DE19512730C1

DE19512730C1 - Kraftstoffeinspritzanlage für Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19512730C1
Application number: DE1995112730
Authority: DE
Inventors: Friedemann Dipl Ing Weber; Otto Dipl Ing Buecheler
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH; MTU Motoren und Turbinen Union Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 1995-04-05
Filing date: 1995-04-05
Publication date: 1996-08-29
Anticipated expiration: 2015-04-06

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzanlage zur intermittierenden Zufuhr von Kraftstoff in Brennräume einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs.

Sogenannte Common-Rail Systeme mit einer zentralen Pumpe zur Förderung von Kraftstoff in einen sogenannten Common-Rail Druckspeicher versorgen Einspritzventile kontinuierlich und stoßfrei über getrennte Leitungen mit Kraftstoff, so daß die Einspritzungen von Druckschwankungen entkoppelt sind, die bei herkömmlichen, von Brennkraftmaschinen direkt angetriebenen Einspritzpumpen bei großen Drehzahlunterschieden auftreten.

Aus der nachveröffentlichten DE 43 41 546 A1 oder dem Aufsatz von Gerhart Lehner, "Dieseleinspritzung für Großmotoren", in der MTZ, Motortechnische Zeitschrift, 55 (1994) 9, Seiten 511, 512, ist eine Kraftstoffeinspritzanlage für Brennkraftmaschinen mit elektrisch betätigten Einspritzventilen für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine bekannt. Eine kontinuierlich fördernde Kraftstoffpumpe versorgt einen Common-Rail Druckspeicher mit Kraftstoff, und jeweils eine Leitung führt von dem Common-Rail Druckspeicher zu jedem Einspritzventil. Ein im Einspritzventil von einer ersten Feder auf einen Ventilsitz gedrücktes Ventilglied eines Magnetventils steuert eine Verbindung von der Leitung über einen Kanal zu einem Druckraum. Eine von einer zweiten Feder in Schließrichtung beaufschlagte Ventilnadel gibt Einspritzöffnungen im Einspritzventil frei, wenn das Ventilglied des Magnetventils die Verbindung von der Leitung über den Kanal zum Druckraum freigibt, und schließt die Einspritzöffnungen, wenn das Ventilglied die Verbindung von der Leitung über den Kanal zum Druckraum schließt. Ein Zwischenspeicher ist in jeder Leitung vom Common-Rail Druckspeicher zu jedem Einspritzventil vorgesehen.

Ein Nachteil der Kraftstoffeinspritzanlage für Brennkraftmaschinen nach dem genannten Stand der Technik besteht darin, daß zu Beginn einer Einspritzung ein für die Zündung ungünstiger Kraftstoff-Gemischzustand erzeugt werden kann, der bei Einsetzen der Verbrennung zu hohen Druckanstiegsgeschwindigkeiten dp/dt mit hoher Geräuschbildung und hoher mechanischer Belastung der Brennkraftmaschine führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kraftstoffeinspritzanlage für Brennkraftmaschinen zu schaffen, die eine Verbrennung mit geringen Druckanstiegsgeschwindigkeiten dp/dt, geringer Geräuschbildung und geringer mechanischer Belastung ermöglicht.

Die Lösung erfolgt mit einer Kraftstoffeinspritzanlage für Brennkraftmaschinen mit den Merkmalen des Anspruchs.

Gemäß der Erfindung ist eine Kraftstoffeinspritzanlage zur intermittierenden Zufuhr von Kraftstoff in Brennräume einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, mit elektrisch betätigten Einspritzventilen für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine und einer kontinuierlich in einen Druckspeicher fördernden Kraftstoffpumpe, von dem jeweils eine Leitung zu jedem Einspritzventil führt, ausgestattet. Ein von einer Feder auf einen Ventilsitz gedrücktes Ventilglied eines Magnetventils steuert eine von einer weiteren Feder in Schließrichtung beaufschlagte Ventilnadel, die Einspritzöffnungen im Einspritzventil freigibt, wenn das Ventilglied des Magnetventils eine durch erste Ventilöffnungen dargestellte Verbindung von der Leitung über einen Kanal zur Ventilnadel freigibt und die Einspritzöffnungen schließt, wenn das Ventilglied des Magnetventils die Verbindung von der Leitung über den Kanal zur Ventilnadel schließt. Eine Leckageleitung führt Kraftstoff aus dem Einspritzventil in ein Kraftstoffreservoir zurück. Ein den Einspritzöffnungen zugewandter kegelstumpfförmiger Abschnitt des Ventilglieds des Magnetventils ist koaxial zum Ventilglied verschieblich, und eine Feder ist vorgesehen, die diesen kegelstumpfförmigen Abschnitt des Magnetventils an einem Bund des Ventilglieds vorgespannt hält, so daß der Hub des Ventilglieds in zwei Phasen unterteilt ist, und der Einspritzverlauf durch die Einspritzöffnungen am Ventilglied in zwei Phasen geformt werden kann. Durch die in zwei Phasen geformte Einspritzung ist die maximale Druckanstiegsgeschwindigkeit dp/dt reduziert, so daß die Laufruhe und Lebensdauer der Brennkraftmaschine verbessert ist. Der Volumenstrom durch die Leckageleitung ist durch den in zwei Phasen geteilten Hub des Magnetventils verringert, so daß der Wirkungsgrad der Kraftstoffeinspritzanlage verbessert ist.

Der den Einspritzöffnungen abgewandte kegelstumpfförmige Abschnitt des Ventilglieds kommt nach einem ersten Hub des Ventilglieds des Magnetventils gegen die Kraft der zweiten Feder am zweiten Ventilsitz zur Anlage, und ein zweiter Hub des Ventilglieds erfolgt gegen die Kraft der zweiten Feder und zusätzlich gegen die Kraft der am Bund angreifender Feder. Während der ersten Hubphase des Ventilglieds des Magnetventils wird ein definierter Querschnitt am den Einspritzöffnungen abgewandten kegelstumpfförmigen Abschnitt des Ventilglieds freigegeben, der den Druck an der Ventilnadel allmählich ansteigen läßt und die Ventilnadel langsam von den Einspritzöffnungen hebt, so daß eine geringe Kraftstoffmenge in den Brennraum eingespritzt wird, die gerade ausreicht, die Verbrennung beginnen zu lassen. Während der zweiten Hubphase des Ventilglieds wird der maximale Querschnitt am von den Einspritzöffnungen abgewandten kegelstumpfförmigen Abschnitt des Ventilglieds freigegeben, so daß der Druck an der Ventilnadel schnell ansteigt, die Ventilnadel die Einspritzöffnungen vollständig öffnet, und die restliche Kraftstoffmenge in kurzer Zeit eingespritzt wird. Mit dieser erfindungsgemäßen Einspritzverlaufsformung wird ein hoher Wirkunggrad der Verbrennung erzielt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer Kraftstoffeinspritzanlage für Brennkraftmaschinen gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine fragmentarische Ansicht der Kraftstoffeinspritzanlage für Brennkraftmaschinen und

Fig. 3 ein Diagramm, das den Verlauf des Hubs der Ventilnadel aufgetragen über dem Kurbelwellenwinkel darstellt.

Fig. 1: Ein Einspritzventil 1 einer Kraftstoffeinspritzanlage für Brennkraftmaschinen weist eine in einer Längsrichtung des Einspritzventils 1 verschiebliche Ventilnadel 2 auf. Die Ventilnadel 2 steuert Einspritzöffnungen 4. Auf einen oberen Abschnitt der Ventilnadel 2 wirkt eine erste Feder 6, die sich an einer im Einspritzventil 1 gehaltenen Scheibe abstützt und die Ventilnadel 2 in Richtung auf die Einspritzöffnungen 4 drückt.

Ein Kanal 5 verbindet einen Druckraum (nicht dargestellt) an der Ventilnadel 2 mit einem ersten Ringraum 9 im Einspritzventil 1. Im Ringraum 9 ist ein Ventilglied 8 eines Magnetventils 3 enthalten. Ein den Einspritzöffnungen 4 zugewandter, axial verschieblicher, kegelstumpfförmiger Abschnitt 23 des Ventilglieds 8 kann an einem stromab des Ringraums 9 gelegenen Ventilsitz 10 im Einspritzventil 1 zur Anlage kommen. Ein stromauf vom Ringraum 9 gelegener kegelstumpfförmiger Abschnitt 24 des Ventilglieds 8 kann an einem Ventilsitz 17 im Einspritzventil 1 zur Anlage kommen. Der Abschnitt 24 bildet mit dem ersten Ventilsitz 17 eine erste Ventilöffnung 14. Der Abschnitt 23 des Ventilglieds 8 bildet mit dem zweiten Ventilsitz 10 eine zweite Ventilöffnung 15.

Eine Leckageleitung 11 entsorgt Kraftstoff aus Einspritzventil 1 in ein Kraftstoffreservoir (nicht dargestellt). Eine Kraftstoffpumpe fördert kontinuierlich Kraftstoff in einen Common-Rail Druckspeicher (nicht dargestellt), der über eine Leitung 16 verbunden ist mit einem zweiten Ringraum 31 im Einspritzventil 1, der ebenfalls das Ventilglied 8 enthält und relativ zu dem ersten Ringraum 9 von den Einspritzöffnungen 4 abgewandt ist. Die Leitung 16 kann mit einem Zwischenspeicher ausgestattet sein.

Das Ventilglied 8 ist mit einer Scheibe 18 versehen, auf der sich eine zweite Feder 19 abstützt. Eine Scheibe 20 ist im Einspritzventil 1 befestigt und dient der zweiten Feder 19 als Anlage. Der zweite Ringraum 31 ist flüssigkeitsdicht von dem Raum, in dem die zweite Feder 19 angeordnet ist, getrennt. Eine Platte 21 des Ventilglieds 8 ist von einer magnetisch wirkenden Vorrichtung 22 betätigt.

Fig. 2: Der den Einspritzöffnungen 4 zugewandte, kegelstumpfförmige Abschnitt 23 des Ventilglieds 8 ist axial verschieblich angeordnet. Koaxial zum Ventilglied 8 ist zwischen einem Anschlag 26 und dem kegelstumpfförmigen Abschnitt 23 eine vorgespannte Feder 28 angeordnet, die den Abschnitt 23 in Anlage an einem stromauf an die Ventilöffnung 15 anschließenden Bund 30 des Ventilglieds 8 hält, wenn Ventilöffnung 14 geschlossen ist.

Verfahren zum Betrieb der Kraftstoffeinspritzanlage für Brennkraftmaschinen

Während des Betriebs der Brennkraftmaschine wird dem zweiten Ringraum 8 von der Kraftstoffpumpe kontinuierlich Kraftstoff mit einem Druck zugeführt, der ungefähr dem höchsten Einspritzdruck der Kraftstoffeinspritzanlage entspricht.

Auf ein Steuersignal von beispielsweise einer Kennfeldsteuerung der Brennkraftmaschine hebt die magnetisch wirkende Vorrichtung 22 das Ventilglied 8 gegen die Kraft der zweiten Feder 19 von dem Ventilsitz 17 und gibt einen einem Hub 1 entsprechenden Querschnitt frei, so daß Druck über Ringraum 9 und Kanal 5 an der Ventilnadel 2 anliegt. Der kegelstumpfförmige Abschnitt 23 des Ventilglieds 8 kommt nach dem Hub 1 in Richtung zu der magnetisch wirkenden Vorrichtung 22 in Anlage an Ventilsitz 10 und versperrt den Weg des Kraftstoffs vom Ringraum 9 zur Leckageleitung 11, so daß der Druck an der Ventilnadel 2 allmählich auf Einspritzdruck ansteigt.

Der, wie in Fig. 3 mit der gestrichelten Linie angegebene, allmählich ansteigende Druck hebt die Ventilnadel 2 entgegen der Kraft der ersten Feder 6, so daß durch die Einspritzöffnungen 4 wenig Kraftstoff fließt, der ausreicht, im Brennraum die Verbrennung beginnen zu lassen.

Der nach dem Hub 1 von der magnetisch wirkenden Vorrichtung 22 veranlaßte Hub 2 des Ventilglieds 8 erfolgt gegen die Kraft der zweiten Feder 19 und zusätzlich gegen die Kraft der Feder 28, bis der Anschlag 26 am kegelstumpfförmigen Abschnitt 23 des Magnetventils 8 anliegt. Während der zweiten Hubphase des Ventilglieds 8 wird der maximale Querschnitt am kegelstumpfförmigen Abschnitt 24 des Ventilglieds 8 freigegeben, so daß der Druck an der Ventilnadel 2 schnell ansteigt, und die restliche Kraftstoffmenge in kurzer Zeit in den Brennraum eingespritzt wird. Die volle Öffnung und die Rückkehr in geschlossene Stellung der Ventilnadel 2 wird, wie in Fig. 3 mit der gestrichelten Linie dargestellt, bei größeren Winkeln der Kurbelwelle erreicht als bei einem Magnetventil 3, das nicht zweistufig ausgestaltet ist.

Gibt die magnetisch wirkende Vorrichtung 22 das Ventilglied 8 frei, drückt die zweite Feder 19 das Ventilglied 8 auf den Ventilsitz 17 und trennt den Ringraum 9 vom Einspritzdruck. Ringraum 9 ist über die Leckageleitung 11 mit Umgebungsdruck beaufschlagt, der über Kanal 5 auch an der Ventilnadel 2 anliegt, so daß die Ventilnadel 2 von der ersten Feder 6 auf die Einspritzöffnungen 4 gedrückt wird, und die Einspritzung beendet ist.

Claims

Kraftstoffeinspritzanlage zur intermittierenden Zufuhr in Brennräume einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, bestehend aus
- - einem Druckspeicher, in den eine Kraftstoffpumpe kontinuierlich Kraftstoff fördert,
- - einem elektromagnetisch gesteuerten Einspritzventil (1) für jeden Brennraum der Brennkraftmaschine, das über eine Kraftstoff-Leitung (16) mit dem Druckspeicher verbunden ist und eine mit Einspritzöffnungen (4) zusammenwirkende Ventilnadel (2) aufweist, die in Ventilschließrichtung von einer Feder (6) belastet ist und in Öffnungsrichtung des Einspritzventils (1) mit einem durch ein Magnetventil (3) steuerbaren Kraftstoffdruck aus der Leitung (16) über einen Ringraum (9) und einen an diesen angeschlossenen Kanal (5) beaufschlagbar ist,
- - und einem Ventilglied (8) des Magnetventils (3), an dem ein mit einem Ventilsitz (17) zusammenwirkender Abschnitt (24) zum Öffnen und Schließen einer stromauf des Ringraumes (9) angeordneten ersten Ventilöffnung (14) und ein mit einem zweiten Ventilsitz (10) zusammenwirkender Abschnitt (23) zum Schließen und Öffnen eines stromab des Ringraums (9) mit einer Leckageleitung (11) in Verbindung stehenden zweiten Ventilöffnung (15) angeordnet sind, wobei das Ventilglied (8) zur Einspritzung entgegen der Kraft einer Feder (19) in Richtung Öffnen der ersten Ventilöffnung (14) und Schließen der zweiten Ventilöffnung (15) und zur Beendigung der Einspritzung mittels der Kraft der Feder (19) in Richtung Schließen der ersten Ventilöffnung (14) und Öffnen der zweiten Ventilöffnung (15) bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (23) des Ventilgliedes (8) des Magnetventils (3) koaxial zum Ventilglied (8) und axial verschieblich angeordnet ist, daß bei geschlossener Ventilöffnung (14) eine vorgespannte, am Ventilglied (8) abgestützte Feder (28) den Abschnitt (23) in Anlage an einem stromauf an die Ventilöffnung (15) anschließenden Bund (30) des Ventilglieds (8) hält, derart, daß bei geschlossener Ventilöffnung (14) der Abschnitt (23) zum Ventilsitz (10) in einem einem Hub 1 entsprechenden Abstand liegt, daß ferner nach einem Hub 1 des Ventilglieds (8) sich der Abschnitt (23) während eines Hubs 2 in Anlage am Ventilsitz (10) befindet und der Hub 2 gegen die Kraft der Feder (19) und der Feder (28) erfolgt.