DE3516870C2 - - Google Patents
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- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
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- F02M47/02—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure of accumulator-injector type, i.e. having fuel pressure of accumulator tending to open, and fuel pressure in other chamber tending to close, injection valves and having means for periodically releasing that closing pressure
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffeinspritzvorrichtung
vom Akkumulatortyp für einen Verbrennungsmotor
gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Die Brennstoffeinspritzvorrichtung vom Akkumulatortyp, nachstehend
Einspritzvorrichtung genannt, ist dazu geeignet,
die Brennstoffeinspritzzeitdauer zu verkürzen. In kurzer
Zeit erfolgt eine vollständige Verbrennung aufgrund des
scharf beendeten Brennstoffeinspritzverlaufs, wobei der
Durchsatz des eingespritzten Brennstoffes auf ein Maximum
ansteigt und dann plötzlich unterbrochen wird, so daß die
Isochore erhöht wird, um den thermischen Wirkungsgrad des
Motors zu verbessern. Hierdurch ist eine geringe Rußemission
bedingt, die Emission von Stickstoffoxiden ist sogar
dann begrenzt, wenn die Einspritzzeit verzögert wird.
Bei herkömmlichen Brennstoffeinspritzvorrichtungen vom
Akkumulatortyp ist das Nadelventil zum Öffnen und Schließen
der Einspritzöffnungen so ausgebildet, daß die Wirkfläche
bezüglich des Öffnungsdrucks größer ist als die bezüglich
des Schließdrucks. Ist der Ventilschließdruck geringer als
der Ventilöffnungsdruck, so daß eine minimale Brennstoffeinspritzung
infolge der Differenz der beiden Drücke zu verzeichnen
ist, ist es nicht möglich, das Verhältnis von maximaler
zu minimaler Brennstoffeinspritzung zu erhöhen und es
ist im wesentlichen unmöglich, den Verbrennungsmotor bei
niedriger Last und Nullast zu betreiben. Außerdem wird das
selbsttätig wirkende Nadelventil, infolge eines Druckabfalls
in der Akkumulatorkammer, wobei dessen Kopf reduziert
ist, da dieser aufsitzt, sobald es geschlossen ist, nur
durch dessen Feder geschlossen, wobei die Arbeit "(Fläche
des gleitenden Abschnitts) × (zurückgelegter Weg) × (wirkender
Druck)" verrichtet wird. Infolgedessen schließt das
Nadelventil aufgrund der unterschiedlichen Öffnungs- und
Schließdrücke langsam, wodurch sich nicht nur die Regelung
der Brennstoffeinspritzung schwierig gestaltet, sondern
auch die Einspritzdauer vergrößert ist, was unvereinbar
mit den zuvor beschriebenen Eigenschaften einer
Brennstoffeinspritzvorrichtung vom Akkumulatortyp ist.
Die auf die Anmelderin zurückgehende DE-OS 34 01 658
offenbart eine Brennstoffeinspritzvorrichtung
mit Akkumulatorkammer, bei der ein Rückschlagventil
zwischen der Akkumulatorkammer und der Brennstoffleitung
angeordnet ist, sowie ein Einspritzendsteuerventil,
das in einem Brennstoffdurchgang angeordnet ist, der sich
zwischen einer Brennstoffleitung, die mit der Atmosphärendruckseite
des Nadelventils verbunden ist und der Akkumulatorkammer
erstreckt, so daß ein Druck auf das Nadelventil
wirkt, wodurch dessen schnelles Schließen ermöglicht wird
und die Einspritzdauer im Gegensatz zu den herkömmlichen
Brennstoffeinspritzvorrichtungen des Akkumulatortyps verkürzt
wird.
Die Anmelderin hat ferner eine Brennstoffeinspritzvorrichtung
des Akkumulatortyps mit einem Nadelventil-Steuerkolben
vorgeschlagen, der eine größere Fläche als die des gleitenden
Abschnitts des Nadelventils aufweist. Der Nadelventil-
Steuerkolben ist auf der Atmosphärendruckseite des
Nadelventils angeordnet, zwischen dem Einspritzendsteuerventil
und der Hochdruckbrennstoffleitung ist eine Drossel
angeordnet, so daß das Nadelventil langsamer öffnet, jedoch
in Abhängigkeit von dem hohen Druck des Brennstoffs in der
Akkumulatorkammer schneller schließt, wobei es auf den
Steuerkolben einwirkt und die Brennstoffeinspritzdauer weiter
verkürzt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Brennstoffeinspritzdauer
einer Brennstoffeinspritzvorrichtung
des Akkumulatortyps nicht nur durch eine erhöhte Öffnungsgeschwindigkeit,
sondern gleichfalls durch eine erhöhte
Schließgeschwindigeit des Nadelventils zu verkürzen, so
daß der thermische Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors, für
den die Einspritzvorrichtung geeignet ist, verbessert wird.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebenen
Merkmale gelöst. In bevorzugter Ausführung verjüngt sich das
Nadelventil von der Ventilfläche aus zum vorderen Ende. Dabei
ist der äußere Durchmesser der Ventilfläche des Nadelventils
vergrößert und insbesondere zumindest halb so groß wie der
Durchmesser des gleitenden Abschnittes.
Die vorliegende Erfindung verbessert die Leistung einer
Brennstoffeinspritzvorrichtung vom Akkumulatortyp, wie er in
der genannten Patentanmeldung beschrieben wurde. Um eine
Fläche, die zum Öffnen des Nadelventils nötig ist, zu
erhalten, sieht ein Merkmal der Erfindung vor, daß das Ventil
an seiner vorderen Stirnseite einen äußeren Durchmesser
aufweist, der größer ist als der bei solchen Ventilen nach
dem Stand der Technik, daß dessen Kopf reduziert ist, ferner
daß das Verhältnis der Fläche der Ventilstirnseite zu der
ihres gleitenden Abschnittes größer ist als das beim Stand
der Technik, und demnach die Öffnungsgeschwindigkeit erhöht
und damit die Öffnungsdauer verkürzt wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Es zeigt
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzvorrichtung,
Fig. 2 einen vergrößerten Längsschnitt, der die Einspritzöffnungen
der Brennstoffeinspritzvorrichtung gemäß
Fig. 1 zeigt,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Teil der Brennstoffeinspritzvorrichtung
nach Fig. 1 während der
Brennstoffeinspritzung,
Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen Teil der Brennstoffeinspritzvorrichtung
nach Fig. 1 während der
Druckakkumulation,
Fig. 5 einen Längsschnitt eines Teiles der Brennstoffeinspritzvorrichtung
nach Fig. 1 während des
Schließens des Ventils; und
Fig. 6 mehrere Diagramme, die den Zusammenhang zwischen
einer Veränderung des Drucks in der Hochdruckbrennstoffleitung,
des Drucks in der Akkumulationskammer, der Geschwindigkeit des Kopfes und der
Brennstoffeinspritzung des Nadelventils, des Kopfes
des Reglers, des Kopfes des Rückschlagventils und
des Kopfes des Steuerkolbens darstellen.
Die in den Zeichnungen dargestellte Brennstoffeinrichtung
beinhaltet einen Einspritzkörper 1, eine Nadelventilführung
2 und einen Düsenkörper 3, die mittels einer Gewindehülse
4 mit dem Einspritzkörper 1 verbunden sind.
Mit dem oberen Abschnitt des Einspritzkörpers 1 ist ein Ventilteil
5 verbunden, es weist eine Mittelbohrung 1 a auf, in
der der Abschnitt 7 eines Reglers 6 gleitend geführt ist.
Der Regler 6 wird mittels einer Feder 8 nach unten gedrückt,
die Bewegung nach oben ist durch einen Anschlag 9
begrenzt. Ein Rückschlagventil 11 ist in das Ventilteil 5
eingepaßt, es wird mittels einer Feder nach oben gedrückt,
so daß es normalerweise, wie noch beschrieben wird, die Verbindung
zwischen einer Akkumulatorkammer 27 und einer Hochdruckbrennstoffleitung
19 unterbricht. Das Rückschlagventil
11 weist eine Ventilführung 12 auf, die in der Mittelbohrung
1 a des Ventilteils 5 gleitend geführt ist, und das
in Anlage mit dem unteren Ende des gleitenden Abschnittes 7
des Reglers 6 gelangt. Die Ventilführung 12 besitzt eine
Bohrung 14, die eine Verbindung zwischen einer Kammer 13,
die durch die Ventilführung 12 und den gleitenden Abschnitt
7 gebildet ist, und einer Kammer 22 ermöglicht. In eine im
unteren Abschnitt des Einspritzkörpers 1 gebildete Gleitbohrung
1 b ist ein Steuerkolben 16 eingepaßt, der mittels
einer schwachen Feder 15 nach oben gedrückt wird, die
sich am oberen Innenbereich der Nadelventilführung 2 abstützt,
wobei der Steuerkolben eine Bohrung 17 sowie eine
Drossel 18 aufweist. Ein gleitender Abschnitt des Steuerkolbens
16 weist einen Durchmesser d₃ auf, der größer ist als
der Durchmesser d₁ des gleitenden Abschnittes 29 des nachstehend
beschriebenen Nadelventils 28, er steuert das
Schließen des Nadelventils 28. Der Einspritzkörper 1 weist
eine Hochdruckbrennstoffleitung 19 auf, die eine Verbindung
zwischen einer nicht dargestellten Einspritzpumpe und einer
Einspritzpumpenseitenkammer 20 darstellt, die im Bereich
des oberen Endes des gleitenden Abschnittes 29 des Nadelventils
28 oberhalb der Nadelventilführung 2 gebildet ist.
Eine Brennstoffleitung 23 verbindet eine Kammer 21, die
sich oberhalb des Steuerkolbens 16 befindet und die mittels
der Leitung 17 mit der Kammer 20 verbunden ist, mit der Einspritzpumpenseitenkammer
22 des Rückschlagventils 11. Eine
Brennstoffleitung 25 im Einspritzkörper 1 und eine Leitung
26 in der Nadelventilführung 2 stellen eine Verbindung zwischen
einer Seitenkammer 24 des Rückschlagventils 11 und
der Akkumulatorkammer 27 dar.
Der Düsenkörper 3 bildet zusammen mit der Unterseite der
Nadelventilführung 2 die Akkumulatorkammer 27 und das Nadelventil
28, sowie der gleitende Abschnitt 29, der gleitend
in die Mittelbohrung der Nadelventilführung 2 eingepaßt
ist, werden mittels einer Feder 30 nach unten in die
Schließposition gedrückt, wobei sich die Feder 30 an der
Nadelventilführung 2 abstützt.
Fig. 2 zeigt in einem vergrößerten Maßstab das vordere Ende
des Nadelventils 28 in geöffneter Stellung. Eine Ventilfläche
31 des Nadelventils 28 verjüngt sich von einem Durchmesser
d₂ auf einen Durchmesser d₄ des vorderen Endes und
liegt bei geschlossenem Ventil auf dem Ventilsitz 32 des
Düsenkörpers 3 auf, um die Brennstoffeinspritzöffnungen 33
zu verschließen. Sobald das Nadelventil 28 abhebt, um die
Einspritzöffnungen, wie in der Fig. 3 dargestellt, zu öffnen,
berührt dessen oberes Ende die untere Fläche des
Steuerkolbens 16, wodurch, wie in Fig. 3 verdeutlicht, die
Bohrung 17 geschlossen wird.
Das Rückschlagventil ist derart ausgebildet, daß es, wie in
der Fig. 3 verdeutlicht ist, unter Wirkung des Druckes in
der Akkumulatorkammer 27 und der Kraft der Feder 10 den
Brennstoffdurchgang unterbricht, der ansonsten von der
Akkumulatorkammer 27 zur Leitung 23 möglich wäre.
Fig. 1 zeigt das Rückschlagventil 11, das in geöffneter
Stellung durch den Regler 6 gehalten wird, der mittels
einer Feder 8 nach unten auf das obere Ende des Rückschlagventils
11 gedrückt wird. Die Feder 8 wirkt dabei zwischen
dem oberen Abschnitt des Reglers 6 und einer Einstellschraube
34, die in den Einspritzkörper 1 geschraubt ist.
Erreicht der Druck in der Akkumulatorkammer 27 den Schließdruck
des Nadelventils 28, ist die Kraft der Feder 8 größer
als die Summe der aus "(Druck in der Akkumulatorkammer
27) × (Fläche des Rückschlagventils 11) + (Kraft der Feder
10)" gebildeten Kräfte, so daß das Rückschlagventil 11 sich
öffnet und eine Verbindung zwischen der Akkumulatorkammer
27 und der Hochdruckbrennstoffleitung 19 ermöglicht.
Die Einstellschraube 34 ist mittels einer Gewindehülse 35
gesichert, in der eine Schraube 36 angeordnet ist, die den
Anschlag 9 zum Begrenzen der Bewegung des Reglers 6 trägt.
Die Schraube 36 ist mittels einer weiteren Gewindehülse 37
gesichert, diese weist eine Bohrung 38 auf, so daß hinter
dem gleitenden Abschnitt 7 des Reglers befindlicher Leckbrennstoff
zu einem nicht dargestellten Brennstoffvorratsbehälter
durch die Bohrung 38 zurückgeführt werden kann.
Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzvorrichtung
kann eine Brennstoffeinspritzpumpe mit
einem in einer Laufbüchse gleitbar angeordneten Plunger mit
einer Überlauföffnung, einem Saugrückschlagventil oder
einem Restdruckschließventil (residual pressure completing
valve) in der Hochdruckbrennstoffleitung Verwendung finden.
Fig. 1 zeigt die Einspritzvorrichtung zum Zeitpunkt t₁ gemäß
Fig. 6 vor der Zuführung von Brennstoff durch die Einspritzpumpe.
Zum Zeitpunkt t₂ strömt von der Einspritzpumpe zur Hochdruckbrennstoffleitung
19 geförderter Brennstoff über die
Kammer 20, die Bohrung 17 und die Leitung 23 zur Kammer 22.
Von dort strömt der Brennstoff durch das mittels des Reglers
6 jetzt geöffnete Rückschlagventil 11 durch die Leitungen
25 und 26 in die Akkumulatorkammer 27.
Da der Brennstoff ein verdichtbares Medium darstellt, erhöht
sich der Druck in der Akkumulatorkammer 27 proportional
mit der Brennstoffzufuhr der Einspritzpumpe, wie durch
die Linie B in Fig. 6 dargestellt, der Druck in der Hochdruckbrennstoffleitung
19 steigt gleichfalls an, wie durch
die Linie A verdeutlicht.
Zum Zeitpunkt t₃ wird der Regler 6 gegen die Kraft der Feder
8 infolge des auf den gleitenden Abschnitt 7 aufgebrachten
Druckes angehoben. Zum Zeitpunkt t₄ erreicht der
Druck in der Akkumulatorkammer 27 eine Höhe, bei der die
Brennstoffzufuhr beendet ist, der Regler 6 hebt, wie aus
der Kurve E in Fig. 6 ersichtlich ist, ab, so daß das Rückschlagventil
11 unter der Kraft der Feder 10, wie aus der
Linie F ersichtlich ist, schließt, wobei es dem Regler 6
folgt. Der Brennstoffstrom öffnet jedoch das Rückschlagventil
gegen die Kraft der Feder 10, wie es in Fig. 4 dargestellt
ist, der Druck wird weiter erhöht, wie es die Linie
B in Fig. 6 veranschaulicht, während der Strom über die
genannte Leitung von der Einspritzpumpe in die Akkumulatorkammer
27 gelangt. Zu diesem Zeitpunkt berührt der Kopf des
Reglers 6 das Anschlagventil 9.
In diesem Zustand kann die Kraft F₁, die das Nadelventil 28
nach unten bewegen will, nach folgender Gleichung angegeben
werden:
F₁ = (Kraft der Feder 30) + f/4 d₁² × (Druck in der Kammer 20),
die Kraft F₂, die das Nadelventil anheben will, ergibt sich
nach folgender Gleichung:
F₂ = π/4 (d₁²-d₂²) × (Druck in der Akkumulatorkammer 27).
Da die Kraft der Feder 10 gering ist, die Drücke in der Kammer
20 oberhalb des Nadelventils 28 und in der Akkumulatorkammer
27 im wesentlichen gleich sind, ergibt sich aus den
beiden oberen Gleichungen, daß die nach unten gerichtete
Kraft F₁ größer ist als die nach oben gerichtete Kraft F₂.
Infolgedessen steigt die Kraft, die den Ventilsitz 31 in
Richtung des Sitzes drückt, beim weiteren Ansteigen des
Druckes in der Akkumulatorkammer 27 an, so daß kein Brennstoff
von der Akkumulatorkammer 27 zu den Einspritzöffnungen
33 hindurchtritt.
Die Förderung des Brennstoffes ist zum Zeitpunkt t₅ beendet,
wenn die Überlauföffnungen sich öffnen, so daß der
Brennstoff zurück zur Einspritzpumpe fließt. Aufgrund des
hieraus resultierenden Druckabfalls wird das Rückschlagventil
11 durch die Feder 10 geschlossen. Der Druck der Hochdruckbrennstoffleitung
19 fällt schlagartig, die Rückströmung
und der Brennstoff von der Akkumulatorkammer 27
zur Hochdruckbrennstoffleitung 19 ist aber durch das geschlossene
Rückschlagventil 11 blockiert. Aufgrund der vorstehend
beschriebenen Wirkungsweise sinkt vom Rückschlagventil
ab der vorherrschende Druck in der Seitenkammer 22, der
Bohrung 14, der Kammer 13, der Leitung 23, der Kammer 21,
der Bohrung 17 und der Kammer 20 gleichfalls schlagartig,
wie durch die Linie A in Fig. 6 verdeutlicht, so daß die
Kraft der Feder 30 durch die Kraft F₃, die das Nadelventil
anheben will, überwunden wird, wobei diese Kraft F₃ durch folgende
Gleichung angegeben wird:
F₃ = π/4 (d₁²-d₂²) × (Druck in der Akkumulatorkammer 27).
Infolgedessen öffnet sich das Nadelventil 28 und zur gleichen Zeit
wirkt der Druck in der Akkumulatorkammer 27 auf die Ventilfläche
31. In diesem Augenblick verändert sich die Wirkfläche des Nadelventils
von π/4 (d₁²-d₂²) auf π/4 d₁², so daß die Kraft F₄, die
das Nadelventil 28 abheben will, schlagartig auf den Wert nach folgender
Gleichung erhöht wird:
F₄ = π/4 d₁² × (Druck in der Akkumulatorkammer 27).
Das Nadelventil 28 wird durch die Kraft F₄ beschleunigt und
öffnet schlagartig gegen die Kraft der Feder 30.
Um die Kraft F₄ zu erhöhen, die benötigt wird, um die Geschwindigkeit zum
Anheben des Nadelventils 28 zu erhöhen, und zwar auch
dann, wenn der Druck in der Akkumulatorkammer 27 gering ist
(d. h., die Einspritzgeschwindigkeit niedrig ist), sollte der
äußere Durchmesser d₂ die Ventilfläche 31 halb so groß oder
größer als der Durchmesser d₁ des gleitenden Abschnitts 29,
wie nachfolgend beschrieben, sein. Wenn zusätzlich zum
äußeren Durchmesser d₂ außerdem der äußere Durchmesser d₄
des vorderen Endes vergrößert wird (bezüglich des Ventilsitzes
32), ist der zum Öffnen des Nadelventils 28 notwendige
Hub für das Fließen des Brennstoffs durch dieses Ventil
reduziert. Hieraus resultiert, daß die Zeit, die erforderlich
ist, um den vollständigen Hub des Nadelventils auszuführen
(z. B. die Zeitspanne von dem Zeitpunkt t₅ zum Zeitpunkt
t₆) reduziert werden kann, wodurch die Ventilöffnungscharakteristik
wesentlich verbessert wird.
Im Gegensatz dazu schließt bei einer herkömmlichen Brennstoffeinspritzvorrichtung
des Akkumulatortyps das Nadelventil
ausschließlich aufgrund der Wirkung einer Feder
selbsttätig und der Druck zum Öffnen des Ventils ergibt
sich dabei aus:
(Kraft der Feder) : π/4 (d₁²-d₂²),
wobei der Druck zum Schließen des Ventils ausgedrückt wird
durch:
(Kraft der Feder) : π/4 d₁².
Die Druckdifferenz legt den minimalen Durchsatz der Benzineinspritzung
fest, so daß der Durchmesser d₂ so klein wie möglich
sein muß, verglichen mit dem vorgenannten Durchmesser
d₁. Aus diesem Grund öffnet das Nadelventil einer
herkömmlichen Benzineinspritzvorrichtung langsam und der erforderliche
Hub ist so groß, daß sich eine mangelhafte Öffnungscharakteristik
des Nadelventils ergibt.
Zum Zeitpunkt t₆ (Fig. 6) stößt, wie aus der Fig. 3 ersichtlich
ist, das obere Ende des Nadelventils 28 an die
untere Stirnfläche des Steuerkolbens 16, so daß dessen Hub
begrenzt ist und die Verbindung zwischen der Bohrung 17 und
der Kammer 20 geschlossen ist. Wie der Linie B in Fig. 6
zu entnehmen ist, steht zur gleichen Zeit in der Akkumulatorkammer
27 ein solcher Druck an, daß der Einspritzdurchsatz
maximal ist, wie durch die Linie D veranschaulicht.
Die Benzineinspritzung schreitet fort, der Druck in der
Akkumulatorkammer 27 fällt, wie durch die Linie B in Fig.
6 (gezeigt im Zustand nach Fig. 3), und der Einspritzdurchsatz
fällt ebenso wie durch die Linie D verdeutlicht.
Zu diesem Zeitpunkt ist kein Leckstrom, wie zuvor beschrieben,
zu verzeichnen, da die Akkumulatorkammer 27 mittels
des Rückschlagventils 11 geschlossen ist und der Druck in
der Kammer 22, 13, 21 und 20 im wesentlichen dem
Atmosphärendruck entspricht, so daß die auf den Steuerkolben
16 einwirkenden Drücke gleich sind. Es ist ferner vom
äußeren Umfang des gleitenden Abschnitts 7 des Reglers 6
über die Kammer 13 zur Bohrung 38 kein Leckstrom zu verzeichnen,
da der Druck in der Kammer 13 niedrig ist. Zu diesem
Zeitpunkt verhindern nur das Rückschlagventil und der
gleitende Abschnitt 29 des Nadelventils 28 einen Leckstrom
infolge der großen Druckdifferenz, diese Teile können geeignete
Dichtmittel, wie sie beim Stand der Technik verwendet
werden, aufweisen. Folglich ist ein konstanter Einspritzdurchsatz
zu verzeichnen, es treten keine Schwankungen
aufgrund eines Leckstroms während der Brennstoffeinspritzung
auf. Die Brennstoffeinspritzung setzt sich bis
zum Zeitpunkt t₇ (Fig. 6) fort, zu dem die zusammengesetzte
Kraft aus ((Fläche des Rückschlagventils
11) × (Druck P₂ in der Akkumulatorkammer 27)) + (Kraft der
Feder 10) geringer wird als die Kraft der Feder 8, so daß
der Regler 6 nach unten gedrückt wird und das Rückschlagventil
11 öffnet. Folglich fließt der unter Hochdruck stehende
Brennstoff von der Akkumulatorkammer 27 über die Leitungen
26 und 25 und die Kammer 24 durch das Rückschlagventil 11
und weiter durch die Kammer 22 und die Leitung 23 in die
Kammer 21. Das untere Ende der Bohrung 17 des Steuerkolbens
16 ist dann von der oberen Fläche des Nadelventils 28 abgedeckt,
wie in Fig. 3 gezeigt, so daß der Druck in der
Kammer 21 mit dem Druck in der Akkumulatorkammer 27 übereinstimmt.
Da der Druck in der Kammer 20, wie beschrieben, in
etwa bis auf Atmosphärendruck abgefallen ist, ergibt sich
die Kraft F₅ auf den Steuerkolben 16, die das Nadelventil
28 nach unten bewegen will, durch folgende Gleichung:
F₅ = π/4 d₃² × (Druck in der Akkumulatorkammer 27) + (Kraft in der Feder 30) - (Kraft in der Feder 15).
Die Kraft F₆, die das Nadelventil nach oben bewegen will,
ergibt sich durch folgende Gleichung:
F₆ = π/4 d₁² × (Druck in der Akkumulatorkammer 27).
Da die Kraft in der Feder 15, wie zuvor beschrieben, vernachlässigbar
ist, und da d₃ < d₁ ist, folgt, daß die nach
unten gerichtete Kraft F₅ größer ist als die nach oben
gerichtete Kraft F₆, so daß die aufgebrachte Kraft
F₇ = F₅-F₆ das Nadelventil 28 beschleunigt.
Zu diesem Zeitpunkt kann die verbrauchte Energie wie folgt
ausgedrückt werden:
π/4 (d₁²-d₂²) × (Druck in der Akkumulatorkammer 27) × (Weg des Nadelventils 28).
Infolge des Energieverlustes sinkt der Druck in der Akkumulatorkammer
27 auf ein Niveau P₃, wie durch die Linie B
zum Zeitpunkt t₈ veranschaulicht.
Bei der Brennstoffeinspritzvorrichtung nach der vorliegenden
Erfindung wirkt das Nadelventil 28 nicht selbsttätig
und es kann dessen Schließgeschwindigkeit durch eine geeignete
Einstellung der Kraft und des Hubes des Nadelventils,
wie zuvor beschrieben, erhöht werden, womit die Schließdauer,
d. h. die Zeitdauer von t₇ bis t₈ verringert wird und
das sog. "scharfe Ende" ergibt. Ferner drückt während der
Zeitdauer t₈ bis t₉ der Steuerkolben 16 weiterhin auf
dessen Nadelventil 28, wie durch die Linie 9 und in der
Fig. 5 verdeutlicht, und es fließt der in der Akkumulatorkammer
27 befindliche Brennstoff durch den einzigen Durchgang,
d. h. die Drossel 18, und tritt in die Kammer 20 bei
niedrigem Druck ein, so daß der Druck in der Akkumulatorkammer
27 und in der Kammer 21 allmählich fließt, bis er zum
Zeitpunkt t₉ das Niveau P₄ in der Linie B erreicht hat, wobei
dieser Druck sich angeben läßt durch:
Folglich wird der Steuerkolben 16 durch die Feder 15 nach
oben bewegt, bis er zum Zeitpunkt t₁₀ die in der Fig. 1
dargestellte Stellung erreicht.
Die Bohrung 17, die zu diesem Zeitpunkt durch das obere
Ende des Nadelventils 28 verschlossen ist, wird dann geöffnet,
so daß Brennstoff mit dem Druck P₄ von der Akkumulatorkammer
27 über die Bohrung 17, die Kammer 20 und die
Hochdruckbrennstoffleitung 19 zur nicht dargestellten Einspritzpumpe
zurückgefördert wird. Zum Zeitpunkt t₁₁ ist der
Takt beendet und es wird die Einspritzvorrichtung zum Ausgangspunkt
(t₁) gemäß der Darstellung in Fig. 1 zurückgeführt.
Die Regelung der Brennstoffeinspritzung erfolgt wie beim
Stand der Technik. Um die Benzineinspritzung zu reduzieren,
wird beispielsweise der maximale Druck in der Akkumulatorkammer
27 erniedrigt, wie durch die Linie B′ dargestellt,
indem die Brennstoffzufuhr von der Einspritzpumpe zu dieser
gedrosselt wird, wie gemäß der einfach punktierten Linie in
Fig. 6 verdeutlicht. Sobald der Schließdruck erreicht ist,
schließt das Nadelventil 28 wie beschrieben schlagartig, so
daß der Einspritzdurchsatz sich ändert, wie durch die einfach
punktierte Linie D′ angedeutet, wodurch sich deren
Integral reduziert, d. h. die Brennstoffeinspritzung. Werden
die Drossel 18 des Steuerkolbens 16 und die Feder 15 weggelassen,
nehmen der Steuerkolben 16 und das Nadelventil 28
die in der Fig. 5 dargestellten Positionen während der Zeitdauer
t₈ bis t 2′ nach Fig. 6 ein. Überschreitet der Druck
in der Hochdruckbrennstoffleitung P₃ zum Zeitpunkt t 2′′,
wird der Steuerkolben 16 in die in Fig. 1 dargestellte Position
angehoben, so daß Brennstoff weiterhin strömt. Es erfolgt
infolgedessen weder irgendeine Änderung im folgenden
Betrieb noch ist eine Einschränkung zu verzeichnen, ob die
Drossel 18 angeordnet ist oder nicht.
Es wurde bereits Bezug genommen auf den Regler 6, der sowohl
als Sensor bezüglich des Druckes in der Akkumulatorkammer
27 als auch als Betätigungsorgan zum Öffnen des Rückschlagventils,
wie in der Fig. 1 dargestellt, dient. Wird
in einem anderen Fall die Brennstoffzuführmenge von der Einspritzpumpe
so bemessen, daß der Druck in der Akkumulatorkammer
zum Zeitpunkt t₅ konstant bleibt, wie in Fig. 6
dargestellt, kann die Brennstoffeinspritzung gemäß Linie D
durch die Verwendung einer Zeitsteuerung (wie beispielsweise
eine Uhr) geregelt werden, wobei das Schließen des
Nadelventils 28 zum Zeitpunkt t 7′ durch die Betätigung des
Reglers 6 bei Verwendung eines hydraulischen oder elektrischen
Betätigungsorganes zum Öffnen des Rückschlagventils
11 und durch das zwangsweise Schließen des Nadelventils 28
durch den Steuerkolben 16 eingeleitet wird.
Wie bereits beschrieben wurde, kann der Öffnungsdruck des
Nadelventils 28 durch die Wahl des Durchmessers d₁ des
gleitenden Abschnittes 29, des äußeren Durchmessers d₂ der
Ventilfläche 31 und die durch die Feder 30 ausgeübte Kraft,
hingegen der Schließdruck durch die Fläche des Rückschlagventils
und die Kraft der Feder 8 festgelegt werden. Dies
ermöglicht es sicherzustellen, daß die Differenz zwischen
den Öffnungs- und Schließdrücken des Nadelventils 28 gering
ist und hierdurch die minimale Brennstoffeinspritzung reduziert
wird. Ferner ermöglicht die Verwendung eines Nadelventils
28 mit verringertem Unterschied zwischen dem äußeren
Durchmesser d₁ des gleitenden Abschnittes 29 und des
äußeren Durchmessers d₂ der Ventilfläche 31 eine zuverlässige
und umgehende Öffnung einer Brennstoffeinspritzvorrichtung
des Akkumulatortyps ohne jegliche unregelmäßige
Einspritzung. Der Regler 6 öffnet zwangsweise das Rückschlagventil
11, wodurch der Druck in der Akkumulatorkammer
27 zum Steuerkolben 16 gelangt, der einen Durchmesser d₃
aufweist, der größer ist als der Durchmesser d₁ des gleitenden
Abschnitts 29 des Nadelventils 28, wodurch dieses
niedergedrückt und geschlossen wird. Infolgedessen kann der
Durchsatz, bei dem das Nadelventil 38 geschlossen wird, gesteigert
werden, wodurch die minimale Einspritzung des
Brennstoffs reduziert wird. Auch kann die Dauer der Brennstoffeinspritzung
verkürzt werden, um den Einspritzdurchsatz
künstlich zu erhöhen, so daß die Verbrennung des Brennstoffs
im Motor und folglich der thermische Wirkungsgrad
des Motors durch ein Ansteigen der Wärmefreisetzung und
eine Steigerung der Isochoren erhöht wird. Sogar für den
Fall, daß der Einspritzzeitpunkt verzögert wird, kann
sichergestellt werden, daß die Verbrennung nur eine geringe
Umweltverschmutzung unter Emission von scharzem Rauch und
Stickstoffoxiden produziert.
Claims (3)
1. Brennstoffeinspritzvorrichtung, mit
einem durch eine Akkumulatorkammer geführten Nadelventil zum Öffnen und Schließen einer mit der Akkumulatorkammer in Verbindung stehenden Einspritzöffnung,
einer mit der Akkumulatorkammer in Verbindung stehenden Brennstoffzufuhrleitung,
einem in der Brennstoffzufuhrleitung angeordneten, in Abhängigkeit vom Druck in der Brennstoffzufuhrleitung schaltenden Ventil, und
einem vom Druck in der Brennstoffzufuhrleitung beaufschlagbaren und in Abhängigkeit von diesem betätigbaren Steuerelement für das Ventil, welches das Ventil unterhalb eines bestimmten Druckes in seiner Offenstellung hält, und einem in der Brennstoffzufuhrleitung stromaufwärts des Ventils angeordneten Steuerkolben zur Beaufschlagung eines in einer Bohrung gleitend geführten Abschnittes des Nadelventils, um diese in die Schließstellung zu bewegen, wobei der wirksame, vom Druck in der Brennstoffzufuhrleitung beaufschlagbare Durchmesser des Steuerkolbens größer ist als der gleitend geführte Abschnitt des Nadelventils, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkolben (16) einen vom gleitend geführten Abschnitt (29) des Nadelventils verschließbaren Durchgang (17) aufweist.
einem durch eine Akkumulatorkammer geführten Nadelventil zum Öffnen und Schließen einer mit der Akkumulatorkammer in Verbindung stehenden Einspritzöffnung,
einer mit der Akkumulatorkammer in Verbindung stehenden Brennstoffzufuhrleitung,
einem in der Brennstoffzufuhrleitung angeordneten, in Abhängigkeit vom Druck in der Brennstoffzufuhrleitung schaltenden Ventil, und
einem vom Druck in der Brennstoffzufuhrleitung beaufschlagbaren und in Abhängigkeit von diesem betätigbaren Steuerelement für das Ventil, welches das Ventil unterhalb eines bestimmten Druckes in seiner Offenstellung hält, und einem in der Brennstoffzufuhrleitung stromaufwärts des Ventils angeordneten Steuerkolben zur Beaufschlagung eines in einer Bohrung gleitend geführten Abschnittes des Nadelventils, um diese in die Schließstellung zu bewegen, wobei der wirksame, vom Druck in der Brennstoffzufuhrleitung beaufschlagbare Durchmesser des Steuerkolbens größer ist als der gleitend geführte Abschnitt des Nadelventils, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkolben (16) einen vom gleitend geführten Abschnitt (29) des Nadelventils verschließbaren Durchgang (17) aufweist.
2. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Nadelventil (28)
sich von der Ventilfläche (31) aus zum vorderen
Ende verjüngt.
3. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1
oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere
Durchmesser (d₂) der Ventilfläche (31) des
Nadelventils (28) vergrößert ist und
insbesondere zumindest halb so groß ist wie der
Durchmesser (d₁) des gleitenden Abschnittes
(29).
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