DE3512443C2 - Kraftstoffeinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, mit einer Einspritzdüse, einer Einspritzpumpe und einem Steuerventil, welches den Arbeitsraum der Einspritzpumpe unter Verwendung eines Magnetventils mit einer Niederdruckseite verbindet.

Aus der DE-A1-32 47 788 ist ein Kraftstoffeinspritzsystem für Mehrzylinderbrennkraftmaschinen bekannt, mit einer Einspritzpumpe, einer Einspritzdüse und mit einem Steuerventil, welches den Einspritzvorgang dadurch steuert, daß der Kraftstoff im Pumpenarbeitsraum in einen Niederdruckraum unter Verwendung eines Magnetventils abgesteuert wird.

Bei weiteren Kraftstoffeinspritzsystemen für Brennkraftmaschinen kann das Steuerventil beispielsweise durch ein elektromagnetisches Betätigungsorgan in die Schließposition bewegt werden. In diesem Fall muß das Steuerventil durch eine Feder in die offene Position gedrängt werden. Die von dieser Feder ausgeübte Kraft muß vom elektromagnetischen Betätigungsorgan beim Schließen des Steuerventils überwunden werden, obgleich bei der Bewegung des Steuerventils in die Schließposition der Flüssigkeitsdruck eine zunehmende Kraft auf den Kopf des Steuerventils ausübt, die vorgesehen ist, das Steuerventil zu schließen. Alternativ dazu kann das Steuerventil durch das elektromagnetische Betätigungsorgan, wenn dieses aktiviert ist, in der offenen Position gehalten werden, um das Schließen des Steuerventils zu ermöglichen. Dies wird dadurch erreicht, daß der Flüssigkeitsdruck auf den Kopf des Steuerventils wirkt, wobei diese Bewegung durch die Feder unterstützt werden kann. Der Hub des elektromagnetischen Betätigungsorgans muß dem des Steuerventils entsprechen, das in der offenen Position dem Flüssigkeitsdruck von der ersten zu der zweiten Kammer keinen nennenswerten Widerstand entgegenstellen darf. Das elektromagnetische Betätigungsorgan kann daher sehr komplex sein und beträchtliche elektrische Leistung für seine Betätigung beanspruchen. Darüber hinaus ist es möglich, das Steuerventil mittels anderer Betätigungsorgane, wie beispielsweise eines durch Flüssigkeitsdruck arbeitenden Kolbenelements oder sogar mittels einer mechanischen Vorrichtung zu bewegen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, mit denen der Kraftaufwand der bekannten Magnetventile beim Steuern des Einspritzvorganges verringert werden soll.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in dem Ventilgehäuse des Steuerventils ein Stufenkolben angeordnet ist, welcher in einer Bohrung zwischen zwei Endlagen verschiebbar ist, wobei in der ersten Endlage des Stufenkolbens in der Bohrung zwei Steuerkammern voneinander getrennt und in der zweiten Endlage die beiden Steuerkammern miteinander verbunden sind, und wobei die erste Steuerkammer von der Stirnfläche des Stufenkolbens mit dem größeren Durchmesser begrenzt und mit dem Pumpenarbeitsraum verbunden ist und die zweite Steuerkammer dem Abschnitt des Stufenkolbens mit dem kleineren Durchmesser zuordnet und mit der Kraftstoff-Niederdruckseite verbunden ist, mit einer Verbindungsleitung zwischen den beiden Kammern, in der das Magnetventil sowie zwischen diesem und der ersten Steuerkammer eine gedrosselte Entlastungsbohrung zur Niederdruckseite angeordnet ist, und mit einer Ventilsitzfläche in der ersten Kammer, an der die Stirnfläche des Stufenkolbens in dessen zweiter Endlage anliegt und in welcher das eine Ende der Verbindungsleitung mündet, wobei in der geschlossenen Stellung des Magnetventils der Stufenkolben mittels einer Feder in die zweite Endlage verschoben und der Kraftstoff aus dem Pumpenarbeitsraum zur Niederdruckseite geleitet sowie in der geöffneten Stellung des Magnetventils der Stufenkolben infolge der am Stufenkolben angreifenden Druckkräfte in die erste Endlage verschoben und der Kraftstoff eingespritzt wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten. Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung werden nachstehend mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In diesen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Beispiel des Steuerventils in Verbindung mit einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine;

Fig. 2 das Steuerventil gemäß Fig. 1 in seiner alternativen Position;

Fig. 3 + 4 alternative Ausführungsformen des Steuerventils;

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform des Steuerventils; und

Fig. 6 eine Modifikation des in Fig. 5 gezeigten Steuerventils.

Gemäß Fig. 1 der Zeichnung enthält die Kraftstoffpumpe einen Kolben 10, welcher sich in einer Bohrung 11 auf und nieder bewegt. Der Kolben und die Bohrung begrenzen einen Pumpenarbeitsraum 12, welcher mit einer Kraftstoffeinspritzdüse 13 verbunden ist, die derart angeordnet ist, daß sie während des Betriebes Kraftstoff in eine Verbrennungskammer eines zugehörigen Motors leitet. Der Kolben 10 hat einen festgelegten Hub und wird von einer Nocke, die von einem zugehörigen Motor angetrieben wird, einwärts bewegt, um die Kraftstoffmenge im Pumpenarbeitsraum 12 zu reduzieren. Er kann durch eine Spiraldruckfeder auswärts bewegt werden, oder es kann eine weitere Nockenanordnung vorgesehen sein, um diese Bewegung zu bewirken. Wenn der Kolben 10 sich der äußeren Position seines Hubes nähert, legt er einen Durchlaß 14 frei, der in die Wand der Bohrung 11 eingeschnitten und mit einer Quelle 15 für unter Druck stehenden Kraftstoff verbunden ist. Sobald der Durchlaß 14 frei liegt, fließt Kraftstoff aus der Quelle 15 in den Pumpenarbeitsraum 12, um diesen vollkommen mit Kraftstoff zu füllen.

Um die Menge des Kraftstoffes, der zu der Kraftstoffeinspritzdüse 13 gefördert wird, zu steuern, ist ein Kraftstoffsteuerventil 16 vorgesehen. Dieses Steuerventil 16 ermöglicht es, bis es geschlossen ist, daß aus dem Pumpenarbeitsraum 12 verdrängter Kraftstoff zu einem Abfluß statt zu der Kraftstoffeinspritzdüse 13 fließt. An einem Punkt während der Einwärtsbewegung des Kolbens 10 und nachdem der Durchlaß 14 geschlossen wurde, wird das Steuerventil 16 geschlossen, worauf Kraftstoff zur Kraftstoffeinspritzdüse 13 gefördert wird, so lange sich der Kolben 10 einwärts bewegt.

Das Steuerventil 16 enthält einen Stufenkolben 17, der gleitbar in einer Bohrung 18 untergebracht ist, an deren einem Ende ein Ventilsitz 19 angeformt ist. Neben dem Ventilsitz 19 befindet sich eine erste Steuerkammer 20, die über eine Leitung mit dem Pumpenarbeitsraum 12 verbunden ist. Der Stufenkolben 17 ist mit einem Ventilkopf 22 versehen, der so geformt ist, daß er mit dem Ventilsitz 19 zusammenwirkt und auch eine Endfläche hat, die sich gegen eine Stirnwand 21 legen kann. Die Stirnwand 21 erstreckt sich parallel zur Stirnfläche des Stufenkolbens 17. Die Stirnwand 21 und die Stirnfläche des Stufenkolbens 17 bilden einen Zwischenraum 23, dessen Fläche so gewählt ist, daß während des Betriebes, wie noch erläutert wird, der Ventilkopf 22 in Kontakt mit der Stirnwand 21 bleibt, wenn der Druck im Zwischenraum gleich dem Ablaufdruck ist.

Der Stufenkolben 17 hat unterhalb des Ventilkopfes 22 einen reduzierten Durchmesser, um zusammen mit der Wand der Bohrung 18 eine zweite Steuerkammer 24 zu bilden, die über ein federbelastetes Rückschlagventil 25 mit einem Abfluß verbunden ist. Der Stufenkolben 17 hat eine leichte Vorspannung durch eine Spiraldruckfeder 26, so daß die Stirnfläche des Stufenkolbens 17 gegen die Stirnwand 21 stößt. Dies ist die völlig offene Position des Stufenkolbens 17. Alternativ kann die Bohrung 18 einen verbreiterten Abschnitt unterhalb des Ventilsitzes 19 haben. Dieser verbreiterte Abschnitt begrenzt mit dem Stufenkolben 17 die oben genannte zweite Steuerkammer 24.

In der vollständig offenen Position des Steuerkolbens 17 ist der Zwischenraum 23 über ein Absperrventil mit einem Abfluß über eine Drosselstelle 23 verbunden, so daß in den Zwischenraum 23 ein niedrigerer Druck als in der Steuerkammer 20 herrscht. Um den Druck im Zwischenraum 23 auf den der Steuerkammer 20 zu erhöhen, ist ein Magnetventil 29 vorgesehen, welches, wenn es geöffnet ist, eine Stelle zwischen der Drosselstelle 28 und dem Absperrventil 27 in Verbindung mit der zweiten Steuerkammer 24 bringt.

Es sei jetzt die Arbeitsweise der Kraftstoffeinspritzvorrichtung beschrieben unter der Annahme, daß der Kolben 10 der Einspritzpumpe sich aufwärts bewegt und der Durchlaß 14 geschlossen ist. In dieser Situation und mit den in Fig. 1 gezeigten Teilen fließt von der Pumpenkammer 12 kommender Kraftstoff in die erste Steuerkammer 20 und dann von der ersten Steuerkammer 20 in die zweite Steuerkammer 24 und zu dem Abfluß über das Rückschlagventil 25. Das Rückschlagventil 25 gewährleistet, daß der Kraftstoff in der zweiten Steuerkammer 24 unter Druck gesetzt wird. Wenn nun das Magnetventil 29 geöffnet wird, fließt Kraftstoff zu einer Stelle zwischen der Drosselstelle 28 und dem Absperrventil 27, wobei der Druck im Zwischenraum 23 ansteigt. In dieser Situation sind die auf den Stufenkolben 17 wirkenden Kräfte von der Art, daß dieser beginnt, sich in seine Schließposition zu bewegen. Es ist verständlich, daß, sobald die Stirnfläche des Ventilkopfes 22 des Stufenkolbens 17 die Stirnwand 21 verläßt, der Kraftstoffdruck in der ersten Steuerkammer 20 auf die volle Stirnfläche des Ventilkopfes 22 des Stufenkolbens 17 wirkt und der Stufenkolben 17 schnell in die Schließposition bewegt wird, in welcher der Ventilkopf 22 am Ventilsitz 19 anliegt. Der Druck in der Steuerkammer steigt daher sehr schnell bis auf den Druck an, der erforderlich ist, um die Einspritzdüse 13 zu öffnen, und sobald dies geschieht, wird Kraftstoff an den zugehörigen Motor geliefert. Das Absperrventil 27 bewegt sich infolge des angestiegenen Druckes in der Steuerkammer 20 in die Schließposition, um das Entweichen von Kraftstoff aus der Pumpenkammer durch die Drosselstelle 28 zu verhindern.

Fig. 2 zeigt die Situation, wenn sich der Stufenkolben 17 in Kontakt mit dem Ventilsitz 19 bewegt hat, und es ist zu erkennen, daß das Rückschlagventil 25 geschlossen und das Absperrventil 27 in Sperrstellung ist. Der Stufenkolben 17 bleibt in dieser Position, bis er unter der Wirkung der Feder 26 zurückgeführt wird, wenn der Kraftstoffdruck in der Pumpenkammer 12 fällt. Dies geschieht, sobald der Pumpenkolben 10 das Ende seines Hubes erreicht und seinen Rückkehrhub beginnt. Der Druck in der Steuerkammer 20 fällt und das Absperrventil 27 bewegt sich aus seiner Sperrposition. Etwas Kraftstoff fließt über das Absperrventil 27 und die Drosselstelle 28 in die Pumpenkammer 12, aber die Hauptmenge des Kraftstoffes fließt durch den Durchlaß 14 in die Pumpenkammer 12, wenn dieser vom Kolben 10 freigegeben wird. Während der Rückkehrbewegung des Kolbens 10 wird das Magnetventil 29 geschlossen und ist bereit für den nächsten Zyklus.

In einer (nicht gezeigten) Ausführungsform ist das Rückschlagventil 25 weggelassen und die zweite Steuerkammer 24 z. B. mit der Kraftstoffquelle 15 verbunden. In diesem Falle wird daher der Überlaufkraftstoff zu der Quelle 15 zurückgeführt und außerdem kann Kraftstoff über die zweite und erste Steuerkamme 24 bzw. 20 in die Pumpenkammer 12 fließen, sobald der Stufenkolben 17 sich in die offene Position bewegt hat. Das Ableiten von Kraftstoff zur Niederdruckseite kann jedoch unerwünschte Schwankungen des Druckes des von der Kraftstoffquelle 15 gelieferten Kraftstoffes verursachen, und deshalb kann ein Rückschlagventil 25A in die Verbindung von der zweiten Steuerkammer 24 zu der Kraftstoffquelle 15 eingebaut sein, wobei der Überlaufkraftstoff nicht zu der Kraftstoffquelle 15 zurückgeführt wird. In diesem Falle ist es jedoch notwendig, das Rückschlagventil 25 vorzusehen, um zu ermöglichen, daß während der anfänglichen Einwärtsbewegung des Kolbens 10 der Kraftstoff von der Pumpenkammer 12 abgeleitet wird.

Das Magnetventil kann sehr klein sein, da der Kraftstofffluß außerordentlich gering sein wird. Es kann mittels einer Feder in die Schließposition gedrängt werden, und somit wird die zugehörige Magnetspule erregt, wenn es erforderlich ist, das Magnetventil zu öffnen, oder das Magnetventil kann so beschaffen sein, daß die Magnetspule erregt werden muß, um das Magnetventil zu schließen.

Das Absperrventil 27 kann weggelassen werden, wenn die Bewegung des Stufenkolbens 17 benutzt wird, um den Kraftstofffluß durch die Drosselstelle 28 zu verhindern. Diese Anordnung ist in Fig. 3 gezeigt, wobei der Zwischenraum 23 über eine in den Stufenkolben 17 eingeschnittene Leitung 30 mit dem Magnetventil 29 verbunden ist. Die Leitung 30 ist mit einer auf den Umfang des Stufenkolbens 17 eingeschnittenen Nut 31 verbunden. Diese Nut 31 kommt in der vollständig offenen Position des Stufenkolbens 17 in Übereinstimmung mit einem Durchlaß 32, der mit der Drosselstelle 28 verbunden ist. In diesem Fall beginnt daher, sobald das Magnetventil geöffnet ist und Kraftstoff unter Druck aus der zweiten Steuerkammer 24 in den Zwischenraum 23 fließt, der Stufenkolben 17 sich zu bewegen und schneidet sofort die Verbindung zwischen der Nut 31 und dem Durchlaß 32 ab. Er wirkt daher auf die gleiche Weise wie das Absperrventil 27.

Eine weitere Ausführungsform ist in Fig. 4 zu sehen. In diesem Fall steht die erste Steuerkammer 20 über eine in den Ventilkopf 22 eingeschnittene Drosselstelle 33 mit dem Zwischenraum 23 in Verbindung. Das Magnetventil, das den Druck im Zwischenraum 23 steuert, ist mit 34 bezeichnet, und in der offenen Position des Stufenkolbens 17 ist das Magnetventil 34 nach einem Abfluß offen, so daß der Druck im Zwischenraum 23 im wesentlichen der Abflußdruck ist. Wenn das Magnetventil 34 geschlossen ist, wird der Druck in der ersten Steuerkammer 20 über die Drosselstelle 33 in den Zwischenraum 23 übertragen, und in dieser Situation ist der Stufenkolben 17 nicht ausgeglichen und bewegt sich schnell in seine Schließposition. Das Magnetventil 34 ist von der Art, daß es erregt werden muß, um zu schließen, und es muß natürlich in der Lage sein, dem Kraftstoffdruck in der Pumpenkammer 12 zu widerstehen, wenn der Stufenkolben 17 geschlossen ist.

Die Fläche des Zwischenraumes 23 kann gleich groß oder kleiner sein als die Fläche, die vom Ventilsitz 19 umschlossen wird. Bei der Bestimmung dieser Fläche muß der verfügbare Kraftstoffdruck, der auf den Zwischenraum 23 übertragen wird, die wirksame Fläche des Stufenkolbens 17 und die Kraft, die von der Feder 23 ausgeübt wird, berücksichtigt werden.

Bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform kann die erste Steuerkammer 20 über ein Magnetventil 35 mit dem Zwischenraum 23 verbunden sein. Das Magnetventil 35 enthält eine längliche Kammer 36, an deren gegenüberliegenden Enden Ventilsitze angeformt sind. Der Ventilsitz an dem einen Ende umschließt einen Durchlaß, der mit der Steuerkammer 20 verbunden ist, und der Ventilsitz am anderen Ende begrenzt einen Durchlaß zu einem Abfluß. Das Ende der Kammer 36, das dem Durchlaß benachbart ist, welcher mit der ersten Steuerkammer 20 verbunden ist, ist mit dem Zwischenraum 23 verbunden. In der Kammer 36 befindet sich gleitbar ein Ventilelement 37, welches zweckmäßigerweise kegelstumpfförmige Endabschnitte hat, die sich an die oben genannten Ventilsitze anlegen können. Das Ventilelement 37 ist zweckmäßigerweise aus magnetisierbarem Material und bildet den Anker einer Magnetspule. Ein begrenzter Freiraum besteht zwischen den Wänden des Ventilelements 37 und der Kammer 37, welche den Zwischenraum 23 mit dem Abfluß verbindet, wenn sich das Ventilelement 37 in der gezeigten Position befindet. Wenn die Magnetspule entmagnetisiert ist, bewegt sich das Ventilelement 37 zum anderen Ende der Kammer 36 und dadurch wird der Zwischenraum 23 in Verbindung mit der ersten Steuerkammer 20 gebracht, und das Entweichen von Kraftstoff unter hohem Druck zum Ablauf wird verhindert. Der Stufenkolben ist dann wie beschrieben geschlossen.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 6 funktioniert das Ventil 38 in der gleichen Weise wie das Ventil 35. Diese Konstruktion verwendet jedoch ein scheiben- oder tellerförmiges Ventilelement 39, das in einer Kammer 40 angeordnet ist. An gegenüberliegenden Wänden der Kammer 450 sind ringförmige Sitze 41 und 42 angeformt, die Durchlässe umschließen, welche sich in die Kammer 40 öffnen.

Gleitbar innerhalb des von dem Sitz 42 eingefaßten Durchlasses befindet sich ein Betätigungselement 43, welches den Anker einer Magnetspule bilden kann, in jedem Fall aber mit dem Anker verbunden ist. Das Betätigungselement 43 ist mit einer axialen Bohrung versehen, welche sich über eine Drosselstelle 44 zum Sitz 42 öffnet. Die axiale Bohrung ist mit eine Abfluß verbunden, und der vom Sitz 41 eingefaßte Durchlaß ist mit der ersten Steuerkammer 20 und die Kammer 40 mit dem Zwischenraum 23 verbunden. Das Ventilelement 39 ist mit in den Umfang eingeschnittenen Öffnungen versehen, so daß in der gezeigten Position der Zwischenraum 23 über eine Drosselstelle 44 mit dem Abfluß verbunden ist. Wenn die Magnetspule entmagnetisiert ist, wird das Ventilelement 39 durch den Kraftstoffdruck in Kontakt mit dem Sitz 42 bewegt, wodurch der Zwischenraum 23 in Verbindung mit der ersten Steuerkammer 20 gebracht und verhindert wird, daß Kraftstoff zu dem Abfluß fließt. Die Bohrung in dem Betätigungselement und die Drosselstelle 44 können durch einen Freiraum zwischen dem Betätigungselement 43 und der Wand der Bohrung, in welcher es angeordnet ist, ersetzt werden.

Claims (6)

1. Kraftstoffeinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, mit einer Einspritzdüse, einer Einspritzpumpe und einem Steuerventil, welches den Arbeitsraum der Einspritzpumpe unter Verwendung eines Magnetventils mit einer Niederdruckseite verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Ventilgehäuse des Steuerventils (16) ein Stufenkolben (17) angeordnet ist, welcher in einer Bohrung (18) zwischen zwei Endlagen verschiebbar ist, wobei in der ersten Endlage des Stufenkolbens (17) in der Bohrung (18) zwei Steuerkammern (20; 24) voneinander getrennt und in der zweiten Endlage die beiden Steuerkammern (20; 24) miteinander verbunden sind, und wobei die erste Steuerkammer (20) von der Stirnfläche (23) des Stufenkolbens (17) mit dem größeren Durchmesser begrenzt und mit dem Pumpenarbeitsraum (12) verbunden ist und die zweite Steuerkammer (24) dem Abschnitt des Stufenkolbens (17) mit dem kleineren Durchmesser zugeordnet und mit der Kraftstoffniederdruckseite verbunden ist, mit einer Verbindungsleitung zwischen den beiden Kammern (20; 24), in der das Magnetventil (29; 34; 35; 38) sowie zwischen diesem und der ersten Steuerkammer (20) eine gedrosselte Entlastungsbohrung (28; 33; 44) zur Niederdruckseite angeordnet ist, und mit einer Ventilsitzfläche (21; 23) in der ersten Steuerkammer (20), an der die Stirnfläche (21) des Stufenkolbens (17) in dessen zweitere Endlage anliegt und in welcher das eine Ende der Verbindungsleitung mündet, wobei in der geschlossenen Stellung des Magnetventils (29) der Stufenkolben (17) mittels einer Feder (26) in die zweite Endlage verschoben und der Kraftstoff aus dem Pumpenarbeitsraum (12) zur Niederdruckseite geleitet sowie in der geöffneten Stellung es Magnetventils (29) der Stufenkolben (17) infolge der am Stufenkolben (17) angreifenden Druckkräfte in die erste Endlage verschoben und der Kraftstoff eingespritzt wird.

2. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindungsleitung zwischen der ersten Steuerkammer (20) und dem Magnetventil (29; 34; 35; 38) ein Rückschlagventil (27) vorgesehen ist, welches eine Strömung aus der ersten Steuerkammer (20) zur Niederdruckseite verhindert.

3. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Öffnung (32) in der Wand der Bohrung (18) und eine Nut (31) am Außenumfang des Stufenkolbens (17) vorgesehen sind, wobei die Öffnung (32) mit der Drosselstelle (28) und die Nut (31) mit dem Zwischenraum (23) verbunden ist.

4. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetventil (38) ein gleitbar innerhalb einer Steuerkammer (40) angeordnetes scheiben- bzw. tellerförmiges Ventilelement (39) ist, das mit einem Betätigungselement (43) des Magnetventils (38) in Wirkverbindung steht.

5. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetventil (38) eine Drosselstelle (44) aufweist, durch die die Steuerkammer (40) mit der ersten Steuerkammer (20) in Verbindung steht.

6. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselstelle (33) im Ventilkopf (22) des Stufenkolbens (17) eingebracht ist.