DE3243176C2

DE3243176C2 -

Info

Publication number: DE3243176C2
Application number: DE3243176A
Authority: DE
Inventors: Herbert 5000 Koeln De Wiegand; Klaus 5300 Bonn De Baeumer
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1982-11-23
Filing date: 1982-11-23
Publication date: 1989-03-02
Also published as: DE3243176A1; FR2536462A1; FR2536462B1; JPS59126060A; GB8331214D0; JPH0122470B2; GB2130650A; US4499862A; GB2130650B

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzein richtung für selbstzündende Brennkraftmaschinen mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merk malen.

Mit Hilfe einer derartigen Kraftstoffeinspritz einrichtung können unter Entstehung von umwelt freundlichen Abgasen verbrennende Alkoholkraftstoffe (Äthanol, Methanol u. dgl.) bei selbstzündenden Brenn kraftmaschinen, wie z. B. direkteinspritzenden Diesel motoren, verarbeitet werden. Dabei ist es erforderlich, die Temperatur im Brennraum der selbstzündenden Brenn kraftmaschine mit einem selbstzündungswilligen Zünd kraftstoff während der Einspritzphase des selbst zündungsunwilligen Alkoholkraftstoffes (Haupt kraftstoff) soweit anzuheben, daß dessen Zündungs temperatur erreicht bzw. überschritten wird. Als selbstzündungswilliger Zündkraftstoff wird größtenteils Dieselkraftstoff verwendet.

Aus der DE-OS 29 24 128, von der der Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgeht, ist eine Kraftstoffeinspritzein richtung mit einer ersten flüssigkeitsgesteuerten Ventilnadel für Dieselkraftstoff als Zündkraftstoff und einer zweiten flüssigkeitsgesteuerten Ventilnadel für Alkoholkraftstoff als Hauptkraftstoff bekannt, die vom Flüssigkeitsdruck desselben Kraftstoffs, und zwar hier des Alkoholkraftstoffs, gesteuert sind. Jede Ventil nadel weist eine Druckschulter auf, in deren Bereich die Ventilnadel von einer Steuerkammer umgeben ist. Die Steuerkammer der zweiten Ventilnadel ist mit der Al koholkraftstoff führenden Leitung verbunden, während die Steuerkammer der ersten Ventilnadel mit der Diesel kraftstoff führenden Leitung verbunden ist. Der Diesel kraftstoff wird von einer kontinuierlich fördernden Förderpumpe zugeführt, während der Alkoholkraftstoff von einer intermittierend arbeitenden Hochdruckkraft stoffeinspritzpumpe geliefert wird. In der Zuführ leitung für den Dieselkraftstoff befindet sich ein Rückschlagventil sowie zwischen dem Rückschlagventil und der betreffenden Steuerkammer ein Voreinspritz zylinder. Der Voreinspritzzylinder ist außerdem mit der Zuführleitung für den Alkoholkraftstoff verbunden. In dem Voreinspritzzylinder ist ein Voreinspritzkolben an geordnet, auf den der intermittierende Druck des Al koholkraftstoffs einwirkt. Bei Druckanstieg des Al koholkraftstoffs wird der Kolben gegen eine Feder bewegt, wobei er dem im Zylinder befindlichen Diesel kraftstoff einen zum Öffnen der ersten Ventilnadel aus reichenden Druck verleiht. Dabei sperrt das Rückschlag ventil die Dieselkraftstoff-Zuführleitung pumpenseitig ab.

Zu Beginn einer Einspritzphase steigt der Druck des Alkoholkraftstoffs an. Dieser Druckanstieg wird im Vor einspritzzylinder auf den Dieselkraftstoff in der Steuerkammer der ersten Ventilnadel übertragen, worauf hin die erste Ventilnadel bei Erreichen ihres Öffnungs druckes öffnet und Dieselkraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird. Die auf einen höheren Öffnungsdruck voreingestellte zweite Ventilnadel öffnet kurze Zeit später, nachdem der Druck des Alkoholkraftstoffs weiter angestiegen ist und den erforderlichen Druck aufweist, und daß Alkoholkraftstoff in den Brennraum gelangt.

Bei der bekannten Kraftstoffeinspritzeinrichtung sind ein Voreinspritzzylinder mit Voreinspritzkolben und ein Rückschlagventil erforderlich. Die Öffnungszeitpunkte der beiden Ventilnadeln sind zum einen von den vorein gestellten Öffnungsdrücken und zum anderen von dem Übertragungsverhalten des aus Voreinspritzzylinder und -kolben bestehenden Ansteuerungssystems abhängig. Die Einspritzeinrichtung weist einen komplizierten Aufbau auf, weshalb sie störanfällig ist. Die pro Einspritz phase in den Brennraum eingespritzte Dieselkraftstoff menge ist nicht variabel sondern unabhängig von der Motordrehzahl und -belastung stets konstant und ent spricht dem Volumen des Voreinspritzzylinders. Der Dieselkraftstoff wird dabei im wesentlichen vor dem Alkoholkraftstoff eingespritzt, wobei nur ein geringer Überlappungsbereich gegeben ist. Ein sicheres Zünden und gleichmäßiges Verbrennen des Alkoholkraftstoffs ist daher nicht immer gewährleistet.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dahingehend weiterzubilden, daß der erforderliche technische Aufwand verringert wird, und eine zuverlässige Arbeitsweise der Einspritzeinrichtung gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Kraft stoffeinspritzeinrichtung mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzeinrich tung sind die Steuerkammern beider Ventilnadeln mit derjenigen Zuführleitung verbunden, die den beide Ventilnadeln steuernden Kraftstoff führt. Beide Ventil nadeln werden also von dem Druck desselben Kraftstoffs gesteuert. Die Öffnungszeitpunkte der beiden Ventil nadeln können durch einfaches Einstellen der Vorspann kräfte exakt aufeinander abgestimmt werden. Die zweite Ventilnadel weist neben der Steuerkammer eine separate Sammelkammer auf, die mit der Kraftstoffleitung für den nicht zum Ansteuern der Ventilnadel verwendeten anderen Kraftstoff verbunden ist.

Dadurch, daß der Druck des die Einspritzungen steuernden einen Kraftstoffs direkt auf die Druck schultern der beiden Ventilnadeln wirkt, können stör anfällige Druckübertragungssysteme, die den Druck des steuernden Kraftstoffs auf andere Elemente bzw. Flüs sigkeiten übertragen, umgangen werden. Die erfindungs gemäße Einspritzeinrichtung ist deshalb weniger störungsanfällig. Die Ansprechcharakteristiken der Ventilnadeln hängen einzig und allein von den einge stellten mechanischen Federkräften ab, mit denen sie vorgespannt sind. Weitere die Ansprechcharakteristik und insbesondere die Abhängigkeit der Öffnungszeit punkte der Ventilnadeln relativ zueinander beeinflus sende Elemente weist die erfindungsgemäße Einspritzein richtung nicht auf. Die Lage der Einspritzintervalle für die beiden Kraftstoffe relativ zueinander ist damit ausschließlich über die Einstellung der Vorspannungen bzw. Öffnungsdrücke für die Ventilnadeln einstellbar.

Bei der erfindungsgemäßen Einspritzeinrichtung kann entweder der Alkoholkraftstoff oder der Dieselkraft stoff als beide Ventilnadeln steuernder Kraftstoff eingesetzt werden. Jede der beiden Varianten kann im Einzelfall Vorzüge gegenüber der anderen haben. In beiden Fällen ist aber gewährleistet, daß die Ein spritzung des in jedem Fall mit späterem Einspritz beginn eingespritzten zündunwilligen Hauptkraftstoffs von derjenigen des mit früherem Einspritzbeginn einge spritzten zündwilligeren Zündkraftstoffs begleitet wird. Dadurch ist ein sicheres Zünden des zündunwil ligeren Hauptkraftstoffs stets gewährleistet. Das Prinzip, beide Kraftstoffe zeitlich gesehen neben einander einzuspritzen, ist zwar aus der DE-OS 29 01 211 bekannt; dort jedoch werden in aufwendiger Weise zwei Hochdruckkraftstoffeinspritzpumpen benötigt, nämlich für jeden Kraftstoff eine.

Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 angegeben.

Dabei ist im Zusammenhang mit dem Anspruch 3 die Ver wendung von Dieselkraftstoff als zündwilligerer Zünd kraftstoff und Alkohol als zündunwilligerer Hauptkraft stoff schon aus DE-OS 29 24 128 bekannt. Dort jedoch ist der Alkohol der die beiden Ventilnadeln intermit tierend steuernde Kraftstoff und muß daher von einer Hochdruckkraftstoffeinspritzpumpe geliefert werden. Der konstruktive Aufwand für eine Alkoholkraftstoff-Ein spritzpumpe ist jedoch wegen der niedrigen Viskosität von Alkohol wesentlich höher als bei einer gemäß An spruch 3 verwendeten Dieselkraftstoff-Einspritzpumpe, da der Dieselkraftstoff als Schmiermittel für die be weglichen Teile der Einspritzpumpe verwendet werden kann. Da es die Erfindung zuläßt, Dieselkraftstoff als den die beiden Ventilnadeln steuernden Kraftstoff ein zusetzen, ergeben sich dadurch Vorteile, was die Ein spritzpumpe angeht. Ferner ist gemäß Anspruch 3 nur eine einzige Hochdruckkraftstoffeinspritzpumpe für den Dieselkraftstoff und eine kontinuierlich mit Einspritz druck fördernde Pumpe, beispielsweise eine Zahnradpumpe für den Alkoholkraftstoff erforderlich, was den Vorteil hat, daß der pumpenseitige Aufwand wesentlich reduziert ist.

Schließlich lassen sich noch die in den Ansprüchen 4 und 5 angegebenen Maßnahmen der DE-PS 6 15 604 und die Merkmale gemäß Anspruch 6 der DE-PS 3 79 435 als bekannt entnehmen.

Nachfolgend wird anhand der Figuren ein Ausführungs beispiel der Erfindung näher erläutert. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Düsenkörper der Kraftstoffeinspritzeinrichtung und

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1.

Fig. 1 zeigt einen Düsenkörper 10 mit einem Druckkanal 11 für Dieselkraftstoff. Der Dieselkraftstoff wird über einen Ringkanal 12 und über Druckkanäle 13, 14 zu den Steuerkammern 15, 16 zweier flüssigkeitsgesteuerter Ven tilnadeln, nämlich einer ersten Ventilnadel 17 und einer zweiten Ventilnadel 18 zugeführt. Der Diesel kraftstoff wird von einer Einspritzpumpe intermit tierend gefördert und dient als der die Ventilnadeln steuernde Kraftstoff. Die Ventilnadeln 17, 18 weisen unterschiedlich große Öffnungsdrücke p _ö auf, die ge trennt voneinander an Druckfedern 19, 20 über Druck einstellscheiben 21, 22 einstellbar sind. Damit werden die Ventilnadeln 17 und 18 in gewissen Grenzen zeitlich unabhängig voneinander betätigt. Der Druckkanal 13 für den Diesenkraftstoff führt von der Steuerkammer 15 der ersten Ventilnadel 17 über einen weiteren diese Ventil nadel umgebenden Druckkanal 13 a weiter bis zu einem Sackloch 23, von wo bei geöffneter Ventilnadel 17 der Dieselkraftstoff über ein Spritzloch 24 in den Brenn raum 25 eintreten kann. Der Druckkanal 14 endet in der Steuerkammer 16 der zweiten Ventilnadel 18, so daß der in diesen Druckkanal intermittierend über den Ringkanal 12 eintretende Dieselkraftstoff nur zur Steuerung der Ventilnadel 18 dient. Der Düsenkörper 10 weist eine weitere Kraftstoffzuführleitung 9 auf, die mit einem Druckkanal 26 verbunden ist. Über die Zuführleitung 9 wird dem Düsenkörper 10 eine zweite Kraftstoffkomponente -im hier beschriebenen Fall Alkoholkraftstoff - zu geführt. Der Druckkanal 26 ist mit einer Sammelkammer 27 verbunden, die die zweite Ventilnadel 18 stromab der ihr zugeordneten Steuerkammer 16 und von dieser durch einen abgedichtet geführten Ventilnadelabschnitt ge trennt umgibt. Die Passung der zweiten Ventilnadel 18 in dem Düsenkörper 10 zwischen der Steuerkammer 16 und der Sammelkammer 27 entspricht der üb lichen Passung bei flüssigkeitsgesteuerten Ventil nadeln. Von der Sammelkammer 27 führt ein weiterer die Ventilnadel 18 umgebender Druckkanal 26 bis zu einem Sackloch 28, von wo dann bei geöffneter zweiten Ventil nadel 18 der Alkoholkraftstoff über ein oder mehrere Spritzlöcher 29 a-d in den Brennraum 25 eintritt. Der Alkoholkraftstoff wird von einer kontinuierlich fördernden Pumpe, beispielsweise einer Zahnradpumpe gefördert, und zwar mit einem Druck, der zum Ein spritzen des Alkoholkraftstoffs bei geöffneter zweiter Ventilnadel 18 ausreicht.

Der Druck des die zweite Ventilnadel 18 steuernden Dieselkraftstoffs ist bei geöffneter zweiter Ventil nadel 18 größer als der Druck des dann eingespritzten Alkoholkraftstoffs. Aus der Steuerkammer 16 der zweiten Ventilnadel 18 tritt in geringfügigen Mengen Diesel kraftstoff als Leckflüssigkeit zwischen dem Düsenkörper 10 und dem zwischen der Steuerkammer 16 und der Sammel kammer 27 befindlichen Ventilnadelabschnitt in die Sam melkammer 27 über und schmiert damit die zweite Ventil nadel 18.

In Fig. 2 ist die Anordnung des Ringkanals 12 in dem Düsenkörper 10 mit den Druckkanälen 13 und 14 für den Dieselkraftstoff und dem Druckkanal 26 für den Alkohol kraftstoff sowie den flüssigkeitsgesteuerten Ventil nadeln 17 und 18 dargestellt.

Mit Hilfe der beschriebenen Kraftstoffeinspritzeinrich tung, die als Zweistoffeinspritzdüse ausgeführt ist, können Diesel- und Alkoholkraftstoff in den Brennraum derart eingespritzt werden, daß der selbstzündungswil lige Dieselkraftstoff während der gesamten Einspritz zeit als Zündhilfe für den selbstzündungsunwilligen Alkoholkraftstoff dient. Gegen Ende des Verdichtungs taktes des Motors wird der Alkoholkraftstoff in den Brennraum eingespritzt. Da der Öffnungsdruck p _ö der flüssigkeitsgesteuerten ersten Ventilnadel 17 für den Dieselkraftstoff an der Druckeinstellscheibe 21 auf einen niedrigeren Wert eingestellt ist als der Öffnungs druck p _ö an der flüssigkeitsgesteuerten zweiten Ven tilnadel 18 für den Alkoholkraftstoff, beginnt die Einspritzung des Dieselkraftstoffs kurz vor derjenigen des Alkoholkraftstoffs. Sobald die Einspritzung des Alkoholkraftstoffs begonnen hat, werden beide Kraft stoffarten bis zum Ende der Einspritzphase gleichzeitig eingespritzt.

Dadurch, daß die Ansteuerung der beiden Ventilnadeln 17, 18 von ein- und derselben Einspritzpumpe, in diesem Fall von der Einspritzpumpe für den Dieselkraftstoff, in einem Steuerkreis erfolgt, sind auch die unter schiedlichen Zeiten für das Öffnen und Schließen der beiden Ventilnadeln 17, 18 exakt einstellbar.

Mit Hilfe von theoretischen Ansetzen und von Kenn werten, die aus Versuchen zu ermitteln sind, kann die Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Diesel- und Alkohol kraftstoff so ausgelegt werden, daß eine optimale Sub stitution von Dieselkraftstoff durch Alkoholkraftstoff bei günstigen Zündbedingungen für eine vorgegebene Brennraumgröße und -geometrie erzielt wird. Die Schwierigkeiten, die Alkoholkraftstoffe bei der Hoch druckeinspritzung bereiten, können mit der so ver wendeten Einspritzeinrichtung als weitgehend gelöst betrachtet werden. Wie bereits weiter oben erwähnt, führt insbesondere die niedrige Viskosität des Alkohol kraftstoffs zu Verschleißerscheinungen an spezifisch hochbelasteten Stellen sowohl der Pumpe als auch der Einspritzdüse. Da eine diesbezüglich empfindliche Ein spritzpumpe für Alkoholkraftstoff im vorliegenden Fall nicht erforderlich ist - es kann z. B. eine einfache Zahnradpumpe zur Förderung des Alkoholkraftstoffes Ver wendung finden -, sind die Probleme auf Seiten der Ein spritzpumpe umgangen. Ebenso lassen sich die Ver schleißprobleme infolge der niedrigen Viskosität der Alkoholkraftstoffe an einer spezifisch hochbelasteten Stelle der Einspritzdüse, nämlich der dichtenden Nadel führungs zwischen der Steuerkammer 16 und der Sammel kammer 27 dadurch vermeiden, daß durch den an dieser Stelle als Lecköl fließenden Dieselkraftstoff eine Schmierwirkung erzielt wird.

Claims

1. Kraftstoffeinspritzeinrichtung für selbstzündende Brennkraftmaschinen, deren Betrieb gleichzeitig mit zwei Kraftstoffen unterschiedlicher Zünd willigkeit erfolgt,

- mit einer Kraftstoffeinspritzdüse mit zwei in einem Düsenkörper (10) angeordneten, durch Vor spannkräfte in Schließrichtung beaufschlagten und entgegen der Kraftstoffströmungsrichtung öffnenden Ventilnadeln (17, 18),
- - von denen die erste Ventilnadel (17) im Bereich einer an der Nadel ausgebildeten Druckschulter von einer Steuerkammer (15) umgeben ist, die an einen Druckkanal (13) für unter intermitterendem Druck stehenden Kraftstoff zur Betätigung der ersten Ventil nadel (17) sowie an einen diese zur Ein spritzseite hin umgebenden Druckkanal (13 a) angeschlossen ist, über den der eine der beiden Kraftstoffe von der Steuerkammer (15) über einen mit der ersten Ventilnadel (17) zusammenwirkenden Nadelsitz einem Spritzloch (24) gesteuert zuführbar ist,
- - und von denen die zweite Ventilnadel (18) im Bereich einer auch an dieser ausgebildeten Druckschulter ebenfalls von einer Steuer kammer (16) umgeben ist, der von einer Hoch druckkraftstoffeinspritzpumpe über einen Druckkanal (14) unter intermittierendem Druck stehender Kraftstoff zur Betätigung der zweiten Ventilnadel (18) zugeführt wird, so daß über einen diese gleichfalls umgebenden Druck kanal (26 a) und einen mit der zweiten Ventilnadel (18) zusammenwirkenden Nadelsitz der andere der beien Kraftstoffe einem oder mehreren Spritzlöchern (29 a-d) gesteuert zuführbar ist,
- - wobei der von der intermittierend arbeiten den Hochdruckkraftstoffeinsatzpumpe in der Steuer kammer (16) der zweiten Ventilnadel (18) erzeugte Kraftstoffdruck zugleich auch für die intermittierende Kraftstoffdruck erzeugung in der Steuerkammer (15) der ersten Ventilnadel (17) herangezogen wird,

dadurch gekennzeichnet,

- daß die Steuerkammer (15) der ersten Ventil nadel (17) mit der Steuerkammer (16) der zweiten Ventilnadel (18) verbunden ist, so daß der Kraftstoffdruck der intermittierend fördernden Hochdruckkraftstoffeinspritzpumpe in den beiden Steuerkammern (15, 16) direkt an den Druckschaltern der beiden Ventilnadel (17, 18) angreift,
- und daß die zweite Ventilnadel (18), stromab der ihr zugeordneten Steuerkammer (16) und von dieser durch einen abgedichtet zugeführten Ventilnadelabschnitt getrennt, zusätzlich von einer Sammelkammer (27) umgeben ist,
- - von welcher der die zweite Ventilnadel (18) umgebende, zum Nadelsitz und dem Spritzloch (29) für den anderen der beiden Kraftstoffe führende Druckkanal (26 a) abgeht und
- - an die über einen weiteren Druckkanal (26) eine diesen Kraftstoff mit Einspritzdruck fördernde Kraftstoffpumpe angeschlossen ist.

2. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Steuer kammern (15, 16) über einen im Düsenkörper (10) ausgebildeten und die zu den Steuerkammern (15, 16) führenden Druckkanäle (13, 14) verbindenden halb ringförmigen Kanal (12) verbunden sind.

3. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei Dieselkraftstoff als zündwilligerer Zündkraftstoff und Alkohol als zünd unwilliger Hauptkraftstoff dient, dadurch gekennzeichnet, daß die den zündunwilligeren Hauptkraftstoff mit Einspritzdruck liefernde Pumpe eine kontinuierlich fördernde Kraftstoffpumpe ist.

4. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannkräfte der beiden Ventilnadeln (17, 18) derart eingestellt sind, daß die Vorspannkraft für die den Diesel kraftstoff steuernde erste Ventilnadel (17) geringer ist als für die den Alkoholkraftstoff steuernde zweite Ventilnadel (18).

5. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannkräfte unabhängig voneinander einstellbar sind.

6. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Spritzloch (24) für den zündwilligen Kraftstoff derart zu dem oder einem der Spritzlöcher (29) für den zündunwilligen Kraftstoff ausgerichtet ist, daß die beiden diesbezüglichen Einspritzstrahlen im Brennraum aufeinandertreffen.