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Die Erfindung betrifft eine Einspritzdüse für eine Brennkraftmaschine mit einem mit einem
Kraftstoffversorgungssystem In Verbindung stehenden Zylinderraum und mit einem Im Zylinder- raum beweglichen Hochdruckkolben zur Erzeugung des Einspritzdruckes, welcher Hochdruck- kolben mit einem Betätigungssystem in Verbindung steht, mit einem vom Endbereich des Zylinder- raumes ausgehenden, durch eine erste Kraftstoffbohrung gebildeten, zur Düsenspitze führenden
Strömungsweg, sowie mit einer ab einer vorbestimmten Stellung des Hochdruckkolbens deaktivier- baren Drosselvornchtung zur Erreichung einer Kraftstoffvoreinspritzung, wobei der Hochdruck- kolben den Ubergang von der Kraftstoffvoreinspritzung zur Kraftstoffhaupteinspritzung steuert.
Bei einer Einspritzdüse dieser Art kann es sich sowohl um ein mechanisch von einem Nocken betatigtes Pumpe-Düse-Element handeln als auch um ein hydraulisch ubersetztes Speicherein- spritzsystem. Solche Speichereinspritzsysteme weisen im allgemeinen einen Niederdruckteil und einen Hochdruckteil auf Im Niederdruckteil wird ein Kolben grosser Fläche für die Dauer der
Einspritzung mit einer aus einem Druckspeicher stammenden Flüssigkeit niederen bzw. mittleren
Druckes beaufschlagt.
Der Niederdruckkolben ist mechanisch mit dem Hochdruckkolben verbunden, der eine wesentlich kleinere Flache aufweist Der Zylinder, In dem der Hochdruckkolben axial verschieblich gelagert ist, ist über eine Bohrung mit der Einspritzdüse verbunden Im Verhältnis der
Flächen von Niederdruckkolben zu Hochdruckkolben wird der Druck des Niederdruckkreises verstärkt auf den Kraftstoff im Hochdruckkreis übertragen.
Nachteilig bei solchen Einspritzsystemen ist der beinahe rechteckige Verlauf der Einspntzrate.
Durch die bereits zu Spritzbeginn sehr hohe Einspritzrate ergeben sich hohe Stickoxid und Geräuschemissionen.
Aus der EP 375 130 A ist eine Einspritzdüse bekannt, bei der der Einspritzdruck durch eine Drossel während der Voreinspritzung verringert wird. Weiters ist ein Kolben vorgesehen, der in seiner Ruhestellung eine Bypassbohrung verschliesst Dieser Kolben ist über eine Feder belastet und öffnet diese Bypassbohrung in Abhängigkeit vom Kraftstoffdruck. Nach der Öffnung kann die Haupteinspritzung mit unvermindertem Einspritzdruck beginnen
Weiters sind aus der EP 338 709 A und aus der DE 36 10 658 A Einspritzdüsen bekannt, die mit einer druckabhängigen Stufung des Nadelhubes eine Voreinspritzung mit kleiner Elnspntzrate ermöglichen Dies wird dadurch erreicht, dass in einer ersten Phase der Einspritzung die Düsennadel nur einen geringen Hub ausführt. wodurch der Kraftstoff im Ringspalt zwischen Nadelspitze und Sitz gedrosselt wird.
Steigt der Einspritzdruck weiter an, so führt bei Erreichen eines bestimmten Druckes die Nadel den vollen Hub aus und es erfolgt die ungedrosselte Haupteinspritzung
Alle diese bekannten Einspritzdüsen haben den Nachteil, dass die Beendigung der Voreinspritzung und der Beginn der Haupteinspritzung in Abhängigkeit des Kraftstoffdruckes erfolgt Insbesonders bei Speichereinspritzsystemen führt dies zu Problemen, da infolge der hohen Druckanstiegsgeschwindigkeit der Öffnungsdruck für den zweiten Nadelhub sehr rasch erreicht wird und somit nur eine sehr kurze Voreinspritzung möglich ist
Die US 2, 521, 224 A beschreibt eine Einspritzdüse, die zur Erreichung einer Voreinspritzung ausgebildet ist.
Die bekannte Einspritzdüse weist eine als Bohrung ausgebildete Drossefvornch- tung auf, durch die während der Voreinspritzung ein Teil des vom Kolben unter Druck gesetzten Kraftstoffes ins Leckölsystem abströmen kann Erst wenn der Kolben diese Bohrung verschliesst, kann der volle, für die Haupteinspritzung vorgesehene Kraftstoffdruck aufgebaut werden Es ist mit einer solchen Einspritzdüse zwar möglich eine Voreinspritzung zu erreichen, jedoch weist diese Düse dieselben Nachteile auf, wie die bereits beschriebenen Einspritzdüsen Die Voreinspritzdauer ist nämlich stark von der Drehzahl, d h von der Druckanstiegsgeschwindigkeit, abhangig.
So kann es dazu kommen, dass bei geringen Kolbengeschwindigkeiten eine Voreinspritzung gänzlich unterbleibt, da es fast dem gesamten Kraftstoff gelingen wird, durch die Bohrung abzuströmen Bei sehr hohen Drehzahlen wird die durch die Bohrung fliessende Kraftstoffmenge wegen der sehr kurzen Zeit bis zur Überdeckung dieser Bohrung sehr gering ausfallen Dies kann soweit führen, dass sich der Druck der Voreinspritzung nur wenig von dem der Haupteinspritzung unterscheidet Bei der bekannten Einspritzdüse handelt es sich um einen mechanisch betätigten unit injector.
Damit ist es über die Nockenkontur möglich, die Druckanstiegsgeschwindigkeit innerhalb gewisser Grenzen zu beeinflussen Bei hydraulisch übersetzten Einspritzdüsen steht der Druck im Zylinderraum des Hochdruckkolbens dagegen In einem bestimmten, festen Verhältnis zum Druck Im Zylinderraum des Niederdruckkolbens Das Absteuern von Kraftstoff durch eine Drosselbohrung, wie dies bel der
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bekannten Lösung vorgesehen ist-ist bei einer solchen Ausführungsvariante völlig wirkungslos, da dadurch der Druck Im Zylinderraum des Hochdruckkolbens nicht wirksam verringert werden kann.
Die US 2, 430, 801 A zeigt eine Einspritzdüse, bei der in einer mittleren Stellung des Kolbens eine Bypassbohrung eröffnet wird, die beim Weiterbewegen des Kolbens nach unten wiederum verschlossen wird. Damit wird eine Unterbrechung des Einspritzvorganges herbeigeführt. Eine Drosselvorrichtung ist bei dieser Einspritzdüse nicht vorgesehen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine Einspritzdüse zu schaffen, die eine vorbestimmbare, ausreichend lange Voreinspritzdauer ermöglicht.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die ab einer vorbestimmten Stellung des Hochdruckkolbens oder einem vorbestimmten Einspritzdruck im Zylinderraum deaktivierbare bzw. umgehbare Drosselvorrichtung in der ersten Kraftstoffbohrung angeordnet ist, und vorzugsweise der Hockdruckkolben mechanisch mit einem einen grösseren Querschnitt aufweisenden Niederdruckkolben verbunden ist, welcher hydraulisch, vorzugsweise durch Kraftstoffdruck, betätigbar ist.
Der Kolben, der den Einspritzdruck aufbaut und durch seine Axialbewegung die Einspritzung des Kraftstoffes selbst herbeiführt, steuert In einer zweiten Funktion den Übergang von Voreinspritzung zur Haupteinspritzung. Dies bedeutet, dass das Ende der Voreinspritzung nicht durch Erreichen eines bestimmten Druckniveaus im Einspritzsystem hervorgerufen wird sondern von einer vorbestimmbaren Verschiebung des Kolbens abhängt Daraus folgt weiteres, dass für die Voreinspritzung ein vorbestimmbares, konstantes Kraftstoffvolumen zur Verfügung steht. Dieses Kraftstoffvolumen ist, sieht man von geringen dynamischen Effekten ab, auch von der Drehzahl unabhängig.
Bei einer Einspritzdüse, bei der der Hochdruckkolben die zweite Kraftstoffbohrung nach Zurücklegen einer vorbestimmten Wegstrecke aufsteuert, die zweite Kraftstoffbohrung ohne Dros- seistelle bis zur Düsenspitze verläuft und die in der ersten Kraftstoffbohrung angeordnete Drossel- vorrichtung aus einer Drossel besteht, Ist es günstig, wenn die Umgehung der Drosselvorrichtung durch die zweite Kraftstoffbohrung erfolgt, welche nach Aufsteuerung durch den Hochdruckkolben mit einem den Haupteinspritzdruck aufweisenden Teil des Zylinderraumes verbunden ist. Die Haupteinspritzung wird dabei über die zweite Kraftstoffbohrung durchgeführt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvanante der Erfindung mit einer seitlich vom Zylinderraum ausgehenden und vom Hochdruckkolben angesteuerten zweiten Kraftstoffbohrung ist vorgesehen, dass die Drosselvorrichtung durch einen weiteren Kolben gebildet ist, der abhängig von seiner Stellung die erste Kraftstoffbohrung unterschiedlich drosselt und dass dieser weitere Kolben über die zweite Kraftstoffbohrung gesteuert wird. Bei dieser Variante werden sowohl Voreinspritzung als auch Haupteinspritzung über die erste Kraftstoffbohrung durchgeführt, wobei jedoch lediglich bei der Voreinspritzung eine Drossel aktiviert ist. Die Ansteuerung dieser Drossel erfolgt über die zweite Kraftstoffbohrung.
Weiters ist es möglich, dass die Drosseivorrichtung durch einen Drosselkolben gebildet ist, der in seiner Ruhestellung mit einem angeformten Drosselzapfen die erste Kraftstoffbohrung teilweise verschliesst und der in einer weiteren, durch den Einspritzdruck verschobenen Stellung diese erste Kraftstoffbohrung freigibt. Diese Ausführungsvariante Ist insbesonders für ein Speichereinspritz- system geeignet, das mit oder ohne Übersetzung ausgebildet 1St.
Eine weitere erfindungsgemässe Lösung der Aufgabe sieht vor, dass die Druckseite der Drosselvorrichtung mit einem Druckraum eines Kolbens strömungsverbunden ist, welcher Kolben einen maximalen Hub der Düsennadel während der Voreinspritzung und einen maximalen Hub der Düsennadel während der Haupteinspritzung steuert, wobei der maximale Hub für die Voreinspritzung und der maximale Hub für die Haupteinspritzung durch einen über die zweite Kraftstoffbohrung mittels des Kolbens veränderbaren Hubanschlag definiert ist Bei solchen Ausführungsvarianten wird die Drosselung durch eine Begrenzung des Nadelhubes herbeigeführt. Während der Voreinspritzung ist dabei der Düsennadel nur eine geringfügige Bewegung möglich.
Insbesonders kann vorgesehen sein, dass der Kolben als ein den Hubanschlag für die Düsennadel bildender Anschlagkolben ausgebildet ist. Der Anschlagkolben definiert dabei den Maximalhub der Düsennadel. Während der Haupteinspritzung ist der Anschlagkolben angehoben, sodass die Düsennadel ihre volle Hubbewegung ausführen kann.
Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass der Hubanschlag für die Düsennadel als ein mit dem Kolben wirkungsverbundener Hebel ausgebildet ist. Eine solche Variante weist eine geringere
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Bauhöhe auf
Im folgenden wird die Erfindung anhand der in den Fig dargestellten AusführungsvarIanten näher erläutert.
Es zeigen die Fig 1 eine erste Ausführungsvanante der Erfindung im Axialschnitt, Fig. lb ein Detail einer gegenüber Fig 1a geringfügig abgewandelten Ausführungsvariante, Fig 1 c ein weiteres Detail einer gegenüber der Fig. 1 a genngfüglg abgewandelten Ausführungsvanante, Fig 2,3, 4a und 5 weitere Ausführungsvarianten der Erfindung Im Schnitt und Fig 4b einen Schnitt nach der linie Ivb - Ivb von Fig 4a, wobei Fig 4a einen Schnitt nach der Linie Iva - Iva von Fig 4b darstellt, sowie die Fig 6 ein Diagramm des Einspritzdruckverlaufes.
Das in der Fig. 1a dargestellte Einspritzsystem besteht aus dem Injektor 7, dem Niederdruck- fluidtank 3, der Niederdruckpumpe 4, dem Druckspeicher 5, dem Schaltventil 6, dem Kraftstofftank 1 und der Kraftstoffvorpumpe 2. Die Niederdruckpumpe 4 fördert den Kraftstoff In den Druckspeicher 5 Über das elektrisch betätigbare Schaltventil 6 kann der Zylinderraum 8 des Niederdruckkolbens 9 mit dem Speicherdruck beaufschlagt werden.
Dieser Druck wird entsprechend dem Verhältnis vom Querschnitt des Niederdruckkolbens 9 zu dem des Hochdruckkolbens 10 auf den Kraftstoff im Zylinderraum 16 des Hochdruckkolbens 10 übertragen Zu Beginn des Hubs der beiden mechanisch gekoppelten Kolben 9 und 10 gelangt der Kraftstoff durch die Drossel 17, die ersten Kraftstoffbohrungen 18 und 19, zur Einspritzdüse 20 Der Querschnitt der Drossel 17 ist so ausgelegt, dass der Kraftstoffdruck aus dem Zylinderraum 16 auf einen fur die Voreinspritzung geeigneten Druck herabgesetzt wird
Im Hochdruckkolben 10 befindet sich eine Ringnut 11, die über eine Längsbohrung 13 und eine Querbohrung 12 mit dem Zylinderraum 16 In Verbindung steht Überstreicht bel der Kolbenbewegung die Ringnut 11 des Hochdruckkolbens 10 die Ringnut 14 des Zylinders 16,
so kann der Kraftstoff ungedrosselt durch die Bypassbohrung 15 und die erste Kraftstoffbohrung 19 zur Einspritzdüse 20 gelangen. Das Kraftstoffvolumen der Voreinspritzung ergibt sich aus dem Produkt des Abstandes s der Ringnut 14 des Zylinders 16 von der Ringnut 11 des Hochdruckkolbens 10, und der Querschnittsfläche des Zylinderraumes 16
Die Fig. 1 b zeigt ein Detail einer geringfügig abgewandelten Ausführungsvariante der Fig 1 a Diese Variante nach Fig. 1 ist insbesonders für ein Pumpe-Düse-Element mit Nockenantneb geeignet.
In diesem Fall ist das Anbringen der Bohrung 50 mit Drossel 51 vorteilhaft, um zu hohe Druckanstiegsgeschwindigkeiten zu vermeiden
Bei der Ausführungsvariante nach Flog. 1c ist im unteren Bereich der Ringnut 11 des Hochdruckkolbens 10 eine kegelige Anfasung 52 vorgesehen.
Dadurch wird vermieden, dass durch einen scharfen Übergang von der Voreinspritzung zur Haupteinspritzung bei kleinen Einspntzmengen, bei denen am Spitzende gerade eine Überdeckung der Ringnut 11 und der Ringnut 14 zustande kommt, durch gennge Elementhubunterschiede starke Mengenstreuungen von Zylinder zu Zylinder oder von Einspritzung zu Elnspntzung auftreten. Die kegelformige Anfasung 52 ergibt einen weicheren Übergang von der Voreinspritzung zur Haupteinspritzung Welters Ist es möglich, dass, wie in Fig 1 c dargestellt, die Ringnut 14 entfällt und die Bypassbohrung 15 direkt In den Zylinderraum 16 mündet
Bei der Ausführungsvariante von Fig. 2 Ist der Zylinderraum 16 des Hochdruckkolbens 10 über eine erste Kraftstoffbohrung 21 mit dem Drosselvorraum 22 verbunden.
Weiters ist der Zylinderraum 16 über die zweite Kraftstoffbohrung 34 mit dem Zylinderraum 29 verbunden Die Mündung der zweiten Kraftstoffbohrung 34 im Zylinderraum 16 Ist so angeordnet, dass sie vom Hochdruckkolben 10 zu Beginn der Einspritzung nicht verdeckt wird. Dadurch werden der Zylinderraum 29 und der Drosselvorraum 22 mit dem gleichen Druck beaufschlagt, der auch im Zylinderraum 16 herrscht Da die Querschnittsfläche des Drosselkolbens 33, die der Vorraumdruck beaufschlagt, um die Sitzfläche des Kegelsitzes 31 kleiner ist als die Querschnittsflache der Drosselkolbenruckseite, wird der Drosselkolben 33 gegen den Sitz 31 gepresst. Unterstützend wirkt hier noch die Kraft der Feder 30.
Zu Beginn der Einspritzung strömt durch die Drossel 32 Kraftstoff mit reduziertem Druck in die erste Kraftstoffbohrung 25 weiter zur ersten Kraftstoffbohrung 19 und zur Einspitzdüse 20
Der Querschnitt der Drossel 32 ist so ausgelegt, dass der Kraftstoffdruck nach der Drossel auf ein für die Voreinspritzung geeignetes Niveau reduziert wird.
Gleichzeitig strömt auch eine geringe Menge von Kraftstoff vom Zylinderraum 29 durch dte
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Drossel 28 in das Kraftstoffvordrucksystem. Mit zunehmendem Hub des Hochdruckkolbens 10 wird die Mündung der zweiten Kraftstoffbohrung 34 in den Zylinderraum 16 durch den Kolben 10 verdeckt. Dadurch kann vom Zylinderraum 16 kein Kraftstoff mehr in den Zylinderraum 29 gelangen. Somit baut sich der Druck im Zylinderraum 29 durch die Drossel 28 ab und der Drosselkolben 33 wird nach links verschoben, wobei er vom Sitz 31 abhebt und eine ungedrosselte Haupteinspritzung ermöglicht.
Die Rückstellung des Drosselkolbens 33 erfolgt nach Ende der Einspritzung durch die Feder 30. Eine solche Variante ist auch für ein Pumpe-Düse-Element mit Nockenantrieb geeignet.
Bei der Ausführungsvariante von Fig. 3, die eine vereinfachte Ausführung der in Fig. 2 dargestellten Lösung darstellt, gelangt der Kraftstoff zu Beginn der Einspritzung vom Zylinderraum 16 des Hochdruckkolbens 10 durch die Bohrung 21 in den Drosseivorraum 22. Im Ringspalt 23, der durch die Bohrung 25 und den Drosseizapfen 24 gebildet wird, wird der Kraftstoff auf ein zur Voreinspritzung geeignetes Niveau gedrosselt. Durch die ersten Kraftstoffbohrungen 25 und 19 gelangt er darauf zur Einspritzdüse 20. Während der Einspritzung weicht der Drosselkolben 27 durch den auf die Ringfläche 26 wirkenden ungedrosselten Kraftstoffdruck sowie durch den auf den Drosselzapfenquerschnitt wirkenden gedrosselten Kraftstoffdruck zurück.
Gedämpft wird diese Bewegung des Drosselkolbens 27 durch den Kraftstoff, der aus dem Zylinderraum 29 durch die Drossel 28 verdrängt werden muss.
Sobald der Hub des Drosselkolbens 27 so gross ist, dass der Drosseizapfen 24 aus der ersten Kraftstoffbohrung 25 austaucht, erfolgt die ungedrosselte Haupteinspritzung. Nach dem Ende der Einspritzung bringt die Feder 30 den Drosselkolben 27 wieder in seine Ausgangsstellung zurück, wobei sich der Zylinderraum 29 durch die Drossel 28 wieder mit Kraftstoff füllt. Die Drossel 28 kann auch als Rückströmdrossel ausgeführt sein, damit der Drosselkolben 27 schneller seine Ausgangsstellung erreicht. Diese Ausführungsvariante ist auch für ein Speichereinspritzsystem ohne Übersetzung geeignet, d. h., dass der Druck im Kraftstoffspeicher 5 der Einspritzdruck ist. In diesem Fall kann der Hochdruckkolben 10 entfallen.
Auch bei dieser Ausführungsvariante wird ein konstantes Kraftstoffvolumen für die Voreinspritzung zur Verfügung gestellt.
Die Varianten der Fig. 4a, 4b sowie 5 haben gemeinsam, dass ein variabler Hubanschlag für die Düsennadel 36 vorgesehen ist. Bei der Ausführungsvariante der Fig. 4a und 4b gelangt der Kraftstoff vom Zylinderraum 16 durch die ersten Kraftstoffbohrungen 35 und 19 zur Einspritzdüse 20. Bei Überschreiten des Düsenöffnungsdruckes führt die Düsennadel 36 den Hub h1 aus. Ein weiterer Hub der Düsennadel 36 ist nicht möglich, da der Kolben 38 als Hubanschlag dient Der Durchmesser d2 des Kolbens 38 ist mindestens gleich gross wie der Durchmesser D1 der Düsennadel 36. Der Zylinderraum 40 des Kolbens 38 wird über die zweiten Kraftstoffbohrungen 34 und 41 so lange druckbeaufschlagt, bis der Hochdruckkolben 10 die Mündung der zweiten Kraftstoffbohrung 34 in den Zylinderraum überdeckt.
Dann wird der Druck im Zylinderraum 40 durch die Drossel 39 abgebaut und die durch den Einspritzdruck in Öffnungsrichtung belastete Düsennadel 36 schiebt den Kolben 38 um die Wegstrecke h2 nach oben und gibt somit am Nadeisitz 37 den gesamten Strömungsquerschnitt für die Haupteinspritzung frei.
Die Funktion der Ausführungsvariante nach Fig. 5 ist völlig analog zu der von Fig. 4a und 4b.
Im Aufbau ist unterschiedlich, dass der Hub der Düsennadel 36 durch einen Hebel 54 begrenzt wird, der von einem Zapfen 55 betätigt wird. Während der Voreinspritzung ist der Zapfen 55 durch die Bohrungen 34 und 41 von oben her druckbeaufschlagt und drückt daher den Hebel 54 nach unten. Die Düsennadel 36 kann, wie oben bereits ausgeführt, nur den Hub h1 ausführen. Nach der Überdeckung der zweiten Kraftstoffbohrung 34 durch den Hochdruckkolben 10 wird der Druck über die Drossel 39 abgebaut und die Düsennadel 36 kann den Hebel 54 samt Zapfen 55 nach oben schieben und somit einen zusätzlichen Hub h2 ausführen.
In der Fig. 6 ist der Einspritzdruck p als Funktion des Kurbelwinkels a aufgetragen. Die durchgezogene Linie 56 gibt dabei den Einspritzdruckverlauf eines bekannten hydraulisch übersetzten Einspritzsystems wieder. Die unterbrochene Linie 57 stellt den Einspritzdruckverlauf bei einem erfindungsgemässen Einspritzsystem dar.