DE2618008A1 - Kraftstoff-einspritzanlage fuer dieselmotoren - Google Patents

Kraftstoff-einspritzanlage fuer dieselmotoren

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Description

  • Kraftstoff-Einspritzanlage für Dieselmotoren.
  • Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Einspritzanlage für Dieselmotoren mit einem von der Nockenwelle des Motors zum Druck kolben der Einspritzdüse führenden Betätigungsgestänge mit vorgegebener Federkraft.
  • Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Kraftstoff-Einspritzanlage für Dieselmotoren der vorgenannten Art in der Weise auszubilden, daß einmal die Schadstoffemissionen der Dieselmotoren verringert werden, zum anderen das Motorengeräusch und die mechanische Belastung des Motors herabgesetzt wird und ferner die Temperaturbelastung des Motors und damit des Kühlsystems verringert wird.
  • Gekennzeichnet ist eine erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzanlage für Dieselmotoren im wesentlichen dadurch, daß mit dem Betätigungsgestänge eine Hilfsfeder mit von der Federkraft des Betätigungsgestänges merklich abweichender Federkraft derart in Reihe geschaltet ist, daß der Druckkolben der Einspritzdüse mit einer durch die Federkraft der Hilfsfeder aufgrund einer vorgegebenen Reaktionskraft auf die Druckkolbenspitze bestimmten ersten Geschwindigkeit vortreibbar ist, und daß eine Anordnung zum Ausschalten der Hilfsfeder aufgrund einer vorgegebenen -Durchbiegung derselben in der Weise vorgesehen ist, daß der Druckkolben anschließend mit einer durch die Federkraft des Betätigungsgestänges bestimten zweiten Geschwindigkeit vortreibbar ist.
  • Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungs beispiels anhand der beiliegenden Zeichnungen; es zeigen: Figur 1 eine Seitenansicht im Teilschnitt einer erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzanlage mit voll zurückgezogenem Kolben der Einspritzdüse; Figur 2 die Einspritzdüse im Teilschnitt aus Figur 1 mit teilweise vorgeschobenem Druckkolben; Figur 3 die Einspritzdüse im Teilschnitt mit voll vorgeschobenem Druckkolben; Figur 4 ein Schaubild der Kraftstoff-Einspritzung bei einem hypothetischen Dieselmotorzylinder, welcher über zwei verschiedene Einspritzanlagen mit Kraftstoff versorgt wird; Figur 5 ein Schaubild des Druckverlaufes im gleichen Zylinder wie in Figur 4; und Figur 6 ein Schaubild der Wärmefreisetzung bei dem gleichen Zylinder.
  • Figur 1 zeigt die Betätigung einer konventionellen Kraftstoff-Einspritzdüse 10 seitens einer Nockenwelle 11. Diese Einspritzdüse selbst kann in irgendwie üblicher Weise ausgebildet werden, beispielsweise in der Art, wie sie in den US-Patentschriften 3 146 949 und 3 351 288 beschrieben ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt die Einspritzdüse 10 einen Druckkolben 12, welcher im Düsenhalter 13 auf und niederbewegbar angeordnet ist, um durch die eigentliche, in das untere Ende des Düsenhalters 13 eingeschraubte Einspritzdüse 13a den Kraftstoff in den Zylinder einzuspritzen. Zwischen dem Düsenhalter 13 und einem Flansch 12a am oberen Ende des Druckkolbens 12 ist eine Rückholfeder 14 angeordnet, welche den Druckkolben ständig in die in Figur 1 dargestellte zurückgezogene Lage beaufschlagt.
  • Zur Betätigung des Druckkolbens 12, d.h. um ihn aus seiner zurückgezogenen Lage in seine vorgeschobene Lage zu bewegen und dabei Kraftstoff in den Zylinder einzuspritzen, ist in an sich bekannter Weise auf der Nockenwelle 11 des Motors ein Nocken 15 aufgekeilt, auf welchem eine Stößelrolle 16 abrollt, die am Ende eines Rollenstößels 17 gelagert ist, der über ein Kugelgelenk einen Kipphebel 18 auf einer Kipphebelwelle 19 betätigt.
  • Die Gesamtheit dieser Betätigungselemente, d.h. das gesamte Betätigungsgestänge, besitzt eine Eigenfederung, welche hauptsächlich die Geschwindigkeit, mit welcher der Druckkolben 12 der Einspritzdüse vorgetrieben wird, und damit die Geschwindigkeit, mit welcher der Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt wird, beeinflußt. Diese Eigenfederung dieses Betätigungsgestänges ergibt sich aus der Durchbiegung der verschiedenen Betätigungselemente und dem Spiel zwischen ihnen, wenn sie vom Nocken 15 auf der einen Seite und dem Widerstand der Einspritzdüse an der anderen Seite der Einspritzanlage beaufschlagt werden. Bei einer üblichen Ausbildung einer Einspritzanlage der dargestellten Art ist die Eigenfederung des Betätigungsgestänges normalerweise proportional, d.h. die Durchbiegung des Betätigungsgestänges ändert sich proportional zu den Schwankungen in der Belastung des Gestänges.
  • Wenn die Einspritzdüse 10 über ein Gestänge aus den vorstehend beschriebenen üblichen Organen betätigt wird, wird der Kraftstoff normalerweise in den Motorzylinder vom Druckkolben 12 eingespritzt, der sich mit einer im wesentlichen konstanten Geschwindigkeit bewegt, die teilweise durch die Federung im Betätigungsgestänge bestimmt wird. Während des ersten Abschnittes der Zeitspanne, während welcher der Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt wird, wird der eingespritzte Kraftstoff nicht gezündet und sammelt sich lediglich innerhalb des Zylinders, während der Kolben sich zur Einspritzdüse hin bewegt und dabei den Gasdruck und die Temperatur im Verbrennungsbereich des Zylinders erhöht.
  • Dieser vor der Zündung liegende Zeitraum der Einspritzperiode wird allgemein als "ZUndverzug-Intervall" bezeichnet. Dabei bezieht sich insbesondere der Ausdruck 'tZUndverzug" auf den Zeitabschnitt zwischen dem Beginn der Kraftstoffeinspritzung in die Brennkammer und dem Punkt, zu welchem der Zylinderdruckanstieg infolge der Verbrennung mit einem Zylinderdruckmeßgerät festgestellt wird. Dieser Zeitabschnitt wird in der einschlägigen Technik auch manchmal als "Druckanstieg-Verzug" bezeichnet.
  • Nach Zündung des Kraftstoffes, was durch die Kompression des zerstäubten Kraftstoffes und anderer Gase im Zylinder eines Dieselmotors verursacht wird, wird die Erennstoffeinspritzung noch für einen Zeitraum fortgesetzt, welcher normalerweise wesentlich kürzer ist als das Zündverzug-Intervall. Mit anderen Worten, die Zündung erfolgt, bevor der Arbeits- oder Einspritzhub des Druckkolbens der Einspritzdüse beendet ist.
  • Gemäß einem wesentlichen Merkmal der Erfindung ist die Kraftstoff-Einspritzanlage nun derart ausgebildet, daß der Druckkolben der Einspritzdüse während eines Teiles seines Arbeitshubes sich mit einer ersten Geschwindigkeit und während eines weiteren Teiles des Arbeitshubes mit einer unterschiedlichen zweiten Geschwindigkeit fortbewegt. Durch Auswahl der speziellen Geschwindigkeiten, mit denen der Kolben vorwärts bewegt wird, und durch Auswahl des Zeitpunktes des Geschwindigkeitswechsels läßt sich durch dieses veränderliche Geschwindigkeitssystem eine Anzahl bedeutender Verbesserungen in verschiedenen Betriebsmerkmalen des Motors bei geringen oder auch ohne zusätzliche Kosten erreichen. So kann beispielsweise der Kraftstoff in den Zylinder mit einer ersten relativ langsamen Geschwindigkeit während wenigstens eines wesentlichen Anfangsteiles des Zündverzug-Intervalls eingespritzt werden und mit einer zweiten relativ hohen Geschwindigkeit während des Restes des Einspritzhubes des Druckkolbens der Einspritzdüse. Auf diese Weise wird während des ersten Abschnittes der Einspritzperiode ausreichend Kraftstoff eingespritzt, um die Zündung im ausgewählten Zeitpunkt zu erzielen, während die Gesamtmenge des vor der Zündung eingeaaritzten Kraftstoffes ausreichend gering ist, um die Geschwindigkeit des Druckanstieges, den maximalen Gasdruck und die maximale Gastemperatur unter die Werte zu senken, welche sonst vorliegen, wenn der Kraftstoff mit der normalen Geschwindigkeit während der gesamten Injektonseinspritzperiode eingespritzt würde. Während des letzten Teiles der Einspritzperiode wird der Kraftstoff mit höherer Geschwindigkeit eingespritzt, sodaß die Gesamtmenge des während der gesamten Einspritzperiode eingespritzten Kraftstoffes ebenso groß ist wie wenn die normale Einspritzgeschwindigkeit während der gesamten Einspritzperiode beibehalten würde, sodaß für den Antrieb des Kolbens die gleiche Energiemenge zur Verfügung steht. Dadurch, daß zu Anfang der Einspritzperiode weniger Brennstoff und im Anschluß daran mehr Brennstoff eingespritzt wird, wird die Form der Druck- und Temperaturkurven verändert, während die gleichen Flächen unter den Kurven beibehaltSn werden, wie sie bei einer normalen Einspritzgeschwindigkeit während der gesamten Einspritzperiode erzielt würden.
  • Um dies zu erreichen, wird erfindungsgemäß eine Hilfsfeder in Reihe mit dem Betätigungsgestänge verwendet, um die Geschwindigkeit des Arbeitshubes des Druckkolbens zu steuern und damit die Geschwindigkeit der Kraftstoffeinspritzung, und zwar während einer vorgegebenen Anfangsperiode der Einspritzperiode.
  • Bei dem in Figur 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Hilfsspiralfeder 20 um einen Stößel 21 herum angeordnet, der mit dem Druckkolben 12 der Einspritzdüse an seinem unteren Ende verbunden ist. Dabei ist das untere Ende des Stößels 21 lediglich in einer Vertiefung im Druckkolben 12 eingesetzt, während der Druckkolben ständig durch die RUckholfeder 14 entgegen dem Stößel 21 beaufschlagt wird. Am oberen Ende des Stößels 21 ist ein Flansch 22 angeformt, der in einen Zylinder 23 mit angeformter Bodenwandung 23a eingesetzt ist, der oben durch eine Kappe 24 verschlossen ist. Die axiale Abmessung des Flansches 22 ist dabei geringer als die des Innenraumes des Zylinders 23, sodaß eine begrenzte Axialbewegung des Stößels 21 und des Zylinders 23 gegeneinander möglich ist. Wenn der Druckkolben 12 zurückgedrückt wird, preßt die Hilfsfeder 20 den Stößel 21 gegenüber dem Zylinder 23 nach unten, sodaß die Unterseite des Flansches 22 sich gegen die untere Wandung 23a des Zylinders 23 legt. Um diese Druckwirkung zu erreichen, liegt das obere Ende der Hilfsfeder 20 an der Bodenwandung 23a des Zylinders, während das untere Ende der Feder auf einer Ringscheibe 25 ruht, die ihrerseits auf einem Federring 26 aufliegt, der in eine Ringnut im Stößel 21 eingesetzt ist.
  • Die Feder 20 besitzt typischerweise ein Federungsvermögen von etwa 447 kg/cm (2500 lbs/in) und wird durch eine Druckkraft von etwa 204 kg (450 lbs/in) in die in Figur 1 dargestellte Lage zusammengepreßt, wobei die Stößelrolle 16 auf dem unteren Bereich des Nockens 15 läuft. Es wird daher eine nach oben gerichtete Kraft von etwa 204 kg (450 lbs/in) benötigt, welche auf den Stößel 21 einwirken muß, um seinen Flansch 22 von der Bodenwandung 23a des Zylinders 23 abzuheben. Wenn die Stößelrolle 16 die Rampe 15a des Nockens 15 entlangläuft, drUckt das Betätigungsgestänge insgesamt den Druckkolben 12 nach unten.
  • Bevor die Spitze 12b des Druckkolbens 12 auf den durch den Düsenkopf 13a einzuspritzenden Kraftstoff trifft, wird die Geschwindigkeit der Spitze 12b im wesentlichen insgesamt durch den Verlauf des Nockenbereiches 12a drrmd durch die geometrischen Beziehungen der verschiedenen Teile des Betätigungsgestänges beherrscht, wenn davon ausgegangen wird, daß alle diese Teile einwandfrei starr sind. Diese Annahme gilt bis auf eine sehr geringe Durchbiegung des Gestänges infolge der Trägheit des sich beschleunigenden Druckkolbens 12. Die Geschwindigkeit der sich nach unten bewegenden Spitze 12b wird daher auf ein sehr geringes Maß verringert, doch ist diese Verringerung äußerst gering im Vergleich zu der Verringerung, welche später während des Einspritzvorganges stattfindet.
  • Wenn die Kolbenspitze 12b auf die in der Kammer am Boden des Düsenkopfes eingeschlossene Kraftstoffmenge trifft, beginnt der Druckkolben 12, den Kraftstoff durch die Düsenaustrittsöffnung des Düsenkopfes 13a hinauszupressen. Dies ruft eine starke Reaktionskraft auf den Rollenstößel 17, den Kipphebel 18, den Druckstößel 21 und die anderen Teile des Betätigungsgestänges hervor. Infolgedessen ergibt sich ein meßbarer Wert für die Durchbiegung der Teile dieses Betätigungsgestänges, und zwar selbst bei den üblichen Betätigungsgestängen, bei denen alle diese Teile relativ starr oder steif sind. So beträgt beispielsweise die effektive Federkraft eines typischen konventionellen Betätigungsgestänges für den Druckkolben einer Einspritzdüse etwa 8950 kg/cm (50.000 lbs/in), gemessen auf der Düsenseite des Kipphebels. Dies bedeutet, daß die Länge eines konventionellen Betätigungsgestänges grobgenommen um 0,0000508 cm/kg .(1/50.000 in/lbs) der Kraft gekürzt wird, welche auf den Druckkolben ausgeübt wird, wenn er auf den Kraftstoff auftrifft.
  • Wenn diese Kraft 227 kg (500 lbs) beträgt, dann wird das Betätigungsgestänge um 0,0254 cm (1/100 in) verkürzt. Infolgedessen drückt der Druckkolben selbst bei konventionellen Betätigungsgestängen auf den Kraftstoff mit einer etwas geringeren Geschwindigkeit, als dies bei einem theoretisch starren Betätigungsgestänge zu erwarten wäre.
  • Durch die erfindungsgemäße Verwendung der Hilfsfeder 20 vollführt bei mäßiger oder starker Belastung des Motors das Betätigunsgestänge mehr als eine einfache "Durchbiegung", wenn der Druckkolben auf den Kraftstoff auftrifft. DieserVorgang wird vielleicht besser mit "Collapsing" bezeichnet. Vorausgesetzt, daß die Reaktionskraft auf den Druckkolben während der Kraftstoffeinspritzung zusätzlich zu der auf den Druckkolben durch die Rückholfeder 14 ausgeübten Kraft groß genug ist, um die Vorspannkraft der Hilfsfeder 20 zu überwinden, bewegt sich der Flansch 22 von der Bodenwandung 23a des Zylinders 23 nach oben fort und drückt dadurch die Feder 20 zusammen, bis die Oberseite des Flansches 22 an der Abdeckkappe 24 anschlägt, sodaß die einzige Verbindung zwischen dem Druckstößel 21 und dem Zylinder 23 über die Windungen der Hilfsfeder 20 erfolgt. Wenn sich daher der Flansch 22 von der Unterwandung 23a des Zylinders zur Kappe 24 hin bewegt, bestimmt die Hilfsfeder 20 die Federkraft des gesamten Betätigungsgestänges.
  • Dadurch wird diese Feder 20 ein sehr einflußreiches Verbindungsglied im Betätigungsgestänge. Der Grundsatz, daß "eine Kette nur so stark ist wie ihr schwächstes Glied, trifft daher unter diesen Umständen eindeutig zu, da die effektive Federkraft des gesamten Betätigungsgestänges auf die der Feder 20 reduziert wird. Wie bereits erwähnt, beträgt die Federkraft der Feder 20 vorzugsweise etwa 447 kg/cm oder nur etwa ein zwanzigstel der 8950 kg/cm Federkraft eines konventionellen Betätigungsgestänges.
  • Bei einem Betätigungsgestänge mit einer derart reduzierten Feder kraft verlangsamt sich die Spitzel2b des Druckkolbens 12 praktisch vom Beginn des Einspritzvorganges (Fig.1) bis zur Anlage des Druckstößels 21 an der Abdeckkappe 24 (Fig.2) fast bis zum Stillstand. Infolgedessen preßt der Druckkolben 12 in der Anfangsphase des Einspritzvorganges den Kraftstoff durch den Düsenkopf 13a mit relativ geringer Geschwindigkeit im Vergleich zu der Geschwindigkeit, mit welcher der Kraftstoff durch den Düsenkopf hindurchgepreßt würde, wenn ein konventionelles Betätigungsgestänge ohne die Hilfsfeder 20 verwendet würde.
  • Zusätzlich dazu, daß die Einspritzung mit geringer Geschwindigkeit begonnen wird, beginnt der Druckkolben 12 die Kraftstoffeinspritzung im Verbrennungstakt auch früher als der Druckkolben eines herkömmlichen Betätigungsgestänges. Der Grund dafür liegt darin, daß die Hilfsfeder 20 das Betätigungsgestänge etwas verlängert und die Druckkolbenspitze 12b dadurch vorgeschoben wird, sodaß sie früher auf die Brennstoffmenge auftrifft. Sobald der Falnsch 22 an der Kappe 24 anstößt, bilden der Stift 27 und die Kappe 24 eine direkte starre Verbindung zwischen dem Kipphebel 18 und dem Druckstößel 21, sodaß das Betätigungsgestänge direkt mit dem Druckstößel 21 und dem Druckkolben 12 verbunden ist und nicht sosehr durch die Feder 20.
  • Eine weitere Vorschubbewegung des Druckstößels 21 und des Druckkolbens 12 erfolgt daher mit einer Geschwindigkeit, welche durch die effektive Federkraft (8950 kg/cm) des konventionellen Teiles des Betätigungsgestänges bestimmt wird, welche wesentlich größer ist als die der Feder 20. Dies bedeutet, daß die Hilfsfeder 20 umgangen wird oder unwirksam gemacht wird, wenn durch Anlage des Flansches 22 an der Kappe 24 der Kipphebel 18 und der Druckstößel 21 starr miteinander verbunden werden. Nat»lich erhöht die erhöhte Vorschubgeschwindigkeit des Druckkolbens 13 die Einspritzgeschwindigkeit des Kraftstoffes, sodaß die erforderliche Kraftstoffmenge während der restlichen Einspritzperiode in den Zylinder eingespritzt wird.
  • Am Ende der Einspritzperiode sitzt die Spitze 12b des Druckkolbens 12 im Ganzen im Düsenkopf 13a, wie dies in Figur 3 dargestellt ist, während die Hilfsfeder 20 noch zusammengepreßt ist. Das Betätigungsgestänge und der Druckkolben 12 bleiben in dieser Lage, bis die Stößelrolle 16 auf dem Nockenteil 15b zum unteren Nockenteil abrollt, in welchem Augenblick die Rückholfeder 14 den Druckkolben 12 zurückdrückt und die Feder 20 sich ausdehnt und dadurch der Druckstößel 21 und der Zylinder 23 in ihre in Figur 1 dargestellten Ausgangsstellungen zurückkehren.
  • An dieser Stelle ist die Einspritzanlage für einen zweiten Einspritzhub bereit, wenn die Stößelrolle 16 wieder auf dem Kurventeil 15a der Nockenscheibe 15 nach oben läuft.
  • Das Betätigungsgestänge kollabiert wie vorbeschrieben nur dann, wenn die nach oben gerichtete Kraft auf den Druckkolben 12 groß genug ist, um einen derartigen Kollaps zu verursachen. Diese nach oben gerichtete Kraft besteht aus zwei Komponenten. Die eine Komponente ist die Kraft der Rückholfeder 14 und die andere die Reaktionskraft auf die Druckkolbenspitze 12b infolge der Einspritzung des Kraftstoffes. Die Kraft der Feder 14 ist für alle Betriebsbedingungen des Motors die gleiche, doch steigt die Reaktionskraft infolge des Einspritzens des Kraftstoffes durch die Düsenbohrungen, wenn die Maschinenbelastung oder die Maschinendrehzahl ansteigen. Ein Anstieg der Motorbelastung bedeutet, daß der Kraftstoff in der Zumeßkammer vor dem Einspritzen höher steht, sodaß der Druckkolben früher auf den Brennstoff auf trifft und zu einer Zeit, wenn er sich schneller vorwärts bewegt (infolge der Form des Nockens 15). Je schneller sich der Druckkolben bewegt, umso größer wird die Geschwindigkeit der Kraftstoffeinspritzung, wodurch die Reaktionskraft auf den Druckkolben erhöht wird. In gleicher Weise ergibt eine Erhöhung der Motordrehzahl auch eine Erhöhung der Druckkolbengeschwindigkeit, eine Erhöhung der Geschwindigkeit der Kraftstoffeinspritzung und eine Erhöhung der Reaktionskraft auf den Druckkolben. Ob daher das Betätigungsgestänge kollabiert, wird in erster Linie dadurch bestimmt, ob die Reaktionskraft auf die Druckkolbenspitze 12b groß genug ist, die ihrerseits wieder der Drehzahl und/oder der Belastung des Motors proportional ist.
  • Wenn man sich beispielsweise den Fall einer Hilfsfeder 20 betrachtet, die mit 204,3 kg (450 lbs) nach unten auf den Druckkolben 12 vorgespannt wurde, während die Rückholfeder 14 eine nach oben wirkende Kraft von 45,4 kg (100 lbs) in dem Augenblick ausübt, in welchem die Druckkolbenspitze 12b auf den Kraftstoff auftrifft, so wird eine zusätzliche nach oben wirkende Kraft von 158,9 kg (350 lbs) als Reaktionskraft auf den den Brennstoff durch die Düsenaustrittsöffnungen 13a herauspressenden Druckkolben benötigt, um den Flansch 22 von der Bodenwandung 23a des Zylinders 23 abzuheben. Eine Reaktionskraft in dieser Höhe wird normalerweise nicht erzeugt, wenn der Motor im Leerlauf oder mit geringer Drehzahl und unter geringer Belastung läuft.
  • Die Höhe der Motorenbelastung, welche erforderlich ist, um die Feder 20 wie vorbeschrieben, wirksam werden zu lassen, hängt von der Vorspannung der Feder 20 ab. Wenn für die Feder 20 eine starke Vorspannung gewählt wird, so muß auch die Belastung und/oder die Drehzahl des Motors hoch sein, bevor die Feder 20 eine Auswirkung auf die Geschwindigkeit der Brennstoffeinspritzung ausüben kann, und selbst für derart hohe Motorbelastungen und/oder Motordrehzahlen ist die gesamte Wirkung auf die Geschwindigkeit der Kraftstoffeinspritzung geringer, als wenn die Feder eine niedrige Vorspannung besitzt.
  • Die Wirkung der Feder 20 auf die Geschwindigkeit der Kraftstoffeinspritzung hängt auch von dem genauen Abstand « (Fig.1) ab, welchen der Flansch 22 durchlaufen muß, bevor auf die Abdeckkappe 24 trifft. Je größer dieser Abstand tM ist, umso länger ist die Anfangsperiode reduzierter Brennstoffeinspritzung.
  • In den Figuren 4, 5 und 6 sind drei verschiedene Betriebs-Schaubilder eines hypothetischen Dieselmotors dargestellt, welcher mit einer Kraftstoff-Einspritzanlage der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausbildung mit und ohne Hilfsfeder 20 ausgerüstet ist. Dabei zeigt Figur 4 ein Schaubild der Kraftstoffeinspritzung, Figur 5 ein Schaubild des Zylinderdrucks und Figur 6 ein Schaubild der Wärmefreisetzung. In allen drei Figuren stellen die voll ausgezeichneten Kurven die Werte dar, welche mit einer Kraftstoff-Einspritzanlage mit Hilfsfeder 20 gemäß Figur 1 bis 3 erzielt werden, während die gestrichelt dargestellten Kurven die Werte darstellen, welche mit einer Kraftstoff-Einspritzanlage ohne Hilfsfeder 20 erzielt werden, wobei der Kipphebel direkt mit dem Druckkolben der Einspritzdüse verbunden ist. Zusätzlich zeigt die strichpunktierte unterste Kurve aus Figur 5 den Zylinderdruck, wenn kein Brennstoff in den Zylinder eingespritzt wird. Alle Kurven sind dabei lediglich als qualitative Angaben der jeweiligen Werte anzusehen und nicht etwa als quantiative Angaben für irgendeinen speziellen Dieselmotor.
  • Aus den Einspritzungs-Kurven in Figur 4 für mäßige bis starke Belastungen und/oder Drehzahlen des Motors ist ersichtlich, daß die Brennstoffeinspritzung früher beginnt, wenn in dem Betätigungsgestänge diese Hilfsfeder 20 eingebaut ist, da das Gestänge dann etwas länger ist und die Druckkolbenspitze 12b um ein entsprechendes Stück tiefer liegt. Besonders wichtig ist dabei, daß während des Zündverzug-Intervalls weniger Brennstoff eingespritzt wird, wenn der Druckkolben sich durch die Hilfsfeder 20 bestimmt langsamer vorwärts bewegt. Kurz bevor die Zündung erfolgt, wird die Brennstoffeinspritzung infolge der höheren Vorschubgeschwindigkeit des Druckkolbens durch die Federkraft des Betätigungsgestänges stark erhöht. Wie Figur 4 zeigt, ist die Gesamtmenge des durch die beiden verschiedenen Einspritzanlagen eingespritzten Kraftstoffes annähernd die gleiche, d.h.
  • die Flächen unter den beiden Kurven sind annähernd gleich. Die durch die erfindungsgemäße Einspritzanlage eingespritzte Kraftstoffmenge wird jedoch über einen längeren Zeitabschnitt eingespritzt, es sei denn, das Nockenprofil wird verändert, um die Dauer der Kraftstoffeinspritzung zu verkürzen. Eine derartige Veränderung des Nockenprofils kann erwünscht sein, um die gleiche.
  • Länge der Eins pritzperi ode zu erhalten.
  • Wie die Einspritzkurven aus Figur 4 für den schnellen Leerlauf zeigen, ist das Einsetzen der Hilfsfeder 20 ohne Auswirkung auf den Kurvenlauf oder vielmehr auf die Form der Kurve, da nicht genügend Kraft vor dem Ende der Einspritzung zur Verfügung steht, welche auf den Druckkolben einwirkt, um das Betätigungsgestänge in die in Figur 2 dargestellte Lage kollabieren zu lassen. Der Zeitpunkt der Einspritzung wird jedoch vorverlegt, da das Betätigungsgestänge mit eingesetzter Hilfsfeder 20 etwas länger ist und die Druckkolbenspitze 12b um ein entsprechendes Stück weiter nach unten reicht.
  • Wie Figur 5 zeigt, reduziert die geringere Kraftstoffmenge, die zum Zeitpunkt der Zündung im Verbrennungsbereich des Zylinders vorhanden ist, die Geschwindigkeit des Gasdruck-Anstieges und den im Zylinder erzeugten Maximaldruck. Dies bedeutet, daß die Geschwindigkeit des Druckanstieges und der Maximaldruck ohne Hilfsfeder 20, welche sich aus der Kurve 32 in Figur 5 ergeben, beide höher sind als die Geschwindigkeit des Druckanstieges und der Maximaldruck mit Hilfsfeder 20 gemäß Kurve 33 aus Figur 5.
  • Eine geringere Geschwindigkeit des Gasdruck-Anstieges und ein geringerer Maximaldruck im Zylinder sind aber durchaus erwünscht, da sie das Motorengeräusch und die mechanischen Beanspruchungen des Motors reduzieren.
  • Wie Figur 6 zeigt, wird auch die im Zylinder infolge der geringeren Brennstoffmenge zum Zeitpunkt der Zündung erzeugte Maximaltemperatur herabgesetzt. Bei einer normalen Einspritzanlage steigt die im Anschluß an die Zündung freigesetzte Wärme steil an auf einen Maximalwert 34 und sinkt dann steil ab. Bei Verwendung der Hilfsfeder 20 steigt die Temperatur jedoch langsamer, erreicht einen niedriger liegenden Maximalpunkt 35 und fällt dann langsamer ab. Infolgedessen ergibt die Verwendung der Hilfsfeder 20 zu Anfang eine geringere Wärmefreisetzung, wie dies durch die schraffierte Fläche 36 in Figur 6 angedeutet wird, während im späteren Arbeitstakt mehr Wärme freigesetzt wird, wie dies durch die schraffierte Fläche 37 angedeutet ist.
  • Einer der bedeutenden Vorteile der Erfindung liegt in der Reduzierung unerwünschter Schadstoffemissionen eines Dieselmotors.
  • Insbesondere wird die Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe, welches ein Hauptemissionsproblem bei geringen Motordrehzahlen und/oder -belastungen ist, durch Vorrücken des Einspritzbeginns reduziert. Die Emission von Stickoxiden, welches ein Hauptemissionsproblem bei hohen Drehzahlen und/oder -belastungen infolge der hohen Temperaturen ist, wird durch Senkung der in der Zündverzugsperiode eingespritzten Brennstoffmenge reduziert, sodaß die Wärmefreisetzung zu Anfang reduziert und die Spitzentemperatur im Zylinder gesenkt wird.
  • Während die Erfindung inbesondere im Hinblick auf die Verwendung einer Hilfsspiralfeder zur Steuerung der Vorschubgeschwindigkeit des Druckkolbens 12 während eines Teiles seiner Vorschubbewegung oder seines Arbeitshubes beschrieben wurde, können naturgemäß auch andere Arten von Geschwindigkeitssteuerungen bei alternativen Ausführungen der Erfindung verwendet werden. So kann beispielsweise der unter der Spitze des Druckkolbens vorgesehene Hohlraum für den Kraftstoff mit einer verengten Austrittsöffnung versehen werden, um einen Teil des Kraftstoffes im Hohlraum abzulassen, wenn der Druckkolben seinen Arbeitshub beginnt, wobei ein Kugelventil die Öffnung verschließt, wenn ein vorgegebener Zeitabschnitt abgelaufen ist. Andererseits kann auch in Reihe mit dem Betätigungsgestänge ein hydraulischer Stoßdämpfer vorgesehen werden oder es können auch anstelle der Spiralfeder 20 andere Federarten wie eine Tellerfeder verwendet werden. Andererseits kann die Feder oder irgendein anderes Steuerorgan auch mit dem Betätigungsgestänge in Reihe an irgendeiner anderen Stelle als zwischen dem Kipphebel und dem Druckkolben angeordnet werden, beispielsweise zwischen der Stößelrolle und dem Nockenstößel oder auch zwischen diesem Nockenstößel und dem Kipphebel.
  • Während außerdem die Erfindung vorstehend im Zusammenhang mit einer Einspritzanlage beschrieben wurde, welche lediglich zwei verschiedene Geschwindigkeiten des Arbeitshubes des Druckkolbens ergibt, so können im Bedarfsfall auch mehr als zwei unterschiedliche Geschwindigkeiten vorgesehen werden. Andererseits kann auch eine kontinuierlich veränderliche Steuereinrichtung verwendet werden, um die Geschwindigkeit des Arbeitshubes des Druckkolbens über den gesamten Einspritzhub zu verändern.
  • Wie die vorstehende detaillierte Beschreibung zeigt, reduziert die erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzanlage unerwünschte Schadstoffemissionen des Motors durch Reduzierung der Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe bei niedrigen Motordrehzahlen und/oder -belastungen, während die Emission von Stickoxiden bei hohen Motordrehzahlen und/oder -belastungen reduziert wird. Ao mildert die erfindungsgemäße Einspritzanlage das bei irgendeiner gegebenen Drehzahl und/oder Belastung am stärksten vorherrschende spezielle Emissionsproblem. Außerdem wird durch Reduzierung der Geschwindigkeit des Druckanstieges und des maximalen Gasdruckes in den Motorzylindern mittels der erz in dungsgemäßen Einspritzanlage das Motorengeräusch und die mechanische Beanspruchung des Motors wesentlich verringert.
  • Schließlich wird durch Reduzierung der maximalen Gastemperatur in den Zylindern durch die erfindungsgemäße Einspritzanlage auch die Temperatur- und Wärmebeanspruchung der Zylinderwandungen des Motors und damit die Wärmebelastung des Kühlsystems herabgesetzt.

Claims (11)

  1. Patentansprüche: S Kraftstoff-Einspritzanlage für Dieselmotoren mit einem von der Nockenwelle des Motors zum Druckkolben der Einspritzdüse führenden Betätigungsgestänge mit vorgegebener Federkraft, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß mit dem Betätigungsgestänge (15, 16, 17, 18, 27, 21) eine Hilfsfeder (20) mit von der Federkraft des Betätigungsgestänges merklich abweichender Federkraft derart in Reihe geschaltet ist, daß der Druckkolben (12) der Einspritzdüse (10) mit einer durch die Federkraft der Hilfsfeder aufgrund einer vorgegebenen Reaktionskraft auf die Druckkolbenspitze (12b) bestimmten ersten Geschwindigkeit vortreibbar ist, und daß eine Anordnung (22, 23, 23a, 24) zum Ausschalten der Hilfsfeder aufgrund einer vorgegebenen Durchbiegung derselben in der Weise vorgesehen ist, daß der Druckkolben anschließend mit einer durch die Federkraft des Betätigungsgestänges bestimmten zweiten Geschwindigkeit vortreibbar ist.
  2. 2. Einspritzanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkraft der Hilfsfeder (20) kleiner ist als die Federkraft des Betätigungsgestänges (15, 16, 17, 18, 27, 21) und dadurch eine gegenüber der zweiten Geschwindigkeit geringere erste Geschwindigkeit erzielbar ist.
  3. 3. Einspritzanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Druckkolben (12) in Ruhelage zurückdrückende Rückstellfeder (14) vorgesehen ist.
  4. 4. Einspritzanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsfeder (20) derart angeordnet ist, daß sie durch die vorgegebene Reaktionskraft auf die Druckkolbenspitze (12b) durchbiegbar ist, so daß der Druck der Feder auf den Druckkolben (12) mit zunehmender Reaktionskraft ansteigt.
  5. 5. Einspritzanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsfeder (20) zur Erzielung eines Initialdruckes auf den Druckkolben (12) unter Vorspannung eingebaut ist.
  6. 6. Einspritzanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsgestänge aus einer auf einem Nocken (15) der Nockenwelle (11) des Motors abrollenden Stößelrolie (16), einem kraftschlüssig damit verbundenen Rollenstößel (17) und einem am einen Ende mit dem Rollenstößel verbundenen Kipphebel (18) besteht und daß die Hilfsfeder (20) wirksam zwischen dem anderen Ende des Kipphebels und dem Druckkolben (12) angeordnet ist.
  7. 7. Einspritzanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsfeder eine Spiralfeder (20) ist.
  8. 8. Einspritzanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zum Ausschalten der Hilfsfeder (20) aus Organen (23, 23a, 22, 24) besteht, durch welche aufgrund einer vorgegebenen Durchbiegung oder Verformung der Hilfsfeder eine direkte Verbindung zwischen dem Betätigungsgestänge und dem Druckkolben (12) erzielbar ist.
  9. 9. Einspritzanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zum Ausschalten der Nilfsfeder (20) aus Organen besteht, durch welche aufgrund einer vorgegebenen Kompression der Spiralfeder eine direkte Verbindung (22, 24) zwischen Kipphebel (18) und Druckkolben (12) erzielbar ist.
  10. 10. Einspritzanlage nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsfeder (20) derart eingesetzt ist, daß der Zündzeitpunkt gegenüber einer gleichen Anlage ohne Hilfsfeder vorverlegt ist.
  11. 11. Einspritzanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsfeder (20) derart vorgespannt ist, daß der Druckkolben (12) mit einer gegenüber der maximalen Reaktionskraft bei geringen Motordrehzahlen oder -belastungen stärkeren, jedoch bei hohen Motordrehzahlen oder -belastungen wesentlich schwächeren Vorschubkraft beaufschlagbar ist.
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DE3239115A1 (de) * 1981-11-09 1983-05-19 Kabushiki Kaisha Komatsu Seisakusho, Tokyo Verfahren und vorrichtung zur kraftstoffeinspritzung fuer einen dieselmotor
CN109604496A (zh) * 2018-12-25 2019-04-12 海安库珀自动控制科技有限公司 铁皮锻打成孔装置

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