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Kraftstoff-Einspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen Die Erfindung
betrifft eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen. Aufgabe der
Erfindung ist die Verbesserung der Einspritzbedingungen am Beginn und am Ende des
Einspritzvorgangs sowie die Vereinfachung der Konstruktion der Einspritzvorrichtung.
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Die Nachteile der bekannten Einspritzvorrichtungen bestehen unter
anderem aln, daß der zum Öffnen der Düse erforderliche Kraftstoffdruck bei zunehmendem
Gasdruck im Zylinder abfällt und ein im Zylinder herrschender hoher Gasdruck bestrebt
ist, die Düse nach dem vorgesehenen Ende des Einspritzvorgangs offenzuhalten, sofern
nicht eine sehr starke Düsen-Rückstellfeder vorgesehen wird, Bei den bekannten Düsenformen
wird der Kraftstoff beim Schließen der Düsennadel aus der Tasche über die Düsenöffnungen
weiterhin einge spritzt Dadurch werden in der Tasche bzw. Kammer der Düse Hohlräume
erzeugt und folglich ein pulsierender Kraftsto ffluß eingeleitet. Während der Ausstoßimpulse
verläßt ein Teil des Kraftstoffs die Düsenöffnungen in Form von Kraftstoffspritzern,
die sich in grobe Tröpfchen zerteilen, während etwas Kraftstoff an der DAsenspitze
zurückbleibt und dort unter Bildung einer Kohlenkruste bzw0 eines Kohlenringe verbrennt0
Beide Zustände sind nachteilig.
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Die Erfindung vermag diese vorgenannten Nachteile auszuschalten.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die Erfindung eine Kraftstoff-Einspritzverrichtung
für Brennkraftmaschinen, die einen Düsenkörper, eine Düsennadel, einen Ventilsitz
für die Düsennadel sewie eine Tasche zwischen dem Ventilsitz und einer Düse für
die Kraftstoffeinspritzung aufweist, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Tasche
über einen Kanal mit einem mit dem von der Tasche entfernten Ende der Düsennadel
in Verbindung stehenden geschlossenen zum verbunden ist In weiterer Ausgestaltung
ist die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal
mindestens teilweise als Längsbohrung in der Düsennadel ausgebildet ist.
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In noch weiterer Ausgestaltung ist die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung
derart ausgeführt, daß der Kanal unter Bildung einer Drossel an mindestens einem
Ende kleinere -duerschnittsfläche besitzt.
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Weiterhin schafft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der Einspritzdüse
einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, wobei die Kraftsto
f feinspritzung über eine innerhalb eines Düsenkörpers auf einen Ventil sitz arbeitende
DSisennadel und eine Tasche zwischen dem Ventilsitz und der Düse einer Einspritzvorrichtung
erfolgt, ######## das dadurch gekennzeichnet ist, daß zwischen beiden Enden der
Düsennadel ständig ein praktisch vollständiger Druckausgleich aufrechterhalten wird.
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Im folgenden ist die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel anhand
einer Zeichnung näher erläutert, welche einen Schnitt durch eine Einspritzvorrichtung
mit den Merkmalen der Erfindung darstellt.
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Gemäß der Zeichnung weist eine Düsennadel 1 einen Abschnitt 2 von
größerem Querschnitt, der in einer Bohrung 3 geführt ist,
sowie
einen dünneren Abschnitt 4 auf, der in eine konische Spitze 5 ausläuft, welche gemeinsam
mit einem konischen Ventil sitz 6 am Ende einer im Düsenkörper 8 vorgesehenen Bohrung
7 ein Ventil bildet. Der Ventilsitz 6 besitzt einen kleineren Kegelwinkel als die
Spitze 5. Die Düsennadel 1 wird von einem Kanal 9 durchsetzt, der in einen Kanal
10 von kleinerem Querschnitt enden kann. Im Düsenkörper 8 ist in Verlängerung des
konischen Ventilsitzes 6 eine Tasche bzw. Kammer 11 mit mehreren Bohrungen 12 ausgebildet,
über welche der Kraftstoff in den Zylinder einer Brennkraftmaschine eingespritzt
werden kann. Der Körper 13 der Vorrichtung ist mit einer Bohrung 14 versehen, die
an ihrem unteren Ende eine Ausnehmung 15 aufweist.Um einen dürneren Teil 17 am oberen
Ende des Abschnitts 2 der Düsennadel 1 ist eine Scheibe herumgepaßt und begrenzt
innerhalb der Ausnehmung 15 den maximalen Hub der Düsennadel 1.
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Am oberen Ende des Teils 17 der Düsennadel 1 ist ein Feder sitz 18
mit einem Kanal 19 vorgesehen, der kleineren Durchmesser als der Kanal 9 besitzen
kann, Zwischen dem Federsitz 18 und einem oberen Federsitz 21 ist eine Feder 20
angeordnet, wobei sich ein Abschnitt 22 des oberen Federsitzes 21 in die Feder 20
hineinerstrecken kann, um das von der Federkammer 2) aufgenommene Kraftstoffvolumen
zu vermischen. Für die anfängliche Einstellung der durch die Feder 20 ausgeübten
Kraft können oberhalb des oberen Federsitzes 21 Packungsscheiben 24 eingesetzt werden.
Wahlweise kann auch eine Einstellschraube durch den Körper 13 der Vorrichtung hindurchgeführt
werden, die auf den Federsitz 21 einwirkt und die durch die Feder 20 ausgeübte Kraft
erhöht oder vermindert. Der Düsenkörper 8 und der Körper 1 der Vorrichtung werden
durch eine Überwurfmutter 25 zusammengehalten.
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er von @ ner Einspritzpumpe gelieferte Kraftstoff wird der Zinspritzverrichtung
über einen Anschluß 26, einen Kanal 27, eine Nut 2@, einen Kanal 29, einen Ringraum
50 und über den @wischenr@ un zwischen dem Abschmitt 4 der Düsennadel 1 und @er
Sohrung 7 zum Ventil 5,6 den Düse zugeführt.
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kammer 23 über den Kanal verbunden, so daß in Abwärtsrichtung auf
den größeren Abschnitt 2 der Düsennadel 1 und in Aufwärtsrichtung auf ihren kleineren
Abschnitt 4 der gleiche Druck einwirkt. In Abwesenheit anderer Kräfte hält die aus
diesem Flächenunterschied resultierende Kraft sowie die Kraft der Feder 20 das Ventil
5, 6 der Düse geschlossen.
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Das Düsenventil öffnet sich, wenn diese Abwårtskräfte durch die AuDwärtskraft,
welche vom Druck des von der Einspritzpumpe geliFferten Kraftstoffs herrührt und
auf die im Ringraum 30 freiliegende Fläche einwirkt, infolge des Unterschieds zwischen
der Fläche des kleineren Abschnitts 4 und des größeren Abschnitts 2 der Düsennadel
1 überwunden wird. Der wirksame Flächenunterschied ist derjenige zwischen der Querschnittsfläche
des geführten Abschnitts 2 der Düsennadel und der konischen Spitze 5 auf der Linie,
auf welcher sie den konischen Ventilsitz 6 berührt. Wenn die konische Spitze5daher
den konischen Ventilsitz 6 auf einer Linie berührt, an welcher die Querschnittsfläche
der Spitze kleiner ist als die Gesamt-Querschnittsfläche des geführten Abschnitts
2 der Düsennadel 1, wird eine Stufenwirkung erreicht und eine Ringfläche gebildete
über die der Kraftstoff-Speisedruck wirksam werden kann.
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Vor dem oeffnen des Düsenventils ist der in der Tasche 11 herrschende
Druck praktisch gleich dem Druck der Gase im Zylinder; wenn sich Jedoch das DUsenventil
öffnet, erhöht bereits eine kleine an der Spitze 5 der Düsennadel vorbeiströmende
Kraftstoffmenge den in der Tasche 11 herrschenden Druck; wenn dieser Druck so weit
ansteigt, daß er den Gasdruck im Zylinder übersteigt, beginnt die Kraftstoffeinspritzung
in den Zylinder.
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Während der Kraftstoffeinspritzung ist der in der Tasche 11 und mithin
in der Federkammer 23 herrschende Druck infolge des Druckabfalls über das DUsenventil
stets kleiner als der im Ringraum 30 herrschende Druck. Wenn sich das DUsenventil
öffnet, verlagert sich die Stelle des kleinsten
Strömungsquerschnitts
hinter der Düsennadel-Spitze 5 von der Umfangs-3erührungslinie zwischen der konischen
Spitze 5 und dem konischen Ventilsitz 6 zum kleineren Umfang der Tasche 11 hin.
Der Raum zwischen diesen beiden Stellen unterliegt vor dem öffnen des Düsenventils
dem in der Tasche herrschenden Druck und nach dem öffnen des Düsenventils praktisch
dem Kraftstoff-Speisedruck. Sobald sich das Dusenventil öffnet, wird eine vergrößerte
Fläche der Düsennadel-Spitze vom Kraftstoff-Speisedruck beaufschlagt.
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Das Düsenventil wird mithin durch einen kleineren, den Taschendruck
übersteigenden Wert des KrantstoXf-Speisedrucks in Offenstellung gehalten, als er
fü das öffnen dieses Ventils erforderlich ist. Während dieser Vorgänge gewährleistet
der Kanal 9, daß die Drucke an beiden Enden der Düsennadel 1 praktisch gleich groß
sind. Sobald der auf die durch den Unterschied zwischen der Querschnittsfläche des
geführten Abschnitts 2 der Düsennadel und der Querschnittsfläche der Tasche 11 gebildete
Ringfläche einwirkende Kraftstoff-Speisedruck auf einen Wert abfällt, bei welchem
der Überschuß dieses Drucks gegenüber dem in der Tasche 11 und in der Federkammer
23 herrschenden Druck der durch die Feder 20 ausgeübten Kraft gleich ist, schließt
sich das Düsenventil.
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Die durch die Feder 20 auszuübende Kraft ist wesentlich niedriger
als dies bei den Rückführfedern in bekannten Einspritzvorrichtungen erforderlich
ist, wodurch sich ein größerer Spielraum für eine optimale Federauslegung ergibt.
In Verbindung mit der Anordnung, durch welche betrieblich ein vorbestimmt er und
konstanter Unterschied zwischen dem Xraftstoffdruck und dem Gasdruck beim öffnen
des Düsenventils gewährleistet wird'macht dimer Vorteil in den
meisten
Fällen eine Federeinstellung überflüssig.
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Die vorstehend beschriebene Konstruktion ermöglicht es, den Düsen-Ventilsitz
und die Tasche mit größerem Durchmesser als normaijrweise üblich auszubilden, wodurch
der Nadel-Hub verkleinert und folglich auch der Aufprall des Nadelventils gegen
seinen Sitz beim Schließen des Ventils herabgesetzt wird.
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Beim Schließen des Düsenventils vergrößert sich das Volumen der Federkammer
23, so daß Kraftstoff aus der Tasche 11 abgesaugt wird; diese Wirkung wird durch
den im Zylinder herrschenden Gasdruck unterstützt, welcher den Kraftstoff aus der
Tasche in die Federkammer drückt. Jeder einzelne der engen Kanäle 10, 19 oder beide
Kanäle wirken als Drosseln und dämpfen alle Druckstöße, die im Kanal 9 auftreten
können.
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In die Federkammer kann nur eine begrenzte Kraftstoffmenge zurückgeleitet
werden, so daß eine bestimmte Kraftstoffmenge in der Tasche verbleibt und diese
kühlt und außerdem ein Eindringen der Gase aus dem Zylinder über diesen Punkt hinaus
verhindert. Hierdurch werden Kohleablagerungen im Inneren der Düse verhindert oder
weitgehend reduziert und andererseits ein Kraftstoffaustritt über die Düsenbohrungen
ausgeschaltet, wodurch sich Kohleablagerungen an der Düsenspitze bilden könnten.
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Ein vorteilhaftes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß vier wichtige
Verhältnisse zwischen den im Betrieb der Einspritzvorrichtung auftretenden Drucken
auch bei wechselnden Betriebsbedingungen infolge der praktisoh einen Druckausgleich
an beiden Enden der Düsennadel gewährleistenden Anordnung auf praktisch konstanten
Werten gehalten werden. Diese Druckverhältnisse sind folgende: a) Der zum offenen
des Düsenventils erforderliche Kraftstoff-
Speisedruck übersteigt
um einen vorbestimmten Wert den in der Tasche der Düse herrschenden Druck, welcher
in diesem Augenblick dem im Zylinder der Brennkraftmaschine, in welche die Einspritzvorrichtung
eingebaut ist, herrrschenden Gasdruck entspricht.
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b) Der Kraftstoff-Speisedruck, welcher zum Of enhalten des Düsenventils
nötig ist, übersteigt den in der Düsentasche herrschenden Druck, welcher in diesem
Augenblick höher ist als der Gasdruck im Zylinder, um einen vorbestimmten Wert,
welcher kleiner ist als der zum Öffnen des Düsenventils erforderliche Drucküberschuß.
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c) Der Kraftstoff-SpeiseQruck, bei welchem sich das Düsenventil schließt,
übersteigt den in der Düsentasohe herrschenden Druck um einen vorbestimmten Betrag,
welcher der durch die Feder der Einspritzvorrichtung ausgeübten Kraft äquivalent
ist.
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d) Der zum öffnen des Düsenventils erforderliche Kraftstoff-Speisedruck
übersteigt den betreffenden Druck in der Tasche der Einspritzdüse um einen Wert,
der größer ist als der beim Schließen des Düsenventils erforderliche Drucküberschuß.
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Ein Vorteil des oben unter (a) genannten Verhältnisses besteht darin,
daß der konstante und vorbestimmte Unterschied zwischen dem Kraftstoff-Speisedruck
und dem Gasdruck im Zylinder, welcher fUr die anfängliche Zerstäubung des Kraftstoffes
unter wechselnden Betriebsbedingungn zur Verfügung steht, eine zwangsläufige Einleitung
der Einspritzung des Kraftstoffs und eine gute Verbrennung desselben sicherstellt
Bei
einer normalen Einspritzdüse wird das Düsenventil durch die Summe der Kräfte des.
Kraftstoff-Speisedrucks und des im Zylinder herrschenden Gasdrucks geöffnet, welche
der Kraft der Düsenfeder entgegenwirken. Bei sich erhöhendem Gasdruck nimmt daher
der erforderliche Kraftstoffdruck ab. Dies bedeutet, daß der Kraftstoff-Speisedruck
zu Beginn der Einspritzung bei sich erhöhendem Gasdruck abnimmt, so daß der für
die anfängliche Zerstäubung des Kraftstoff zur Verfügung stehende Unterschied zwischen
dem Kraftstoffdruck und dem Gasdruck bei zunehmenden Gasdruck ebenfalls abnimmt.
Dies führt zu Schwankungen bei der anfEnglichen Zerstäubung des Kraftstoffs und
zu unzureichender Verbrennung bei wechselnden Betriebsbedingungen. Bei einer erfindungsgemäaen
Einspritzdüse ist der Druck an beiden Enden der Düsennadel ausgeglichen und entspricht
dem Gasdruck, so daß sich der zum offenen der Düsennadel erforderliche Kraftstoff-Speisedruck
in Abhängigkeit vom Gasdruck im Zylinder ändert und rolglich der Unterschied zwischen
dem Kraftstoffdruck und dem Gasdruck konstant ist und vorherbestimmt werden kann
Ein
Vorteil des unter (b) genannten Verhältnisses kann darin gesehen werden, daß der
Druckunterschied zwischen dem Kraftstoff-Speisedruck und dem zum Offenhalten des
Nadelventils erforderlichen Taschendruck klein ist, was zu einem kleinen Druckverlust
bzw. Druckabfall mit dem Kraftstoffluss über das Nadelventil führt.
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Ein Vorteil des unter (c) aufgeführten Verhältnisses besteht darin,
daß die Druckverhältnisse beim Schließen des Nadelventils ein Zurückblasen der Gase
aus dem Zylinder und eine hiervon herrührende Verunreinigung der Nadelspitze und
der Düsenbohrungen verhindern. Bei einer herkömmlichen Einspritzdüse können die
Hochdruckgase aus dem Zylinder ein Wiederöffnen des Nadelventils nach seinem vorgesehenen
Schließvorgang unter Verursachung einer Verschmutzung der Düse hervorrufen; dies
ist beim erfindungsgemäßen Nadelventil nicht möglich, da der Gasdruck wirksam auf
beide Enden der Düsennadel übertragen wird.
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Ein Vorteil des unter (d) erläuterten Verhältnisses besteht darin,
daß der auf beide Enden der Düsennadel übertragene hohe Gasdruck eine Erhöhung des
zum Uffnen des Nadelventils erforderlichen Kraftstoff-Speisedrucks hervorruft, wodurch
sekundäre bzw. nachfolgende Einspritzungen praktisch verhindert werden, die unerwünscht
sind und nach dem Ende des yorgesehenen Einspritzvorgangs auftreten, wenn der im
Zylinder herrschende Gasdruck infolge der Verbrennung des Kraftstoffs hoch ist.
Bei einer herkömmlichen Einspritzdüse bewirkt ein hoher Gasdruck eine Herabsetzung
des zum Uffnen des Nadelventils nötigen Kraftstoff-Speisedrucks.
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Ein Wiederöffnen des Nadelventils wird hierbei durch den unausgeglichenen
hohen Gasdruck und eine vorübergehende Erhöhung des Xraftatoff-Speisedrucks infolge
der Druckwellen im Kraftstoff-Speiserohr hervorgerufen. Beim erfindungsgemäßen Nadelventil
wird die Wirkung eines hohen Gasdrucks ausgeglichen, und wenn der zum Offnen des
Nadelventils
erforderliche Kraftstoff-Speisedruck durch den hohen
Gasdruck erhöht worden ist, wäre zum Wiederöffnen des Düsenventils eine sehr starke
Druckwelle im Speiserohr nötig.
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Ein weiterer Vorteil des Druckausgleichs an beiden Enden der Düsennadel
besteht darin daß der Druckunterschied zwischen dem Ringraum 50 und der Federkammer
23 wesentlich kleiner ist als zwischen den entsprechenden Teilen einer herkömmlichen
Einspritzdüse. Die längs des geführten Abschnitts 2 der DUsennadel 1 hindurchleckende
Kraftstoffmenge ist daher wesentlich geringer als bei einer herkömmlichen Einspritzdüse,
so daß kein getrenntes Überlaufrohr erforderlich ist. Außerdem gelangt der in die
Federkammer 25 einfließende Leck-Kraftstoff über den Kanal 9 in die Tasche 11 und
wird schließlich in den Zylinder der Brennkraftmaschine eingespritzt.
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Selbstverständlich soll die vorstehende Offenbarung die Erfindung
nur erläutern, da zahlreiche Anderungen und Abwandlungen von Einzelheiten möglich
sind, ohne daß der Rahmen und der Grundgedanke der Erfindung verlassen werden. Die
Erfindung soll auch alle Kombinationen der beschriebenen Merkmale erfassen.