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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Bei einer derartigen, einen fingierten Stand der Technik gemäß der DE-OS 29 22 332 darstellenden Brennstoffeinspritzvorrichtung liegen die Vorteile in der gesteuerten Druckentlastung des Vorlageraumes in den Einspritzpausen und insbesondere in 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 Vorschaltventils schließt in Brennstoffflußrichtung 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 kostspielig. Außerdem erwies sich die Steuerung der Druckentlastung des Vorlageraumes als zu aufwendig.
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Der Erfindung liegt, ausgehend von diesem Sachverhalt, daher die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffeinspritzvorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend umzugestalten, daß der bauteilseitige, fertigungsseitige und montageseitige Aufwand insbesondere im Bereich des Vorschaltventiles sowohl von dessen Ausgestaltung als auch von dessen Anschluß an den hydraulischen Steuerkreis her gesehen auf ein Mindestmaß reduziert ist und der gesamte Aufbau der Einspritzvorrichtung - insbesondere auch im Hinblick auf die Druckentlastung des Vorlageraums in den Einspritzpausen - soweit vereinfacht ist, daß diese den kostenseitigen Anforderungen für eine Einführung in die Serienproduktion gerecht wird.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch eine Brennstoffeinspritzvorrichtung mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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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 gemäß dem eingangs abgehandelten älteren Vorschlag, jedoch mit einem Vorschaltventil, das demgegenüber wesentlich einfach 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 Kotenreduzierung bei der Herstellung desselben erzielbar, so daß die Anwendung dieser Lösung besonders für die 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 Schiffsdieselbrennkraftmaschinen jederzeit gewährleistet ist. Der Vorteil der Kostenreduzierung und der wenigen Bauteile ist dabei auch im Hinblick auf die Druckentlastung des Vorlageraumes zu sehen, da bei der erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung keine besonders gesteuerten Druckentlastungsvorrichtungen erforderlich sind.
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Bei einer in Fig. 4 der CH-PS 5 97 510 gezeigten Ausführung wird die Ventilnadel zwar ebenfalls durch den in einem ersten Druckraum auf die rückwärtige Stirnseite eines mit ihr verbundenen Steuerkolbens ständig in Schließrichtung einwirkenden Brennstoffdruck beaufschlagt und zum Öffnen der Ventilnadel eine unter Druck stehende Steuerflüssigkeit taktweise von einem elektromagnetischen Ventil in einen zweiten, einspritzseitig vom Steuerkolben begrenzten Druckraum eingelassen, wobei der Druck der Steuerflüssigkeit auf eine Schulter des Steuerkolbens in Öffnungsrichtung wirkt. Die aus diesem Druck resultierende Kraft addiert sich mit der im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Gegenstand beim Gegenstand der CH-PS aus einem an einer Schulter der Ventilnadel im Vorlageraum in gleicher Höhe wie im ersten Druckraum ständig in Öffnungsrichtung anstehenden Brennstoffdruck resultierenden Kraft zu einer Gesamtkraft, die die Schließkraft des Brennstoffdruckes auf der Steuerkolbenstirnseite im ersten Druckraum bei entsprechender Ausbildung der Wirkflächen übersteigt. Beim Erfindungsgegenstand jedoch wird der alleinige Öffnungsdruck für die Ventilnadel durch den dem Druckraum im Bereich der Schulter am Steuerkolben taktweise zugeführten Brennstoff erzielt, und zwar mit Hilfe eines beim Gegenstand der CH-PS 5 97 510 in dieser Form nicht vorhandenen, zugleich eine Sicherheitsfunktion z. B. bezüglich der Entleerung des Hochdruckspeichers bei einem Hängenbleiben der Ventilnadel ausübenden Vorschaltventils. Dadurch, daß der Öffnungsdruck allein an der genannten Schulter anliegt, ergibt sich noch der Vorteil einer Verringerung oder Vermeidung von unter Umständen bei einem Angreifen des Öffnungsdrucks an einer im Bereich des Vorlageraumes angeordneten Druckschulter sonst auftretenden und sich nachteilig auf die Öffnungsbewegung der Ventilnadel auswirkenden Druckschwankungen.
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Ferner ist aus der DE-OS 25 14 457 ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, bei dem über eine an einen Hochdruckspeicher angeschlossenen Brennstoffzuleitung der Brennstoff einem Vorlageraum für die Ventilnadel zugeführt wird. Von dieser Brennstoffzuleitung zweigt eine zu einem Druckraum für einen Steuerkolben am rückwärtigen Ende der Ventilnadel führende Leitung ab, in die ein elektromagnetisch betätigtes Wegeventil zwischengeschaltet ist, über das der genannte Druckraum mit dem in der Brennstoffzuleitung bzw. im Hochdruckspeicher anstehenden Brennstoffdruck gesteuert beaufschlagbar ist. Außerdem ist in die Brennstoffzuleitung zum Vorlageraum der Ventilnadel ein in Brennstoffflußrichtung öffnendes Vorschaltventil zwischengeschaltet, das mit Hilfe eines Kolbens betätigt wird, der ebenfalls vom Brennstoffdruck in der Brennstoffzuleitung und somit mit Hochdruckspeicherdruck beaufschlagt wird. Die Druckbeaufschlagung dieses Kolbens erfolgt dabei - und zwar gleichfalls von dem vorstehend genannten Wegeventil gesteuert - gleichzeitig mit der Druckbeaufschlagung des Steuerkolbens am rückwärtigen Ventilnadelende. Nachteilig bei dieser Anordnung ist jedoch, daß das Vorchaltventil gegen den hohen Brennstoffdruck geschlossen und in den Einspritzpausen auch gegen diesen Druck in Schließstellung gehalten werden muß sowie die baulich aufwendige und somit kostenungünstige Ausbildung der Einspritzvorrichtung.
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Weiter ist noch aus der DD-PS 1 02 772 eine Einspritzvorrichtung mit einem gleichfalls in Brennstoffflußrichtung öffnenden Vorschaltventil bekannt, bei der die Steuerung der gleichzeitigen Beaufschlagung des rückwärtigen Endes der Ventilnadel sowie des kolbenartig ausgebildeten Endes des Vorschaltventils mit unter Einspritzdruck stehendem Brennstoff ebenfalls mit Hilfe eines Magnetventils erfolgt. Nachteilig ist auch hier die Notwendigkeit, das Vorschaltventil gegen den hohen Brennstoffdruck schließen und in den Einspritzpausen halten zu müssen.
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Schließlich wird bei einer weiteren aus der DE-OS 21 34 007 bekannten Einspritzvorrichtung die Brennstoffzufuhr vom Hochdruckspeicher zum Vorlageraum an der Ventilnadel von einem hydraulisch betätigten, als Vorschaltventil dienenden Differenzdruckventil freigegeben bzw. in Brennstoffflußrichtung gesperrt. Die Öffnung der Einspritzventilnadel wird dabei ausschließlich von dem im Vorlageraum an der Ventilnadel angreifenden Brennstoffdruck bewirkt. Die hydraulische Betätigung des baulich aufwendigen Differenzdruckventils erfolgt durch eine mechanisch angetriebene Steuerpumpe mit festen Steuerkanten, wodurch eine Anpassung der Einspritzdauer und -menge in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Motors nur in aufwendiger Weise möglich ist. Die mechanische Steuerung hat darüber hinaus den Nachteil, daß die Funktion der erforderlichen zahlreichen Teile mit engen Passungstoleranzen von der Fertigungsqualität abhängt. Die Einspritzvorrichtung wird somit entsprechend teuer.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung lassen sich den Unteransprüchen entnehmen, wobei im Zusammenhang mit dem Anspruch 2 ein Druckhalteventil in einer Rücklaufleitung aus der bereits vorstehend genannten DD-PS 1 02 772 bekannt ist.
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Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
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Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzvorrichtung, und
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Fig. 2 Teilelemente eines zweiten Ausführungsbeispieles einer Brennstoffeinspritzvorrichtung aufbauend auf der Lösung nach Fig. 1.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile bzw. Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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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 Spritzlöcher 11 in einen Brennraum zusammenwirkt. Der Steuerkolben 7 besteht aus einem Kolbenteil 12 und einem durchmessergrößeren Kolbenteil 13 und ist ebenso wie die Ventilnadel 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 ersten Druckraum 15 ständig ein bestimmter in Schließrichtung des Einspritzventiles wirksamer Druck ansteht. Die 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 18zweigt 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 Ventilsitz 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
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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 Steuerdruckflüssigkeit konstanten Druckes führende Speiseleitung 32 sowie ablaufseitig an eine Entleerungsleitung 33 angeschlossen und besitzt zwei Ausgänge 34 bzw. 35, welche wechselweise an die Speiseleitung 32 oder die Entleerungsleitung 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 Servoventils 31 ist eine Schließdruckleitung 38 angeschlossen, die innerhalb des Gehäuses 5 in einen in Schließrichtung wirkenden Steuerdruckraum 39 des Vorschaltventiles 21 einmündet, der somit zur Druckbeaufschlagung des Druckkolbens 26 in Schließrichtung dient und durch eine Stirnfläche 40 am Steuerkolben 26 sowie Wandteile der Aufnahmekammer 29 begrenzt ist. Andernends des Druckkolbens 26, mithin auf Seiten der Verbindungsstange 25, ist außerdem ein in Öffnungsrichtung wirkender Steuerdruckraum 41 vorhanden, der somit 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 in Öffnungsrichtung wirkende Steuerdruckraum 41 ist über eine Öffnungsdruckleitung 43 am Ausgang 35 des Servoventiles 31 angeschlossen. Bei gegebenem Abstand der Aufnahmekammer 29 zur kegeligen Sitzfläche 24 für das Schließelement 22 sowie gegebener Länge der Aufnahmekammer 29 und des Druckkolbens 26 hängen die Länge der Hubbewegung des Druckkolbens 26 in Schließrichtung und damit das minimale Volumen des in Öffnungsrichtung wirkenden Steuerdruckraumes 41 sowie die Hubbewegung des Druckkolbens 26 in Öffnungsrichtung des Vorschaltventiles 21 und damit das minimale Volumen des in Schließrichtung wirkenden Steuerdruckraumes 39 sowohl von der Länge der Verbindungsstange 25 als auch von der Länge eines andernends der Verbindungstange 25 am Druckkolben 26 angeordneten Anschlagbolzens 44 ab. Der Druckkolben 26 des Vorschaltventiles 21 ist in vorteilhafter Weise zusammen mit dem Anschlagbolzen 44, der Verbindungsstange 25 und dem Schließelement 22 einstückig ausgebildet.
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Der zweite Druckraum 17 des Einspritzventiles 4 ist über eine zweite Druckleitung 45 an die Brennstoffzuleitung 18 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.
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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 in Öffnungsrichtung wirkende Steuerdruckraum 41 des Vorschaltventils 21 dagegen über die Öffnungsdruckleitung 43 an die Entleerungsleitung 33 angeschlossen sind. Das Einspritzventil 4 wird durch den im ersten Druckraum 15 am Steuerkolben 7 anstehenden Brennstoffdruck in Schließlage gehalten.
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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 Entleerungsleitung 33 angeschlossen wird, mit der Folge einer Druckentlastung des in Schließrichtung wirkenden Steuerdruckraumes 39 des Vorschaltventiles 21, und
- b) die Öffnungsdruckleitung 43 von der Entleerungsleitung 33 abgeschaltet und an die Speiseleitung 32 angeschlossen wird, mit der Folge das der in Öffnungsrichtung wirkende 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 infolge der Druckausbildung in letzterem das Einspritzventil 4 öffnet und die Brennstoffeinspritzung erfolgt.
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Sobald dem Servoventil 31 vom Geber 30 das Ende des Einspritzvorganges signalisiert wird, schaltet dieses wieder in seine Ausgangslage zurück, bei welchem der Vorgang die Schließdruckleitung 38 wieder an die Speiseleitung 32 und die Öffnungsdruckleitung 43 wieder an die Entleerungsleitung 33 angeschlossen werden. Dabei wird der in Schließrichtung wirkende Steuerdruckraum 39 wieder druckbeaufschlagt, so daß das 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 Druckraum 15 anstehenden Brennstoffdruckes 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.
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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 als Rückschlagventil ausgebildetes Druckhalteventil 48 eingeschaltet sein. Letzteres besteht aus einer Kugel 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 Einspritzvorrichtung entspricht der in Fig. 1 gezeigten Anordnung.