DE19643622A1 - Kraftstoffeinspritzanlage für einen Verbrennungsmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzanlage für ei­ nen Verbrennungsmotor, insbesondere für einen Dieselmotor, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Kraftstoffeinspritzeinheiten der vorgenannten Art sind Fach­ leuten auch unter dem Begriff der "open nozzle"-Injektoren bekannt. Beim "open nozzle"-Typ sind die Einspritzdüsen auch während der Zufuhr von Kraftstoff zur Kraftstoffeinspritzein­ heit zum Brennraum hin offen. Wenn die gewünschte Menge Kraftstoff der Kraftstoffeinspritzeinheit zugeführt worden ist, sorgt ein meist mechanisch angetriebener Kolben oder Stempel dafür, das diese Kraftstoffmenge mit hohem Druck durch die Einspritzdüsen in den Brennraum gelangt. Im Gegen­ satz dazu sind bei Kraftstoffeinspritzeinheiten vom "closed nozzle"-Typ die Einspritzöffnungen nur während des tatsächli­ chen Einspritzvorganges geöffnet. In der übrigen Zeit sind die Einspritzöffnungen durch ein Ventilglied verschlossen. Dieses Ventilglied öffnet erst dann, wenn der Druck in der Kraftstoffzuführleitung einen relativ hohen, durch die Schließkraft des Ventilgliedes vorgegebenen Druck übersteigt.

Es ist bekannt, daß durch das Einspritzen von Wasser in den Brennraum eines Verbrennungsmotors die Stickoxidbildung her­ abgesetzt werden kann. Zurückzuführen ist dieser Effekt wohl auf die durch die Wassereinspritzung erreichte Absenkung der Brennraumtemperatur.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftstoffein­ spritzanlage mit Kraftstoffeinspritzeinheiten vom "open nozzle"-Typ anzugeben, die sowohl Kraftstoff als auch einen Hilfsstoff, beispielsweise Wasser, einem Brennraum eines Ver­ brennungsmotors zuführen kann und die mit einem Minimum mit Wasser bzw. Hilfsstoffzusatz ein Maximum an Wirkung erreicht.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch eine Kraftstoffein­ spritzanlage mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen ge­ löst. Im Gegensatz zu bekannten Lösungen werden erfindungsgemäß demnach dieselben Einspritzöffnungen sowohl für den Kraftstoff als auch für das Wasser bzw. den Hilfs­ stoff verwendet und sowohl der Kraftstoff als auch das Wasser bzw. der Hilfsstoff werden durch einen einzigen Hub des Plun­ gerkolbens eingespritzt. Dadurch gelangt das Wasser genau zu den Stellen im Brennraum, an denen sich auch der eingespritz­ te Kraftstoff befindet, und es wird mit einem Minimum an Was­ sermenge ein maximaler Effekt erzielt, weil das Wasser an den Stellen innerhalb der Brennkammer, an denen die Verbrennung abläuft, seine verbrennungstemperaturabsenkende Wirkung ent­ falten kann. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lö­ sung besteht darin, daß aufgrund der Einspritzung von Kraftstoff und Wasser durch dieselben Einspritzöffnungen kei­ ne Kollision zwischen Wasser- und Kraftstofftröpfchen auftre­ ten kann. Eine solche Kollision von Kraftstoff- und Wassertröpfchen, zu der es bei der herkömmlichen, getrennten Einspritzung von Kraftstoff und Wasser kommt, hat die uner­ wünschte Folge, daß die theoretisch genau festgelegten Ein­ spritzrichtungen in der Praxis nicht mehr eingehalten werden, weil die miteinander kollidierenden Teilchen sich gegenseitig ablenken. Durch die Vermeidung solcher Kollisionen wird er­ findungsgemäß die Rußbildung während der Verbrennung herabge­ setzt und damit die Abgasqualität des Verbrennungsmotors verbessert.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Kraftstoffein­ spritzanlage besteht darin, daß die Zufuhr des Kraftstoffes und des Hilfsstoffes zur Kraftstoffeinspritzeinheit nicht mit hohem Druck erfolgen muß. Hochdruckpumpen für die Kraftstoff­ zuführung und die Hilfsstoffzuführung sind daher nicht erfor­ derlich. Die erfindungsgemäß erforderlichen Pumpen müssen nur dazu in der Lage sein, den Kraftstoff bzw. den Hilfsstoff in die Kraftstoffeinspritzeinheit zu fördern. Die Zuführung von Kraftstoff und Hilfsstoff kann dabei entweder zeitlich paral­ lel oder auch nacheinander erfolgen.

Erfindungsgemäß reicht es also völlig aus, den Kraftstoff und das Wasser (bzw. den Hilfsstoff) mit nur geringem Vordruck der Kraftstoffeinspritzeinheit und der in ihr vorhandenen Füllkammer zuzuführen, denn die Zuführung kann bereits erfol­ gen, wenn der Gegendruck in der entsprechenden Brennkammer noch nicht sehr hoch ist. Darüber hinaus ermöglicht ein ge­ ringer Vordruck eine einfache Steuerung der zugeführten Men­ gen von Kraftstoff und Wasser bzw. einem anderen Hilfsstoff. Auflange und damit teuere Hochdruckleitungen kann somit ver­ zichtet werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzanlage ist in jeder Zuführleitung vorteil­ haft nahe der in jeder Kraftstoffeinspritzeinheit gebildeten Füllkammer ein Rückschlagventil angeordnet. Damit ist verhin­ dert, daß Kraftstoff und/oder Wasser in die Zuführleitungen zurückgedrückt werden, wenn der Druck im Brennraum steigt.

Bevorzugt ist in jeder Zuführleitung ein Ventil angeordnet, dessen Offenzeit die Menge der der Füllkammer zugeführten Flüssigkeit bestimmt. Durch eine solche Ausgestaltung läßt sich bei definiertem Vordruck die Menge des der Füllkammer zugeführten Kraftstoffs und Hilfsstoffs einfach steuern, in­ dem das entsprechende Ventil länger oder kürzer geöffnet wird. Dies ermöglicht eine schnelle und genaue Anpassung der eingespritzten Hilfsstoff- und Kraftstoffmenge als Funktion der Motordrehzahl und Motorlast.

Gemäß einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kraftstoff­ einspritzanlage sind die Zuführleitungen in zumindest einem Teil des Gehäuses der Kraftstoffeinspritzeinheit durch eine einzige Zuführleitung gebildet. Das bedeutet, daß getrennte Zuführleitungen für Kraftstoff und Wasser bis zur Kraftstoff­ einspritzeinheit geführt sind, daß in der Kraftstoffein­ spritzeinheit selbst aber nur eine einzige Zuführleitung zur Füllkammer vorhanden ist, durch die nacheinander Kraftstoff und Wasser in die Füllkammer gelangen. Eine solche Ausgestal­ tung ermöglicht eine kostengünstigere Fertigung der Kraft­ stoffeinspritzeinheiten.

Besonders bevorzugt ist die erfindungsgemäße Kraftstoffein­ spritzanlage so ausgestaltet, daß der Füllkammer jeder Kraft­ stoffeinspritzeinheit schichtweise zunächst eine bestimmte Menge an Kraftstoff, dann eine bestimmte Menge an Wasser (oder einem anderen Hilfsstoff) und anschließend nochmals ei­ ne bestimmte Menge an Kraftstoff zugeführt wird. Diese Schichten werden dann durch einen einzigen Hub des Plunger­ kolbens in den zugehörigen Brennraum eingespritzt. Da übliche Kraftstoffe wie beispielsweise Dieselkraftstoff sich mit Was­ ser nicht mischen, bleiben die nacheinander zugeführten Men­ gen an Kraftstoff und Wasser als Schichten in der Füllkammer der Kraftstoffeinspritzeinheit erhalten. Beim Einspritzvor­ gang wird zunächst der sich zuunterst in der Füllkammer be­ findliche Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt und dort entzündet werden. Gleich anschließend gelangt Wasser in den Brennraum und setzt die Verbrennungstemperatur herab, worauf­ hin wiederum Kraftstoff in den Brennraum gelangt und die Ver­ brennungsphase verlängert. Der Wasserverbrauch ist auf diese Weise minimiert.

Die vorliegende Erfindung ist obenstehend unter Bezugnahme auf einen Dieselmotor beschrieben worden. Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung auch bei Verbrennungsmotoren ein­ setzbar ist, die einen anderen Kraftstoff benötigen. Vorteil­ haft ist die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzanlage beispielsweise bei Verbrennungsmotoren, die mit Ethanol be­ trieben werden sollen. Solche Verbrennungsmotoren benötigen normalerweise als Hilfsstoff einen flüssigen Zündverbesserer, der das Zündverhalten von Ethanol positiv beeinflußt. Mittels der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzanlage kann durch die eine Zuführleitung Ethanol und durch die andere Zuführ­ leitung der flüssige Zündverbesserer direkt der Füllkammer jeder Kraftstoffeinspritzeinheit zugeführt werden.

Selbstverständlich können statt der zuvor beschriebenen zwei Zuführleitungen auch deren drei oder mehrere vorgesehen sein, falls dies erforderlich sein sollte. Ebenso kann statt reinem Wasser auch ein Gemisch aus Wasser und einem anderen Stoff, beispielsweise Alkohol, durch die zweite Zuführleitung der Füllkammer zugeführt werden.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzanlage,

Fig. 2 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Kraftstoffeinspritzeinheit zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzanlage, und

Fig. 3 ein abgewandeltes, zweites Ausführungsbeispiel ei­ ner Kraftstoffeinspritzeinheit zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzanlage.

Fig. 1 zeigt schematisch die wesentlichen Bestandteile einer Kraftstoffeinspritzanlage für einen Verbrennungsmotor. Die Kraftstoffeinspritzanlage weist für jeden Zylinder des Ver­ brennungsmotors eine Pumpe/Düse-Kraftstoffeinspritzeinheit 10 mit einem Gehäuse 12 auf, in dem eine axiale Bohrung 14 vor­ handen ist. In der Bohrung 14 ist ein Plungerkolben 16 ange­ ordnet, der zwischen einer zurückgezogenen Ruhestellung und der in Fig. 1 dargestellten, vorgeschobenen Einspritzstel­ lung gleitend verschiebbar ist. Es handelt sich bei der Kraftstoffeinspritzeinheit 10 demnach um eine des Typs mit ständig offener Düse.

Eine Zuführleitung 18 für Kraftstoff ist mit dem Gehäuse 12 der Kraftstoffeinspritzeinheit 10 verbunden und führt in dem Gehäuse 12 bis zur axialen Bohrung 14. In analoger Weise ist eine Zuführleitung 20 für einen Hilfsstoff, im gezeigten Bei­ spiel Wasser, mit dem Gehäuse 12 verbunden, die ebenfalls in die Bohrung 14 mündet. In den Zuführleitungen 18 und 20 ist je eine Niederdruckpumpe 22, 22' sowie ein der Pumpe nachge­ schaltetes, regelbares Ventil 24, 24' angeordnet. Saugseitig ist jede Pumpe 22, 22' mit einem hier nicht dargestellten Vorratsbehälter für Kraftstoff bzw. Wasser verbunden. Die Pumpen 22 und 22' sorgen in den Zuführleitungen 18 und 20 le­ diglich für einen Druck, der dazu ausreicht, die jeweilige Flüssigkeit in eine unten näher beschriebene Füllkammer zu drücken. Der Einspritzdruck wird nicht von den Pumpen 22 und 22', sondern von dem Plungerkolben 16 erzeugt.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird nun der Aufbau der Kraft­ stoffeinspritzeinheit 10 näher beschrieben. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, verjüngt sich der in Fig. 2 in seiner zu­ rückgezogenen Ruhestellung wiedergegebene Plungerkolben 16 an seinem vorderen Ende stufenförmig. Zwischen dem durch die stufenförmige Verjüngung gebildeten Endabschnitt 26 des Plun­ gerkolbens 16 und dem Gehäuse 12 ist in der Bohrung 14 eine Füllkammer 28 gebildet, in die die Zuführleitungen 18 und 20 münden. Kraftstoff und Wasser werden der Füllkammer 28 zuge­ führt, indem die Ventile 24 und 24' geöffnet werden. Die Zeitdauer, während derer sich die Ventile 24 und 24' in Of­ fenstellung befinden, bestimmt dabei die Menge des der Füll­ kammer 28 zugeführten Kraftstoffs und Wassers. Damit die Menge an Kraftstoff und Wasser den wechselnden Bedingungen beim Betrieb eines Verbrennungsmotors angepaßt werden kann, sind die beispielsweise als Elektromagnetventile ausgestalte­ ten Ventile 24 und 24' mit einer hier nicht gezeigten, elek­ tronischen Motorsteuerung verbunden. Die durch die Zuführ­ leitungen 18 und 20 in die Füllkammer 28 gelangten Mengen an Kraftstoff und Wasser werden durch eine einzige rasche Ab­ wärtsbewegung des Plungerkolbens 16 mit hohem Druck durch Einspritzöffnungen 30 aus der Füllkammer 28 in den Brennraum einer Kolben/Zylinder-Einheit des Verbrennungsmotors ge­ spritzt.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, han­ delt es sich bei der dargestellten Kraftstoffeinspritzeinheit 10 um eine solche vom "open nozzle"-Typ. Bei Kraftstoffein­ spritzeinheiten dieser Art befindet sich der Plungerkolben 16 während der Zuführung von Kraftstoff und/oder Wasser zur Füllkammer 28 in einer zurückgezogenen Ruhestellung (sh. Fig. 2), in der die Füllkammer 28 ihr maximales Volumen aufweist und die Einspritzöffnungen 30 zum Brennraum hin offen sind.

Trotz der offenen Einspritzöffnungen 30 gelangen Kraftstoff und/oder Wasser vor der Abwärtsbewegung des Plungerkolbens 16 nicht in den Brennraum, da der Durchmesser der Einspritzöff­ nungen 30 sehr klein ist und sich überdies im Brennraum auf­ grund des sich nach oben bewegenden Kolbens ein gewisser Gegendruck aufbaut. Um zu verhindern, daß Kraftstoff und/oder Wasser bei größer werdendem Gegendruck in die Zuführleitungen 18 und 20 zurückgepreßt werden, sind im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 in den Zuführleitungen 18 und 20 nahe der Füll­ kammer 28 Rückschlagventile 32 vorhanden.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten, abgewandelten Ausführungs­ beispiel einer Kraftstoffeinspritzeinheit 10 führen ebenfalls zwei mit Ventilen 24 und 24' versehene Zuführleitungen 18 und 20 zum Gehäuse 12, im Unterschied zu Fig. 2 ist im Gehäuse 12 selbst jedoch nur noch eine gemeinsame Zuführleitung 18' vorhanden, durch die sowohl der Kraftstoff als auch das Was­ ser der Füllkammer 28 zugeführt werden. Der Fertigungsaufwand der Kraftstoffeinspritzeinheit 10 ist dadurch verringert.

Unabhängig davon, ob innerhalb des Gehäuses 12 der Kraft­ stoffeinspritzeinheit 10 die Zuführleitungen 18 und 20 ge­ trennt oder gemeinsam verlaufen, wird vorteilhaft zunächst eine bestimmte Menge Kraftstoff, dann eine bestimmte Menge Wasser, und anschließend nochmals eine bestimmte Menge Kraft­ stoff der Füllkammer 28 zugeführt. Da sich Kraftstoff und Wasser nicht mischen, ergibt sich auf diese Weise in der Füllkammer 28 eine schichtweise Anordnung von Kraftstoff und Wasser. Die übereinanderliegenden Schichten aus Kraftstoff und Wasser werden dann durch einen einzigen Abwärtshub des Plungerkolbens 16 durch die Einspritzöffnungen 30 in den Brennraum gedrückt. Da sowohl der Kraftstoff als auch das Wasser durch dieselben Einspritzöffnungen 30 in den Brennraum gelangt, kommt es zu keiner Kollision von Kraftstoff- und Wassertröpfchen und das Wasser gelangt automatisch an dieje­ nigen Stellen im Brennraum, an denen es am effektivsten eine Abkühlung der Brennraumtemperatur und damit eine Verringerung der Stickoxidbildung bewirken kann.

Bei der zuvor beschriebenen dreischichtigen Anordnung von Kraftstoff und Wasser wird durch den Abwärtshub des Plungerkolbens 16 zunächst der am Grund der Füllkammer 28 befind­ liche Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt und darin ge­ zündet. Kurz danach gelangt das Wasser in den Brennraum und sorgt dort für eine bestimmte, gewollte Abkühlung, woraufhin der in der Füllkammer 28 zuoberst befindliche Kraftstoff in den Brennraum gespritzt wird, um den Verbrennungsvorgang zu verlängern. Auf diese Weise läßt sich mit geringen Wassermen­ gen eine deutliche Verminderung der Stickoxidbildung und der Rußbildung während des Verbrennungsvorgangs erreichen, was eine entsprechend verbesserte Abgasqualität des Verbrennungs­ motors zur Folge hat.

In den beschriebenen Ausführungsbeispielen kann der Kraft­ stoff beispielsweise Dieselöl sein. Es versteht sich jedoch, daß statt Dieselöl auch Ethanol als Kraftstoff dienen kann und daß statt Wasser ein anderer Hilfsstoff, beispielsweise eine flüssiger Zündverbesserer, verwendet werden kann. Ebenso kann der Hilfsstoff ein Flüssigkeitsgemisch sein.

Claims (6)

1. Kraftstoffeinspritzanlage für einen Verbrennungsmotor, insbesondere für einen Dieselmotor, mit wenigstens einer Pum­ pe/Düse-Kraftstoffeinspritzeinheit (10) des Typs mit offener Düse, die ein Gehäuse (12) mit einer axialen Bohrung (14) aufweist, in der ein Plungerkolben (16) zwischen einer zu­ rückgezogenen Ruhestellung und einer vorgeschobenen Ein­ spritzstellung verschiebbar angeordnet ist, wobei zwischen dem einspritzseitigen Ende des Plungerkolbens (16) und dem Gehäuse (12) eine Füllkammer (28) in der Bohrung (14) gebil­ det ist, die eine oder mehrere Einspritzöffnungen (30) auf­ weist, durch die Flüssigkeit mittels des Plungerkolbens (16) aus der Füllkammer (28) in den Verbrennungsmotor eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Füllkammer (28) mindestens eine Zuführleitung (18) für Kraftstoff und eine Zuführleitung (20) für einen Hilfsstoff führen, wobei jede Zuführleitung (18, 20) eine Niederdruckzuführleitung ist, so daß Kraftstoff und Hilfsstoff der Füllkammer (28) unter niedrigem Druck zu­ geführt und dann von einem einzigen Hub des Plungerkolbens (16) durch dieselben Einspritzöffnungen (30) mit hohem Druck in den Verbrennungsmotor eingespritzt werden.

2. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Zuführleitung (18, 20) nahe der Füllkammer (28) ein Rückschlagventil (32) angeordnet ist.

3. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Zuführleitung (18, 20) ein Ventil (24, 24') angeordnet ist, dessen Offenzeit die Menge der der Füllkammer (28) zugeführten Flüssigkeit be­ stimmt.

4. Kraftstoffeinspritzanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführleitungen (18, 20) in zumindest einem Teil des Gehäuses (12) jeder Kraftstoffein­ spritzeinheit (10) durch eine einzige Zuführleitung (18') ge­ bildet sind.

5. Kraftstoffeinspritzanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllkammer (28) jeder Kraft­ stoffeinspritzeinheit (10) schichtweise zunächst eine be­ stimmte Menge Brennstoff, dann als Hilfsstoff eine bestimmte Menge Wasser und anschließend nochmals eine bestimmte Menge Kraftstoff zugeführt wird und diese Schichten dann durch ei­ nen einzigen Hub des Plungerkolbens (16) eingespritzt werden.

6. Kraftstoffeinspritzanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff Ethanol und der Hilfsstoff ein flüssiger Zündverbesserer ist.