Kraftstoffeinspritzvorrichtung

Abstract

 Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit einer Kraftstoffzuführungsleitung, einem mechanischen ersten Pumpenelement und einer Kraftstoffeinspritzdüse, wobei zwischen dem mechanischen Pumpenelement und der Kraftstoffeinspritzdüse ein elektronisch gesteuertes Steuerventil angeordnet ist und zwischen dem Steuerventil und der Einspritzdüse ein zweites Pumpenelement angeordnet ist, das über eine zweite Kraftstoffzuführungsleitung mit einem Kraftstoffvorrat verbunden ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

[0002] Kraftstoffeinspritzvorrichtungen werden z. B. für Dieselmotoren sowohl in Stationäranlagen als auch im Schiffsbereich verwendet. Dabei sind diese Kraftstoffeinspritzvorrichtungen mit einem Kraftstoffvorrat verbunden und führen Einspritzdüsen eine genau bemessene Menge an Kraftstoff unter Druck zu.

[0003] Bekannt sind Einspritzkolbenpumpen, die beispielsweise über die Nockenwelle eines Motors angetrieben werden und bei denen eine Mengensteuerung beispielsweise über eine Steuerkante erfolgt. Bei diesen konventionellen Pumpenelementen erfolgt eine Drehung des Pumpenkolbens mit der daran angeordneten Steuerkante über ein Regelgestänge, und diese Art der Steuerung hat sich als sehr robust erwiesen.

[0004] Es sind auch elektronische Steuerungen für die Einspritzmengen von Einspritzpumpen bekannt, die den Vorteil haben, daß sie insbesondere beim Förderbeginn der Einspritzpumpe eine besonders angepaßte Mengensteuerung vornehmen können und den herkömmlichen mechanischen Einspritzpumpen in diesem Aspekt überlegen sind; nachteilhaft bei diesen elektronischen Einspritzpumpensystemen ist, daß die Gefahr besteht, daß sie z. B. bei einem Zusammenbruch des elektronischen Systems nicht mehr funktionsfähig sind. Ein Stillstand des Motors bei einem Versagen der Kraftstoffeinspritzpumpe kann sich äußerst ungünstig auswirken, beispielsweise bei Schiffen, die bei ausgefallenem Schiffsmotor in Seenot geraten können. Somit werden aufgrund der strengen Sicherheitsvorschriften elektronische Kraftstoffmengensteuerungen für Schiffsantriebe häufig nicht zugelassen.

[0005] Aus der gattungsbildenden DE-OS 39 16 516 ist eine Einspritzpumpe für Brennmaschinen bekannt, die ein Pumpenelement aufweist, das sowohl mechanisch als auch über ein elektronisch regelbares Steuerventil regelbar ist, um zum einen die Vorteile der fein dosierbaren elektronischen Ansteuerung zu ermöglichen, als auch in Notfällen, d. h. beim Ausfall des elektronischen Systems, über eine robuste mechanische Regelung zu verfügen.

[0006] Nachteilhaft bei dieser Einspritzpumpe ist, daß bei einem Ausfall der elektronischen Regelung der Kolben des Pumpenelementes von einer Betriebstellung in eine Notstellung gedreht werden muß, wobei die mechanische Regelung ausschließlich in dieser Notstellung funktioniert. Beim Übergang von der Normalstellung zur Notstellung ist eine Regelung der Einspritzpumpe nicht möglich, und es kann passieren, daß die Verstellung der Kolbenpositionierung in einem Notfall nicht funktioniert, da z. B. der Kolben-Verstellmechanismus klemmt bzw. sich festgesetzt hat, da er lange Zeit nicht betätigt wurde.

[0007] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Kraftstoffeinspritzsystem für Motoren zu schaffen, das eine elektronische Regelung und eine mechanische Steuerung erlaubt, wobei das mechanische System dem elektronischen Steuerungssystem übergeordnet ist, so daß z. B. bei Ausfall des elektronischen Systems der Übergang von der elektronischen zur mechanischen Steuerung stufenlos, d. h. unmittelbar, erfolgt, ohne daß zusätzliche Maßnahmen bzw.Vorrichtungen erforderlich sind.

[0008] Diese der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die Lehre des kennzeichnenden Teiles des Hauptanspruches gelöst.

[0009] Mit anderen Worten ausgedrückt wird eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung vorgeschlagen, das im Normalfall eine elektronische Steuerung der Kraftstoffzuleitung an die Kraftstoffeinspritzdüse ermöglicht, wobei dem elektronischen Steuerungssystem jedoch stets ein mechanisches Steuerungssystem übergeordnet ist und daher bei einem Ausfall der elektronischen Steuerung ohne jegliche Verzögerung die eigentliche Steuerung der Kraftstoffeinspritzmengen vornimmt.

[0010] Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen erläutert.

[0011] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend in der Zeichnung dargestellt, in der eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung dargestellt ist. Diese Kraftstoffeinspritzvorrichtung besteht im wesentlichen aus einem ersten Kolben 1, einem zweiten Kolben 2, wobei der erste und zweite Kolben 1 und 2 bewegbar in einem Zylinder 3 bzw. 3A angeordnet sind.

[0012] Dem ersten Kolben 1 ist ein erster Kraftstoffeinlaß 4 zugeordnet und dem zweiten Kolben 2 ist ein zweiter Kraftstoffeinlaß 5 zugeordnet; bei dem Flüssigkeitseinlaß 4 kann es sich um eine Zuleitung handeln, über die z. B. Kraftstoff dem Arbeitsraum des Zylinders 3 zugeführt wird. Es kann jedoch auch eine andere Flüssigkeit dem Arbeitsraum des Zylinders 3 zugeführt werden, wobei diese Flüssigkeit vorteilhafterweise bessere Schmiereigenschaften und hydraulische Eigenschaften hat als die bekannten Kraftstoffe. Durch die Verwendung einer entsprechenden Flüssigkeit, die mit besseren Schmiereigenschaften und hydraulischen Eigenschaften ausgestattet ist, wird die mechanische Belastung des Kolbens 1, des Zylinders 3 und von Steuerkanten 11 des Kolbens 1 reduziert, insbesondere die Kavitation an der Steuerkante 11. Dadurch wird die Einsatzfähigkeit und Lebensdauer dieser Bauteile verlängert. Im nachfolgenden Text wird lediglich im Sinne eines Ausführungsbeispieles von einem Kraftstoffeinlaß 4 ausgegangen, wobei jedoch im Sinne des oben gesagten auch andere Flüssigkeiten über die Zuleitung 4 dem Arbeitsraum des Zylinders 4 zugeführt werden können. Beide Kraftstoffeinlässe 4, 5 sind mit Rückschlagventilen 23, 24 ausgestattet, die ein Zurückfließen des Kraftstoffes verhindern. Der erste und zweite Kraftstoffeinlaß 4, 5 sind mit einem entsprechenden Kraftstoffvorrat verbunden. Von dem Zylinder 3A führt eine Kraftstoffleitung 6 zu einer Einspritzdüse 7.

[0013] Die Steuerung des Kolbens 1 erfolgt über einen Nocken 8, der auf einer Nockenwelle 9 angeordnet ist, wobei der Hub des Nockens 8 beispielsweise über eine in der Zeichnung lediglich schematisch dargestellte Stößelstange 10 übertragen wird.

[0014] Am ersten Kolben 1 ist eine Steuerkante 11 ausgebildet, die für die Regelung der Kraftstoffmenge verwendet wird, und der Kolben 1 mitsamt der Steuerkante 11 wird über ein schematisch dargestelltes Regelgestänge 12 bewegt, um dadurch eine Steuerung der Kraftstoffördermenge zu ermöglichen.

[0015] Der erste Kolben 1 hat einen durch das Bezugszeichen 14 gekennzeichneten Hub und der Auslaß der durch den ersten Kolben 1 beaufschlagten Kraftstoffmenge wird durch ein Steuerventil 15 vorgenommen. Das Steuerventil 15 wird elektronisch gesteuert, wobei das Öffnen bzw. das Schließen des Steuerventiles 15 von einem Computer bzw. Mikrorechner 21 geregelt wird, d. h. der Computer ermittelt den Zeitpunkt, an den das Steuerventil 15 geöffnet bzw. wieder geschlossen werden kann. Durch diese elektronische Ansteuerung des Steuerventiles 15 wird eine optimale Regelung der Kraftstoffzuleitung zu der Einspritzdüse 7 ermöglicht. Zwischen dem Zylinder 3 und dem Steuerventil 15 ist ein Rückschlagventil 20 angeordnet, damit Kraftstoff im unteren Bereich des Zylinders 3 nur über den 1. Kraftstoffeinlaß 4 zugeführt werden kann. Stromabwärts vom Steuerventil 15 ist ein Überströmventil 22 angeordnet, damit der Zufuhrdruck über dem Kolben 1 gewährleistet ist.

[0016] Stromabwärts des ersten Kolbens 1, d. h. in Richtung der Einspritzdüse 7, ist der zweite Kolben 2 angeordnet, der einen mit Bezugszeichen 16 angezeigten Hub ausführt. Wie bereits oben erwähnt, ist oberhalb des zweiten Kolbens 2 ein zweiter Kraftstoffeinlaß 5 vorgesehen, wobei der sich im oberen Totpunkt befindliche zweite Kolben 2 durch eine Feder 17 wieder in seine Ausgangsstellung heruntergedrückt wird.

[0017] Da die Zeichnung lediglich ein Ausführungsbeispiel zeigt, kann auch der zweite Kolben 2 an anderer Stelle angeordnet sein als es aus der Zeichnung hervorgeht, beispielsweise ist es möglich, den zweiten Kolben 2 mit einem entsprechenden Zylinder in der Einspritzdüse 7 anzuordnen oder in der Kraftstoffleitung 6. Es ist auch möglich, den Druckaufbau in der Kraftstoffleitung 6, und damit die Fördermenge, zeitlich zu beeinflussen durch spezielle Bauformen des Kolbens 2.

[0018] Im Normalbetrieb ist die Funktionsweise der dargestellten Kraftstoffeinspritzvorrichtung wie folgt:

[0019] In der in der Zeichnung dargestellten Position befindet sich sowohl der erste Kolben 1 als auch der zweite Kolben 2 auf dem unteren Totpunkt. Das Steuerventil 15 ist geöffnet. Wenn sich die Nockenwelle 9, der durch den Pfeil 18 angedeuteten Richtung dreht, wird über die Stößelstange 10 der Kolben 1 nach oben bewegt und Kraftstoff, der sich oberhalb des ersten Kolbens 1 befindet, wird über das geöffnete Steuerventil 15 abgeführt. Der Kolben 2 befindet sich weiterhin an seinem unteren Totpunkt.

[0020] Wenn durch den Nocken 8 der Kolben 1 weiter angehoben wird, schließt sich das Steuerventil 15 schlagartig, die dem ersten Kolben 1 zugeführte Kraftstoffmenge bewirkt bei einem weiteren Anheben des Kolbens 1, daß sich der Kolben 2 nach oben hin bewegt und damit eine bestimmte Fördermenge der Kraftstoffleitung 6 zugeführt wird. Während sich der Kolben 2 nach oben bewegt, ist das Rückschlagventil 23 des Kraftstoffeinlasses 5 bzw. der Zuführleitung gesperrt. Durch das weitere Anheben des zweiten Kolbens 2 wird der dem zweiten Kolben 2 zugeführte Kraftstoff durch die Kraftstoffleitung 6 der Einspritzdüse 7 zugeleitet, die den Kraftstoff in die Brennstoffkammer des Motors einspritzt.

[0021] Bei einer weiteren Bewegung der Nockenwelle 9 öffnet sich das Steuerventil 15 schlagartig und die im Bereich des ersten Kolbens 1 befindliche Kraftstoffmenge wird über das Steuerventil 15 abgeführt. Aufgrund des fehlenden Druckes an der Unterseite des zweiten Kolbens 2 kann sich der zweite Kolben 2 nicht weiter nach oben hin bewegen, auch aufgrund des Gegendruckes an der sekundären Kolbenseite des zweiten Kolbens 2. Daher wird nach Öffnen des Steuerventiles 15 kein Brennstoff mehr der Einspritzdüse 7 zugeleitet. Der erste Kolben 1 bewegt sich wieder entsprechend der Ausformung des Nockens 8 nach unten und die Fördermenge für den Bereich des ersten Kolbens 1 wird über das geöffnete Einlaßventil 4 zugeführt. Der Hubraum des ersten und zweiten Kolbens wird mit frischem Kraftstoff gefüllt, bis der zuvor beschriebene Anfangszustand wieder erreicht ist.

[0022] Der Druck im Kraftstoffzufuhrsystem 4, 5 ist relativ gering. Der Druck, bei dem sich das Überströmventil 22 öffnet, ist etwas höher als der Kraftstoffzufuhrdruck, jedoch wesentlich geringer als der vom Kolben 1 erzeugbare Druck.

[0023] Bei dem dargestellten Betriebszustand befindet sich das Regelgestänge 12 stets auf der Stellung maximaler Leistung, es sei denn, daß aufgrund einer drohenden Überdrehzahl oder einer sogenannten "Back-up"-Betriebssituation das Regelgestänge auf eine geringere Leistung eingestellt wird. Das Regelgestänge 12 wird von einem Fremddrehzahlregler und/oder einem Maximalregler eingestellt.

[0024] Sollte bei dem oben dargestellten Betrieb der Kraftstofeinspritzvorrichtung das elektronische System ausfallen, würde das Steuerventil 15 nicht mehr ordnungsgemäß arbeiten. Bei einer herkömmlichen elektronisch geregelten Kraftstoffeinspritzvorrichtung wäre eine Kraftstoffeinspritzung nicht mehr gewährleistet und aufgrund dessen käme es zu einem Stillstand des Motors, was beispielsweise bei einem Schiffsantrieb zu einem gefährlichen Stillstand, z. B. auf hoher See des angetriebenen Schiffes führen würde.

[0025] Bei der aufgezeigten Kraftstoffeinspritzvorrichtung würde bei einem Fortfall der Elektronik das Steuerventil 15, das ein Magnetventil sein kann, automatisch schließen und wäre auch im weiteren Verlauf der unterschiedlichen Betriebszustände geschlossen. In diesem Zustand würde sich oberhalb des sich bewegenden Kolbens 1 eine Kraftstoffsäule bilden, die bei einem Hin- und Herbewegen des ersten Kolbens 1 eine entsprechende Anhebung des Kolbens 2 verursachen würde. Wenn sich der Kolben 2 an seinem oberen Totpunkt befindet, wird der Kolben 2 aufgrund der Feder 17 wieder nach unten gedrückt und bei einem erneuten Anheben des ersten Kolbens 1 und der darüber befindlichen Kraftstoffmenge wird zwangsweise der beweglich gelagerte Kolben 2 wieder angehoben. In den Hubraum oberhalb des Kolbens 2 wird nach wie vor über den zweiten Kraftstoffeinlaß Kraftstoff zugeführt, der dann über die Düse 7 in den Brennraum des Motors gespritzt wird.

[0026] Mit anderen Worten ausgedrückt wird mit dem vorgeschlagenen System auch dann ein Einspritzen von Kraftstoff ermöglicht, auch wenn die Elektronik nicht funktionsfähig ist. Bei einem Ausfall der Elektronik wird das Einspritzen des Kraftstoffes lediglich durch die mechanisch gesteuerte Einspritzkolbenpumpe durchgeführt und gesteuert. Wenn jedoch das elektronische System funktionsfähig ist, wird durch die Ansteuerung des Steuerventiles 15 durch einen Mikrorechner der Förderbeginn und die Fördermengen der Einspritzvorrichtung gesteuert, je nach Motor und Betriebsbedingungen, und aufgrund dieser rechnergesteuerten Kontrolle der Kraftstoffeinspritzzeiten und -mengen werden besonders günstige Verbrauchswerte des Antriebsmotors erreicht.

[0027] Da der für die mechanische Steuerung vorgesehene Kolben stets mitläuft, auch wenn die Steuerung elektronisch über das Steuerventil 15 erfolgt, sind stets beide Betriebssysteme in Betrieb, d. h. wenn die elektronische Steuerung ausfallen sollte, so wäre eine unmittelbare ausschließliche mechanische Steuerung der Einspritzmenge möglich, so daß nahtlos von einer auf die andere Steuerungsart umgeschwenkt werden kann, wobei ein Zeitverlust zwischen dem einen Betriebsmodus und dem anderen nicht vorkommt und komplizierte Vorrichtungen für die Umschaltung von einem Modus zu dem anderen nicht notwendig sind.

[0028] Ein Vorteil der vorgeschlagenen Erfindung ist, daß eine relativ einfache und kostengünstige Nachrüstung von konventionellen Systemen auf das vorgeschlagene System möglich ist, da an baulichen Veränderungen im wesentlichen nur die Hizufügung des zweiten Kolbens 2 sowie die Hinzufügung des Steuerventiles 15 erforderlich ist. Es ist nicht notwendig, aufwendige Vorrichtungen anzuordnen, um den Kolben von einer Betriebsstellung in die andere Betriebsstellung zu verdrehen und es ist nicht notwendig, den Kolbenzylinder des ersten Pumpenelementes gegen entsprechend neuartig ausgebildete Bauteile auszutauschen.

[0029] Ein weiterer Vorteil des vorgeschlagenen System ist, daß bei der Verwendung einer Flüssigkeit mit guten Schmiereigenschaften der Kolben 1 mitsamt der Steuerkante 11 vor aggressiven und abrassivem Kraftstoff geschützt ist und somit eine längere Lebensdauer hat als die bekannten Einspritzpumpen.

[0030] Ein weiterer Vorteil der vorgeschlagenen Erfindung ist, daß das beschriebene Prinzip ebenfalls verwendet werden kann zur Feinregelung bei der Steuerung der Ein- und Auslaßventile des Motors, um Abgaswerte und Leistung positiv beeinflussen zu können. Dabei kann anstatt Kraftstoff, eine Flüssigkeit zur Betätigung eines Ventiles über die vorgeschlagene Vorrichtung gefördert werden, wobei auch in diesem Fall die mechanische Stellung des Kolbens 1 mittels der Steuerkante dem elektronisch geregelten Zustand übergeordnet ist. Es versteht sich jedoch, daß im normalen Betriebszustand die Steuerung elektronisch geregelt wird. Bei dieser elektronischen Steuerung kann der gleiche oder ein zusätzlicher Rechner bzw. Rechenelement verwendet werden, wie für die eingangs beschriebene Einspritzvorrichtung. Für die Betätigung eines Ventiles ist es ebenfalls möglich, einen Stößel direkt vom Kolben 2 betätigen bzw. bedienen zu lassen, um die Bewegung des Kolbens 2 auf das Ventil zu übertragen. Es versteht sich, daß bei der Verwendung der vorgeschlagenen Einrichtung zur Steuerung der Ventilbewegung die Steuerkante 11 des Kolbens 1 in ihrer Ausbildung den speziellen Ansprüchen für die Ventilsteuerung entspricht.

Ansprüche

1. Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit einer Kraftstoffzuführungsleitung und einer Einspritzdüse, wobei stromaufwärts der Einspritzdüse ein erstes Pumpenelement mit einem Kolben angeordnet ist, das über eine Flüssigkeitszuführungsleitung und eine Flüssigkeitsableitung verfügt, wobei der Flüssigkeitsdurchsatz über ein elektronisch geregeltes Steuerventil steuerbar ist, und wobei bei einem Ausfall der elektronischen Steuerung das erste Pumpenelement über eine mechanische Steuerung regelbar ist, gekennzeichnet durch ein zweites Pumpenelement, das zwischen dem ersten Pumpenelement und der Kraftstoffeinspritzdüse (7) angeordnet ist, wobei ein Kolben (2) des zweiten Pumpenelementes hydraulisch über das von dem Kolben (1) des ersten Pumpenelementes beaufschlagte Flüssigkeitsvolumen angetrieben ist und wobei das zweite Pumpenelement über eine in den Arbeitsraum des Kolbens (2) mündende Kraftstoffzuführungsleitung und eine zur Einspritzdüse abgehende Kraftstoffleitung (6) verfügt.

2. Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anordnung des elektronischen Steuerventiles (15) an einer abgehenden Leitung des ersten Pumpenelementes.

3. Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Pumpenelement unmittelbar hintereinander angeordnet sind.

4. Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Pumpenelement an der Kraftstoffeinspritzdüse (7) angeordnet ist.

5. Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (15) zur Ansteuerung desselben mit einem Rechner verbunden ist.

6. Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das zweite Pumpenelement, das über eine Verbindungsleitung mit einem Ein- bzw. Auslaßventil des Motors verbunden ist zugunsten einer Steuerung des Ein- bzw. Auslaßventiles.

7. Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das zweite Pumpenelement, das über eine mechanische Verbindung mit einem Ein- bzw. Auslaßventil eines Motors verbunden ist zugunsten einer Steuerung des Ein- bzw. Auslaßventiles.

8. Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das erste Pumpenelement, dessen Kolben (1) mit einer Steuerkante (11) für die mechanische Kraftstoffmengenregelung ausgestattet ist.

Zeichnung