Kraftstoffeinspritzvorrichtung

Abstract

 Kraftstoffeinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einer Hubkolbenpumpe zum Fördern von Kraftstoff mittels eines Förderkolbens (20) zu einer Einspritzdüse (9) der Brennkraftmaschine und einer Verzögerungseinrichtung (55,57), die derart ausgebildet ist, daß die Energieübertragung vom Förderkolben (20) auf den Kraftstoff verzögert erfolgt.
Mit der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung wird eine bessere Energieausbeute bei der Übertragung der kinetischen Energie des Förderkolbens (20) auf den Kraftstoff erzielt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen.

[0002] Derartige Kraftstoffeinspritzvorrichtungen sind z.B. aus der DD-PS 213 472, WO 96/34196, EP 0 630 442 B1, DB 195 15 782 A1, WO 93/18297 und DE 42 06 817 C2 bekannt.

[0003] Eine derartige Kraftstoffeinspritzvorrichtung weist eine Hubkolbenpumpe mit einem Beschleunigungskörper und einem einen Kraftstoff enthaltenden Raum begrenzenden Förderkolbenelement auf (s. z.B. DD-PS 213 472). Sie kann nach dem sogenannten Festkörper-Energiespeicherprinzip arbeiten, d.h., daß der Beschleunigungskörper während einer nahezu widerstandslosen Beschleunigungsphase z.B. von einem Elektromagneten beschleunigt wird, wobei der Beschleunigungskörper kinetische Energie speichert. Am Ende der Beschleunigungsphase trifft der Beschleunigungskörper auf das Förderkolbenelement, wodurch schlagartig die kinetische Energie des Förderkolbenelementes auf den Kraftstoff übertragen wird.

[0004] Der Kraftstoff wird durch eine Druckleitung zu einer Einspritzdüse befördert, mit welcher der Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird.

[0005] Aus der DE 42 06 817 C2 ist eine nach dem Festkörper-Energiespeicherprinzip arbeitende Kraftstoffeinspritzvorrichtung bekannt, die anstelle des Beschleunigungskörpers und des Förderkolbenelementes lediglich einen Förderkolben aufweist, der während einer nahezu widerstandslosen Beschleunigungsphase Kraftstoff in ein Volumenspeicherelement fördert (z.B. Fig. 1 der DE 42 06 817 C2). Das Volumenspeicherelement weist eine elastische Membran auf, die beim Eintreten von Kraftstoff in das Volumenspeicherelement nachgibt und das Volumen des Volumenspeicherelementes verändert. Ist das maximale Volumen des Volumenspeicherelementes erreicht, so wird schlagartig die weitere Förderung von Kraftstoff in das Volumenspeicherelement unterbrochen und die im Förderkolben gespeicherte Energie auf den Kraftstoff übertragen, der über eine Einspritzdüse abgespritzt wird. Die elastische Membran wird von einer Feder in der Ausgangsstellung gehalten. Die Federhärte der die Membran beaufschlagenden Feder ist so gering gewählt, daß entsprechend der Lehre dieses Patentes die Beschleunigungsphase des Kolbens im wesentlichen widerstandslos ist.

[0006] Aus der DE 42 06 817 C2 geht eine weitere Ausführungsform hervor (Fig. 6), bei der der Förderkolben axial verschieblich im Anker gelagert ist. Zu diesem Zweck ist im Anker eine Mittellängsbohrung in Art einer Sacklochbohrung eingebracht, wobei das Sacklochende der Bohrung einen geringeren Durchmesser als der zentrale Teil der Bohrung aufweist, in welcher der Förderkolben durch ein integral mit diesem ausgebildeten Führungsteil geführt ist. Das Führungsteil des Kolbens wird von einer Feder beaufschlagt, die relativ weich ausgebildet ist und sich mit ihrem anderen Ende am Boden der Sacklochbohrung des Ankers abstützt. Die Feder dient dazu, daß der Kolben und der Anker in der Ausgangsstellung zwischen zwei Einspritzvorgängen auf Abstand gehalten werden und ist weich ausgebildet, damit die widerstandslose Beschleunigung des Ankers während der Beschleunigungsphase nicht beeinträchtigt wird.

[0007] Mit nach dem Festkörper-Energiespeicherprinzip arbeitenden Kraftstoffeinspritzvorrichtungen lassen sich sehr hohe Einspritzdrücke von 60 bis 80 bar realisieren.

[0008] In Fig. 5 ist der Druckverlauf einer herkömmlichen, eine Hubkolbenpumpe als Förderelement aufweisenden Einspritzvorrichtung, die insbesondere nach dem Festkörper-Energiespeicherprinzip arbeitet, gezeigt. Der Druck an der Einspritzdüse steigt zu einem Zeitpunkt t₁ schlagartig auf den maximalen Druck P_max an. Aufgrund von Druckreflexionen an der Einspritzdüse ist der Einspritzdruck nicht konstant, sondern kann erheblich schwanken. Insbesondere treten häufig Drucktäler (in Fig. 5 bei t₂) auf, die zu einer wesentlichen Verschlechterung des Einspritzverhaltens und insbesondere der Tröpfchenqualität führen. In diesen Drucktälern kann der Druck unter dem Düsenöffnungsdruck der Einspritzdüse abfallen, so daß es zu kurzzeitigen Unterbrechungen beim Einspritzvorgang kommen kann. Dies kann zu erheblichen Beeinträchtigungen beim Zünd- und Brennverhalten im Brennraum der Brennkraftmaschine führen. Am Ende des Einspritzpulses nimmt der Einspritzdruck durch den sich stetig verlangsamenden Förderkolben allmählich ab, so daß die anfänglich gute Zerstäubungswirkung (bei P_max) abnimmt. Diese undefinierten Druckzustände am Ende des Einspritzpulses werden zusätzlich von einem Prellen der Düsennadel überlagert, wodurch sowohl die Tröpfchengröße als auch die Kraftstoffmenge unkontrollierbar wird.

[0009] Zur Erzielung hoher Einspritzdrücke werden in der Automobiltechnik sogenannte Common-Rail-Systeme verwendet. Diese Common-Rail-Systeme besitzen ein unmittelbar an den Brennraum angrenzendes Hochdruck-Kraftstoffspeicherreservoir, in welchem Kraftstoff bspw. mit 100 bis 200 bar gespeichert ist. Der Kraftstoff wird durch Öffnen und Schließen eines Ventils in einen Brennraum eingespritzt.

[0010] Das Common-Rail-System kann im Vergleich zu den nach dem Festkörper-Energiespeicherprinzip arbeitenden Kraftstoffeinspritzvorrichtungen höhere Einspritzdrücke erzeugen.

[0011] Zudem ist der Druck über den gesamten Einspritzvorgang im wesentlichen konstant, wodurch ein sehr gleichmäßiger und fein zerstäubter Kraftstoffstrahl von der Einspritzdüse abgespritzt wird.

[0012] Nachteilig an dem Common-Rail-System ist der enorm hohe technische Aufwand zur Ausbildung des Hochdruck-Kraftstoffspeicherreservoirs und der entsprechenden Pumpeneinrichtungen, um permanent den Druck aufrecht zu erhalten.

[0013] Die eine Hubkolbenpumpe aufweisenden Einspritzvorrichtungen sind hingegen wesentlich kleiner, einfacher, leichter und stellen den Druck nur bei Bedarf zur Verfügung. Dies sind wesentliche Vorteile gegenüber dem Common-Rail-System.

[0014] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit einer Hubkolbenpumpe zu schaffen, die im Vergleich zu den herkömmlichen, insbesondere nach dem Festkörper-Energiespeicherprinzip arbeitenden Kraftstoffeinspritzvorrichtungen einen besseren und gleichmäßigeren Energieeintrag aufweist.

[0015] Die Aufgabe wird durch eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0016] Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung weist eine Verzögerungseinrichtung auf, die die Übertragung der Energie vom Förderkolben auf den Kraftstoff verzögert. Die Verzögerungseinrichtung ist derart ausgebildet, daß vorzugsweise im Bereich des Öffnungsdruckes der Einspritzdüse die Bewegung des Förderkolbens derart verzögert, daß der Druck im Kraftstoff nicht schlagartig ansteigt.

[0017] Diese scheinbar kontraproduktive Maßnahme, den Energieübertrag zu verzögern, die im Widerspruch zu den bisherigen Bestrebungen bei nach dem Festkörper-Energiespeicherprinzip arbeitenden Kraftstoffeinspritzvorrichtungen steht, bei welchen immer ein schlagartiger Energieübertrag erzielt werden soll, bringt überraschende Vorteile.

[0018] Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat erkannt, daß sich die Einspritzdüse nicht schlagartig öffnen kann. Während einer über einen Zeitraum von z.B. 0,5 ms andauernden Öffnungsphase ist wegen der nur teilweise geöffneten Einspritzdüse der Kraftstoffdurchsatz beschränkt, so daß die sich zwischen dem Förderkolben und der Einspritzdüse befindliche Kraftstoffsäule dem Förderkolben einen erheblichen Widerstand entgegensetzt und diesen abbremst. Zudem wird der durch die schlagartige Energieübertragung erzeugte Druck an der noch nicht oder nur teilweise geöffneten Einspritzdüse reflektiert, wodurch entgegen zur Förderrichtung gerichtete Druckwellen entstehen, die den Förderkolben zusätzlich bremsen und ihm somit Energie entziehen. Somit kann bei der herkömmlichen Einspritzvorrichtungen die zur Einspritzung zur Verfügung stehende Energie nicht vollkommen ausgenutzt werden.

[0019] Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird die Energieübertragung zumindest während des Bereichs der Öffnungsphase der Einspritzdüse verzögert, so daß während dieser Öffnungsphase der Energieübertrag vom Förderkolben auf die Kraftstoffsäule vermindert ist. Hierdurch werden der oben erläuterte Abbremseffekt verringert und die Erzeugung von an der teilweise geöffneten Einspritzdüse reflektierten Druckwellen wesentlich verringert. Es hat sich gezeigt, daß die Zeitdauer der Öffnungsphase im weitgehend unabhängig von dem an der Einspritzdüse anliegenden Druck ist, sofern er größer als der Öffnungsdruck P_Düse ist. Dies bedeutet, daß zusätzliche während der Öffnungsphase eingebrachte Energie die Öffnungsphase nicht wesentlich verkürzt, sondern zur Erzeugung von reflektierten Druckwellen und einer stärkeren Abbremsung des Förderkolbens führt.

[0020] Durch das Vorsehen der Verzögerungseinrichtung wird somit eine höhere Ausnützung der zur Verfügung stehenden Antriebsenergie als bei herkömmlichen Einspritzvorrichtungen erzielt.

[0021] Vorzugsweise ist die Energieübertragung vom Förderkolben auf die Kraftstoffsäule bis zum Erreichen des Öffnungsdruckes P_Düse der Einspritzdüse nicht verzögert, damit der Öffnungsdruck P_Düse im wesentlichen schlagartig erreicht wird, um ein möglichst schnelles Ansprechverhalten des Pumpe-Düse-Systems zu erhalten.

[0022] Die bei den herkömmlichen Einspritzvorrichtungen an der teilweise geöffneten Einspritzdüse reflektierten Druckwellen bremsen nicht nur den Förderkolben, sondern werden auch zwischen der Einspritzdüse und dem Förderkolben hin und her reflektiert, wodurch der an der Einspritzdüse anliegende Druck Schwankungen unterliegt. Diese Druckschwankungen führen zu einer unerwünschten, ungleichmäßigen Tröpfchenbildung im Kraftstoffstrahl. Da bei der erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung die Druckschwankungen wesentlich verringert werden, werden die Druckschwankungen an der Einspritzdüse beseitigt und eine gleichmäßigere Tröpfchenbildung erzielt.

[0023] Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Verzögerungselement als elastisches Element ausgebildet, das Energie zwischenspeichert und Drucktäler ausgleichen kann, wodurch Druckschwankungen weiter vermindert werden.

[0024] Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben. In denen zeigen schematisch:

Fig. 1

eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung im Querschnitt,

Fig. 2

eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung im Querschnitt,

Fig. 3

eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung im Querschnitt,

Fig. 4

eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung im Querschnitt,

Fig. 5

einen Druckverlauf an der Einspritzdüse bei Verwendung einer herkömmlichen Einspritzvorrichtung, und

Fig. 6

einen Druckverlauf an der Einspritzdüse bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung.

[0025] Fig. 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung im Querschnitt. Diese Einspritzvorrichtung weist ein etwa rohrförmiges Gehäuse 3 auf, das am in Förderrichtung 4 rückwärtigen Ende durch einen Gehäusedeckel 5 abgeschlossen ist. Das in Förderrichtung 4 vordere Ende bildet eine Anschlußöffnung 7 zur Aufnahme einer Druckleitung 8, die zu einer Einspritzdüse 9 führt.

[0026] Im Inneren des rohrförmigen Gehäuses 3 ist am rückwärtigen Ende eine rohrförmige Führungsbuchse 11 eingesetzt, in welcher ein Anker 12 mit einem Führungsstutzen 13 verschieblich gelagert ist. Der Anker 12 weist einen im wesentlichen zylinderförmigen Grundkörper 14 auf, der mit seiner Mantelwandung an der Innenwandung des rohrförmigen Gehäuses 3 anliegt. An der rückwärtigen Stirnseite des Grundkörpers 14 ist der Führungsstutzen 13 angesetzt. An der in Förderrichtung vorderen Stirnseite des Ankers 12 ist eine sacklochartige, etwa hohlzylindrische Ausnehmung 15 eingebracht. Ein Stück beabstandet von der vorderen Stirnfläche des Ankers 12 ist in der Ausnehmung 15 ein Führungsbereich 16 durch eine konzentrische Führungsausnehmung mit größerem Innendurchmesser als die übrige Ausnehmung 15 ausgebildet. Der Führungsbereich 16 ist somit sowohl in Förderrichtung 4 als auch entgegen zur Förderrichtung 4 durch jeweils eine Ringkante 17, 18 begrenzt.

[0027] In Förderrichtung 4 ist dem Anker 12 ein Förderkolben 20 vorgeordnet, der mit seinem rückwärtigen Ende in die Ausnehmung 15 des Ankers 12 ragt. Das rückwärtige Ende des Förderkolbens 20 bildet ein Führungsteil 22, das einen nach außen vorstehenden und in den Führungsbereich 16 des Ankers 12 eingreifenden Ringsteg 23 aufweist. Das Führungsteil 22 ist in der Ausnehmung 15 verschieblich gelagert, wobei die Relativbewegung zwischen dem Anker 12 und dem Förderkolben 20 durch die Ringkanten 17, 18 begrenzt ist, die als Anschläge für den Ringsteg 23 des Führungsteils 22 dienen.

[0028] Zwischen dem Führungsteil 22 des Förderkolbens 20 und dem Boden der sacklochartigen Ausnehmung 15 des Ankers 12 ist eine Druckfeder 25 mit Vorspannung eingesetzt, welche den Führungsteil 22 des Förderkolbens 20 gegen die vordere Ringkante 18 drückt.

[0029] Das in Förderrichtung 4 vordere Ende des Förderkolbens 20 lagert in einer Führungsbuchse 27. Die Führungsbuchse 27 ist in einen von der Innenwandung des rohrförmigen Gehäuses 3 nach innen vorstehenden Ringsteg 28 eingesetzt. Der Ringsteg 28 begrenzt einen in dem rohrförmigen Gehäuse 3 zwischen ihm und dem rückwärtigen Deckel 5 ausgebildeten Ankerraum 30, in dem der Anker 12 verschieblich angeordnet ist.

[0030] Die Führungsbuchse 27 ragt nach hinten ein Stück in den Ankerraum 30 und weist an ihrem vorderen Ende einen nach außen vorstehenden Ringsteg 32 auf, mit dem sie den Ringsteg 28 des Gehäuses 3 hintergreift.

[0031] Zwischen dem Ringsteg 28 des Gehäuses und dem Anker 12 ist eine Rückstellfeder 34 angeordnet, welche den Anker 12 entgegen der Förderrichtung 4 drückt. Die Rückstellfeder ist eine sehr weiche Feder, die ohne oder nur mit sehr geringer Vorspannung eingesetzt ist, so daß sie lediglich bei der Rückstellung des Ankers 12 dessen Reibungskräfte überwindet, aber der Bewegung des Ankers 12 in Förderrichtung 4 keinen nennenswerten Widerstand entgegensetzt.

[0032] Im Bereich des Ringsteges 28 ist eine Kraftstoffzufuhröffnung 36 eingebracht, die sich von außen radial nach innen durch das Gehäuse 3 und der Führungsbuchse 27 erstreckt. Außenseitig ist an der Kraftstoffzufuhröffnung 36 am Gehäuse 3 ein Anschlußstutzen 37 zum Anschließen einer Kraftstoffzufuhrleitung (nicht dargestellt) ausgebildet. In der Kraftstoffzufuhröffnung 36 ist ein Rückschlagventil 38 angeordnet, das einen Kraftstofffluß zurück in die Kraftstoffzufuhrleitung sperrt.

[0033] Am in Förderrichtung 4 vorderen Ende der Führungsbuchse 27 ist ein Standdruckventil 40 angeordnet, das die Verbindung zur Einspritzdüse 9 sperrt, sofern der am Standdruckventil 40 anliegende Druck geringer als ein bestimmter Durchlaßdruck P_durch ist. Der Durchlaßdruck ist in der Regel erheblich geringer als der Öffnungsdruck P_Düse der Einspritzdüse 9, bei welchen sich die Einspritzdüse 9 öffnet.

[0034] Der durch das Rückschlagventil 38, das Standdruckventil 40 und der in Förderrichtung vorderen Stirnfläche des Förderkolbens 20 begrenzte Bereich bildet eine Druckkammer 42.

[0035] Im Bereich des Ankerraums 30 ist außenseitig am Gehäuse 3 ein Elektromagnet 44 zum Betätigen des Ankers 12 angeordnet.

[0036] Nachfolgend wird die Funktionsweise dieses ersten Ausführungsbeispieles der Erfindung erläutert.

[0037] In der in Fig. 1 gezeigten Ausgangsstellung liegt der Anker 12 mit seiner rückwärtigen Stirnfläche an der Führungsbuchse 11 an und der Förderkolben 20 liegt mit seinem Führungsteil 22 an der vorderen Ringkante 18 des Ankers 12 an.

[0038] Der Anker 12 wird vom Elektromagneten 44 in Förderrichtung 4 angetrieben, wobei zunächst der Förderkolben 20 vom Anker 12 gegen den in der Druckkammer 42 und in der Druckleitung 8 befindlichen Kraftstoff gedrückt wird, ohne daß sich deren relative Position verändert (bei a in Fig. 6). Der Förderkolben 20 setzt hierbei den Kraftstoff unter Druck, wobei beim Erreichen des Durchlaßdruckes P_durch des Standdruckventils 40 sich das Standdruckventil 40 öffnet und die Verbindung zur Einspritzdüse 9 freigibt. Beim Erreichen des Öffnungsdruckes P_Düse der Einspritzdüse 9 öffnet sich die Einspritzdüse 9 und Kraftstoff wird von der Einspritzdüse 9 in den Verbrennungsraum (nicht dargestellt) abgespritzt. Solange der Druck im Kraftstoff kleiner als der Düsenöffnungsdruck ist, erfolgt wegen der Vorspannung der Druckfeder 25 keine Relativbewegung zwischen dem Förderkolben 20 und dem Anker 12. Der Druckaufbau bis zum Düsenöffnungsdruckes P_Düse erfolgt quasi schlagartig, da wegen der Inkrompressibilität des Kraftstoffes die aus Anker und Förderkolben bestehenden Einheit nur eine minimale Bewegung bis zum Erreichen des Düsenöffnungsdruckes P_Düse ausführt.

[0039] Erfindungsgemäß wird der Förderkolben 20 ab einem bestimmten Druck in der Druckkammer 42 bzw. in der Hochdruckleitung 8, der nachfolgend als Verzögerungsdruck P_V bezeichnet wird, in die Ausnehmung 15 entgegen der Federwirkung der Druckfeder 25 geschoben, wodurch der weitere Druckaufbau verzögert wird.

[0040] Dieser Verzögerungsdruck P_V entspricht der Vorspannkraft F_vor, mit welcher die Druckfeder 25 zwischen dem Förderkolben 20 und dem Anker 12 eingespannt ist, geteilt durch die Querschnittsfläche A_Kolben des Förderkolbens 20:

[0041] Da die Vorspannkraft genau einstellbar ist, ist auch der Verzögerungsdruck exakt festlegbar.

[0042] Vorzugsweise wird der Verzögerungsdruck auf den Öffnungsdruck der Einspritzdüse eingestellt (

), so daß der Druckanstieg ab dem Erreichen des Öffnungsdruckes P_Düse der Einspritzdüse vermindert wird. Hierdurch wird zunächst mit einer kleinen Bewegung des Ankers 12 und des Förderkolbens 20 in Förderrichtung 4 der in der Druckkammer 42 und in der Druckleitung 8 befindliche Kraftstoff auf den Düsenöffnungdruck komprimiert.

[0043] Mit dem Erreichen des Düsenöffnungsdruckes P_Düse wird das Öffnen der Einspritzdüse 9 eingeleitet.

[0044] Nach dem Erreichen des Düsenöffungsdruckes bewegt sich der Anker 12 mit einer Führungsgeschwindigkeit in Förderrichtung 4. Der Förderkolben 20 wird mit einer verminderten Geschwindigkeit in Förderrichtung 4 bewegt, da der Förderkolben entgegen der Federwirkung der Feder 25 in die Ausnehmung des Ankers 12 eintaucht (bei b in Fig. 6). Es besteht somit eine Relativgeschwindigkeit zwischen dem Förderkolben 20 und dem Anker 12. Durch diese im Vergleich zum Anker 12 verminderte Geschwindigkeit des Förderkolbens 20 wird die Energieübertragung vom Anker 12 auf den Förderkolben 20 bzw. auf den Kraftstoff vermindert.

[0045] Hierdurch wird die im Anker eingebrachte kinetische Energie nicht durch die noch nicht vollständig geöffnete Einspritzdüse abgebaut und die Erzeugung von zwischen der Einspritzdüse 9 und dem Förderkolben 20 hin und her reflektierten Druckwellen gering gehalten.

[0046] Die Federhärte der Druckfeder 25 und der Hub des Führungsteils 23 im Führungsbereich 16 ist vorzugsweise so bemessen, daß zumindest während eines ersten Teils der Öffnungsphase der Einspritzdüse 9, während der sich die Einspritzdüse 9 nur langsam öffnet, der Druckaufbau verzögert wird. Die Verzögerungsphase soll dann abgeschlossen werden, d.h., daß das Führungsteil 22 des Förderkolbens 20 an der in Förderrichtung 4 rückwärtigen Ringkante 17 des Ankers 12 anschlägt, wenn die von der Druckfeder 25 ausgeübte Federkraft einem Verzögerungsenddruck P_Ende ausübt, der dem 1,5- bis 3-fachen Düsenöffnungsdruck (

) entspricht. Je größer der Verzögerungsenddruck ist, desto träger ist das Ansprechverhalten der Einspritzvorrichtung, aber desto stärker können Drucktäler während des Einspritzvorganges ausgeglichen werden.

[0047] Nach der Verzögerungsphase wird der Förderkolben 20 mit der Führungsgeschwindigkeit des Ankers 12 in Förderrichtung 4 bewegt, so daß der Druck mit maximaler Anstiegsrate auf den Maximaldruck P_MAX weiter ansteigt (bei c in Fig. 6).

[0048] Der Düsenöffnungsdruck P_Düse liegt typischerweise im Bereich von 1 bis 5 MPa und die Querschnittsfläche A_Kolben des Förderkolbens 20 beträgt üblicherweise 5 bis 20 mm². Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Düsenöffnungsdruck

und die Querschnittsfläche 12 mm², so daß mit einer Federvorspannkraft von

der Verzögerungsdruck P_V auf den Öffnungsdruck der Einspritzdüse 9 eingestellt wird.

[0049] Der Druck im zu fördernden Kraftstoff steigt bis auf den Maximaldruck P_MAX an, der höher als bei vergleichbaren herkömmlichen Einspritzvorrichtungen ist, da nur ein relativ geringer Energieeintrag während der Öffnungsphase der Einspritzdüse erfolgt, so daß eine höhere Energieausbeute erzielt wird und weniger störende Druckreflexionen erzeugt werden.

[0050] Der Kraftstoff wird dann mit etwa konstantem Druck P_MAX eingespritzt, da die Reflexionen der Druckwellen weitgehend vermieden werden (bei d in Fig. 6). Sollten dennoch eventuell Drucktäler auftreten (gestrichelte Linie bei t₂ in Fig. 6) ist durch die mit der Druckfeder 25 gespeicherte Energie sichergestellt, daß diese nicht unter den Düsenöffnungsdruck abfallen, da derart tiefe Drucktäler durch die in der Druckfeder gespeicherte Energie ausgeglichen werden.

[0051] Bei der erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung arbeitet während der Öffnungsphase des Einspritzventils der Anker 12 nicht gegen die entgegen zur Förderrichtung laufenden Druckwellen und der von der noch nicht vollständig geöffneten Einspritzdüse gebremsten Kraftstoffsäule, sondern überträgt die in ihm eingebrachte Energie erst vollständig auf die Kraftstoffsäule nachdem die Einspritzdüse vollständig geöffnet ist.

[0052] Ein weiterer wesentlicher Vorteil dieser erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung ist, daß am Ende des Einspritzpulses, wenn die durch den Elektromagneten auf die Anker/Kolben-Einheit ausgeübte Kraft geringer wird und sich der hierdurch erzeugte Förderdruck verringert, die in der Druckfeder 25 gespeicherte Energie den Förderkolben 20 vorantreibt, bis dieser mit seinem Führungsteil 22 schlagartig an der vorderen Ringkante 18 des Ankers 12 anschlägt und gestoppt wird. Der Einspritzpuls wird somit schlagartig beendet und weist an seinem Ende einen abrupten Abfall auf (bei e in Fig. 6). Hierdurch werden am Endbereich des Einspritzpulses exakte Druckverhältnisse erzielt, wodurch sich sowohl das Abspritzverhalten (gleichmäßige Tröpfchengröße) als auch die Dosierbarkeit des Kraftstoffes wesentlich verbessern.

[0053] Beim obigen Ausführungsbeispiel ist der Verzögerungsdruck auf den Öffnungsdruck der Einspritzdüse eingestellt (

). Dies ist eine vorteilhafte Ausführungsform. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Der Verzögerungsdruck sollte zumindest den halben Öffnungsdruck der Einspritzdüse betragen (

). Denn durch einen sogenannten Brandungseffekt im Bereich der Einspritzdüse 9, d.h. durch sich überlagernde Druckwellen kann es zu einer lokalen Drucküberhöhung kommen, die bis etwa das doppelte des regulären Druckes in der Druckleitung 8 betragen kann. Durch eine solche Drucküberhöhung kann die Einspritzdüse 9 schon vor Erreichen des eigentlichen Öffnungsdruckes geöffnet werden, so daß dann eine Verzögerung des weiteren Druckaufbaues zweckmäßig ist, um eine möglichst gute Energieübertragung zu erzielen.

[0054] Um möglichst wenig Reflexionen der Druckwelle zu erhalten, sollte der Verzögerungsdruck P_V möglichst gering sein. Ein zu geringer Verzögerungsdruck P_V beeinträchtigt jedoch das Ansprechverhalten des Pumpe-Düse-Systems. Ein Verzögerungsdruck im Bereich von

bis

stellt einen geeigneten Kompromiß zwischen den Anforderungen an die Verminderung der Erzeugung von Druckreflexionen als auch an das Ansprechverhalten dar.

[0055] Ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung ist in Fig. 2 gezeigt.

[0056] Dieses Ausführungsbeispiel weist im wesentlichen den gleichen Aufbau wie das erste Ausführungsbeispiel auf, weshalb gleiche Teile mit gleichem Bezugszeichen versehen sind.

[0057] Gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel unterscheidet es sich lediglich in der Ausbildung der Ausnehmung 15 im Anker 12 und des Führungsteils 22 des Förderkolbens 20.

[0058] Am Boden der sacklochartigen Ausnehmung 15 ist eine flachzylindrische Dämpfungsausnehmung 50 mit einer Mantelwandung 51 eingebracht. An der in Förderrichtung 4 rückwärtigen Stirnseite des Förderkolbens 20 ist ein flachzylindrischer Dämpfungsstempel 54 mit einer Mantelfläche 55 ausgebildet, der im wesentlichen die gleiche Querschnittsform wie die Dämpfungsausnehmung 50 besitzt, so daß der Dämpfungsstempel 54 mit geringem Spiel in die Dämpfungsausnehmung 50 paßt.

[0059] In diesem Ausführungsbeispiel ist keine Druckfeder zwischen dem Förderkolben 20 und dem Anker 12 vorgesehen.

[0060] Der Ringsteg 23 des Förderkolbens 20 ist mit Längsnuten (nicht dargestellt) versehen, so daß der Förderkolben, solange der Dämpfungsstempel 54 sich außerhalb der Dämpfungsausnehmung 50 befindet, im wesentlichen widerstandsfrei in der mit Kraftstoff gefüllten Ausnehmung 15 des Ankers 12 verschoben werden kann. Der widerstandslose Verschiebeweg X ist in Fig. 2 gezeigt.

[0061] Nachfolgend wird die Funktionsweise des zweiten Ausführungsbeispiels erläutert.

[0062] Der Anker 12 wird vom Elektromagneten 44 in Förderrichtung 4 bewegt, wobei er entlang des Verschiebeweges X zur Speicherung kinetischer Energie im wesentlichen widerstandslos beschleunigt wird. Nachdem der Verschiebeweg X zurückgelegt worden ist, dringt der Dämpfungsstempel 54 in die Dämpfungsausnehmung 50 ein, wobei zwischen der Mantelwandung 51 der Dämpfungsausnehmung 50 und der Mantelfläche 55 des Dämpfungsstempel 54 sich ein schmaler Spalt ausbildet, so daß der zwischen den Dämpfungsstempel 54 und der Dämpfungsausnehmung 50 befindliche Kraftstoff nur allmählich entweichen und der Dämpfungsstempel 54 nur durch die Dämpfung verzögert in die Dämpfungsausnehmung 50 eindringen kann. Hierdurch wird die kinetische Energie vom Anker 12 auf den Förderkolben 20 übertragen, wobei durch die Dämpfung die Übertragung der kinetischen Energie nicht schlagartig sondern allmählich über den Zeitraum Δt verteilt erfolgt, den der Dämpfungsstempel 54 zum vollständigen Eindringen in die Dämpfungsausnehmung 50 benötigt.

[0063] Dies bewirkt einen entsprechend über die Zeitdauer Δt verzögerte Übertragung der Energie vom Förderkolben auf den zu fördernden Kraftstoff, wodurch der Druckaufbau nicht schlagartig, sondern verzögert erfolgt. Diese Verzögerung erfolgt vom Anfang des Einspritzpulses und dauert zumindest solange, bis die Einspritzdüse 9 vollständig geöffnet ist. Die Dauer der Verzögerung kann durch die Tiefe der Dämpfungsausnehmung 50 bzw. der Spaltbreite zwischen dem Dämpfungsstempel 54 und der Dämpfungsausnehmung 50 festgelegt werden. Durch diese Verzögerung der Energieübertragung werden Reflexionen an der nur teilweise geöffneten Einspritzdüse 9 und die damit verbundenen Nachteile vermieden.

[0064] Bei obigem Ausführungsbeispiel ist die Verzögerungseinrichtung zum Verzögern des Druckaufbaus eine mechanische Dämpfungseinrichtung bestehend aus dem Dämpfungsstempel 54 und der Dämpfungsausnehmung 50. Im Rahmen der Erfindung kann die Dämpfungseinrichtung auch anders ausgebildet sein, z.B. aus einem plastisch verformbaren Dämpfungsstempel, der sich beim Auftreffen des Ankers auf den Förderkolben plastisch verformt und so den Druckaufbau im Kraftstoff verzögert.

[0065] Ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 3 gezeigt.

[0066] Dieses Ausführungsbeispiel ist ähnlich wie die beiden oben beschriebenen Ausführungsbeispiele ausgeführt, so daß gleiche Teile mit gleichem Bezugszeichen versehen sind.

[0067] Der Förderkolben 20 und der Anker 12 sind hierbei einteilig ausgeführt.

[0068] An die Druckkammer 42 mündet ein zu einer Verzögerungskammer 55 führender Durchgang 56. Die Verzögerungskammer 55 ist sacklochartig mit einer Mantelwandung 58 und einer Bodenwandung 59 ausgeführt und weist eine hohlzylindrische Form auf. In ihr ist ein Verzögerungskolben 57 verschieblich gelagert, der bündig mit der Mantelwandung 58 der Verzögerungskammer 55 abschließt. An der von der Druckkammer 42 abgewandten Seite des Verzögerungskolben 57 ist eine Ausnehmung zur Aufnahme einer Druckfeder 60 in die Bodenwandung 59 eingebracht, die mit Vorspannung zwischen dem Verzögerungskolben 57 und der in der Bodenwandung 59 eingebrachten Ausnehmung eingesetzt ist.

[0069] Die Funktionsweise dieses dritten Ausführungsbeispiels wird nachfolgend erläutert.

[0070] Die Anker/Kolben-Einheit wird vom Magneten 44 in Förderrichtung 4 bewegt, wodurch Kraftstoff aus der Druckkammer 42 zur Einspritzdüse 9 verdrängt wird. Wird der durch die Vorspannung der Druckfeder 60 in der Verzögerungskammer 55 eingestellte Verzögerungsdruck P_V in der Druckkammer 42 erreicht, so entweicht Kraftstoff in die Verzögerungskammer 55, wobei der Verzögerungskolben 57 in die Verzögerungskammer 55 eingeschoben wird. Hierdurch wird der Druckaufbau in der Druckkammer 42 und folglich in der Hochdruckleitung 8 verzögert, so daß der Druck nicht schlagartig zunimmt, sondern allmählich ansteigt. Der Verzögerungsvorgang endet, wenn der Verzögerungskolben 57 an der Bodenwandung 59 anschlägt. Die Verzögerungsdauer wird durch die Federhärte der Feder 60 und dem Hub des Verzögerungskolbens 57 in der Verzögerungskammer 55 festgelegt. Hierdurch werden in gleicher Weise, wie beim oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel, Reflexionen der Druckwellen vermieden und der in Fig. 6 gezeigte Druckverlauf erzielt.

[0071] Für die Bemessung der Vorspannkraft und der Federhärte der Druckfeder 60 gelten die gleichen, oben anhand des ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Regeln, um den Druckaufbau zu verzögern, Druckschwankungen auszugleichen und am Ende des Einspritzpulses einen schlagartigen Druckabfall zu erzeugen.

[0072] Ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 4 gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel ist ähnlich wie das dritte Ausführungsbeispiel ausgebildet, weshalb gleiche Teile mit gleichem Bezugszeichen bezeichnet sind.

[0073] Gegenüber dem dritten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich das vierte Ausführungsbeispiel lediglich in der Ausbildung der Anker/Kolben-Einheit.

[0074] Der Anker 12 und der Förderkolben 20 sind als separate Bauteile ausgebildet, wobei der Anker 12 aus einem zylindrischen Grundkörper 14 mit einem bzgl. der Förderrichtung 4 an seiner rückwärtigen Stirnseite angesetzten Führungsstutzen 13 besteht. Der Anker wird wiederum von einer Rückstellfeder 34, die sich am nach innen in das Gehäuse 3 vorstehenden Ringsteg 28 abstützt, entgegen zur Förderrichtung 4 gedrückt. Die Rückstellfeder 34 ist ohne oder nur mit geringer Vorspannung eingesetzt, so daß sie dem Anker 12 bei einer Bewegung in Förderrichtung praktisch keinen Widerstand entgegensetzt und dieser bei einer Betätigung durch den Elektromagneten 44 im wesentlichen widerstandslos beschleunigt werden kann.

[0075] Der Förderkolben 20 ist in der in den Ringsteg 28 eingesetzten Führungsbuchse 27 in Axialrichtung verschieblich gelagert. Der Förderkolben 20 ist im wesentlichen stabförmig mit einem an seinem vorderen Ende nach radial außen vorstehenden Ringsteg 70 ausgebildet, der das in Förderrichtung 4 vordere Ende der Führungsbuchse 27 hintergreift. Zwischen der vorderen Stirnseite des Förderkolbens 20 und der dem Förderkolben 20 gegenüberliegenden Innenwandung der Druckkammer 42 ist eine Förderkolbenrückstellfeder 71 eingesetzt, die den Förderkolben entgegen der Förderrichtung 4 drückt, so daß in der in Fig. 4 gezeigten Ausgangsstellung der Ringsteg 70 an der vorderen Stirnfläche der Führungsbuchse 27 anschlägt.

[0076] In der Ausgangsstellung, in der sowohl der Förderkolben 20 als auch der Anker 12 durch die jeweiligen Rückstellfedern 34, 71 gegen ihren jeweiligen rückwärtigen Anschlag gedrückt sind, sind der Anker 12 und der Förderkolben 20 um einen Abstand X voneinander beabstandet.

[0077] An die Druckkammer 42 mündet wiederum eine identisch wie beim dritten Ausführungsbeispiel ausgebildete Verzögerungskammer 55, in der ein von einer Druckfeder 60 beaufschlagter Verzögerungskolben 57 lagert.

[0078] Die Funktionsweise des vierten Ausführungsbeispiels entspricht im wesentlichen dem des dritten Ausführungsbeispiels, wobei bei Erregung des Magneten 44 jedoch zunächst der Anker 12 alleine, im wesentlichen widerstandslos beschleunigt wird. Nachdem der Anker 12 den Weg X zurückgelegt hat, trifft er auf den Förderkolben 20 auf und überträgt seine kinetische Energie schlagartig auf den Förderkolben 20. Der Förderkolben 20 verdrängt den in der Druckkammer 42 befindlichen Kraftstoff, wobei nach dem Erreichen des Verzögerungsdruckes P_V der weitere Druckaufbau wie beim dritten Ausführungsbeispiel durch die Verzögerungseinrichtung (Verzögerungskammer 55, Verzögerungskolben 57, Druckfeder 60) verzögert wird.

[0079] Dieses Ausführungsbeispiel kombiniert somit, das aus dem Stand der Technik bekannte Festkörper-Energiespeicherprinzip und die erfindungsgemäße Verzögerung des Druckaufbaues.

[0080] Zusammenfassend kann festgehalten werden, daß die Erfindung eine höhere Energieübertragung bei Hubkolbenpumpen mit nichtzwangsgeführten Anker/Kolben-Einheiten erzielt, insbesondere wenn der Druckaufbau im wesentlichen schlagartig erfolgt, bei dem die Gefahr der Erzeugung von nicht kontrollierbaren Druckwellen entsteht.

Ansprüche

1. Kraftstoffeinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit

einer Hubkolbenpumpe zum Fördern von Kraftstoff mittels eines Förderkolbens (20) zu einer Einspritzdüse (9) der Brennkraftmaschine,
gekennzeichnet durch,

eine Verzögerungseinrichtung, die derart ausgebildet ist,

daß die Energieübertragung vom Förderkolben (20) auf den Kraftstoff verzögert erfolgt.

2. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach dem Festkörper-Energiespeicherprinzip arbeitet und einen Beschleunigungskörper (12) aufweist, der während einer nahezu widerstandslosen Beschleunigungsphase kinetische Energie speichert, und

eine die Beschleunigungsphase unterbrechende Einrichtung zum Erzeugen eines Druckstoßes durch Übertragen der gespeicherten kinetischen Energie auf den Kraftstoff.

3. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Beschleunigungskörper ein von einem Elektromagneten (44) angetriebener Anker (12) ist.

4. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Verzögerungseinrichtung zwischen dem Beschleunigungskörper (12) und dem Förderkolben (20) angeordnet ist.

5. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Verzögerungseinrichtung eine Dämpfungseinrichtung ist, die z.B. aus einem Dämpfungsstempel (54) und einer korrespondierenden Dämpfungsausnehmung (50) ausgebildet ist, wobei der Dämpfungsstempel (54) und die Dämpfungsausnehmung (50) derart am Beschleunigungskörper (12) und am Förderkolben (20) angeordnet sind, daß beim Auftreffen des Beschleunigungskörpers (12) auf den Förderkolben (20) der Dämpfungsstempel (54) in die Dämpfungsausnehmung (50) eingreift und hierbei Kraftstoff aus der Dämpfungsausnehmung (50) verdrängt.

6. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Verzögerungseinrichtung eine Verzögerungskammer (55) ist, die in den Bereich zwischen dem Förderkolben (20) und der Einspritzdüse (9) mündet und einen federbeaufschlagten Kolben (57) aufweist, der ab einem bestimmten Verzögerungsdruck (P_V)zum Aufnehmen von Kraftstoff in der Verzögerungskammer (55) elastisch nachgibt.

7. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,

daß die Verzögerungseinrichtung ein elastisches Element, wie z.B. eine Federelement (25) aufweist.

8. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,

daß das Federelement der Verzögerungseinrichtung eine mit Vorspannung eingesetzte Druckfeder (25, 60) ist.

9. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Vorspannung (F_vor) der Druckfeder (25, 60) einen Verzögerungsdruck (P_V) festlegt, der im Bereich von

bis

liegt.

10. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Druckfeder (25, 60) eine Federhärte aufweist, die derart bemessen ist, daß ein Verzögerungshub mit einer Federkraft endet, die einen Verzögerungsenddruck (P_Ende) ausübt, der dem 1,5- bis 3-fachen Düsenöffnungsdruck (

bis 3P_Düse) entspricht.

Zeichnung