CH653100A5 - Fuel injection device for internal combustion engines - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen mit Merkmalen entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine derartige Brennstoffeinspritzvorrichtung ist in einer älteren Patentanmeldung der Anmelderin (P 29 22 332.3-13) offenbart. Die Vorteile dieser Brennstoffeinspritzvorrichtung resultieren insbesondere aus der Verwendung eines Vorschaltventiles, durch das die Brennstoffzuleitung von einem Hochdruckspeicher zu einem Vorlageraum an der Ventilnadel eines Einspritzventiles gesteuert durch ein Servoventil taktweise freigebbar bzw. absperrbar ist. Das Schliesselement des Vorschaltventiles schliesst in Brennstofflussrichtung und öffnet gegen die Kraft des anstehenden Brennstoffes. Diese Lösung wird somit prinzipiell allen Sicherheitserfordernissen gerecht, da auch im Falle eines Hängenbleibens der Ventilnadel in Öffnungsstellung eine Entleerung des Hochdruckspeichers sowie eine unkontrollierte Einspritzung von Brennstoff in den Brennraum vermieden und eine Zuführung von Brennstoff auch während dieses Funktionsstörungsfalles nur zu den maschinensynchron gesteuerten Einspritzzeiten möglich ist. Diese in der Praxis bereits bei schwerölbetriebenen Grossdieselbrennkraftmaschinen angewandte und bewährte Lösung erwies sich im Bereich des Vorschaltventiles von der konstruktiven Ausgestaltung, der Fertigung und der Montage von dessen Einzelteilen sowie vom Umfang der fertigungstechnischen Massnahmen im Gehäuse des Einspritzventiles insbesondere im Hinblick auf die Einführung derartiger Brennstoffeinspritzvorrichtungen in Serienproduktion als relativ aufwendig. Es stellte sich dem Erfinder ausgehend von diesem Sachverhalt daher die Aufgabe, eine Brennstoffeinspritzvorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend umzukonstruieren, dass der bauteilseitige, ferti-gungsseitige und montageseitige Aufwand insbesondere im Bereich des Vorschaltventiles sowohl von dessen Ausgestaltung per se als auch dessen Anschluss an den hydraulischen Steuerkreis her gesehen auf ein Mindestmass reduzierbar und ausserdem auch der weitere Aufbau der Einspritzvorrichtung vereinfachbar ist, derart, dass diese auch den kostenseitigen Anforderungen für eine Einführung in Serienproduktion gerecht wird.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäss durch eine Brennstoffeinspritzvorrichtung nach den Merkmalen des

2

s

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

653100

Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Lösung sind in den abhängigen Ansprüchen herausgestellt.

Die erfindungsgemässe Brennstoffeinspritzvorrichtung erfüllt seitens der Absperrung und Freigabe der Brennstoffzuleitung vom Hochdruckspeicher zum Vorlageraum an der Ventilnadel des Einspritzventiles die gleiche Sicherheitsfunktion wie jene eingangs abgehandelte ältere Lösung, jedoch mit einem Vorschaltventil, das demgegenüber wesentlich einfacher aufgebaut, einfacher herstellbar und montierbar ist, sowie aufgrund seiner besonderen Konstruktion auch eine Vereinfachung der übrigen Teile der Einspritzvorrichtung insbesondere im 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 erfîn-dungsgemässen 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 und

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

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 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 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 Vorschaltventil 21 absperrbar bzw. freigebbar. Das Vorschaltventil 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 Ventilsatz 24 aufweisenden Teilstück 28 abzweigt. Der Druckkolben 26 des Vorschaltventiles 21 ist ebenfalls innerhalb des Gehäuses 5 und dort in einer Aufnahmekammer 29 axial beweglich gelagert.

Zur Steuerung des Vorschaltventiles 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 zulaufseitig an eine Druckflüssigkeit konstanten Druckes führende Speiseleitung 32 sowie ablaufseitig 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. Am Ausgang 34 des Servoventiles 31 ist eine Schliessdruckleitung 38 angeschlossen, die innerhalb des Gehäuses 5 in einen vorderen Steuerdruckraum 39 des Vorschaltventiles 21 einmündet, der zur Druckbeaufschlagung des Druckkolbens 26 in Schliessrichtung dient und durch eine Stirnfläche 40 am Steuerkolben 26 sowie Wandteile der Aufnahmekammer 29 begrenzt ist. Andern-ends des Druckkolbens 26, mithin auf seiten der Verbindungsstange 25, ist ausserdem ein hinterer Steuerdruckraum 41 vorhanden, der zur Druckbeaufschlagung des Druckkolbens 26 in Öffnungsrichtung des Vorschaltventiles 21 dient und durch eine Stirnfläche 42 am Druckkolben 26 sowie durch Wandteile der Aufnahmekammer 29 begrenzt ist. Der hintere Steuerdruckraum 41 ist über eine Öffnungsdruckleitung 43 am Ausgang 35 des Servoventiles 31 angeschlossen. Die Länge der Hubbewegung des Druckkolbens 26 in Schliessrichtung und damit das minimale Volumen des hinteren Steuerdruckraumes 41 ist durch die Länge der Verbindungsstange 25 vorgegeben, während die Hubbewegung des Druckkolbens 26 in Öffnungsrichtung des Vorschaltventiles 21 und damit das minimale Volumen des vorderen Steuerdruckraumes 39 durch die Länge eines andernends der Verbindungsstange 25 am Druckkolben 26 angeordneten Anschlagbolzens 44 vorgegeben ist. Der Druckkolben 26 des Vorschaltventiles 21 ist in vorteilhafter Weise zusammen mit dem Anschlagbolzen 44, der Verbindungsstange 25 und dem Schliesselement 22 einstückig ausgebildet.

Der zweite Druckraum 17 des Einspritzventiles 4 ist über

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

653100

eine zweite Druckleitung 45 an die Brennstoffzuleitung 19 angeschlossen, nach Freigabe derselben durch das Vorschaltventil 21 über diese zur Öffnung des Einspritzventiles mit Druck versorgbar sowie nach Absperrung der Brennstoffzuleitung 19 durch das Vorschaltventil 21 über diese auch wieder druckentlastbar. Von der Brennstoffzuleitung 19 zweigt ausser der zweiten Druckleitung 45 auch noch eine Drosselbohrung 46 ab, die zur Druckentlastung des in der abgesperrten Brennstoffzuleitung 19 verbliebenen Brennstoffes dient und in eine zum Brennstofftank 1 führende Rücklaufleitung 47 einmündet.

Nachstehend ist die Funktion der in Fig. 1 gezeigten Brennstoffeinspritzvorrichtung ausgehend von der dargestellten Lage ihrer beweglichen Teile beschrieben. In dieser Ausgangslage ist das Einspritzventil 4 und das Vorschaltventil 21 geschlossen. Das Servoventil 31 befindet sich dabei in einer Schaltstellung, in der der vordere Steuerdruckraum 39 über die Schliessdruckleitung 38 an die Speiseleitung 32, der hintere Steuerdruckraum 41 des Vorschaltventiles 21 dagegen über die Öffnungsdruckleitung 43 an die Rücklaufleitung 33 angeschlossen sind. Das Einspritzventil 4 wird 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 38 von der Speiseleitung 32 abgeschaltet und an die Rücklaufleitung 33 angeschlossen wird, mit der Folge einer Druckentlastung des vorderen Steuerdruckraumes 39 des Vorschaltventiles 21, und b) die Öffnungsdruckleitung 43 von der Rücklaufleitung 33 abgeschaltet und an die Speiseleitung 32 angeschlossen wird, mit der Folge, dass der hintere Steuerdruckraum 41 druckbeaufschlagt wird und das Vorschaltventil 21 öffnet, dadurch Brennstoff über die freigegebene Brennstoffzuleitung 19 dem Vorlageraum 20 und dem zweiten Druckraum 17 zuführbar ist, worauf sich infolge der Druckausbil-5 dung in diesem das Einspritzventil 4 öffnet und die Brenneinspritzung erfolgt.

Sobald dem Servoventil 31 vom Geber 30 das Ende des Einspritzvorganges signalisiert wird, schaltet dieses wieder in l» seine Ausgangslage zurück, bei welchem Vorgang die Schliessdruckleitung 38 wieder an die Speiseleitung 32 und die Öffnungsdruckleitung 43 wieder an die Rücklaufleitung 33 angeschlossen werden. Dabei wird der vordere Steuerdruckraum 39 wieder druckbeaufschlagt, so dass das ls Vorschaltventil 21 wieder geschlossen und die Brennstoffzuleitung 19 abgesperrt wird. Nach dieser Abtrennung der Brennstoffzuleitung 19 von der Brennstoffversorgung baut sich der im zweiten Druckraum 17 anstehende Druck relativ rasch ab, so dass das Einspritzventil 4 infolge des im ersten 20 Druckraum 15 anstehenden Brennstoff druckes schliesst. Die Druckentlastung des zweiten Druckraumes 17 erfolgt dabei über die zweite Druckleitung 45 und die abgesperrte Brennstoffzuleitung 19, die ihrerseits wieder über die Drosselbohrung 46 druckentlastet wird.

25 Zur Verhinderung von Kavitation und zur Erhaltung eines Restdruckes in der abgesperrten Brennstoffzuleitung 19 kann, wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 gezeigt, am Übergang von der Drosselbohrung 46 in die Rücklaufleitung 47 noch ein Rückschlagventil 48 eingeschaltet sein. Letz-30 teres besteht aus einer Sperrkugel 49 und einer auf diese einwirkenden Druckfeder 50, deren Rückstellkraft an den gewünschten Restdruck in der abgesperrten Brennstoffzuleitung 19 angepasst ist. Der weitere Aufbau der in Fig. 2 gezeigten Lösung entspricht der in Fig. 1 gezeigten Anord-35 nung.

B

1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

653100 PATENTANSPRÜCHE

1. Brennstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen, bei der Brennstoff konstanten Druckes von einem Hochdruckspeicher (3) über eine erste Druckleitung (18) einem ersten, in Schliessrichtung wirksamen Druckraum (15) eines auf die Ventilnadel (6) eines Einspritzventiles (4) einwirkenden Steuerkolbens (7) sowie über eine von der ersten Druckleitung (18) abzweigende Brennstoffzuleitung (19; 28) einem Vorlageraum (20) an der Ventilnadel (6) zuführbar ist, bei der ferner am Steuerkolben (7) ein zweiter, in Öffnungsrichtung des Einspritzventiles (4) wirksamer Druckraum (17) vorgesehen ist, der an eine zweite Druckleitung (45) angeschlossen und über diese mit Druck beaufschlagbar ist, bei der ausserdem ein hydraulischer Steuerkreis mit einem von einem maschinensynchron gesteuerten Geber (30) betätigbaren Servoventil (31) vorgesehen ist, an das zulaufseitig eine Druckflüssigkeit konstanten Druckes führende Speiseleitung (32) sowie ablaufseitig eine Rücklaufleitung (33) angeschlossen sind, welches Servoventil (31) ausserdem ein Vor-schaltventil (21) steuert, das mit einem Schliesselement (22) in die Brennstoffzuleitung (19; 28), diese in Brennstofflussrich-tung absperrend, hineinragt und einen Druckkolben (26) aufweist, der einen vorderen Steuerdruckraum (39) und einen hinteren Steuerdruckraum (41) begrenzt, welch letzterer über eine Öffnungsdruckleitung (43) an einen ersten Augang (35) des Servoventiles (31) angeschlossen ist und gesteuert durch letzteres zur Öffnung des Vorschaltventiles (21) an die Speiseleitung (32), für die Schliessung des Vorschaltventiles (21) dagegen an die Rücklaufleitung (33) anschliessbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass der vordere Steuerdruckraum (39) des Vorschaltventiles (21) über eine Schliessdruck-leitung (38) mit einem zweiten Ausgang (34) des Servoventiles (31) verbunden und gesteuert durch letzteres im Wechsel mit dem hinteren Steuerdruckraum (41) zur Schliessung bzw. Öffnung des Vorschaltventiles (21) an die Speiseleitung (32) bzw. die Rücklaufleitung (33) anschliessbar ist, dass ferner die zum zweiten Druckraum (17) führende zweite Druckleitung (45) an die Brennstoffzuleitung (19) angeschlossen ist, derart, dass durch Freigabe derselben durch das Vorschalt-ventil (21) der zweite Druckraum (17) zur Öffnung des Einspritzventiles (4) druckbeaufschlagbar, und durch eine vor-schaltventilseitige Absperrung der Brennstoffzuleitung (19) über letztere zur Schliessung des Einspritzventiles (4) druck-entlastbar ist.

2. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von der Brennstoffzuleitung (19) ausser der zweiten Druckleitung (45) auch noch eine Drosselbohrung (46) abzweigt, die zur Druckentlastung des in der abgesperrten Brennstoffzuleitung (19) verbliebenen Brennstoffes dient und in eine Rücklaufleitung (47) einmündet.

3. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verhinderung von Kavitationsschäden und zur Erhaltung eines Restdruckes in der abgesperrten Brennstoffzuleitung (19) am Übergang von der Drosselbohrung (46) in die Rücklaufleitung (47) ein Rückschlagventil (48; 49,50) eingeschaltet ist.

4. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil (48) aus einer Sperrkugel (49) und einer auf diese einwirkende Druckfeder (50) besteht, deren Rückstellkraft an den gewünschten Brennstoff-Restdruck in der abgesperrten Brennstoffzuleitung (19) angepasst ist.

5. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkolben (26) des Vorschaltventiles (21) im Gehäuse (5) des Einspritzventiles (4) und dort in einer Aufnahmekammer (26) axial verschieblich angeordnet ist, durch deren Wände zusammen mit den zugehörigen Flächen (40,42) am Druckkolben der vordere und hintere Steuerdruckraum (39 bzw. 41) begrenzt ist.

6. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schliesselement (22) des Vorschaltventiles (21) durch einen Ventilkegel (23) gebildet ist, der mit einer entsprechend angepassten, kegeligen Sitzfläche (24) in der Brennstoffzuleitung (19) zusammenwirkt und an der Stirnseite einer Verbindungsstange (25) zum Druckkolben (26) angeordnet ist, durch deren Länge die Hubbewegung des letzteren in Schliessrichtung und damit das minimale Volumen des hinteren Steuerdruckraumes (41) begrenzt ist, während die Hubbewegung des Druckkolbens (26) in Öffnungsrichtung des Vorschaltventiles (21) und damit das minimale Volumen des vorderen Steuerdruckraumes (39) durch die Länge eines andernends der Verbindungsstange (25) am Druckkolben (26) angeordneten Anschlagbolzens (44) vorgegeben ist.

7. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, das der Druckkolben (26) des Vorschaltventiles (21) zusammen mit dem Anschlagbolzen (44), der Verbindungsstange (25) und dem Schliesselement (22) einstückig ausgebildet ist.