Kraftstofeinspritzanlage an einer Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betrieb der Kraftstoffeinspritzanlage Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kraftstoffeinspritzanlage an einer Verbrennungskraft maschine, mit einem Primärkreislauf, der eine Nieder druckpumpe und in Strömungsrichtung hinter dieser eine Primärleitung und ein Verschlussorgan ein schliesst, wobei von der Primärleitung eine Sekundär leitung ausgeht, an deren Ende sich ein Einspritz- ventil oder eine Einspritzdüse befindet,
und wobei im Betriebszustand die Niederdruckpumpe den Kraftstoff in der Primärleitung bei offenem Ver- schlussorgan bewegt und durch Schliessen des Ver- schlussorgans jeweils infolge der Verminderung der Geschwindigkeit der Flüssigkeitssäule in der Primär leitung der Einspritzdruck bzw. die Druckwelle er zeugt bzw. ausgelöst wird.
Von bekannten Kraftstoffeinspritzanlagen dieser Art unterscheidet sich die erfindungsgemässe Kraft- stoffeinspritzanlage dadurch, dass das Verschlussorgan durch ein in der verlangten Einspritzfolge mecha nisch, elektrisch oder hydraulisch gesteuertes Ventil gebildet ist, dessen Schliessgeschwindigkeit wenigstens in einem bestimmten Drehzahlbereich der Kraft maschine so gross ist, dass das auf eine bestimmte Zeiteinheit bezogene Hubvolumen des Ventils beim Schliessen desselben gleich gross oder grösser ist als das in der gleichen Zeiteinheit durch die Primär leitung nachströmende Kraftstoffvolumen.
Die Wirkungsweise dieser Einspritzanlage beruht auf dem Prinzip des hydraulischen Widders. Bei dem Abbremsen der mit der Geschwindigkeit v strömen den Flüssigkeit durch rasches Schliessen des Ver- schlussorgans entsteht bei diesem Organ eine Druck welle, welche in der Sekundärleitung gegen das Ein- spritzventil hin wandert.
Der Druck dieser Welle hat die Grösse<I>p = a</I> # <I>2</I> # <I>v/2,</I> wobei<I>p</I> in kg/cm2 der entstehende Druck ist, a = 1150 m/sec. die Schall geschwindigkeit im Kraftstoff, und O = 71,5 kg sec2/m4, die Dichte des Kraftstoffes.
Voraussetzung für die Entstehung dieses Druckes ist, dass das Abbremsen der strömenden Flüssigkeit in der Zeit t = 0 geschieht. Diese Voraussetzung wird erfüllt, wenn das Abbremsen der Geschwindig keit durch ein schnell schliessendes Ventil vorgenom men wird, wobei dieses schnell schliessende Ventil ganz bestimmte Bedingungen bei dem Schliessvor gang erfüllen muss. Das Ventil muss bei dem Schliess vorgang ein Hubvolumen freigeben, das gleich oder grösser ist als das nachströmende Volumen des abzu bremsenden Kraftstoffes. Es spielt sich dann folgen der Vorgang während der Schliessbewegung ab: das Ventil bewegt sich auf seinen Sitz zu. Dadurch wird hinter dem Ventil ein Volumen frei.
Das Volumen wird von dem mit der Geschwindigkeit v strömenden Kraftstoff aufgefüllt. Während dieses Auffüllvor- ganges strömt kein Kraftstoff zwischen Ventil- und Ventilsitz hindurch. Dadurch kann sich das Ventil auf den Sitz setzen und abdichten, ohne dass die Geschwindigkeit v des strömenden Kraftstoffes beein flusst wird. Ist das von dem Ventil freigegebene Volu men aufgefüllt, so will der Kraftstoff wieder zwi schen Ventil und Ventilsitz weiterströmen, findet diese Stelle aber geschlossen und wird dadurch schlagartig abgebremst, in der Zeit t = 0. Dabei ent steht der Druck p = a o v/2, der als Einspritzdruck verwendet wird.
Bei der Verwendung solch eines Ventils erhält man einen Einspritzdruck, der nur von der Geschwindigkeit abhängig ist.
Das vorliegende Patent betrifft ferner ein Ver fahren zum Betrieb der Einspritzanlage. Dieses Ver fahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke der Regelung der Einspritzmenge die in der Primär leitung auftretende Druckwelle verändert wird.
In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausfüh rungsform des Erfindungsgegenstandes dargestellt, und zwar zeigt: Fig. 1 die Kraftstoffeinspritzanlage in schema tischer Darstellung und Fig. 2 eine graphische Darstellung der Einspritz- mengenkennlinie mit der Kraftstoffgeschwindigkeit als Ordinate und der Zeit als Abszisse.
In dem dargestellten Beispiel bezeichnet: 6 eine Niederdruckpumpe, z. B. eine Zahnradpumpe, mit der Saugseite 61 und der Druckseite 62, 10 ein Überströmventil mit der Zuleitung 106, dem Ventil 101, der Ventilfeder 102, dem Ventilsitz 105, der Rückleitung 104 und der Regelstange 103.
1 ist die Primärleitung, in der sich der Kraft stoff mit der Geschwindigkeit v bewegt. Diese Pri märleitung steht bei 12 mit der Druckseite 62 der Zahnradpumpe 6 in Verbindung und bei 13 mit dem Hauptventil 3. In diesem Hauptventil 3 befindet sich das Ventilschliessörgan 31, das in geschlossenem Zustand dichtend auf dem Ventilsitz 32 ruht und die Verbindung von 13 zu 11 unterbricht. Das Ventil 31 wird durch den Abschnappnocken 8 über den Ventilschaft 34 angehoben, wodurch die Verbindung 13 zu 11 wieder hergestellt wird.
Die Feder 33 sucht das Ventil 31 in der Schliess richtung zu bewegen.
2 ist die Sekundärleitung, die bei 21 an die Pri märleitung 1 (13) angeschlossen ist und mit dieser in dauernd offener Verbindung steht. Am andern Ende der Sekundärleitung 2 befindet sich bei 22 die Einspritzdüse 4, 5, wobei 4 das Schliessventil darstellt und 5 die Düsenbohrung. 7 ist der Kraft stofftank. 9 stellt eine einstellbare Drosselvorrichtung dar, mittels welcher der Strömungsquerschnitt bei 91 verengt werden kann.
95 ist ein Druckspeicher mit dem Kolben 97 und der Feder 96. Dieser Druckspeicher ist hinter der Pumpe 6 und vor der Primärleitung 1 bei 98 ange schlossen.
Die Wirkungsweise der Anlage ist folgende: Die Pumpe 6 saugt bei 63 aus dem Kraftstofftank 7 Kraftstoff an und fördert ihn von der Druckseite 62 bei 12 zu der Primärleitung 1. Der Kraftstoff strömt in dieser Primärleitung 1 mit der Geschwindigkeit v von 12 nach 13, von da durch das Hauptventil 3 zwischen Ventil 31 und Ventilsitz 32 hindurch zu der Rückleitung 11, um bei 14 wieder in den Tank 7 zu gelangen. Der Schliessdruck des Einspritzventils 4 ist so gross, dass in der Sekundärleitung 2 keine Strömung stattfinden kann. Dreht sich der Ab schnappnocken 8 in der Pfeilrichtung weiter, so wird das Ventil 31 bei 34 (Ventilschaft) von dem Nocken 8 nicht mehr angehoben.
(Stelle 114 in Fig. 2.) Die Ventilfeder 33 bewegt das Ventil 31 nach unten gegen den Ventilsitz 32. Durch diese Bewegung wird über dem Ventil 31 ein Raum frei. In diesen Raum strömt Kraftstoff aus der Primärleitung 1 nach. Während dieses Nachströmens setzt sich das Ventil 31 auf den Ventilsitz 32 und unterbricht die Verbindung 13 zu 11. Ist der über dem Ventil frei gewordene Raum von dem aus der Primärleitung 1 nachströmenden Kraftstoff aufgefüllt, will der Kraft stoff weiter von 13 nach 11 und von da in den Tank 7 fliessen, findet aber die Verbindung 13 zu 11 geschlossen und wird dabei schlagartig abgebremst.
Dadurch entsteht ein Einspritzdruck p<I>= a</I> o <I>v/2.</I>
Da sich in Flüssigkeiten die Drücke mit Schall geschwindigkeit fortpflanzen, wandert von dem Hauptventil 3 eine Druckwelle von der Höhe p mit Schallgeschwindigkeit über 21 durch die Sekundär leitung 2 nach 22, öffnet das Einspritzventil 4, und es beginnt bei 5 die Abspritzung des Kraftstoffes. Von dem Hauptventil 3 wandert aber ebenfalls eine Druckwelle mit der Druckhöhe p von 13 die Pri märleitung 1 entlang zu 12. Bei 12 trifft diese Druck welle auf ein relativ grosses Volumen und wird des halb abgebaut. Nach dem oben Gesagten läuft die ser Abbau der Druckwelle mit Schallgeschwindigkeit von 12 aus durch 1 nach 13, von da nach 21, weiter durch die Sekundärleitung 2 nach 22, womit der Einspritzvorgang beendet ist.
Der Kraftstoff in der Sekundärleitung 2 und in der Primärleitung 1 befin det sich dann in Ruhe, die Geschwindigkeit v ist auf Null abgefallen.
Der von der Pumpe 6 geförderte Kraftstoff kann durch das Überströmventil 10 und die Rückleitung 104 zum Kraftstofftank 7 zurückfliessen. Die Nocken scheibe 8 dreht sich weiter, und durch den Ab schnappnocken wird nach einiger Zeit (Stelle 111 in Fig. 2) über den Schaft 34 das Ventil 31 wieder angehoben, wodurch die Verbindung von 13 zu 11 wieder freigegeben wird. Durch die Pumpe 6 getrie ben, beginnt der Kraftstoff durch die Primärleitung 1 zu strömen, wobei seine Geschwindigkeit v von dem Wert Null bei Stelle 111 in Fig. 2 ansteigt. Dieser Anstieg der Geschwindigkeit 112 ist in der Fig. 2 als Kurve 110 über der Zeit 113 dargestellt.
Bei der Stelle 114 schnappt der Nocken 8 wieder ab und der Vorgang wiederholt sich wie oben beschrie ben.
Je schneller der Abschnappnocken 8 sich dreht, das heisst je höher die Drehzahl des Motors ist, desto kleiner wird die Zeit. T für einen Vorgang (vergl. Fig. 2). Ist in Fig. 2 die Zeit für einen Vorgang bei niederer Motordrehzahl T und für höhere Motor drehzahl T', so erkennt man im ersten Fall die Ge schwindigkeit des Kraftstoffes in der Primärleitung 1 im Augenblick des Abbremsens (Stelle 114) als v (120), im andern Falle, bei Stelle 114', als v' (121), wobei v' kleiner ist als v.
Da von dieser Geschwindig keit, wie oben gezeigt, der Einspritzdruck und damit die Einspritzmenge abhängt, ergibt sich bei dieser Anlage, dass mit höherer Motordrehzahl die Einspritz- menge geringer wird. Dies entspricht der Charak teristik der Verbrennungsmotoren, das heisst dass die beschriebene Anlage von sich aus ohne irgendwelche zusätzliche Einrichtungen die Verbrauchscharakte ristik des Verbrennungsmotors besitzt.
Der in Fig. 2 gezeigte Verlauf des Anstieges der Geschwindigkeit in der Primärleitung 1, die Kurve <B>110,</B> geht nach folgender Gleichung vor sich:
EMI0003.0002
worin<I>x = t</I> # @ # v,t/l ist und v,t die Geschwindigkeit des Kraftstoffes in der Primärleitung, die sich nach der Zeit<I>t</I> --_ unendlich einstellt;<I>l</I> ist die Länge der Primärleitung 1 (die Entfernung von 12 bis 13).
Der Wert (' ist der Widerstandsbeiwert der Leitungen von der Zahnradpumpe 6 zur Primärleitung 1, durch diese Primärleitung 1, durch das Hauptventil 3, über die Rückleitung 11 zum Tank 7, und zwar ist
EMI0003.0010
worin bedeuten: d P (kg/m2) = Druckunterschied vor und hinter der Drosselstelle, v" (m/sec) = mittlere Durchflussgeschwindigkeit, n (kg/sec2/m4) = Dichte der Flüssigkeit. Diesen Wert kann man sehr einfach regulieren, z. B. durch eine Drossel, die in der Fig. 1 als Stell schraube 9 ausgebildet ist, und mit der eine Ver engung des Querschnittes bei 91 vorgenommen wer den kann.
Dadurch kann der Verlauf der Kurve 110 in Fig. 2 so bestimmt werden, dass die Einspritz- anlage mit ihrer eingespritzten Menge genau oder weitestgehend genau mit jedem angeschlossenen Motor übereinstimmt.
Wie oben schon erwähnt, wird die eingespritzte Menge dadurch geregelt, dass man die Geschwindig keit v des Kraftstoffes in der Primärleitung 1 regelt. Dies kann dadurch geschehen, dass man einen Teil des von der Pumpe 6 geförderten Kraftstoffes über ein Überdruckventil 10, bestehend aus dem Ventil <B>101,</B> der Feder 102 und der Regelstange 103 durch die Rückleitung 104 in den Tank 7 zurückströmen lässt. Im Vergleich zu der bei 5 abgespritzten Menge ist die durch das überströmventil 10 laufende Kraft stoffmenge sehr gross und steht unter dem sehr niedrigen Druck, der von der Pumpe 6 erzeugt wird, so dass diese Regelung sehr einfach ist und mit billigsten Mitteln erfolgen kann. Eine Regelung ist auch dadurch möglich, dass man die von der Pumpe 6 geförderte Menge verringert, was z.
B. durch eine Änderung der Drehzahl der Pumpe 6 vorgenommen werden kann oder durch eine Drosselung der aus dem Tank 7 angesaugten Kraftstoffmenge.
Läuft die Pumpe 6 mit einer Drehzahl, die der Motordrehzahl entspricht, so wird bei niedrigen Drehzahlen die von der Pumpe 6 geförderte Kraft stoffmenge zu gering, um die notwendige Geschwin digkeit v in der Primärleitung 1 zu erzeugen. Des halb kann hinter der Pumpe 6 ein Druckspeicher 95 angeschlossen sein. In diesen Druckspeicher 95 för dert die Pumpe 6 bei geschlossenem Hauptventil 3 während des ersten Teils eines Vorganges. Dadurch wird der Kolben 97 nach oben gegen die Feder 96 bewegt. Im Augenblick des öffnens des Haupt ventils 3 wird der Kolben 97 von der Feder 96 wieder nach unten bewegt und drückt den Kraftstoff durch 98 in die Primärleitung 1.
Da dies zusätzlich zu einer weiteren Förderung der Pumpe 6 erfolgt, ist es möglich, die gewünschte Geschwindigkeit v im Augenblick des Schliessens des Hauptventils 3 (Stelle 114 Fig. 2) zu erreichen. Das überströmventil 10 und dieser Druckspeicher 95 können baulich ver einigt werden, wobei das Ventil 101 durch den Kolben 97 ersetzt wird.
Die Drossel 9 muss nicht, wie in Fig. 1 einge zeichnet, zwischen der Pumpe 6 und der Primär leitung 1 liegen, sondern kann auch hinter dem Hauptventil 3 in der Rückleitung 11 liegen. Dadurch bildet sich ein geringer Vordruck in der Primär leitung 1 und dem Hauptventil 3 aus, was günstig ist und einer allfälligen Gasblasenbildung vorbeugt.