AT1622U1 - Einspritzsystem mit einem einspritzventil für eine selbstzündende brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Einspritzsystem mit einem Einspritzventil (1) für eine selbstzündende Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, insbesondere für Flüssiggaskraftstoffe, mit einer entgegen der Kraft zumindest einer Feder (5; 5a, 5b) öffnenden, als Drosselzapfen ausgebildeten Düsennadel (3, 3). Um mit einer möglichst einfachen Bauweise ein Einspritzsystem für Flüssiggase mit Einspritzverlaufsformung zu realisieren, ist vorgesehen, daß die Öffnungskraft der Düsennadel (3, 3) direkt durch die Magnetkraft (F`mag ) eines Elektromagneten (2) aufgebracht wird, wobei die quadratisch mit dem Nadelhub zunehmende Magnetkraft gegenüber der linear mit dem Nadelhub zunehmenden Federkraft zumindest abschnittsweise eine annähernd quadratisch zunehmende Nadelöffnungsgeschwindigkeit ergibt, die kleine Drosselhübe erlaubt und die Düsennadel (3, 3) einen maximalen Nadelhub (h) kleiner als 1 mm, vorzugsweise kleiner als 0,5 mm, aufweist.

Description

AT 001 622 Ul

Die Erfindung betrifft ein Einspritzsystem mit einem Einspritzventil für eine selbstzündende Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, insbesondere für Flüssiggaskraftstoffe, mit einer entgegen der Kraft zumindest einer Feder öffnenden, als Drosselzapfendüse ausgeführten Düsennadel, welche aufgrund der stufenweisen Freigabe des Düsenquerschnittes über dem Nadelhub eine gedrosselte Strömung über einem Teil des Nadelhubes ermöglicht.

Einspritzsysteme für Dieselmotoren arbeiten mit hydraulischer Betätigung der Düsennadel, d. h., daß mit Hilfe einer Pumpe Kraftstoffdruck aufgebracht wird, der nach Überschreiten des Düsennadelöffnungsdruckes die Düsennadel gegen eine Feder öffnet. Der Zeitpunkt des Freigebens des Kraftstoffdruckes an die Düsennadel kann bei manchen Systemen durch das Öffnen eines Magnetventiles gewählt werden. Die direkte Betätigung der Düsennadel durch das Magnetventil wird bei Die-seleinspritzsystemen nicht angewendet, da die zur Magnetventilbetätigung zulässigen Einspritzdrücke für die Gemischbildung in Dieselmotoren nicht ausreichen.

Zur Einspritzverlaufsformung ("Rate Shaping") werden in indirekt einspritzenden Dieselmotoren Einloch-Drosselzapfen verwendet. Durch den Drosselzapfen entsteht in der Düse eine gedrosselte Strömung mit geringem Durchfluß im Vergleich zur voll geöffneten Düse, der einen sanfteren Verbrennungsbeginn bewirkt. Die Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel bei hydraulischer Betätigung ist annähernd linear. Bei Überstreichen des Drosselhubes wird mit geringem Durchfluß eingespritzt. Danach steigt der Durchfluß stark an. Die Charakteristik der Drosselung ist somit primär vom Drosselhub und von der Geometrie des Drosselzapfens abhängig.

In direkt einspritzenden Dieselmotoren werden Zweifederdüsenhalter verwendet. Dabei öffnet die Düsennadel gegen zwei in Serie geschaltete Federn. Dadurch ergibt sich ein nicht linearer Verlauf der Nadelöffnunsgeschwindigkeit. Die dabei verwendeten Düsen weisen zur besseren Gemischbildung mehrere Düsenlöcher auf.

Bekannt sind Einspritzsysteme für direkt einspritzende Otto-Motoren, bei denen die Düsennadel direkt durch ein Magnetventil gegen eine Feder geöffnet wird. Dies ist deshalb 2 AT 001 622 Ul möglich, da die benötigten Einspritzdrücke bei Otto-Motoren im Vergleich zu Dieselmotoren niedrig sind. Da bei direkt einspritzenden Otto-Motoren der Einspritzzeitpunkt üblicherweise weit vor dem Zündzeitpunkt liegt, ist eine Einspritzverlaufsformung prinzipiell nicht zielführend und wird daher nicht verwendet. Für spezielle Flüssiggase, die in direkt einspritzenden Motoren nach dem Dieselprinzip verbrannt werden, ist eine Einspritzverlaufsform allerdings sehr wohl wünschenswert und von Vorteil. Einspritzverlaufsformung mit hydraulisch betätigter Düsennadel, wie sie vom Dieselmotor bekannt ist, könnte zwar verwendet werden, würde allerdings einen relativ hohen baulichen Aufwand benötigen. Bei Dieselmotoren ist der hohe Bauaufwand wegen der dort vorliegenden hohen Einspritzdrücke gerechtfertigt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Einspritzsystem mit Einspritzverlaufsformung zur Einspritzung von Flüssiggas mit möglichst geringem baulichen Aufwand zu entwickeln.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Öffnungskraft der Düsennadel direkt durch die Magnetkraft eines Elektromagneten aufgebracht wird, wobei die quadratisch mit dem Nadelhub zunehmende Magnetkraft gegenüber der linear mit dem Nadelhub zunehmenden Federkraft zumindest abschnittsweise eine annähernd quadratisch zunehmende Nadelöffnungsgeschwindigkeit ergibt, die kleine Drosselhübe erlaubt und die Düsennadel einen maximalen Nadelhub kleiner als 1 mm, vorzugsweise kleiner als 0,5 mm, aufweist. Durch die kleine anfängliche Nadelgeschwindigkeit ergibt sich trotz eines geringen Drosselhubes eine lange Zeitdauer für die Drosselströmung. Dadurch ist es möglich, die normalerweise bei Drosselzapfendüsen zur Erzielung einer ausreichenden Drosselströmung nötigen Nadelhübe von rund 1 mm deutlich zu verringern. Durch das Zusammenwirken von Magnetkraft und Federkraft kann die Öffnungsgeschwindigkeit bis zum maximalen Nadelhub um etwa das Zehnfache und darüber zunehmen. Eine sehr kleine Öffnungsgeschwindigkeit kann dabei dadurch erreicht werden, daß die Kennlinie der Federkraft im Drosselbereich etwa parallel zur Tangente an die Kennlinie der Magnetkraft im Nadelschließpunkt ist.

Wegen den bei Flüssiggasen möglichen niedrigen Einspritzdrücken kann die Düsennadel direkt über einen Elektromagneten betätigt werden. Der wesentliche Vorteil bei der Ver- 3 AT 001 622 Ul

Wendung einer direkt über einen Elektromagneten betätigten Düsennadel liegt in der Vermeidung von Leckagen an der Düsennadelführung sowie in der nicht notwendigen Entlastung des Raumes hinter der Düsennadel auf niedriges Druckniveau. Die Vermeidung dieser Entlastung ist deshalb von Vorteil, da bei Flüssiggas aufgrund des unter mindestens Dampfdruck stehenden Systems kein Atmosphärendruckniveau wie bei Dieselmotoren vorhanden ist. Bei hydraulisch betätigter Einspritzanlage würde der Wirkungsgrad erheblich sinken, da der Druck hinter der Düsennadel durch den Öffnungsdruck zusätzlich zur Federkraft überwunden werden müßte.

Da wie bei Dieselmotoren kurz vor der Zündung eingespritzt wird, wobei die Zündung durch Überschreitung der Selbstentzündungstemperatur erfolgt, ist zur Erzielung niedriger Stickoxydemissionen und eines ruhigen Motorlaufes die Einsprit zverlaufsformung notwendig. Das erfindungsgemäße System weist somit die einfache Bauweise der Einspritzsysteme von Otto-Motoren bei gleichzeitiger einfacher Realisierung von Einspritzverlaufsformung auf.

In einer sehr vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, daß die auf die Düsennadel einwirkende Federkraft durch zwei in Serie geschaltete Federn mit unterschiedlichen Federnkennlinien aufgebracht wird. Die Düsennadel stützt sich dabei gegen die zwei in Serie geschalteten Federn ab, von denen die erste schwächere Feder schon bei geringen Spulenkräften öffnet. Die zweite Feder, die zur ersten Feder nach Überschreiten des von der ersten Feder freigegebenen Hubes dazugeschaltet wird, benötigt hohe Spulenkräfte zum Öffnen. Da es eine gewisse Zeit dauert, bis die Spulenkraft nach Öffnen der ersten Feder auf den zum Öffnen der zweiten Feder nötigen Wert ansteigt, ist ein Verweilen der Düsennadel in der Drosselposition für diese Zeitdauer gegeben.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, daß das Elektromagnet zumindest zwei voneinander unabhängig aktivierbare Spulen zur Steuerung der auf die Einspritznadel wirkenden Magnetkraft aufweist. Die Düsennadel wird dabei von den zwei in Serie geschalteten Spulen betätigt. Die erste Spule bringt eine gewisse Kraft auf, die die Düsennadel bis in die Drosselposition öffnet. Bei Zuschalten der zweiten Spule steigt die Spulenkraft an, wodurch die Düsennadel vollständig geöffnet wird. Durch die Auswahl der Ansteuerzeitpunkte der 4 AT 001 622 Ul

Spulen lassen sich beliebige Zeiten für die DrosselStrömung einstellen. Zur Unterstützung der gestuften Bewegung der Düsennadel können in Serie geschaltete Federn zusätzlich eingesetzt werden.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Düsennadel an ihrem Drosselzapfen einen Strahlablenker, aufweist. Ein derartiger Strahlablenker dient zur Ablenkung des Einspritzstrahles in Richtung zum Rand der Kolbenmulde eines Kolbens. Er findet bei Brennkraftmaschinen Verwendung, bei denen aufgrund gegebener Muldengeometrie keine ausreichende freie Strahllänge für eine normale Drosselzapfendüse vorhanden ist.

Anstelle des Strahlablenkers an der Einspritznadel kann ein Strahlablenker in der Kolbenmulde vorgesehen sein. Dies ist insbesondere dann notwendig, wenn keine ausreichend tiefe Kolbenmulde im Kolben untergebracht werden kann und kein Strahlablenker an der Düse verwendet wird. Das erfindungsgemäße Einspritzsystem kann sowohl mit einer nach innen als auch mit einer nach außen in Richtung des Brennraumes öffnenden Düsennadel ausgeführt sein.

Weiters ist es möglich, anstelle von Strahlablenkern mehrere Düsenlöcher im Einspritzventil vorzusehen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. näher erläutert.

Es zeigen Fig. 1 bis 3 verschiedene Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Einspritzventiles im Längsschnitt, Fig. 4a eine mit Strahlablenker ausgestattete Düsennadel im Längsschnitt, Fig. 4b ein Einspritzventil mit mehreren Düsenlöchern, Fig. 5 und 6 das erfindungsgemäße Einspritzsystem mit Strahlablenker im Kolbenboden, Fig. 7 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsvariante mit einer nach außen öffnenden Düsennadel und Fig. 8 ein Kraft-Weg-Diagramm.

Funktionsgleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Das in Fig. 1 gezeigte erfindungsgemäße Einspritzsystem besteht im wesentlichen aus einer direkt in einen Zylinderraum 12 einspritzenden Einspritzdüse 1 mit einem Gehäuse la, einem Elektromagneten 2' mit einer Spule 2 und einer Düsennadel 3 mit Drosselzapfen 4, wobei die Düsennadel 3 als Anker zur Spule 2 wirkt und sich gegen die Feder 5 abstützt. Die Kraftstoffzuführleitung ist mit 11 angedeutet. Bei direk- 5 AT 001 622 Ul ter Betätigung der Düsennadel 3 durch eine über eine Steuereinheit 10 angesteuerte Spule 2 ist es möglich, durch die Ausnützung der Nichtlinearität der magnetischen Kraft Fmag gegenüber der linearen Federkraft Fpeder die Geschwindigkeit des Nadelhubes x zu variieren. Dabei ist die magnetische Kraft Fmag = C^/x2 und die Federkraft Fp = C2 * x+Fq . Fq, und C2 sind Konstanten, x steht für den Nadelhub. Dadurch, daß die Hubgeschwindigkeit durch das Zusammenwirken der Magnetkraft Fmag mit der Federkraft Fp quadratisch ansteigt, verweilt die Nadel 3 länger im Drosselbereich, sodaß die Drosselwirkung des Drosselzapfens 4 verstärkt wird.

Weiters ist es möglich, durch die stark nichtlineare Nadelöffnungsgeschwindigkeit den für die gewünschte Drosselung nötigen Nadelhub x zu verringern, wodurch zwischen der Düsennadel 3 und der Spule 2 ein sehr geringer Luftspalt h möglich ist. Der sehr geringe Luftspalt h ermöglicht es, eine sehr kleine Spule 2 zu verwenden. In der Praxis ist eine möglichst geringe Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel 3 zur Erzielung des gewünschten Drosseleffektes des Drosselzapfens 4 vorteilhaft, da die Drosselung in einem sehr geringen Bereich des Nadelhubes x von etwa 0,05 mm wirksam ist.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Einspritzventiles 1 mit einer einzigen Spule und zwei hintereinander geschalteten Feder 5a und 5b. Die erste schwächere Feder 5a öffnet dabei schon bei geringen magnetischen Kräften Fmag der Spule 2. Die zweite Feder 5b, die nach Überschreiten des von der ersten Feder 5a freigegebenen Hubes h]_ wirksam wird, benötigt eine hohe magnetische Kraft Fmag zum Öffnen. Da es eine gewisse Zeit dauert, bis die magnetische Kraft Fp nach Öffnen der ersten Feder 5a auf den zum Öffnen der zweiten Feder 5b nötigen Wert ansteigt, ist ein Verweilen der Düsennadel 3 in der Drosselposition für diese Zeitdauer gegeben. h2 entspricht dem Federweg der zweiten Feder 5b.

Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsvariante der Erfindung mit zwei in Serie geschalteten Spulen 2a und 2b. Die erste Spule 2a bringt dabei eine gewisse Kraft F^g^ auf, die die Düsennadel 3 bis in die Drosselposition entsprechend dem Hub h]_ öffnet. Bei Zuschalten der zweiten Spule 2b steigt die magnetische Kraft Fmag um Fmag;2 der zweiten Spule 2b an und dadurch wird die Düsennadel zur Gänze geöffnet. Durch die Auswahl der Ansteuerzeitpunkte der Spulen 2a und 2b lassen sich 6 AT 001 622 Ul beliebige Zeiten für die Drosselströmung einstellen. Wie in Fig. 3 eingezeichnet, kann zur Unterstützung der gestuften Bewegung der Düsennadel 3 zusätzlich in Serie geschaltete Federn 5a und 5b analog zu Fig. 2 verwendet werden.

Um eine vollständige Verdampfung des gedrosselten Strahles im Brennraum zu erreichen, ist es vorteilhaft, einen Strahlablenker 6 an der Drosselzapfendüse 4 einzusetzen. Dadurch wird der Einspritzstrahl in Richtung zum Rand 9a einer in einem im Zylinder 13 hin- und hergehenden Kolben 8 vorgesehenen Kolbenmulde 9 abgelekt, wie in Fig. 4a gezeigt ist. Anstelle des Strahlablenkers 6 am Drosselzapfen 4 kann auch ein Strahlablenker 7a, 7b in der Kolbenmulde 9 vorgesehen sein, wie in den Fig. 5 und 6 dargestellt ist. In dem in Fig. 5 dargestellten Beispiel lenkt der Strahlablenker 7a den eingespritzten Strahl entlang des Kolbenbodens 8a ab. Der in Fig. 6 eingezeichnete Strahlablenker 7b dagegen ist konkav geformt und leitet den Strahl in Richtung Muldenrand 9a. Anstelle von Strahlablenkern kann auch vorgesehen sein, daß das Einspritz-ventil 1 mehrere Düsenlöcher 14 auf weist, wie in Fig. 4b dargestellt ist.

Fig. 7 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsvariante eines Einspritzventiles mit einer nach außen in Richtung des Brennraumes 9 öffnenden Düsennadel 3'. Die Wirkungsweise ist analog zu den Fig. 2 und 3, wobei lediglich die Wirkrichtung der Magnetkraft Fmag und der Federkraft Fp umgekehrt orientiert ist. Auch hier sind Ausführungsvarianten mit ein oder zwei in Serie geschalteten Spulen 2a, 2b und/oder Federn 5a, 5b möglich.

Fig. 8 zeigt ein Diagramm, in dem die Magnetkraft Fmag und die Federkraft Fp über den Düsennadelhub x auf-getragen ist, wobei Bezugszeichen A die geschlossene Nadel und B die geöffnete Nadel markiert. Die resultierende Kraft Fres auf die Düsennadel setzt sich aus der Differenz von Magnetkraft Fmag und der Federkraft Fp zusammen und ist durch den schraffierten Bereich im Diagramm angedeutet. Die Öffnungsgeschwindigkeit ist proportional zur reslutierenden Kraft Fres und steigt somit annähernd quadratisch mit zunehmender Magnetkraft Fmag an. In dem durch a angedeuteten Anfangsbereich des Hubes x, beispielsweise im ersten Drittel, erfolgt die Öffnung der Düsennadel mit kleiner Geschwindigkeit, wobei der eingespritzte Kraftstoff gedrosselt wird. Im Anfangsbereich a ver- 7 AT 001 622 Ul läuft die Federkennlinie Fp etwa parallel zu einer Tangente t an die parabelförmige Magnetkennlinie bei geschlossener Nadel A. Nach dem Anfangsbereich a steigt die Geschwindigkeit der Düsennadel stark bis zur vollständigen Öffnung B an. Der Bereich der stark ansteigenden Geschwindigkeit ist mit b eingezeichnet. Die maximale resultierende Kraft FreS/tnax und somit die maximale Öffnungsgeschwindigkeit kann mehr als das zehnfache des Anfangswertes betragen. Die minimale resultierende Kraft bei geschlossener Nadel ist mit Fres,min bezeichnet . 8

Claims (8)

1. AT 001 622 Ul ANSPRÜCHE 1. Einspritzsystem mit einem Einspritzventil für eine selbstzündende Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, insbesondere für Flüssiggaskraftstoffe, mit einer entgegen der Kraft zumindest einer Feder öffnenden, als Drosselzapfendüpe ausgeführten Düsennadel, welche aufgrund der stufenweisen Freigabe des Düsenquerschnittes über den Nadelhub eine gedrosselte Strömung über einem Teil des Nadelhubes ermöglicht, dadurch gekennzeichnet. daß die Öffnungskraft der Düsennadel (3, 3') direkt durch die Magnetkraft (Fmag) eines Elektromagneten (2') aufgebracht wird, wobei die quadratisch mit dem Nadelhub (x) zunehmende Magnetkraft (Fmag) gegenüber der linear mit dem Nadelhub (x) zunehmenden Federkraft (Fp) zumindest abschnittsweise eine annähernd quadratisch zunehmende Nadelöffnungsgeschwindigkeit ergibt, die kleine Drosselhübe erlaubt und die Düsennadel (3, 3') einen maximalen Nadel-hub (h) kleiner als 1 mm, vorzugsweise kleiner als 0,5 mm, aufweist.
2. 2. Einspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennlinie der Federkraft (Fp) im Drosselbereich (b) etwa parallel zur Tangente (t) an die Kennlinie der Magnetkraft (Fmag) im Nadelschließpunkt (A) ist.
3. 3. Einspritzsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Düsennadel (3, 3') einwirkende Federkraft (Fp) durch zwei in Serie geschaltete Federn (5a, 5b) mit unterschiedlichen Federnkennlinien aufgebracht wird.
4. 4. Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet (21) zumindest zwei voneinander unabhängig aktivierbare Spulen (2a, 2b) zur Steuerung der auf die Einspritznadel (3, 3') wirkenden Magnetkraft (Fmag) aufweist. 9 AT 001 ΜΊ Ul
5. 5. Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsennadel (3, 3') an ihrem Drosselzapfen (4, 4') einen Strahlablenker (6, 6'), aufweist.
6. 6. Einspritzsystenm mit einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stahlablenker (7a, 7b) am Kolbenboden (8a) im Auftreffbereich eines eingespritzten Kraftstof fstrahles angeordnet ist.
7. 7. Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsennadel (3') in Richtung des Brennraumes (9) öffnet.
8. 8. Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Einspritzventil (1) mehrere Düsenlöcher (14) aufweist. 10