DE2332666A1 - Kraftstoff-einspritzeinrichtung - Google Patents

Description

Hamburg, den 21o Juni 1973 140573 .1101

Priorität: 26. Juni 1972, U.o.a., Pat.Anm.Nr. 266 137

Anmelder:

Caterpillar Tractor Co.

ieeoria, 111., U.S.A.

Kraftstoff—Einspritzeinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf Kraftstoff-Einspritz-Systeme und betrifft insbesondere eine Einspritz-Ventilanordnung zur einen Verbrennungsmotor.

Druckzündungsmotoren sind gewöhnlich mit Kraftstoff-Einspritzdüsen ausgestattet, um taktmäßig Kraftstoff in die Verbrennungskammer des Motors einzuspritzen. Derartige Düsen werden gewöhnlich durch ein auf Druck ansprechendes sperrventil gesteuert, um zu verhindern, daß Treibstoff in

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die Verbrennungskammer zwi-schen den Einspritztakten eintröpfelt. Bislang sind zahlreiche verschiedene Sperrventilanordnungen für solche Düsen vorgeschlagen und verwendet wordene Die bekannten Anordnungen haben bislang jedoch stets irgendwelche Nachteile gezeigt«

Ein einfaches Einlaß-Sperrventil wird in der US-PS Nr. 2 410 946 beschrieben. Ferner sind andere Arten von Ventilanordnungen bekannt geworden, welche die Schwierigkeiten überwinden sollen, die bei diesem einfachen Ventil auftreten.

Eine Treibstoff-Düsenanordnung vom Akkumulator- oder Sammlertyp ist zum Beispiel in den US-PS Nr. 2 985 378 und 2 556 beschrieben. Diese Arten von Kraftstoff-Düsenanordnungen haben den Nachteil, daß sie kompliziert gebaut sind, da sie wenigstens zwei Sperrventile zur Steuerung des Einlasses und des Auslasses der Sammlerkammer erfordern,

Eine wegen der einfachen Arbeitsweise bevorzugte Art von Treibstoffdüse weist das Differentialbereich—sperrventil auf, das beispielsweise in den [JS-j.^j3 2 379 399, 2 365 und 3 224 684 dargestellt ist. Die Hauptschwierigkeit dieser Art von Treibstoffdüsen- und Ventilanordnung besieht darin, aaß eine Fiederdruckkanrner vorgesehen w sein muß, in die der Ventilschaft hineinreichen muß, so daß ein niedriger Druck im Gegensatz zu aem Betäti^ungsdruci: und da&it der erforderliche Druckunterschied vorhanden ist, um das Ventil zu betätigen» Bei derartigen Ventilanordnungen

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ist damit zu rechnen, daß am Ventilschaft zur üfiederdruckkammer hin Flüssigkeit ausleckt, und daß das Ventil aufgrunddessen blockiert, falls die Flüssigkeit von der Hiederdruckkammer nicht zurück in einen Behälter oder an eine andere Stelle abgeführt wird.

Es ist üblich, derartige Differentialventile zusammen mit einer Treibstoff-Ausleckvorrichtung zu verwenden, die an der Düseneinriohtung angeordnet ist, um den ausleckenden Kraftstoff zum Behälter zurückzuführen· Die Hauptschwierigkeit dieser Anordnung besteht darin, daß sie die Bin- und Ausbauarbeiten dadurch kompliziert, daß jede Düseneinrichtung mit zusätzlichen Leitungen versehen ist, die beim Auswechseln einer Düse abgenommen und wieder befestigt v/erden müssen· Dadurch wird nicht nur die Möglichkeit zum Auftreten von Leckvorgängen erhöht, sondern auch der Umfang und die Kompliziertheit der Düseneinrichtung selbst beträchtlich vergrößert·

Es wurde versucht, dieses Problem dadurch zu lösen, daß ein Abflußkanal für den Leoktreibstoff unmittelbar am Einlaßverteiler des Motors vorgesehen wird. Diese Anordnung ist z.B. in der US-PS 3 382 851 beschrieben. Dadurch kann sich unter anderem jedoch wieder die Schweirigkeit einer erhöhten Abgabe von Rauch und Kohlenwasserstoffen aus dem Motor ergeben, und es können Kohleablagerungen im Einlaßventil daduroh verursaoht werden.

In der US-Po 3 598 314 wird eine weitere Lösung vorge-

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schlagen, die jedoch auch mit Problemen verbunden ist. Eine Hauptschwierigkeit dieser Anordnung besteht darin, daß die Sammlerkammer für den Leckkraftstoff in manchen Fällen nicht ausreichend ist, z.B. beim Anlassen des Motors. Während des Anlassens des Motors vor den normalen Binspritztakten neigt der in der Ventilkammer befindliche Kraftstoff dazu, unter Druck zu bleiben, so daß dadurch beträchtlich mehr Kraftstoff in die Akkumulatorkammer auslecken kann. DiesBS Auslecken des Kraftstoffes in Verbindung mit dem nicht ausreichenden Volumen der Akkumulatorkammer führt zu einem kumulativen Druckaufbau, wodurch eine hydraulische Blockierung der Einrichtung verursacht wird.

Die zuletzt beschriebene Anordnung verhindert auch die Verwendung eines normalen Verfahrens zum Sperren des Ventilöffnungsdruokes. Das übliche Verfahren zum Sperren der Kraftstoffdüge, um den richtigen Druck für die Ventilöffnung sicherzustellen, wird in der Weise ausgeführt, daß eine Hydraulikdruckquelle an die Düse angeschlossen und der Druck langsam erhöht wird, bis das Ventil öffnet. Der Öffnungsdruck wird in einem hydraulischen Prüfkreis durch einen Druckmesser angezeigt· Der langsame Aufbau des Kraftstoffdruckes innerhalb der Ventilkammer ermöglicht jedooh, daß eine größere Treibstoffmenge in die verhältnismäßig kleine Sammlerkammer des Systems ausleckt, so daß der in der Sammlerkammer gefangene Kraftstoff zu einer hydraulischen Blookierung führt, die das öffnen des Ventils

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verhindert.

Die Erfindung "bezweckt daher, eine Treibstoffdüsenanordnung vom Differentialtyp zu schaffen, bei der die hier erläuterten Schwierigkeiten des Standes der Technik überwunden werden.

Weiter bezweckt die Erfindung,eine einfaoiie und billige Treibstoffdüsenanordiiung zu schaffen, bei der die Leokprobleme des Standes der Technik beseitigt sinde

Ein weiterer Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer Treibstoff düseneinrichtung vom Differentialflächentyp,bei der die Treibstoff-Blockierungsschwierigkeiten bekannter Einrichtungen beseitigt sinde ■

Erfiiidun^sgemäß ist eine Treib stoff düseneinrichtung mit einer Lecksammelkammer ausgestattet, welche die Düseneinriohtung umgibt und eine ausreichende Aufnahmefähigkeit für einen ausgedehnten Anlaßvorgang aufweist« Die Lecksammelkammer ist als Jtiingkammer ausgebildet, die von eiern Gehäuse der Treibstoffdüseneinricxitung und der Wand einer iiohrung im Zylinderkopf des wlotors begrenzt wird« Die erfindungsgemäße Einrichtung macht komplizierte Abzugaleitungen überflüssig und vermeidet auch das bei bekanntenEinrichtungen auftretende Plüss_gkeitsblockieren_e

./eitere Vorzüge und Merkmale der Erfindung ergeben sich aud den Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung

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und der Zeichnung, in'denen die Erfindung ausführlich erläutert und dargestellt ist«

Die einzige Zeichnungsfigur zeigt einen Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung β

Ein die Erfindung verkörperndes Kraftstoff-Einspritz-öystem 10 wird in Verbindung mit einem Zylinderkopf 11 verwendet, der mit einer länglichen Zylindrischen Bohrung 12 versehen istβ Die Bohrung 12 ist mit einem kegelförmigen Ansatz 13 ausgebildet, der über eine öffnung 14 mit einer nicht dargestellten Verbrennungskammer in Verbindung steht„ Das entgegengesetzte Ende der Bohrung 12 ist mit einer Gegenbohrung 15, die ein Dichtungselement 16 aufniajnt, und einen einwärts von der Gegenbohrung liegenden Gewindeabschnitt 17 versehen« Eine mit Gewinde versehene Haltemutter 18 dient dazu, eine Treibstoffzuleitung 19 anzuschließen und diese und eine Düsenanordnung in ihrer Lage zu halten»

Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung weist ferner eine Kraftstoff-Einspritzdüsenanordnung 20 auf, die in die Bohrung 12 des Zylinderkopfes 11 eingesetzt ist. Alle bestandteile der Einspritzdüseneinrichtung 20 sind in einem Hohlzylindrischen Gehäuse 21 eingeschlossen, das mit einem konischen Abschnitt 22 an seinem unteren Ende ausgebildet ist« Der Abschnitt 22 steht in Dichtungsberührung mit dem konischen Abschnitt 13 der Bohrung» Das Gehäuse 21 ist an seinem oberen Ende mit einer nach innen gerichteten Lippe 23 aus-

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gebildet, um die verschiedenen Bestandteile der Einrichtung in dem Gehäuse zu halten. Sine Lecksammelkämmer 55 wird durch den ringförmigen Zwischenraum zwisohen dem Gehäuse 21, der Außenfläche des Hanschabschnittes der Kraftstoff-jiäinlaßleitung 19» der Haltemutter 18 und der Wandung der Bohrung 12 gebildet· Diese Kammer wird ferner durch die Dichtung begrenzt, die die konische Hache 22 mit der konischen Hache 13 bildet, und schließlich auch durch die Dichtungswirkung der Dichtung 16·

Die Düseneinriohtung weist eine Dtisenspitze 24» eine Buchse 25» ein Anschlagglied 26 und eine Mutter 27 auf, die in dem Gehäuse 21 aufeinander gestapelt und aneinander stoßend angeordnet sind, wobei die Düsenspitze innerhalb des konisohen Abschnittes 22 liegt· Die Düsenspitze 24 ist mit einer zylindrisohen Bohrung 28 und einem konischen Ventilsitz 29 ausgebildet, die konzentrisch zu einem Kanal 30 liegen, an den mehrere Abgabeöffnungen 30a anschließen, die am Austrittsende des Kanals liegen. Die Spitze oder das Austrittsende der Düse ragt in eine Verbrennungskammer eines Motors hinein, um in diese dosierte Kraftstoffmengen abzugeben·

Eine Ventilkammer 31 besteht aus einer axialen Bohrung 32 in der Buohse 25 und einer konisohen Ausnehmung 33, die in der Düsenspitze 24 ausgebildet ist· line konische Ausnehmung oder Niederdruokkammer 35 wird von einer konischen Anschlagfläohe 34 des Ansohlaggliedes 26 begrenzt·

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Die Niederdruckkamiiier 35» die durch die konische Anschlagoder Stützfläche 34 gebildet wird, steht über einen e axialen Kanal 34a und einen radial verlaufenden Kanal 36 in Verbindung mit einer Singrinne 37» die auf dem Umfang des Anschlaggliede.s 26 ausgebildet ist. Das Anschlagglied 26 ist derart 'angeordnet, daß die Ringrinne 37 in Verbindung mit einer Auslaßöffnung 38 des Gehäuses 21 steht, wobei die Öffnung 38 in die Kammer 55 führt· Ein Einschnitt 39 ist am oberen Ende des Anschlaggliedes 26 ausgebildet und steht in Verbindung mit der Ventilkammer 31 über einen oder mehrere in Längsrichtung verlaufende Kanäle 40·

Die Mutter 27 ist mit einer axial verlaufenden Gewindebohrung 41 versehen, die ein Gewindeanschlußstück 42 der Zuleitung 19 aufnimmt· Eine Gegenbohrung 43 liegt benachbart zur Ausnehmung 39 des Anschlaggliedes 26 und nimmt einen Filter 44 zur Filterung des zugeführten Kraftstoffes auf·

In der Ventilkammer 31 ist ein Nadelventil 45 angeordnet, das mit einem Führungsabschnitt 46 und an seinem oberen Ende mit einer Anschlagfläche 47 ausgebildet ist, die in die Kammer 35 hineinreichte Das Nadelventil weist ferner einen vergrößerten ¥ unteren Abschnitt 48 auf, von dem aus ein Wadelende mit einer konischen Sitzfläche 49 sich nach unten erstreckt. Diese Anordnung wird als ein nach innen sich öffnendes Ventil bezeichnet. Die Sitzfläche £9 des Nadelventils sitzt im normalen Schließaustand des

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Ventils auf dem Ventilsitz 29 der Düsenspitze 24. Die Hebeanschlagfläche 47 tritt mit der koniscnen Anachlagfläche 54 im Anschlagglied 26 in Berührung, wenn das Nadelventil in voller Öffnungsstellung ist«

Ein Führungskragen 50 ist mit einer axialen Bohrung 51 versehen, die eng passend und gleitfähig auf dem Mihrungsabschnitt 46 des Nadelventils 45 sitzt. Bine kugelförmige Lagerfläche 52 ist am oberen Ende des Führungskragens ausgebildet und lagert auf der konischen Anschlagfläche 34 des Anschlaggliedes 26, wodurch für das Ventil 45 eine selbst ausrichtende Anordnung geschaffen wird. Auf dem liadelventilschaft 45 ist in Anlage an dem vergrößerten Abschnitt 48 eine Unterlegscheibe 53 angeordnet. Eine I'eder 54 sitzt zwischen dem Mihrungskragen 50 und der Scheibe 53t ^um die Kugelfläche 52 in Dichtungsberührung mit der Anschlagflache 34 zu halten und die Sitzfläche 49 des Radelventils 45 auf die Sitzberührung mit dem Ventilsitz 29 elastisch vorzuspannen.

Die Haltemutter 18 sorgt durch den Gewindeeingriff mit dem Gewindeabschnitt 17 im Zylinderkopf 11 dafür, daß die Kraftstoff-Einspritzdüse 20 in dem Zylinderkopf festgelegt und die Dichtung am konischen Abschnitt 22 der Düse 20 und an der Ober- und der Unterseite des Planschabschnittes der Zufuhrleitung 19 gewährleistet -wird. Die Dichtung 16, axe in der Gegenbohrung 15 des Zylinderkopfea sitzt, dichtet ;■:./lochen dieser ü-egenbohrung und dem Außenunifang der

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Mutter 18.

Nachfolgend werden zusätzlich zu den vorstehenden Hinweisen ausführliche Erläuterungen zur Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung gegeben.

Eine nicht dargestellte Kraftstoff-Einspritzpumpe entwickelt intermittierend einen Kraftstoffdruck, der durch die Zufuhrleitung 19, die Filtereinrichtung 44» die Ausnehmung 39 und den Kanal 40 in die Ventilkammer 31 abgegeben wird. Tor dem Beginn eines Einspritzzyklus sitzt das Nadelventil 45 auf dem Ventilsitz 29· Wenn sich der Kraftstoffdruck entwickelt, wirkt er auf eine Fläche, die gleich der Querschnittsfläche des·Führungsabschnittes des Ventils 45 abzüglich der wirksamen Sitzfläche des Nadelventils ist» Diese Hydraulikkraft übt wegen der Differentialflächen eine A aufwärts gerichtete Netto-Kraft auf das Nadelventil 45 aus und sucht es vom Sitz abzuheben oder nach innen zu öffnen. Dieser Kraft wirkt die Torspannung der Feder 54 entgegen. Wenn der Kraftstoff druck die Höhe erreicht, die erforderlich ist, um eine der vorher festgelegten Federkraft gleiche Kraft auszuüben, hebt das Nadelventil 45 ab, wobei die Sitzfläche 49 vom Ventilsitz 29 fortbewegt wird. Dadurch kann Kraftstoff in den Kanal 3C und von dort durch die Mündungen 30a der Düsenspitze 24 fließen. Der Kraftstoffdruck übt dann eine aufwärts gerichtete Kraft auf den gesamten Querschnittsbsreicli des Fahrungsaoschnittes des Sperrventiles 45 aus und erzeugt dec'-'.roh eine schnellere

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Aufwärtsbewegung des Sperrventils 45» so daß sich eine "Plötzlichkeitswirkung" ergibt. Das Nadelventil eetst seine Aufwärtsbewegung fort, eis die Hebeansohlagflache 47 gegen die Pläche 34 im Anschlagglied 26 stößt·

Fahrend der Zeiträume, in denen ein Kraftstoffdruck in der Kammer 31 vorhanden ist, tritt ein Auslecken von Kraftstoff zwischen dem gleitend passenden Hihrungsabsohnitt 46 des Nadelventils 45 und der Bohrung 51 des Fiihrungskragena 50 auf. Die ausleckende iliissigkeit geht durch die Niederdruokkammer 35» die Kanäle 34a und 36 und die Ringrinne 37 hindurch und wird durch die Auslaßöffnung 38 in die S ringförmige Lecksammeikammer 55 abgegeben. Diese Sammelkammer hat im wesentlichen dieselbe Längsabmessung wie die hauptsächlichen Ventilelemente der Dtiseneinriohtung. Dies führt zu einer gedrängteren Anordnung der Ventileinrichtung und dem Leokbehälter. Überdies ermöglicht diese Konstruktion, daß die Niederdruokkammer nur so groß gemacht wird, wie für die Aufnahme der Bewegung des Ventilgliedes erforderlich ist, während die ringförmige Sammelkammer das Volumen der Niederdruckkammer um eine ausreichende Größe übersteigt, um Leokkraftstoff aufzunehmen. Auch kann die ringförmige Sammelkammer ohne weiteres dadurch vergrößert werden, daß einfach die zylindrische Bohrung vergrößert wird, ohne daß irgendwelche sonstigen Änderungen an der Kraftstoffdüseneinriohtung erforderlich werden.

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Über eine längere Zeit hinweg wird die Eingkammer mit Kraftstoff gefüllt, wobei der Druck in den Kammern 55 und 55 und den Verbindungakanälen sich während jedes Taktes der Druckentwio'klung in der Kammer 31 um ein Ausmaß erhöht, das direkt durch die Menge des Ausleckens, die Aufwärtsverschiebung des Nadelventils, den Druckelastizitätsmodul des Kraftstoffes und umgekehrt durch die kombinierten Volumen der vorerwähnten Kammern und Kanäle bestimmt ist· Da das §esamtvol'umen der Kammern und Kanäle verhältnismäßig groß ist, ist der Druckanstieg in diesen während jedes Druckentwicklungstaktes in der Kammer 31 verhältnismäßig klein· Wegen des verhältnismäßig kleinen Druckaufbaus in der Kammer 35, der Kammer 55 und den Verbindungskanälen wird ein normaler Arbeitsablauf in der Kraftstoffdüse gewährleistet, bevor ein hydraulisches Blockieren eintreten kann«

Während des normalen Arbeitsganges in der Treibstoffdüse verringert sich der Druck in der Kammer 31, wenn die Entwicklung des Kraftstoffdruckes von der Kraftstoffpumpe beendet ist. Dies beruht darauf, daß Kraftstoff durch die Abgabeöffnungen 30a fließt und ferner auch in üblicher Weise duroh die Zuleitung 19 zurück zur Pumpe fließt. Wenn der Kraftstoffdruck ausreichend abgenommen hat, drückt die Feder 54 das Nadelventil 45 abwärts und verursacht, daß die Sitzfläche 49 auf dem Ventilsitz 29 aufsetzt. Da der Druok des Kraftstoffes in den Kammer 35 und 55 und in den VerbindungBkanälen dann größer als der Druok in der

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Ventilkammer 31 ist, tritt ein Lecken in der umgekehrten Richtung in die Yentilkammer hinein auf und verringert den Druck in den vorerwähnten Kammern und Kanälen« Nach einer^ gewissen Anzahl von Einspritzvorgängen erreicht der Durchschnittsdruck, der in der Ringkamnier herrscht, ein Gleichgewicht, "bei welchem die gleiche Menge in die Kammer hinein und aus dieser heraus leckt. Wegen dieses Gleiohgewichtsflusses tritt ein hydraulisches Blockieren des "Ventils nicht ein.

- PATENTANSPRÜCHE -

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Claims (5)

PATENTAFSPRuO-HB

1.) Kraftstoff-Einspritzeinrichtung, mit einer durch Differentialdruok gesteuerten Kraftstoffdüse und mit Mitteln zur Aufnahme von ausleckendem Kraftstoff, daduroh gekennzeichnet, daß ein Gehäuse (21) eine zentrale Yentilkammer (31) und eine die Ventilkammer umgebende, ringförmige Lecksammelkammer (55) begrenzt und ein nach innen öffnendes Ventilglied (45) enthält, das durch seine Tätigkeit den Austritt von Flüssigkeit aus der Ventilkammer und eine an diese anschließende Düsenöffnung (30, 30a) steuert und einen ersten, von der unter Druck stehenden Flüssigkeit in der Ventilkammer beaufschlagten Flächenbereioh und einen entgegengesetzt liegenden KLächenbereich aufweist, auf den Flüssigkeit in einer Niederdruokkammer (35) einwirkt, die mit der Lecksammelkammer in Verbindung (34a, 36> 38) steht.

2. Einrichtung nach Anspruch 1 in Anordnung an einem Zylinder eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zylinderkopf (11) eine Bohrung (12, 13) ausgebildet ist, die in offener Verbindung mit der Verbrennungskammer steht und deren Wandung die Außenwand der Leokaammelkammer (55) bildet, deren Innenwand die Außenseite des konzentrisch in der Bohrung angeordneten Gehäuses (21) 1st.

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3. Einrichtung nach Anspruch 1 - 2, dadurch gekennzeichnet, daß· die ringförmige Leoksammelkammer (55) ein den Raum der Niederdruckkammer (35) übersteigendes Volumen hat·

4· Einrichtung nach Anspruch 1-3» dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Leoksammelkammer (§5) im wesentlichen die gleiche wie die des Gehäuses (21) der Ventilanordnung ist·

5. Einrichtung nach Anspruch 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Begrenzung der Leoksammelkammer (55) an jedem Ende des Gehäuses (21) Dichtungsmittel (22, 13J 16, 17» 18, 19, 23) vorgesehen sind.

6· Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüohe» dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilkammer (3,1) und die Niederdruckkammer (35) duroh eine das Ventilelement (45) führende Vorrichtung (50) getrennt sind, die eine Buohse aufweist, die an ihrem einen Ende mit einer kugelförmigen Lagerfläche (52) ausgebildet und in der das Ventilelement hin- und herbeweglich angeordnet iat, wobei eine kegelförmige Lagerfläohe (34) in dem Gehäuse (21) zur Aufnahme der kugelförmigen KLäche vorgesehen und eine Federvorrichtung (54) zwischen dem Ventileltmtnt und der Buohse angeordnet ist und die LagerfWehen in Eingriff drüokt·

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