DE68910065T2

DE68910065T2 - System für die Steuerung der Kraftstoffzufuhr in einer Hochdruckeinspritzdüse.

Info

Publication number: DE68910065T2
Application number: DE89117549T
Authority: DE
Inventors: Julius P Perr; Lester L Peters; Edward D Smith
Original assignee: Cummins Engine Co Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 1988-09-23
Filing date: 1989-09-22
Publication date: 1994-02-10
Anticipated expiration: 2009-09-23
Also published as: EP0360278A3; EP0360278A2; JP2505595B2; DE68910065D1; JPH02191848A; US4971016A; EP0360278B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Kraftstoffversorgungssystem für die Kraftstoffversorgung von Kraftstoffeinspritzdüsen eines Verbrennungsmotors und insbesondere auf ein elektronisch gesteuertes Kraftstoffversorgungssystem, das imstande ist, die Anforderungen an die Kraftstoffversorgung von Hochdruckeinspritzdüsen zu erfüllen.
Auf der Suche nach emissionsfreien Verbrennungsmotoren mit gleichzeitig hoher Effizienz wurde von Motorenherstellern versucht, Kraftstoffversorgungssysteme für Motoren zu entwickeln, die eine vollständige Verbrennung des Kraftstoffes erreichen. Obwohl sich dieses Ziel als illusorisch erwies, haben wichtige Verbesserungen sowohl bei der Verbrennungseffizienz als auch bei der Emissionsverringerung stattgefunden. Jedoch werden weiterhin einfache und zuverlässige Kraftstoffversorgungssysteme mit annehmbaren Kosten gesucht, die die angestrebten, vorgehend beschriebenen Ziele erreichen.
Eine wesentliche Absicht bei der Suche nach einer vollständigen Kraftstoffverbrennung ist die Reduzierung der verschmutzten Motoremissionen, besonders im Bereich der Kohlenwasserstoffe, Stickstoffoxyde und Material aus kleinsten Partikeln. Insbesondere Kraftstoffeinspritzdüsen sind mit der Absicht entwickelt worden, eine höhere Verbrennungseffizienz, geringeren Kraftstoffverbrauch und Emissionsverringerung zu erzielen. Kraftstoffeinspritzdüsen der zuvor beschriebenen Art sind in den US-Patenten 3,591,117, 4,463,901 und 4,621,605 beschrieben, sind auf denselben Anmelder wie die vorliegende Erfindung angemeldet und haben sich als effektiv, zuverlässig und ökonomisch erwiesen. Die Erzielung der angestrebten weiteren Einschränkung im Bereich der Kohlenwasserstoffe, Stickstoffoxyde und kleinsten Partikeln in Fahrzeugemissionen eröffnen jedoch Probleme, selbst bei Einspritzdüsen der in Rede stehenden Art. Die Kosteneffektivität und der geringere Kraftstoffverbrauch sind in Verbindung mit den bisher zur Verfügung stehenden Einspritzdüsen nicht zu erreichen, insbesondere wenn Katalysatoren angewendet werden, um ein akzeptables Niveau dieser Schadstoffe zu erreichen. Diese Anwendung kann nicht nur teuer sein, sondern sie kann auch beträchtliche Instandhaltungsprobleme nach sich ziehen.
Deshalb stellt die Behandlung der Schadstoffe in der Quelle - also in dem Verbrennungsraum - eine einfachere, effizientere und kosteneffektivere Lösung dar. Das bedeutet einen Anstieg der Effizienz des Verbrennungsprozesses, der wiederum eine Einspritzung des Kraftstoffes unter hohen Drücken erfordert, wesentlich höheren Drücken, als bisher erzielt worden sind, insbesondere während des Betriebes des Motors bei langsamer Geschwindigkeit. Das Einspritzdruckvermögen der bisher zur Verfügung stehenden Kraftstoffeinspritzdüsen ist auf SAC-Drücke von unter 20.000 psi beschränkt gewesen (Kraftstoffdrücke in der Einspritzkammer direkt vor den Einspritzungslöchern).
Um bei jeder der Motoreinspritzdüsen SAC-Drücke deutlich oberhalb von 20.000 psi erhalten zu können, muß das Kraftstoffversorgungssystem des Motors jedoch in der Lage sein, jede Einspritzdüse zu einem präzisen Zeitpunkt innerhalb des Einspritzzyklus mit einer exakt kontrollierten Menge an Kraftstoff und Synchronisationsflüssigkeit zu versorgen. Die Kraftstoffversorgungssysteme, die in den US-Patenten 3,951,117, 4,463,901 und 4,621,605 beschrieben werden, sind für die Versorgung der Einspritzdüsen mit Kraftstoff und Synchronisationsflüssigkeit entwickelt worden, bei denen die SAC-Drücke auf weniger als 20.000 psi, auch unter Hochgeschwindigkeitsbedingungen des Motors begrenzt sind. Während diese Kraftstoffversorgungssysteme an die Anforderungen solcher Kraftstoffeinspritzdüsen angepaßt sind, genügen sie nicht den Versorgungsbedingungen bei Motorbetriebsweisen, die Einspritzdüsen mit sehr hohen Drücken erfordern. Außerdem sind diese Kraftstoffversorgungssysteme nicht für einen Einsatz mit Kraftstoffeinspritzdüsen entwickelt worden, die den Kraftstoff auf einen beträchtlichen Wert im Betriebsbereich bei langsamer Geschwindigkeit verdichten müssen, ohne den Einspritzdruck mehr als notwendig im Betriebsbereich bei hoher Geschwindigkeit zu vergrößern. Des weiteren sind sie nicht in genügendem Maße für eine Vielzahl von Motorbetriebsparametern empfindlich, die für den effizienten Betrieb der Hochdruckeinspritzdüsen notwendig sind. Schließlich besitzen sie nicht die Fähigkeit, eine exakte unabhängige Steuerung der notwendigen Synchronisationsdrücke zu gewährleisten.
Im Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht (US-A-4 721 247), wird ein elektronisch gesteuertes Kraftstoffversorgungssystem offenbart, das in der Lage ist, die Anforderungen an die Kraftstoff- und Synchronisationsflüssigkeitsversorgung von Kraftstoffeinspritzdüsen zu erfüllen, die in der Einspritzkammer Drücke von mehr als 30.000 psi erzielen. Das System umfaßt vollständig unabhängige Kraftstoffversorgungs- und Synchronisationskanäle, wobei jede mit einer Vielzahl von Hochdruckeinspritzdüsen verbunden ist. Die Steuerung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge wird durch die Kraftstoffkanäle in Verbindung mit dem Druck-Zeit-Prinzip (pressure time, PT) erreicht. Die Steuerung der in die Synchronisationskammer der Einspritzdüse einzufüllende Menge an Kraftstoff wird durch die Synchronisationskanäle in Verbindung mit dem Druck-Prinzip (pressure, P), Druck-Zeit-Prinzip (PT) oder beiden Prinzipien erreicht. Eine elektronische Steuerungseinheit, die die Drosselposition und weitere verschiedene Motorbetriebsparameter erfaßt, überwacht den Druck des Kraftstoffes sowohl in dem Kraftstoffversorgungskanal als auch in dem Einspritzsynchronisationskanal und sie betätigt die Drucksteuerungsmittel, um den notwendigen Kraftstoffdruck und den Synchronisationsflüssigkeitsdruck anzupassen, damit die notwendige Menge und die exakte Synchronisation der Einspritzung für die Motorbetriebsbedingung erzielt wird. Somit wird eine effiziente Steuerung des Synchronisationsflüssigkeitsdruckes erreicht, so daß eine hydraulische Verbindung mit einer notwendigen Länge in der Einspritzdüse hergestellt wird, um die Synchronisation der Einspritzung von Kraftstoff bei SAC-Drücken größer als 30.000 psi zu steuern.
Das dargestellte, zum Stand der Technik gehörende Kraftstoffversorgungssystem wird aus Komponenten wie Pumpen, Druckreglern und Kraftstoffleitungen gebildet, die außerhalb des Motorkopfes angeordnet sind. Dabei wird die Gefahr von Kraftstoffundichtigkeiten und zusätzlich die Kompliziertheit der Instandhaltung und anderer Probleme in Verbindung mit der Abdichtung des Kraftstoffes außerhalb des Motorkopfes vergrößert. Insofern ist das zum Stand der Technik gehörende Kraftstoffversorgungssystem vergleichbar mit allen anderen Kraftstoffversorgungssystemen, die zur Zeit zur Verfügung stehen. Die Erfindung stellt sich somit die Aufgabe, das elektronisch gesteuerte Kraftstoffversorgungssystem für die Benutzung mit Hochdruckeinspritzdüsen auszugestalten und weiterzubilden, so daß die Komponenten des Systems zur Versorgung des Kraftstoffes und der Synchronisationsflüssigkeit für eine Vielzahl von solchen Einspritzdüsen integriert an dem Motorkopf angeordnet sind, wobei die zugehörigen gemeinsamen Kraftstoff- und Synchronisationsflüssigkeitsschienen innerhalb des Motorkopfes angeordnet sind.
Die zuvor aufgezeigte Aufgabe ist durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß sind der Kraftstoffversorgungskanal, die Kraftstoffschiene der Einspritzdüsen, und der Synchronisationskanal als Bohrungen in dem Zylinderkopf ausgestaltet. Dadurch ist die Gefahr von Kraftstoffundichtigkeiten drastisch reduziert, und die komplizierte Instandhaltung und andere Probleme, die mit der Kraftstoffabdichtung außerhalb des Motorkopfes verbunden sind, sind eliminiert.
Weitere Verbesserungen des Kraftstoffversorgungssystems gemäß Anspruch 1 sind in den nachgeordneten Unteransprüchen beschrieben.
Eine weitere Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung kann der folgenden Beschreibung der Zeichnungen entnoimnen werden. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt einer Hochdruckeinspritzdüse,
Fig. 2 eine grafische Darstellung der Anforderungen an den Synchronisationsdruck der in Fig. 1 dargestellten Einspritzdüse, wobei die Synchronisationsflüssigkeit bei kleinen Geschwindigkeiten P-dosiert und bei hohen Geschwindigkeiten PT-dosiert ist,
Fig. 3 eine grafische Darstellung der Anforderungen an den Kraftstoffversorgungsdruck der in Fig. 1 dargestellten Kraftstoffeinspritzdüse bei verschiedenen Motorgeschwindigkeiten,
Fig. 4 eine grafische Darstellung der Anforderungen an den Synchronisationsdruck der in Fig. 1 dargestellten Kraftstoffeinspritzdüse, wobei die Synchronisationsflüssigkeit bei allen Geschwindigkeiten P-dosiert ist,
Fig. 5 ein schematisches Diagramm eines ersten Ausführungsbeispieles eines Kraftstoffversorgungssystems entsprechend der vorliegenden Erfindung,
Fig. 6 ein schematisches Diagramm eines zweiten Ausführungsbeispieles eines Kraftstoffversorgungssystems entsprechend der vorliegenden Erfindung,
Fig. 7 ein schematisches Diagramm eines dritten Ausführungsbeispieles eines Kraftstoffversorgungssystems entsprechend der vorliegenden Erfindung,
Fig. 8 ein schematisches Diagramm eines vierten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
Fig. 9 ein schematisches Diagramm eines fünften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
Fig. 10 eine Ansicht von oben eines Motorzylinderkopfes, die das installierte Kraftstoffversorgungssystem der vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 11 in einer Seitenansicht den in der Fig. 10 dargestellten Motorzylinderkopf und
Fig. 12 einen Querschnitt des in Fig. 11 dargestellten Motorzylinderkopfes entlang der Linien 12-12.
Hochdruckeinspritzdüsen der in Rede stehenden Art, die im US-Patent 4,721,247 beschrieben sind, das auf denselben Anmelder wie bei der vorliegenden Erfindung angemeldet ist, erfordern eine sorgfältige und exakte Dosierung sowohl des Kraftstoffes als auch der Synchronisationsflüssigkeit, mit der die Einspritzdüse versorgt wird, um die Verbrennungseffizienz und die daraus resultierende, ausgezeichnete, für diese Einspritzdüsen charakteristische Verringerung der Emission zu erreichen. Die Anforderungen an den Kraftstoff von der Hochdruckeinspritzdüse sind ähnlich wie die von anderen PT-dosierten Einspritzdüsen. Dabei wird die Kraftstoffmenge aktuell als Funktion des Versorgungsdruckes und der gesamten Dosierungszeit dosiert, währenddessen der Kraftstoff in die Einspritzdüse fließt. Die Steuerung der Synchronisationsflüssigkeit muß jedoch nicht nur vollständig unabhängig von der Steuerung der Kraftstoffversorgung sein, sondern sie muß zusätzlich infinitesimal variabel für die Erzielung der variablen Synchronisation sein, die notwendig ist, um die Vorteile der hohen SAC-Drücke, die bei dieser Art von Hochdruckeinspritzdüsen produziert werden, zu nutzen. Die vorliegende Erfindung schlägt daher verschiedene Ausführungsbeispiele für Kraftstoffversorgungs- und Synchronisationsflüssigkeitssteuerungsmittel vor, die in einem elektronisch gesteuerten Kraftstoffsystem für Hochdruckeinspritzdüsen angewendet werden.
Fig. 1 der Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel einer Hochdruckeinspritzdüse dar, auf das das erfindungsgemäße Kraftstoffversorgungssystem angewendet werden soll. Diese und weitere ähnliche Hochdruckeinspritzdüsen werden in dem US-Patent 4)721,247 beschrieben. Die Kraftstoffeinspritzdüse 10 in Fig. 1 besitzt eine offene Düse und erreicht während des Motorbetriebes typischerweise SAC-Drücke oberhalb von 35.000 psi. Die Kraftstoffeinspritzdüse 10 ist in herkömmlicher Weise an dem Kopf eines Verbrennungsmotors angeordnet (nicht dargestellt).
Der Körper der Kraftstoffeinspritzdüse 10 ist aus zwei Teilen zusammengesetzt, einem Einspritzdüsengehäuse 12 und einem einteiligen Einspritzdüsenkopf 14. Entlang der Achse der Kraftstoffeinspritzdüse ist eine Bohrung 16 angeordnet, in der eine sich hin- und herbewegende Kolbenanordnung 18 angeordnet ist. Die sich hin- und herbewegende Kolbenanordnung 18 besteht aus drei hintereinander angeordneten Kolben: einem Einspritzkolben 20, einem Zwischenkolben 22 und einem oberen Kolben 24. Eine Kompensationskammer 26 ist unterhalb des Zwischenkolbens 22 ausgestaltet und enthält eine Schraubenfeder 28, die das obere Ende 21 des Einspritzkolbens 20 aufnimmt und sich mit einem Antriebselement 30 im Eingriff befindet, das am oberen Ende 21 des Einspritzkolbens 20 angeordnet ist. Das untere Ende der Schraubenfeder 28 ist auf einen Sitz 32 gestützt, der in dem Einspritzdüsenkopf 14 derart ausgebildet ist, daß die auf das Antriebselement 30 ausgeübte Kraft der feder 28 den Einspritzkolben nach oben drückt, bis der Einspritzkolben mit dem Zwischenkolben 22 in Eingriff kommt. Dadurch werden die drei Kolbenelemente zusammen zur Beendigung eines Einspritzzyklus solange nach oben getrieben, bis die Dosierung und Synchronisation für den nächsten Einspritzzyklus begonnen haben.
Das obere Ende einer Kolbenrücktriebsfeder 34 steht mit dem obersten Ende (nicht dargestellt) des oberen Kolbens 24 in Eingriff, während das untere Ende der Kolbenrücktriebsfeder 34 an dem oberen Ende 36 des Einspritzdüsengehäuses 12 angeordnet ist. Die Kolbenrücktriebsfeder 34 setzt den oberen Kolben 24 unter nach oben gerichtete Vorspannung, um ein durch eine Nocke angetriebenes Antriebselement (nicht dargestellt) so anzutreiben, daß ein Fülldurchgang 38 für die Synchronisationsflüssigkeit offengelegt wird. Dabei wird ein Eintritt der Synchronisationsflüssigkeit durch den Durchgang 38 wie dargestellt ermöglicht, wobei der Druck der Synchronisationsflüssigkeit ausreicht, um den Zwischenkolben 22 von dem oberen Kolben 24 durch Zusammendrücken der Schraubenfeder 28 zu trennen, wie mit 40 dargestellt ist. Die Abstandsgröße zwischen dem oberen Kolben 24 und dem Zwischenkolben 22 ist durch das Gleichgewicht zwischen der Kraft der Schraubenfeder 28 und der durch den Druck der Synchronisationsflüssigkeit produzierte Druck auf die Fläche des Zwischenkolbens 22 bestimmt. Je größer der Abstand zwischen dem Zwischenkolben 22 und dem oberen Kolben 24 ist, desto größer ist der Vorschub des Einspritzungszeitpunkts.
Gleichzeitig mit dem Einfließen der Synchronisationsflüssigkeit in den Durchgang 38 wird der Kraftstoff für die Einspritzung durch einen Kraftstoffversorgungsdurchgang 42 in den Einspritzdüsenkopf 14 dosiert. Der Kraftstoff fließt dann in den Kraftstoffkanal 44, der in dem Einspritzdüsenkopf um den Einspritzkolben 20 herum angeordnet ist, und in die Einspritzkammer 46. Die Einspritzöffnungen (nicht einzeln dargestellt) sind an dem untersten Ende der Einspritzkammer 46 in einer Düse 48 angeordnet. Während der Dosierung des Einspritzkraftstoffes wird die Einspritzkammer 46 teilweise mit einer exakt dosierten Menge an Kraftstoff in Übereinstimmung mit dem bekannten Druck-Zeit-Prinzip (PT) gefüllt, wobei die Kraftstoffmenge aktuell als Funktion des Kraftstoffversorgungsdruckes und der gesamten Dosierungszeit dosiert wird, währenddessen der Kraftstoff durch die öffnungen des Kraftstoffdurchganges 42 in die Einspritzdüse fließt. Diese Öffnung (nicht dargestellt) in dem Durchgang 42 weist sorgfältig gesteuerte hydraulische Eigenschaften auf, die die gewünschte Druck-Zeit-Kraftstoffdosierungsfähigkeit ermöglichen. Die Position der Kolbenanordnung 18 ist in Fig. 1 in der Position dargestellt, die sie während der Dosierung sowohl des Kraftstoffes als auch der Synchronisationsflüssigkeit während des Einspritzzyklus einnimmt.
Während der Einspritzung wird der obere Kolben 24 durch eine Nocke (nicht dargestellt) nach unten angetrieben, wodurch die Synchronisationsflüssigkeit aus dem Zwischenraum 40 heraus und durch den Durchgang 38 angetrieben wird, bis der obere Kolben 24 den Fülleingang 38 blockiert. Die Synchronisationsflüssigkeit ist nun in dem Zwischenraum 40 zwischen dem oberen Kolben 24 und dem Zwischenkolben 22 eingeschlossen, wodurch die Synchronisationsflüssigkeit eine hydraulische Verbindung bildet, die eine gleichzeitige Bewegung aller drei Kolben in Richtung der Düse 48 hervorruft. Die Bewegung des unteren Kolbens 20 in die den Kraftstoff enthaltene Einspritzkammer 46 resultiert in einer Druckbeaufschlagung dieses Kraftstoffes, sobald der Kolben 20 weit genug in die Einspritzkammer 46 eingedrungen ist und den Teil der Kammer ausfüllt, der nicht mit Kraftstoff ausgefüllt ist. Der Abstandspunkt des Endes der Düse 48 zu dem Punkt; wo die Einspritzung beginnt, wird als "Festkraftstoffhöhe" bezeichnet und bestimmt den Punkt in der Bewegung der Kolben bei dem die Einspritzung tatsächlich beginnt. Die Festkraftstoffhöhe in einer Hochdruckeinspritzdüse wird erzielt, wenn der Kolbenrand 53 sich in einem Punkt deutlich unter dem Kraftstoffdurchgang 42 befindet, wodurch die Erzielung des hohen SAC-Druckes ermöglicht wird.
Die Kolbenanordnung 18 der Kraftstoffeinspritzdüse in Fig. 1 überträgt die Kraft für die Einspritzung des Kraftstoffes von dem oberen Kolben 24 über die hydraulische Verbindung bei 40 auf den Zwischenkolben 22 und schließlich auf den Einspritzkolben 20, so daß als Ergebnis die Kraft der Kolbenanordnung gleichzeitig auf die Synchronisationsflüssigkeit und auf den einzuspritzenden Kraftstoff einwirkt. Weil jedoch der untere Kolben 20 einen deutlich kleineren Durchmesser als der Zwischenkolben 22 und der obere Kolben 24 besitzt, kann der auf die Synchronisationsflüssigkeit ausgeübte Druck wesentlich kleiner und deshalb auch erheblich einfacher als der Druck aufrechterhalten werden, der auf den Kraftstoff in der Einspritzkammer 46 ausgeübt wird. Der große Durchmesser des Kolbens 22, der mit einem niedrigen Synchronisationsflüssigkeitsdruck verbunden ist, erlaubt auch eine große Kolbenrücktriebsfeder und somit eine große ausgeübte Kraft.
Am Ende der Einspritzung ist die hydraulische Verbindung bei 40 zusammengebrochen, und die Synchronisationsflüssigkeit wird durch den Ablaufdurchgang 50 aus der Kraftstoffeinspritzdüse herausgedrückt. Wenn die gesamte Synchronisationsflüssigkeit abgelaufen ist, sind der obere Kolben 24 und der Zwischenkolben 22 nicht länger getrennt, sondern sie sind in mechanischem Kontakt. Während dieses Stadiums des Einspritzzyklus wird jeglicher Kraftstoff, der durch den Durchgang 42 eintritt, durch den Ablauf 52 aus der Kraftstoffeinspritzdüse herausgeleitet.
Um eine exakte Steuerung der Synchronisation der Einspritzung zu erlangen und um somit die Effizienz der Verbrennung zu gewährleisten, wird die unterschiedlichen Druck aufweisende Synchronisationsflüssigkeit für den Aufbau der hydraulischen Verbindung einer bestimmten Länge geliefert, die zur Variation der Zeit notwendig ist, zu der die Kolbenanordnung die Festkraftstoffhöhe erreicht. Deshalb ist eine exakte Steuerung des Druckes der Synchronisationsflüssigkeit notwendig, mit der die Kraftstoffeinspritzdüse über den Durchgang 38 versorgt wird. Weil die Synchronisationsflüssigkeit, die typischerweise in Kraftstoffeinspritzdüsen verwendet wird, Kraftstoff ist, stellt die vorliegende Erfindung ein Versorgungssystem für Synchronisationsflüssigkeit für Hochdruckeinspritzdüsen zur Verfügung, das ein integraler Bestandteil des Kraftstoffversorgungssystems der Kraftstoffeinspritzdüse ist, das jedoch unabhängig von dem Kraftstoffversorgungssystem steuerbar ist.
Das elektronisch steuerbare Kraftstoffversorgungssystem der vorliegenden Erfindung enthält daher ein Kraftstoffversorgungssystem bestehend aus zwei Kanälen, wobei ein Kanal den Kraftstoff für die Einspritzung durch den Durchgang 42 der Kraftstoffeinspritzdüse zur Verfügung stellt, und wobei der andere Kanal den Kraftstoff durch den Durchgang 38 als Synchronisationsflüssigkeit der Kraftstoffeinspritzdüse zur Verfügung stellt. Der Kraftstoffversorgungskanal steuert dabei die Menge des Kraftstoffes, der in Übereinstimmung mit der PT-Dosierung durch eine Öffnung in dem Durchgang 42 in die Kraftstoffeinspritzdüse eingeführt wird. Fig. 2 stellt in grafischer Form die Druckanforderungen einer Hochdruckeinspritzdüse für verschiedene eingespritzte Mengen an Treibstoff dar, wobei die Hochdruckeinspritzdüse P-dosiert für kleinere Geschwindigkeiten und PT-dosiert für höhere Geschwindigkeiten ist. Die Fig. 3 stellt in grafischer Form typische Druckanforderungen für einen Bereich von eingespritzten Treibstoffmengen bei Motorgeschwindigkeiten von 1.000 bis 5.000 U/min. dar.
Der Einspritzungssynchronisationskanal steuert die Kraftstoffmenge, die in den Synchronisationsdurchgang 38 der Kraftstoffeinspritzdüse für die Bildung der hydraulischen Verbindung bei 40 (Fig. 1) eingefüllt wird. Die Länge der hydraulischen Verbindung kann über den Druck, der auf die Schraubenfeder 28 ausgeübt wird, gesteuert werden, wobei dann eine P-Dosierung vorliegt. Alternativ dazu kann die Länge der hydraulischen Verbindung bei 40 PT-dosiert sein, wobei diese Länge durch die Größe der Öffnung in dem Durchgang 38 und der Zeitdauer, währenddessen die Synchronisationsflüssigkeit in die Synchroni-Sationsflüssigkeitskammer gefüllt wird, gesteuert wird. Schließlich kann die Länge der hydraulischen Verbindung sowohl P- als auch PT-dosiert sein. Fig. 4 stellt in grafischer Form die Synchronisationsversorgungsdrücke für die Einstellung verschiedener Kolbenabstände und somit hydraulischer Verbindungen unterschiedlicher Länge für einen Motor dar, der bei allen Geschwindigkeiten P-dosiert ist.
Fig. 5 bis 9 stellen in schematischer Form verschiedene Ausführungsbeispiele elektronisch gesteuerter Kraftstoffversorgungssysteme dar, die in Verbindung mit der Hochdruckeinspritzdüse aus fig. 1 angewendet werden können. Jede dieser vorgeschlagenen Kraftstoffversorgungssysteme gewährleistet die Versorgung mit Kraftstoff und mit Synchronisationsflüssigkeit in den Mengen und unter solchen Drücken, die für die Einstellung einer hydraulischen Verbindung mit, variabler Länge notwendig sind, um in ausreichender Weise die Synchronisation in zu den Motorbedingungen konsistenter Weise einzustellen. Obwohl das vorliegende Kraftstoffversorgungssystem vorzugsweise in bezug auf eine einzige Hochdruckeinspritzdüse beschrieben wird, wird mit diesem System angestrebt, die Anforderungen an die Kraftstoff- und Synchronisationsflüssigkeitsversorgung einer Vielzahl solcher Kraftstoffeinspritzdüsen zu erfüllen, die exakte Anzahl der notwendigen Kraftstoffeinspritzdüsen ist dabei von dem speziellen Motor abhängig.
Die hier dargestellte elektronische Steuerung des Kraftstoff- und Synchronisationsflüssigkeitsversorgungssystem für die Kraftstoffeinspritzdüse kann durch eine elektronische Steuereinheit dargestellt werden, wie unten in Verbindung mit verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung beschrieben wird. Ein elektronisches Steuerungssystem, das für diese Aufgabe geeignet ist, wird in geeigneter Weise Mikroprozessoren (nicht dargestellt) aufweisen, die in der Lage sind, elektronische Steuerungseingangssignale von beispielsweise Durckaufnehmern zu empfangen. Zusätzliche Steuerungseingangssignale können von anderen Meßwertaufnehmern, z. B. für die Drosselungseinstellung, von Sensoren, beispielsweise einem magnetischen Geschwindigkeitssensor, und ähnlichen Sensoren zur Verfügung gestellt werden. Entsprechende Verbindungen zwischen den Quellen für diese Steuerungseingangssignale und dem Mikroprozessor müsse-hergestellt werden. Die Information der Steuerungseingangssignale wird durch den Mikroprozessor verarbeitet, und auf diese Information reagierend werden Signale von dem Mikroprozessor erzeugt, um die verschiedenen Drucksteuerungskomponenten des vorliegenden Systems anzutreiben. Weil das hierbei angestrebte Ziel die exakte Steuerung des Druckes sowohl des Kraftstoffes als auch der Synchronisationsflüssigkeit ist, mit denen die Einspritzdüse versorgt wird, werden die Steuerungseingangssignale einer großen Anzahl von Motorbedingungen dem Mikroprozessor zugeführt. Der Mikroprozessor verarbeitet dann diese Information und sendet Signale für den Antrieb der druckregelnden Elemente aus, um den Druck des Kraftstoffes und der Synchronisationsflüssigkeit in Übereinstimmung mit den Steuerungseingangssignalen einzustellen.
Fig. 5 stellt ein grundlegendes, einen geschlossenen Kreislauf aufweisendes, elektronisch gesteuertes Kraftstoffversorgungssystem für eine Kraftstoffeinspitzdüse entsprechend der vorliegenden Erfindung dar. Dieses Ausführungsbeispiel umfaßt einen Kraftstofftank 68 und eine Zahnradpumpe 70 mit einem Druckregler 72, der stromaufwärts von zwei drehbaren Drosselventilen 74 und 76 angeordnet ist. Das Drosselventil 74 ist in dem Synchronisationsflüssigkeitskanal 78 angeordnet, und das Drosselventil 76 ist in dem Kraftstoffkanal 80 angeordnet. Ein Druckaufnehmer 82 ist stromabwärts von dem Drosselventil 74 angeordnet und mißt den Druck der Synchronisationsflüssigkeit bzw. des Kraftstoffes in dem Kanal 78, während ein vergleichbarer Druckaufnehmer 84 den Druck des Kraftstoffes in dem Kanal 80 mißt. Diese Druckmessungen werden zu einer elektronischen Steuerungseinheit 86 (electronic control unit, ECU) übertragen. Diese elektronische Steuerungseinheit benötigt in ihrer grundlegensten Form ein Signal von der Motordrosselposition 88 und ein Signal von der Motorgeschwindigkeit (RPM) 90 als Eingangsssignale für die Steuerung der Drücke des Kraftstoffes in den Kanälen 78 und 80. Eine Tabelle (nicht dargestellt) ist in der ECU 86 eingebunden. Die gewünschten Treibstoff- und Synchronisationsflüssigkeitsdrücke für spezifische Motordrosselungspositionen und Motorgeschwindigkeiten sind in der Tabelle programmiert, so daß, wenn die ECU Druckinformationen von den Druckaufnehmern 82 und 84 empfängt, diese Druckinformation mit den gewünschten Drücken für die spezifische Motordrosselungsposition und Motorgeschwindigkeit verglichen wird und so daß die ECU Signale zu den Drosselventilen 74 und 76 für eine entsprechende Einstellung überträgt. Die Position des Drosselventils 74 steuert die Menge an Synchronisationsflüssigkeit, mit der die Einspritzdüse versorgt wird, und somit den Druck der Synchronisationsflüssigkeit und die Einstellung der Synchronisation. Weil dieses System ein Rückkopplungssignal enthält, das den durch die Steuerung erzeugten Druck anzeigt, kann dieses System als eine Steuerung mit geschlossenem Kreislauf beschrieben werden.
Obwohl nur das Drosselungspositionssignal und das Motorgeschwindigkeitssignal (RPMs) als Eingangsssignale für die ECU 86 benötigt werden, können ebenfalls zusätzliche Motorbetriebsparameter, wie z. B. die Temperatur, an die ECU übertragen werden, so daß eine anspruchsvollere Steuerung der Kraftstoff- und Synchronisationsflüssigkeitsdrücke möglich ist. Des weiteren können andere Typen von elektronisch steuerbaren Ventilen anstelle der drehbaren Drosselventile verwendet werden. Es können z. B. Magnetventile, die für die Einstellung eines gewünschten Druckes pulsweitenmoduliert sind, die drehbaren Drosselventile ersetzen.
Ein Druckspeicher 92 ist in dem Synchronisationsflüssigkeitskanal 78 angeordnet, um überschüssige Mengen von Synchronisationsflüssigkeit aufzunehmen. Der Synchronisationsflüssigkeitskanal 78 ist mit einem Synchronisationsflüssigkeitsdurchgang (nicht dargestellt) in einer Einspritzdüse 94 entsprechend dem Synchronisationsflüssigkeitsdurchgang 38 der Einspritzdüse 10 in Fig. 1 verbunden. In gleicher Weise ist der Kraftstoffkanal 80 mit einem Kraftstoffversorgungskanal (nicht dargestellt) der Einspritzdüse 94 verbunden, wie es in gleicher Weise der Kraftstoffversorgungskanal 42 in Fig. 1 darstellt. Eine Kraftstoffrücklaufleitung 96 stellt eine Flüssigkeitsverbindung zwischen dem Einspritzdüsenablauf (nicht dargestellt) und der Kraftstoffquelle 68 dar.
Das System mit dem geschlossenen Kreislauf, das in bezug auf Fig. 5 dargestellt und beschrieben worden ist, stellt eine genaue und unabhängige Drucksteuerung für sowohl den Kraftstoff als auch die Synchronisationsflüssigkeit dar, die für eine optimale funktion einer Hochdruckeinspritzdüse notwendig ist. Die Verwendung von Druckaufnehmern 82 und 84, die sorgfältig kontrolliert und gewöhnlicherweise oft ausgetauscht werden müssen, können jedoch dieses System recht teuer machen. Ein weniger kostenaufwendiges System, das nicht solche Druckaufnehmer verwendet, ist in Fig. 6 dargestellt.
Das elektronisch gesteuerte Kraftstoffversorgungssystem in Fig. 6 verwendet ebenfalls eine Zahnradpumpe 102 in einem Steuerungssystem mit offenem Kreislauf, das die Drücke in dem Kraftstoffkanal und dem Synchronisationskanal mit Hilfe einer elektronisch angetriebenen Drucksteuerungsanordnung einstellt. Eine elektronische Steuerungseinheit 104 überwacht die Position der Motor- Drosselung 106, den Ausstoß der Abgasrückführung (exhaust gas recirculator, EGR) 107 und die Ausgangssignale einer Vielzahl von Sensoren 108. Diese Sensoren 108 nehmen die Motorbetriebsparameter auf, wie z. B. die Motorgeschwindigkeit, die Temperatur, die Emissionshöhe und ähnliche Signale, und versorgen die elektronische Steuerungseinheit 104 mit Informationen entsprechend dieser Parameter. Die elektronische Steuerungseinheit 104 verarbeitet diese Information und treibt ein elektronisch gesteuertes Kraftstoffversorgungsventil 110 an. Das Kraftstofversorgungsventil 110 enthält einen elektronischen Antrieb 112, der gegen eine Feder 114 angeordnet ist, die auf diese Weise eine bekannte Kraft gegen einen Kolben (nicht dargestellt) in einem Mengenteiler 115 erzeugt, um den gewünschten Druck entsprechend der Motorbetriebsbedingungen zu erreichen. Der Antrieb 112 wird von einem Motor 116 angetrieben, der vorzugsweise als Schrittmotor oder als Gleichstrommotor mit einer Positionsrückkopplungseigenschaft ausgestaltet ist, die die Genauigkeit der Position des Antriebes 112 gewährleistet.
Der Kraftstoff wird unter Druck zu dem Mengenteiler 115 von der Zahnradpumpe 102 durch den Kraftstoffkanal 103 geführt. Innerhalb des Mengenteilers 115 wird der Kraftstoffluß in zwei Kanäle aufgeteilt: Schiene 118 und Schiene 120. Der Druck des Kraftstoffes in der Schiene 118 wird durch die Aktion des Mengenteilers 115 als Reaktion auf die relative Druckanforderung in der Schiene 118 eingestellt. In ähnlicher Weise wird der Druck des Kraftstoffes in der Schiene 120 durch den Regler 122 eingestellt, wie später mit größerer Genauigkeit erklärt werden wird. Wenn die Druckanforderung in der Schiene 120 höher als die Druckanforderung in der Schiene 118 ist, drosselt der Mengenteiler 115 die Schiene 118. Wenn andererseits die Druckanforderung in der Schiene 118 größer als die Druckanforderung in der Schiene 120 ist, drosselt der Mengenteiler 115 die Schiene 120. Die Verwendung des Mengenteilers 115 ermöglicht also die Verwendung einer einfacheren Kraftstoffpumpe mit der beschriebenen Art des in der Fig. 6 dargestellten Kreislaufes, insbesondere weil der Druck in dem Kanal 103 in der Weise moduliert ist, daß er nie den maximalen angeforderten Druck entweder der Schiene 118 oder der Schiene 120 übersteigt. Dieses weicht von anderen Kraftstoffversorgungssystemen ab, die nicht einen Mengenteiler in der Art des Mengenteilers 115 verwenden und in denen der Druck in den Kraftstoffversorgungskanälen immer dem maximalen vorgegebenen Wert entspricht. In dieser Weise weist die Kraftstoffversorgung einen Druck auf, der ein Optimum für die besonderen Motorbetriebsbedingungen darstellt und an die Schienen 118 und 120 angelegt ist.
Die Schiene 118 dient der Kraftstoffversorgung und ist direkt an einer Vielzahl von Hochdruckkraftstoffeinspritzdüsen ähnlich der Einspritzdüse 10 in Fig. 1 angeschlossen. Nur eine solche Einspritzdüse 119 ist in der fig. 6 gezeigt. Die Schiene 120 ist der Synchronisationskanal, der die Einspritzdüsen mit der Synchronisationsflüssigkeit in form von Kraftstoff versorgt. Der Druck des Kraftstoffes in der Schiene 120 wird durch den elektronisch angetriebenen Synchronisationsdruckregler 122 eingestellt.
Der Synchronisationsdruckregler 122 gleicht dem Kraftstoffversorgungsventil 110, indem er einen elektronischen Antrieb 124 aufweist, der gegen eine feder 126 angeordnet ist, die eine bekannte gegen die Fläche einer Kolbensenkung 128 gerichtete Kraft erzeugt. Dadurch wird ein Druckregler mit einer Umgehungsleitung erzeugt, der der Synchronisationsflüssigkeit in den Leitungsabschnitten 120 und 132 strömungsabwärts des Reglers 122 einen bekannten Druck gibt. Der Leitungsabschnitt 132 versorgt die Einspritzdüse 119 direkt mit der Synchronisationsflüssigkeit. Ein Motor 130, der ein Schrittmotor, ein Gleichstrommotor mit Positionsrückmeldung oder ähnliches sein kann, treibt den elektronischen Antrieb 124 in einer Weise an, die eine exakte Positionsbestimmung des Antriebes ermöglicht. Der Antrieb 124 ist mit der Feder 126 vorgespannt und-reagiert auf das Ausgangssignal der ECU 104. Die elektronische Steuerungseinheit empfängt Eingangssignale von der Drosselleitung 106, EGR 107 und Sensoren 108 und ist somit in der Lage, die Informationen von allen relevanten Motorbetriebsparametern zu verarbeiten, um ein Ausgangssignal zu dem Synchronisationsdruckregler 122 zu erzeugen. Dieses Ausgangssignal steuert den Motor 130, um den Antrieb 124 einzustellen, so daß dieser exakt die notwendige Kraft auf die Kolbensenkung 128 ausübt, um den Synchronisationsflüssigkeitsdruck im Schienenabschnitt 132 zu produzieren. Dieses erzeugt in der Kraftstoffeinspritzdüse 119 eine hydraulische Verbindung mit einer Länge, die für die Einstellung der Synchronisation in Übereinstimmung mit den Einspritzanforderungen notwendig ist. Beim Betreiben des Motors mit hoher Geschwindigkeit erreicht diese Synchronisationsflüssigkeit Einspritzdüsen-SAC-Drücke über 30.000 psi.
Fig. 7 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Kraftstoff- und Synchronisationsflüssigkeitsversorgungssystems für eine Einspritzdü se. Dieses Ausführungsbeispiel kann entweder mit einem geschlossenen Kreislaufsystem, entsprechend dem in fig. 5 dargestellten System, oder mit einem System mit offenem Kreislauf, entsprechend dem in Fig. 6 dargestellten System, angewendet werden. Das in Fig. 7 dargestellte System benötigt für den Betrieb nur eine minimale Menge an elektrischer Energie und stellt somit keine Belastung für das elektrische System dar. Eine Zahnradpumpe 140 pumpt den Kraftstoff aus einem Reservoir 142 in einen Kraftstoffversorgungskanal 144. Ein Druckregler 146 regelt den notwendigen Druck des Kraftstoffes in dem Versorgungskanal 144, bevor sich der Versorgungskanal 144 in einen Kraftstoffkanal 148 und einen Synchronisationsflüssigkeitskanal 150 aufspaltet. In dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein pulsweitenmoduliertes, magnetisches führungsventil 152 auf einer Seite eines Servoventils 154 in einem Abschnitt 156 des Kraftstoffkanals 148 angeordnet, und ein gleichartiges pulsweitenmoduliertes, magnetisches Führungsventil 158 ist auf einer Seite eines Servoventils 160 in einem Abschnitt 162 der Synchronisationsflüssigkeitsleitung 150 angeordnet. Jedes dieser Magnetventile ist auch mit einer Ablaufleitung verbunden, die schließlich eine Flüssigkeitsverbindung zwischen dem Ventil und dem Kraftstoffreservoir herstellt. Die Ablaufleitung 153 ermöglicht ein Abfließen der Flüssigkeit von dem Magnetventil 152 zu dem Kraftstoffreservoir 142, und die Ablaufleitung 159 ermöglicht ein Abfließen der Flüssigkeit von dem Magnetventil 158 zu dem Kraftstoffreservoir 142. Der Kraftstoff in den Reservoirleitungen 153 und 159 weist einen niedrigeren Druck als der Kraftstoff in den Leitungen 156 und 162 auf. Verengende Öffnungen 164 und 166 sind in den Kanalabschnitten 156 und 162 angeordnet, um durch eine Einschränkung des Kraftstoffflusses hinter jedem der Servoventile die Einstellung des korrekten Druckes in diesen Leitungen zu unterstützen.
Obgleich pulsweitenmodulierte, magnetische Ventile in der Fig. 7 dargestellt sind, können auch Drehventile oder jede ähnliche Art von elektronisch steuerbaren Ventilen als Führungsventile in diesem Systemtyp verwendet werden. Die Ventile 152 und 158 werden von einem Ausgangssignal der elektronischen Steuereinheit (nicht dargestellt), die ähnlich zu den ECU 86 und 104 in den Fig. 5 und 6 sind, angetrieben.
Die Information bezüglich der Motorbetriebsbedingungen wird zur Erzeugung eines Ausgleichssignals für jedes der Ventile 152 und 158 verwendet, das jedes Ventil für die Einstellung eines bestimmten Führungsdruckes auf einer Seite jedes der Servoventile 154 und 160 antreibt. Das Servoventil 154 in dem Kraftstoffkanal 148 regelt den Kraftstofffluß solange, bis der Druck des einströmenden Kraftstoffes in den Leitungsabschnitt 168 gleich groß wie der Führungsdruck ist. Der Kraftstoff in dem Kanalabschnitt 168 wird dann mit diesem Druck auf eine Vielzahl von Kraftstoffeinspritzdüsendurchgängen verteilt, wie es schematisch mit 170 dargestellt ist. Auf diese Weise wird also der Druck des einzuspritzenden Kraftstoffes präzise durch das Servoventil 154 in Übereinstimmung mit dem Führungsdruck, der durch das Magnetventil 152 eingestellt wird, gesteuert.
In gleicher Weise regelt das Servoventil in dem Synchronisationsflüssigkeitskanal 150 den Fluß der Synchronisationsflüssigkeit (Kraftstoff) in den Synchronisationsflüssigkeitskanalabschnitt 172, so daß der Druck der Synchronisationsflüssigkeit, der wie schematisch mit 170 dargestellt zu den Einspritzdüsen geführt wird, gleich dem Führungsdruck ist, der durch das Magnetventil 158 eingestellt wird. Wie vorher schon diskutiert worden ist, wird dieser Druck in Reaktion auf die Ausgangssignale einer Vielzahl von Motorbetriebsbedingungen eingestellt, mit denen eine elektronische Steuerungseinheit (nicht dargestellt) versorgt wird, die für den Antrieb des Führungsventils 158 zur Einstellung des Führungsdruckes in Übereinstimmung mit den vorliegenden Motorbedingungen programmiert ist. Bei einer Änderung dieser Bedingungen wird eine sich entsprechend ändernde Information an die elektronische Steuerungseinheit gegeben, so daß ein entsprechendes Ausgangssignal für die Neueinstellung des Führungsventils und somit einer Änderung des Führungsdruckes wie erforderlich erzeugt werden kann. Die Steuerung des Druckes der Synchronisationsflüssigkeit ist deshalb infinitesimal variabel als Reaktion auf die Motorbetriebsbedingungen einstellbar. So kann der Druck der Synchronisationsflüssigkeit infinitesimal in Reaktion auf die Motortemperatur, die Emissionswerte, den Kraftstoffdruck und jegliche andere Betriebsbedingungen varriert werden, so daß die Flüssigkeit, die aktuell in die Einspritzdüse gelangt, den notwendigen Druck aufweist, um eine hydraulische Verbindung mit einer für die Einstellung der Synchronisation des einzuspritzenden Kraftstoffes notwendigen Länge zu erzeugen und aufrechtzuerhalten. Weil die Motorbetriebsbedingungen ständig während des Betriebes des Motors aufgezeichnet werden, wird von der elektronischen Steuerungseinheit die für die Bestimmung des richtigen Druckes der Synchronisationsflüssigkeit notwendige Information ständig verarbeitet, und die Signale werden ständig zu dem Führungsventil für eine entsprechend notwendige Änderung des Führungsdruckes geleitet.
Wie im Vorangegangenen bereits erwähnt worden ist, kann die Führungsventil/Servoventilanordnung sowohl in einem offenen als auch in einem geschlossenen Kreislauf eines Kraftstoff- und Synchronisationsflüssigkeitsversorgungssystem verwendet werden. Wird jedoch eine Anordnung mit einem offenen Kreislauf verwendet, erfordert die Verwendung eines pulsweitenmodulierten, magnetischen Ventils als Führungsventil eine genauere Steuerung als bei der Verwendung eines solchen Ventils in einer Anordnung mit einem geschlossenen Kreislauf. Die Verwendung der führungsventil/Servoventilanorndung weist zusätzliche Vorteile auf. Die Elektronik für Standardbenzinmotoren kann bei einem Dieselmotor verwendet werden, indem Standardventile für Benzineinspritzdüsen als Führungsventile anstelle von Magnetventilen wie in Fig. 7 dargestellt verwendet werden. Weil die dafür notwendige Elektronik relativ kostengering ist, erreicht die Verwendung einer Führungsventil/Servoventilanordnung für die Steuerung der Drücke des Kraftstoffes und der Synchronisationsflüssigkeit in einem Hochleistungsmotor die notwendige Steuerungspräzision mit niedrigeren Kosten als andere, für solche Motoren zur Verfügung stehende Systeme.
Fig. 8 zeigt noch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kraftstoff- und Synchronisationsflüssigkeitsversorgungssystems, das mit Hochdruckeinspritzdüsen verwendet werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel pumpt eine Zahnradpumpe 180 den Kraftstoff aus einem Reservoir 182 durch einen Kanal 184 hinter einem Überdruckventil 199 in einen zentralen Kanal eines Ventilelementes 186 einer Ventilanordnung 187. Die Zahnradpumpe 180 versorgt den Hohlraum 189 der Ventilanordnung 187 außerdem mit Kraftstoff von stromaufwärts des Überdruckventils 199 durch einen Durchgang 185. Eine Öffnung 185' ermöglicht eine Druckerniedrigung in dem Durchgang 185 gegenüber dem Kanal 184. Die Ventilanordnung 187 funktioniert in der gleichen Weise wie der Mengenteiler 115, der in Verbindung mit der Fig. 6 oben diskutiert worden ist. Eine Feder 188 kann optional in der Ventilanordnung 187 eingefügt sein, um das Ventilelement 186 in einer Position vorzuspannen, in der der Kraftstoffflußin einem Kraftstoffkanal 190 blockiert ist, die aber gleichzeitig den Fluß von Synchronisationsflüssigkeit in einen Synchronisationsflüssigkeitskanal 192 erlaubt. Ist die Feder 188 weggelassen, hängt es von den relativen Drücken an den gegenüberliegenden Enden des Ventilelementes 187 ab, ob der Kraftstoffkanal 190 oder der Synchronisationsflüssigkeitskanal 192 als erstes offen ist. Ein elektronisch angetriebenes Kraftstoffregelventil 194, das durch das Ausgangsssignal einer elektronischen Steuerungseinheit (nicht dargestellt) gesteuert wird, welche im Zusammenhang mit den anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden ist, regelt den Kraftstoffdruck in dem Hohlraum 189, der im wesentlichen der Gleiche wie in dem Kraftstoffkanal 190 ist. Der Druck des Kraftstoffes in dem Kanal 190, mit dem eine Vielzahl von Einspritzdüsen, schematisch dargestellt mit 196, versorgt werden, wird durch das Regelventil 194 in Reaktion auf verschiedene Motorbetriebsbedingungen gesteuert.
Das Ventil 187 drosselt sowohl den Kraftstoffkanal 190 als auch den Synchronisationsflüssigkeitskanal 192 entsprechend der relativen Druckanforderungen in jeder Leitung. Ist die Druckanforderung im Kanal 190 größer als die Druckanforderung im Kanal 192, drosselt das Ventil 187 den Kanal 192. Umgekehrt wird der Kanal 190 durch das Ventil 187 gedrosselt, wenn die Druckanforderung in dem Kanal 192 größer als die Druckanforderung in dem Kanal 190 ist. Des weiteren übersteigt der Druck in dem Kanal 184 niemals die maximale Druckanforderung entweder des Kanals 190 oder des Kanals 192 um mehr als den Druck, der durch das Überdruckventil 199 eingestellt ist und der typischerweise ein niedriger Druck ist, weil nur die Kraft der Feder 188 überwunden werden muß, wenn der Druck in beiden Kanälen 190 und 192 sehr gering ist.
Ein elektronisch gesteuertes Synchronisationsregelventil 198 ist in der Nähe des Synchronisationsflüssigkeitskanals 192 angeordnet. Dieses Synchronisationsregelventil 198 leitet den für die Synchronisationsflüssigkeit verwendeten Kraftstoff durch einen abgezweigten Kraftstoffkanal 197 um, der mit dem Synchronisationsflüssigkeitskanal 192 verbunden ist, und regelt auf diese Weise den Druck der Synchronisationsflüssigkeit in dem Kanal 192 in Reaktion auf das Ausgangssignal der elektronischen Steuerungseinheit (nicht dargestellt). Wie bei der Beschreibung der vorangegangenen Ausführungsbeispiele bereits diskutiert worden ist, empfängt die elektronische Steuerungseinheit Informationen, die auf die Motorbetriebsbedingungen bezogen sind, die einen Einfluß auf die Synchronisation der Kraftstoffeinspritzung besitzen. Ein entsprechendes Steuerungssignal wird dann an das Ventil 198 abgegeben, um eine notwendige Einstellung des Synchronisationsflüssigkeitsflusses in dem Kanal 196 durchzuführen, damit der Druck der Synchronisationsflüssigkeit eine hydraulische Verbindung erzeugt, die eine Länge aufweist, die eine Synchronisation entsprechend der Motorbedingungen ermöglicht. Aus der Fig. 8 kann man ersehen, daß der Kraftstoffflußin den Synchronisationskanal 192 im wesentlichen durch das Synchronisationsregelventil 198 gesteuert wird.
Fig. 9 stellt in schematischer Weise ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kraftstoffversorgungssystems dar, das die Kraftstoff- und Synchronisationsflüssigkeitsanforderungen einer in Fig. 1 dargestellten Hochdruckeinspritzdüse erfüllt. In diesem Ausführungsbeispiel pumpt eine Zahnradpumpe 200 den Kraftstoff durch einen Versorgungskanal 201 von einem Reservoir 202 durch einen Kanal 204 zu einem Ventil 206, das vorzugsweise als Magnetventil ausgeführt ist. Ein Überdruckventil 235 verhindert Beschädigungen an der Pumpe 200, wenn das Ventil 206 geschlossen ist, und regelt ebenfalls den maximalen Druck, der in den Durchgängen 214 und 226 vorliegt. Von dem Ventil 206 wird der Kraftstoff zu einer Kraftstoffversorgungsleitung 208 geleitet. Das Abschaltventil 206 kann so eingestellt werden, daß es den Kraftstoffluß in den Kraftstoffversorgungsdurchgang 208 unterbricht, wenn es notwendig ist. Andernfalls führt der Kraftstoffversorgungsdurchgang 208 den Kraftstoff zu einem Paar von elektronisch gesteuerten Rotationsantrieben 210 und 212, die vorzugsweise als Schrittmotoren ausgestaltet sind.
Einer der Rotationsantriebe 210 ist in dem Kraftstoffkanal 214 angeordnet, der eine Vielzahl von Einspritzdüsen 216 mit dem einzuspritzenden Kraftstoff versorgt, von denen nur zwei in der fig. 9 dargestellt sind. Der Rotationsantrieb 210, zuständig für die Kraftstoffversorgung, enthält eine drehbare Drosselwelle 218, die in Richtung des Pfeiles 220 rotiert, um den Kraftstofffluß durch ein Kraftstoffdrosselventil 222 zu regulieren. Ein Druckaufnehmer 224 ist in der Kraftstoffleitung 214 in kurzem Abstand in Flußrichtung hinter dem Drosselventil 222 angeordnet. Der Druckaufnehmer 224 mißt den Kraftstoffdruck in dem Kraftstoffkanal 214, und diese Information wird an eine elektronische Steuerungseinheit (nicht dargestellt) weitergegeben, wie es weiter oben diskutiert worden ist. Die elektronische Steuerungseinheit verarbeitet diese Information zusammen mit verschiedenen weiteren Motorbetriebsbedingungen, so daß die Bewegung der Drosselwelle entsprechend der Anforderung eingestellt werden kann, um den Druck des Kraftstoffes, der durch den Kraftstoffkanal 214 zu den Kraftstoffeinspritzdüsen 216 fließt, zu verändern.
Der zweite Antrieb 212 arbeitet in ähnlicher Weise, um den Druck des Kraftstoffes, mit dem der Synchronisationskanal 226 versorgt wird, einzustellen. Eine Drosselwelle 228 rotiert in Richtung des Pfeiles 230, um den Kraftstofffluß von dem Kraftstoffversorgungskanal 208 durch das Drosselventil 232 in den Synchronisationskanal 226 zu steuern. Ein Druckaufnehmer 234 versorgt die elektronische Steuerungseinheit (nicht dargestellt) mit Druckmessungen des Kraftstoffes in dem Synchronisationskanal 226, wobei wiederum die elektronische Steuerungseinheit den Synchronisationsantrieb 212 regelt. Dadurch wird die Menge und gleichzeitig auch der Druck der Synchronisationsflüssigkeit gesteuert, mit der die Kraftstoffeinspritzdüsen 216 versorgt werden. Eine Ablaufleitung 236 ist zwischen jedem der Kraftstoffeinspritzdüsen 216 und dem Reservoir 202 angeordnet.
Im Gegensatz zu den bisher zur Verfügung stehenden Kraftstoffversorgungs- und Steuerungssystemen müssen die Komponenten des in Rede stehenden Kraftstoffversorgungs- und Steuerungssystem nicht notwendigerweise zusammen in einer Einheit angeordnet sein, sondern sie können separat angeordnet sein. Zum Beispiel kann die Zahnradpumpe auf dem hinteren Teil des Zylinderkopfes befestigt sein, wo sie direkt durch eine oben liegende Nockenwelle angetrieben werden kann, und Antriebe und Druckregler können auf der Seite des Zylinderkopfes angeordnet sein. Diese Anordnung eliminiert die Anforderung an jegliche zu dem Motorkopf externe Kraftstoffabdichtung. Die einzigen Kraftstoffabdichtungen, die für die verschiedenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung benötigt werden, sind für die Ansaugleitung zu der Zahnradpumpe und für die Ablaufleitung zurück zu dem Kraftstofftank notwendig. Die übrigen Leitungen werden durch Bohrungen in dem Zylinderkopf und in der Zahnradpumpe gebildet. Die Fig. 10, 11 und 12 zeigen eine mögliche Befestigungsanordnung des vorliegenden Kraftstoffversorgungs- und Steuerungssystem bei einem Zweizylindermotor. Obgleich nur die Befestigung für einen Zweizylindermotor und somit für einen Motor mit zwei Kraftstoffeinspritzdüsen im Detail gezeigt und beschrieben wird, kann eine ähnliche Befestigungsanordnung für einen Motor mit vier, sechs oder mehr Zylindern angewendet werden. Weist der Motor mehr als zwei Zylinder auf, benötigt dieses System jedoch weiterhin nur zwei Rotationsantriebe, einen für die Steuerung des Kraftstoffdruckes und einen für die Steuerung des Druckes der Synchronisationsflüssigkeit.
Fig. 10 zeigt in einer Ansicht von oben einen Motorzylinderkopf 240. Die Zahnradpumpe 200 und das Ventil 206 können an einem Ende 242 des Zylinderkopfes 240 angeordnet sein. Der Kraftstoffversorgungskanal enthält ein Überdruckventil, das mit gestrichelten Linien in der fig. 10 dargestellt ist, führt den Kraftstoff von der Zahnradpumpe 200 zu dem Absperrventil 206 und wird durch interne Bohrungen in dem Motorkopf gebildet. In gleicher Weise wird der Kraftstoffversorgungsdurchgang 208, der den Kraftstoff zu den durch Rotationsantriebe angetriebenen Ventilen 222 und 223 führt, durch Bohrungen in dem Motorkopf gebildet, um eine flüssigkeitsverbindung zwischen dem Absperrventil 206 und den durch Rotationsantriebe angetriebenen Ventilen 222 und 232 herzustellen. Eine Ablaufleitung 244 ist in dem Kopf gebildet, um den Kraftstoff von jedem der Ventile abzuführen. Die Richtung des Kraftstoffflusses ist in dieser und den weiteren verbleibenden Figuren durch Pfeile dargestellt.
Fig. 11 zeigt den Zylinderkopf aus Fig. 10 in einer Seitenansicht. Der Kraftstoffkanal 214 erstreckt sich von dem Drosselventil, das durch den Rotationsantrieb 210 angetrieben wird, bis zu einer Kraftstofföffnung 252 für eine der Einspritzdüsen und zur Kraftstofföffnung 254 für eine zweite Einspritzdüse. Der Synchronisationskanal 226 und die Ablaufleitung 236 von den Einspritzdüsen, sämtlich mit gestrichelten Linien in Fig. 11 dargestellt, werden durch Bohrungen im Inneren des Zylinderkopfes gebildet. Die Synchronisationsflüssigkeit wird zum Kanal 226 mit Hilfe des durch den Rotationsantrieb 212 angetriebenen Drosselventils und einem vertikalen Kanal 246 geführt. Synchronisationsflüssigkeitsöffnungen 248 und 250 erleichtern die Flüssigkeitsverbindung zwischen dem Synchronisationskanal 226 und den entsprechenden Bohrungen der Kraftstoffeinspritzdüse (Fig. 12). Die Kraftstofföffnungen 252 und 254 erleichtern in ähnlicher Weise die Flüssigkeitsverbindung zwischen dem Kraftstoffkanal 214 und den entsprechenden Bohrungen in der Einspritzdüse. Die Ablaufleitung 236 für den austretenden Kraftstoff wird zu der Kraftstoffquelle durch Leitungen zurückgeführt, die nicht in dieser Figur dargestellt sind.
Fig. 12 zeigt in einem Querschnitt entlang der Linie 12-12 in Fig. 11 das Ende des Zylinderkopfes 256, das gegenüber dem Ende 242 des Zylinderkopfes liegt, an der die Zahnradpumpe 200 angeordnet ist. Eine einzige Bohrung 258 der Kraftstoffeinspritzdüse und ihre entsprechenden Kraftstoff- und Synchronisationsflüssigkeitsverbindungen werden dargestellt. Eine im wesentlichen identische Bohrung wird für jede Einspritzdüse angeordnet. Aus Fig. 12 folgt, daß der Rotationsantrieb 210 und das Drosselventil 222 angrenzend an die Bohrung 258 der Einspritzdüse angeordnet sind. Der andere Rotationsantrieb 212 ist ebenfalls angrenzend an eine Zylinderbohrung angeordnet (nicht dargestellt). Dieses ist hier der fall, weil der Motor nur zwei Einspritzdüsen besitzt. Wird das vorliegende System in einem Motor mit mehr als zwei Einspritzdüsen installiert, können die beiden notwendigen Schrittmotoren und Drosselventile angrenzend an eine der Bohrungen der Einspritzdüse oder in jeder anderen passenden Stelle auf dem Zylinderkopf strömungsaufwärts von den Bohrungen der Einspritzdüse angeordnet werden.

Claims

1. Elektronisch gesteuertes Kraftstoffversorgungssystem zur Versorgung einer Mehrzahl von in in einem Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors ausgebildeten Bohrungen angeordneten Kraftstoffeinspritzdüsen (119; 94) mit Kraftstoff und Synchronisationsflüssigkeit mit:

a) einer Pumpe (102; 70), die an einem Ende des Zylinderkopfes für die Zuführung des Kraftstoffes zu einem Kraftstoffversorgungskanal (103) angeordnet ist,

b) einem elektronisch gesteuerten Kraftstoffdruckregler (110-116), der strömungsmechanisch zwischen dem Flüssigkeitsversorgungskanal (103) und einer Kraftstoffschiene (118) für die Versorgung einer Vielzahl von Einspritzdüsen (119; 94) mit druckmoduliertem Kraftstoff für die Steuerung der durch die Einspritzdüsen (119; 94) einzuspritzenden Kraftstoffmenge angeordnet ist, wobei die Kraftstoffschiene (118) strömungsmechanisch mit jeder der Bohrungen verbunden ist,

c) einem elektronisch gesteuerten Synchronisationsflüssigkeitsregler (122-130), der strömungsmechanisch zwischen dem Kraftstoffversorgungskanal (103) und einem Synchronisationskanal (132) für die Versorgung der Vielzahl von Einspritzdüsen (119; 94) mit druckmodulierter Synchronisationsflüssigkeit für die Steuerung der die Einspritzdüsen (119; 94) versorgenden Menge an Synchronisationsflüssigkeit angeordnet ist, wobei der Synchronisationskanal (132) strömungsmechanisch mit jeder der Bohrungen verbunden ist,

d) einer elektronischen Steuerungseinheit (104; 86), die Informationen einer Vielzahl von Motorbetriebsbedingungen empfängt und verarbeitet, wobei die elektronische Steuerungseinheit (104; 86) den Kraftstoffdruckregler (110- 116) mit Signalen beaufschlagt, um den Kraftstoffdruckregler (110-116) zu bestätigen und demgemäß die Einspritzdüse zum Einspritzen einer variierenden, von den Motorbedingungen abhängigen Kraftstoffmenge während jedes Einspritzzyklus zu veranlassen, und wobei die elektronische Steuerungseinheit (104; 86) den Synchronisationsflüssigkeitsregler (122-130) mit Signalen beaufschlagt, um den Druck der Synchronisationsflüssigkeit in dem Synchronisationskanal (132) für die Zuteilung der Synchronisationsflüssigkeit auf die Einspritzdüsen (119; 94) zum Aufbau der hydraulischen Verbindung mit einer Länge einzustellen, die den Einspritzzeitpunkt während jedes Einpritzzyklus in Abhängigkeit von den Motorbedingungen variabel einstellt,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Kraftstoffversorgungskanal (103), die Kraftstoffeinspritzschiene (118) und der Synchronisationskanal (132) durch Bohrungen in dem Zylinderkopf ausgebildet sind.

2. Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoffdruckregler in einem ersten Flüssigkeitskanal (80) zwischen der Pumpe (70) und den Einspritzdüsen (94) angeordnet ist, daß der Synchronisationsflüssigkeitsdruckregler in einem zweiten Flüssigkeitskanal (78) getrennt von dem ersten Flüssigkeitskanal (80) angeordnet ist und daß der zweite Flüssigkeitskanal (78) strömungsmechanisch mit der Pumpe (70), dem ersten Flüssigkeitskanal (80) und den Einspritzdüsen (94) verbunden ist.

3. Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoffdruckregler einen Druckaufnehmer (84) für die Messung des Kraftstoffdruckes in dem ersten Kanal (80) und für die Übermittlung der Kraftstoffdruckmessung an die elektronische Steuerungseinheit (86) und ein Drosselventil (76) für die Modulation des Kraftstoffflusses durch den ersten Kanal (80) zur Einstellung des Druckes in Reaktion auf ein Ausgangssignal der elektronischen Steuerungseinheit (86) enthält und daß der Synchronisationsflüssigkeitsdruckregler einen Druckaufnehmer (82) für die Messung des Synchronisationsflüssigkeitsdruckes in dem zweiten Kanal (78) und für die Übermittlung der Synchronisationsflüssigkeitsdruckmessung an die elektronische Steuerungseinheit (86) und ein Drosselventil (74) für die Modulation des Synchronisationsflüssigkeitsflusses durch den zweiten Kanal (78) enthält.

4. Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckspeicher (92) in dem zweiten Kanal (78) zwischen dem Synchronisationsflüssigkeitsdruckregler (110-116) und den Einspritzdüsen (94) für die Aufnahme von überschüssiger Synchronisationsflüssigkeit angeordnet ist.

5. Kraftstoffversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoffdruckregler (110-116) und der Synchronisationsflüssigkeitsdruckregler (122-130) je eine federbelastete, elektronisch betriebene Anordnung aufweist, wobei der Druck jeder Feder (114; 126) durch Antriebsmittel (116; 130) in Reaktion auf ein den Motorbetriebsbedingungen entsprechendes Signal von der elektronischen Steuerungseinheit (104) einstellbar ist, und einen Mengenteiler (115) enthält, durch den die Drücke des Kraftstoffes und der Synchronisationsflüssigkeit relativ zu der entsprechenden Druckanforderung regelbar sind.

6. Kraftstoffversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoffdruckregler ein erstes Führungsventil (152) für die Einstellung eines ersten Führungsdruckes in dem Kraftstoff in Reaktion auf ein die Motorbetriebsbedingungen anzeigendes Signal von der elektronischen Steuerungseinheit und ein erstes Servoventil (154) für die Einstellung eines zu dem ersten Führungsdruck gleichen Kraftstoffdruckes in dem Kraftstoffkanal (148) enthält und daß der Synchronisationsflüssigkeitsdruckregler ein zweites Führungsventil (158) für die Einstellung eines zweiten Führungsdruckes in dem Kraftstoff in Reaktion auf ein die Motorbetriebsbedingungen anzeigendes Signal von der elektronischen Steuerungseinheit und ein zweites Servoventil (160) für die Einstellung eines zu dem zweiten Führungsdruck gleichen Synchronisationsflüssigkeitsdruckes in dem Synchronisationsflüssigkeitskanal (150) enthält.

7. Kraftstoffversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoffflüssigkeitsdruckregler ein Führungsventil für die Einstellung eines Führungsdruckes in dem Kraftstoff in Reaktion auf ein die Motorbetriebsbedingungen anzeigendes Signal von der elektronischen Steuerungseinheit und ein Servoventil für die Einstellung eines zu dem führungsdruck gleichen Druckes in der Kraftstoffflüssigkeit dem Synchronisationsflüssigkeitskanal und der Einspritzdüse enthält.

8. Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ventil strömungsmechanisch zwischen dem Kraftstoffdruckregler und den Einspritzdüsen für eine weitere Modulation des Kraftstoffdruckes und des Synchronisationsflüssigkeitsdruckes angeordnet ist.

9. Kraftstoffversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Absperrventil (206) an der gleichen Seite des Zylinderkopfes wie die Pumpe (200) befestigt und strömungsmechanisch mit der Pumpe (200) und mit dem Kraftstoffkanal (208) für ein Absperren des Kraftstoffflusses in den Kraftstoffkanal (214) und in den Synchronisationskanal (226) verbunden ist.

10. Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoffdruckregler und der Synchronisationsflüssigkeitsdruckregler je ein durch einen Rotationsantrieb (210; 212) angetriebenes Drosselventil (222; 232) enthalten.