CH652801A5 - Fuel injection device for internal combustion engine - Google Patents

Description

652 801 2

PATENTANSPRÜCHE minimale Volumen des hinteren Steuerdruckraumes (42)

begrenzt ist, während die Hubbewegung des Druckkolbens (26)

1. Brennstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen, in Öffnungsrichtung des Sicherheitsvorschaltventiles (21) und bei der Brennstoff konstanten Druckes von einem Hochdruck- damit das minimale Volumen des vorderen Steuerdruckraumes Speicher (3) über eine erste Druckleitung (18) einem ersten, in 5 (40) durch die Länge eines andernends der Verbindungsstange Schliessrichtung wirksamen Druckraum (15) eines auf die Ventil- (25) am Druckkolben (26) angeordneten Anschlagbolzens (47) nadel (6) eines Einspritzventiles (4) einwirkenden Steuerkolbens vorgegeben ist.

(7) sowie über eine von der ersten Druckleitung (18) abzwei- 6. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gende Brennstoffzuleitung (19; 28) einem Vorlageraum (8) an gekennzeichnet, dass der Druckkolben (26) des Sicherheitsvorder Ventilnadel (6) zuführbar ist, bei der ausserdem ein hydrauli- 10 schaltventiles (21) zusammen mit dem Anschlagbolzen (47) der scher Steuerkreis mit einem von einem maschinensynchron Verbindungsstange (25) und dem Schliesselement (22) einstückig gesteuerten Geber (30) betätigbaren Servoventil (31) vorgesehen ausgebildet ist.

ist, an das zulaufseitig eine Druckflüssigkeit konstanten Druckes führende Speiseleitung (32), ablaufseitig eine Rücklaufleitung

(33) sowie ausgangsseitig eine zu einem zweiten, in Öffnungsrich-15

tung des Einspritzventiles (4) wirkenden Druckraum ( 17) am Die Erfindung betrifft eine Brennstoffeinspritzvorrichtung für

Steuerkolben (7) führende Druckleitung (38) angeschlossen ist, Brennkraftmaschinen mit den Merkmalen entsprechend dem welches Servoventil (31) ausserdem ein Sicherheitsvorschaltven- Oberbegriff des Anspruches 1.

til (21) steuert, das mit einem Schliesselement (22) in die Eine derartige Brennstoffeinspritzvorrichtung ist in einer älte-

Brennstoffzuleitung (19; 28), diese in Brennstoffflussrichtung 20 ren Patentanmeldung der Anmelderin (P 2922332.3-13) offenabsperrend, hineinragt und einen Druckkolben (26) aufweist, bart. Die Vorteile dieser Brennstoffeinspritzvorrichtung resultie-der einen vorderen Steuerdruckraum (40) und einen hinteren ren insbesondere aus der Verwendung eines Sicherheitsvor-Steuerdruckraum (42) begrenzt, welch letzterer über eine Steu- schaltventiles, durch das die Brennstoffzuleitung von einem erdruckleitung (44) an die zweite Druckleitung (38) angeschlos- Hochdruckspeicher zu einem Vorlageraum an der Ventilnadel sen ist, derart, dass der Druckkolben (26) und der Steuerkolben 25 eines Einspritzventiles gesteuert durch ein Servoventil taktweise (7) zeitlich versetzt ansprechen und diese gesteuert durch das freigebbar bzw. absperrbar ist. Das Schliesselement des Sicher-Servoventil (31) zur Betätigung in Öffnungsrichtung an die heitsvorschaltventiles schliesst in Brennstoffflussrichtung und

Speiseleitung (32), zwecks Rückführung in die Schliesslage dage- öffnet gegen die Kraft des anstehenden Brennstoffes. Diese gen an die Rücklaufleitung (33) anschliessbar sind, dadurch Lösung wird somit prinzipiell allen Sicherheitserfordernissen gekennzeichnet, dass auch der vordere Steuerdruckraum (40) 30 gerecht, da auch im Falle eines Hängenbleibens der Ventilnadel des Sicherheitsvorschaltventiles (21) über eine Schliessdrucklei- in Öffnungsstellung eine Entleerung des Hochdruckspeichers tung (39) mit einem Ausgang (35) des Servoventiles (31) verbun- sowie eine unkontrollierte Einspritzung von Brennstoff in den den ist und gesteuert durch letzteres während der Zeit, in der die Brennraum vermieden und eine Zuführung von Brennstoff auch zweite Druckleitung (38) zur Öffnung des Sicherheitsvorschalt- während dieses Funktionsstörungsfalles nur zu den maschinen-ventiles (21) und des Einspritzventiles (4) an die Speiseleitung 35 synchron gesteuerten Einspritzzeiten möglich ist. Diese in der (32) angekoppelt ist, an die Rücklaufleitung (33) angeschlossen Praxis bereits bei schwerölbetriebenen Grossdieselbrennkraft-und druckentlastet, zur Schliessung des Sicherheitsvorschaltven- maschinen angewandte und bewährte Lösung erwies sich im tiles (21) dagegen an die Speiseleitung (32) anschliessbar ist. Bereich des Sicherheitsvorschaltventiles von der konstruktiven

2. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch Ausgestaltung, der Fertigung und der Montage von dessen gekennzeichnet, dass die Schliessdruckleitung (39) wesentlich 40 Einzelteilen sowie vom Umfang der fertigungstechnischen Masskürzer als die zum zweiten Druckraum (17) am Steuerkolben (7) nahmen im Gehäuse des Einspritzventiles insbesondere im Hinführende zweite Druckleitung (38) ist, ferner die in Schliessrich- blick auf die Einführung derartiger Brennstoffeinspritzvorrich-tung wirksame, an den vorderen Steuerdruckraum (40) des tungen in Serienproduktion als relativ aufwendig. Es stellte sich Sicherheitsvorschaltventiles (21) angrenzende Fläche (41,48) _ dem Erfinder ausgehend von diesem Sachverhalt daher die grösser als jene in Öffnungsrichtung wirksame, den hinteren 43 Aufgabe, eine Brennstoffeinspritzvorrichtung der eingangs Steuerdruckraum (42) begrenzende Fläche (43) am Druckkolben genannten Art dahingehend umzukonstruieren, dass der bauteil-(26) bemessen ist, derart, dass das Sicherheitsvorschaltventil (21) seitige, fertigungsseitige und montageseitige Aufwand insbeson-bei Druckbeaufschlagung in Schliessrichtung zeitlich vor dem dere im Bereich des Sicherheitsvorschaltventiles sowohl von Einspritzventil (4) schliessbar und die Brennstoffzuleitung (19) dessen Ausgestaltung per se als auch dessen Anschluss an den nach deren Absperrung durch teilweises Abspritzen von Rest- 50 hydraulischen Steuerkreis her gesehen auf ein Mindestmass brennstoff in den Brennraum druckentlastbar ist. reduzierbar und ausserdem auch der weitere Aufbau der Ein-

3. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch spritzvorrichtung vereinfachbar ist, derart, dass diese auch den gekennzeichnet, dass das Schliesselement (22) des Sicherheits- kostenseitigen Anforderungen für eine Einführung in Serienpro-vorschaltventiles (21) durch einen Ventilkegel (23) gebildet ist, duktion gerecht wird.

der mit einer entsprechend angepassten, an der Brennstoffzulei- 55 Diese Aufgabe ist erfindungsgemäss durch eine Brennstoffein-tung (19) angeformten kegeligen Sitzfläche (24) zusammenwirkt, spritzvorrichtung nach den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

4. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Lösung sind in den abhängi-gekennzeichnet, dass der Druckkolben (26) des Sicherheitsvor- gen Ansprüchen herausgestellt.

schaltventiles (21) im Gehäuse (5) des Einspritzventiles (4) und Die erfindungsgemässe Brennstoffeinspritzvorrichtung erfüllt dort in einer Aufnahmekammer (29) axial verschieblich angeord- 60 seitens der Absperrung und Freigabe der Brennstoffzuleitung net ist, durch deren Wände zusammen mit entsprechenden Flä- vom Hochdruckspeicher zum Vorlageraum an der Ventilnadel chen (41, 43, 48) am Druckkolben (26) der vordere und hintere des Einspritzventiles die gleiche Sicherheitsfunktion wie jene Steuerdruckraum (40, 42) begrenzt ist. eingangs abgehandelte ältere Lösung, jedoch mit einem Sicher-

5. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch heitsvorschaltventil, das demgegenüber wesentlich einfacher gekennzeichnet, dass das Schliesselement (22) des Sicherheits- 65 aufgebaut, einfacher herstellbar und montierbar ist sowie auf-vorschaltventiles (21) an der Stirnseite einer Verbindungsstange grund seiner besonderen Konstruktion auch eine Vereinfachung (25) zum Druckkolben (26) angeordnet ist, durch deren Länge der übrigen Teile der Einspritzvorrichtung insbesondere im die Hubbewegung des letzteren in Schliessrichtung und damit das Bereich des Einspritzventiles ermöglicht. Es ist somit insgesamt

gesehen eine erhebliche Kostenreduzierung bei der Herstellung desselben erzielbar, so dass die Anwendung dieser Lösung besonders für Serienproduktion geeignet ist. Die wenigen beweglichen Bauteile der erfindungsgemässen Brennstoffeinspritzvorrichtung sind ausserdem robust auszubilden und insbesondere im Hinblick auf Schwerölbetrieb konstruiert, so dass deren Funktion, auch im Einsatz bei schwerölbetriebenen Schiffsdieselmaschinen, jederzeit gewährleistet ist.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert.

In der Zeichnung ist eine Brennstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen gezeigt, bei der Brennstoff aus einem Brennstofftank 1 mittels einer Förderpumpe 2 einem Hochdruckspeicher 3 drucküberwacht zuführbar ist, von dem aus die Brennstoffeinspritzvorrichtungen einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine mit Brennstoff konstanten Druckes versorgbar sind. Eine dieser Brennstoffeinspritzvorrichtungen, die dem Aufbau nach alle gleich ausgebildet sind, ist in der Zeichnung dargestellt. Diese besitzt ein Einspritzventil 4, das aus einem Gehäuse 5, einer Ventilnadel 6 und einem auf diese einwirkenden Steuerkolben 7 besteht. Die Ventilnadel 6 ist innerhalb des Gehäuses 5 in einer Bohrung 8 axial beweglich gelagert und besitzt an ihrem vorderen Ende ein kegelförmig ausgebildetes Schliesselement 9, das mit einem entsprechend angepassten Ventilsitz 10 im Gehäuse 5 zur Absperrung einer Brennstoffzuführung oder Freigabe von Brennstoff zur Einspritzung durch Einspritzdüsen 11 in einen Brennraum zusammenwirkt. Der Steuerkolben 7 besteht aus einem Kolbenteil 12 und einem durchmessergrösseren Kolbenteil 13 und ist ebenso wie die Ventilnadel 6 in entsprechend angepassten Bohrungen des Gehäuses 5 axial beweglich gelagert. Das erste Kolbenteil 12 begrenzt mit seiner äusseren Stirnfläche im Zusammenwirken mit den Wandteilen seiner Aufnahmebohrung 14 einen ersten Druckraum 15, während das zweite Kolbenteil 13 mit seiner der Ventilnadel 6 zugewandten Stirnfläche im Zusammenwirken mit Wandteilen seiner Aufnahmebohrung 16 einen zweiten Druckraum 17 begrenzt. Der erste Druckraum 15 ist über eine erste Druckleitung 18 an den Hochdruckspeicher 3 angeschlossen und von diesem ständig mit Brennstoff konstanten Druckes versorgt, so dass im Druckraum 15 ständig ein bestimmter in Schliessrichtung des Einspritzventiles wirksamer Druck ansteht. Die in Schliessrichtung wirksame Fläche am Kolbenteil 12 ist jedoch kleiner als die in Öffnungsrichtung des Einspritzventiles wirksame Fläche am Kolbenteil 13 des Steuerkolbens 7. Von der ersten Druckleitung 18 zweigt innerhalb des Gehäuses 5 eine Brennstoffzuleitung 19 ab, die in einen Vorlageraum 20 an der Ventilnadel 6 einmündet. Die Brennstoffzuleitung 19 und damit die Brennstoffzuführung vom Hochdruckspeicher über die erste Druckleitung 18 zum Vorlageraum 20 an der Ventilnadel 6 ist durch ein Sicherheitsvorschaltventil 21 absperrbar bzw. freigebbar. Das Sicherheitsvorschaltventil 21 ragt mit einem Schliesselement 22 in die Brennstoffzuleitung 19, diese in Brennstoffflussrichtung absperrend hinein. Das Schliesselement 22 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel durch einen Ventilkegel 23 gebildet, der mit einer entsprechend angepassten, an der Brennstoffzuleitung 19 angeformten kegeligen Sitzfläche 24 zusammenwirkt und am äusseren Ende einer Verbindungsstange 25 angeordnet ist, die zu einem Druckkolben 26 führt. Die Verbindungsstange 25 durchdringt dabei innerhalb des Gehäuses 5 die erste Druckleitung 18, die im Durchdringungsbereich einen erweiterten Raum 27 aufweist, von dem auch die Brennstoffzuleitung 19 mit jenem, den Ventilsitz 24 aufweisenden Teilstück 28 abzweigt. Der Druckkolben 26 des Sicherheitsvorschaltventiles 21 ist ebenfalls innerhalb des Gehäuses 5 und dort in einer Aufnahmekammer 29 axial beweglich gelagert.

Zur Steuerung des Sicherheitsvorschaltventiles 21 und des Einspritzventiles 4 ist als weiteres Teil der Brennstoffeinspritzvorrichtung ein in der Zeichnung nur teilweise dargestellter

3 652 801

hydraulischer Steuerkreis mit einem von einem maschinensynchron gesteuerten Geber 30 betätigbaren Servoventil 31 vorgesehen. Letzteres ist zulaufseitig an eine Druckflüssigkeit konstanten Druckes führende Speiseleitung 32 sowie ablaufseitig an eine 5 Rücklaufleitung 33 angeschlossen und besitzt zwei Ausgänge 34 bzw. 35, welche wechselweise durch interne Umschaltung an die Speiseleitung 32 oder die Rücklaufleitung 33 anschliessbar sind. Der elektrische Steuerteil des Servoventiles 31 ist über einen elektrischen Steuerkanal 36 mit dem Geber 30 verbunden, bei 10 dem es sich vorzugsweise um einen Mikroprozessor handelt, der nach einprogrammierten Kriterien in Abhängigkeit von in ihn über Kanäle 37 eingespeisten Betriebsparametern der Brennkraftmaschine arbeitet sowie resultierend hieraus seine Befehle an das Servoventil abgibt. Am Ausgang 34 des Servoventiles 31 15 ist eine zweite Druckleitung 38 angeschlossen, die innerhalb des Gehäuses 5 verläuft und in den zweiten, in Öffnungsrichtung der Ventilnadel 6 wirkenden Druckraum 17 einmündet. Am zweiten Ausgang 35 des Servoventiles 31 wiederum ist eine Schliess-druckleitung 39 angeschlossen, die ebenfalls innerhalb des 20 Gehäuses 5 verlaufend in einen vorderen Steuerdruckraum 40 einmündet, der zur Druckbeaufschlagung des Druckkolbens 26 in Schliessrichtung des Sicherheitsvorschaltventiles 21 dient und durch eine Stirnfläche 41 am Druckkolben 26 sowie Wandteile der Aufnahmekammer 29 begrenzt ist. Ausser dem vorderen 25 Steuerdruckraum 40 ist andernends des Druckkolbens 26 ein hinterer Steuerdruckraum 42 vorhanden, der zur Druckbeaufschlagung des Druckkolbens 26 in Öffnungsrichtung des Sicherheitsvorschaltventiles 21 dient, durch eine Stirnfläche 43 am Druckkolben sowie Wandteile der Aufnahmekammer 29. 30 begrenzt und zur Druckmittelversorgung über eine Steuerdruckleitung 44 an die zweite Druckleitung 38 angeschlossen ist. Die Abzweigstelle 45 der Steuerdruckleitung 44 an der zweiten Druckleitung 38 liegt dabei nahe deren Einmündungsstelle in den zweiten Druckraum 17, wobei die Steuerdruckleitung 44, gerech-35 net von der Abzweigstelle 45 bis zur Einmündung in den hinteren Steuerdruckraum 42, wesentlich länger ist als jenes Teilstück 46 der zweiten Druckleitung, gerechnet von der Abzweigstelle 45 bis zur Einmündung in den zweiten Druckraum 17 am Steuerkolben 7. Durch diese unterschiedlichen Druckübertragungsweg-40 längen, gerechnet von der Abzweigstelle 45, ist eine zeitlich versetzte Betätigung des Druckkolbens 26 und des Steuerkolbens 7 für den Fall realisierbar, in dem die zweite Druckleitung38 servoventilseitig an die Speiseleitung 32 angeschlossen ist, dergestalt, dass zuerst der Steuerkolben 7 des Einspritzventiles 4 über 45 den zweiten Druckraum 17 in Öffnungsrichtung druckbeaufschlagt und somit das Einspritzventil geöffnet wird und erst dann zeitlich versetzt der Druckkolben 26 des Sicherheitsvorschaltventiles 21 in Öffnungsrichtung zur Freigabe der Brennstoffzuleitung 19 und damit einer Brennstoffeinspritzung betätigt wird. Die 50 Hubbewegung des Druckkolbens 26 in Schliessrichtung und damit das minimale Volumen des hinteren Steuerdruckraumes 42 ist durch die Länge der Verbindungsstange 25 vorgegeben, während die Hubbewegung des Druckkolbens 26 in Öffnungsrichtung des Sicherheitsvorschaltventiles 21 und damit das mini-55 male Volumen des vorderen Steuerdruckraumes 40 durch die Länge eines andernends der Verbindungsstange 25 am Druckkolben 26 angeordneten Anschlagbolzens 47 vorgegeben ist. Der Druckkolben 26 ist in vorteilhafter Weise zusammen mit dem Anschlagbolzen47, der Verbindungsstange 25 und dem Schliess-60 element 22 einstückig ausgebildet. Die in Schliessrichtung wirksame Fläche des Sicherheitsvorschaltventiles 21, die sich aus der Stirnfläche 41 am Druckkolben 26 und einer Anschlagfläche 28 am Anschlagbolzen 47 zusammensetzt, ist dabei grösser als jene in Öffnungsrichtung wirksame, an den hinteren Steuerdruck-65 räum 42 angrenzende Fläche am Druckkolben bemessen, mit der Folge, dass das Sicherheitsvorschaltventil 21 bei Druckbeaufschlagung in Schliessrichtung nach vorheriger Druckentlastung des Steuerdruckraumes 42 zeitlich vor dem Einspritzventil

652 801

schliesst und dadurch die Brennstoffzuleitung 19 nach ihrer Absperrung durch teilweises Abspritzen von Restbrennstoff in den Brennraum druckentlastbar ist.

Nachstehend ist die Funktion dieser Brennstoffeinspritzvorrichtung ausgehend von der in der Zeichnung dargestellten Lage ihrer beweglichen Teile beschrieben. In dieser Ausgangslage ist das Einspritzventil 4 und das Sicherheitsvorschaltventil 21 geschlossen. Das Servoventil befindet sich dabei in einer Schaltstellung, in der der vordere Steuerdruckraum 40 über die Schliessdruckleitung 39 an die Speiseleitung 32, der hintere Steuerdruckraum 42 des Sicherheitsvorschaltventiles 21 sowie der zweite Druckraum 17 des Einspritzventiles 4 dagegen über die zweite Druckleitung 38 druckentlastet an die Rücklaufleitung 33 angeschlossen sind. Das Einspritzventil 4 wird dabei durch den im ersten Druckraum 15 am Steuerkolben 7 anstehenden Brennstoffdruck in Schliesslage gehalten.

Wenn nun vom Geber 30 ein Signal für einen Einspritzvorgang in das Servoventil 31 eingespeist wird, schaltet dieses intern um, wodurch a) die Schliessdruckleitung 39 von der Speiseleitung abgeschaltet und an die Rücklaufleitung 33 angeschlossen wird, mit der Folge einer Druckentlastung des vorderen Steuerdruckraumes 40 des Sicherheitsvorschaltventiles 21, und b) die zweite Druckleitung 38 von der Rücklaufleitung 33 abgeschaltet und an die Speiseleitung 32 angeschlossen wird mit der Folge, dass aufgrund der unterschiedlichen Druckübertra-gungsweglängen zunächst Druck im zweiten Druckraum 17 zur Öffnung des Einspritzventiles 4 und erst dann im hinteren Steuerdruckraum 42 zur Öffnung des Sicherheitsvorschaltventiles wirksam wird.

Nach Öffnen des Sicherheitsvorschaltventiles 21 ist die Brennstoffzuleitung 19 an die Brennstoffversorgung angeschlossen, so dass der Einspritzvorgang ablaufen kann. Sobald dem Servoventil 31 vom Geber das Ende des Einspritzvorganges signalisiert 5 wird, schaltet dieses wieder in seine Ausgangslage zurück, bei welchem Vorgang die Schliessdruckleitung 39 wieder an die Speiseleitung 32 und die zweite Druckleitung 38 wieder an die Rücklaufleitung 33 angeschlossen werden. Diese wechselweise Umschaltung der beiden Druckleitungen 38 und 39 erfolgt 10 gleichzeitig und ruft an den angeschlossenen Teilen folgende besondere Wirkung hervor. Es wird zunächst der über die Schliessdruckleitung 39 zugeführte Druck im vorderen Steuerdruckraum 40 wirksam, der grösser ist als der im hinteren Steuerdruckraum 42 anstehende Druck, so dass das Sicherheits-15 vorschaltventil 21 geschlossen und die Brennstoffzuleitung 19 abgesperrt wird. Letzteres deshalb, weil die Schliessdruckleitung 39 wesentlich kürzer als die zweite Druckleitung 38 ist und damit die Druckentlastung des zweiten Druckraumes 17 erst zeitlich versetzt wirksam wird. Durch diese zeitlich versetzte Druckentla-20 stung des zweiten Druckraumes 17 ergibt sich ein gegenüber dem Schliessen des Sicherheitsvorschaltventiles zeitlich vergrössertes Schliessen des Einspritzventiles 4, mit dem gewünschten Effekt, dass die bereits abgesperrte Brennstoffzuleitung 19 durch teilweises Abspritzen von Restbrennstoff bis hin zu einem gewissen Restdruck druckentlastbar ist. Es erübrigen sich somit aufgrund dieser besonderen Ausgestaltung der Brennstoffeinspritzvorrichtung weitere Massnahmen zur Druckentlastung des in der abgesperrten Brennstoffzuleitung 19 befindlichen Brennstoffes. Durch das Absenken des in der abgesperrten Brennstoffzuleitung 19 befindlichen Brennstoffes auf einen bestimmten Restdruck sind ausserdem Beschädigungen der Brennstoffzuleitung 19 durch Kavitationseffekte wirksam vermieden.

25

30

M

1 Blatt Zeichnungen