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Kavitationsfreie Einspritzanlage Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Einspritzanlage
für Brennkraftmaschinen, die aus Einspritzpumpe, Einspritzdüse und Einspritzleitung
besteht, wobei zwischen Einspritzpumpe und Einspritzleitung nebeneinander zwei in
verschiedenen Richtungen öffnende Rückschlagventile angeordnet sind.
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Derartige Einspritzanlagen sind bekannt, zum Teil als "Anlagen mit
Gleichdruckentlastung". Sie verfolgen den Zweckpein bestimmtes Einspritzgesetz zu
realisieren. Die Anmelder älterer Patente verfolgten damit verschiedene Zielsetzungen:
Die Vermeidung von Nachspritzern, die Vermeidung von Kavitation in den Einspritzleitungen
und die Vermeidung von störenden Einspritzgeräuschen.
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Bei Einspritzanlagen, bestehend aus einer Pumpe, Förderleitung und
nach innen öffnender Düse kam es häufig vor, daß durch zweimalige Reflexion der
Förderwelle- an der Düse und an der Pumpe -zu einem Zeitpunkt; wo die Einspritzung
bereits beendet ist, nochmals eine positive Druckwelle zur Düse läuft, die zu einem
abermaligem öffnen der Düse führt. Diese Nachspritzer sind unerwünscht, da der Kraftstoff
zu spät eingespritzt und@nur schlecht zerstäubt wird. Zur Behebung dieses Ubels
wurde vorgeschlagen, auf der Pumpenseite Vorrichtungen anzubringen, die die zur
Pumpe zurücklaufende Welle dämpfen bzw. aufzehren sollten. Zu diesem Zweck wurden
in Serie zu dem üblichen Entlastungsventil Rückschlagventile vorgesehen, die zum
Teil in Förderrichtung, zum anderen Teil entgegen der Förderrichtung öffnen, wobei
einige mit einer künstlichen Undichtheit versehen sind.
(Französische
Patentschriften Nr. 1.3o8.6o2, 1.399.113;
US-Patentschriften Nr. 2.729.169,
2.797.644, 2.888.876; Schweizer Patentschrift Nr. 399 O72).
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Zur Erreichung eines steil abfallenden Einspritzgesetzes beim Förderende
wird ein Druckverlauf angestrebt, der eine steil abfallende Rückflanke aufweist.
Diese wird im allgemeinen dadurch erreicht, daß man beim Abfall des Druckes im Pumpenraum
auf den Druck des Saugraumes mit Hilfe eines Rückschlagventils,dem sog. Entlastungsventil,
aus der Einspritzleitung ein bestimmtes Volumen, das sog. Entlastungsvolumen, zurückzieht.
Dabei kann der Druck bei zu großem Entlastungsvolumen an der Rückflanke der Förderwelle
ins Unterdruckgebiet abfallen, was zu Hohlräumen im Kraftstoff führt, deren plötzlicher
Zusammenfall (Kgvitafion) die Einspritzleitungen von innen her zerstört. Viele Erfinder
haben sich deshalb die Aufgabe gestellt, durch Vorrichtungen an der Einspritzpumpe
sowohl Kavitation als auch Nachspritzer zu vermeiden.
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Sie schlugen vor, parallel zu dem Entlastungsventil einen Bypass anzubringen,
wobei dieser zum Teil innerhalb desselben angeordnet ist und zum Teil mit einem
entgegen der Förderrichtung öffnenden Rückschlagventii versehen ist, wobei dieses
Rückschlagventil bei einigen der Erfindungen noch zusätzlich mit einer hydraulischen
Dämpfung versehen ist.(Französische Patentschrift Nr. 1.355.415, 1.481.781;
US-Patentschrift Nr. 3.115.3o4, 3.364.863; Schweizer Patentschrift Nr.
394.710;
Britische Patentschrift Nr. 744.293).
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Es hat sich jedoch in der Praxis gezeigt, daß alle erwähnten Vorrichtungen
auf der Pumpenseite Kavitation nicht mit Sicherheit ausschließen, wenn nicht gleichzeitig
auf der Düsenseite eine ganz bestimmte Rückwurfbedingung für die Druckwellen vorliegt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Unterdruckwellen in Einspritzanlagen und
Nachspritzer zu vermeiden unter Beibehaltung eines günstigen Einspritzgesetzes mit
steiler Förderrückflanke.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß 1. der zwischen den Pumpenventilen und der Einspritzleitung
sich befindende Raum so klein ist, daß mit kleinem Entlastungsvolumen des Entlastungsventils
eine steile Rückflanke der Förderwelle entsteht, daß 2. der Öffnungsquerschnitt
der Einspritzdüse so klein ist, daß die von der Pumpe vorlaufende Förderwelle im
wesentlichen positiv reflektiert wird und daß 3. der wirksame Querschnitt des gegen
die Förderrichtung öffnenden Rückschlagventils an der Pumpe durch Hubbegrenzung
und/ oder in Serie geschaltete Drosseln so klein ist, daß die von der Düse zurücklaufende
Welle so wenig als möglich reflektiert wird.
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Als spezielle Ausführung der erfindungsgemäß notwendigen beiden Rückschlagventile
an der Pumpe wird vorgeschlagen, daß das gegen die Förderrichtung öffnende Ventil
in Körper des in Förderrichtung öffnenden Ventils untergebracht ist. Bieraus ergeben
sich konstruktive und fertigungsmäßige Vorteile. Vor allem lassen sich damit die
gebräuchlichen Einventil-Anlagen leicht auf die Zweiventil-Anlage umrüsten.
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Weiter kann es vor allem bei Einzelpumpen vorteilhaft sein, das in
Förderrichtung öffnende Ventil ohne Feder einzubauen selbstverständlich mit Hubbegrenzung,
wodurch sich der Raum zwischen Pumpenventil und Einspritzleitung besonders klein
halten läßt. Bei bestimmten Anlagen kann eine weitere Vereinfachung darin liegen,
daß statt des gegen die Förderrichtung öffnenden Ventils nur ein passend bemessener
Drosselquerschnitt vorgesehen ist.
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Der Grundgedanke der Erfindung und ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend
anhand zweier Figuren erläutert.
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Fig. 1 zeigt schematisch eine Einspritzanlage, die erfindungsgemäß
mit 2 Rückschlagventilen ausgelegt ist, dazu die in der Mitte der Einspritzleitung
auftretenden Druckwellen und die dazugehörigen Düsennadelbewegungen sowie Reflexionskennlinien
für den Wellenrückwurf an der Einspritzdüse und der Einspritzpumpe. Der Pumpenkolben
1, dessen Fördermenge in bekannter Weise z.B. durch
Schrägkantensteuerung
eingestellt werden kann, komprimiert Kraftstoff im Pumpenraum 2. Über das in Förderrichtung
öffnende Rückschlagventil 3, das im Schema mit einer Feder 4 belastet ist,
strömt Kraftstoff in den Ventilraum 5 und von da aus in Form einer Druckwelle durch
die Einspritzleitung 6 zur
Einspritzdüse 7. Die Einspritzdüse besteht in bekannter
Weise aus einer Düsennadel 8, die durch eine Feder 9 belastet ist und deren liub
durch einen Anschlag 1o begrenzt sein kann. Durch den Öffnungsquerschnitt 11 erfolgt
die Einspritzung des Kraftstoffs in den Motor. Die von der Düse reflektierte Druckwelle
läuft durch die Einspritzleitung 6 zum Ventilraum 5 zurück. Das Rückschlagventil
12, das mit einer Feder 13 belastet ist, kann nach Beendigung der Förderung durch
den Pumpenkolben 1 öffnen, so daß Überdruckwellen an dem sich ergebenden Öffnungsquerschnitt
des Rückschlagventils 12 oder einem zum Rückschlagventil 12 in Serie geschalteten
Drosselquerschnitt 14 reflektiert werden können.
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In welcher Weise die gezeigte Anordnung erfindungsgemäß abgestimmt
werden soll und worin die charakteristische Wirkungsweise besteht, zeigen die in
Fig. 1 enthaltengn Diagramme. t bedeutet die Zeit, L die Länge der Einspritzleitung
6; Wellendrücke in der Mitte der Einspritzleitung 6 sind mit den Diagrammlinien
15, Bewegungen der Düsennadel 8 mit den Diagrammlinien 16 dargestellt. Die Fronten
der zwischen Ventilraum 5 und Einspritzdüse 7 hin- und herlaufenden Wellen sind
durch die mit einem in Laufrichtung weisenden Pfeil versehenen Linien 17, 18 und
19 angedeutet.
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Die mit p1 bezeichneten Diagrammlinien mit der Wellenfront 17 sind
vom Ventilraum 5 zur Einspritzdüse 7 laufende Fördürwellen, wie sie mit verschiedenen
Abstimmungsmaßnahmen erzeugt werden
können. P 1B ist die Form einer
Förderwelle, wie sie dann erzeugt
wird, wenn das Rückschlagventil 3 keine
oder nur sehr geringe Entlastungswirkung hat und der Ventilraum 5 im Verhältnis
zum Querschnitt der Einspritzleitung 6 groß ist. Es wird zwar die Bildung von Unterdruckwellen
vermieden, die durch PJB ausgelöste Düsennadelbewegung 11B ist jedoch unerwünscht,
weil die Einspritzung zu lang dauert und die Düsennadel 8 zu langsam schließt. Diesen
Nachteil kann man bekanntlich dadurch beseitigen, daß man
dem Rückschlagventil
3 konstruktiv eine entlastende Wirkung gibt. Mit einer derartigen Maßnahme
erhält man Förderwellen in der
Form der Diagrammlinie PlC, die zwar
günstige Düsennadelbewegungen der Form HC auslösen, meist jedoch an die Rückflanke
anschließend Unterdruckanteile aufweist, die zur Bildung von Hohlräumen führen können.
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Dagegen zeigt die Diagrammlinie P 1A eine Förderwelle, die die Nachteile
der Formen P 1B und P 1c vermeidet und die günstige Düsennadelbewegung HA auslöst,
erzeugt dadurch, daß ein relativ zum Querschnitt der Einspritzleitung 6 sehr kleiner
Ventilraum 5 und gleichzeitig ein Rückschlagventil 3 ohne wesentliche
Ent-
lastungswirkung verwendet wird.
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Längs der Wellenfront 18 läuft die von der Düse reflektierte Förderwelle,
die im Diagramm durch mit P2 bezeichnete Linie dargestellt ist, zur Pumpe zurück:
In welcher Weise die Förderwelle an der Düse reflektiert wird, wird durch das Düsenrückwurfdiagramm
2o beschrieben. Die Amplitude der reflektierten Welle P2 hängt von der Amplitude
der ankommenden Welle P1 bekanntlich so ab, daß im Rückwurfdiagramm 2o für ein gegebenes
Verhältnis des Düsenöffnungsquerschnittes 11 zum Querschnitt der Einspritzleitung
6 eine Zuordnung der Drücke längs einer Parabel besteht. Die Parabel A im Rückwurfdiagramm
2o gilt dabei für einen relativ kleinen, die Parabel B im Rückwurfdiagramm 2o für
einen rela-
tiv großen Düsenquerschnitt. Dementsprechend würde die Förderwelle
P 1A längs der Wellenfront 18 zur Pumpe zurückgeworfen mit der
Diagrammform
P 2A oder der Diagrammform P28, je nachdem ob der während der Einspritzung geöffnete
Düsenquerschnitt zur Reflexion längs der Parabel A oder längs der Parabel B des
Rückwurfdiagramms 2o führt. Erfindungsgemäß ist auf Rückwurf längs der Pa-rabel
A auszulegen, weil die Welle P 2B wesentliche Unterdruckam-
plituden enthält,
die zu Hohlraumbildung führen.
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Analog dem Wellenrückwurf an der Düse findet an der Pumpe ein
Rückwurf von Druckwellen P2 stätt, die mit der Wellenfront 18
eintreffen.
Deren Echo läuft in Form von Druckwellen P3 mit der
Wellenfront 19 wieder
zur Düse. Zur Beschreibung dieses Rückwur-
fes dient das Rückwurfdiagramm
21, in welches 2 Rückwurfkennlinien 0 und E eingetragen sind. Die
Rückwurfkennlinie D gilt
für den Fall, daß der Ventilraum 5 zwar
sehr klein ist, das-
Rückschlagventil 12 und/oder ein Drosselquerschnitt 14
aber
fehlen . Die erfindungsgemäß anzustrebende Druckwelle
P 2A wird in
diesem Falle ohne Amplitudenänderung positiv reflek-
tiert, so daß
die Welle P 3D zur Düse zurückläuft. Die positiven Anteile dieser Welle führen
an der Düse zum nochmaligen öffnen
,der Düsennadel 8 entsprechend der
Diagrammlinie HD was nachtei-
lig für den Betrieb der Einspritzanlage und
den Motor ist. Sieht
man jedoch ein Rückschlagventil
12 oder einen Drosselquerschnitt
14 oder beides vor, so läßt sich eine
Rückwurfkennlinie E aus-
wählen, die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet
ist, daß die
Welle P 2A sowenig als möglich reflektiert wird, also
sowohl
größere Unterdruckamplituden die zur Hohlraumbildung
führen ver-
mieden werden als auch größere Überdruckamplituden,
die zum Nach-
öffnen der Düsennadel 8 führen können.
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Fig. 2 zeigt die Ausführungsbeispiele für die Anordnung
zweier
Ventile zwischen Pumpenraum 2 und Druckleitung 6,-die
zur Umstellung einer normalen Einspritzpumpe mit nur einem Druckventil
und
Gleichraumentlastung auf eine erfindungsgemäße Anordnung mit 2 Rückschlagventilen
zwischen Pumpenraum 1 und Ventilraum 5
zweckmäßig ist. In
dem in Förderrichtung öffnenden Rückschlag-
ventil 3, das durch die
Ventilfeder 4 belastet ist, ist das ge-
gen Förderrichtung öffnende
Rückschlagventil 12 mit Ventilfeder
13 angeordnet. In Serie zum Rückschlagventil
12 ist eine Dros-
selbohrung 14 angeordnet, die auch entfallen kann,
wenn der wirksame Gesamtquerschnitt z.B. durch Hubbegrenzung
auf den gewünsch-
ten Wert gebracht wird. In gewissen Fällen läßt
sich ein befriedIgender Betrieb auch ohne die Ventilfeder 4 erreichen, wo-
durch
der Ventilraum 5 noch weiter verkleinert werden kann.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen in einer
erheb-
lichen Verlängerung der Lebensdauer der Einspritzleftungen
und der Beseitigung der Unfallgefahr infolge von leck
werdenden
Leitungen.
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Diese Vorteile werden ohne nachteilige Auswirkungen auf das
Einspritzgesetz erzielt.