EP0432403B1 - Verfahren zum intermittierenden Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, sowie Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1.
• Durch eine aus DE-OS 22 42 344 bekannte Einspritzdüse wird der Einspritzvorgang allein durch die auf die Düsennadel einwirkenden Kräfte gesteuert. Einerseits wird die Düsennadel durch die Druckfeder in Schließstellung gehalten, andererseits versucht der Druck des von einer Einspritzpumpe kommenden Brennstoffes die Düsennadel gegen die Kraft der Druckfeder anzuheben. Um höhere Einspritzdrücke zu verwirklichen, ohne die Kraft der Druckfeder über ein erträgliches Maß steigern zu müssen, wird sie durch einen in Schließrichtung wirkenden Hilfskolben unterstützt. Wenn der Druck des Brennstoffes die Kraft der Druckfeder überwindet wird durch Freigabe einer Einspritzbohrung Brennstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt, bis durch Abbau des Druckes die Druckfeder und der Hilfskolben die Düsennadel zum Schließen veranlaßt. Dieses bekannte Einspritzverfahren läßt allerdings kein gesteuertes mehrfaches Öffnen und Schließen der Einspritzdüse während eines Arbeitsspieles zu.
• Aus SU-A-681 206 ist eine Einspritzdüse bekannt, welche der Unterteilung des Einspritzvorganges in eine Vor- und Haupteinspritzung dient. Zu diesem Zweck weist die Düsennadel eine Rundkerbe auf. Von dieser Rundkerbe führen diagonal in der Düsennadel verlaufende Bohrungen in einen Druckraum vor den Düsenbohrungen. In Schließstellung der Düsennadel ist die Rundkerbe mit einer Zulaufbohrung für den Brennstoff verbunden, so daß bei einsetzender Förderung der Einspritzpumpe der Brennstoff über die Rundkerbe und die diagonalen Bohrungen in den Druckraum gelangt und die Düsennadel anhebt. Nach dem Anheben der Düsennadel wird die Zulaufbohrung zum Teil wieder durch die Unterkante der Rundkerbe überdeckt, so daß die Brennstoffzufuhr gedrosselt wird und sich die Hubgeschwindigkeit der Düsennadel verringert. Vorübergehend wird die Brennstoffzufuhr durch das Überfahren der Zulaufbohrung durch die Unterkante der Rundkerbe unterbrochen. In oberster Stellung der Düsennadel hingegen, deren Bewegung durch Anschlag begrenzt wird, gibt eine weitere Kante der Düsennadel den direkten Weg des Brennstoffes von der Zulaufbohrung zum Druckraum frei. Dadurch wird die Düsennadel so lange in geöffneter Stellung gehalten, bis der Förderdruck der Einspritzpumpe absinkt. Die Düsennadel fällt dann in die Schließstellung zurück und öffnet erst wieder, wenn die Förderung der Einspritzpumpe erneut einsetzt. Eine oszillierende Bewegung der Düsennadel während eines Fördervorganges der Einspritzpumpe ist somit nicht möglich.
• Die gestiegenen Anforderungen an eine Verbesserung der Abgaswerte können mit dem konventionellen Arbeitsverfahren der Einspritzdüse nicht mehr befriedigt werden. Die Abgase der Diesel-Brennkraftmaschine sollen in ihrem Gehalt an CH Bestandteilen und in ihrem Gehalt an krebserregenden Rußpartikeln, die den Schwarzrauch verursachen reduziert werden. Gleichzeitig soll auch der Anteil an NOx verringert und das Verbrennungsgeräusch gemindert werden. Dies sind zum Teil konträre Forderungen, die mit dem konventionellen Einspritzverfahren nicht zu meistern sind.
• Ausgehend von dem bekannten Einspritzverfahren gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Einspritzverfahren derart weiterzubilden, daß der Gemischaufbereitungsprozeß und die davon abhängige Qualität des Verbrennungsablaufes so gesteuert werden kann, daß die Anteile an CH und Ruß reduziert werden, ohne daß der Anteil an NOx erhöht wird und daß dabei zugleich das Verbrennungsgeräusch eine Minimierung erfährt.
• Gelöst wird diese Aufgabe durch das dem Kennzeichen des Patentanspruches 1 entnehmbare Verfahren.
• Dadurch, daß die Düsennadel selbst als Steuerorgan für ein zeitlich periodisches Öffnen und Schließen fungiert, wird die Verbesserung der Gemischaufbereitung mit vergleichsweise geringen konstruktivem Aufwand ermöglicht. Die Folgen einer solchermaßen realisierten Modulation der eingespritzten Kraftstoffmenge ist ein, von kurzem Zündverzug gekennzeichneter Verbrennungsablauf. Dessen - aus akustischer Sicht willkommene - Verminderung des Körperschall- und damit Luftschallaufkommens ist auf eine Verringerung der Verbrennungsdruck-Anstiegsgeschwindigkeit zurückzuführen bis hin zum Ausbleiben der Anregung von Stehwellenfeldern im Brennnraum. Dies wiederum wirkt sich insofern zusätzlich positiv auf den NOx-Gehalt des Abgases aus, als die sonst in den örtlichen und zeitlichen Druckmaxima der Eigenformen anzutreffenden, NOx produzierenden, hohen Temperaturspitzen ebenfalls ausbleiben.
• Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 kann dem Kennzeichen des Anspruches 2 entnommen werden.
• Durch die Ringkerbe im Düsennadelschaft kann die Zufuhr des Brennstoffes zum Druckraum durch die Düsennadel selbst gesteuert werden. Die Düsennadel und die Druckfeder stellen ein Schwingungssystem dar, bei welchem die Düsennadel durch das Öffnen und Schließen der Brennstoffzufuhr zum Druckraum zu hochfrequenten Schwingungen angeregt wird. Der sonst in einem Zug erfolgende oder nur in eine Vor- und Haupteinspritzung unterteilte Einspritzvorgang wird in viele kleine Schritte unterteilt mit den vorab schon geschilderten Vorteilen.
• Die Steuerung der Brennstoffzufuhr zum Druckraum mittels der ersten und zweiten Nut mit der Ringkerbe des Düsennadelschaftes als Steuerorgan stellt eine ohne großen baulichen Aufwand zu realisierende Möglichkeit dar, die Einspritzung in kleine Takte zu zerlegen.
• Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung besteht nach Anspruch 3 darin, daß die Kraftquelle als Kolben ausgebildet ist, der mit einer kennfeldgesteuerten Druckquelle beaufschlagbar ist. Dadurch läßt sich der Öffnungsdruck den jeweils gewünschten Anforderungen anpassen.
• Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in Zeichnungen dargestellt. Es zeigt:

Figur 1

einen Längsschnitt durch ein Einspritzventil mit einem Düsennadelschaft als Steuerorgan

Figur 2

einen Querschnitt II-II durch die Einspritzdüse in Höhe einer Rundkerbe einer Düsennadel

Figur 3

ein Detail des Düsennadelschaftes mit einer Rundkerbe

Figur 4

eine Funktion der Kräfte an einer Düsennadel, aufgetragen über dem Druck

Figur 5-8

Funktionen der Bewegungs-Parameter der Düsennadel aufgetragen über der Zeit

• In Figur 1 ist ein Längsschnitt durch ein Einspritzventil dargestellt. Dieses besteht üblicherweise aus den Hauptkomponenten Düsenhalter 1, einem Düsenkörper 2 und einer Überwurfmutter 3 welche den Düsenkörper 2 und den Düsenhalter 1 verbindet. Im Düsenkörper 2 ist eine Düsennadel 4 geführt, welche von einer Druckfeder 5 in Schließstellung gehalten wird. Die Brennstoffzufuhr erfolgt über eine druckfeste Verschraubung 6 und eine Zulaufbohrung 7. Um hohe Brennstoffdrücke verwirklichen zu können, ohne daß die Nadelspitze 4 einschließlich zugeordnetem Dichtsitz Schaden nimmt, wird die Druckfeder 5 durch einen mit Brennstoffdruck belasteten Hilfskolben 8 entlastet. Der Hilfskolben 8 mit Durchmesser d3 trägt überwiegend zur Schließkraft bei. Der Schließkraft wirkt eine auf eine Druckschulter 9 eines Düsennadelschaftes 10 einwirkende Kraft entgegen. Die wirksame Druckfläche ergibt sich dabei aus der Differenz der Durchmesser d2 des Düsennadelschaftes 10 und dem Durchmesser d1 des Düsennadelsitzes.
• Erfindungsgemäß ist ein Druckraum 11 nicht ständig über die Zulaufbohrung 7 mit Druck beaufschlagt. Vielmehr kann der Zulauf von Brennstoff zum Druckraum 11 durch den Düsennadelschaft 10 gesperrt, oder durch eine Rundkerbe 12 freigegeben werden. In der gezeichneten Stellung der Düsennadel 4, also in der Schließstellung gelangt der Brennstoff über die Zulaufbohrung 7 und eine Verbindungsleitung 13 in eine Nut 14. Über die Rundkerbe 12 kann in der gezeigten Stellung über eine zweite Nut 15 und eine Leitung 16 der Druckraum 11 unter Druck gesetzt werden. Dieser Druck übt auf die Düsennadel 4 eine Kraft aus, die sich aus dem Produkt des hydraulischen Druckes und der wirksamen Kolbenfläche - gebildet aus der Differenz der Durchmesser d1 und d2 - ergibt. Diese Kraft wirkt der Summe der Kräfte aus Federkraft und Kraft des Hilfskolbens 8 entgegen und veranlaßt die Ventilöffnung. Durch die Bewegung der sich öffnenden Düsennadel 4 wandert die Rundkerbe 12 nach oben und der Düsennadelschaft versperrt den Nachschub von Brennstoff, währenddessen sich der Druck im Druckraum 11 durch Einspritzen eines Teilvolumens über Düsenbohrungen 16a soweit abbaut, daß die Düsennadel wieder in Schließstellung zurückfällt und das Spiel von neuem beginnt, solange, bis die Förderung von Brennstoff durch ein nicht dargestelltes Pumpenelement der Einspritzpumpe aufhört.
• Die jeweils gerade vorherrschende, sehr hohe, im kHz-Bereich liegende "Hubfrequenz" der Düsennadel ist abhängig von den Parametern: augenblickliche Kraftstofffördergeschwindigkeit des Pumpenelementes der Einspritzpumpe, Masse der Düsennadel, statische und dynamische Eigenschaften der Anpreßfeder und den wellenmecahnischen Eigenschaften des hydraulischen Pfades stromauf- und -abwärts von der Schieberventilfunktion befindlich.
• Zur Begrenzung der Oszillationsbewegung der Düsennadel 4 ist noch ein Anschlag 18 vorgesehen, der zwischen den Düsenkörper 2 und dem Düsenhalter 1 eingeschoben ist und mittels der Überwurfmutter 3 fixiert wird.
• Bei Vorhandensein eines, mittels Druckregler versehenen Druckerzeugers, beispielsweise einer Zahnradpumpe ist es möglich einen Federteller 5a der Druckfeder 5 unmittelbar als Kolben auszubilden und auf die Druckfeder 5 ganz zu verzichten. Der Hilfskolben 8 der vom Druck des Brennstoffes beaufschlagt wird, kann als Führungsstange fungieren, während der Raum der nicht mehr benötigten Druckfeder 5 über eine gestrichelt angedeutete Steuerleitung 5b mit einem regelbaren Druckerzeuger verbunden wird. Diese Variante ohne Druckfeder 5 läßt eine Variationsmöglichkeit des Öffnungsdruckes zu, indem über die Steuerleitung 5b der als Kolben ausgebildete Federteller 5a mit regelbarem Hydraulikdruck beaufschlagt wird. Der Öffnungsdruck läßt sich in an sich bekannter Weise über eine Kennfeldsteuerung in Abhängigkeit der Motorzustand-Parameter wie Motordrehzahl und Motorlast beeinflussen.
• Figur 2 zeigt einen Querschnitt II-II durch die Rundkerbe 12. Die beiden Nuten 14 und 15 erstreckten sich nur über einen Teil des Umfangs, so daß der Weg von der Nut 14 zur zweiten Nut 15 durch den Düsennadelschaft 10 unterbrochen werden kann. Nur die Rundkerbe 12 stellt die Verbindung von der Nut 14 über die zweite Nut 15 zum Druckraum 11 (Figur 1) her.
• Ein Detail der Rundkerbe 12 ist in Figur 3 dargestellt. Beim Überfahren einer ersten Steuerkante 19 wird die Brennstoffzufuhr über die Nuten 14 und 15 zum Druckraum 11 (Figur 1) freigegeben. Bei der weiteren Bewegung des Düsennadelschaftes 10 in der angegebenen Pfeilrichtung wird die Brennstoffzufuhr durch die zweite Steuerkante 20 wieder unterbrochen.
• In Figur 4 sind die an der Düsennadel 4 (Figur 1) angre ifenden Kräfte als Funktion des Brennstoffdruckes p dargestellt. Die Gerade A-B1 gibt den Verlauf der Kraft an der in Schließstellung befindlichen Düsennadel 4 wieder, wie er allein aus dem Brennstoffdruck resultiert, wenn er an der Fläche wie sie sich aus der Differenz der Durchmesser d1 und d2 der Düsennadel 4 ergibt, angreift (Figur 1). Diese Kraft wirkt in Öffnungsrichtung.
• Die Gerade F1-B1 ergibt sich aus der Kraft F1 der vorgespannten Druckfeder 5 (Figur 1) und des Hilfskolbens 8. Diese Kraft wirkt in Schließrichtung. Wenn der Brennstoffdruck Null ist wirkt lediglich die Kraft F1 der Druckfeder 5. Mit zunehmendem Druck p erhöht sich die Schließkraft durch die Kraft auf den Hilfskolben 8. Im Punkt B1 erreicht die in Öffnungsrichtung wirkende Kraft aus der Geraden A-B1 den Wert der Schließkraft aus der Geraden F1-B1. Das Ventil öffnet beim Druck pö1. Die Beziehung zwischen den am Öffnungsprozeß beteiligten Größen lautet: $$\text{pö1 =}\frac{\text{4}}{\text{π}}\text{·}\frac{\text{F1}}{\text{(d2² - d1² - d3²)}}$$

  

  
  darin bedeutet:

F1 =

Kraft der vorgespannten Druckfeder

d2 =

Durchmesser des Düsennadelschaftes

d1 =

Durchmesser des Dichtsitzes

d3 =

Durchmesser des Hilfskolbens

pö1 =

Öffnungsdruck

• Nach Öffnen der Düsennadel 11 erfolgt eine Vergrößerung der, von der Durchmesserdifferenz d₂ - d₁ bestimmten, im Öffnungssinne wirkenden Druckfläche auf einen, nur noch von d₂ vorgegebenen Wert. Die Kraft auf die Düsennadel wächst schlagartig auf den Wert D1 pö1 · A, mit A = $$\frac{\text{d2²· π}}{\text{4}}$$

  
• Durch Abspritzen in den Brennraum sinkt der Druck vom Punkt pö1 wieder ab, wie es durch die Teilgerade D1-D1' angedeutet ist. Bei Freigabe der Rundkerbe 12 (Figur 1) beginnt das Spiel der Düsennadel erneut, wobei sich die Wiederholfrequenz der Düsennadel im Bereich mehrerer kHz bewegt.
• Die Vorgänge an der Düsennadel sind qualitativ in den Figuren 5 bis 8 dargestellt.
• Figur 5 stellt eine Funktion des Düsennadelweges über der Zeit t aufgetragen dar. Zum Zeitpunkt T1 beginnt die Düsennadel abzuheben und erreicht ihren maximalen Hub. Der Hub wird begrenzt durch den Anschlag des Düsennadelschaftes 10 am Anschlag 18 (Figur 1). Durch Abspritzen des Brennstoffes in den Brennraum fällt der Druck wieder ab, da die Zufuhr weiteren Brennstoffes, wie in der Figur 1 beschrieben, durch den Düsennadelschaft selbst unterbrochen wird. Im Punkt T2 setzt die Düsennadel weich auf, bzw. erfährt kurz vor dem Aufsetzen eine Bewegungsumkehr womit das Spiel von neuem beginnt.
• Den Druckverlauf über der Zeit t gibt Figur 6 wieder. Zunächst steigt dem Druck etwa linear bis zum Öffnungsdruck pö an (siehe Figur 4). Im Zeitpunkt T1 öffnet die Düsennadel, der Leitungsdruck fällt durch Abspritzen des Brennstoffes in den Brennraum ab. Bevor in T2 die Düsennadel aufsetzt wird über die Rundkerbe 12 (Figur 1) die Brennstoffzufuhr zum Druckraum 11 wieder frei, so daß es zu einem erneuten Druckaufbau kommt, bis in T2 der Öffnungsdruck pö wieder erreicht wird.
• Aus dem Hub der Düsennadel nach Figur 5 ergibt sich der Freigabequerschnitt A, dessen Verlauf über der Zeit t in Figur 7 dargestellt ist.
• Die Figur 8 zeigt den Verlauf der auf die Düsennadel wirken den Kraft F. Zum Zeitpunkt T0 greift nur die Kraft der Druckfeder 5 (Figur 1) an, die in Schließrichtung wirkt. Mit ansteigendem Brennstoffdruck überlagert sich dieser Federkraft die aus den Durchmessern d1 bis d3 resultierende Differenzdruckkraft (Figur 4) bis in T1 die Kraft in Öffnungsrichtung die Kraft in Schließrichtung übersteigt. Die Kraft in Öffnungsrichtung steigt durch Freigabe des Durchmessers d1 auf den vollen Durchmesser d2 plötzlich an (Sprung vom Punkt B1 auf D1 in Figur 4). Durch Abspritzen in den Brennraum sinkt die Kraft wieder ab, bis im Punkt Ta Kräftegleichgewicht herrscht und anschließend die aus Federkraft und Kraft auf den Hilfskolben zusammengesetzten Kräfte in Schließrichtung die aus dem Druckraum 11 in Öffnungsrichtung auf den Durchmesser d2 wirkende Kraft überwinden, bis die Düsennadel im Zeitpunkt T2 schließt.

Claims (3)

1. Verfahren zum intermittierenden Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, wobei ein Öffnen und ein Schließen einer Düsennadel (4) einer Einspritzdüse allein durch ein Zusammenwirken einer in Richtung auf eine Schließstellung auf die Düsennadel (4) wirkenden Kraft einer Kraftquelle und einer in Richtung einer Öffnungsbewegung auf die Düsennadel (4) durch den Brennstoffdruck einwirkenden Kraft gesteuert wird, derart, daß in Schließstellung der Düsennadel (4) der Weg des Brennstoffes von einer Zulaufbohrung (7) zu einem Druckraum (11) eines Düsenkörpers (2) frei ist und dieser Weg des Brennstoffes im Laufe einer Öffnungsbewegung der Düsennadel (4) durch diese selbst wieder versperrt wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Ausschöpfen des größtmöglichen Hubes der Düsennadel (4) der Weg von der Zulaufbohrung (7) zum Druckraum (11) durch die Düsennadel (4) gesperrt ist.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei der die Kraftquelle aus einer die Düsennadel (4) in Schließrichtung belastenden Druckfeder (5) gebildet wird und einen diese Druckfeder unterstützenden Hilfskolben (8) auf- aufweist und die Düsennadel am gegenüberliegenden Ende in einem Druckraum (11) über eine Druckschulter (9) verfügt, welche den Übergang von der Düsennadel (4) zu einem Düsennadelschaft (10) bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsennadelschaft (10) eine Rundkerbe (12) aufweist, daß die Rundkerbe (12) den Weg des Brennstoffes von einer über eine Verbindungsleitung (13) mit der Zulaufbohrung (7) verbindbaren Nut (14) zu einer auf gleicher Ebene liegenden achsparallel angeordneten zweiten Nut (15) freigibt, bzw. beim Anheben der Düsennadel (4) in deren oberster Stellung wieder versperrt, und daß die zweite Nutz (15) über eine Leitung (16) mit dem Druckraum (11) im einem Düsenkörper (2) verbunden ist (Figur 1).
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftquelle aus einem als Kolben ausgebildeten Federteller (5a) besteht, und daß dieser Federteller (5a) über eine Steuerleitung (5b) im Düsenhalter (1) durch einen kennfeldgesteuerten Druckerzeuger beaufschlagbar ist.

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