DE2509068C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für die Hochdruckeinspritzung in eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es beispielsweise aus der DE-OS 15 76 478 als bekannt hervorgeht.

Bekanntlich haben Dieselmotoren im Vergleich zu Ottomo­ toren zumindest im Teillastbereich einen relativ harten Gang, der davon herrührt, daß eine während der Zündver­ zugszeit in den Zylinderbrennraum eingespritzte Kraftstoff­ menge nach Zündbeginn fast gleichzeitig verbrennt. Dieses fast gleichzeitige Verbrennen rührt daher, daß durch den Druck- und Temperaturanstieg bei der Verbrennung der wäh­ rend der Zündverzugszeit zuerst eingebrachten Kraftstoff­ teilchen der Verzug bis zum Verbrennungsbeginn der später eingebrachten Kraftstoffteilchen sehr stark verkürzt ist.

Man hat daher versucht, den Verbrennungsablauf dadurch zu beeinflussen, daß man zunächst nur einen kleineren Teil der Einspritzmenge (Voreinspritzung) und etwas später de­ ren Hauptteil einspritzt (Haupteinspritzung), so daß die Einspritzmenge etwa entsprechend dem Einspritzgesetz zeit­ lich gestaffelt zu brennen anfängt und sich dementspre­ chend ein etwas weicherer Gang des Motors ergibt. Hierbei war man vor allem bestrebt, die Voreinspritzung zeitlich abzusetzen.

Untersuchungen im Hinblick auf die Verbesserung der Mo­ torabgase haben jedoch gezeigt, daß eine Ursache für Schad­ stoffe in den Abgasen eine schlechte Kraftstoffvernebelung während des Einspritzvorganges ist. Man hat herausgefunden, daß während der Öffnungs- und Schließphasen des Einspritz­ ventiles eine Zerstäubung sehr stark behindert ist, weil der Durchflußwiderstand durch den Ventilsitzspalt zu Beginn bzw. am Ende des Ventilnadelhubs sehr groß ist im Vergleich zum Ventilsitzspalt bei voll geöffneter Ventilnadel; die für eine gute Zerstäubung erforderliche Druckdifferenz wird in diesen Anlauf- bzw. Auslaufphasen für das Über­ winden des Durchflußwiderstandes aufgebraucht, so daß ein guter Zerstäubungsstrahl während dieser Übergangszeiten nicht zustande kommt. Es ist demgemäß anzustreben, die Öffnungs- und Schließphasen möglichst rasch zu durchlaufen und die Anzahl dieser Phasen auf das unbedingte Minimum, nämlich auf zwei, d. h. nur einmal Öffnen und nur einmal Schließen zu reduzieren. Bei der gegen die Hauptein­ spritzung abgesetzten Voreinspritzung wird diese kritische Phase hingegen viermal durchlaufen, wie dies in nachteili­ ger Weise auch bei dem Einspritzventil nach der dem Oberbegriff zugrundeliegenden DE-OS 15 76 478 der Fall ist. Außerdem erfolgt bei diesem Einspritzventil aufgrund des wegen der Flächenübersetzung durch den Stufenkolben im Arbeitsraum des kleineren Kolbenteils höher übersetzten Einspritzdrucks für die Voreinspritzmenge die Einspritzung derselben mit größerer Strahlintensität und überdies ra­ scher als das bei einer Einspritzung mit dem von der Ein­ spritzpumpe unmittelbar erzeugten Einspritzdruck der Fall sein würde, wodurch in ebenfalls nachteiliger Weise die je Zeiteinheit während der Voreinspritzung eingespritzte Kraft­ stoffmenge wieder erhöht wird.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, bei einem Einspritzventil mit Verwendung eines Stufenkolbens für die Voreinspritzung die als nachteilig beschriebene zeitliche Absetzung der Voreinspritzung gegenüber der Hauptein­ spritzung zu vermeiden und außerdem die während der Vor­ einspritzung je Zeiteinheit eingespritzte Kraftstoffmenge wieder zu verringern.

Ausgehend von dem dem Oberbegriff zugrundeliegenden Kraft­ stoffeinspritzventil gemäß der DE-OS 15 76 478 wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Aufgrund der Drosselstelle in der vom ringförmigen Druck­ raum zum Druckspeicher führenden Abzweigleitung wird in dem ringförmigen Druckraum des im Durchmesser größeren Kolbenteils des Stufenkolbens ein ähnlicher Strömungswiderstand vorgetäuscht, wie er an der bzw. den Spritzöffnungen des Einspritzventiles selber vorhanden ist; aufgrund der mechanischen Ankoppelung des im Durch­ messer kleineren und des im Durchmesser größeren Kolben­ teils des Stufenkolbens kommt es zu einer echten Volumentei­ lung, die z.B. von Viskositätsänderungen des Kraftstoffs oder irgendwelchen last- oder drehzahlabhängigen Schwan­ kungen unabhängig ist. Auf diese Weise wird erreicht, daß der Einspritzdruck im Arbeitsraum des kleinen Kolbenteils des Stufenkolbens nicht mehr höher liegt als der jeweilige Einspritzpumpendruck, so daß ein Übergang von der Vor- zur Haupteinspritzung ohne zwischenzeitliches Absetzen und dadurch bedingtes zwischenzeitliches Schließen der Ventil­ nadel möglich ist. Außerdem wird wegen des nunmehr ge­ ringeren Einspritzdruckes im Arbeitsraum des kleinen Kol­ benteils während der Voreinspritzung letztere langsamer und somit über einen längeren Zeitraum eingespritzt. Zum raschen Wiederauffüllen des ringförmigen Druckraumes dient der Druckspeicher, aus dem in den Pausen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Einspritzvorgängen die beim Ein­ spritzen abgezweigte Kraftstoffmenge mit erhöhtem Druck­ gefälle durch die Drosselstelle wieder zurückgeschoben wird.

Aus der DE-OS 18 07 554 ist es zwar bekannt, den Übergang von der Vor- zur Haupteinspritzung ebenfalls ohne zwischen­ zeitliches Absetzen und dadurch bedingtes zwischenzeit­ liches Schließen der Ventilnadel erfolgen zu lassen. Hier wird dies jedoch durch den hin- und hergehenden und dabei gleichzeitig rotierenden Kolben einer Verteilereinspritz­ pumpe erreicht, der beim Druckhub Kraftstoff aus dem zuge­ hörigen Pumpenarbeitsraum gleichzeitig über eine Drossel­ bohrung in einen Druckspeicher abzweigt und der Einspritz­ düse zuführt, durch die er unmittelbar in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Die Vor- und Haupteinspritzung erfolgt somit hier auf eine gänzlich andere Art und Weise.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung lassen sich den Unteransprüchen entnehmen. So kann ein Druckspeicher z. B. nach Anspruch 2 ausgebildet sein. Diese Art des Druckspei­ chers wie sie auch aus der DEOS 18 07 554 bekannt ist, macht aber genau bearbeitete und eng aufeinander abgestimm­ te Teile erforderlich, die sich ungünstig auf die Ferti­ gungskosten des Einspritzventils auswirken können. Um die­ sen Fertigungsaufwand zu ersparen, kann der Druckspeicher auch gemäß Anspruch 3 gestaltet werden. Es wird bei dieser einfacheren Ausgestaltung des Druckspeichers die Elastizi­ tät der Kraftstofflüssigkeit ausgenützt, ähnlich wie bei dem Windkesselprinzip, jedoch ohne Luft- oder Gaspolster. Diese Flüssigkeitselastizität ist zwar - absolut gesehen - sehr klein (ungefähr 6,7 Promille je 100 bar); bei den hier in Frage kommenden Drücken und den je Arbeitsspiel zu handhabenden Mengen spielt die Eigenelastizität der Flüssig­ keit jedoch eine nicht vernachlässigbare Rolle, und zwar eine größere als die der Bauteilelastizitäten. Bezüglich der Bekanntheit der Ausnutzung der Eigenelastizität des Kraftstoffs im Zusammenhang mit der Kraftstoffspeicherung in einem Druckspeicher wird ebenfalls auf die DE-OS 18 07 554 verwiesen.

Bei den üblichen Hochdruckeinspritzventilen ist ein Auf­ nahmeraum für die Ventilnadel-Schließfeder sowie ein Lei­ tungsanschluß für diesen Raum vorgesehen; ferner weisen normalerweise die Einspritzpumpen für Dieselmotoren eine aus dem Kraftstoffvorratsbehälter ansaugende Vorförderpum­ pe zum raschen Auffüllen der Arbeitsräume der den eigent­ lichen Einspritzdruck aufbauenden Einspritzpumpe auf. Der oben erwähnte Aufnahmeraum kann gemäß Anspruch 4 für die Zwecke der Erfindung als Kraftstoffaufnahmekammer verwen­ det werden; dabei ist dann jedoch der Leitungsanschluß am Aufnahmeraum mit der Druckseite der Vorförderpumpe zu ver­ binden. Der Druck der Vorförderpumpe wird als ausreichend angesehen, um in den Zwischenpausen zwischen zwei Einspritz­ vorgängen das Ausweichvolumen durch die Drosselstelle hin­ durch in den ringförmigen Druckraum zwischen den beiden Kolbenteilen des Stufenkolbens zurückzufördern. Ein völli­ ger Abschluß des Aufnahmeraumes der Schließfeder ohne Ent­ lastungsleitung etwa im Sinne des oben erwähnten Druck­ speichers nach Anspruch 3 ist nicht zulässig, da sonst die Flüssigkeitselastizität in unkontrollierbarer Weise als zusätzliche Feder auf den Betätigungskolben der Ventilna­ del einwirken würde. Ein Auffüllen des genannten ringför­ migen Druckraumes kann dadurch beschleunigt und so einem Betrieb bei schneller Einspritzfolge Rechnung getragen werden, wenn gemäß Anspruch 5 hydraulisch parallel zu der Drosselstelle ein in Richtung zum Kraftstoffaufnahmeraum hin sperrendes Rückschlagventil angeordnet ist. Die Dros­ selstelle kann dabei gemäß Anspruch 6 mit dem Rückschlag­ ventil baulich vereinigt sein, was an sich z. B. aus der DE-PS 7 15 751 bekannt ist.

Damit die Kolbenteile des Stufenkolbens nach Beendigung des Einspritzvorganges in der Zwischenzeit bis zur näch­ sten Einspritzung wieder ihre Ausgangslage einnehmen und die Arbeits- bzw. Druckräume sich wieder auffüllen können, ist die Ausgestaltung nach Anspruch 7 oder die nach An­ spruch 8 vorgesehen. Im Zusammenhang mit den kolbeninte­ grierten Drosseln nach Anspruch 8 kann auf die GB-PS 10 94 660 verwiesen werden. Um die Voreinspritzmenge einstellen zu können, ist zweckmäßigerweise die Ausgestaltung nach Anspruch 9 vorgesehen.

Die Erfindung ist anhand dreier in den Zeichnungen darge­ stellter Ausführungsbeispiele im folgenden näher erläu­ tert; es zeigen:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Einspritzventil mit einem Druckspeicher, dessen Kraftstoffauf­ nahmekammer von einem durch eine Feder be­ aufschlagten Kolben begrenzt ist,

Fig. 2 ein anderes Ausführungsbeispiel eines Ein­ spritzventiles mit einem Druckspeicher, des­ sen Kraftstoffaufnahmekammer ein nach außen hin abgeschlossenes konstantes Volumen auf­ weist,

Fig. 3 einen Querschnitt durch das Einspritzventil nach Fig. 2 entlang der Linie III-III und

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Ein­ spritzventiles, wobei als Kraftstoffaufnahme­ raum des Druckspeichers der unter dem Förder­ druck der Vorförderpumpe für die Einspritz­ pumpe stehende Aufnahmeraum der Schließfeder für die Ventilnadel dient.

Die dargestellten Ausführungsbeispiele der Einspritzven­ tile sollen zunächst so weit beschrieben werden wie sie untereinander übereinstimmen. Ein Düsenkörper 1 mit Spritz­ öffnungen 2, die einen definierten Strömungswiderstand darstellen, ist mittels einer Überwurfmutter 3 dichtend an einen Düsenhalter 4 festgespannt. Im Düsenkörper ist in einer zentralen, genau gearbeiteten Bohrung axial gleitbar eine Ventilnadel 5 mit einer kolbenartigen Erweiterung 6 gelagert. An der Übergangsstelle von der Erweiterung 6 in den Nadelteil der Ventilnadel 5 weist der Düsenkörper eine ringförmige Druckkammer 7 auf, die den Druckraum für die Ventilnadel darstellt. Die Ventilnadel ist am äußersten Ende kegelig spitz ausgebildet und wird mit dieser Kegel­ fläche auf einen entsprechend ausgebildeten Ventilsitz 8 am Düsenkörper gedrückt, der in Strömungsrichtung vor den Spritzöffnungen 2 liegt. Die Druckkammer 7 der Ventilnadel erstreckt sich bis zum Ventilsitz.

Parallel neben der Erweiterung 6 der Ventilnadel ist in einer Stufenbohrung ein Stufenkolben mit einem im Durch­ messer größeren Kolbenteil 9 und einem im Durchmesser klei­ neren Kolbenteil 10 angeordnet, die zueinander gleichachsig angeordnet sind und aufgrund ihres gegenseitigen Aneinander­ stoßens zwangsläufig miteinander gekoppelt sind. Wie noch zu erläutern sein wird, ist während der Voreinspritzzeit allein der kleinere untere Kolbenteil 10 wirksam, während der obere größere Kolbenteil 9 nur während der Hauptspritz­ zeit wirksam ist. Die Kolbenteile werden in die dargestell­ te Ruhelage durch die Rückführfeder 11 bewegt. Diese Rück­ führfeder ist relativ schwach und dient lediglich der Rück­ bewegung der Kolbenteile 9 und 10 in die Ausgangslage wäh­ rend der Zeit zwischen zwei Einspritzvorgängen, nicht aber zu Steuerzwecken. Dies- und jenseits der Kolbenteile sind verschiedene Druck- bzw. Arbeitsräume vorhanden. Der größe­ re Kolbenteil 9 ist kraftstoffzulaufseitig von dem seitens der Einspritzpumpe 12 über die Einspritzleitung 13 und einem Ringkanal 14 herkommenden Einspritzdruck beaufschlag­ bar. Der oberhalb des größeren Kolbenteils 9 gelegene Druck­ raum 15 ist dessen zulaufseitiger Druckraum. Der unterhalb des größeren Kolbenteils 9 des Stufenkolbens gelegene und gleichzeitig den oberhalb des kleineren Kolbenteils 10 befindlichen Raum soll ringförmiger Druckraum 16 genannt werden. Unterhalb des kleineren Kolbenteils 10 des Stufenkolbens ist dessen ablaufseitiger Arbeitsraum 17 angeordnet.

Die obere Extremlage des größeren Kolbenteils 9 des Stu­ fenkolbens und damit auch des kleineren Kolbenteils 10 ist durch die Länge des sich am Grund des Ringkanales 14 ab­ stützenden in Form eines Zapfens am Ende des größeren Kol­ benteils ausgebildeten Anschlages 18 bestimmt, der durch Schleifen oder einen anderen Nacharbeitsgang auf die erfor­ derliche Länge gebracht werden kann. Die obere Steuerkante 9 a des größeren Kolbenteiles 9 ist mit einer definierten Form ausgeführt und aufgrund des beschriebenen zapfenförmi­ gen Anschlages 18 in der Ruhelage in einer definierten Lage angeordnet. Um den größeren Kolbenteil 9 herum ist - die zylindrische Führungsfläche dieses Kolbenteiles an­ schneidend - ein Ringraum 19 freigelegt. Die obere Begren­ zungskante 19 a des Ringraumes 19 bildet eine mit der oberen Steuerkante 9 a korrespondierende Steuerkante. Der eine Vorlaufstrecke darstellende Abstand A der Steuerkanten stellt - wie noch erläutert wird - die Hubstrecke des Stu­ fenkolbens für die Voreinspritzung dar.

Der ablaufseitige Arbeitsraum 17 des kleineren Kolbentei­ les 10 des Stufenkolbens steht über einem Kanal 20 ungehin­ dert mit der Druckkammer 7 der Ventilnadel 5 in Verbindung. Ferner steht auch der Ringraum 19 über einen Kanal 21 unge­ hindert mit der Druckkammer 7 in Verbindung. Nach Durchlau­ fen der Hubstrecke A ist, wenn aufgrund des Öffnens durch die beiden Steuerkanten 9 a und 19 a eine unmittelbare Verbindung zwischen dem zulaufseitigen Druckraum 15 und dem Ringraum 19 besteht, auch über den Kanal 21 und den Ringraum 19 eine ungehinderte Verbindung zwischen dem zu­ laufseitigen Druckraum 15 bzw. der Einspritzleitung 13 und der Druckkammer 7 hergestellt.

Die Ventilnadel 5 wird durch eine Schließfeder 22 in Schließ­ richtung vorgespannt, die in einem druckfesten, dicht abge­ schlossenen Aufnahmeraum 23 angeordnet ist. Da der Aufnahme­ raum mit Lecköl über die kolbenartige Erweiterung 6 der Ventilnadel beaufschlagt wird, und da während des Anhebens der Erweiterung 6 in Öffnungsrichtung auf deren Rückseite dieses Lecköl verdrängt wird, ist der Aufnahmeraum 23 über eine Leitung 24 hydraulisch entlastet. Normalerweise wird diese einer Entlastung dienenden Leitung - so auch in den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 und 2 - drucklos in den Kraftstoffvorratsbehälter 25 geführt.

Soweit die Ausführungsbeispiele bisher beschrieben wurden, stimmen sie miteinander überein. Hinsichtlich der folgen­ den Merkmale besteht eine Übereinstimmung lediglich im Prinzipiellen oder Funktionellen. Diese Übereinstimmung ist in dem Anschluß des ablaufseitig am größeren Kolben­ teil 9 des Stufenkolbens gelegenen ringförmigen Druckrau­ mes 16 über einen mit einer Drosselstelle versehenen Ab­ zweigkanal an die Kraftstoffaufnahmekammer eines Druck­ speichers zu sehen.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 weist der Druckspei­ cher 26 einen die Kraftstoffaufnahmekammer desselben be­ grenzenden, durch eine Feder 27 belasteten, in einer als Kolbengleitbahn ausgebildeten Bohrung 28 gleitbaren, aus­ weichbaren Kolben 29 auf. Die Feder 27 ist relativ weich und dient lediglich dem zeitgerechten Rücklauf, nicht aber Steuerzwecken. Die Kraftstoffaufnahmekammer 30 steht über einen Abzweigkanal 31, in dem eine Drosselstelle 32 ange­ ordnet ist, mit dem ringförmigen Druckraum 16 am Übergang des größeren Kolbenteiles 9 in den kleineren Kolbenteil 10 in Verbindung. Die Drosselstelle 32 ist hinsichtlich ihres Strömungswiderstandes so ausgebildet, daß sie in dieser Hinsicht gleichwirkend mit dem Strömungswiderstand der Spritzöffnungen 2 ist. Der rückwärtige, die Feder 27 auf­ nehmende Raum des Druckspeichers 26 ist in den Aufnahme­ raum 23 der Schließfeder 22 über die Leitung 33 und weiter über die Leitung 24 hydraulisch entlastet.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Einspritzventiles ist nun folgende: Es sei angenommen, daß aufgrund einer entsprechenden Stellung der Teile der Einspritzpumpe 12 in der Einspritzleitung sich gerade ein Druck für einen Ein­ spritzvorgang aufzubauen beginnt. Mit zunehmendem Einspritz­ druck wird sich daher - ausgehend von der dargestellten Ausgangs- oder Ruhelage der Ventilnadel 5 und der Kolben­ teile 9 und 10 des Stufenkolbens - der größere Kolbenteil 9 entgegen der Kraft der Feder 11 nach unten bewegen. Der größere Kolbenteil 9 schiebt dabei den kleineren Kolben­ teil 10 vor sich her und dieser verdrängt aus dem ablaufseitigen Arbeitsraum 17 eine dem jeweiligen Kolbenhub entsprechende Kraftstoffmenge in die Druckkammer 7 der Ventilnadel, wobei diese gleich zu Beginn angehoben wird, so daß durch die Spritzöffnungen 2 die Voreinspritzmenge in den nicht dargestellten Brennraum des Dieselmotors aus­ treten kann. Gleichzeitig verdrängt der größere Kolbenteil 9 des Stufenkolbens aus seinem ringförmigen Druckraum 16 eine dem Kolbenhub entsprechende Menge (Abzweigmenge) über den Abzweigkanal und die darin angebrachte Drosselstelle 32 in die Kraftstoffaufnahmekammer 30 des Druckspeichers 26. Aufgrund der gedrosselten Abfuhr der Abzweigmenge staut sich in dem ringförmigen Druckraum 16 ein etwa gleich hoher Druck (Abzweigdruck) auf, wie in dem ablauf­ seitigen Arbeitsraum 17 des kleineren Kolbenteiles 10, der unmittelbar den Kraftstoff durch die Spritzöffnungen 2 schiebt und mit deren Strömungswiderstand belastet ist (Einspritzdruck während der Voreinspritzung). Durch den aufgebauten Abzweigdruck wird dem größeren Kolbenteil 9 des Stufenkolbens gewissermaßen vorgetäuscht, daß eine dem Kolbenhub mal der gesamten Fläche des größeren Kolbentei­ les 9 entsprechenden Menge während der Hubstrecke A einge­ spritzt werden würde; in Wirklichkeit ist es aber weniger. Würde der Abzweigdruck im ringförmigen Druckraum 16 nicht aufgebaut, sondern würde die Abzweigmenge ungehindert aus­ weichen können, so könnte die hydraulisch auf die zulaufsei­ tige Kolbenfläche des größeren Kolbenteiles 9 einwirkende Kraft unvermindert auf die Stirnseite des kleineren Kolben­ teiles 10 übertragen werden. Die Kolbenteile 9 und 10 wür­ den also in diesem Fall als hydraulische Druckübersetzer wirken mit der Folge, daß die Einspritzung mit einem dem Flächenübersetzungsverhältnis der beiden Kolbenteile 9 und 10 entsprechenden höheren Druck, also rascher und mit größerer Strahlintensität erfolgen würde. Die Hubstrecke A wäre sehr rasch durchlaufen und es würde sich dann nach einer Einspritzpause mit nicht übersetztem Einspritzdruck die Hauptstufe der Einspritzung anschließen. Es wäre also gerade das Gegenteil von dem erreicht, was eigentlich ange­ strebt wird, nämlich ein unmittelbares Ineinanderübergehen der Einspritzteilmengen und eine zeitlich nicht zu starke Konzentration der Voreinspritzmenge. Aufgrund des erfin­ dungsgemäßen Aufbaues eines Abzweiggegendruckes wird die hydraulische Übersetzung des Stufenkolbens jedoch gewisser­ maßen weggedrosselt. Der Einspritzdruck während der Vorein­ spritzung und während der Haupteinspritzung entsprechen in gleicher Weise dem von der Einspritzpumpe erzeugten Ein­ spritzdruck. Es werden lediglich geringere Kraftstoffmengen während der Einspritzung eingespritzt. Und zwar ist die während der Voreinspritzung eingespritzte Kraftstoffmenge gleich der von der Einspritzpumpe in dieser Zeit geförder­ ten Menge abzüglich der Abzweigmenge. Diese Gesetzmäßig­ keit ist wegen der streng geometrischen Mengenabzweigung und wegen der Gleichwertigkeit und der Gleichwirkung der druckaufbauenden Drosseln, nämlich der Spritzöffnungen 2 und der Drosselstelle 32 ohne weiteres gegeben. Die ge­ nannte Gesetzmäßigkeit behält, abgesehen von vernachlässig­ baren Leckölmengen, unter allen Umständen, also bei heißen und bei kalten Kraftstoffen (Viskositätsänderungen), bei schneller oder langsamer Einspritzfolge (Drehzahländerungen) und bei großen und bei kleinen Ein­ spritzmengen (Laständerungen) ihre Gültigkeit, da die Be­ dingungen in allen genannten Fällen für beide Arten von druckaufbauenden Strömungshindernissen (Spritzlöcher 2, Drosselstelle 32) jeweils während der Voreinspritzung die gleichen sind.

Die geschilderte Voreinspritzung ist beendet, wenn der größere Kolbenteil 9 des Stufenkolbens die Hubstrecke A durchmessen hat. Da diese Strecke konstant ist und sich nicht etwa last- oder drehzahlabhängig ändert und da fer­ ner die Voreinspritzmenge ausschließlich von dem Kolbenhub des größeren Kolbenteils 9, also von der Hubstrecke A be­ stimmt ist, ist die voreingespritzte Kraftstoffmenge stets die gleiche. Es kann lediglich zu einem last-und/oder dreh­ zahlabhängigen mehr oder weniger raschen Ablauf der Vorein­ spritzung kommen. In jedem Fall ist aber auch die Hauptein­ spritzmenge deutlich von der Voreinspritzmenge unterscheid­ bar, da nach der oben aufgestellten Mengenbilanz die je Zeiteinheit eingespritzte Menge während der Voreinspritzung - wie dargelegt - in jedem Fall wenigstens im Mittel um die Abzweigmenge niedriger ist als während der Hauptein­ spritzung.

Am Ende der Hubstrecke A öffnen sich die Steuerkanten 9 a und 19 a und stellen eine Verbindung zwischen dem zulauf­ seitigen Druckraum 15 des größeren Kolbenteils 9 und dem Ringraum 19 her, so daß eine ungehinderte Strömungsver­ bindung von der Einspritzleitung 13 über die Räume 15, 19 bzw. den Kanal 21 zur Druckkammer 7 hergestellt wird. Da diese Räume alle auch schon gegen Ende der Anfangsstufe unter Einspritzdruck standen und der Einspritzdruck wäh­ rend der Haupteinspritzung in gleicher Höhe weiter be­ steht, kommt es zu keiner Druckunterbrechung und demgemäß zu keiner Unterbrechung der Einspritzung. Es wird im Aus­ maß des Sichöffnens der Steuerkanten 9 a und 19 a kontinuier­ lich auf größere Einspritzmengen ohne nennenswerte Druckän­ derungen übergeleitet.

Gegen Ende des Förderhubes des nicht dargestellten Kolbens der Einspritzpumpe 12 beginnt der Druckabbau im System und das Ende der Einspritzung. Die Einspritzgeschwindigkeit und demgemäß der durch die Spritzöffnungen 2 zurückge­ staute Druck in der Druckkammer 7 sinkt ab. Die Schließ­ feder 22 vermag die Ventilnadel 5 mit der kolbenartigen Erweiterung 6 nach unten zu bewegen, womit noch ein ge­ wisses Volumen an Kraftstoffflüssigkeit unter nachlassen­ dem Einspritzdruck abgespritzt wird. Danach schließt die Ventilnadel, und der Einspritzvorgang ist beendet.

Nach Beendigung des Einspritzvorganges muß der Stufenkol­ ben mit seinen Kolbenteilen 9 und 10 und der Kolben 29 des Druckspeichers 26 in die dargestellte Ausgangslage zurück­ laufen. Hierzu dienen die Rücklauffeder 11 und die Feder 27. Bei Viertaktverbrennungsmotoren stehen den Kolbentei­ len 9 und 10 sowie dem Kolben 29 die Zeit von etwa knapp zwei Kurbelwellenumdrehungen zur Verfügung; das ist über dreißig mal so lange wie die Einspritzung selbst maximal dauert. Es können wegen dieser vergleichsweise langen zur Verfügung stehenden Rücklaufzeiten die Druckräume unter­ einander mit Druckausgleichsdrosseln verbunden sein, die bei richtiger Bemessung auf das Einspritzgesetz des Ven­ tiles keinen nennenswerten Einfluß ausüben. Das treibende Druckgefälle für die Drosselströmung erzeugen die Rücklauf­ federn. Die Druckausgleichsdrossel für den Druckspeicher 26 ist identisch mit der Drosselstelle 32. Die Druckaus­ gleichsdrosseln des Stufenkolbens mit den Kolbenteilen 9 und 10 bzw. der zugehörigen Druck- und Arbeitsräume sind im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 durch eine entsprechend große Bemessung des Spieles zwischen den Kolbenteilen 9 und 10 und der entsprechenden Stufenkolbenführungsfläche geschaffen, so daß ein Ringspalt entsteht. Statt dessen können die Kolbenteile oder die Kolbenführungen mit einer oder mit mehreren axial verlaufenden feinen Längsrillen definierten Querschnittes versehen sein. Bei der Rillenaus­ führung der Drosseln würde im Gegensatz zur Ringspaltdros­ sel die Führungsgenauigkeit der Kolben nicht leiden.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 und 3 unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 durch die Ausbildung des Druck­ speichers 40 in Form einer ein konstantes Volumen aufwei­ senden Kraftstoffaufnahmekammer 40′, die aus mehreren druck­ dicht verschlossenen um die Ventilnadel 6 herum im Düsenkör­ per 1′ angeordneten und untereinander durch reichlich bemes­ sene Leitungen 41 in Verbindung stehenden Bohrungen 44 gebildet ist. Die Kraftstoffaufnahmekammer 40′ ist im dar­ gestellten Ausführungsbeispiel mit ihrem Rauminhalt etwa hundert mal größer ausgebildet als der oszillierende An­ teil des ringförmigen Druckraumes 16. Bei diesen Größen­ verhältnissen der verbundenen Räume und bei den auftreten­ den Drücken kann die Eigenelastizität der Kraftstoffflüs­ sigkeit ausgenützt werden. Diese beträgt etwa 6,7 Promille je 100 bar. Bei einem Druck von 150 bar, der dem mittleren Druckwert der Voreinspritzstufe entspricht, komprimiert sich also die Flüssigkeit um etwa 1% ihres ursprünglichen Volumens. Ein Volumenanteil dieser Größenordnung entspricht etwa dem oszillierenden Anteil des ringförmigen Druckrau­ mes 16, und das verdrängte Volumen kann aufgrund der Eigen­ elastizität der Kraftstoffflüssigkeit in der Kraftstoffauf­ nahmekammer 40′ aufgenommen werden, wobei die Flüssigkeit eine Feder oder wie das Gaspolster in einem Windkessel wirkt. Allgemein gesagt soll die Größe der Aufnahmekammer 40′ etwa dem K-fachen des oszillierenden Anteils des ring­ förmigen Druckraumes 16 entsprechen, wobei sich der Faktor K aus dem Kehrwert der genannten Kompressibilität des Kraft­ stoffs dividiert durch den mittleren Druckwert der Vorein­ spritzstufe errechnet. In der Annahme eines hierfür wie vorstehend mit 150 bar eingegebenen Druckes ergäbe sich mithin für den K-Faktor ein Wert von etwa 100 für die so­ mit - wie bereits erwähnt - etwa 100 mal größer auszubil­ dende Kraftstoffaufnahmekammer 40′.

Der ringförmige Druckraum 16 steht über eine Drosselstelle 42 in einem Abzweigkanal 43 mit dem Druckspeicher 40 in Verbindung. Bei entsprechender Bemessung kann die Drossel­ stelle 42 zugleich den Abzweigkanal darstellen (Fig. 3).

Die Drosselstelle 42 ist hinsichtlich der Drosselwirkung so bemessen, daß sie etwa den gleichen Strömungswiderstand hervorruft wie die Spritzöffnungen 2. Der in der Kraftstoff­ flüssigkeit gespeicherte Druck schiebt das komprimierte Volumen nach dem Einspritzvorgang wieder schnell durch die Drosselstelle 42 zurück in den ringförmigen Druckraum 16.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 wird der druck­ dichte Aufnahmeraum 23 für die Schließfeder 22 als Kraft­ stoffaufnahmekammer des Druckspeichers 45 ausgenützt. Für diese Zwecke ist die normalerweise zur Entlastung vorge­ sehene Leitung 24′ des Aufnahmeraumes nicht, wie sonst, drucklos in den Kraftstoffvorratsbehälter 25 geführt, son­ dern der Aufnahmeraum 23 ist über diese Leitung unter ei­ nen geringen Überdruck gesetzt. Dieser Überdruck wird er­ zeugt durch die der Einspritzpumpe 12 hydraulisch vorge­ schaltete Vorförderpumpe 46, an deren Druckseite 47 die Leitung 24′ angeschlossen ist. Da dieser Druck aber nur relativ klein ist, ist parallel zu der Drosselstelle 49 in der Abzweigleitung 48 ein in Richtung zum Druckspeicher 45 hin sperrendes Rückschlagventil 50 vorgesehen. Dieses Rück­ schlagventil 50 ist zu Beginn der Einspritzung geschlossen. Ausgehend von dieser geschlossenen Stellung des Rückschlag­ ventiles strömt die vom größeren Kolbenteil 9′ aus dem ringförmigen Druckraum 16 verdrängte Abzweigmenge ledig­ lich durch die Drosselstelle 49 hindurch, so daß im ring­ förmigen Druckraum 16 - aufgrund einer entsprechenden Dimensionierung der Drosselstelle - ein etwa dem Einspritz­ druck entsprechender Druck aufgestaut wird. Bei der Rückzugbewegung des größeren Kolbenteiles 9′ und dem Wieder­ auffüllen des ringförmigen Druckraumes 16 aus dem Aufnahme­ raum 23 öffnet sich das Rückschlagventil 50 und der ringför­ mige Druckraum 16 kann sich auch bei dem relativ geringen Vorförderdruck rasch wieder auffüllen.

Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die beiden Kolbenteile 9′ und 10′ des Stufenkolbens, im Un­ terschied zu den Beispielen nach den Fig. 1 bis 3, als ein baueinheitlicher Stufenkolben ausgebildet. Der ablauf­ seitige Arbeitsraum 17 des kleineren Kolbenteiles 10′ steht mit dem zulaufseitigen Druckraum 15 des größeren Kolbentei­ les 9′ über eine zulaufseitig offene Sacklochbohrung 51 und eine Drosselbohrung 52 in Verbindung. Die Drosselboh­ rung 52 ist so klein bemessen, daß sie während der kurzen Einspritzzeit keinen nennenswerten Einfluß hat, zumal das Druckgefälle über die Drosselbohrung 52 hinweg während der Einspritzung wesentlich kleiner ist, als der Einspritzdruck selber.

Der ringförmige Druckraum 16 des größeren Kolbenteiles 9′ ist mit dessen zulaufseitigem Druckraum 15 ebenfalls über die Sachlochbohrung 51 und eine weitere Drosselbohrung 53 verbunden. Die Drosselbohrung 53 ist in einer solchen Po­ sition angebracht, daß sie beim Eintauchen des größeren Kolbenteiles 9′ durch die Führungsfläche des Stufenkolbens abgedeckt und wirkungslos gemacht wird. Lediglich in der dargestellten Ruhelage kann zusätzlich ein Druckausgleich über sie hinweg stattfinden.

Claims (9)

1. Kraftstoffeinspritzventil für die Hochdruckeinspritzung in eine Brennkraftmaschine mit einer entgegen der Kraft­ stoffströmungsrichtung durch den Druck des einer Druck­ kammer im Düsenkörper über eine Einspritzleitung zuge­ führten Einspritzkraftstoffs entgegen der Kraft einer in einem Aufnahmeraum im Einspritzventil angeordneten Schließ­ feder von einem Ventilsitz abhebenden Ventilnadel, wodurch dem Einspritzkraftstoff der Weg von der Druckkammer zu wenigstens einer einen definierten Strömungswiderstand darstellenden Spritzöffnung freigegeben wird, ferner mit einem zwischen einem kraftstoffzulauf- und kraftstoffein­ spritzseitigen Anschlag hin- und herbewegbaren, ein- oder zweiteilig ausgebildeten, der Einspritzung einer Vorein­ spritzmenge dienenden Stufenkolben, der, in einer im Dü­ senkörper ausgebildeten Stufenbohrung geführt, mit seinem im Durchmesser kleineren, einspritzseitig angeordneten Kolbenteil einen unmittelbar mit der Druckkammer für die Ventilnadel in Verbindung stehenden, zugleich eine Rück­ führfeder für den Stufenkolben aufnehmenden Arbeitsraum begrenzt und dessen im Durchmesser größerer, an seinem der Einspritzseite abgewandten Ende vom Druck des Einspritz­ kraftstoffs in der Einspritzleitung beaufschlagter Kolben­ teil am Übergang zum im Durchmesser kleineren Kolbenteil zusammen mit diesem und der Stufenbohrung einen ringförmi­ gen Druckraum mit einem von diesem abgehenden, mit einer Kraftstoffaufnahmekammer im Einspritzventil in Verbindung stehenden Abzweigkanal begrenzt sowie an seinem vom Ein­ spritzkraftstoff beaufschlagten Ende eine Steuerkante zur Steuerung eines umfangsseitig in den im Durchmesser größe­ ren Abschnitt der Stufenbohrung mündenden, mit der Druck­ kammer für die Ventilnadel in Verbindung stehenden Kanals aufweist, über den nach Aufsteuerung durch den im Durch­ messer größeren Kolbenteil nach Zurücklegung der für die Förderung der Voreinspritzkraftstoffmenge benötigten Hub­ strecke die Haupteinspritzkraftstoffmenge unmittelbar aus der Einspritzleitung in die Druckkammer für die Ventilna­ del gelangt, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem oder, bei Verwendung mehrerer in jeweils einer Stufenbohrung angeordneter Stufenkolben (9, 10; 9′, 10′), von jedem zugehörigen ringförmigen Druckraum (16) abgehende Abzweigkanal (31, 43, 48) eine Drosselstelle (32, 42, 49) mit einem definierten Strömungswiderstand aufweist, wobei der Strömungswiderstand der einen Dros­ selstelle bei nur einem Stufenkolben, (9, 10; 9′, 10′) bzw. der Gesamtströmungswiderstand der Drosselstellen bei Verwendung mehrerer Stufenkolben in etwa dem Strömungswi­ derstand der Spritzöffnung bzw. Spritzöffnungen (2) ent­ spricht und daß die mit dem bzw. den Abzweigkanälen (31, 43, 48) in Verbindung stehende Kraftstoffaufnahmekammer (23, 30, 40′) als Druckspeicher (26, 40, 45) ausgebildet ist.

2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffaufnahmekammer (30) des Druckspeichers (26) von einem in einer Bohrung im Einspritzventil dich­ tend geführten und zur Kraftstoffaufnahmekammer (30) hin von einer Feder (27) beaufschlagten Kolben (29) begrenzt ist.

3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffaufnahmekammer (40′) des druckfest in­ nerhalb des Einspritzventils ausgebildeten Druckspeichers (40) aus einem oder mehreren untereinander über Leitungen (41) verbundenen und nach außen hin abgeschlossenen Hohl­ räumen konstanten Rauminhalts besteht, der insgesamt we­ nigstens dem K-fachen des gesamten oszillierenden Volumens des bzw. der stufenkolbenseitigen ringförmigen Druckräume (16) entspricht, wobei sich der Faktor K aus dem Kehrwert der Kompressibilität des Kraftstoffs dividiert durch den mittleren Druckwert der Voreinspritzstufe des Einspritz­ vorgangs errechnet.

4. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kraftstoffaufnahmekammer (23) des Druckspeichers (45) der nach außen hin druckdicht ausgebildete, die Schließfeder (22) für die Ventilnadel (6) aufnehmende Auf­ nahmeraum (23) Verwendung findet, der über eine Leitung (24) an die Druckseite (47) einer Vorförderpumpe (46) an­ geschlossen ist, welche der Kraftstoffzuförderung zu der das Kraftstoffeinspritzventil mit Einspritzkraftstoff ver­ sorgenden Einspritzpumpe (12) dient.

5. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß hydraulisch parallel zu jeder Drosselstelle (49) eines Abzweigkanals (48) ein zur Kraftstoffaufnahmekammer (23) hin sperrendes Rückschlagventil (50) angeordnet ist.

6. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Drosselstelle (49) im Ventilglied des Rückschlagventils (50) angeordnet ist.

7. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum gesicherten Nachfüllen des bzw. der Arbeitsräume (17) sowie des bzw. der ringförmigen Druckräume (16) die beiden durchmesserunterschiedlichen Kolbenteile (9, 10; 9′, 10′) des einen oder jedes Stufenkolbens mit einem ent­ sprechend bemessenen Führungsspiel gegenüber der bzw. den Stufenbohrungen versehen sind.

8. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Führungsspiels bei einem einteilig aus­ gebildeten Stufenkolben (9′, 10′) dieser mit einer axial verlaufenden, am zulaufseitigen Ende ausmündenden Sack­ lochbohrung (51) versehen ist, von der im Bereich des Kol­ benteils (10′) mit dem kleineren Durchmesser eine in der Stirnfläche desselben mündende Drosselbohrung (52) und eine weitere, umfangsseitig im Bereich des ringförmigen Druckraumes (16) mündende Drosselbohrung (53) abgeht.

9. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Ausgangsposition jedes Stufenkolbens (9, 10; 9′, 10′) an seinem vom Einspritzkraftstoffdruck be­ aufschlagten Ende über den hier angeordneten Anschlag ein­ stellbar ist.