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Kraftstoffeinspritzvorrichtuna
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Stand der Technik Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung
für ein- oder mehrzylindrige Verbrennungsmotoren der im Oberbegriff des Anspruchs
1 angegebenen Gattung.
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Solche Kraftstoffeinspritzvorrichtungen sind z.B. aus der US-PS 2
918 911 oder der DE-AS 1 576 330 bekannt.
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Bei solchen Kraftstoffeinspritzvorrichtungen breiten sich die in der
Öffnungsphase des Dosierventils in die Druckleitung eingespeisten Hochdruck-Kraftstoff-Dosierimpulse
als Druckwellen mit Schallgeschwindigkeit in der mit Kraftstoff gefüllten Druckleitung
aus. Diese Druckwellen werden. am Einspritzventil reflektiert und laufen zurück
zum Dosierventil. Die Reflenonswellen überlagern sich hier der Hochdruckeinspeisung
und führen zu einer Störung der Kraftstoffbemessung in der Weise, daß bei konstantem
Hochdruck im Kraftstoffspeicher die Dosiermenge nicht exakt von der Öffnungszeit
des Dosierventils abhängt.
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Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil,
daß der Dosier- und fin-pritz~ votgang durch die als Entklungsleitung ausgebildete
Druckleitung so entkoppelt ist, daß die Druckwellenreflexionen vom Einspritzventil
den Dosiervorgang nicht stören können.
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Durch die Leitungslänge ist sichergestellt, daß die am Einspritzventil
reflektierten Druckwellen nicht vor dem Ende des längsten Dosierimpulses, also in
keinem Falle vor Schließen des Dosierventils, am Dosierventil eintreffen.Damit ist
der Dosiervorgang abgeschlossen, und die Dosiermenge kann nicht mehr von den einlaufenden
Reflexionswellen beeinflußt werden.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich aus Anspruch
2. Dadurch werden zusätzliche, in der Druckleitung selbst sich ausbildende Reflexionswellen
vermieden, von denen die eine oder andere in gleicher Weise - je nach Entfernung
der Reflexionsstelle von dem Dosierventil - zu einer Störung des Dosiervorgangs
führen könnte.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich aus Anspruch
4. Durch diese Maßnahme stellt sich zwischen den einzelnen Dosier- und Einspritzvorgängen
in der Druckleitung ein konstanter Standdruck ein, so daß in allen Betriebszuständen
des Motors unab.
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hängig von der Kraftstoffmengenentnahme ein gleichbleibender Dosierdruck
erzielt wird und somit die Dosiermenge ausschließlich von der öffnungszeit des Dosierventils
abhängt.
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Eine vorteilhafte Ausfd=rngsfonm der Erfindung ergibt sich auch aus
Anspruch
5. Durch diese Maßnaen kann die EinspritPnenge je Aitsspiel im laufenden Motorbetrieb
gemessen werden.
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Diese Kenntnis erlaubt Steuerung und berwachung der Funktion der Kraftstoffeinspritzvorrichtung.
Die Ursache für abweichende Motorfunktion kann sofort in der Weise lokalisiert werden,
daß diese in der Kraftstoffeinspritzvorrichtung oder im Motor selbst zu suchen ist.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich aus Anspruch-6.
Durch diese Maßnahme kann der an dem Einspritzventil ankommende dosierte Kraftstoffförderimpuls
in jedem Betriebspunkt zum erforderlichen Einspritzverlauf der dosierten Kraftstoffmenge
umgeformt werden. Dieser Einspritzverlauf ist bei Diesel-und Otto motoren zur Erzielung
von Motorlaufruhe, niederem Kraftstoffverbrauch und geringer Umweltbelastung sehr
wichtig. Damit ist auch die Kraftstoffeinspritzvor richtung besonders für Direkteinspritzmotoren
geeignet, die sich durch besondere Wirtschaftlichkeit auszeichnen.
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Zugleich kann damit nicht nur der Einspritzverlauf, sondern auch die
für die Kraftstoffverteilung im Brennraum wichtige Einspritzrichtung gesteuert werden,
was für letztgenannte Motoren von wesentlicher Bedeutung ist.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich auch aus
Anspruch 9. Durch die Einstellung des Ausflußquerschnittes in den zeitlichen Intervallen
zwischen den Einspritzungen, in welchen im Einspritzventil nur der niedrige Standdruck
herrscht, sind leistungsstarke Stellwerke nicht erforderlich, was sich günstig auf
das damit nur geringe Bauvolumen für solche Stellwerke auswirkt. Auch brauchen die
Stellwerke nur als langsam wirkende Stellglieder ausgebildet zu werden.
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Durch die Längs- und Drehverschiebung der Ventilnadel ist ein großer
Steuerbereich des Ausflußquerschnitts des Einspritzventils gegeben, wodurch eine
bessere Anpassung an die Motorerfordernisse im gesamten Motorkennfeld möglich wird.
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Zeichnung Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung für einen
zweizylindrigen Verbrennungsmotor, Fig. 2 einen Teillängsschnitt eines Einspritzventils
der Kraftstoffeinspritzvorrichtung in Fig. 1, Fig. 3 ein Querschnitt längs der Linie
III-III in Fig. 2, Fig. 4 ein Diagramm des Ausflußquerschnitts des Einspritzventils
in Fig. 2 in Abhängigkeit vom eingestellten Drehwinkel und Axialhub der Ventilnadel.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels Die in Fig. 1 schematisch dargestellten
Kraftstoffeinspritzvorrichtung weist jeweils ein Einspritzventil 10,10' pro Motorzylinder
auf. In Fig. 1 ist als Beispiel eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung für einen zweizylindrigen
Verbrennungsmotor angenommen. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung läßt sich jedoch
durch
Vorsehen weiterer Einspritzventile für Verbrennungsmotoren
mit mehr als zwei Zylindern erweitern.
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Eine Pumpe 11 saugt den Kraftstoff aus einem Kraftstoffbehälter 12
und drückt ihn in eine Hochdruckleitung 13, die mit einem Speicher 14 verbunden
ist.
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An die Hochdruckleitung 13 ist ein Überdruckventil 15 angeschlossen,
das von der Pumpe 11 geförderten überschüssigen Kraftstoff in den Kraftstoffbehälter
12 zurückführt.
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An die Hochdruckleitung 13 ist eine der Zahl der Zylinder der Verbrennungsmotoren
bzw. der Einspritzventile 10,10' entsprechende Anzahl von Dosierventilen, hier zwei
Dosierventile 16,16', angeschlossen. Jedes Dosierventil 16,16' ist mit einer Entlastungsleitung
18 verbunden, die mit einem weiteren Speicher 19 in Verbindung steht und von einem
Überdruckventil 20 abgeschlossen ist. Das Überdruckventil 20 ist derart ausgebildet,
daß in der Entlastungsleitung 18 immer ein konstanter, gegenüber dem Hochdruck in
der Hochdruckleitung 13 wesentlich reduzierter Standdruck aufrechterhalten wird.
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Jedes Dosierventil 16, 16' ist über eine Druckleitung 21 bzw. 21'
mit dem zugeordneten Einspritzventil 10 bzw.
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10' verbunden. Das Dosierventil 16 ist im Ausführungsbeispiel als
3/2-Wege-Magnetventíl und das Dosierventil 16' als zwei 2/2-WegeMacnetventile ausgebildet.
In beiden Fällen ist das Dosierventil 16 bzw. 16' zwischen Druckleitung 21 bzw.
21' und Hochdruckleitung 13 so angeordnet, daß es in seiner Öffnungsphase die Druckleitung
21 bzw. 21' mit der Hochdruckleitung 13 bzw. dem Kraftstoffspeicher 14 und in seiner
Schließphase mit der Entlastungsleitung 18 verbindet. Durch die kurz-
zeitige
Verbindung der Druckleitung 21 bzw. 21' mit der Hochdruckleitung 13 wird während
der Öffnungsphase des Dosierventils 16 bzw. 16' jeweils ein die Kraftstoffeinspritzmenge
bemessender Dosierimpuls erzeugt. Da in der Schließphase des Dosierventils 16 bzw.
16', in welchem die Druckleitung 21 bzw.
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21' mit der Entlastungsleitung 18 verbunden ist, das Überdruckventil
20 einen konstanten Standdruck auch in der Druckleitung 21 bzw. 21' erzeugt, und
zudem der Hochdruck in der Hochdruckleitung 13 ebenfalls konstant ist, wird während
der Öffnungsphase des Dosierventils 16 bzw. 16' ein gleichbleibender Dosierdruck
erzielt und damit ein in der Amplitude konstanter Dosierimpuls erzeugt, dessen Länge
durch die Öffnungszeit des Dosierventils 16 bzw. 16' bestimmt wird.
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Die Druckleitung 21 bzw. 21' ist jeweils als eine Entkoppelungsleitung
ausgebildet, durch deren Länge die Dosierimpulse von am Einspritzventil reflektierten
Druckwellen entkoppelt werden. Hierzu ist die Länge der Druckleitung 21 bzw. 21'
größer bemessen als das halbe Produkt aus Schallgeschwindigkeit im Kraftstoff multipliziert
mit der zur Dosierung der maximalen Kraftstoffeinspritzmenge erforderlichen Öffnungszeit
des Dosierventils 16 bzw. 16'. Damit ist sichergestellt, daß die am Einspritzventil
reflektierte Druckwelle, die von den Dosierimpulsen ausgelöst wird, nicht vor dem
Ende des längsten Dosierimpulses, also in keinem Fall vor Schließen des Dosierventils
16,16' am Dosierventil eintrifft. Die rücklaufende reflektierte Druckwelle kann
damit den Dosiervorgang nicht stören, so daß die Kraftstoffzumessung exakt nur von
der Öffnungszeit des Dosierventils 16 bzw. 16' abhängt. Der Querschnitt der - Druckleitung
21 bzw. 21' ist über die gesamte
Leitungslänge gleich.
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In der Druckleitung 21 bzw. 21' ist jeweils ein Druckaufnehmer 22
bzw. 22' angeordnet, und zwar nahe dem Dosierventil 16 bzw. 16', der laufend den
Druck in der Druckleitung 21 bzw. 21lmißt und MeD5eßwerte an eine Auswerteeinheit
23 bzw. 23' liefert Durch zeitliche Integration des gemessenen Druckes p unter Berücksichtigung
einer von der Auslegung der Kraftstoffeinspritzvorrichtung abhängigen Gerätekonstanten
K berechnet die Auswerteeinheit 23 bzw. 23' die pro Arbeitsspiel, also während einer
Öffnungsphase des Dosierventils 16 bzw. 16"dosierte Kraftstoffeinspritzmenge gemäß:
mit fL, k a . # wobei sind: q = Kraftstoffmenge fL = lichter Querschnitt der Druckleitung
21,21' g = Kraftstoffdichte a = Schallgeschwindigkeit in Kraftstoff k = Eichkonstante
des Druckaufnehmers 22, 22', Die Kenntnis der jeweils dosierten Kraftstoffeinspritz
menge im laufenden Motorbetrieb erlaubt die Steuerung und Uberwachung der Funktion
der Kraftstoffeinspritz vorrichtung. Bei Abweichen der Motorfunktion kann sofort
erkannt
werden, ob die Ursache für diese Abweichung in der Kraftstoffeinspritzvorrichtung
liegt oder woanders.
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Zur Umformung des Dosierimpulses oder dosierten Kraftstofförderimpulses
in einen für jeden Betriebspunkt optimalen Einspritzverlauf weist das Einspritzventil
10 bzw. 10' einen gesteuerten Ausflußquerschnitt auf. Der Aufbau des Einspritzventils
10, der identisch ist dem Aufbau des Einspritzventils 10' ist im einzelnen in Fig.
2 und 3 zu sehen.
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Das mit seinen wesentlichen Merkmalen in Fig.2 im Teillangsscbnitt
dargestellte Einspritzventil 10 hat ein Gehäuse 24 mit einen Ventilraum 25, der
über einen Anschlußkanal 26 mit der Druckleitung 21 verbunden ist. Am unteren Ende
des Gehäuses 24 ist eine abgestufte hohlzylinderförmige Einspritzdüse 27 eingesetzt,
die mit ihrem den kleineren Durchmesser aufweisenden Abschnitt 271 aus dem Gehäuse
24 herausragt und dort vier seitlich atisrtttindende Spritzbohrungen 28 (Fig. 3)
mit zueinander abgestuften Bohrungsquerschnitten aufweist. Die Spritzbohrungen 28
sind über einen kleinen Teil des Umfangs des Einspritzdüsenabschnittes 271 verteilt
angeordnet. In Fig. 3 sind die Spritzbohrungen 28 mit ihren im Innern des Einspritzdüsenabschnittes
271 mündenden Eintrittsquerschnitten und deren Verteilung über den Umfang des Einspritzdüsenabschnittes
271 dargestellt.
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In dem Einspritzdüsenabschnitt 272 mit dem größeren Innen- und Außendurchmesser
ist eine zylindrische Ventilnadel 29 mit einem mit der Ventilnadel 29 einstückigen
Führungsbund 30 axial verschieblich geführt.
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Mit dem einen Ende 291 ist die Ventilnadel 29 in einer
Ventilbohrung
273 des Einspritzdüsenabschnittes 271 geführt und trägt hier eine von einer Steuernut
31 gebildete mit den Spritzbohrungen 28 zusammenwirkende Steuerausnehmung, die über
einen Kanal 32 in der Ventilnadel 29 mit einem Innenraum 274 des Einspritzdüsenabschnittes
272 und dieser wiederum über einen weiteren Kanal 33 mit dem Ventilraum 25 in Verbindung
steht. Die axiale Breite der Steuernut 31 ist größer als der Durchmesser der Spritzbohrung
28 mit dem größten Bohrungsquerschnitt gewählt, und die über einen Teilumfang der
Ventilnadel 29 sich erstreckende Länge der Steuernut 31 ist so bemessen, daß sie
alle Eintrittsquerschnitte der Spritzbohrungen 28 gleichzeitig zu überdecken vermag
und daß ein verbleibender, nicht von der Steuernut 31 erfaßter Bereich 292 der Mantelfläche
der Ventilnadel 29 alle Spitzbohrungen 28 zu verschließen vermag.
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An dem Führungsbund 30 der Ventilnadel 29 greift eine Ventilschließfeder
48 an, die sich andererseits am Grund des Innenraums 274 abstützt und den Führungsbund
30 gegen einen Anschlag 34 anpreßt. Das obere, von der Steuernut 31 abgekehrte Ende
293 der Ventilnadel 29 ragt in den Ventilraum 25 hinein und trägt dort ein Kopfteil
35, das als ein die Ventilnadel 29 betätigender Verschiebekolben wirkt und von den
über die Druckleitung 21 in den Ventilraum 25 gelangenden Dosierimpulsen beaufschlagt
wird. Die eingezeichnete Ausgangslage der Ventilnadel 29 wird von einer in der Längsachse
des Gehäuses 24 sich erstreckenden Hubeinstellspindel 37 festgelegt. Die Hubeinstellspindel
37 wird von einem mechanisch, elektrisch oder hydraulisch angetriebenen, nicht näher
dargestellten Stellwerk 50 betätigt und legt durch entsprechende Axialverschiebung
die Ausgangs- bzw. die
Grundstellung des Kopfteils 35 und damit
der Ventilnadel 29 bezüglich eines gehäusefesten Anschlages 40 zur Hubbegrenzung
der Ventilnadel 29 fest.
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Zur Verdrehung der Ventilnadel 29 ist deren drehfest verbundener Kopfteil
35 mittels einer Kreuzkupplung 51 mit einem konzentrisch die Hubeinstellspindel
37 umgebenden Mitnehmer 43 in Drehrichtung fest aber axial verschieblich gekoppelt.
Dies kann z.B. durch Klauen an dem Kopfteil 35 und durch Axialschlitze in der Stirnseite
des Mitnehmers 43 erfolgen. Der Mitnehmer43 ist im Gehäuse 24 gelagert und ggf.
mittels eines ebenfalls im Gehäuse 24 untergebrachten nicht dargestellten Stellgetriebes
von einem mechanisch, hydraulisch oder elektrisch angetriebenen, nicht näher dargestellten
zweiten Stellwerk 52 verdrehbar. Eine Betätigung der Hubeinstellspindel 37 und/oder
des Mitnehmers 43 erfolgt nur in den Einspritzpausen, also bei geschlossenem Dosierventil
16. In diesem Zeitraum herrscht in der Druckleitung 21 und in dem Ventilraum 25
der wesentlich reduzierte Standdruck, so daß nur Stellwerke mit geringer Leistungsstärke
erforderlich sind. Durch die Hubeinstellung und die Verdrehung der Ventilnadel 29
in der Weise, daß die Steuernut 31 nur einen Teil der Steuerbohrungen 28 übergreift,
wird eine Steuerung des Ausflußquerschnittes des Einspritzventils 10 in einem großen
Bereich erzielt. Dieser Steuerbereich ist aus Fig. 4 ersichtlich, in welcher der
geometrische Ausflußquerschnitt F in Abhängigkeit von dem Verdrehwinkeld der Ventilnadel
29 dargestellt ist. Der voreingestellte Axialhub h der Ventilnadel 29 bildet dabei
den Parameter für die drei zu sehenden Kurven a,b,c des Diagramms. Würde z.B. die
Ventilnadel 29 aus ihrer Grundstellung um ca. 220 gedreht,
so würde
bei einem eingestellten Axialhub der Ventilnadel 29 von 0,55 mm lediglich die kleinste
Spritzbohrung 28 mit dem Durchmesser von 0,25 mm als Ausflußquerschnitt freigegeben.
Wie aus der Kurve b für h = 0,55 mm zu entnehmen ist, beträgt der Ausflußquerschnitt
etwa 0,05 mm2. Bei einer Verdrehung der Ventilnadel 29 um 400 wird bereits auch
die zweite Spritzbohrung 28 mit dem nächstgrößeren Durchmesser von 0,35 mm wirksam
und der Ausflußquerschnitt beträgt nunmehr bei gleichem Axialhub der Ventilnadel
29 0,12 mm2.
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Die Wirkungsweise des vorstehend beschriebenen Einspritzventils 10
ist wie folgt: Bei Eintreffen des Dosier- oder Kraftstofförderimpulses aus der Druckleitung
21 in dem Ventilraum 25 wirkt der Druck auf das Kopfteil 35 der Ventilnadel 29.
Diese bewegt sich in axialer Richtung entgegen der Kraft der Ventilschließfeder
48 und kommt nach dem Anschlagen des Kopfteils 35 an dem Anschlag 40 zum Stillstand.
Entsprechend des eingestellten Axialhubs und der eingestellten Drehstellung der
Ventilnadel 29 gibt die Steuernut 31 der Ventilnadel 29 einen entsprechenden Ausflußquerschnitt
der Einspritzdüse 10 frei (vergl.
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Fig. 4), und die mittels des Dosierimpulses dosierte Kraftstoffmenge
wird über den Ausflußquerschnitt in den Verbrennungsraum des Motors eingespritzt,
wobei der Verlauf der Einspritzung durch den von der Steuernut 31 freigegebenen
Ausflußquerschnitt bestimmt wird.
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Nach dem Abbau des Drucks im Ventilraum 25 am Ende der Einspritzung
bewegt sich die Ventilnadel 29 unter Einwirkung der Ventilschließfeder 48 in Schließrichtung
bis der Führungsbund 30 der Ventilnadel 29 an dem An-
schlag 34
oder der Kopfteil 35 an der Stirnseite der Hubeinstellspindel 37 anschlägt.
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Anstelle der mehrerenetwa auf gleicher Höhe angebrachten Spritzbohrungen
28 kann der Einspritzdüsenabschnitt 271 des zu Fig. 2 und 3 beschriebenen Einspritzventils
lo auch eine einzige Spritzöffnung aufweisen, die in Form eines in Spritzrichtung
angeordneten Schlitzes mit veränderlicher axialer Breite in die Wandung des Eingangsdüsenabschnittes
271 hindurch, z.B. durch Erodieren eingearbeitet sein kann.
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