CH652802A5 - Fuel injection device for internal combustion engines - Google Patents

Description

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PATENTANSPRÜCHE 7. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vom absperrbaren Bereich der Brennstoff-

1. Brennstoffeinspritzvorrichtungfür Brennkraftmaschinen, Zuleitung (19) eine Drosselbohrung (46) abzweigt, die zur Druck-bei der Brennstoff konstanten Druckes von einem Hochdruck- entlastung der abgesperrten Brennstoffzuleitung (19) dient und Speicher (3) über eine erste Druckleitung (18), einem ersten, in 5 in eine Rücklaufleitung (47) einmündet.

Schliessrichtung wirksamen Druckraum (15) eines auf die Ventil- 8. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch nadel (6) eines Einspritzventiles (4) einwirkenden Steuerkolbens gekennzeichnet, dass zur Verhinderung von Kavitation und zur (7) sowie über eine von der ersten Druckleitung (18) abzwei- Erhaltung eines Restdruckes in der abgesperrten Brennstoffzugende Brennstoffzuleitung (19 ; 28), einem Vorlageraum (20) an leitung (19) am Übergang von der Drosselbohrung (46) in die der Ventilnadel (6) zuführbar ist, bei der ausserdem ein hydrauli- 10 Rücklaufleitung (47) ein Rückschlagventil (48) eingeschaltet ist. scher Steuerkreis (32,33) mit einem von einem maschinensynchron gesteuerten Geber (30) betätigbaren Servoventil (31)

vorgesehen ist, an das zulaufseitig eine Druckflüssigkeit konstanten Druckes führende Speiseleitung (32), ablaufseitig eine Rück- Die Erfindung betrifft eine Brennstoffeinspritzvorrichtung für laufleitung (33) sowie ausgangsseitig eine zweite, zu einem 15 Brennkraftmaschinen mit Merkmalen entsprechend dem Ober-zweiten, in Öffnungsrichtung des Einspritzventiles (4) wirksa- begriff des Anspruchs 1.

men Druckraum (17) am Steuerkolben (7) führende Drucklei- Eine derartige Brennstoffeinspritzvorrichtung ist in einer älte-tung (38) angeschlossen ist, welches Servoventil (31) ausserdem ren Patentanmeldung der Anmelderin (P 2922332.3-13) offenein Sicherheitsvorschaltventil (21) steuert, das mit einem bart. Die Vorteile dieser Brennstoffeinspritzvorrichtung resultie-Schliesselement (22) in die Brennstoffzuleitung (19 ; 28), diese in 20 ren insbesondere aus der Verwendung eines Sicherheitsvor-Brennstoffflussrichtung absperrend hineinragt und einen Druck- schaltventiles, durch das die Brennstoffzuleitung von einem kolben (26) aufweist, der innerhalb einer Aufnahmekammer (29) Hochdruckspeicher zu einem Vorlageraum an der Ventilnadel einen Steuerdruckraum (40) begrenzt, der über eine Steuer- eines Einspritzventiles gesteuert durch ein Servoventil taktweise druckleitung (39) zur Sicherheitsvorschaltventilbetätigung freigebbar bzw. absperrbarist. Das Schliesselement des Sicher-ebenso wie der zweite Druckraum (17) am Steuerkolben (7) zur 25 heitsvorschaltventiles schliesst in Brennstoffflussrichtung und Öffnung bzw. Schliessung des Einspritzventils (4) gesteuert öffnet gegen die Kraft des anstehenden Brennstoffes. Diese durch das Servoventil (31) an die Speiseleitung (32) oder die Lösung wird somit prinzipiell allen Sicherheitserfordernissen Rücklaufleitung (33) anschliessbar ist, dadurch gekennzeichnet, gerecht, da auch im Falle eines Hängenbleibens der Ventilnadel dass das Schliesselement (22) des Sicherheitsvorschaltventiles in Öffnungsstellung eine Entleerung des Hochdruckspeichers (21) am äusseren Ende einer V erbindungsstange (25 ; 43,44) zum 30 sowie eine unkontrollierte Einspritzung von Brennstoff in den Druckkolben (26) angeordnet ist, welche die erste Druckleitung Brennraum vermieden und eine Zuführung von Brennstoff auch

(18) durchdringt und eine vom darin befindlichen Brennstoff während dieses Funktionsstörungsfalles nur zu den maschinenständig mit Druck beaufschlagte Druckfläche (42) aufweist, die synchron gesteuerten Einspritzzeiten möglich ist. Diese in der zur Öffnung des Sicherheitsvorschaltventiles (21) dient und nach Praxis bereits bei schwerölbetriebenen Grossdieselbrennkraft-Anschluss des andernendes des Druckkolbens (26) angeordneten 35 maschinen angewandte und bewährte Lösung erwies sich im Steuerdruckraumes (40) an die Rücklaufleitung (33) wirksam ist. Bereich des Sicherheitsvorschaltventiles von der konstruktiven

2. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch Ausgestaltung, der Fertigung und der Montage von dessen gekennzeichnet, dass das Schliesselement (22) des Sicherheits- Einzelteilen sowie vom Umfang der fertigungstechnischen Mass-vorschaltventiles (21) durch einen Ventilkegel (23) gebildet ist, nahmen im Gehäuse des Einspritzventiles insbesondere im Hin-der mit einer entsprechend angepassten, an der Brennstoffzulei- 40 blick auf die Einführung derartiger Brennstoffeinspritzvorrich-tung (19) angeformten kegeligen Sitzfläche (24) zusammenwirkt, tungenin Serienproduktion als relativ aufwendig. Es stellte sich

3. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch dem Erfinder ausgehend von diesem Sachverhalt daher die gekennzeichnet, dass die Verbindungsstange (25) aus zwei Aufgabe, eine Brennstoffeinspritzvorrichtung der eingangs durchmesserverschiedenen Teilabschnitten besteht, wobei der genannten Art dahingehend umzukonstruieren, dass der bauteil-durchmesserkleinere Teilabschnitt (43) an seinem äusseren Ende 45 seitige, fertigungsseitige und montageseitige Aufwand insbeson-das Schliesselement (22) des Sicherheitsvorschaltventils (21) dere im Bereich des Sicherheitsvorschaltventiles sowohl von trägt, ferner der durchmessergrössere Teilabschnitt (44) am dessen Ausgestaltung per se als auch dessen Anschluss an den Druckkolben (26) angrenzt und die Druckfläche durch die hydraulischen Steuerkreis her gesehen auf ein Mindestmass ringförmige Übergangsfläche (42) zwischen beiden Teilabschnit- reduzierbar und ausserdem auch der weitere Aufbau der Einten (43, 44) gebildet ist. 50 spritzvorrichtung vereinfachbar ist, derart, dass diese auch den

4. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch kostenseitigen Anforderungen für eine Einführung in Serienpro-gekennzeichnet, dass die erste Druckleitung (18) im Bereich der duktion gerecht wird.

sie durchdringenden Verbindungsstange (25) des Sicherheitsvor- Diese Aufgabe ist erfindungsgemäss durch eine Brennstoffein-

schaltventiles (21) durch einen Raum (27) erweitert ist, der einen spritzvorrichtung nach den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Druckraum bildet und von dem auch die Brennstoffzuleitung 55 Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Lösung sind in den abhängi-

(19) mitihrem, den Ventilsitz (24) aufweisenden Teilstück (28) gen Ansprüchen herausgestellt.

abzweigt. Die erfindungsgemässe Brennstoffeinspritzvorrichtung erfüllt

5. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch seitens der Absperrung und Freigabe der Brennstoffzuleitung gekennzeichnet, dass der Druckkolben (26) des Sicherheitsvor- vom Hochdruckspeicher zum Vorlageraum an der Ventilnadel schaltventiles (21) andernends der Verbindungsstange (25) einen 60 des Einspritzventiles die gleiche Sicherheitsfunktion wie jene Anschlagbolzen (45) trägt, durch dessen Länge der Hubweg des eingangs abgehandelte ältere Lösung, jedoch mit einem Sicher-Druckkolbens (26) in Öffnungsrichtung und damit das minimale heitsvorschaltventil, das demgegenüber wesentlich einfacher Volumen des Steuerdruckraumes (40) vorgegeben ist. aufgebaut, einfacher herstellbar und montierbar ist sowie auf-

6. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch grund seiner besonderen Konstruktion auch eine Vereinfachung gekennzeichnet, dass der Druckkolben (26) des Sicherheitsvor- 65 der übrigen Teile der Einspritzvorrichtung insbesondere im schaltventiles (21) zusammen mit dem Anschlagbolzen (45), der Bereich des Einspritzventiles ermöglicht. Es ist somit insgesamt Verbindungsstange (25) und dem Schliesselement (22) einstückig gesehen eine erhebliche Kostenreduzierung bei der Herstellung ausgebildet ist. 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 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispieles der erfindungsgemässen Brennstoffeinspritzvorrichtung;

Fig. 2 Teilelemente eines zweiten Ausführungsbeispieles einer Brennstoffeinspritzvorrichtung, aufbauend auf der Lösung nach Fig. 1, und

Fig. 3 Teilelemente eines dritten Ausführungsbeispieles einer Brennstoffeinspritzvorrichtung, aufbauend auf der Lösung nach Fig. 2.

In den Figuren sind gleiche Bauteile bzw. Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.

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 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 Zusasmmenwirken 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,

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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 hydraulischer Steuerkreis mit einem von einem maschinensynchron gesteuerten Geber 30 betätigbaren Servoventil 31 vorgesehen. Letzteres ist eingangsseitig an eine Druckflüssigkeit konstanten Druckes führende Speiseleitung 32 sowie an eine Rücklaufleitung 33 angeschlossen und besitzt zwei Ausgänge 34 bzw. 35, welche wechselweise 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 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.

An den Ausgang 34 des Servoventiles 31 ist eine Druckleitung, nachfolgend zweite Druckleitung 38 genannt, angeschlossen, die innerhalb des Gehäuses 5 verläuft und in den zweiten, in Öffnungsrichtung der Ventilnadel 6 wirksamen Druckraum 17 einmündet. Am Ausgang 35 des Servoventils 31 dagegen ist eine Steuerdruckleitung 39 angeschlossen, die in einen Steuerdruckraum 40 einmündet, der hinter dem Druckkolben 26 des Sicherheitsvorschaltventiles 21 andernends der Verbindungsstange 25 angeordnet und durch Wandteile der Aufnahmekammer 29 für den Druckkolben 26 sowie dessen Stirnseite 41 begrenzt ist. Bei Anschluss der Steuerdruckleitung 39 an die Speiseleitung 32 steht im Steuerdruckraum 40 Druck an, der den Druckkolben 26 des Sicherheitsvorschaltventiles 21 in Schliessrichtung desselben beaufschlagt. Darüber hinaus ist an der Verbindungsstange 25 eine Druckfläche 42 angeordnet, die ständig vom Druck des in der ersten Druckleitung 18 anstehenden Brennstoffes beaufschlagt ist und zur Öffnung des Sicherheitsvorschaltventiles 21 dient, wobei dieser Öffnungsdruck dann wirksam wird, wenn der andernends des Druckkolbens 26 angeordnete Steuerdruckraum 40 über die Steuerdruckleitung 39 nach Umschaltung des Servoventiles 31 an die Rücklaufleitung 33 angeschlossen ist. Zum Erhalt der Druckfläche 42 besteht die Verbindungsstange 25 aus zwei durchmesserverschiedenen Teilabschnitten, wobei der durchmesserkleinere Teilabschnitt 43 an seinem äusseren Ende das Schliesselement 22 des Sicherheitsvorschaltventiles 21 trägt, ferner der durchmessergrössere Teilabschnitt 44 am Druckkolben 26 angrenzt und die Druckfläche 42 durch die ringförmige Übergangsfläche zwischen beiden Teilabschnitten gebildet ist. Ausser der Verbindungsstange 25 ist andernends derselben am Druckkolben 26 noch ein Anschlagbolzen 45 vorgesehen, durch dessen Länge der Hubweg des Druckkolbens 26 in Öffnungsrichtung und damit das minimale Volumen des Steuerdruckraumes 40 vorgegeben ist.

Nachfolgend ist die Funktion dieser Brennstoffeinspritzvorrichtung ausgehend von der in Fig. 1 dargestellten Lage ihrer beweglichen Elemente beschrieben, wobei das Servoventil eine Schaltstellung eingenommen hat, in der der Steuerdruckraum 40 über die Steuerdruckleitung 39 an die Speiseleitung 32 angeschlossen, somit der Druckkolben 26 des Sicherheitsvorschaltventiles 21 druckbeaufschlagt und die Brennstoffzuleitung 19 durch das Schliesselement 22 abgesperrt ist, ferner der zweite Druckraum 17 am Steuerkolben 7 des Einspritzventiles über die zweite Druckleitung 38 an die Rücklaufleitung 33 angeschlossen ist und somit der im ersten Druckraum 15 am Steuerkolben 7 anstehende Druck voll wirksam und die Ventilnadel 6 in Schliess-lage befindlich ist.

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Wenn nun vom Geber 30 in das Servoventil 31 ein Befehl für einen Einspritzvorgang eingespeist wird, schaltet dieses intern um. Dadurch wird zunächst die Steuerdruckleitung 39 mit der Rücklaufleitung 33 verbunden, so dass der Steuerdruckraum 40 druckentlastet und der an der Druckfläche 42 anstehende Brenn- 5 stoffdruck wirksam wird, mit der Folge, dass das Sicherheitsvorschaltventil 21 geöffnet, damit die Brennstoffzuleitung 19freige-geben und über diese dem Vorlageraum 20 an der Ventilnadel 6 Brennstoff zugeführt wird. Kurzzeitig nach Anschluss der Steuerdruckleitung 39 an die Rücklaufleitung 33 wird die zweite 10 Druckleitung 38 von der Entlastungsleitung 33 ab- und an die Speiseleitung 32 angeschlossen, wodurch der zweite Druckraum 17 mit Druck versorgt und der Steuerkolben unter Mitnahme der Ventilnadel in seine Öffnungsstellung überführt wird, in der der im Brennstoffvorlageraum 20 anstehende Brennstoff durch die 15 Einspritzdüsen 11 in den zugehörigen Brennraum abspritzbar ist. Nach geberseitiger Signalisierung des Einspritzendes schaltet das Servoventil 31 wieder in seine vorstehend erwähnte Ausgangslage zurück. Dabei wird zunächst wieder die Steuerdruckleitung 39 von der Entlastungsleitung 33 ab- und an die Speiseleitung 32 20 angeschlossen, so dass am Steuerdruckraum 40 wieder Druck angelegt ist und das Sicherheitsvorschaltventil 21 in Schliessrichtung betätigt wird mit der Folge, dass die Brennstoffzuleitung 19 wieder abgesperrt wird. Anschliessend wird die zweite Druckleitung 38 servoventilseitig von der Speiseleitung 32 ab- und an die Entlastungsleitung 33 angeschlossen, wodurch der zweite Druckraum 17 druckentlastet und die Ventilnadel 6 infolge des im ersten Druckraum 15 anstehenden Brennstoffdruckes durch den Steuerkolben 7 wieder in ihre Schliesslage rückgeführt wird.

Durch den geringfügigen zeitlichen Versatz zwischen dem vorlaufenden Absperren der Brennstoffzuleitung 19 durch das Sicherheitsvorschaltventil und dem Schliessen der Ventilnadel 6 ist es möglich, eine Volumen- und Druckentlastung in der abgesperrten Brennstoffzuleitung 19 zu erzielen.

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Es ist selbstverständlich möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, durch Verwendung anderer Druckleitungslängen- oder -volumina oder eines Servoventiles mit anderen internen Druck- bzw. Entlastungswegsteuerelementen andere Steuercharakteristiken zu erzielen, beispielsweise dergestalt, dass für einen Einspritzvorgang zunächst die Ventilnadel 6 angehoben und dann erst das Sicherheitsvorschaltventil 21 für eine Brennstoffzuführung freigegeben wird sowie zur Beendigung des Einspritzvorganges zunächst die Ventilnadel 6 und erst dann das Sicherheitsvorschaltventil in seine Schliesslage rückgeführt wird. Weiter ist es möglich, durch entsprechende Ausbildung des Servoventiles 31 den zeitlichen Ablauf so zu steuern, dass sowohl das Sicherheitsvorschaltventil als auch die Ventilnadel gleichzeitig öffnen und auch gleichzeitig wieder schliessen.

In den Fällen der beiden zuletzt genannten Ausführungsmöglichkeiten erweist es sich als zweckmässig, Vorkehrungen für eine Druckentlastung der abgesperrten Brennstoffzuleitung 19 zu treffen. Eine derartige Massnahme ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 gezeigt, in welchem Ausführungsbeispiel bei ansonsten gleichem Aufbau wie bei Fig. 1 von der Brennstoffzuleitung 19 zu deren Druckentlastung im abgesperrten Zustand eine Drosselbohrung 46 abzweigt, die in eine Rücklaufleitung 47 zum Brennstofftank 1 einmündet. Zur Verhinderung von Kavitation und zur Erhaltung eines Restdruckes in der abgesperrten Brennstoffzuleitung 19 kann bei dieser Lösung noch, wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 gezeigt, am Übergang von der Drosselbohrung 46 in die Rücklaufleitung 47 ein Rückschlagventil 48 eingeschaltet sein. Letzteres besteht im einfachsten Falle aus einer Druckfeder und einer Kugel als Absperrelement, wobei die Rückstellkraft der Druckfeder auf den gewünschten Restdruck in der abgesperrten Brennstoffzuleitung 19 abgestimmt ist. Der weitere Aufbau der in Fig. 3 gezeigten Lösung entspricht wieder jenem von Fig. 1.

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1 Blatt Zeichnungen