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Die Erfindung betrifft ein Einspritzsystem für Brennkraftmaschinen, das eine Voreinspritzung und eine anschliessende Haupteinspritzung ermöglicht, mit einem Pumpenkolben, der mit einem Arbeitskolben grösseren Durchmessers in Verbindung steht, wobei eine Strömungsverbindung zwi- schen dem Zylinderraum des Pumpenkolbens und einem Druckraum der Einspritzdüse vorgese- hen und der Zylinderraum des Pumpenkolbens über eine Leitung mit einem Mitteldrucksystem verbindbar ist, und mit einem Steuerventil, das in einer Schaltstellung den Zylinderraum des Arbeitskolbens mit einem Mitteldruckanschluss und in einer anderen Schaltstellung den Zylinderraum mit einem Leckölsystem verbindet, sowie mit einem Federraum, in welchem eine auf eine Düsennadel in Schliessrichtung einwirkende Feder angeordnet ist.
Es sind Einspritzsysteme bekannt, bei denen der Einspritzdruck durch eine hydraulische Übersetzung erzeugt wird. Der Pumpenkolben hat dabei einen kleineren Durchmesser als ein mit ihm in Verbindung stehender Arbeitskolben, welcher mit Kraftstoff beaufschlagt wird, der über eine externe Hochdruckpumpe und einen Druckspeicher bereitgestellt wird Der Spritzbeginn wird durch ein Steuerventil festgelegt, das den Zylinderraum des Arbeitskolbens aufsteuert. Da solche Ein- spritzsysteme nicht von einem Nocken betätigt werden, sind dem Konstrukteur bei der Ausbildung des Zylinderkopfes der Brennkraftmaschine wesentlich mehr Freiheiten gegeben.
Es ist mit solchen Systemen auch möglich, in gewissem Umfang eine Voreinspritzung durch- zuführen. Dabei wird zunächst das Steuerventil für eine kurze Zeitspanne geöffnet, sodass eine geringe Menge Kraftstoff unter einem relativ geringen Druck eingespritzt wird. Die Voreinspritzung wird durch das Schliessen des Steuerventils beendet Das neuerliche Öffnen des Steuerventils bewirkt die Haupteinspritzung
Die GB 1 500 291 A zeigt eine Einspritzdüse, bei der Kraftstoff aus einem Mitteldrucksystem mit einer hydraulischen Übersetzung auf Einspritzdruck gebracht wird. Weiters ist ein Steuerventil vorgesehen. Bei dieser bekannten Einspritzdüse ist es jedoch nicht möglich, zwischen Voreinspnt- zung und Haupteinspritzung zu unterscheiden, da lediglich ein einziges Druckniveau für den Ein- spritzvorgang zur Verfügung steht.
Die US 4,605,166 A beschreibt eine Einspritzdüse mit der es nicht möglich ist, Kraftstoff direkt aus dem Mitteldrucksystem einzuspritzen. Bei dieser bekannten Einspritzdüse wird die Einsprit- zung nicht direkt durch eine Hubbewegung eines Pumpenkolbens bewerkstelligt, sondern der Pumpenkolben dient in diesem Fall zum Aufpumpen eines Zwischenspeichers, aus dem nach Beendigung des Kolbenhubes die Einspritzung erfolgt. Aufgrund der hydraulischen Übersetzung kann der gespeicherte Druck in diesem Zwischenspeicher nicht mehr als Mitteldruck bezeichnet werden Für die Voreinspritzung kommt es durch die Bewegung eines sogenannten "shuttle piston" nach Beginn der Einspritzung zu einem Druckaufbau im Arbeitsraum des Pumpenkolbens, der ein neuerliches Schliessen oder eine verzögerte Öffnungsbewegung der Düsennadel bewirkt.
Es hat sich herausgestellt, dass mit solchen Systemen zwar die Voreinspritzung durchführbar ist, dass jedoch die Schadstoffemission und Geräuschemission der mit diesem Einspritzsystem ausgestatteten Motoren weiter verbessert werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Einspritzsystem zu schaffen, das mittels einer Voreinspritzung eine deutliche Reduktion der Abgas- und Geräuschemission von Motoren ermög- licht.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt in einer erfindungsgemässen Ausführung dadurch, dass das Steuerventil drei Schaltstellungen aufweist und vorzugsweise als 4/3-Weg-Ventil ausgebildet ist, um die Einspritzung von Kraftstoff aus dem Mitteldrucksystem zu ermöglichen, wobei das Steuer- ventil in seiner ersten Stellung den Zylinderraum des Arbeitskolbens mit dem Leckölsystem und den Federraum mit dem Mitteldrucksystem verbindet, das Steuerventil in seiner zweiten Stellung sowohl den Zylinderraum des Arbeitskolbens als auch den Federraum mit dem Leckölsystem ver- bindet und das Steuerventil in seiner dritten Stellung den Zylinderraum des Arbeitskolbens mit dem Mitteldrucksystem und den Federraum mit dem Leckölsystem verbindet. Die drei Schaltstellungen des Ventiles entsprechen der Ruhelage, der Voreinspritzung und der Haupteinspritzung.
Auf diese Weise ist ein besonders einfacher Aufbau des Einspritzsystems möglich.
In einer zweiten erfindungsgemässen Ausführung erfolgt die Lösung dadurch, dass ein weiteres Steuerventil vorgesehen ist, das einen Mitteldruckanschluss aufweist, wobei das weitere Steuer- ventil in einer Stellung den Federraum mit dem Mitteldruckanschluss verbindet, wogegen es in der anderen Stellung diesen Federraum mit einem Leckölsystem in Verbindung bringt. Es ist zwar
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prinzipiell möglich, mit einem einzigen Steuerventil das Auslangen zu finden, wenn dieses drei Stellungen, nämlich für die Ruhelage, die Voreinspritzung und die Haupteinspritzung aufweist. Die für schnell laufende Motoren erforderlichen Schaltzeiten werden jedoch am einfachsten dadurch erreicht, dass zwei Steuerventile vorgesehen sind.
Wenn der Federraum mit Kraftstoff gefüllt ist, der unter dem vom Kraftstoffspeicher bereitgestellten Druck steht, so wird die Düsennadel in ihrer geschlossenen Stellung gehalten. Erst wenn durch die Verbindung des Zylinderraumes mit dem Leckölanschluss diese Kraft auf die Nadel wegfällt, kann der auf die Druckstufe der Düsennadel wirkende Speicherdruck diese öffnen.
Es wurde von den Erfindern erkannt, dass einer der Nachteile der bekannten Einspritzsysteme auf dem zwischen Vor- und Haupteinspritzung stattfindendem Druckabfall und der daraus resultie- renden Unterbrechung im Nadelhub beruht. Dieser Druckabfall wird dadurch verursacht, dass das Steuerventil beim bekannten Einspritzsystem für die Voreinspritzung nur sehr kurz schliesst und wieder öffnet.
Die erfindungsgemässe Einrichtung zur Einspritzung von Kraftstoff ermöglicht es, zunächst über eine steile Flanke den vorbestimmten Voreinspritzdruck zu erreichen und über eine weitere steile Flanke, ohne einen dazwischenliegenden Druckabfall, zum Haupteinspritzdruck zu gelangen Man kann auf diese Weise sowohl die einzuspritzenden Kraftstoffmengen als auch den exakten Beginn von der Voreinspritzung und Haupteinspritzung festlegen.
Es gibt zu jedem Motorzustand, d. h., zu jeder Kombination von Drehzahl und Last einen bestimmten Verlauf der Optimaleinspritzrate mit den für diesen Motorzustand ein optimaler Wirkungsgrad des Motors und eine niedrige Schadstoff- und Geräuschemission erzielt wird. Der Verlauf einer solchen Einspntzrate lässt sich in einem Diagramm darstellen, bei dem das eingespritzte Kraftstoffvolumen über den Kurbelwinkel aufgetragen ist. Wesentliche Bestimmungs- grössen dabei sind Zeitpunkt des Spritzbeginns, Zeitpunkt des Beginns der Haupteinspritzung, Dauer der Einspritzung und das während der Voreinspritzung und wahrend der Haupteinspritzung eingespritzte Kraftstoffvolumen. Der vorliegende Erfindung ermöglicht es nun, diese Parameter weitgehend unabhängig voneinander vorzugeben.
Somit kann über eine Steuereinrichtung die in Abhangigkeit vom Motorzustand jeweils die optimalen Parameter einstellt, ein für jeden Betriebs- zustand der Brennkraftmaschine optimale Verhalten erreicht werden.
Eine besonders einfache Ausführungsvariante der Erfindung ist gegeben, wenn der Druckraum der Ventilnadel über ein Rückschlagventil ständig mit einem Mitteldruckanschluss verbunden ist.
Das Rückschlagventil verhindert ein Ausströmen von Kraftstoff während der Haupteinspritzung in das Leckölsystem.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungs- beispiele näher erläutert.
Es zeigen schematisch die Fig. 1 ein erfindungsgemässes Einspritzsystem samt zugehöriger Kraftstoffversorgung. Fig. 2 das Einspritzsystem in Ruhestellung, Fig. 3 bei der Voreinspritzung, Fig. 4 während der Haupteinspritzung. Fig. 5 zeigt ein Diagramm, das für das in den Fig. 1 bis 4 dargestellte Einspritzsystem über die Zeitachse die Öffnung der Magnetventile, den Nadelhub und den Einspritzdruck angibt. Die Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung.
Der Pumpenkörper 1 ist mit einer Einspritzdüse 5 über eine Überwurfmutter 10 fest verbunden.
Im Pumpenkörper 1 ist ein Pumpenkolben 2 axial verschieblich gelagert, der mit einem Arbeits- kolben 3 grösseren Durchmessers in Berührung steht. Die Düsennadel 6 wird von einer auf das Druckstück 7 wirkenden Feder 8 in Richtung ihrer Schliessstellung belastet. Aus fertigungstechni- schen Gründen sind zwischen der Einspritzdüse 5 und dem Pumpenkörper 1 die Bauteile 9a und 9b vorgesehen.
Seitlich am Pumpenkörper 1 ist das Steuerventil 13 und das weitere Steuerventil 14 angeord- net. Diese Steuerventile 13 und 14 werden über eine nicht dargestellte Steuerungseinrichtung über Stromimpulse geschaltet. Die Steuerzeitpunkte t1, t2 und t3 werden dabei in Abhängigkeit vom Motorzustand in einer vorbestimmten Weise ermittelt. Die Steuerventile 13 und 14 sind als Mag- netventile ausgebildet. Das Steuerventil 13 besitzt einen Niederdruckanschluss 13a, einen Lecköl- anschluss 13b und einen Mitteldruckanschluss 13c. Analog dazu besitzt das weitere Steuerventil
14 einen Niederdruckanschluss 14a, einen Leckölanschluss 14b und einen Mitteldruckanschluss
14c. Der Niederdruck wird über eine Vorpumpe 15 bereitgestellt, die mit einem Druckventil 16 ver- bunden ist, das die Hohe des Vordruckes regelt.
Eine Drossel 17 erlaubt die Einstellung einer
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vorbestimmten Durchflussmenge durch das Leckölsystem. Der Kraftstoff wird einem Vorratsbe- hälter 18 entnommen. Der Mitteldruck wird über eine Hochdruckpumpe 26, die mit einem Kraftstoff- speicher 27 verbunden ist, bereitgestellt. Ein Druckregelventil 28 erlaubt die Einstellung des Spei- cherdruckes.
Der obere Ringraum 40 des Steuerventils 13 steht mit dem Mitteldruckanschluss 13c in Verbin- dung. Der mittlere Ringraum 41 des Steuerventils 13 steht über eine Leitung 43 mit dem Zylinder- raum 4 des Arbeitskolbens 3 in Verbindung. Der untere Ringraum 42 des Steuerventils 13 ist mit dem Niederdruckanschluss 13a verbunden. In der Ruhestellung befindet sich der Kolben 44 des Steuerventils 13 in seiner unteren Stellung, sodass der mittlere Ringraum 41 mit dem unteren Ringraum 42 in Verbindung steht. Somit liegt auch im Zylinderraum 4 des Arbeitskolbens 3 über die Leitung 43 der Niederdruck an.
Der obere Ringraum 30 des weiteren Steuerventils 14 ist mit dem Niederdruckanschluss 14a verbunden. Über die Leitung 45 wird der Arbeitskolben 3 druckentlastet. Der mittlere Ringraum 31 des weiteren Steuerventils 14 ist über eine Leitung 36 mit dem Federraum 20, der die Feder 8 auf- nimmt, verbunden. Der untere Ringraum 32 des weiteren Steuerventils 14 ist über das Rückschlag- ventil 33 und die Leitung 35 mit dem Zylinderraum 21 des Pumpenkolbens 2 verbunden Weiters steht dieser untere Ringraum 32 mit dem Mitteldruckanschluss 14c des weiteren Steuerventils 14 in Verbindung.
Während der Ruhestellung befindet sich der Kolben 46 des weiteren Steuerventils 14 in seiner unteren Stellung. Dabei wird der mittlere Ringraum 31 mit dem unteren Ringraum 32 verbunden.
Der am Mitteldruckanschluss 14c anliegende Speicherdruck pflanzt sich nun sowohl über die Leitung 35 in den Zylinderraum 21 und damit in die Einspritzleitung 23 fort, als auch über die Lei- tung 36 in den Federraum 20. Der auf der Rückseite der Düsennadel 6 anliegende Speicherdruck hält diese in ihrer geschlossenen Stellung.
Die Voreinspntzung wird durch Ansteuern des weiteren Steuerventils 14 begonnen. Der Kolben 46 gelangt dabei in seine obere Stellung, in der der obere Ringraum 30 mit dem mittleren Ring- raum 31 verbunden ist. Auf diese Weise wird über die Leitung 36 eine direkte Verbindung zwischen dem Federraum 20 und dem Niederdrucksystem hergestellt. Der im Druckraum 19 anliegende Speicherdruck kann nunmehr die Düsennadel 6 öffnen, wodurch der Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird. Das Sicherheitsventil 12 ist im Normalbetrieb des Einspritzsystems stets ge- schlossen und verhindert ein Abströmen des Kraftstoffes aus dem Zylinderraum 21.
Die Haupteinspritzung wird durch Betätigung des Steuerventils 13 eingeleitet. Der Kolben 44 des Steuerventils 13 gelangt dabei in seine obere Lage in der der obere Ringraum 40 mit dem mittleren Ringraum 41 verbunden ist. Der unter Speicherdruck stehende Kraftstoff gelangt dabei über die Leitung 43 in den Zylinderraum 4 des Arbeitskolbens 3. Dieser kann sich dadurch nach unten bewegen und schiebt den Pumpenkolben 2 vor sich her. Der aus dem Zylinderraum 21 verdrängte Kraftstoff gelangt über die Einspritzleitung 23 in den Druckraum 19 und wird weiter in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt. Das Rückschlagventil 33 verhindert ein Abströmen des Kraftstoffes in das Mitteldrucksystem.
Das Ende der Einspritzung wird durch das Schliessen des Steuerventils 13 bewirkt.
In Fig 5 ist in einem Diagramm der zeitliche Ablauf des Einspritzvorganges aufgetragen. Der Beginn des Einspritzvorganges wird zum Zeitpunkt t1 durch das Öffnen des weiteren Steuerventils 14 bewirkt. Der Einspritzdruck pe steigt dabei bis zum Voreinspritzpunkt pvor an. Dieser Vorein- spritzdruck pvor entspricht dem Speicherdruck. Die Steilheit des Anstieges F1 des Einspritzdruckes pe ist unabhängig von der Motordrehzahl n. Entsprechend dem Anstieg F1 des Einspritzdruckes pe erreicht der Nadelhub h seinen durch einen Anschlag begrenzten Maximalwert.
Zum Zeitpunkt t2 öffnet zusätzlich das Steuerventil 13, sodass der Einspritzdruck pe weiter ansteigen kann. Der erreichbare Maximaldruck pmax ergibt sich im Wesentlichen aus dem Produkt des Speicherdruckes mit dem Verhältnis der Querschnittsflächen des Arbeitskolbens zu der Quer- schnittsfläche des Pumpenkolbens. Die Steilheit des Anstieges Fz des Einspritzdruckes pe ist auch in diesem Fall unabhangig von der Motordrehzahl n. Der Nadelhub h verändert sich während des Überganges von der Voreinspritzung zur Haupteinspritzung nicht. Zu einem beliebigen Zeitpunkt während der Haupteinspritzung schliesst das weitere Steuerventil 14. Dadurch wird erreicht, dass zu dem Zeitpunkt t3, wenn das Steuerventil 13 schliesst und somit die Einspritzung beendet ist, im Federraum 20 der Speicherdruck anliegt.
Auf diese Weise wird das Schliessen der Nadel 6
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unterstützt und ein Nachtropfen von Kraftstoff wird dann verhindert.
Bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsvariante eines erfindungsgemässen Einspritzsystems ist das Steuerventil 47 als 4/3-Wege-Ventil ausgebildet. Die Eingangsanschlüsse 48a und 48b sind mit dem Leckölsystem bzw. mit dem Mitteldrucksystem verbunden.
Der Ausgangsanschluss 49a ist über die Leitung 43 mit dem Zylinderraum 4 des Arbeits- kolbens 3 verbunden. Der Ausgangsanschluss 49b ist über die Leitung 36 mit dem Federraum 20 verbunden. Die mit dem Symbol 50a gekennzeichnete Stellung des Steuerventils 47 entspricht der Ruhestellung. Der Eingangsanschluss 48a ist dabei mit dem Ausgangsanschluss 49a in Verbin- dung, wodurch der Zylinderraum 4 des Arbeitskolbens 3 mit dem Leckölsystem verbunden ist Ana- log dazu ist über den Eingangsanschluss 48b der Ausgangsanschluss 49b verbunden, wodurch der Federraum 20 mit Mitteldruck beaufschlagt ist. Dadurch wird die Ventilnadel 6 in ihrer Schliess- stellung festgehalten.
In der mit dem Symbol 50b gekennzeichneten Stellung des Steuerventils 47 bleibt der Zylinder- raum 4 des Arbeitskolbens 3 weiterhin mit dem Leckölanschluss verbunden. In dieser Stellung ist jedoch auch der Federraum 20 in Verbindung mit dem Leckölsystem, sodass der in der Einspritz- leitung 23 anliegende Mitteldruck die Düsennadel 6 öffnen kann und die Voreinspritzung mit dem am Druckspeicher 27 anliegenden Mitteldruck durchgeführt wird.
Das Symbol 50c kennzeichnet die Stellung des Steuerventils 47 während der Haupteinsprit- zung. Der Federraum 20 bleibt mit dem Leckölsystem verbunden, wogegen der Zylinderraum 4 des Arbeitskolbens 3 mit Speicherdruck beaufschlagt wird. Somit kann sich der Arbeitskolben 3 nach unten bewegen und den Pumpenkolben 2 mitnehmen. Im Zylinderraum 21 baut sich der Einspritz- druck auf.
Mit 51a und 51bsind schematisch Federn angedeutet, die die Funktion des Steuerventils 47 ermöglichen. Dieses Steuerventil 47 kann dabei so aufgebaut sein, dass durch einen relativ schwa- chen Impuls zunächst eine Umschaltung von der Ruhestellung in die Stellung der Voreinspritzung gegen den Widerstand der Feder 51 b bewirkt wird. Durch einen stärkeren elektrischen Impuls kann der gemeinsame Widerstand der Federn 51 a und 51 b überwunden und die Haupteinspritzung erreicht werden.
PATENTANSPRÜCHE:
1. Einspritzsystem für Brennkraftmaschinen, das eine Voreinspritzung und eine anschliessen- de Haupteinspritzung ermöglicht, mit einem Pumpenkolben, der mit einem Arbeitskolben grösseren Durchmessers in Verbindung steht, wobei eine Strömungsverbindung zwischen dem Zylinderraum des Pumpenkolbens und einem Druckraum der Einspritzdüse vorgese- hen und der Zylinderraum des Pumpenkolbens über eine Leitung mit einem Mitteldruck- system verbindbar ist, und mit einem Steuerventil, das in einer Schaltstellung den Zylin- derraum des Arbeitskolbens mit einem Mitteldruckanschluss und in einer anderen Schalt- stellung den Zylinderraum mit einem Leckölsystem verbindet, sowie mit einem Federraum, in welchem eine auf eine Düsennadel in Schliessrichtung einwirkende Feder angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (47)
drei Schaltstellungen aufweist und vorzugsweise als 4/3-Weg-Ventil ausgebildet ist, um die Einspritzung von Kraftstoff aus dem Mitteldrucksystem zu ermöglichen, wobei das Steuerventil (47) in seiner ersten Stel- lung den Zylinderraum (4) des Arbeitskolbens (3) mit dem Leckölsystem und den Feder- raum (20) mit dem Mitteldrucksystem verbindet, das Steuerventil (47) in seiner zweiten
Stellung sowohl den Zylinderraum (4) des Arbeitskolbens (3) als auch den Federraum (20) mit dem Leckölsystem verbindet und das Steuerventil (47) in seiner dritten Stellung den
Zylinderraum (4) des Arbeitskolbens (3) mit dem Mitteldrucksystem und den Federraum (20) mit dem Leckölsystem verbindet.
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