DE19612738C2 - Speichereinspritzsystem für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Speichereinspritzsystem für Brenn­ kraftmaschinen mit einem direkt einspritzenden über ein Magnet­ ventil gesteuerten Einspritzventil pro Zylinder, mit einem von einer Hochdruckpumpe über eine Hochdruckleitung mit Kraftstoff beaufschlagbaren, eine axial verschiebbare Düsennadel zumindest teilweise umgebenden ersten Druckraum innerhalb des Ein­ spritzventilgehäuses, wobei die Düsennadel im Bereich des Druckraumes gegenüber der Düsennadelachse geneigte Druckan­ griffsflächen für Druckkräfte in Öffnungsrichtung der Düsenna­ del aufweist, mit einem achsgleich zur Düsennadel angeordneten längsverschiebbaren Steuerkolben innerhalb des Einspritzventil­ gehäuses, welcher stirnseitig an einen in einer Sperrstellung des Magnetventiles mit Hochdruck beaufschlagbaren Steuerraum grenzt, wobei in einer Freigabestellung des Magnetventiles der Steuerraum mit einer Leckölleitung verbindbar ist, und wobei im Strömungsweg zwischen Hochdruckleitung und Druckraum ein in das Gehäuse des Einspritzventiles integriertes Sicherheitsventil vorgesehen ist, dessen Hubachse in der Düsennadelachse liegt und dessen entlang seiner Hubachse bewegbarer Ventilkörper mit dem Steuerkolben kombiniert ist in seiner Öffnungsstellung die Strömungsverbindung zwischen der Hochdruckleitung und dem Druckraum freigibt und in seiner Schließstellung die Strömungs­ verbindung unterbricht, wobei die Öffnungsstellung des Sicher­ heitsventiles mit der Freigabestellung des Magnetventiles und die Schließstellung mit der Sperrstellung korreliert.

Bei einem Einspritzsystem herkömmlicher Bauart, wie es bei­ spielsweise aus der EP 0 459 429 A1 oder der Veröffentlichung "New Electronically Controlled Fuel Injection System ECD-U2 for Clean Diesel Engines", Toshihiko Omori, Tagung "Motor und Um­ welt 92", AVL List GmbH, Austria, bekannt ist, ist es üblich, daß der die Düsennadel umgebende Druckraum ständig mit dem über die Hochdruckleitung anstehenden, bis zu 1500 bar betragenden Hochdruck beaufschlagt wird. Im Falle eines undichten Nadel­ sitzes oder bei einem Hängenbleiben der Düsennadel kann dies zur Einspritzung von unerwünschten großen Kraftstoffmengen führen, was in weiterer Folge eine Zerstörung des Motors bewir­ ken kann.

Die EP 0 603 616 A1 offenbart ein Einspritzventil, mit einem Steuerkolben, dessen Steuerraum ständig mit der Hochdrucklei­ tung über eine Drosselstelle in Verbindung steht. Über die Drosselstelle kann die Druckanstiegsgeschwindigkeit und somit das Schließverhalten der Düsennadel beeinflußt werden.

Aus der DE 25 14 457 A1 ist ein Einspritzsystem bekannt, bei dem das Sicherheitsventil separat zum Steuerkolben des Ein­ spritzventiles angeordnet ist. Dies ermöglicht einerseits ein sicheres Schließen der Ventilnadel und verhindert andererseits, daß unzulässig hohe Einspritzmengen eingespritzt werden. Aufgrund der Trennung der Nadel und des Dichtsitzes des Sicherheitsventiles von den geometrischen und technischen Re­ striktionen, wie sie an der Düsenspitze herrschen (möglichst zentrale Lage der Düsenspitze zum Brennraum des Motors; ther­ mische Beanspruchung in folge der Verbrennung) kann die Form der Nadel und des Sitzes des Sicherheitsventiles bei weitem freier gestaltet werden, als dies bei der Düsennadel und deren Sitz der Fall ist. Durch die separate Ausführung des Sicher­ heitsventiles und des Steuerkolbens sind allerdings relativ viele Teile notwendig, wodurch ein hoher Herstellungsaufwand und vergleichsweise großer Raumbedarf besteht.

Aus der US 4 603 671 A ist ein Speichereinspritzsystem der ein­ gangs genannten Art bekannt, bei dem das Sicherheitsventil ein­ stückig mit dem Steuerkolben ausgeführt ist. Da die Düsennadel und der Steuerkolben mechanisch voneinander getrennt sind, er­ gibt sich eine zeitlich verzögerte Schließbewegung der Düsenna­ del.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und insbesondere ein herstellungsmäßig einfaches und kompaktes Speichereinspritzsystem bereitzustellen, sowie das Schließverhalten der Düsennadel zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß Steuerkolben und Düsennadel in der Öffnungsstellung der Düsennadel über ein axiales Distanzstück mechanisch in Verbindung stehen und in der Schließstellung der Düsennadel zueinander ein Spiel aufweisen und der Steuerraum des Steuerkolbens ständig mit der Hochdruck­ leitung über eine Drosselstelle in Strömungsverbindung steht. Dadurch wird auf einfache Weise ein rasches Schließen der Dü­ sennadel erzielt. Die Düsennadel wird dabei durch den Steuer­ kolben bewegt, bis der Ventilkörper am Ventilsitz aufliegt. Die restliche Schließbewegung erfolgt durch die Düsenfeder. Das Spiel zwischen Steuerkolben und Distanzstück dient zum Aus­ gleich von Fertigungstoleranzen. Vorzugsweise sind Sicherheits­ ventil und Steuerkolben einstückig ausgeführt. Dadurch kann das Einspritzventil sehr kompakt und mit wenigen Teilen ausgeführt werden. Sehr vorteilhaft ist es dabei, wenn im Bereich des Ven­ tilsitzes des Ventilkörpers ein den Steuerkolben umgebender, mit dem ersten Druckraum in Strömungsverbindung stehender Ring­ raum angeordnet ist, welcher bei geöffnetem Sicherheitsventil mit der Hochdruckleitung verbunden und bei geschlossenem Si­ cherheitsventil von dieser getrennt ist. Der mit der Hoch­ druckleitung verbundene Ventilraum ist dabei im geschlossenen Zustand des Sicherheitsventiles durch den Ventilsitz vom Ringraum getrennt. Bei Absinken des Druckes im Steuerraum wird der Ventilkörper vom Ventilsitz angehoben und die Strömungs­ verbindung des Ventilsitzes mit dem Ringraum und weiter mit dem Druckraum der Düsennadel hergestellt.

In einer sehr einfachen Ausführungsvariante ist vorgesehen, daß das Magnetventil als 2/2-Wegventil ausgeführt ist, wobei vor­ zugsweise die Mündung der Hochdruckleitung über Verbindungska­ näle innerhalb des Steuerkolbens mit dem Steuerraum verbunden ist. Über die Drosselstelle zwischen Steuerraum und Hochdruck­ leitung kann die Druckanstiegsgeschwindigkeit im Steuerraum und damit die Schließgeschwindigkeit der Ventilnadel beeinflußt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Verbindungska­ näle als Drosselstelle ausgebildet sind. Über das 2/2-Wegventil wird in der Freigabestellung eine Strömungsverbindung zwischen dem Steuerraum und der Leckölleitung hergestellt, sodaß der Druck im Steuerraum absinkt und der Ventilkörper vom Ventilsitz angehoben wird. Dadurch wird der Druckraum mit Hochdruck beaufschlagt und die Ventilnadel ebenfalls angehoben. Die Hubbewegung der Düsennadel wird somit durch das 2/2-Wegventil eingeleitet. Dadurch, daß zwischen Steuerraum und Leckölleitung, vorzugsweise im Bereich des Magnetventilsitzes, eine erste Drosselstelle angeordnet ist, kann die Hubge­ schwindigkeit des Steuerkolbens und der Düsennadel über den Drosselquerschnitt voreingestellt werden.

Wird das 2/2-Wegventil geschlossen, so steigt der Druck im Steuerraum sehr schnell an und drückt den Ventilkörper auf den Ventilsitz, wodurch die Kraftstoffzufuhr zum Druckraum unter­ brochen wird. Um einen definierten Druck vor Beginn der Ein­ spritzung im Bereich des Druckraumes sicherzustellen ist es vorteilhaft, wenn der Druckraum, vorzugsweise über eine weitere Drosselstelle im Bereich des Ringraumes, mit der Leckölleitung verbunden ist.

Ein rasches Ansprechen und Öffnen des Ventilkörpers wird er­ reicht, wenn auf den Steuerkolben in Öffnungsrichtung des Ven­ tilkörpers des Sicherheitsventiles eine Feder einwirkt. Das Öffnen kann aber bei geeigneter Dimensionierung von Druckan­ griffsflächen am Steuerkolben auch allein durch den Kraft­ stoffdruck erfolgen.

Die Erfindung wird anhand von in den Figur gezeigten Ausfüh­ rungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungs­ gemäßen Speichereinspritzventiles in der Sperr­ stellung,

Fig. 2 das Einspritzventil aus Fig. 1 in der Freigabe­ stellung,

Fig. 3 bis 8 Diagramme über die zeitliche Veränderung von Parametern bei der Öffnung des Einspritz­ ventilen.

Die Fig. 1 und 2 zeigen ein Einspritzsystem mit einem in das Einspritzventil 1 integrierten Sicherheitsventil 2. Im Ge­ häuse 3 ist die Düsennadel 4 entlang der Düsennadelachse 4a längsverschiebbar über den Schaft 4b gelagert. Die Düsennadel 4 wird teilweise von einem Druckraum 6 umgeben, welcher über eine Druckleitung 7 mit dem Ausgang 9 des Sicherheitsventiles 2 verbunden ist. Der Ventilkörper 12 des Sicherheitsventiles 2 ist einstückig mit dem Steuerkolben 5 ausgeführt, wobei der Ventilkörper 12 und der Steuerkolben 5 zum Teil durch einen Ringraum 28 umgeben sind, an welchen über den Ausgang 9 die Druckleitung 7 anschließt. Steuerkolben 5 und Ventilkörper 12 sind entlang ihrer Hubachse 12a verschiebbar im Gehäuse 3 des Einspritzventiles 1 gelagert, wobei in der in Fig. 1 gezeigten Sperrstellung S der Ventilkörper 12 auf einem Ventilsitz 15 aufliegt und den Ringraum 28 von einem durch den Ventilkör­ per 12 und dem Gehäuse 3 gebildeten Ventilraum 14 trennt. In den Ventilraum 14 mündet die von einem Speicher 10 ausgehende Hochdruckleitung 11, deren Mündung mit 13 bezeich­ net ist. Der Speicher 10 wird von einer Hochdruckpumpe 29 und einer Vorpumpe 30 über einen Behälter 31 gespeist. Die Hoch­ druckpumpe 29 selbst erhält über eine Steuerleitung 32 Steuer­ signale von einer elektronischen Steuereinheit 33, welche in Abhängigkeit der Drehzahl 34, der Last 35, manueller Vorgabe, beispielsweise durch den Fahrer 36, vom Speicherdruck p des Speichers 10 und eventuell anderen Einflußgrößen die Hoch­ druckpumpe 29 und über die Leitung 38 das Magnetventil 24 des Einspritzventiles 2 steuert. 37 bezeichnet eine Sensorleitung für den Istwert des Hochdruckes P. Das Magnetventil 24 kann - wie in Fig. 1 und 2 dargestellt - entweder als 2/2-Wegventil, oder aber auch als 3/2-Wegventil ausgeführt sein.

Der Ventilraum 14 ist über Verbindungskanäle 39, die mit einer Drosselstelle 42 versehen sind, mit dem an den Steuerkolben 5 grenzenden Steuerraum 21 verbunden. Der Steuerraum 21 wiederum weist eine erste Steuerleitung 23 zum Magnetventil 24 auf, wo­ bei in der Steuerleitung 23 eine erste Drosselstelle 22 ange­ ordnet ist. Das Magnetventil 24 verschließt in seiner in Fig. 1 eingezeichneten Sperrstellung S über den durch die Fe­ der 24d auf den Magnetventilsitz 24a gedrückten Anker 24c die erste Steuerleitung 20. In der Freigabestellung F des Magnet­ ventiles 24, welche in Fig. 2 in vergrößerter Darstellung ge­ zeigt ist, wird durch Aktivierung der Spule 24b der Anker 24c vom Magnetventilsitz 24a angehoben und der Steuerraum 21 mit einer Leckölleitung 25 verbunden, welche zu einem Behälter 31a führt.

Die Funktionsweise des in den Fig. 1 und 2 gezeigten Systems ist folgendermaßen: In der Sperrstellung S verschließt das Ma­ gnetventil 24 die Drosselstelle 22. Der Hochdruck p_S im Steu­ erraum 21 bewirkt eine in Schließrichtung wirkende Kraft auf den Steuerkolben 5, wodurch dieser über den Ventilkörper 12 den Ventilsitz 15 verschließt. Durch eine optional vorhandene weitere Drosselstelle 40 kann der sich im Ringraum 28 zwischen dem Ventilsitz 15 und dem Druckraum 6 befindende Kraftstoff in die Leckölleitung 25 abfließen. Die Düsennadel 4 wird in die­ sem Zustand von der Feder 8 in geschlossenem Zustand gehalten.

Der Einspritzbeginn wird durch Betätigen des Magnetventiles 24 eingeleitet, wobei die Drosselstelle 22 geöffnet wird. Über die Drosselstelle 22 wird der an den Steuerkolben 5 grenzende Steuerraum 21 druckentlastet und der Steuerkolben 5 kann sich aufgrund der Kraft der Feder 8 nach oben bewegen. In den Ver­ bindungskanälen 39 zwischen Ventilraum 14 und Steuerraum 21 ist eine Drosselstelle 42 vorgesehen, welche so dimensioniert ist, daß der durchströmende Kraftstoff zu keinem Druckanstieg im Steuerraum 21 führt. Durch die Bewegung des Steuerkolbens 5 wird der Ventilsitz 15 geöffnet und die Strömungsverbindung zwischen Hochdruckleitung 11, dem Ringraum 28, der Drucklei­ tung 7 und dem Druckraum 6 hergestellt, was einen Druckanstieg an der Düsennadel 4 bewirkt. Die durch den Druckanstieg verur­ sachte Kraft in Öffnungsrichtung der Düsennadel 4 bewirkt ein Abheben der Düsennadel 4 vom Düsennadelsitz 1b und der Ein­ spritzvorgang durch die Düsenbohrungen 1a beginnt.

Das Ende der Einspritzung wird durch das Schalten des Magnet­ ventiles 24 in die Sperrstellung S eingeleitet, wobei die Drosselstelle 22 geschlossen wird. Der durch die Drossel­ stelle 42 einströmende Kraftstoff bewirkt einen Druckanstieg im Steuerraum 21 oberhalb des Steuerkolbens 5, wodurch der Steuerkolben 5 mit dem Ventilkörper 12 gegen den Ventilsitz 15 gedrückt wird. Während der Schließbewegung drückt der Steuer­ kolben 5 die Düsennadel 4 über ein vorzugsweise mit dieser verbundenes Distanzstück 41 in Richtung des Düsennadelsit­ zes 1b bis der Ventilkörper 12 am Ventilsitz 15 aufliegt. Die Düsennadel 4 wird durch die Feder 8 weiterbewegt, bis sie am Düsennadelsitz 1b aufliegt. Um ein von Fertigungstoleranzen unabhängiges sicheres Schließen sowohl der Düsennadel 4 als auch des Ventilkörpers 12 zu gewährleisten, ist zwischen Di­ stanzstück 41 und Steuerkolben 5 ein Spiel 43 vorgesehen. Gleichzeitig hat das Spiel 43 den Vorteil, daß die hydrauli­ sche Kraft auf den Steuerkolben 5 nicht vom Düsennadelsitz 1b aufgenommen werden muß, wodurch ein größerer Steuerkolben­ durchmesser und damit eine verläßlichere Funktion des Systems aufgrund der größeren hydraulischen Kräfte ermöglicht wird.

Gegebenenfalls kann die Drosselstelle 40 durch eine definierte Leckage zwischen dem Schaft 4b der Düsennadel 4 und dem Ge­ häuse 3 ersetzt werden, wodurch Kraftstoff in den Raum 44 zwi­ schen Steuerkolben 5 und Düsennadel 4 eindringen kann. In die­ sem Fall müßte der Raum 44 mit der Leckölleitung 25 verbunden sein, was durch die strichlierten Linien in Fig. 4 angedeutet ist. Der Ventilsitz 15 des Ventilkörpers 12 am Steuerkolben 5 kann geometrisch so ausgeführt werden, daß ein definierter Ventil-Querschnittsverlauf als Funktion des Steuerkolbenhu­ bes h_S zur Steuerung des zeitlichen Ablaufes des Einspritzvor­ ganges verwendet werden kann. So kann beispielsweise am Beginn der Einspritzung die Einspritzmenge gering sein und im Laufe des Einspritzvorganges erhöht werden.

Die Fig. 3 bis 8 zeigen die Veränderung verschiedener Parame­ ter in Abhängigkeit der Zeit t während eines Einspritzvorgan­ ges. In Fig. 3 ist der von der elektronischen Steuereinheit 33 an das Magnetventil 24 geleitete Schaltimpuls I_S während der Zeitpunkte T₁ und T₂ dargestellt. Fig. 4 zeigt den Magnetven­ tilhub h_M zwischen der mit S angedeuteten Sperrstellung und der mit F gekennzeichneten Freigabestellung. p_S in Fig. 5 zeigt den Druck im Steuerraum 21, h_S in Fig. 6 den Hub des Steuerkolbens 5, Fig. 7 und 8 zeigen den Druck p_D am Düsenna­ delsitz 1b und den Hub h_D der Düsennadel 4.

Claims (9)

1. Speichereinspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit einem direkt einspritzenden über ein Magnetventil (24) gesteuer­ ten Einspritzventil (1) pro Zylinder, mit einem von einer Hochdruckpumpe (29) über eine Hochdruckleitung (11) mit Kraftstoff beaufschlagbaren, eine axial verschiebbare Dü­ sennadel (4) zumindest teilweise umgebenden ersten Druck­ raum (6) innerhalb des Einspritzventilgehäuses (3), wobei die Düsennadel (4) im Bereich des Druckraumes (6) gegenüber der Düsennadelachse (4a) geneigte Druckangriffsflächen für Druckkräfte in Öffnungsrichtung der Düsennadel (4) auf­ weist, mit einem achsgleich zur Düsennadel (4) angeordneten längsverschiebbaren Steuerkolben (5) innerhalb des Ein­ spritzventilgehäuses (3), welcher stirnseitig an einen in einer Sperrstellung des Magnetventiles (24) mit Hochdruck beaufschlagbaren Steuerraum (21) grenzt, wobei in einer Freigabestellung (F) des Magnetventiles (24) der Steuerraum (21) mit einer Leckölleitung (25) verbindbar ist, und wobei im Strömungsweg zwischen Hochdruckleitung (11) und Druck­ raum (6) ein in das Gehäuse (3) des Einspritzventiles (1) integriertes Sicherheitsventil (2) vorgesehen ist, dessen Hubachse in der Düsennadelachse (4a) liegt und dessen ent­ lang seiner Hubachse bewegbarer Ventilkörper (12) mit dem Steuerkolben (5) kombiniert ist in seiner Öffnungsstellung die Strömungsverbindung zwischen der Hochdruckleitung (11) und dem Druckraum (6) freigibt und in seiner Schließ­ stellung die Strömungsverbindung unterbricht, wobei die Öffnungsstellung des Sicherheitsventiles (2) mit der Frei­ gabestellung (F) des Magnetventiles (24) und die Schließ­ stellung mit der Sperrstellung (S) korreliert, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Steuerkolben (5) und Düsennadel (4) in der Öffnungsstellung der Düsennadel (4) über ein axiales Distanzstück (41) mechanisch in Verbindung stehen und in der Schließstellung der Düsennadel (4) zueinander ein Spiel (43) aufweisen und der Steuerraum (21) des Steuerkol­ bens (5) ständig mit der Hochdruckleitung (11) über eine Drosselstelle (42) in Strömungsverbindung steht.

2. Speichereinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Sicherheitsventil (2) und Steuerkol­ ben (5) einstückig ausgeführt sind.

3. Speichereinspritzsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Bereich des Ventilsitzes (15) des Ven­ tilkörpers (12) ein den Steuerkolben (5) umgebender, mit dem ersten Druckraum (6) in Strömungsverbindung stehender Rin­ graum (28) angeordnet ist, welcher bei geöffnetem Sicher­ heitsventil (2) mit der Hochdruckleitung (11) verbunden und bei geschlossenem Sicherheitsventil (2) von dieser getrennt ist.

4. Speichereinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetventil (24) als 2/2- Wegventil ausgeführt ist.

5. Speichereinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündung (13) der Hochdruck­ leitung (11) über Verbindungskanäle (39) innerhalb des Steuerkolbens (5) mit dem Steuerraum (21) verbunden ist.

6. Speichereinspritzsystem nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verbindungskanäle (39) als Drossel­ stelle (42) ausgebildet sind.

7. Speichereinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Steuerraum (21) und Leckölleitung (25) im Bereich des Magnetventilsitzes (24a) eine erste Drosselstelle (22) angeordnet ist.

8. Speichereinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Druckraum (6) über eine weitere Dros­ selstelle (40) im Bereich des Ringraumes (28), mit der Leckölleitung (25) verbunden ist.

9. Speichereinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Steuerkolben (5) in Öffnungsrichtung des Ventilkörpers (12) des Sicherheits­ ventiles (2) eine Feder (8) einwirkt.