DE3824467C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einspritzvorrichtung für die Einspritzung von Brennstoff in den Brennnraum einer Brennkraftmaschine gemäß den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Ein solches Einspritzventil ist aus den Fig. 4 und 5 der DE-OS 27 11 391 bekannt. Bei diesem steuern zwei konzentrisch zueinander angeordnete Schließelemente, eine Hohlnadel und eine in dieser geführte Ventilnadel, getrennt voneinander zwei Gruppen von Einspritzöffnungen. Dabei werden beide Schließelemente in Schließrichtung von jeweils einer Druckfeder und in Öffnungsrichtung vom Brennstoffdruck beaufschlagt. Mittels eines Druckfluids ist darüber hinaus ein Kolben beaufschlagbar, der das eine Schließelement, die Ventilnadel, in Schließstellung halten kann, so daß nur über die andere, von der Hohlnadel gesteuerte Gruppe von Einspritzöffnungen eingespritzt werden kann. Nachteilig ist hierbei, daß die Öffnung des anderen Schließelements ausschließlich in Abhängigkeit vom festgelegten Brennstoffdruck erfolgt, der aufgrund einer fest vorgegebenen Federvorspannung stets in etwa gleich groß ist, was jedoch nicht für alle Betriebsbereiche der Brennkraftmaschine ausreicht.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Einspritzventil der bekannten Art derart weiterzuentwickeln, daß der Einspritzdruck, mit dem der Brennstoff eingespritzt wird, während des Betriebs der Brennkraftmaschine wählbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß entsprechend den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht dabei, wie bei der Einspritzvorrichtung nach der DE-OS 27 11 391 die für Teillastbetrieb erforderliche Brennstoffmenge nur über einen Teil der Einspritzöffnungen dem Verbrennungsraum zuzuführen. Durch den verminderten Querschnitt kann der Druck dabei auf einem für eine gute Zerstäubung und somit rußarme Verbrennung erforderlichen höheren Niveau gehalten werden. Aufgrund der zusätzlichen Möglichkeit der Erhöhung der Federvorspannung für die Hohlnadel kann dieser Vorteil noch gesteigert und insbesondere auch in dem Fall eingesetzt werden, wenn über beide Gruppen von Einspritzöffnungen eingespritzt wird.

Aus der DE-OS 27 40 880 ist es zwar bekannt, die beiden getrennte Einspritzöffnungen eines Einspritzventils steuernden Schließelemente mittels eines vom Brennstoffdruck unabhähgigen Druckfluids zu beeinflussen, jedoch wird dort wechselweise jeweils nur eines der Schließelemente aufgesteuert, so daß jeweils nur über eine Gruppe von Einspritzöffnungen eingespritzt werden kann. Außerdem ist eine Veränderung des Öffnungsdruckes eines der Schließelemente während des Betriebes dort nicht möglich.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen dargestellt. Dabei zeigen:

Fig. 1 und 1a Eine Einspritzvorrichtung mit einem Einspritzventil mit koaxialer Anordnung einer Hohlnadel und einer in dieser geführten Ventilnadel in Grundstellung,

Fig. 2 das Einspritzventil gemäß Fig. 1 bei Öffnung beider Nadeln und Einspritzung über beide Einspritzöffnungsgruppen unter normalem Einspritzdruck,

Fig. 3 das Einspritzventil gemäß Fig. 1 bei Beaufschlagung der Ventilnadel mit einem Steuerfluid,

Fig. 4 das Einspritzventil gemäß Fig. 3 bei Öffnung der Hohlnadel und Einspritzung nur über die von dieser gesteuerte Einspritzöffnungsgruppe unter normalem Einspritzdruck,

Fig. 5 das Einspritzventil gemäß Fig. 1 bei Beaufschlagung beider Nadeln mit einem Steuerfluid,

Fig. 6 das Einspritzventil gemäß Fig. 5 bei Öffnung der Hohlnadel und Einspritzung nur über die von dieser gesteuerte Einspritzöffnungsgruppe, jedoch unter erhöhtem Einspritzdruck,

Fig. 7 das Einspritzventil gemäß Fig. 1 bei Beaufschlagung der Hohlnadel mit einem Steuerfluid und Öffnung beider Nadeln und Einspritzung über beide Einspritzöffnungsgruppen, jedoch unter erhöhtem Einspritzdruck,

Fig. 8 ein Druckdiagramm zur Veranschaulichung der verschiedenen Einspritzmöglichkeiten.

In den Fig. 1 bis 7 ist ein aus einem Ventilkopf 1 und einem Haltekörper 2 gebildetes Einspritzventil dargestellt, das zur Einspritzung von Brennstoff in den Brennraum einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine dient. Ventilkopf 1 und Haltekörper 2 sind in einem Flansch 3 miteinander verbunden.

Der Ventilkopf 1 ist so im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine angeordnet, daß ein an seinem unteren Ende angeordneter halbkugeliger Ansatz 4 in den Brennraum hineinragt. In den Ventilkopf 1 ist vom rückwärtigen Ende her zentrisch eine Sacklochbohrung eingebracht, deren unteres Ende in den Ansatz 4 hineinragt und dort einen Sacklochraum 5 bildet. Vom Sacklochraum 5 aus durchdringt eine erste Gruppe von Einspritzöffnungen 6, die in Form einer Reihe ringförmig angeordnet sind, unter einem Neigungswinkel zur Längsachse des Einspritzventils den Ansatz 4 und mündet in den Brennraum ein.

Der Sacklochraum 5 erweitert sich an seinem rückwärtigen Ende über eine erste hohlkegelige Sitzfläche 8 zu einem ersten zylindrischen Raum 9. Von diesem zylindrischen Raum 9 aus verläuft eine koaxial zur ersten Reihe von Einspritzöffnungen 6 angeordnete Gruppe von zweiten Einspritzöffnungen 7, die ebenfalls in Form einer Reihe ringförmig angeordnet sind, zum Ansatz 4 und mündet dort oberhalb der ersten Reihe von Einspritzöffnungen in den Brennraum aus. Der erste zylindrische Raum 9 hat nur eine geringe axiale Ausdehnung und erweitert sich dann nach oben über eine zweite hohlkegelige Sitzfläche 10 in einen zweiten zylindrischen Raum 11.

Der zweite zylindrische Raum 11 erweitert sich nach oben zu einem Raum 12 mit halbkugeliger seitlicher Begrenzungswand. In diesen Raum 12 mündet eine den Ventilkopf 1 und den Haltekörper 2 gleichermaßen durchdringende Brennstoffzufuhrleitung 13 ein, deren anderes Ende mit einer nicht dargestellten Brennstoffeinspritzpumpe in Verbindung steht. Die Brennstoffeinspritzpumpe ist in bekannter Weise durch Verdrehung des Pumpenstempels und zwei an dessen Mantelfläche angeordnete Schrägkanten hinsichtlich ihrer Fördermenge je Hub steuerbar.

Der Raum 12 verengt sich nach oben hin zu einer zylindrischen Führungsbohrung 14, die sich im oberen Ende des Ventilkopfes 1 zu einem dritten zylindrischen Raum 15 erweitert.

In den Ventilkopf 1 ist ein erstes Schließelement eingesetzt, das als Hohlnadel 16 ausgebildet ist. An ihrer unteren Stirnfläche weist diese eine kegelige Dichtfläche 17 auf, die so ausgebildet ist, daß sie bei Anliegen an der kegeligen Sitzfläche 10 den Durchtritt von Brennstoff zwischen zweitem zylindrischem Raum 11 und erstem zylindrischem Raum 9 verhindert.

Die Hohlnadel 16 ist in ihrem Außendurchmesser etwas größer als der Außendurchmesser der Sitzfläche 10, so daß ein Teil der Dichtfläche 17 eine über die Sitzfläche 10 frei hinausragende ringförmige Schulter 18 bildet. Der Außendurchmesser der Hohlnadel 16 ist darüberhinaus so gewählt, daß diese mit engem radialem Spiel in der Führungsbohrung 14 des Ventilkopfes 1 axial beweglich ist. An ihrem rückwärtigen Ende weist die Hohlnadel 16 einen zylindrischen Ansatz 19 auf, dessen Durchmesser etwas kleiner ist als der des zylindrischen Raumes 15 und dessen axiale Ausdehnung ebenfalls geringer ist als die axiale Länge des Raumes 15.

Im Haltekörper 2 sind von seiner Unterseite her drei koaxial ineinander verlaufende sich stufenartig verengende Bohrungen 20, 21, 22 angeordnet. Die Bohrung 20 mit dem größten Durchmesser hat eine geringe axiale Ausdehnung und dient zur Aufnahme eines zylindrischen Bundes 23, der an der Unterseite einer Buchse 24 angeformt ist. Die Buchse 24, deren Außendurchmesser dem der zweiten Bohrung 21 entspricht, erstreckt sich in axialer Richtung über einen erheblichen Teil derselben.

Im oberen Teil der zweiten Bohrung 21 ist ein Stellkolben 25 mit engem radialem Spiel axial beweglich angeordnet. Der Weg des Stellkolbens 25 wird nach unten hin von der oberen Stirnfläche der Buchse 24 begrenzt. Die untere Stirnfläche am Bund 23 der Buchse 24 bildet zudem eine Begrenzung für die Bewegung der Hohlnadel 16 nach oben.

Zwischen der Unterseite des Stellkolbens 25 und der Stirnfläche des zylindrischen Ansatzes 19 an der Hohlnadel 16 ist eine als Druckfeder ausgebildete Schließfeder 26 angeordnet, die außen von der Innenseite der Buchse 24 umgeben und geführt ist. Die axiale Länge der Schließfeder 26 ist so bemessen, daß diese beim Zusammenbau des Haltekörpers 2 mit dem Ventilkopf 1 vorgespannt wird und dadurch die Dichtfläche 17 der Hohlnadel 16 mit einer Kraft F ₁ gegen die Sitzfläche 10 gedrückt wird.

Oberhalb des Stellkolbens 25 ist im Haltekörper 2, ausgehend von der Stirnfläche der zweiten Bohrung 21, eine Druckfluidbohrung 27 außermittig angeordnet, deren oberes Ende mit einem nur schematisch angedeuteten Druckfluidleitungsabschnitt 28 verbunden ist.

Der Stellkolben 25 weist in seinem Inneren eine von oben her eingebrachte zylindrische Bohrung 29 auf. Koaxial zu dieser ist eine im Durchmesser kleinere Durchgangsbohrung 30 angeordnet, die die Unterseite des Stellkolbens 25 zentrisch durchdringt. Die Bohrung 29 bildet gemeinsam mit der dritten Bohrung 22 im Haltekörper 2 einen Arbeitsraum für einen weiteren Stellkolben 31, der in ihnen mit engem radialem Spiel axial beweglich angeordnet ist. Dieser Stellkolben 31 ist an seiner Unterseite mit einer Stange 32 verbunden, die die Durchgangsbohrung 30 durchdringt, durch die Schließfeder 26 hindurchgeführt ist und an ihrer Unterseite mit einem zweiten, als Ventilnadel 33 ausgebildeten Schließelement verbunden ist.

Die Ventilnadel 33 ist in der inneren Bohrung der Hohlnadel 16 geführt und weist an ihrer unteren Stirnseite eine kegelige Dichtfläche 34 auf, die bei Anliegen an der Sitzfläche 8 den Durchtritt von Brennstoff vom zylindrischen Raum 9 zum Sacklochraum 5 verhindert.

In der Bohrung 29 ist unterhalb des Stellkolbens 31 eine die Stange 32 umgebende Druckfeder 35 angeordnet. Diese stützt sich auf der unteren Stirnfläche der Bohrung 29 ab und drückt diesen Stellkolben 31 mit einer Kraft F 2 nach oben, wodurch die Ventilnadel 33 in ihrer Grundstellung über die Stange 32 von der Sitzfläche 8 abgehoben ist.

Oberhalb des Stellkolbens 31 ist im Haltekörper 2, ausgehend von der Stirnfläche der dritten Bohrung 21, eine weitere Druckfluidbohrung 36 angeordnet. Diese steht an ihrem oberen Ende mit einem nur schematisch angedeuteten weiteren Druckfluidleitungsabschnitt 37 in Verbindung.

Die beiden Druckfluidleitungsabschnitte 28 und 37 stehen jeweils mit einem Anschluß eines 3/2-Wegeventils 38 bzw. 39 in Verbindung. Die 3/2-Wegeventile 38, 39 weisen als weitere Anschlüsse je einen von einer Pumpe 40 abzweigenden Druckfluidleitungsabschnitt 41 bzw. 42 sowie eine drucklose Rückflußleitung 43 bzw. 44 auf, die mit einem gestrichelt angedeuteten, strömungsmäßig vor der Pumpe 40 angeordneten drucklosen Sammelbehälter 45 verbunden sind.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Pumpe 40 von der Schmierölpumpe der Brennkraftmaschine gebildet. Die Druckfluidleitungsabschnitte 41, 42 zweigen dann entsprechend von einer Schmieröldruckleitung ab und die Rückflußleitungen 43, 44 münden in einen Schmierölsammelbehälter ein.

Die 3/2-Wegeventile 38, 39 werden von der ihnen zugeordneten Stellvorrichtung, die beispielsweise von einem Elektromagneten und einer Rückstellfeder gebildet wird, in zwei verschiedene Schaltstellungen gebracht. In der in Fig. 1 und 2 gezeigten Entlastungsschaltstellung sind die Druckfluidleitungsabschnitte 41, 42 gesperrt und die Druckfluidleitungsabschnitte 28 bzw. 37 jeweils mit einer Rückflußleitung 44 bzw. 43 verbunden. In der anderen, der Einschaltstellung - wie z.B. in Fig. 5 dargestellt - sind die Druckfluidleitungsabschnitte 41, 42 jeweils mit einem der Druckfluidleitungsabschnitte 37, 28 verbunden, wohingegen die Rückflußleitungen 43, 44 gesperrt sind.

Die Stellelemente der beiden 3/2-Wegeventile 38, 39 sind durch Signalleitungen 46, 47 mit einem Geber 48 verbunden, der in Abhängigkeit von wenigstens einem den Betriebszustand der Brennkraftmaschine charakterisierenden Parameter Stellbefehle für die Umschaltung der 3/2-Wegeventile 38, 39 erzeugt. Als Parameter kommen hier z.B. die Drehzahl, die Leistung, die Füllungsvorgabe oder der Ladedruck in Frage.

Nachfolgend wird die Funktion eines Einspritzventils ausgehend vom in Fig. 1 dargestellten Zustand beschrieben. In Fig. 1 steht in der Brennstoffzufuhrleitung 13 kein Druck oder nur ein geringer Restdruck an; die Hohlnadel 16 wird durch die Schließfeder 26 mit ihrer Dichtfläche 17 gegen die Sitzfläche 8 gedrückt, die Druckfluidleitungsabschnitte 28 bzw. 37 sind entlastet, der Stellkolben 31 ist von der Feder 35 angehoben und somit auch die Ventilnadel 33 von ihrer Sitzfläche 8.

In Fig. 2 ist durch die Brennstoffpumpe in der Brennstoffzufuhrleitung 13 und den mit ihr verbundenen Räumen 12 und 11 ein solcher Druck erzeugt worden, daß dieser multipliziert mit der Kreisringfläche der Schulter 18 eine Kraft ergibt, die die Vorspannkraft F ₁ der Schließfeder 26 übersteigt. Die Hohlnadel 16 wird von der Sitzfläche 10 abgehoben und gibt den vollen Einspritzquerschnitt beider Reihen von Einspritzöffnungen 6, 7 frei. Fällt die vom Druck in der Brennstoffzufuhrleitung an der Schulter 18 erzeugte Kraft wieder unter die Schließkraft der Feder 26, so wird schlagartig der gesamte Einspritzquerschnitt wieder verschlossen.

In Fig. 3 ist der Stellkolben 31 über den Druckfluidleitungsabschnitt 37 und das 3/2-Wegeventil 39 mit dem Druckfluidleitungsabschnitt 41 verbunden. Dadurch wird die Ventilnadel 33 mit ihrer Dichtfläche 34 gegen die Sitzfläche 8 gedrückt. Wenn nun - wie aus Fig. 4 ersichtlich - in der Brennstoffzufuhrleitung 13 ein zum Abheben der Hohlnadel 16 ausreichender Druck aufgebaut wird, so wird nach Abheben derselben nur über die zweite Reihe von Einspritzöffnungen 7 Brennstoff in den Brennraum eingespritzt. Durch den verminderten Querschnitt wird eine bestimmte Einspritzmenge unter höherem Druck und mit höherer Geschwindigkeit in den Brennraum gespritzt.

In Fig. 5 ist der Stellkolben 25 über den Druckfluidleitungsabschnitt 28 und das 3/2-Wegeventil 38 an den Druckfluidleitungsabschnitt 42 angeschlossen. Wenn die als Produkt aus diesem Fluiddruck und der kreisringförmigen oberen Stirnfläche des Stellkolbens 25 erzeugte Kraft die Vorspannkraft der Schließfeder 26 übersteigt, so wird diese weiter zusammengedrückt und dadurch ihre Vorspannkraft erhöht.

Wenn nun - wie in Fig. 6 gezeigt - in der Brennstoffzufuhrleitung 13 und in den Räumen 12 und 11 durch die Brennstoffpumpe ein Druck aufgebaut wird, so muß dieser zum Anheben der Hohlnadel 16 aufgrund der erhöhten Vorspannkraft der Schließfeder 26 größer sein als bei den vorstehenden Beispielen. Bei geschlossener Ventilnadel 33 wird dabei nur über die zweite Reihe von Einspritzöffnungen 7 Brennstoff unter weiter erhöhtem Druck eingespritzt.

In Fig. 7 ist der Stellkolben 31 über den Druckfluidleitungsabschnitt 37 und das 3/2-Wegeventil 39 an die Rückflußleitung 43 angeschlossen. Durch die angehobene Ventilnadel 33 werden gegenüber dem Beispiel gemäß Fig. 6 zusätzlich noch die erste Reihe von Einspritzöffnungen 6 freigegeben, d.h. es wird auf einem gegenüber der Fig. 2 erhöhten Druckniveau nunmehr über den vollen Querschnitt beider Reihen von Einspritzöffnungen eingespritzt.

Im Druckdiagramm der Fig. 8 ist als Ordinatenwert der von der Brennstoffeinspritzpumpe erzeugte, im Raum vor den Schließelementen, d.h. der Hohlnadel 16 und der Ventilnadel 33 anstehende Einspritzdruck p über der Zeit t aufgetragen. Mit y 1 ist eine Druckkurve bezeichnet, wie sie bei einer in bekannter Weise von einem Nocken über einen Rollenstößel angetriebenen Kolbenpumpe entsteht. Mit a ist ein auf dieser Kurve liegender Punkt bezeichnet, bei dem die Hohlnadel 16 aufgrund der Vorspannkraft der Schließfeder 26 öffnet, ohne daß der Stellkolben 31 zusätzlich von einem Fluiddruck beaufschlagt wird.

Mit b ist ein auf dieser Kurve liegender Punkt bezeichnet, bei dem die Hohlnadel 16 öffnet, wenn der Stellkolben 31 zusätzlich mit dem vollen Fluiddruck beaufschlagt wird.

Durch eine Verdrehung einer pumpenarbeitsraumseitigen Steuerkante an der Brennstoffeinspritzpumpe oder durch eine Verdrehung des Fördernockens kann der Druckaufbau entsprechend einer zur Kurve y ₁ parallelen Kurve y _o früher oder entsprechend einer zur Kurve y ₁ parallelen Kurve y ₂ später erfolgen. Dabei wandert der Punkt a als frühestmöglicher Einspritzbeginn waagerecht nach links als Punkt f auf die Kurve y _o oder nach rechts als Punkt e auf die Kurve y ₂. Der Punkt b, der den Einspritzbeginn auf dem größtmöglichen Druckniveau kennzeichnet, wandert dabei als Punkt c waagerecht nach links auf die Kurve y _o oder waagerecht als Punkt d nach rechts auf die Kurve y ₂. Die Einspritzmenge kann durch die Größe des bei einem bestimmten Druckniveau geöffneten Einspritzquerschnittes beeinflußt werden.

Durch entsprechende Aufteilung des Einspritzquerschnitts auf die beiden Reihen von Einspritzöffnungen kann eine Optimierung der Einspritzmenge in bevorzugten Lastbereichen erreicht werden.

Als weitere Variationsmöglichkeit soll abschließend noch ein Einsatz von zwei nebeneinander in jedem Zylinderkopf angeordneten Einspritzventilen mit jeweils zwei Schließelementen der beschriebenen Art erwähnt werden.

Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, den maximalen Einspritzquerschnitt je Zylinder auf vier registerartig abgestufte Teilquerschnitte zu verteilen.

Claims (4)

1. Einspritzvorrichtung für die Einspritzung von Brennstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einer Einspritzdüse, in der zwei Gruppen von Einspritzöffnungen angeordnet sind, die jeweils mittels einer unter der Wirkung je einer Druckfeder stehenden Hohlnadel und einer in dieser geführten Ventilnadel steuerbar sind, wobei mit Hilfe eines von einem vom Brennstoff unabhängigen Druckfluid gesteuert beaufschlagbaren, mit der Ventilnadel zusammenwirkenden Stellkolbens der Kraftstoffdurchtritt durch die von dieser gesteuerte Gruppe von Einspritzöffnungen sperrbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das der Einspritzseite abgewandte Ende der die Hohlnadel (16) beaufschlagenden Druckfeder (26) an einem weiteren Stellkolben (25) abgestützt ist, der, in gleicher Weise wie der Stellkolben (31) für die Ventilnadel (33) und von diesem getrennt steuerbar, von einem vom Brennstoff unabhängigen Druckfluid beaufschlagbar und hierdurch unter Erhöhung der Vorspannkraft für die Druckfeder (26) der Hohlnadel (16) verschiebbar ist.

2. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der das Druckfluid führenden Leitungen (28, 42; 37, 41) mit dem Schmierölversorgungssystem der Brennkraftmaschine verbindbar ist.

3. Einspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder der das Druckfluid den beiden Stellkolben (25, 31) zuführenden Leitungen (28, 42; 37, 41) ein 3/2-Wegeventil (38, 39) eingeschaltet ist, das den jeweils stellkolbenseitigen Abschnitt (28, 37) der Druckfluidleitung in seiner Einschaltstellung mit dem anderen Abschnitt (42, 41) der Druckfluidleitung und in seiner Entlastungsschaltstellung mit einer zu einem drucklosen Sammelbehälter (45) führenden Rückflußleitung (44, 43) verbindet.

4. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung der 3/2-Wegeventile (38, 39) in Abhängigkeit von mindestens einem die Leistung der Brennkraftmaschine kennzeichnenden Motorparameter erfolgt.