DE3032735A1 - Verfahren und kraftstoffeinspritzduese zur geteuerten kraftstoffeinspritzung bei brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

• Verfahren und Kraftstoffeinspritzdüse zur gesteuer-
• ten Kraftstoffeinspritzung bei Brennkraftmaschinen Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Kraftstoffeinspritzdüse nach der Gattung des Hauptanspruchs und des Anspruchs 4. Bei bekannten Kraftstoffeinspritzdüsen dieser Art (DE-OS 27 49 378) werden während des öffnungshubes der Ventilnadel mehrere Spritzöffnungen nacheinander aufgesteuert, um dadurch zu große Druckunterschiede während des Einspritzvorgangs zu vermeiden. Derartige große Druckunterschiede entstehen, wenn durch den vorhandenen Spritzquersehnitt bei Leerlauf, also bei verhältnismäßig lange zur Verfügung'stehender Zeit, nur eine geringe Menge (Leerlaufmenge) gefördert wird und durch denselben Querschnitt bei Höchstdrehzahl auch die Maximalmenge (Vollast) gepreßt werden muß. Bei niederen Drehzahlen und Leerlauf ist dann der Spritzquerschnitt an sich weit überdimensioniert, während er für Vollast und Höchstdrehzahl unterdimensioniert ist und damit einen starken Druckanstieg bewirkt. Hierdurch ist nicht nur eine unterschiedliche AuSbereitung (Zerstäubung) des Kraftstoffes gegeben, sondern die Einspritzcharakteristik (Angleichung, Entlastung u.dgl.) wird sehr viel schwerer beherrschbar und änderbar. Letzteres besonders deshalb, weil sich die Spritzöffnung im Laufe der Zeit ändert, entweder durch Verkoken verkleinert oder durch Ausspülen vergrößert. Die genannten Nachteile bedingen zusätzliche Steuer- und Regelelemente, die die Einspritzanlage erheblich verkomplizieren und auch verteuern.
• Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Verfahren und die Kraftstoffeinspritzdüse mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs und des Anspruchs 4 haben demgegenüber den Vorteil, daß aufgrund eines vorzugsweise weitgehend konstanten Einspritzdrucks über den gesamten Drehzahl- und Lastbereich eine gute Kraftstoffaufbereitung erfolgt und die Einspritzung in ihrer Charakteristik übersichtlich und beherrschbar bleibt. Damit lassen sich niedrige Werte für Schwarzrauch, HC-Emissionen, sowie Geräusch und spezifischen Verbrauch erzielen, ebenso eine über der Einspritzdauer ansteigende Einspritzmenge, wodurch die Verbrennung 'tweich't einsetzt. FallE gewünscht, kann auch der Einspritzdruckverlauf den Motoranforderungen angepaßt werden. Durch die erfinderischen Mittel muß deshalb nicht auf sonstige bei der Kraftstoffeinspritzdüse erwünschte Merkmale und Funktionen verzichtet werden, wie beispielsweise das Festlegen einer Spritzrichtung oder das zusätzliche Steuern des Kraftstoffeinspritzdruckes, beispielsweise mit einer Druckstufe.
• Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen und Merkmalen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch und in Anspruch 4 angegebenen Erfindung möglich.
• Zeichnung Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Figur 1 eine Zapfenschieberdüse, Figur 2 eine Mehrfederanordnung mit hydraulischer Drossel und Figur 3 eine nach außen öffnende Düse.
• Beschreibung der Ausführungsbeispiele In Figur 1 ist ein Detail einer als Zapfenschieberdüse ausgebildeten Kraftstoffeinspritzdüse in stark vergrößertem Maßstab dargestellt. In einem Düsenkörper 1 arbeitet radial geführt und axial verschiebbar eine als Schiebernadel ausgebildete Ventilnadel 2 und begrenzt mit dem Düsenkörper einen Druckraum 3. Dieser Druckraum 3 wird über einen Druckkanal 4 mit Kraftstoff gespeist, der unter hohem Druck von einer Kraftstoffeinspritzpumpe her gefördert wird. Die Ventilnadel 2 weist einen Dichtkegel 5 auf, der in einen Schieberzapfen 6 übergeht und der mit einem am Düsenkörper 1 angeordneten Ventilsitz 7 zusammenwirkt. Der Schieberzapfen 6 ist mit seinem unteren Abschnitt in einer Bohrung 8 des Düsenkörpers 1 radial dichtend geführt und steuert mit seiner Stirnseite 9 bzw. der sich ergebenden Steuerkante 10 die Eingänge von z.B. vier Längsschlitzen 11, welche in den Düsenkörper 1, z.B. elektroerosiv eingearbeitet sind. Ein von der Stirnseite 9 innerhalb des Düsenkörpers 1 begrenzter Sackraum 12 am Ende der Bohrung 8 ist über eine im Zapfen 6 angeordnete Sackbohrung 13 und eine Querbohrung 14 sowie über einen den Zapfen 6 teilweise umgebenden und unterhalb des Ventilsitzes 7 im Düsenkörper 1 angeordneten Ringraum 15 mit dem Druckraum 3 verbunden. Die Ventilnadel 2 ist durch eine Schließkraft, insbesondere jedoch mindestens eine Schließfeder, belastet und liegt in geschlossenem Zustand mit dem Dichtkegel 5 auf dem Ventilsitz 7 auf, wobei durch den Zapfen 6 die als Spritzöffnungen dienenden Längsschlitze 11 gesperrt sind. Dabei ist eine Überdeckung U zwischen der strichpunktiert mit 10' in der Schließstellung eingezeichneten Steuerkante und den Längsschlitzen 11 vorhanden.
• Sobald der Kraftstoff unter Druck über den Kanal 4 in den Druckraum 3 gelangt, wird bei ausreichendem Druck aufgrund der beaufschlagten Fläche des Kegels 5 die Ventilnadel 2 entgegen der SchlieRkraft verschoben, so daß der Dichtkegel 5 vom Ventilsitz 7 abhebt und der Kraftstoff aus dem Druckraum 3 über einen vom Ringraum 15 und der Querbohrung 14 gebildeten Kanal sowie über die Sackbohrung 13 in den als Arbeitsraum dienenden Sackraum 12 gelangen kann. Hierdurch wird die in Offnungsrichtung wirkende Fläche zusätzlich vergrößert, aber für den weiteren Hub konstant gehalten.
• Nach einem durch die Überdeckung U bestimmten Vorhub werden durch die Steuerkante 10 die Längsschlitze 11 mehr oder weniger aufgesteuert, je nachdem, wieviel Menge gefördert und damit abgespritzt wird. Da die Schließkraft z.B. durch Federn geringer Steifigkeit, vorzugsweise weitgehend konstant gehalten wird, wird die Ventilnadel 2 gerade so weit verschoben und dabei so viel Spritzquerschnitt von den Längsschlitzen 11 aufgesteuert, daR die geförderte Menge bei etwa konstantem Druck abspritzen kann. Hierdurch wird, statt wie bei den bekannten Düsen der Druck, hier der Querschnitt der Einspritzmenge angepaßt. Das funktionelle Zusammenwirken von Absoritzauerschnitten A Einspritzdruck p und zeitlicher Menge Q erfolgt gemäß der Gleichung wobei /Xder DurchfluRbeiwert, p v die KraItstos alenze una w S p die Druckdifferenz zwischen Einspritzdruck p und dem Kompressionsdruck- im Motorzylinder ist.
• Durch die überdeckung U wird erreicht, daß beim Beginn der Einspritzung der Ventilsitz 7 bereits so weit geöffnet ist, daß an dieser Stelle keine Drösselung auftritt.
• Beides in Figur 2 dargestellten Teil einer Kraftstoffeinspritzdüse handelt es sich im wesentlichen um den die Schließkraft erzeugenden sowie diese Kraft auf die Ventilnadel 2 übertragenden Teil der Düse. Der Maßstab ist hier gegenüber dem in Figur 1 verkleinert gewählt. Allerdings kann für die -in Figur 1 dargestellte Schieberdüse auch eine andere als die nun im folgenden beschriebene Anordnung dienen. Der Düsenkörper 1 ist hier durch eine Überwurfmutter 16 an einen Düsenhalter 17 gespannt, in welchem ein Federraum 18 angeordnet ist, der über einen Leckkanal 19 druckentlastet ist. In dem Leckkanal 19 ist eine Drossel 20 angeordnet. Die Ventilnadel 2 stützt sich über einen Zapfen 21 an einem Federteller 22 ab, an dem eine Schließfeder 23 angreift, welche sich auf der Rückseite am Düsenhalter 17 abstützt. Die Kennlinie dieser Schließfeder 23 ist vorzugsweise sehr flach gewählt, d.h. daß die Feder 23 eine geringe Steifigkeit aufweist und sich die Kraft der Feder mit dem Hub nur unwesentlich ändert. Die Vorspannkraft der Feder 23 ist jedoch entsprechend dem erforderlichen Offnungsdruck hoch eingestellt.
• Im Federraum 18 ist radial dichtend geführt ein Dämpfungskolben 24 angeordnet, der durch eine Ausgleichsfeder 25 belastet ist und der durch diese Feder 25 gegen den Federteller 22 geschoben ist. Im Dämpfungskolben 24 sind zwei Drosselbohrungen 26 angeordnet. Durch den Dämpfungskolben 24 wird die öffnungshubbewegung der Ventilnadel 2 gedämpft, auch unter Ausnutzung der Drossel 20. Durch den vom Federteller 22 abkoppelbaren Dämpfungskolben 24 wird die Schließbewegung der Ventilnadel 2 nicht behindert. Statt einer wie hier dargestellten hydraulischen Dämpfung kann die Dämpfung der Ventilnadel 2 auch über eine Masse erfolgen, beispielsweise in Form eines die Feder umgebenden Masseblocks.
• In Figur 3 ist eine nach außen öffnende, also in Strömungsrichtung öffnende Einspritzdüse dargestellt. In einem Düsenkörper 28 arbeitet radial dichtend eine Ventilnadel 29, die sich in geschlossenem Zustand mit einem Kopf 30 am Düsenkörper 28 abstützt und über einen Federteller 31 durch eine Schließfeder 3? in Schließrichtung belastet ist.
• Die Feder 32 stützt sich dabei einerseits über einen Ring 33 am Düsenkörper 28 und andererseits über eine Unterlegscheibe 34 am Federteller 31 ab. Der Federteller 31 ist zur Übertragung der Kräfte in eine Ringnut 35 an der Düsennadel 29 eingeknüpft. Der Düsenkörper 28 ist durch eine Überwurfmutter 36 an einen Düsenhalter 37 gespannt, wobei der Düsenhalter 37 als Federraum eine dem Düsenkörper 28 zugewandte erweiterte Bohrung 38 aufweist. Der Kraftstoff wird unter Druck über eine Bohrung 39 zugeführt, um dann aus dem Federraum 38 über einen Kanal 40 sowie einen Ringraum 41 im Düsenkörper 28 in eine Querbohrung 42 und Sackbohrung 44 in der Ventilnadel 29 zu gelangen. Von dieser Sackbohrung 44, die im Ventilnadelkopf 30 durch einen Stopfen 45 verschlossen ist, zweigen vier als Spritzöffnungen dienende und als Längsschlitze ausgebildete Spritzschlitze 46 ab, die beim öffnungshub der Ventilnadel 29, für den diese gegen die Feder 32 verschoben wird, durch eine Steuerkante 47 am Düsenkörper 28 gesteuert werden. Je größer der Hub ist, desto grösser ist der aufgesteuerte Querschnitt der Längsschlitze 46.
• Für die erfinderische Funktion gilt auch hierzu das zu den vorherigen Beispielen Gesagte. Beim letztgenannten Beispiel sind in vorteilhafter Weise die verkokungsgefährdeten Längs schlitze 46 im geschlossenen Zustand der Düse vor den Br-ennraumgasen geschützt, wodurch die HC-Emission herabgesetzt wird.
• Durch Abstimmung der Kraft-Weg-Xennlinien der Ventilfedern 23, 25, 32 und der Formgebung der Längsschlitze 11, 46 sowie durch die zu Figur 2 beschriebene Dämpfung der'öffnungs bewegung der Ventilnadel 2 kann der Einspritzverlauf den Motorerfordernissen angepaßt werden.
• Zur Bemessung der Längsschlitze wäre noch zu sagen, daß der öffnungsquerschnitt eines rechteckigen Längsschlitzes 11, 46 mit z. B. einer Breite von 0,1 mm und einer Höhe von 0,7 mm dem Querschnitt einer üblichen Spritzlochbohrung mit 0,) mm Durchmesser entspricht. Bei einem von der Steuerkante 10 bzw. 47 von der Steuerkante 10 bzw. 47 gesteuerten Öffnungshub von 0,5 mm entspricht der dann vorhandene Abspritzquerschnitt dem Querschnitt eines Spritzloches mit 0,25 mm Durchmesser.

Claims (12)

1. Ansprüche Verfahren zur gesteuerten Kraftstoffeinspritzung bei Brennkraftmaschinen durch Ändern des Abspritzquerschnittes der Kraftstoffeinspritzdüsen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung eines von der zeitlichen Einspritzmenge weitgehend unabhängigen Einspritzdruckes der Abspritzquerschnitt entsprechend der Einspritzmenge kontinuierlich änderbar ist.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritzdruck weitgehend konstant geregelt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch das funktionelle Zusammenwirken von Abspritzquerschnitt A>, Einspritzdruck p und zeitlicher Menge Q gemäß der Gleichung erfolgt, wobei der Durchflußbeiwert, PK die Kraftstoffdichte und Öp die Druckdifferenz zwischen Einspritzdruck p und dem Kompressionsdruck im Motorzylinder ist.
4. 4. Kraftstoffeinspritzdüse, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer Schließrichtung belasteten, im Bereich des Kraftstoffaustritts in einem Düsenkörper radial dichtend geführten und als Schieberventil ausgebildeten Ventilnadel, die hubabhängig den Ab sprit zquerschnitt bestimmeude Spritzöffnungen aufsteuert, dadurch gekennzeichnet, caß die Spritzöffnungen als Längsschlitze (11, 46) ausgebildet sind und die Querschnittssteuerung kontinuierlich durch die hubabhängig den Abspritzquerschnitt der Längsschlitze (11, 46) verändernde Ventilnadel (2, 29) erfolgt, wobei die Schließbelastung und entsprechend der Kraftstoffeinspritzdruck weitgehend beeinflußbar, vorzugsweise konstant gehalten sind und eine Änderung der zeitlich zugeführten Kraftstoffmenge eine entsprechende Änderung des Abspritzquerschnitts mit sich bringt.
5. 5. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstofführung abschnittsweise in einem Kanal (13, 14, 42, 44) innerhalb der Ventilnadel (2, 29) erfolgt.
6. 6. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Abspritzquerschnitts die Längsschlitze (11, 46) mit einer quer zu ihnen verlaufenden Steuerkante (10, 47) zusammenwirken.
7. 7. Kraftstoffeinspritzdüse nach einem der Ansprüche 4 bis 6. dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilnadel (2) entgegen der Strömungsrichtung öffnet und einen Schieberzapfen (6) aufweist, vor dessen Stirnseite ein Arbeitsraum (12) vorgesehen ist und dessen Stirnkante (10) die im Düsenkörper vorgesehenen Längsschlitze (11) steuert (Figur 1).
8. 8. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß stromauf des Arbeitsraums (12) ein nadelgesteuertes Sitzventil (5, 7) vorgesehen ist, das beim Öffnungshub einen ausreichenden Querschnitt freigibt, bevor die Längsschlitze (11) aufgesteuert werden (Figur 1).
9. 9. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff nach Abheben der Ventilnadel (2) vom vorzugsweise konischen Sitz (7) aus einem Druckraum (3) über einen im Schieberzapfen (6) verlaufenden Kanal (13, 14) zum Arbeitsraum (12) gelangt, von dem die Spritzschlitze (11) abzweigen.
10. 10. Kraftstoffeinspritzdüse nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilnadel eine zentrale Sackbohrung (44) für die Kraftstofführung aufweist, von der im Nadelmantel angeordnete Schlitze (46) abzweigen, welche durch eine Düsenkörperkante (47) beim Austauchen des entsprechenden Düsennadelabschnittes gesteuert werden (Figur 3).
11. 11. Kraftstoffeinspritzdüse nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur feineren Abstimmung der Schließbelastung bzw. zur Erzielung eines Drucksprunges mehrere Schließfedern (23, 25, 32) an der Nadel (2, 29) angreifen bzw. zuschaltbar sind (Figur 2).
12. 12. Kraftstoffeinspritzdüse nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Nadelbewegung beim öffnen durch eine "träge Masse bzw. hydraulisch (24) über eine Drossel (20, 26) im bzw. vom Federraum (18) dämpfbar ist und beim Schließen dämpfungsfrei bleibt.