Einrichtung zum Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum einer Hubkolbenbrennkraftmaschine

Abstract

 Die Einrichtung weist eine Brennstoffpumpe (1) und eine an deren Druckleitung (9) angeschlossene Einspritzdüse (10) auf. Die Einspritzdüse enthält eine mit einer Sitzfläche (15) zusammenwirkende Ventilnadel (14), die einen der Sitzfläche abgewendeten zylindrischen Führungs­abschnitt (14′) mit grösserem Querschnitt als der an die Sitzfläche (15) angrenzende zylindrische Nadelabschnitt (14˝) aufweist. Dieser Abschnitt (14˝) ist von einem Ringraum (16) umgeben, von dem aus Brennstoff beim Abheben der Ventilnadel über Spritzlöcher (18) in den Brennraum (19) strömt. Es ist ein mit Brennstoff gefüll­ter Speicherraum (20) vorgesehen, in den die Druckleitung (9) über ein Rückschlagventil (22) mündet. In der Ein­spritzdüse (10) ist ein unter dem Druck des Brennstoffs im Speicherraum (20) stehender und sich gegen den Füh­rungsabschnitt (14′) erstreckender, auf diesen wirkender Kolben (24) angeordnet. Der Querschnitt (F) dieses Kolbens ist grösser als der Querschnitt (D) des Führungs­abschnittes (14˝) und die diesem Führungsabschnitt zugewendete Stirnfläche des Kolbens (24′) ist von dem in der Druckleitung (9) vor dem Rückschlagventil (22) herrschenden Brennstoffdruck beaufschlagt. Vom Speicher­raum (20) führt ein Kanal (23) zum Ringraum (16).

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, mit einer Brennstoffein­spritzpumpe und einer an deren Druckleitung angeschlosse­nen Einspritzdüse, die eine mit einer Sitzfläche zusam­menwirkende Ventilnadel enthält, die einen der Sitzfläche abgewendeten zylindrischen Führungsabschnitt mit grösse­rem Querschnitt als der an die Sitzfläche angrenzende zylindrische Abschnitt aufweist, der von einem Ringraum umgeben ist, von dem aus Brennstoff taktweise durch Abheben der Ventilnadel von der Sitzfläche zu mindestens einem in den Brennraum mündenden Spritzloch strömt.

[0002] Bei den üblichen Einspritzeinrichtungen dieser Art ist der die Ventilnadel umgebende Ringraum in der Einspritz­düse über die Druckleitung mit der Brennstoffpumpe verbunden. Die Ventilnadel wird durch die Kraft einer Druckfeder in Schliessrichtung gegen die Sitzfläche gedrückt. Eine Oeffnungsbewegung der Ventilnadel wird entgegen dieser Federkraft durch den Druck des im Ring­raum befindlichen Brennstoffs bewirkt, der auf die durch die unterschiedlichen Querschnitte bedingte Differenz­fläche oder Schulter am Uebergang vom Führungsabschnitt zum anderen Abschnitt der Ventilnadel wirkt.

[0003] Es ergibt sich somit ein Oeffnungsdruck für die Ventil­nadel, der von dem Verhältnis von Federkraft zu Diffe­renzfläche abhängig ist, sowie ein Schliessdruck für die Ventilnadel, der von dem Verhältnis Federkraft zu Quer­schnitt des Führungsabschnittes abhängig ist. Der Oeffnungsdruck liegt im allgemeinen 1,3 bis 2 mal höher als der Schliessdruck. Der Schliessdruck muss um einen genügend hohen Wert über dem Druck im Brennraum liegen, um ein einwandfreies Schliessen der Ventilnadel zu gewährleisten.

[0004] Zwischen dem Oeffnungsdruck und dem Schliessdruck, d.h. während der Einspritzphase, steigt der Brennstoffdruck vor den Spritzlöchern auf ein Druckmaximum, wonach der Brennstoffdruck steil gegen den Schliessdruck abfällt. Bei einem Oeffnungsdruck von etwa 350 bar und einem Schliessdruck von etwa 200 bar liegt das Druckmaximum bei etwa 1500 bar. Der Druckverlauf über dem Hub der Ventil­nadel zeigt im wesentlichen die Form eines Dreiecks. Mit diesem Druckverlauf ist eine Kontinuität in dem Sinne, dass die Förderrate der Brennstoffpumpe gleich der aus den Spritzlöchern ausfliessenden Brennstoffmenge ist, nicht zu erreichen. Die maximal aus den Spritzlöchern strömende Brennstoffmenge beträgt ca. 60 % der momentan von der Brennstoffpumpe geförderten Menge. Die restliche von der Brennstoffpumpe geförderte Menge wird verbraucht, um das System zwischen dem Druckraum der Pumpe und den Spritzlöchern "aufzupumpen". Die für diese zusätzliche Kompressionsarbeit notwendige Energie muss für jeden Einspritzvorgang neu aufgebracht werden.

[0005] Die bisher üblichen Einspritzeinrichtungen der eingangs genannten Art haben folgende Nachteile:

1. Lange Einspritzdauer wegen des dreieckförmigen Druckverlaufs über dem Hub der Ventilnadel.

2. Gegen Ende der Einspritzphase besteht stark fallender Druck, was die Zerstäubung des Brennstoffs im Brenn­raum verschlechtert.

3. Die Brennstoffpumpe weist eine hohe Förderrate auf, die nur in ungenügendem Masse der Brennstoffeinsprit­zung zugute kommt.

[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einspritz­einrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass der Druckverlauf über dem Hub der Ventilnadel im wesentlichen rechteckige Form erhält, so dass bei gleicher Einspritzmenge die Einspritzdauer verkürzt werden kann. Ausserdem soll der Unterschied zwischen dem Druckmaximum und dem Schliessdruck ver­ringert werden, so dass die Zerstäubung des Brennstoffs auch gegen Ende der Einspritzphase möglichst gut bleibt.

[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass ein mit Brennstoff gefüllter Speicherraum vorgesehen ist, in den die Druckleitung über ein Rückschlagventil mündet, dass in der Einspritzdüse ein unter dem Druck des Brenn­stoffs im Speicherraum stehender und sich gegen den Führungsabschnitt der Ventilnadel erstreckender sowie auf diese wirkender Kolben angeordnet ist, dessen Quer­schnitt grösser ist als der Querschnitt des Führungsab­schnittes der Ventilnadel und dessen dem Führungsab­schnitt zugewendete Stirnfläche von dem in der Drucklei­tung vor dem Rückschlagventil herrschenden Brennstoff­druck beaufschlagt ist, und dass ein vom Speicherraum zum Ringraum führender Kanal vorhanden ist.

[0008] Durch den Speicherraum und das Rückschlagventil wird in der Einspritzdüse zwischen diesem Ventil und der Sitz­fläche stets ein relativ hoher Speicherdruck aufrechter­halten, der erlaubt, den Einspritzvorgang mit relativ hohem Druck zu beginnen, der dann während des weiteren Einspritzvorganges nur noch wenig ansteigt und am Ende des Einspritzvorganges nur wenig unterschritten wird. Es ergibt also im wesentlichen ein rechteckiger Druckverlauf über dem Hub der Ventilnadel, und es wird auch am Ende des Einspritzvorganges eine gute Zerstäubung des Brenn­stoffs aufrechterhalten. Durch die Anordnung des Kolbens wird bei Entlastung von dessen den Führungsabschnitt zugewendeter Stirnfläche ein starkes Ungleichgewicht der an ihm wirkenden Kräfte erzeugt, wodurch ein sicheres Schliessen der Ventilnadel erreicht wird. Damit ist auch das sogenannte Nachspritzen - durch ungewolltes Oeffnen der Ventilnadel infolge von Schwingungen des Brennstoff­druckes - vermieden. Da der Einspritzvorgang im wesent­lich bei konstantem Druck abläuft, muss keine zusätzliche Kompressionsarbeit für das "Aufpumpen" geleistet werden.

[0009] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in der folgen­den Beschreibung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Axialschnitt durch den oberen Teil einer Brennstoffeinspritzpumpe und durch eine Einspritzdüse und

Fig. 2 ein Diagramm mit dem Verlauf des Pumpen- sowie des Speicherdruckes und des Nadelhubes während eines Einspritzvor­ganges.

[0010] Die in Fig. 1 rechts dargestellte Brennstoffeinspritzpum­pe 1 weist einen Pumpenkolben 2 auf, der in üblicher Weise von einem nicht gezeigten Nocken auf- und abwärts­bewegt wird. Ein den Pumpenkolben 2 umgebender Zylinder 3 weist radiale Bohrungen 4 auf, die in einen den Zylinder umgebenden Ringraum 5 münden, dem der einzuspritzende Brennstoff auf nicht dargestellte Weise mit relativ niedrigem Druck zugeführt wird. Mit den Bohrungen 4 wirken eine obere Steuerkante 6 und eine untere Steuer­kante 7 zusammen, die sich am Pumpenkolben 2 befinden und die den Förderbeginn bzw. das Förderende der Pumpe 1 während der Aufwärtsbewegung des Pumpenkolbens 2 bestim­men. Vom Druckraum 8 der Pumpe 1 führt eine Druckleitung 9 zu einer Einspritzdüse 10.

[0011] Die Einspritzdüse 10 besteht im wesentlichen aus zwei Gehäuseteilen 11 und 12, die durch eine Ueberwurfmutter 13 zusammengehalten werden. Im unteren Gehäuseteil 12 ist eine Ventilnadel 14 angeordnet, die einen oberen Füh­rungsabschnitt 14′ mit dem Durchmesser D und einen unteren Abschnitt 14˝ mit einem kleineren Durchmesser d aufweist. Am unteren Ende des Abschnitts 14˝ schliesst sich an die Ventilnadel 14 eine Kegelfläche an, die mit einer kegeligen Sitzfläche 15 im Gehäuseteil 12 zusammen­wirkt. Der Abschnitt 14˝ ist von einem Ringraum 16 umgeben. Unterhalb der Sitzfläche 15 gehen von einem Raum 17 des Gehäuseteils 12 Spritzlöcher 18 aus, die in den Brennraum 19 des nicht näher dargestellten Zylinders der Hubkolbenbrennkraftmaschine der Dieselbauart münden.

[0012] Der obere Gehäuseteil 11 der Einspritzdüse 10 weist einen Speicherraum 20 für den einzuspritzenden Brennstoff auf, der über einen Kanal 21 mit der Druckleitung 9 in Verbin­dung steht. Der Speicherraum ist im Betrieb der Einspritzdüse voll mit Brennstoff gefüllt, d.h. er enthält kein Gaspolster. Im Kanal 21 ist ein Rückschlag­ventil 22 angeordnet, das ein Zurückströmen von Brenn­stoff aus dem Speicherraum 20 in die Druckleitung 9 verhindert. Der Speicherraum 20 ist über einen sich durch die Gehäuseteile 11 und 12 erstreckenden Kanal 23 mit dem Ringraum 16 verbunden. In den Speicherraum 20 ragt ein zur Ventilnadel 14 koaxial angeordneter Kolben 24, der im Gehäuseteil 11 geführt ist und einen Durchmesser F auf­weist, der grösser ist als der Durchmesser D des Füh­rungsabschnitts 14′ der Ventilnadel. Zwischen dem in den Speicherraum 20 ragenden Ende des Kolbens 24 und einem den Speicherraum 20 verschliessenden Deckel 26 der Einspritzdüse 10 ist eine Druckfeder 25 angeordnet, die den Kolben 24 in Richtung der Ventilnadel 14 drückt und deren Schliessbewegung unterstützt. Die dem Speicherraum 20 abgewendete Stirnfläche des Kolbens 24 steht über einen Kanal 27 unter dem Einfluss des Brennstoffdruckes in der Druckleitung 9, indem der Kanal 27 in Strömungs­richtung des Brennstoffs vor dem Rückschlagventil 22 von dem Kanal 21 abzweigt. Zwischen dieser Stirnfläche des Kolbens 24 und dem Führungsabschnitt 14′ der Ventilnadel ist eine Druckstange 28 im Gehäuseteil 11 zur Bewegungs­übertragung vorgesehen.

[0013] Die Einrichtung funktioniert wie folgt: Die Speicherwir­kung ergibt sich im wesentlichen aus der Elastizität des im Raum 20 eingeschlossenen Brennstoffs und der der Wandung, die diesen Raum umgibt. Der Speicherraum 20 ist von den vorhergehenden Einspritzvorgängen her mit Brenn­stoff unter einem Speicherdruck Psp von 1300 bis 1400 bar bei Vollast der Brennkraftmaschine gefüllt, der die obere Stirnfläche des Kolbens 24 belastet (vergl. gestrichelte Linie Psp im linken Bereich der Fig. 2). Der Speicherdruck Psp wirkt zugleich auch auf die Differenz­fläche (D-d) am Uebergang vom Abschnitt 14′ zum Abschnitt 14˝ der Ventilnadel 14. Da diese Differenzfläche wesent­lich kleiner ist als die obere Stirnfläche des Kolbens 24, wird die Düsennadel 14 vom Kolben 24 in der Schliess­stellung gehalten. Wenn im Laufe einer Aufwärtsbewegung des Pumpenkolbens 2 dessen obere Steuerkante 6 die Bohrungen 4 im Zylinder 3 verschliesst - dies entspricht der in Fig. 1 gezeichneten Stellung des Kolbens 2 - beginnt der Brennstoffdruck Pp im Druckraum 8 der Pumpe zu steigen (vergl. Zeitpunkt K in Fig. 2). Dieser grösserwerdende Druck beaufschlagt über die Druckleitung 9 und den Kanal 27 die untere Stirnseite des Kolbens 24. Wenn Gleichgewicht der Kräfte am beweglichen System - bestehend aus Kolben 24, Druckstange 28 und Ventilnadel 14 - entsteht, beginnt die Oeffnungsbewegung der Ventil­nadel (vergl. Zeitpunkt L in Fig. 2). Sofort nach dem Abheben der Ventilnadel wird deren Oeffnungsbewegung durch die auf den ganzen Nadelquerschnitt von unten wirkende hydraulische Kraft unterstützt. Es fliesst jetzt Brennstoff aus dem Speicherraum 20 über den Kanal 23, die Räume 16 und 17 und die Spritzlöcher 18 unter Strahlbil­dung in den Brennraum 19. Dabei nimmt der Speicherdruck Psp etwas ab, wogegen der Pumpendruck Pp noch weiter steigt, bis dieser den Druck im Speicherraum übersteigt und das Rückschlagventil 22 geöffnet wird (vergl. Zeit­punkt M in Fig. 2). Der Kolben 24 wird damit unwirksam, da seine beiden Stirnflächen vom selben Druck beauf­schlagt werden. Je nachdem, wie der Querschnitt der Spritzlöcher 18 auf die Förderrate der Brennstoffpumpe 1 abgestimmt ist, variiert nach dem Oeffnen des Rückschlag­ventils 22 der Druck etwas. Wenn die untere Steuerkante 7 des Pumpenkolbens 2 die Bohrungen 4 freilegt, ist das Ende der Förderphase der Pumpe erreicht, und es tritt eine rapide Druckentlastung im Druckraum 8, in der Druckleitung 9 und auf der unteren Stirnseite des Kolbens 24 ein (Zeitpunkt N in Fig. 2). Das Rückschlagventil 22 schliesst dabei unverzüglich. Das nun entstehende Un­gleichgewicht am beweglichen System 24, 28, 14 leitet eine Schliessbewegung der Düsennadel 14 ein (vergl. Zeitpunkt O in Fig. 2). Während der Schliessbewegung der Ventilnadel 14 wird weiter Brennstoff in den Brennraum 19 eingespritzt, wobei der Speicherdruck Psp etwas abfällt, bis dieser wieder den Wert vor dem Förderbeginn der Pumpe hat (vergl. Zeitpunkt R in Fig. 2). Gleichzeitig ist in diesem Punkt die Schliessbewegung der Ventilnadel 14 beendet. Die Einspritzdauer erstreckt sich also zwischen den Zeitpunkten L und R und der Speicherdruck liegt im allgemeinen oberhalb des Oeffnungsdruckes und des Schliessdruckes der Ventilnadel.

[0014] Das Ausführungsbeispiel ist an einer Brennstoffpumpe mit Steuerkanten erläutert worden. Abweichend davon kann auch eine Brennstoffpumpe verwendet werden, bei der der Förderbeginn und das Förderende durch Schliessen eines Saugventils bzw. durch Oeffnen eines Ueberströmventils gesteuert werden.

Ansprüche

1. Einrichtung zum Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, mit einer Brennstoffeinspritzpumpe und einer an deren Druckleitung angeschlossenen Einspritzdüse, die eine mit einer Sitzfläche zusammenwirkende Ventilnadel enthält, die einen der Sitzfläche abgewendeten zylindrischen Führungsabschnitt mit grösserem Quer­schnitt als der an die Sitzfläche angrenzende zylin­drische Abschnitt aufweist, der von einem Ringraum umgeben ist, von dem aus Brennstoff taktweise durch Abheben der Ventilnadel von der Sitzfläche zu minde­stens einem in den Brennraum mündenden Spritzloch strömt, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit Brennstoff gefüllter Speicherraum vorgesehen ist, in den die Druckleitung über ein Rückschlagven­til mündet, dass in der Einspritzdüse ein unter dem Druck des Brennstoffs im Speicherraum stehender und sich gegen den Führungsabschnitt der Ventilnadel erstreckender sowie auf diese wirkender Kolben angeordnet ist, dessen Querschnitt grösser ist als der Querschnitt des Führungsabschnitts der Ventilna­del und dessen dem Führungsabschnitt zugewendete Stirnfläche von dem in der Druckleitung vor dem Rückschlagventil herrschenden Brennstoffdruck beauf­schlagt ist, und dass ein vom Speicherraum zum Ringraum führender Kanal vorhanden ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Speicherraum eine auf den Kolben wirkende Druckfeder angeordnet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­zeichnet, dass der Speicherraum in der Einspritzdüse an dem dem Führungsabschnitt abgewendeten Ende des Kolbens angeordnet ist.

Zeichnung