DE60201764T2

DE60201764T2 - Gaseinspritzsystem für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE60201764T2
Application number: DE60201764T
Authority: DE
Inventors: Mario Ricco
Original assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Current assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Priority date: 2001-02-23
Filing date: 2002-02-18
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2022-02-19
Also published as: CA2372298C; DE60201764D1; EP1234974A2; AU780620B2; US20020117156A1; ES2253718T3; ITTO20010160A1; EP1234974A3; USRE41262E1; DE60208439D1; ATE281595T1; CA2372298A1; EP1452718A1; EP1452718B1; ES2230404T3; AU1804302A; US6666193B2; DE60208439T2; ITTO20010160A0; EP1234974B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Gaseinspritzsysteme, insbesondere für Methan, für Verbrennungsmotoren mit:

– einer Mehrzahl von elektromagnetisch gesteuerten Injektoren, welche den verschiedenen Zylindern in dem Motor zugeordnet sind,
– einem Verteiler oder einer Verteilerschiene, welcher mit den Injektoren in Verbindung steht,
– einem Zuführ-Reservoir für den Verteiler, wo unter Druck stehendes Gas gespeichert wird,
– einem Druckregulierventil, das in Verbindung zwischen dem Reservoir und dem Verteiler angeordnet ist,
– einer elektronischen Steuereinheit, die eingestellt ist, um die Injektoren zu steuern und um die Öffnungszeit so zu steuern, daß die Gasmenge, die in jeden Zylinder eingespritzt wird, entsprechend den Betriebszuständen des Motors abgemessen ist, und
– einem Schaltventil, das an dem Auslaß des Reservoirs angeordnet ist, mit einem Ventilelement, das mit einem Ventilsitz zusammenwirkt, und einem Solenoid, um das Ventilelement gegen die Wirkung eines elastischen Mittels in einen offenen Zustand zurückzuziehen.

Das Schaltventil entspricht den Standards hinsichtlich der Kraft und gewährleistet die Möglichkeit, das Reservoir in einem Notzustand, beispielsweise in dem Fall eines Unfalls, der zu einer Leckage von Gas in die Rohre, welche stromabwärts des Reservoirs liegen, führt, hermetisch zu verschließen.
Die Schaltventile, die derzeit in Systemen der oben genannten Art eingesetzt werden, verwenden ein verformbares Ventilelement aus einem nicht metallischen Material, welches typischerweise aus einem künstlichen Gummi besteht und entsprechend im kalten Zustand Dichtigkeitsprobleme mit sich bringt. Die Verwendung von Ventilelementen aus Kunststoffmaterial ist entsprechend nicht vorteilhaft, weil das Risiko besteht, daß das Material, welches das Ventilelement bildet, aufgrund des Druckes, mit welchem es gegen den entsprechenden Ventilsitz gedrückt wird, geschnitten wird oder abschert, was wiederum zu Dichtigkeitsproblemen führt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Schaltventil der perfektionierten Art für die Verwendung in Gaseinspritzsystemen der oben genannten Art zu schaffen, welches eine gute Dichtigkeitsqualität in allen Betriebszuständen und insbesondere bei allen Betriebstemperaturen garantiert.
Um diese Aufgabe zu lösen, bezieht sich die Erfindung auf ein System der im Oberbegriff genannten Art, welches da durch gekennzeichnet ist, daß das Schaltventil ein Ventilelement aus einem metallischen Material umfaßt, das mit einem Ventilsitz zusammenwirkt, das auch aus einem metallischen Material besteht, und einen Solenoid, um das Ventilelement gegen die Wirkung eines elastischen Mittels in einen offenen Zustand zurückzuziehen, aufweist.
Die Verwendung des Metall-Metall-Kontakts bei dem Ventil gemäß der Erfindung gewährleistet eine feste Geometrie des Ventils in allen Betriebszuständen und insbesondere bei allen Betriebstemperaturen und Druckwerten.
In einer praktischen Ausführungsform der Erfindung besitzt das Ventilelement eine Kugelgestalt und besitzt der damit zusammenwirkende Ventilsitz eine Vertiefung, welche einen ringförmigen Bereich einer sphärischen Oberfläche definiert, die in einem geneigten Bereich einer Gasauslaßleitung ausgebildet ist.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird das Ventilelement in den geschlossenen Zustand durch eine Feder zurückgezogen, die es in derselben Richtung drückt wie der Gasstrom von dem Reservoir.
Die Vertiefung, welche den Ventilsitz bildet, kann durch einen Einsatz in der metallischen Seite der Leitung oder durch Bearbeitung mit einem Drehwerkzeug aus Hartmetall erhalten werden.
Die Ventilgeometrie kann vorgegeben werden, so daß das Ventil auch als ein Strombegrenzungsventil wirkt, um automatisch den Gasstrom abzuschneiden, wenn die Zufuhr dazu tendiert, einen vorgegebenen Wert aufgrund einer Leckage stromabwärts von dem Reservoir beispielsweise aufgrund eines Rohrbruchs, der durch einen Unfall verursacht wird, anzusteigen. Zu diesem Zweck ist das Magnetventil geeignet, eine Anziehungskraft auf das Ventilelement auszuüben, die in einer ersten Phase höher ist, um das Lösen des Ventilelements von seinem Sitz zu bewirken, und in einer anschließenden zweiten Phase niedriger ist, um das Ventilelement offenzuhalten. Während dieser Phase ist somit ein Gasstrom, der einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, in der Lage, die relativ niedrige Anziehung des Solenoids zu überwinden. Das Ergebnis kann erhalten werden, indem die Stromzufuhr des Solenoids verändert wird und/oder indem die Windungen in den verschiedenen Bereichen des Solenoids entsprechend geformt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden lediglich anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden, in welchen:
1 eine schematische Darstellung eines Methan-Einspritzsystems eines Verbrennungsmotors zeigt, welches ein Schaltventil gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet;
2 eine vergrößerte Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform des Ventils gemäß der Erfindung zeigt; und
3 eine vergrößerte Darstellung eines Details in der 2 darstellt.
Unter Bezugnahme auf die 1 bezeichnet die Bezugsziffer 1 allgemein ein elektronisches Methan-Einspritzsystem für einen Verbrennungsmotor. Das System umfaßt eine Mehrzahl von elektromagnetisch gesteuerten Injektoren (oder Einspritzventilen) 2, welche den verschiedenen Zylindern in dem Motor zugeordnet sind. Die Aufbaueinzelheiten der Injektoren 2 sind hier weder beschrieben noch dargestellt, weil die Injektoren auf irgendeine Weise gemäß dem Stand der Technik hergestellt werden können und weil die Einzelheiten nicht zum Gegenstand der Erfindung gehören. Die Injektoren 2 erhalten das Methan über die entsprechenden Leitungen 3 von einem Verteiler oder einer Verteilerschiene 4. Der Verteiler 4 erhält das Methan wiederum aus einem Reservoir 5, wo das unter hohem Druck stehende Methan gespeichert wird (beispielsweise bei einem Druck in der Größenordnung von 200 bar). Die Steuermagnetventile der Injektoren 2 werden durch eine elektronische Steuereinheit 6 auf der Basis von den Signalen S₁, S₂, ..., S_n, welche Indikativ für die verschiedenen Betriebsparameter des Motors einschließlich der Position des Beschleunigungspedals, der Drehgeschwindigkeit des Motors, der Umgebungstemperatur, der Höhe etc. sind, gesteuert. Ein Druckregulierventil 7, welches auch durch die Steuereinheit 6 gesteuert wird, ist in der Verbindung zwischen dem Reservoir 5 und dem Verteiler 4 angeordnet. Die Steuereinheit 6 empfängt auch die Signale, welche durch die Drucksensoren 8, 9 ausgegeben werden und Indikativ für den Druck sind, welcher in dem Verteiler 4 und in der Leitung 10, welche das Reservoir 5 mit dem Druckregulierventil 7 verbindet, vorherrscht. Das letztere reduziert den Druck des Gases von dem existierenden Wert in dem Reservoir 5 auf den Wert, der in dem Verteiler 4 existiert, welcher mit dem Ventil 7 über die Leitung 11 verbunden ist. Das in der Zeichnung gezeigte System ist der Gegenstand einer früheren italienischen Patentanmeldung T02000A001099, welche von dem Anmelder am 24. Februar 2000 angemeldet wurde und am Prioritätstag der vorliegenden Anmeldung geheim war. In diesem System wird die Druckreguliervorrichtung 7 durch die Steuereinheit 6 gesteuert, um den Druck des Gases in dem Verteiler 4 in Übereinstimmung mit den Signalen, welche von den Sensoren 8, 9 ausgegeben werden, zu variieren, um einen Druckwert in dem Verteiler zu erhalten, welcher gemäß den Betriebsparametern des Motors bestimmt wird.
Obwohl sich das hierin gezeigte Beispiel auf ein System bezieht, das früher von dem Anmelder vorgeschlagen wurde, muß betont werden, daß die Erfindung allgemein auf jedes elektronische Gaseinspritzsystem für einen Verbrennungsmotor und entsprechend auch bei verschiedenen Systemen, die sich von demjenigen, welches in der vorliegenden Patentanmeldung des Anmelders beschrieben ist, unterscheiden, anwendbar ist.
Im einzelnen umfaßt das System 1 eine zweite an sich bereits bekannte Technik, nämlich ein Schaltventil 12, welches auch durch die Steuereinheit 6 gesteuert wird, um den Auslaß des Reservoirs 5 in Notzuständen vollständig abzuschneiden.
Die 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Ventils 12 gemäß der vorliegenden Erfindung. In diesem Beispiel umfaßt das Ventil einen Körper 13 mit einer inneren Kavität 14, um einen Einlaßkanal 15, der mit dem Auslaß des Reservoirs verbunden werden soll (der Strom des Gases von dem Ventil ist durch die Pfeile F angedeutet), in Verbindung mit einem Auslaßkanal 16, der mit dem Rohr 10 verbunden werden soll, welches mit der Druckreguliervorrichtung 7 verbunden ist, zu bringen.
Ein zylindrischer Kolben 17 aus einem metallischen Material mit einer Endnase 18, welche eine sphärische Oberfläche besitzt und das Ventilelement des Ventils bildet, ist verschiebbar in der Kavität 14 montiert. Das Ventilelement 18, welches aus einem metallischen Material (typischerweise Stahl) hergestellt ist, arbeitet mit einem Ventilsitz zusammen, der auch aus Stahl besteht und in einem geneigten Bereich 19 einer Leitung ausgebildet ist, welche die Kavität 14 in Verbindung mit dem Auslaßkanal 16 bringt.
Wie im einzelnen in der 3 erkennbar ist, welche das Ventilelement 18 in der geöffneten Position zeigt, wirkt der Ventilsitz mit einem Ventilelement 18 zusammen und umfaßt eine Vertiefung 20, die einen ringförmigen Bereich einer sphärischen Fläche definiert, deren Radius r im wesentlichen gleich dem Radius r des sphärischen Ventilelements 18 ist.
Das Ventilelement 18 wird durch eine Schraubenfeder 21 gegen den Sitz des Ventils 20 gedrückt, die zwischen dem Kolben 17 und einem Endelement 22 angeordnet ist, welches den Einlaßkanal 15 definiert und eine Umfangsnut aufweist, die als ein Sitz für den Magnet 23 des Magnetventils wirkt. Wenn der Solenoid 23 erregt wird, wird der Kolben 17 entgegen der Wirkung der Feder 21 in Kontakt mit einer Endfläche 24 des Elements 22 gedrückt. In diesem Zustand strömt Einlaßgas, welches sich in dem Kanal 15 befindet, in den Auslaßkanal 16 durch eine Axialöffnung 25 in dem Kolben 17, von wo mehrere Öffnungen 26 in eine Kammer 27, die durch einen Kolben 17 begrenzt wird und mit dem Auslaßkanal 16 in Verbindung steht, münden.
In dem dargestellten Beispiel besteht der Bereich des Körpers 13, wo die Verschiebekavität 14 von dem Kolben 17 ausgebildet ist, aus einem separaten Element 28, in welchem auch der Auslaßkanal 16 ausgebildet ist. Das Element 28 wird an dem Element 22 durch einen ringförmigen Deckel 29 gehalten, der auf das Element 22 aufgeschraubt ist, so daß der Solenoid 23 in der Umfangsnut des Elements 22 durch das Element 28 verriegelt gehalten wird. Offensichtlich sind die hier angegebenen Konstruktionseinzelheiten lediglich anhand eines nicht beschränkenden Bei spiels gegeben und beschränken den Schutzumfang der Erfindung nicht.
Wie aus der obigen Beschreibung deutlich wird, besteht das Grundkonzept der Erfindung in einem Schaltventil für ein elektronisches Gaseinspritzsystem, in welchem sowohl das Ventilelement 18, als auch der damit zusammenwirkende Ventilsitz 20 aus Elementen metallischen Materials hergestellt sind. Der Metall-Metall-Kontakt gewährleistet die gute Qualität der Dichtigkeit in jedem Betriebszustand dank der Stabilität der Geometrie bei beiliebigen Temperatur- und Druckwerten.
Wie oben beschrieben kann die ringförmige Nut 22, welche den Ventilsitz bildet, durch einen Einsatz oder durch eine Bearbeitung mittels eines Drehwerkzeugs aus Hartmetall hergestellt werden.
Weiterhin kann, wie zuvor bereits angeordnet, das Ventil so angeordnet werden, daß der Solenoid 23 eine Anziehungskraft auf das Ventilelement 18 ausübt, welche in dem ersten Intervall einer vorgegebenen Zeit höher ist, um das Lösen des Ventilelements von seinem Sitz zu erlauben, und lediglich während einer zweiten Phase niedriger ist, um das Ventilelement offenzuhalten. Wenn der Gasstrom durch das offene Ventil einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, beispielsweise aufgrund einer Leckage der Rohre stromabwärts von dem Ventil, wird auf diese Weise die Geometrie des Ventils einen Druckabfall durch den Kanal 19 erzeugen, der die Anziehung des Solenoid überwin det und bewirkt, daß das Ventil sich wieder schließt. Auf diese Weise wirkt das Ventil gemäß der Erfindung auch als ein Strombegrenzungsventil. Dieser Effekt kann auch erhalten werden, weil die Feder 21 des Ventilelements in derselben Richtung wie der Gasstrom von dem Reservoir drückt.
Weiterhin können zahlreiche Änderungen an der Konstruktion und den hierin beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung vorgenommen werden, ohne aus dem Schutzumfang der Erfindung, welche durch die nachfolgenden Ansprüche definiert ist, abzuweichen.

Claims

Einspritzsystem, insbesondere für Methan, für Verbrennungsmotoren mit: – einer Mehrzahl von elektromagnetisch gesteuerten Injektoren (2), welche den verschiedenen Zylindern in dem Motor zugeordnet sind, – einem Verteiler (4) oder einer Verteilerschiene, welcher mit den Injektoren (2) in Verbindung steht, – einem Zuführ-Reservoir (5) für den Verteiler (4), wo unter Druck stehendes Gas gespeichert wird, – einem Druckregulierventil (7), das in Verbindung zwischen dem Reservoir (5) und dem Verteiler (4) angeordnet ist, – einer elektronischen Steuereinheit (6), die eingestellt ist, um die Injektoren (2) zu steuern und um die Öffnungszeit so zu steuern, daß die Gasmenge, die in jeden Zylinder eingespritzt wird, entsprechend den Betriebszuständen des Motors abgemessen ist, und – einem Schaltventil (12), das an dem Auslaß des Reservoirs angeordnet ist, mit einem Ventilelement (18), das mit einem Ventilsitz (20) zusammenwirkt, und einem Solenoid (23), um das Ventilelement (18) gegen die Wirkung eines elastischen Mittels (21) in einen offenen Zustand zurückzuziehen, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilelement (18) aus einem metallischen Material besteht und daß der Ventilsitz (20) in einem Körper aus einem metallischen Material ausgebildet ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilelement (18) eine sphärische Gestaltung aufweist und der Ventilsitz (20), der damit zusammen wirkt, aus einer Vertiefung besteht, welche einen ringförmigen Bereich einer sphärischen Oberfläche definiert, die in einem geneigten Bereich (19) einer Gasauslaßleitung ausgebildet ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilelement (18) in den geschlossenen Zustand durch eine Feder (21) gedrückt, welche es in dieselbe Richtung drückt wie der Gasstrom aus dem Reservoir.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Solenoid (23) geeignet ist, eine Anziehungskraft auf das Ventilelement (18) auszuüben, die in einer ersten Phase von einer vorgegebenen Dauer höher ist, um ein Lösen des Ventilelements (18) von seinem Sitz (20) zu bewirken, und in einer anschließenden zweiten Phase niedriger ist, um das Ventilelement (18) offenzuhalten, so daß in dem Fall eines übermäßigen Gasstroms aufgrund einer Leckage in den Rohren stromab wärts von dem Schaltventil (12) das Ventilelement sich schließen wird und auch als ein Strombegrenzungsventil wirkt.