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Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit Vor- und Haupteinspritzung
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Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung
nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei einer bekannten Kraftstoffeinspritzeinrichtung
dieser Art (DE-OS 30 02 851) wird für den ausschließlichen Anwendungsfall, einerseits
zündunwilligen, von einer Hochdruckeinspritzpumpe geförderten Hauptkraftstoff und
andererseits von einer gesonderten Pumpe geförderten Zündkraftstoff über eine dort
als Druckteiler bezeichnete hydraulische Hilfspumpe separaten Einspritzdüsen für
Hauptkraftstoff und Zündkraftstoff bei einem Dieselmotor zuzuführen, in der Hilfspumpe
ein Voreinspritzkolben unter dem Förderdruck der Hochdruckeinspritzpumpe angetrieben
und verdrängt eine Voreinspritzmenge aus einem ihm vorgelagerten Arbeitsraum zur
separaten Düse für die Voreinspritzung. Zur Bestimmung der Voreinspritzmenge verfügt
der federvorgespannte Kolben (Fig. 5 der DE-OS 30 02 851) über eine eine Absteuerkante
bildende
Steuernut, deren Abstand zur dem Arbeitsraum zugewandten
Kolbenstirnfläche die Voreinspritzmenge des vündkraftstofvs bestimmt.
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Bei einer anderen Ausführungsform (Fig. 4 der DE-OS 30 02 851) ist
der Kolben für die Voreinspritzung als Stufenkolben ausgebildet und der Förderdruck
der Hochdruckeinspritzpumpe wirkt auf den im Durchmesser größeren Kolbenteil, der
mit entsprechender Ubersetzung mechanisch den die Voreinspritzmenge verdrängenden
Kolbenteil antreibt.
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- Die Voreinspritzmenge bestimmt sich in diesem Fall durch einen
mechanischen Anschlag des kleineren Kolbenteils.
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Noch vor dem Druckraum für den Antrieb des Kolbens führt -te£bei{en-Ausführungsformen
eine abzweigende Druckleitung zur Haupteinspritzdüse. Eine solche einfache Aufteilung
kann zu Schwierigkeiten bei der genauen Steuerung der zeit-- lichen Abfolge zwischen
Voreinspritzung und Haupteinspritzung führen, da Abhängigkeiten von der Drehzahl
und der Last~durch den dynamischen Einfluß der Leitungen und der hauptsächlich durch
diese bedingten Toträume zu unvermeidlichen Abweichungen von den vorgegebenen Steuerzeiten
für die Vor- und die Haupteinspritzung führen. So können bei hoher Drehzahl der
Beginn der Voreinspritzung und der Beginn der Haupteinspritzung sehr nahe zusammenrücken
und Voreinspritzung und Haupteinspritzung zu einer einzigenEinspritzung verschmelzen.
Ferner ist es bei der Ausführungsform nach Fig. 5 nicht ausgeschlossen,daß beim
weiteren Abwärtsgleiten des Kolbens und un--ter dem Förderdruck des Hauptkraftstoffs
die Voreinspritzung nochmals einsetzt. Mittel, um die jeweiligen Einspritzzeitunkte,
die Einspritzmengen für Vor- und Haupteinspritzung sowie die Pausenzeit zwischen
beiden zu verändern und unabhängig voneinander vorzugeben, sind nicht vorgesehen.
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Allgemein ist bekannt, daß unerwünschte Laufgeräusche bei Dieselmotoren
auf die größere-Wärmeenwicklung zu Beginn der Verbrennung zurückzuführen sind, so
daß schon seit längerem versucht wird, die Verbrennung durch eine begrenzbare und
zeitlich in wünschenswerter Weise zur Haupteinspritzung positionierbare, kleine
Voreinspritzmenge einzuleiten und so die Verbrennungsgeschwindigkeit zu begrenzen,
allgemein zu steuern. Die sich in diesem Zusammenhang anbietende Lösung der Anordnung
von zwei kompletten, getrennten und nacheinander förderndenEinspritzsystemen ist
aufwendig und nicht empfehlenswert, da zwei Pumpen mit zugehörigen Leitungen und
zwei Düsen erforderlich sind, sowie die notwendigen Synchronisierungsmittel zwischen
den beiden Systemen.
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Es ist auch bekannt, durch geeignete Dimensionierung einer normalen
Einspritzanlage Voreinspritzeffekte zu erzielen; hierbei ist dann ein bestimmter
Größen- und Funktionszusammenhang von Vorhub, Leitungsdurchmesser, Düsenlöchern
und Düsenfedern einzuhalten, dies führt jedoch zu einer nachteiligen Abhängigkeit
von Last und Drehzahl und den sich ändernden dynamischen Einflüssen beim Betrieb
der Brennkraftmaschine.
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Es ist ferner eine bekannte Maßnahme, bei Einspritzpumpen zusätzliche
Steuereinrichtungen sowie einen Zwischenspeicher vorzusehen, wodurch es gelingt,
eine Herabsetzung der Fördergeschwindigkeit durch Drosselung bis in die Nähe von
Null zu erzielen. Da sich hierbei in der zur Düse laufenden Druckwelle eine Anfangsstufe
ausbilden kann, kann man eine Art Voreinspritzung bei bestimmten Drehzahlen und
Laststufen erreichen.
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Selbst wenn die Voreinspritzung in ihrer Dosierung und zeitlichen
Position durch zwei Systeme mit zwei Einspritzpumpen vor.genommen wird, deren Nockenwellen
miteinander gekuppelt
sind, ergeben sich aber Schwierigkeiten in
der phasenrichtigen Zuordnung von Vor- und Haupteinspritzung infolge der durch den
dynamischen Einfluß der beiden Leistungen verursachten Abhängigkeit von Drehzahl
und Last.
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Zur Erzielung einer Vor- und Haupteinspritzung ist ferner eine Einrichtung
bekannt (DE-PS 1 252 001), bei der ein separater kleiner Kolben für die Voreinspritzung
achsparallel versetzt zu einem Belastungskolben für die Haupteinspritzung innerhalb
eines Kraftstoffeinspritzventils angeordnet ist.
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Dabei entfällt eine getrennte Niederdruckversorgung und die Voreinspritzmenge
wird aus der Kraftstoffzufuhr für die Haupteinspritzmenge gewonnen, was eine nachteilige
Beeinflussung des Standdrucks in der Druckleitung und damit bezüglich der Genauigkeit
der Mengensteuerung nicht ausschließt.
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Schließlich ist es noch bekannt (DE-OS 28 34 633), zur Steuerung der
Voreinspritzung bei Brennkraftmaschinen einen einteiligen, entgegen der Kraft einer
Feder verschiebbaren Steuerschieber vorzusehen, der mit deutlicher Zwischenentlastung
in einen Speicher über Steuerkanten die jeweils gewünschten Verbindungen zur Vor-
und Haupteinspritzung herstellt. Auch hier wird die Voreinspritzung von der Fördermenge
der auch die Haupteinspritzmenge liefernden Einspritzpumpe abgezweigt, so daß die
Genauigkeit der Mengensteuerung für die Haupteinspritzmenge eine negative Beeinflussung
erfährt.
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Ferner läßt sich der US-PS 3 104 817 eine Pumpedüse mit Vor- und Haupteinspritzung
als bekannt entnehmen, bei welcher ein mechanisch über eine Nockenbetätigung angetriebener
erster Stößel und über einen Druckraum zu diesem getrennt ein gleitverschieblich
gelagerter, unter Federvorspannung gehaltener Kolben gleichachsig angeordnet sind.
Der aufgrund der Bewegung des Stößels und der von diesem im Druckraum
verdrängten
Kraftstoffmenge hydraulisch angetriebene Kolben, wobei dieser hydraulische Antrieb
allerdings dem üblichen hydraulischen Antrieb eines Voreinspritzkolbens vom Förderdruck
der Hochdruck-Einspritzpumpe entspricht - verfügt über die übliche Absteuernut und
verdrängt daher bis zur durch die Absteuernut gewährleisteten Zw.ischenentlastung
eine Voreinspritzmenge aus seinem ihm vorgelagerten Arbeitsraum über ein Rückschlagventil
unmittelbar zur einzigen Einspritzdüse; die Haupteinspritzmenge wird dann vom gleichen
Kolben bei weiterem Abwärtsfahren gefördert, nachdem die Absteuernut am Kolben eine
stationäre, der Druckentlastung dienende Ringnut überlaufen hat.
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Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzeinrichtung
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil,
daß bei insgesamt kurzen Leitungswegen und hydraulischem Antrieb eines Voreinspritzkolbens
durch einen zusätzlichen Treib- oder Ausweichkolben, der seinerseits wieder hydraulisch
durch die Verdrängungswirkung des Kolbens der Hochdruckeinspritzpumpe angetrieben
ist, eine hohe Fördergeschwindigkeit bei der Voreinspritzung erzielt wird, wobei
Einstellung und Abstimmung von von Voreinspritzmenge, Voreinspritzzeitpunkt und
die phasenrichtige Zuordnung von Voreinspritzung zur Haupteinspritzung möglich sind,
im wesentlichen unabhängig zu den dynamischen Gegebenheiten der Brennkraftmaschine
in dem jeweiligen Betriebspunkt.
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Voreinspritzkolben und der Ausweichkolben werden getrennt zurückgeführt
und bewirken getrennt und unabhängig voneinander die Steuerung der zugeordneten,
einzuspritzenden Kraftstoffmengen, wobei der Beginn der Haupteinspritzung entsprechend
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel durch
die Kolbensteuerung
des Ausweichkolbens, vorzugsweise durch eine Steuerkante am Ausweichkolben, erfolgt.
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Da die Erfindung ihrem Aufbau entsprechend völlig getrennte Leitungswege
und Verbindungsleitungen für die Voreinspritzug und die Haupteinspritzung aufweist,
ist es auch problemlos möglich, unterschiedliche Kraftstoffarten für die Voreinspritzung
und die Haupteinspritzung vorzusehen. So kann zur Voreinspritzung von einer Niederdruckförderpumpe
beispielsweise Zündkraftstoff zugeführt werden, während die Hochdruck-Einspritzpumpe,
die die insoweit gebildete Voreinspritz-Hilfspumpe hydraulisch durch ihren Förderdruck
antreibt, jedoch ihrerseits zur Haupteinspritzung zündunwilligen Kraftstoff zuführen
kann.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Kraftstoffeinspritzeinrichtung
möglich. Vorteilhaft ist hierbei der kompakte Aufbau der hydraulischen Voreinspritz-Hilfspumpe
in einem einstückigen Gehäuse, in deren abgestufter Innenbohrung die nicht mechanisch
miteinander verbundenen Voreinspritz- und Ausweichkolben gleichachsig hintereinanderliegend
angeordnet sind.
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Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Zeichnung
zeigt im Längsschnitt die hydraulische Voreinspritz-Hilfspumpe mit jeweils durch
Pfeile angedeutetenAnschlußverbindungen der von der Hochdruck-Einspritzpumpe und
der Niederdruck-Förderpumpe kommenden Verbindungsleitungen und den zur Voreinspritzdüse
und Haupteinspritzdüse abführenden Druckleitungen.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele Der Grundgedanke vorliegender
Erfindung besteht darin, einen Voreinspritzkolben ohne jegliche mechanische Verbindung
bezüglich der ihn antreibenden Kräfte zu lagern und seine für die Voreinspritzung
erforderliche Bewegung durch hydraulische Mittel in Form eines Ausweichkolbens zu
realisieren, der seinerseits wieder hydraulisch vom Druck der Hochdruckeinspritzpumpe
angetrieben ist, wobei der Ausweich- oder Treibkolben für die Haupteinspritzung
maßgebende Steuerungsmittel aufweist.
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In der Zeichnung ist die hydraulische Voreinspritz-Hilfspumpe mit
10 bezeichnet; sie hat ein Gehäuse 11 mit mehrfach abgestufter Innenbohrung 12.
Das Gehäuse 11 verfüt über zwei Einlaßanschlüsse oder Einlaßbohrungen, nämlich eine
erste Einlaßbohrung 13 zum Anschluß einer von einer Hochuruck-Einspritzpumpe Etpkommenden
Druckleitung und eine zweite Einlaßbohrung 14 zum Anschluß einer von einer Niederdruck-Förderpumpe
FP kommenden zweiten Druckleitung, wobei die beiden nicht dargestellten Pumpen auch
den gleichen Kraftstoff oder, wie weiter vorn schon erwähnt, unterschiedliche Kraftstoffarten
fördern können.
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Es sind mindestens zwei Auslaßanschlüsse vorhanden, nämlich ein Auslaßanschluß
15 für eine zu einer Voreinspritzdüse führenden Verbindungsleitung - der Anschluß
kann beispielsweise durch eine auf ein bei 15a dargestelltes Gewinde aufgeschraubte
Anschlußmutter erfolgen - und jeweils alternativ anwendbare Auslaßanschlüsse 16a,
16b für die Verbindungsleitung zur Haupteinspritzdüse.
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Ston oben nach unten in der Zeichenebene sind aufeinanderfolgend in
der Gehäuseinnenbohrung 12 die folgenden Bauelemente und Teile angeordnet, und zwar
eine obere, gleichzeitig den
Auslaßanschluß 15 für die Voreinspritz-Kraftstoffmenge
enthaltende Verschlußschraube 17, an die sich eine Trägerschelbe 18 für ein als
federvorgespanntes Kugelventil ausgebildetes Rückschlagventil 19 anschließt. Über
die Trägerscheibe 18 wird ein Einsatz 20 in der abgestuften Gehäuseinnenbohrung
12 festgespannt,der selbst über eine abgestufte Innenbohrung 21 verfügt, deren erweiterter
oberer Teilbereich bei 22 einen dem Voreinspritzkolben 23 vorgelagerten Arbeitsraum
bildet.
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Zur mechanischen Anschlagarretierung des Voreinspritzkolbens 23 ragt
über eine verjüngte kolbenstangenartige Verlängerung 23a am Voreinspritzkolben ein
wieder verbreitertes Kopfstück 24 in den Arbeitsraum 22 hinein, welches an der ringförmigen
Abschulterung 25 der Innenbohrung 21 anliegt. Der Voreinspritzkolben 23 erstreckt
sich über das in der Zeichenebene untere Ende des Einsatzes 20 und die seine Gleitlagerung
bildende Innenbohrung 21 noch hinaus in einen Druckraum 26, in welchem auch eine
Vorspannungsfeder 27 für den Voreinspritzkolben 23 gelagert ist, die sich einerseits
an der unteren Stirnfläche des Einsatzes 20 und andererseits an einem Federteller
28 am freien Ende des Voreinspritzkolbens 23 abstützt.
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Unter niedrigem Druck stehender Kraftstoff wird dem Arbeitsraum 22
von der Niederdruckförderpumpe über den Einlaßanschluß 14 über eine Ringausnehmung
29 mit nach innen verlaufenden Querkanälen 30 zugeführt, wobei der Kraftstoff längs
der verjüngten Verlängerung 23a und am Voreinspritzkolben-Kopfstück 24 vorbei in
den Arbeitsraum 22 einfließt.
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In den erwähnten Druckraum 26 ragt ferner der Endbereich eines Treib-
oder Ausweichkolbens 31, der in einem verjüngten Bohrungsteil 32 der Gehäuseinnenbohrung
12 unmittelbar gleitverschieblich gelagert ist und an seinem oberen, dem Druckraum
26 zugewandten Ende einen Federteller 33 aufweist, an welchem sich eine weitere,
im Druckraum 26 angeordnete
Vorspannungs£ederAi für diesen Ausweichkolben3l
abstützt, deren anderes Ende an der zugewandten Stirnfläche des Einsatzes 20 anliegt.
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Mit seinem anderen Ende mündet der Ausweichkolben 3i in einen mit
dem Einlaßdruckanschluß 13 zur Hochdruck-Einspritzpumpe verbundenen weiteren Druckraum
34, dieser ist gebildet von einer abgesetzten stufenförmigen Erweiterung der Gehäuseinnenbohrung
12, die dann auf dieser Seite von einer zweiten Abschlußdichtschraube 35 verschlossen
ist. Zur mechanischen Anschlagarretierung des Ausweichkolbens 31 hat dieser an seinem
dem Druckraum 34 zugewandten Endbereich ein über eine Ringnut 35 abgesetztes, erweitertes
Kopfteil 36, welches bei vollem Hub des Ausweichkolbens 31 unter dem hohen Druck
der rtochdruck-Einspritzpumpe an einer Ringschulter 37 im Übergang zum verjüngten,
den Ausweichkolben 31 gleitverschieblich lagernden Bohrungsteil 32 anschlägt.
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Beide Kolben, sowohl der Voreinspritzkolben 23 als auch der Ausweicikolben
31 verfügen über für sich gesehen bekannte Mittel zur Druckentlastung durch Absteuerung
über jeweils eine Ringnut 38 (am Voreinspritzkolben) bzw. 39 (am Ausweicnkolben)
, die über Kolbenlängsbohrungen 38a1 39a und in die Ringnuten 38, 39 m.>nzenden
Querbohrungen 38b, 39b mit dem jeweiligen vorgelagerten Arbeitsraum 22 bzw. Druckraum
26 in Verbindung stehen. Hierdurch ergeben sich Druckentlastungen dann, wenn die
zugeordneten Absteuerkanten der Ringnuten 33, 39 in den Bereich der Querbohrung
30 bzw. einer Querbohrung 40 für den Ausweich.kolben 31 gelangen.
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Die Wirkungsweise ,t dann wie folgt. Kraftstoff, nämlich zum hydraulischen
Antrieb des Voreinspritzkolbens 23 gelangt in den Druckraum 26 über eine vom Einlaßanschluß
14 azzweigende Gehäuselängsbohrung 41 und die soeben erwähnte Querbohrung 40 am
verjüngten Ausweichkolbenteil in der dargestellten
Ausgangsposition
und dem Federteller 33 vorbei, so daß bei Beginn des Förderhubs der nicht dargestellten
Hochdruck-Einspritzpumpe der Ausweichkolben 31 einen Leer- bzw. Vorhub macht und
der danach einsetzende Druckanstieg im Druckraum 26 den Voreinsprltzkolben 23 sehr
schnell antreibt, so daß dieser eine vorgebbare Voreinsprltz-Kraftstoffnenge aus
dem Arbeitsraum 22 über das Rückschla»-ventil 19 zur separaten oder mit der Haupteinspritzdüse
in einer gemeinsamen Doppeldüse angeordneten Voreinspritzdüse verdrängt. Die Voreinspritzung
ist dann beendet, wenn der Voreinspritzkolben 23 absteuert.- Der Ausweichkolben
31 setzt seinen Hub jedoch fort, wobei die über seine Ringnut 39 bewirkte Druckentlastung
in die Kanäle 40, 41 zum Druckeinlaß 14 der Niederdruck-Förderpumpe dafür sorgt,
daß es zu keinem diesen Hub behindernden Druckanstieg im Druckraum 26 kommt.
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Der Hub des Ausweichkolbens3l und damit das Zeitintervall zwischen
Beginn der Voreinspritzung und Beginn der Haupteinspritzung ergibt sich dann bzw.
wird festgelegt durch den mechanischen Anschlag des Kopfteils 36 an der Ringschulter
37 und erst dann ist, bei einem ersten Ausführungsbeispiel durch das auf diese Weise
realisierte Schluckvolumen des Ausweichkolbens 31j cier Distanzhub - bezogen auf
ONW der Hochdruckeinspritzpumpe - durchgeführt und die Haupteinspritzung beginnt
über den Druckauslaßanschluß 16a.
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Eine bevorzugte und alçernative Ausgestaltung vorliegender Erfindung
besteht jedoch darin, daß es der Ausweichkolben 31 selbst ist, der den Beginn der
Haupteinspritzung steuert, und zwar dadurch, daß unter Benutzung des Druc;~ausialEanschlusses
16b eine von einer Fläche 42 am Ausweichkolben 31 gebildete Steuekante 42a für den
Durchlaß des unter Hochdruck stehenden, von der Hochdruck-Elnspritzpumpe kommenden
Kraftstoffs eisen Ringkanal 43 aufsteuert, der mit dem Auslaßanschluß 16b in erbindung
steht. Diese Auf steuerung kann in weck:näßiger Weise
durch die
Tiefe der beispielsweise durch einen Anschliff am Ausweichkolben 31 realisierten
Fläche 42 festgelegt werden und findet vorzugsweise statt, kurz bevor der Ausweichkolben
31 seinen vollen Hub durchgeführt hat. Dadurch wird der Zufluß zur Haupteinspritzdüse
mechanisch aufgesteuert.
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Es versteht sich, daß diese Aufsteuerung auch durch andere Mittel,
beispielsweise in der üblichen Form durch Kolbenlängs- und -querkanäle mit einer
weiteren Ringnut am Kolben 31 erfolgen kann.
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Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung
dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination
miteinander erfindungswesentlich sein.