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Mehrstrahliges Einspritzventil
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ic Erfindung betrifft ein mehrstrahliges Einspritzventil nach dem
Oberbegriff von Anspruch 1, welches beispielsweise aus der DE-OS 2 513 588 als bekannt
hervorgeht.
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I)er mit Direkteinspritzung arbeitende Dieselmotor hat gegenüber solchen
gleichartigen Brennkraftmaschinen mit Vorkammer oder mit Wirbelkammer die Vorteile
einer guten Wirtschaftlichkeit sowie eines guten Startverhaltens und eines einfachen
Aufhaues; außerdem sind im Teillastbereich die Rußemissionen geringer als bei indirekter
Einspritzung.
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Nachteilig bei den Dieselmotoren mit Direkteinspritzung ist das sehr
laute Verbrennungsgeräusch über den gesamten Lastbereich hinweg. Durch Anwendung
einer wandverteilten Einspritzung des Kraftstoffes kann man einen beseren Zündverzug
und somit ein weniger lautes Verbrennungsgeräusch erzielen.
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Daneben hat man auch Einspritzventile mit einem stufenförmigen Einspritzgesetz
entwickelt, die während der Zündverzugsphase zunächst eine relativ geringe Kraftstoffmenge
einspritzen
und erst nach Einsetzen der Zündung die flaupteinspritzmenge
in den Brennraum einbringen. Nachteilig an solchen Stufeneinspritzventilen ist,
daß sie kompliziert im Aufbau und daher teuer sind und daß außerdem die Zerstäubungsqualität
während der Voreinspritzphase nur unzureichend ist.
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Die eingangs erwähnte Vorveröffentlichung zeigt u. a. ein mehrstrahliges
Einspritzventil mit Steuerzapfen, wohei je nach Maximalhub der Ventilnadel, welcher
während der Fahrt einstellbar ist, eine wandverteilende oder aber eine luftverteilende
Einspritzung herbeigeführt werden kann. ei wandverteilender Einspritzung ist das
Verbrennungsgeräusch etwas leiser, jedoch ist-hei dieser Betriebsweise die Brennkraftmaschine
nicht ganz so sparsam; deswegen ist dort der willkürlich wählbare Übergang zu einer
luftverteilenden Einspritzung mit besserer Sparsamkeit aber lauteren Verbrennungsgeräusch
vorgesehen. Die beiden verschiedenen Betriebsweisen sind durch Steucrung der IJmfangslage
der wirksamen Einspritzbohrungen herbeiführhar.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von
dem vorbekannten mehrstrahligen Einspritzventil ein Stufeneinspritzventil zu schaffen,
welches einfacher im Aufh;u ist als herkömmliche Stufeneinspritzventile und welches
auch während der Voreinspritzphase eine hohe Zerstäubungsqualität aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
von Anspruch 1 gelöst.
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Dank der Relativvcrschiebbarkeit des Steuerzapfens relativ zur Ventilnadel
mit einem größeren Relativhub als dem der Ventilnadel selber können in Abhängigkeit
von der jeweils einzubringenden Einspritzmenge mehr oder weniger viele Einspritzbohrungen
vom Steuerzapfen nacheinander freigelegt werden. In jedem Fall ist zunächst während
der Voreinspritzphase nur eine einzige Abspritzbohrung geöffnet, wodurch der Einspritzdruck
während dieser Voreinspritzphase relativ hoch und die Zerstäubungsqualität dieses
Einspritzstrahles dementsprechend gut ist.
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Dank des Ausweichens des Steuerzapfens über einen relativ großen Hub
kann außerdem eine gewisse Fördermenge der Einspritzpumpe inncrhalb des Einspritzventiles
weggespeichert werden. Die Ausweichgeschwindigkeit und der Finspritzdruck während
dieses Ausweichvorganges kann durch geeignete Dimensionierung der Drosselbohrung
beeinflußt werden, welche den Arbeitsraum des Steuerzapfenkolbens mit der druckfreien
Seite des Einspritzventiles verbindet. ei dem Einspritzventil ist in denkbar einfaaller
Weise ein Speichersystem mit einem Steuersystem kombiniert, welches mengenabhängig
den Abspritzquerschnitt steuert und somit für eine stets gleichleibend hohe Zerstäubungsqualität
der Einspritzstrahlen sorgt.
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ei geringer Einspritzmenge wird der volle ilub des Steuerzapfens gar
nicht ausgenutzt und nur eine oder zwei Abspritzbohrungen freigelegt. Bei hohen
Einspritzmengen durchläuft der Steuerzapfen seinen gesamten Relativhub und es werden
dementsprechend sämtliche Abspritzbolirungen freigelegt; eine hohe Einspritzmenge
kann bei guter Zerstäubungsqualität auch über viele Bohrungen eingespritzt erden.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellter
Ausführungsbeispiele noch kurz erläutert; dabei zeigen: Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel
eines Einspritzventiles nach der Erfindung, dargestellt in geschlossenem Zustand,
Fig. 2 den unteren Teil des Einspritzventils nach Fig. 1 in halbgeöffnetem Zustand,
Fig. 3 das gleiche Einspritzventil in vollgeöffnetem Zustand, Fig. 4, 5, 6 die Lage
der Einspritzstrahlen und deren Einspritzfolge in einer Draufsicht auf den Arbeitskolben
der Brennkraftmaschine bei zentrischer Anordnung des Einspritzventiles, Fig. 7,
8, 9 Lage und zeitliche Folge der Einspritzstrahlen bei exzentrischer Anordnung
des Einspritzventiles, Fig. 1o den unteren Teil eines anderen Ausführungsbeispieles
eines Einspritzventiles nach der Erfindung mit noch einfacher ausgebildetem Steuerzapfenkolben
u n d Fig. 11 eine Detaildarstellung der Sacklochbohrung des Einspritzventiles nach
Fig. 1 oder 10 in vergrößerter Darstellung und in abgewickelten Zustand.
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Das in Fig. 1 vergrößert dargestellte Iinspritzventil 1 ragt mit seinem
unteren zylindrischen Ende durch eine Bohrung des Zylinderkopfes 3 in den Brennraum
t einer Brennkraftmaschine, welcher Brennraum nach unten durch den Bonden eines
mit einer Kolbenbodenmulde 5 versehenen Kolbens 4 begrenzt ist. Ilas Einspritventil
ist über eine Einspritzleitung 6 mit einer nichtdargestellten Einspritzpumpe verbunden,
welche taktweise eine dem c- ngestellten Lastzustand entsprechende Kraftstoffmenge
dem Einspritzventil zufördert. Nicht zu vermeidende Leckagen an Kraftstoff gelangen
iiber die Leckölleitung 7 zur Einspritzpumpe zurück.
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Das dargestellte Einspritzventil weist eine Ventilnadel 8 mit einem
Ventilnadelkolben 10 auf, welcher gleitend und mit geringem Spiel in einer entsprechenden
Bohrung des Ventilgehäusekörpers geführt ist. Die Oberkaten des Ventilkolbens kann
an eine eingezogene Schulter, die einen Ventilnadelanschlag 16 bildet, anschlagen,
wodurch der Ventilnadelhub h mechanisch vorgegeben ist. Auf der Oberseite des Ventilnadelkolbens
wirkt die Ventilschließfeder 9 ein. Der diese Ventilschließfeder aufnehmende Raum
ist mit der Leckölleitung 7 verbunden. Um den unteren Teil der Ventilnadel herum
ist der ringförmige Hauptraum 11 angeordnet, welcher mit der Unterseite des Ventilnadelkolbens
verbunden ist und welcher über die Druckölbohrung 12 von der Einspritzleitung 6
her bei Förderung der I:inspritzpumpe unter Druck gesetzt werden kann. An der unterseite
der Ventilnadel ist ein Ventilschließkegel 15 angehracht, welcher unter der Einwirkung
der Ventilschließfeder dichtend auf den Ventilsitz 14 gepreßt wird. Unterhalb des
Ventilsitzes
schließt sich gleichachsig eine zylindrische Sacklochbohrung
17 mit feinbearbeiteter Oberfläche an.
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Von dieser Sacklochhohrung gehen im dargestellten Ausführungsbeispiel
vier Abspritzbohrungen 18 19, 20, 21 ab, die auf unterschiedlicher Umfangslage und
auf unterschiedlicher Axialposition angeordnet sind. er Neigungswinkel der Abspritzbohrungen
zur Längsachse des Einspritzventiles richtet sich nach den Einbauverhältnissen des
Einspritzventiles relativ zum Brennraum und nach der Brennraumform selber.
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Im Innern der Sacklochbohrung 17 ist gleitend ein ehenfalls definiert
bearbeiteter mit engem Spiel eingepaßter Steuerzapfen 22 mit einer axialen Erstreckung
L angeordnet; er iiberdeckt in geschlossenem in Fig. 1 dargestellten Zustand des
Einspritzventiles sämtliche Absprutzhohrungen 18 bis 21. Der Steuerzapfen selber
ist am lande eines Führungsschaftes 23 angeordnet, welcher im Innern der hohlgebohrten
Ventilnadel axial gleitbar gelagert ist.
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Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des Einspritzventiles
bzw. der Ventilnadel 8 ist am oberen Ende des Führungsschaftes 23 ein im Durchmesser
größerer Arbeitskolben 24 angeordnet, der in einem im Innern des Ventilnadelkolbens
10 vorgesehenen entsprechend groß gestalteten Arbeitsraum 31 gleitend geführt ist.
An der Oberseite des Arbeitskolbens 24 ist ein Anschlagzapfen 25 angeordnet. Die
Unterkante des Arbeitskolbens 24 sowie die entsprechende Unterkante des Arbe itsraumes
31 bestimmen mechanisch die untere in Fig. 1 dargestellte Extremlage des Steuerzapfens
22 bzw. des entsprechenden Arbeitskolbens.
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Die obere Endlage ist durch die Länge des Anschlagsiapfens
25
bestimmt, welcher nach Zurutcklegen des Steuerzapfeniiubes H an der oberen Stirnseite
des Arbeitsraumes anschlägt. Außerdem ist im Innern des Arbeitsraumes 31 noch eine
Rücklauffeder 26 vorgesehen, welche den Kolben 24 und mit ihm den Steuerzapfen 22
in die untere dargestellte Position nach Beendigung des Einspritzvorganges zurückführt.
Der Arbeitsraum 31 steht über eine Drosselbohrung 27 mit dem Aufna11meraum für die
Ventilschließfeder 9 in Verbindung, die ihrerseits über die Leckölleitung 7 druckentlastet
aber stets mit Kraftstoffflüssigkeit gefüllt ist. Der untere Teil des Schaftes 23
des Steuerzapfens ist mit einer Längs- und einer Querbohrung 28 versehen, durch
welche ei ne ungehinderte Strömungsverbindung von der Ober- zur Unterseite des Steuerzapfens
zum Durch tritt des einzuspritzenden Kraftstoffes geschaffen ist.
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Bei dem in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel eines
Einspritzventiles sind die Ahspritzbohrungen entlang dem verlauf einer Schraubenlinie
angeordnet. Dadurch wird bei zurückweichendem Steuerzapfen zunächst die Bohrung
18, dann die um 90° versetzt angeordnete Bohrung 19, bei weiterem Zurückweichen
die der Bohrung 18 gegenuberliegende Bohrung 20 und schließlich die um 270° gegenüber
der Bohrung 18 versetzte in Fig. 1 nicht dargestellte Bohrung 21 freigelegt. Der
axiale Abstand der Abspritzbohrungen 18 bis 21 ist so gewählt, daß zuniichst die
eine der Bohrungen zumindest nahezu vollständig freigelegt wird, bevor die nächstfolgende
Bohrung freigelegt wird; eine geringfügige Überschneidung ist tolerierbar.
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Durch den axialen Versatz der Abspritzbohrungen ergibt sich zum vollständigen
Überdecken sämtlicher Abspritzbohrungen eine gewisse Mindestlänge L des Steuerzapfens
22, die mindestens etwa der Summer aller Bohrungsdurchmesser entspricht.
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hieraus wiederum ergibt sich der vom Steuerzapfen auszuführende Maximalhub
II, welcher etwa dem Maß L entspricht.
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Wie durch den Pfeil 30 angedeutet, befindet sich die durch den Kolben
4 im Brennraum 2 komprimierte Luft aufgrund eines tangentialen Einlaufs in den Brennraum
auch während der Kompressions- und Einspritzphase in einer heftigen Drallbewegung
in Richtung des Pfeiles o. Die Windungsrichtung der Schraubenlinie, entlang der
die Abspritzbohrungen angeordnet sind, ist nun der Drallrichtung gerade entgegengesetzt.
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Die Wirkungsweise des Einspritzventils nach den Fig. 1 bis 3 ist nun
kurz folgende: Nach dem Förderbeginn der Einspritzpumpe baut sich in der Druckölbohrung
12 und im Ilauptraum 11 ein Druck auf, welcher auch auf die ringförmige untere Stirnfläche
des Ventilnadelkolbens 1o einwirkt. Bei weiterer Drucksteigerung in dem Einspritzsystem
ist einmal der Einspritzdruck erreicht, bei dem die hydraulische Kraft auf diese
Kolbenstirnfläche der Schließkraft der Ventil schli eßfeder 9 entspricht; bei diesem
Zustand beginnt die Ventilnadel vom Ventilsit 14 abzuheben und es strömt Kraftstoff
durch den Ventil spalt und die Durchlaßbohrungen 28 in die Sackbohrung unterhalb
des Steuerzapfens 22. Da noch bei Beginn des I.inspritzvorganges alle Abspritzbohrungen
überdeckt sind, schiebt der in die 'ackbohrung eindringende Kraftstoff den Steuerzapfen
entgegen der Kraft der Rücklauffeder 26 und entgegen dem Durchflußwiderstand der
Drossel 27 gegenüber dem vom Kolben 24 verdrängten Kraftstoff in Richtung nach oben.
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Dabei wird einmal der in Fig. 2 dargestellte halboffene Zustand des
Einspritzventiles erreicht sein, bei dem zunächst im wesentlichen lediglich die
erste Abspritzbohring
18 freigelegt ist. 1)a der Abspritzquerschnitt
relativ gering ist, vermag dieser einen hohen Einspritzdruck zurückzustauen. Der
einzige Einspritzstrahl während dieser Voreinspritzphase gelangt also mit hohem
Druck und mit guter Zerstäubungseigenschaft in den Arbeitsraum.
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Außerdem wird während des Ausweichens des Steuerzapfeiis nach oen
eine gewisse Kraftstoffmenge abgezweigt, was einer Verminderung der Einspritzmenge
trotz einer höher liegenden Fördermenge der Einspritzpumpe entspricht. er Ausweichwiderstand
des Steuerzapfens 22 ist dank der Kraft der Rücklauffeder 26 und dank des Strömungswiderstandes
der Drossel 27 relativ groß, so daß der Steuerzapfen innerhalb des Einspritzvorganges
relativ langsam ausweicht. 13ei anhaltender förderung des Kraftstoffes durch das
Einspritzventil (Strömungsrichtung 13) weicht der Steuerzapfen immer weiter nach
ohen aus und legt dabei immer meh Abspritzbohrungen und immer mehr Abspritzquerschnitt
frei. Die Abspritzbohrungen sind, je ntiher sie zum Ventil sitz 14 hin liegen und
je später sie dementsprechend freigelegt werden, um so größer im Durchmesser. Dadurch/wird
erreicht, daß je länger ein Einspritzvorgang an]lält und um so mehr Kraftstoff dementsprechend
eingespritzt werden muß, progressiv ein um so größerer Querschnitt vom Steuerzapfen
freigelegt wird.
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Andererseits ist bei kleinen einzuspritzenden Kraftstoffmengen sichergestellt,
daß nur ein kleiner Abspritzquerschnitt geöffnet wird, und daß dementsprechend ein
hoher Einspritzdruck sich halten kann, wodurch eine gute Zerstäubungsqualität auch
bei geringen Einspritzmengen und insbesondere heim Voreinspritzstrahl gewährleistet
ist. Die durch die Ausweichbewegung des Steuerzapfens
22 in der
ersten Phase des Einspritzvorganges wegespeicherte Kraftstoffmenge wird nach dem
Schließen der Ventilnadel aufgrund der Kraft der Rücklauffedes 26 durch die noch
freiliegenden Abspritzbohrungen ebenfalls in den Brennraum abgespritzt.
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Durch die in den Fig. 4 bis 6 dargestellte Abspritzfolge soll ein
geringfügig variiertes Einspritzventil in seiner Wirkung veranschaulicht werden,
welches zentrisch im Brennraum bzw. in der Kolbenbodenmulde 5 angeordnet ist.
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Auch der dort gezeigte Brennraum wird von der komprimierten Verbrennungsluft
aufgrund einer intensiven Drallströmung in Richtung des Pfeiles 30 umgewirbelt.
Im Unterschied zu der schraubenlinienförmigen Anordnung der Abspritzbohrungen sind
diese bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 4 bis 6 paarweise nacheinander
gegenüberliegend angeordnet. Diese Anordnung sei im Zusammenhang mit Fig. 11 kurz
näher erlsiutert. Die zuerst von dem ausweichenden Steuerzapfen freigelegte Abspritzbohrung
sei wieder mit 18 bezeichnet. Sie ist relativ klein (Durchmesser d1) und vom Ventilsitz
14 am weitesten entfernt (Abstand a1) . Bei weiterem Zurückweichen des Steuerzapfens
22 wird dann aber die diametral gegenüberliegende zweite Bohrung 1 9 (Durchmesser
d2 Abstand a2) freigelegt. Hierdurch wird erreicht, daß die Zerst iubungswolken
der an sich keulenförmigen Einspritzstrahlen, welche durch die Wirbelbewegung 30
in Umfangsrichtung mit genommen werden, sich zumindest im Anfangsbereich oder bei
kleinen Einspritzmengen nicht überschneiden können. Es werden dadurch überfettete
Zonen innerhalb des Brennraumes vemieden. Dies ist einer Reduzierung der Rußbildung
förderlicll.
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Bei anhaltmder Einspritzung wird sodann bei dem in den Fig. 4 bis
( und 11 dargestellten Ausführungsbeispiel die in Umfangsrichtung zwischen den Bohrungen
18 und 19 aber in Pfeilrichtung 30 hinter der Bohrung 19 liegende Bohrung 20 freigelegt,
die noch größer ist als die Bohrung 19 (Durchmesser d3) und die noch näher zum Ventilsitz
14 hin liegt (Abstand a). Geht die Förderung der Einspritzpumpe noch weiter, so
wird scllließlich auch die letzte Einspritzbohrung 21, welche der Bohrung 20 diametral
gcgenüberliegt, freigelegt (Durchmesser d4, Abstand a4).
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ei dem in den Fig. 7 bis 9 dargestellten Ausführungsbeispiel sind
die Abspritzbohrungen 19 bis 21 wieder in Übereinstimmung mit dem Ausiiihrungsbe
ispiel nach den Fig. 1 bis 3 entlang einer Schraubenlinie angeordnet, die entgegen
der Drallrichtung 30 @ gewunden ist. Bei dem usffihrungsbeispiel nach den Fig. 7
bis 9 ist jedoch das Einspritzventil 1 exzentrisch zur Kolbenbodenmulde 5 angeordnet,
Die vom Steuerzapfen als erstes freigelegte Abspritzbohrung 18 ist so gerichtet,
daß sie unter Berücksichtigung des Dralles 30 der Luftströmung etwa tangential an
die Seitenwand der Kolbenbodenmulde 5 auftrifft und dort zum Teil durch den Wandaufprall
reflektiert wird. Ein Teil der solcherart wandverteilt eingespritzten Kraftstoffmenge
samnielt sich als Wandbenetzung, was durch den geschwärzt dargestellten Kraftstof£tropfen
32 veranschaulich sein soll. Dank der zu Beginn der Einspritzphase teilweise wandverteilt
eingespritzten Kraftstoffmenge erfolgt deren Abbrand nach Ablauf der Zündverzugsphase
gemäßigter, was ebenfalls einem ruhigeren Motorlauf zuträglich ist Die weitcren
bei anhaltender Einspritzung
ebenfalls noch in Aktion tretenden
Einspritzbohrungen spritzen den Kraftstoff luftverteilt in den Brennraum ein, was
einer guten Gemischbildung und einem guten Abbrand förderlich ist.
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Das in Fig. 1o dargestellte weitere Ausffthrungsbeispiel eines Einspritzventiles
unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 durch die Größe des Arbeitskolbens 24 an
dem Führungsschaft 23 des Steuerzapfens; und zwar geht der Iiihrungsschaft ohne
jegliche Durchmesseränderung unmittelbar gleich in den Arbeitskolben 24' iiber.
Desgleichen geht die Führungsbohrung für den Führungsschaft 23 in den Arbeitsraum
31' ohne Durchmesseränderung über. IIierdurch ergibt sich nicht nur eine vereinfachte
Herstellung der Ventilnadel bzw. des Führungsteiles für den Steuerzapfen, sondern
auch eine vereinfachte Montage. Die obere Endstelling des Steuerzapfens bzw. des
Arbeitskolbens 24' ist in Übereinstimmung mit dem ersten Ausführungsbeispiel durch
den Anschlagzapfen 25 bestimmt. Die untere Endstellung des Steuerzapfens ist durch
Anschlagzapfen 29 festgelegt, die an der Unterseite des Steuerzapfens 22 angebracht
sind und an der Stirnseite der Sackbohrung 17 anschlagen. Wegen des kleineren Durchmessers
des Arbeitsraumes 31 ist die Rücklauffeder 26 bei diesem Ausführungsbeispiel entsprechend
kleiner im Durchmesser zu gestalten. Wegen des geringeren Verdrängungsvolumens des
Arbeitskolbens 24' und wegen der geringeren Rückholkraft der Feder 26 ist auch die
Drossel 27 etwas kleiner zu gestalten, damit die Rückstaukräfte des Steuerzapfens
22 genügend hoch sind. Dank der ungestuften Ausführung der Bohrung in der Ventilnadel
8' und der ungestuften Ausführung des Führungs- und Kolbenteiles
des
Steuerzapfens gestaltet sich sowohl die herstellung als auch die Montage des in
Fig. lo dargestellten Ausffihrungsbei spieles des Einspritzventiles nach der Erfindung
wesentlich einfacher als das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Bei diesem muß sowohl
die Ventilnadel 8 als auch der Führungs-und Kolbenteil des Steuerzapfens geteilt
ausgeführt werden, was jedoc]1 nicht dargestellt ist. Die Teile können erst bei
der Montage durch präzise Schweißungen vereinigt werden.
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Demgegenüber brauchen die Ventilnadel 8' und der Tührungs-und Kollienteil
des Steuerzapfens beim Ausffihrungsheispiel nach Fig. 10 lediglich in die dargestellte
Form bei der blontage zusammengesteckt zu werden.