durchgangsbohrung 52 ist ein am ersten Ende 54 angeord­ netes Einlaßventil 58 aufgenommen. Ein am Ventilkörper 50 befestigter Anschlag 60 ist am zweiten Ende 56 angeordnet. In der Durchgangsbohrung 52 ist zwischen dem Einlaßventil 58 und dem Anschlag 60 zentral ein Kolben-Stößel-Bauteil 62 verschieblich angeordnet. Das Kolben-Stößel-Bauteil 62 um­ faßt einen Kolbenabschnitt 64 und einen Stößelabschnitt 66, der mit dem Kolbenabschnitt 64 einstückig ausgebildet ist. Jeder Abschnitt weist einen O-Ring oder ein anderes Dich­ tungsbauteil auf, das innerhalb einer entsprechenden Ring­ nut 61 angeordnet ist. Eine erste Druckfeder 68, die zwi­ schen dem Ventilkörper 50 und dem Kolben-Stößel-Bauteil 62 gehalten wird, spannt das Kolben-Stößel-Bauteil 62 gegen den Anschlag 60 vor. Eine zweite kleine Druckfeder 70 hält das Einlaßventil 58 geschlossen, indem sie es gegen einen Ventilsitz 72 am ersten Ende 54 des Ventilkörpers 50 preßt.

Eine Zentralbohrung 74 erstreckt sich längs durch das Kol­ ben-Stößel-Bauteil 62 entlang dessen Achse "A" und ist mit einer Auslaßöffnung 76 durch den Anschlag 60 ausgerichtet. Der Kolbenabschnitt 64 hat eine zur Zentralbohrung 74 kon­ zentrische Senkung 78 am Auslaß-Ende des Kolbenabschnitts 64. Die Senkung 78 hat einen größeren Durchmesser als der Stößelabschnitt 66. Der Durchmesserunterschied zwischen der Senkung 78 und dem Stößelabschnitt 66 bestimmt die Anfangs­ fläche, über die der Luftdruck auf das Kolben-Stößel-Bau­ teil 62 wirkt. Die Anfangsfläche multipliziert mit dem Druck in der Druckluftleitung 36 ergibt die Kraft, die der Kraft der ersten Feder 68 entgegenwirkt, während das Kol­ ben-Stößel-Bauteil 62 am Anschlag 60 anliegt. Der Anschlag 60 ist in einen Mutter-Einsatz 63 eingeschraubt, der die Ventil-Baugruppe 22 im Zylinderkopf befestigt. Der Anschlag 60 liegt an einem Innenabsatz 65 des Mutter-Einsatzes 63 an.

Das dem ersten Ende 54 des Ventilkörpers 50 gegenüberlie­ gende Ende des Stößelabschnitts 66 hat zwei Schlitze oder Luftkanäle 80. Die Luftkanäle 80 ermöglichen es der Luft am Einlaßventil 58 vorbei in die Zentralbohrung 74 zu strömen, auch wenn das Einlaßventil 58 gegen den Stößelabschnitt 66 gepreßt ist. Das Ventil 22 ist im Zylinderkopf 14 so befe­ stigt, daß das Einlaßventil 58 dem Druck der Verbrennungs­ kammer im Zylinder 16 ausgesetzt ist; und daß der Mutter- Einsatz 63 mit dem Auslaß 76 aus dem Zylinderkopf 14 her­ vorragt, um die Druckluftleitung 36 anzuschließen, die zum Druckluft-Behälter 38 führt. Eine erste Federkammer 82 ist mit einer Passage 84 im Zylinderkopf 14 verbunden, die über eine Einlaßverzweigung entlüftet ist.

Die Fig. 5a bis 5c zeigen den Betrieb des Ventils, wenn es in der in den Fig. 1, 2 und 2a dargestellten, luftdruckbe­ triebenen Einspritzvorrichtung arbeitet. Während des Kom­ pressionshubes im Motorzylinder 16 übersteigt der auf die exponierte Fläche des Einlaßventils 58 wirkende, steigende Luftdruck im Zylinder die entgegengerichtete Kraft der zweiten kleinen Feder 70. Dieser Druck hebt das Einlaß­ ventil 58 von seinem Ventilsitz 72, bis es am Stößelab­ schnitt 66 anliegt. Dann strömt Luft vom Motorzylinder 16 über die Luftkanäle 80 in die Zentralbohrung 74 des Kolben- Stößel-Bauteils 62 und von dort aus der Auslaßöffnung 76 in die Druckluftleitung 36, in der der Druck zu steigen be­ ginnt (Fig. 5a).

Da die dem Luftdruck in der Druckluftleitung 36 ausgesetzte Anfangsdruckfläche des Kolbenabschnitts 64 größer ist als die dem Zylinderluftdruck ausgesetzte Fläche des Stößelab­ schnitts 66 an seinem einlaßseitigen Ende, wirkt ein Lei­ tungsdruck auf das Kolben-Stößel-Bauteil 62 gegen die Vor­ spannung der ersten Feder 68. Mit Luftdruckzunahme in der Druckluftleitung 36 steigt die Leitungsdruckkraft. Sobald die Leitungsdruckkraft aufgrund der Druckdifferenz die Vor­ spannung der ersten Feder 68 übersteigt, beginnt sich der Kolbenabschnitt 64 vom Anschlag 60 wegzubewegen. Sobald er sich vom Anschlag 60 wegbewegt, wird eine weitere Fläche des Kolbenabschnitts 64, nämlich sein äußerer ringförmiger Randabschnitt 86, dem Luftdruck der Druckluftleitung 36 ausgesetzt. Somit ergibt sich eine Zunahme der dem Druck der Druckluftleitung 36 ausgesetzten Fläche des Kolbenab­ schnitts 64 und dementsprechend eine plötzliche Zunahme in der abwärts gerichteten Leitungsdruckkraft. Beispielsweise kann das Verhältnis der Kolbengesamtfläche zur Fläche der Senkung 78 in einer Größenordnung von 1,5 : 1 liegen. Dann bewegt sich das Kolben-Stößel-Bauteil 62 vom Anschlag 60, schließt das Einlaßventil 58 und beendet den Druckaufbau im Druckluft-Behälter 38 oder in der Druckluftleitung 36 (Fig. 5b).

Der nach unten wirkenden Druckkraftanstieg ist so ausge­ legt, daß er ausreicht, um das Einlaßventil 58 während der Verbrennung im Motorzylinder 16 geschlossen zu halten. So­ mit ist das Ventil 22 so ausgelegt, daß die gesamte Kolben­ kopffläche, auf die der Druck wirkt, ausreichend Kraft lie­ fert, um das Einlaßventil 58 sogar während der Verbrennung im Motorzylinder 16 geschlossen zu halten.

Beispielsweise kann bei einem Motor mit einem maximalen Verbrennungsdruck von ungefähr 50 bar, eine mit 12,5 bar Druck betriebenen luftdruckbetriebenen Einspritzdüse 24 und einer ersten Feder 68 mit einer Federkraft von 42 Newton, einem Kolben-Stößel-Bauteil 62 mit einer Nettofläche von ungefähr 96 mm² oder mehr, das Einlaßventil 58 mit einer Druckfläche von ungefähr 10 mm² oder weniger während des Verbrennungsvorgangs im Zylinder geschlossen gehalten wer­ den. Die Federkonstante der zweiten Feder 70 ist nicht sehr hoch und kann eine Größenordnung kleiner als die der ersten Feder 68 sein.

Nur wenn die Luft aus dem Druckluft-Behälter 38 während des nächsten luftdruckbetriebenen Kraftstoffeinspritzzyklusses strömt, fällt der Druck im Ventil 22. Dieser Abfall ermög­ licht es der ersten Feder 68, das Kolben-Stößel-Bauteil 62 in seine am Anschlag 60 anliegende Position zurückzuführen (Fig. 5c). Danach öffnet sich, während des nächsten Kom­ pressionshubes innerhalb dieses Zylinders, das Einlaßventil 58 wieder, der Luftdruckbehälter 38 oder die Druckluftlei­ tung 36 wird wieder unter Druck gesetzt und ist wieder be­ reit, eine Kraftstoff-Einspritzdüse 24 in der Einspritzvor­ richtung zu beladen.

Eine andere Ausführungsform des Ventils ist in Fig. 6 dar­ gestellt. Diese Ausführungsform weist anstelle eines sepa­ raten Einlaßventils 58 und eines Kolben-Stößel-Bauteils 62 mit einer beide auseinanderhaltenden, zweiten Feder 70, ein Zentralteil 162 mit einem Kolbenabschnitt 164 am Stößelab­ schnitt 166 und einen damit einstückigen Einlaßventilabschnitt 158 auf. Bei dieser Anordnung entfällt die Notwen­ digkeit einer separaten, zweiten Feder. Das Zentralteil 162 bewegt sich dann als einteilige Einheit während der Öff­ nungs- und Schließzyklen des Einlaßventils, wenn es Druck­ luft für die luftdruckbetriebene Einspritzvorrichtung lie­ fert.

In den Fig. 7 und 8 ist eine Einspritzdüsenbaugruppe 24 ge­ zeigt, die durch Verwendung von Druckluft betrieben werden kann, die sie vom erfindungsgemäßen Ventil 22 erhält. Ein Hauptmerkmal der das Ventil 22 verwendenden Einspritzvor­ richtung ist, daß die Kraftstoffzuführung und die Kraftstoff/Lufteinspritzung durch ein Zeitintervall ge­ trennt sind, während dessen der Kraftstoff mit der Druck- Luft in Berührung kommt und zu verdampfen beginnen kann. Somit wird eine vorgemischte Luftkraftstoffladung, bei der der Kraftstoff zumindest teilweise in gasförmigem Zustand vorliegt, eingespritzt, wenn sie in den Motorzylinder 16 durch die Druckluftladung eingespritzt wird.

Die Kraftstoff-Einspritzdüse 24 umfaßt ein Einspritzdüsen­ gehäuse 90, das eine zentrale Luft/Kraftstoff-Mischkammer 92 aufweist. Die Kammer erstreckt sich längs entlang der Achse der Einspritzdüsenbaugruppe 24 und umfaßt ein Kraft­ stoffeinspritzdüsenventil 94. Das Ventil 94 bewegt sich in einem Ventilkörper 96 zwischen einer offenen und einer ge­ schlossenen Position hin und her und besitzt einen durch eine Feder 100 gegen den Ventilkörper 96 gepreßte Düse oder Spitze 98. Seitenanschlüsse 102 verbinden die Luft/Kraft­ stoff-Mischladung in der Luft/Kraftstoff-Mischkammer 92 über eine den Stößel des Kraftstoffeinspritzventils 94 aufnehmende Leitung oder Passage 104 mit dem Kopf 98 des Kraftstoffeinspritzventils 94.

Der dem Kraftstoffeinspritzventil 94 gegenüberliegende Teil der Luft/Kraftstoff-Mischkammer 92 wird durch ein Paar nor­ malerweise geschlossener, magnetisch betätigter, tellerar­ tiger Ventile 106 und 108 abgeschlossen. Das Magnetventil 106 ist ein Kraftstoffsteuerventil. Normalerweise schließt es einen Versorgungskanal 110, der mit der Luft/Kraftstoff- Mischkammer 92 am einen Ende und mit der Kraftstoffversor­ gung 30 am anderen Ende verbunden ist. Magnetventil 108 ist ein Luftsteuerventil. Normalerweise sperrt es einen Druck­ luftkanal von einem Kanal 112, der die Luft/Kraftstoff- Mischkammer 92 mit dem Druckluft-Behälter 38 oder der Druckluftleitung 36 verbindet. Fig. 8 zeigt auch einen elektrischen Eingang 114 zum Kraftstoffmagnetventil 106 und zum Luft-Magnetventil 108 zur Betätigung derselben.

Die Luft/Kraftstoff-Mischkammer 92 beinhaltet immer Luft. Zu diesem Zweck wird die Luft/Kraftstoff-Mischkammer 92 von außen belüftet, wenn das Luftdruckmagnetventil 108 ge­ schlossen ist, so daß sein Restdruck nach dem Ende der Kraftstoffeinspritzung immer auf ein niedriges Niveau, un­ gefähr auf Umgebungsdruck, fällt.

Die Magnetventile 106, 108 werden durch eine elektronische Steuereinrichtung gesteuert, die die Magnetventile 106, 108 mit in Breite und Zeit modulierten Spannungssignalen ver­ sorgt. Die Signale werden über den elektrischen Eingang 114 eingespeist. Wenn das Kraftstoffmagnetventil 106 öffnet, wird der Luft/Kraftstoff-Mischkammer 92 Kraftstoff zugemes­ sen. Die zugemessene Kraftstoffmenge wird durch die Öff­ nungsdauer des Kraftstoffmagnetventils 106, die Größe der Öffnung und den Kraftstoffdruck bestimmt. Gewöhnlich wird sie durch Steuerung der Pulsbreite gesteuert. Nach Einlei­ ten des Kraftstoffs in die Luft/Kraftstoff-Mischkammer 92 verbleibt der Kraftstoff über einen wesentlichen Teil des Motorzyklus in der luftgefüllten Luft/Kraftstoff-Mischkam­ mer 92. Dadurch wird ein Zeitraum geschaffen, in dem der Kraftstoff Luft ausgesetzt ist und verdampfen kann, bevor die Mischung in den Motor eingespritzt wird. Der Zeitraum ermöglicht es dem Kraftstoffdampf, sich mit der Luft in der Kammer zu mischen.

Wenn das Luft-Magnetventil 108 öffnet, füllt eine Ladung Druckluft die Luft/Kraftstoff-Mischkammer 92, um ein wei­ teres Mischen und Verdampfen des Kraftstoffes durch Durch­ dringen des Kraftstoffes mit Luft zu bewirken und öffnet das normalerweise geschlossene Kraftstoffeinspritzventil 94, um die vorgemischte Luftkraftstoffladung über den Kopf 98 auszustoßen. Dies ist der Kraftstoffeinspritzvorgang oder -zyklus. Die zeitliche Abstimmung der Kraftstoffein­ spritzung kann durch Steuerung der zeitlichen Abstimmung des Steuerungsimpulses des Luft-Magnetventils gesteuert werden. Durch Veränderung des Drucks der Druckluft kann auch die Einspritzrate und die Kraftstoffdurchdringung ver­ ändert werden. Die Kraftstoffeinspritzung endet, wenn die Luft-Magnetventilsteuerung oder die Betätigungseinrichtung deaktiviert wird und das Luft-Magnetventil 108 schließt, wodurch der Kraftstoffeinspritzzyklus vervollständigt ist.

Während erfindungsgemäße Ausführungsformen im Detail be­ schrieben wurden, sind Fachleuten auf dem Gebiet der Erfin­ dung verschiedene, alternative Konstruktionen und Ausfüh­ rungsformen der Erfindung offensichtlich, wie sie in den Ansprüchen definiert ist.

Claims (14)

1. Ventil zum Luftdruckaufbau für den Einsatz mit einer kompressorlosen, luftdruckbetriebenen Kraftstoff-Einspritz­ düse in Verbindung mit einem Zylinder eines Viertakt-Ver­ brennungsmotors, gekennzeichnet durch:

• - einen Ventilkörper (50) mit einer Durchgangsbohrung (52), die ein zum Zylinder (16) offenes erstes Ende (54) und ein zweites Ende (56) mit Abstand zum ersten Ende (54) aufweist;
• - Ventilmittel in der Durchgangsbohrung (52), die wahlweise Druckluft durch das erste Ende (54) der Durchgangsbohrung (52) aus dem Zylinder (16) strömen lassen, wenn der Druck im Zylinder (16) größer als ein vorbestimmter Minimal­ druck ist;
• - Speichermittel zum Aufnehmen der Druckluft aus dem zwei­ ten Ende (56) der Durchgangsbohrung (52) und zum zeitwei­ ligen Speichern der Druckluft, bevor sie in die luft­ druckbetriebene Kraftstoff-Einspritzdüse (24) eintritt; und
• - Kolben-Stößel-Mittel (62) zum wahlweisen Schließen der Ventilmittel gegenüber der vom Zylinder (16) in die Durchgangsbohrung (52) strömenden Druckluft, wenn der Druck in den Speichermitteln ein vorbestimmtes Niveau er­ reicht, um zu verhindern, daß Druckluft aus der Durch­ gangsbohrung (52) in den Zylinder (16) zurückströmt.

2. Ventil nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß:

• - der Ventilkörper (50) am zweiten Ende (56) der Durch­ gangsbohrung (52) einen Anschlag (60) aufweist;
• - die Kolben-Stößel-Mittel (62) einen verschieblich in der Durchgangsbohrung (52) zwischen den Ventilmitteln und dem Anschlag (60) aufgenommenen Kolben (64) sowie einen mit dem Kolben (64) einstückigen Stößel (66) aufweisen;

wobei eine erste Feder (68) den Kolben (64) von den Ventil­ mitteln in Richtung des Anschlags (60) vorspannt, um da­ durch den Ventilmitteln das Öffnen zu ermöglichen und dann, wenn der Druck in den Speichermitteln ein vorbestimmtes Ni­ veau erreicht, das Öffnen zu verhindern.

3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß:

• - der Ventilkörper (50) am ersten Ende (54) der Durchgangs­ bohrung (52) einen Ventilsitz (72) aufweist;
• - das Ventilmittel ein verschieblich in der Durchgangsboh­ rung (52) aufgenommenes Einlaßventil (58) aufweisen;

wobei eine zweite Feder (70) das Einlaßventil (58) in die geschlossene Position gegen den Ventilsitz (72) vorspannt und der Ventilsitz (72) nur ein in das Innere der Durch­ gangsbohrung (52) gerichtetes Öffnen des Einlaßventils (58) erlaubt.

4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß:

• - das Einlaßventil eine Druckfläche (158) zum Motor (12) aufweist;
• - der Kolben (64) eine Druckfläche zu den Speichermitteln aufweist, die ausreichend größer als die Druckfläche (158) des Einlaßventils (58) ist, wodurch der Kolben (64) und der Stößel (66) das Einlaßventil (58) während der Verbrennung geschlossen halten, wenn der Druck in den Speichermitteln auf dem vorbestimmten Niveau ist.

5. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß:

• - der Ventilkörper (50) am ersten Ende (54) der Durchgangs­ bohrung (52) einen Ventilsitz (72) aufweist;
• - das Ventilmittel ein verschieblich in der Durchgangsboh­ rung (52) aufgenommenes Einlaßventil (58) aufweist;
  wobei eine zweite Feder (70) das Einlaßventil (58) in die geschlossene Position gegen den Ventilsitz (72) vorspannt und der Ventilsitz (72) nur ein in das Innere der Durch­ gangsbohrung (52) gerichtetes Öffnen des Einlaßventils (58) erlaubt.

6. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß:

• - das Ventilmittel ein in der Durchgangsbohrung (52) ver­ schieblich aufgenommenes Einlaßventil (58); und
• - das Kolben-Stößel-Mittel (62) einen in der Durchgangsboh­ rung (52) verschieblich aufgenommenen einteiligen Kolben (64) mit Stößel (66) aufweist, wobei der Kolben (64) mit Stößel (66) und das Einlaßventil (58) eine Einheit bil­ den.

7. Luftdruckbetriebene Kraftstoff-Einspritzbaugruppe für die Verwendung mit einem Zylinder eines Verbrennungsmotors, gekennzeichnet durch:

• - eine Kraftstoff-Einspritzdüse (24) mit einem Lufteinlaß, einem Kraftstoffeinlaß und einem betätigbaren, normaler­ weise geschlossenen Luft/Kraftstoff-Auslaß;
• - Mittel zum Verbinden des Lufteinlasses mit Luft unter Umgebungsdruck;
• - Mittel zum Verbinden des Kraftstoffeinlasses mit einer unter Druck stehenden Kraftstoffquelle (28), um den Kraftstoff mit Umgebungsluft in der Kraftstoff-Einspritz­ düse (24) zu mischen;
• - einen mit dem Lufteinlaß der Kraftstoff-Einspritzdüse (24) verbundenen Druckluftbehälter (38); und
• - ein Ventil (22), um den Druckluftbehälter (38) mit Druck­ luft aus dem Zylinder (16) zu versorgen und ein Zurück­ strömen der Luft aus dem Ventil (22) zurück in den Zylin­ der (16) zu verhindern.

8. Kraftstoff-Einspritzbaugruppe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß:

• - das Ventil (22) einen am Motor (12) befestigten Ventil­ körper (50) aufweist, der einen zum Zylinder (16) hin of­ fene Einlaß (54), eine mit dem Lufteinlaß der Kraftstoff- Einspritzdüse (24) verbundenen Auslaß (56) und eine den Einlaß (54) mit dem Auslaß (56) verbindende innere Durch­ gangsbohrung (52) umfaßt;
• - das Ventil (22) ein in der Durchgangsbohrung (52) befe­ stigtes, sich in das Innere der Durchgangsbohrung (52) öffnendes Einlaßventil (58) und Kolben-Stößel-Mittel (62) aufweist, die zum wahlweisen Schließen des Einlaßventils (58) gegenüber der vom Zylinder (16) in die Durchgangs­ bohrung (52) strömenden Druckluft dienen, wenn der Druck im Speichermittel ein vorbestimmtes Niveau erreicht, um zu verhindern, daß Druckluft aus der Durchgangsbohrung (52) im Ventilkörper (50) in den Zylinder (16) zurück­ strömt.

9. Kraftstoff-Einspritzbaugruppe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß:

• - der Ventilkörper (50) einen am Auslaß (56) befestigten Anschlag (60) und einen um den Einlaß (54) ausgebildeten Ventilsitz (72) aufweist;
• - das Ventil (22) eine das Kolben-Stößel-Mittel (62) gegen den Anschlag (60) vorspannende erste Feder (68) und eine das Einlaßventil (58) gegen den Ventilsitz (72) vorspan­ nende, schwächere, zweite Feder (70) hat.

10. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung zum Einsatz mit mehre­ ren Zylindern eines Verbrennungsmotors, gekennzeichnet durch:

• - mehrere, einzeln in Folge betreibbare, luftdruckbetrie­ bene Kraftstoff-Einspritzdüsen (24), die jede eine Luft/ Kraftstoff-Mischkammer (92) mit Kraftstoff- und Luftein­ lässen und einen Luft/Kraftstoff-Auslaß (98), der norma­ lerweise durch ein durch eine Feder verschließbares und durch Druck zu öffnendes Ventil verschlossen ist;
• - eine mit den Kraftstoffeinlässe verbundene, unter Druck stehende Kraftstoffquelle (28);
• - mindestens einen mit den Lufteinlässen der Kraftstoff- Einspritzdüsen (24) verbundenen Druckluftbehälter (38);
• - Ventil-Mittel (22), die eine Druckluftquelle von den Zy­ lindern (16) zu mindestens einem Druckluftbehälter (38) bereitstellen und ein Zurückströmen des Gases von den Ventil-Mitteln (22) in die Zylinder (16) verhindern;
• - Mittel zum Entlüften der Luft/Kraftstoff-Mischkammer (92) auf Umgebungsdruck vor Eintritt des Kraftstoffs in die­ selbe;
• - die Kraftstoffquelle (28) mit jedem Einspritzdüsen- Lufteinlaß verbindende erste Magnetsteuerungsmittel (106); und
• - elektrisch betriebene Mittel zur Steuerung der Energie­ versorgung der Magnetsteuerungsmittel (106), um wahlweise Kraftstoff und Luft jeder der Kraftstoff-Einspritzdüsen (24) so zuzuführen, daß eine zeitliche Verzögerung zwi­ schen dem Eintritt des Kraftstoffs in die Kraftstoff-Ein­ spitzdüse (24) und dem Eintritt der Druckluft geschaffen wird.

11. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach Anspruch 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ventil-Mittel mehrere dein entsprechenden Zylinder (16) zugeordnete Ventile (22) auf­ weisen, die die Druckluftquellen für die dem entsprechenden Zylinder (16) zugeordneten Kraftstoff-Einspritzdüsen (24) sind.

12. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach Anspruch 10, da­ durch gekennzeichnet, daß:

• - das Ventil (22) einen am Motor (12) befestigten Ventil­ körper (50) aufweist, der einen zum Zylinder (16) offenen Einlaß (54), einen mit dem Druckluftbehälter (38) verbun­ denen Auslaß (56) und eine den Einlaß (54) mit dem Auslaß (56) verbindende Durchgangsbohrung (52) umfaßt;
• - das Ventil (22) ferner ein in der Durchgangsbohrung (52) befestigtes, sich in das Innere der Durchgangsbohrung (52) öffnendes Einlaßventil (58) und Kolben-Stößel-Mittel (62) aufweist, die zum wahlweisen Schließen des Einlaß­ ventils (58) gegenüber der vom Zylinder (16) in die Durchgangsbohrung (52) strömenden Druckluft dienen, wenn der Druck in den Speichermitteln ein vorbestimmtes Niveau erreicht, und um zu verhindern, daß Druckluft aus der Durchgangsbohrung (52) in den Zylinder (16) zurückströmt.