DE19607331C2 - Einspritzsystem mit einem Einspritzventil für eine selbstzündende Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Einspritzsystem mit einem Einspritz­ ventil für eine selbstzündende Brennkraftmaschine, insbesondere mit Direkteinspritzung und für Flüssiggaskraftstoffe, mit einer entgegen der Kraft zumindest einer Feder öffnenden, als Dros­ selzapfendüse ausgeführten Düsennadel, welche aufgrund der stu­ fenweisen Freigabe des Düsenquerschnittes über den Nadelhub eine gedrosselte Strömung über einem Teil des Nadelhubes ermög­ licht, und wobei die Öffnungskraft der Düsennadel direkt durch die Magnetkraft eines Elektromagneten aufgebracht wird.

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 öff­ net. Der Zeitpunkt des Freigebens des Kraftstoffdruckes an die Düsennadel kann bei manchen Systemen durch das Öffnen eines Ma­ gnetventiles gewählt werden. Die direkte Betätigung der Düsen­ nadel durch das Magnetventil wird bei Dieseleinspritzsystemen nicht angewendet, da die zur Magnetventilbetätigung zulässigen Einspritzdrücke für die Gemischbildung in Dieselmotoren nicht ausreichen.

Zur Einspritzverlaufsformung ("Rate Shaping") werden in indi­ rekt einspritzenden Dieselmotoren Einloch-Drosselzapfen ver­ wendet. Durch den Drosselzapfen entsteht in der Düse eine ge­ drosselte Strömung mit geringem Durchfluß im Vergleich zur voll geöffneten Düse, der einen sanfteren Verbrennungsbeginn be­ wirkt. Die Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel bei hydrauli­ scher Betätigung ist annähernd linear. Bei Überstreichen des Drosselhubes wird mit geringem Durchfluß eingespritzt. Danach steigt der Durchfluß stark an. Die Charakteristik der Drosse­ lung ist somit primär vom Drosselhub und von der Geometrie des Drosselzapfens abhängig.

In direkt einspritzenden Dieselmotoren werden Zweifederdüsen­ halter verwendet. Dabei öffnet die Düsennadel gegen zwei in Se­ rie 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 Ma­ gnetventil gegen eine Feder geöffnet wird. Dies ist deshalb möglich, da die benötigten Einspritzdrücke bei Otto-Motoren im Vergleich zu Dieselmotoren niedrig sind. Da bei direkt ein­ spritzenden Otto-Motoren der Einspritzzeitpunkt üblicherweise weit vor dem Zündzeitpunkt liegt, ist eine Einspritzverlaufs­ formung prinzipiell nicht zielführend und wird daher nicht ver­ wendet. So ist aus der DE 77 13 528 U1 ein Kraftstoff-Ein­ spritzventil für Brennkraftmaschinen, insbesondere für Fahr­ zeugmotoren mit Benzineinspritzung bekannt, deren als Drossel­ zapfendüse ausgeführte Düsennadel direkt durch einen Elektroma­ gneten entgegen der Kraft einer Feder geöffnet wird. Eine Ein­ spritzverlaufsformung ist nicht vorgesehen. Es werden keine An­ gaben über den Verlauf der Magnet- und der Federkraft gemacht.

Weiters beschreibt die DE 43 14 203 C1 ein Kraftstoffeinspritz­ ventil für eine direkt einspritzende Brennkraftmaschine mit einer federbelasteten Düsennadel, wobei stromabwärts des Ven­ tilsitzes der Ventilnadel ein Sackloch vorgesehen ist, von dem aus Spritzlöcher in den Brennraum der Brennkraftmaschine mün­ den. Vor Einsetzen des von der Hochdruckpumpe erzeugten Förder­ druckes wird in der Anfangsphase des Öffnungshubes die Düsenna­ del durch einen elektrisch betätigten Hubmagneten von ihrem Ventilsitz abgehoben. Erst dann setzt die durch die Hochdruck­ pumpe erzeugte Einspritzdruckwelle ein. Da der Einspritzvorgang erst bei geöffneter Einspritznadel beginnt, werden unerwünschte Sitzdrosselungen vermieden. Eine Einspritzverlaufsformung für Flüssiggaskraftstoffe kann mit diesem Einspritzventil nicht realisiert werden.

Ferner beschreibt die DE 35 33 975 A1 einen Hubausgleich für eine Piezoeinspritzung, wobei die Ventilnadel durch einen Pie­ zostack bewegt wird. Zusätzlich dazu ist eine elektromagneti­ sche Arretiervorrichtung zur Schaffung des Hubausgleiches vor­ gesehen. Beim Gegenstand der vorliegenden Anmeldung dagegen erfolgt die Betätigung der Ventilnadel und die Einspritzver­ laufsformung durch einen Elektromagneten, wodurch auf relativ aufwendige Vorrichtungen zum Ausgleich von Längenausdehnungen des Piezostacks verzichtet werden kann.

Für spezielle Flüssiggase, die in direkt einspritzenden Motoren nach dem Dieselprinzip verbrannt werden, ist eine Ein­ spritzverlaufsform 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 bauli­ chen Aufwand benötigen. Bei Dieselmotoren ist der hohe Bauauf­ wand wegen der dort vorliegenden hohen Einspritzdrücke ge­ rechtfertigt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Einspritzsystem mit Ein­ spritzverlaufsformung zur Einspritzung von Flüssiggas mit mög­ lichst geringem baulichen Aufwand zu entwickeln.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die quadratisch mit dem Nadelhub zunehmende Magnetkraft gegenüber der linear mit dem Nadelhub zunehmenden Federkraft zumindest abschnitts­ weise eine annähernd quadratisch zunehmende Nadelöffnungsge­ schwindigkeit ergibt, die kleine Drosselhübe erlaubt und die Düsennadel einen maximalen Nadelhub kleiner als 1 mm aufweist, und daß die Kennlinie der Federkraft im Anfangsbereich etwa parallel zur Tangente an die Kennlinie der Magnetkraft im Nadelschließpunkt ist.

Durch die kleine anfängliche Nadelgeschwindigkeit ergibt sich trotz eines geringen Drosselhubes eine lange Zeitdauer für die Dros­ selströmung. Dadurch ist es möglich, die normalerweise bei Drosselzapfendüsen zur Erzielung einer ausreichenden Drossel­ strömung nötigen Nadelhübe von rund 1 mm deutlich zu verrin­ gern. Durch das Zusammenwirken von Magnetkraft und Federkraft kann die Öffnungsgeschwindigkeit bis zum maximalen Nadelhub um etwa das Zehnfache und darüber zunehmen. Der maximale Nadelhub ist dabei vorzugsweise kleiner als 0,5 mm.

Wegen den bei Flüssiggasen möglichen niedrigen Einspritzdrücken kann die Düsennadel direkt über einen Elektromagneten betätigt werden. Der wesentliche Vorteil bei der Verwendung 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 Atmo­ sphärendruckniveau wie bei Dieselmotoren vorhanden ist. Bei hy­ draulisch 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 Selbstentzün­ dungstemperatur erfolgt, ist zur Erzielung niedriger Stickoxyd­ emissionen und eines ruhigen Motorlaufes die Einspritzver­ laufsformung notwendig. Das erfindungsgemäße System weist somit die einfache Bauweise der Einspritzsysteme von Otto-Motoren bei gleichzeitiger einfacher Realisierung von Einspritzver­ laufsformung auf.

In einer sehr vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, daß die auf die Düsennadel einwirkende Feder­ kraft durch zwei in Serie geschaltete Federn mit unterschied­ lichen 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 Spulenkräf­ ten öffnet. Die zweite Feder, die zur ersten Feder nach Über­ schreiten des von der ersten Feder freigegebenen Hubes dazuge­ schaltet 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 Drosselposi­ tion für diese Zeitdauer gegeben.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, daß das Elektromagnet zumindest zwei voneinander unabhängig akti­ vierbare Spulen zur Steuerung der auf die Einspritznadel wir­ kenden 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 Spulen lassen sich beliebige Zeiten für die Drosselströmung einstellen. Zur Unterstützung der gestuften Bewegung der Dü­ sennadel können in Serie geschaltete Federn zusätzlich einge­ setzt werden.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Düsennadel an ihrem Drosselzapfen einen Strahlablen­ ker, aufweist. Ein derartiger Strahlablenker dient zur Ablen­ kung des Einspritzstrahles in Richtung zum Rand der Kolben­ mulde eines Kolbens. Er findet bei Brennkraftmaschinen Verwen­ dung, bei denen aufgrund gegebener Muldengeometrie keine aus­ reichende 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 Kol­ benmulde im Kolben untergebracht werden kann und kein Strahl­ ablenker an der Düse verwendet wird. Das erfindungsgemäße Ein­ spritzsystem kann sowohl mit einer nach innen als auch mit einer nach außen in Richtung des Brennraumes öffnenden Düsen­ nadel ausgeführt sein.

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

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figur näher erläu­ tert.

Es zeigen

Fig. 1 bis 3 verschiedene Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Einspritzventiles im Längsschnitt,

Fig. 4a eine mit Strahlablenker ausgestattete Düsennadel im Längs­ schnitt,

Fig. 4b ein Einspritzventil mit mehreren Düsenlö­ chern,

Fig. 5 und 6 das erfindungsgemäße Einspritzsystem mit Strahlablenker im Kolbenboden,

Fig. 7 eine weitere erfindungs­ gemäße Ausführungsvariante mit einer nach außen öffnenden Dü­ sennadel und

Fig. 8 ein Kraft-Weg-Diagramm.

Funktionsgleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen ver­ sehen.

Das in Fig. 1 gezeigte erfindungsgemäße Einspritzsystem be­ steht im wesentlichen aus einer direkt in einen Zylinder­ raum 12 einspritzenden Einspritzdüse 1 mit einem Gehäuse 1a, einem Elektromagneten 2' mit einer Spule 2 und einer Düsenna­ del 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 direkter Betätigung der Düsennadel 3 durch eine über eine Steuerein­ heit 10 angesteuerte Spule 2 ist es möglich, durch die Ausnüt­ zung der Nichtlinearität der magnetischen Kraft F_mag gegenüber der linearen Federkraft F_F die Geschwindigkeit des Nadelhubes x zu variieren. Dabei ist die magnetische Kraft F_mag = C₁/x² und die Federkraft F_F = C₂ . x + F₀. F₀, C₁ und C₂ sind Konstan­ ten, x steht für den Nadelhub. Dadurch, daß die Hubgeschwin­ digkeit durch das Zusammenwirken der Magnetkraft F_mag mit der Federkraft F_F quadratisch ansteigt, verweilt die Nadel 3 län­ ger im Drosselbereich, sodaß die Drosselwirkung des Drossel­ zapfens 4 verstärkt wird.

Weiters ist es möglich, durch die stark nichtlineare Nadelöff­ nungsgeschwindigkeit 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 ge­ wünschten 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 hinter­ einander geschalteten Feder 5a und 5b. Die erste schwächere Feder 5a öffnet dabei schon bei geringen magnetischen Kräf­ ten F_mag der Spule 2. Die zweite Feder 5b, die nach Über­ schreiten des von der ersten Feder 5a freigegebenen Hubes h₁ wirksam wird, benötigt eine hohe magnetische Kraft F_mag zum Öffnen. Da es eine gewisse Zeit dauert, bis die magnetische Kraft F_mag 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_mag,1 auf, die die Düsennadel 3 bis in die Drosselposition entsprechend dem Hub h₁ öffnet. Bei Zuschalten der zweiten Spule 2b steigt die magnetische Kraft F_mag um F_mag,2 der zweiten Spule 2b an und dadurch wird die Düsennadel zur Gänze geöffnet. Durch die Aus­ wahl der Ansteuerzeitpunkte der Spulen 2a und 2b lassen sich beliebige Zeiten für die Drosselströmung einstellen. Wie in Fig. 3 eingezeichnet, kann zur Unterstützung der gestuften Be­ wegung der Düsennadel 3 zusätzlich in Serie geschaltete Fe­ dern 5a und 5b analog zu Fig. 2 verwendet werden.

Um eine vollständige Verdampfung des gedrosselten Strahles im Brennraum zu erreichen, ist es vorteilhaft, einen Strahlablen­ ker 6 an der Drosselzapfendüse 4 einzusetzen. Dadurch wird der Einspritzstrahl in Richtung zum Rand 9a einer in einem im Zy­ linder 13 hin- und hergehenden Kolben 8 vorgesehenen Kolben­ mulde 9 abgelekt, wie in Fig. 4a gezeigt ist. Anstelle des Strahlablenkers 6 am Drosselzapfen 4 kann auch ein Strahlab­ lenker 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 Einspritzventil 1 mehrere Düsenlöcher 14 aufweist, 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 F_mag und der Federkraft F_F umgekehrt orien­ tiert 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 F_mag und die Federkraft F_F über den Düsennadelhub x aufgetragen ist, wobei Bezugszeichen A die geschlossene Nadel und B die geöffnete Na­ del markiert. Die resultierende Kraft F_res auf die Düsennadel setzt sich aus der Differenz von Magnetkraft F_mag und der Fe­ derkraft F_F zusammen und ist durch den schraffierten Bereich im Diagramm angedeutet. Die Öffnungsgeschwindigkeit ist pro­ portional zur reslutierenden Kraft F_res und steigt somit annä­ hernd quadratisch mit zunehmender Magnetkraft F_mag an. In dem durch a angedeuteten Anfangsbereich des Hubes x, beispiels­ weise im ersten Drittel, erfolgt die Öffnung der Düsennadel mit kleiner Geschwindigkeit, wobei der eingespritzte Kraft­ stoff gedrosselt wird. Im Anfangsbereich a verläuft die Feder­ kennlinie F_F etwa parallel zu einer Tangente t an die parabel­ förmige 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 F_res,max und somit die maxi­ male Öffnungsgeschwindigkeit kann mehr als das zehnfache des Anfangswertes betragen. Die minimale resultierende Kraft bei geschlossener Nadel ist mit F_res,min bezeichnet.

Claims (8)

1. Einspritzsystem mit einem Einspritzventil für eine selbst­ zündende Brennkraftmaschine, insbesondere mit Direktein­ spritzung und für Flüssiggaskraftstoffe, mit einer entgegen der Kraft zumindest einer Feder (5; 5a, 5b) öffnenden, als Drosselzapfendüse ausgeführten Düsennadel (3, 3'), welche aufgrund der stufenweisen Freigabe des Düsenquerschnittes über den Nadelhub (x) eine gedrosselte Strömung über einem Teil des Nadelhubes (x) ermöglicht, und wobei die Öffnungs­ kraft der Düsennadel (3, 3') direkt durch die Magnet­ kraft (F_mag) eines Elektromagneten (2') aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die quadratisch mit dem Nadel­ hub (x) zunehmende Magnetkraft (F_mag) gegenüber der linear mit dem Nadelhub (x) zunehmenden Federkraft (F_F) zumindest abschnittsweise eine annähernd quadratisch zunehmende Na­ delöffnungsgeschwindigkeit ergibt, die kleine Drosselhübe erlaubt und die Düsennadel (3, 3') einen maximalen Nadel­ hub (h) kleiner als 1 mm aufweist, und daß die Kennlinie der Federkraft (F_F) im An­ fangsbereich (a) etwa parallel zur Tangente (t) an die Kennlinie der Magnetkraft (F_mag) im Nadelschließpunkt (A) ist.

2. Einspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Düsennadel (3, 3') einwirkende Feder­ kraft (F_F) durch zwei in Serie geschaltete Federn (5a, 5b) mit unterschiedlichen Federnkennlinien aufgebracht wird.

3. Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet (2') zumindest zwei voneinander unabhängig aktivierbare Spulen (2a, 2b) zur Steuerung der auf die Einspritznadel (3, 3') wirkenden Ma­ gnetkraft (F_mag) aufweist.

4. Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsennadel (3, 3') an ihrem Dros­ selzapfen (4, 4') einen Strahlablenker (6, 6'), aufweist.

5. Einspritzsystem mit einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stahlablenker (7a, 7b) am Kolben­ boden (8a) im Auftreffbereich eines eingespritzten Kraft­ stoffstrahles angeordnet ist.

6. Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsennadel (3') in Richtung des Brennraumes (9) öffnet.

7. Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Einspritzventil (1) mehrere Düsen­ löcher (14) aufweist.

8. Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Nadelhub (h) kleiner als 0,5 mm ist.