DE3900763A1 - Kraftstoffeinspritzduese - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzdüse, insbe­ sondere Pumpedüse, mit einer im Schließsinne federbelasteten Düsennadel, bei welcher der Druckraum vor dem Sitz der Düsen­ nadel mit einem von einem federbelasteten Ausweichkolben begrenzten Speicherraum in Verbindung steht, wobei der Ausweich­ kolben mit einem hydraulischen Dämpfungsglied zusammenwirkt und die Düsennadel an ihrem oberen Ende eine mit einem raumfesten Absatz zusammenwirkende Anschlagschulter und einen Druckzapfen aufweist, der von dem raumfesten Absatz umgeben ist.

Eine solche Kraftstoffeinspritzdüse, beschrieben in der EP-OS 2 77 939, ermöglicht die Unterteilung des Einspritzvor­ ganges in eine Vor- und eine Haupteinspritzung. Das sehr diffizile Problem der Gewährleistung eines günstigen Ein­ spritzverlaufes bei verschiedenen Betriebsbedingungen ist dort durch die Dämpfung der Bewegung des Ausweichkolbens im Prinzip gelöst, doch bestehen noch einige Unzukömmlichkeiten.

Bei einer Pumpedüse nach dem Stand der Technik werden relativ häufig Störungen des Einspritzverlaufes beobachtet. Manchmal öffnet der Ausweichkolben zu spät, manchmal beginnt die Vor­ einspritzung zu spät und liefert eine zu geringe Menge, manchmal bleibt sie ganz aus. Es wird angenommen, daß diese Störungen durch statistische Schwankungen des Verlaufes des Förderdruckes der Pumpe und des dynamischen Öffnungsdruckes der Ventilnadel entstehen, z.B. wenn die Ventilnadel bei Erreichen des dyna­ mischen Öffnungsdruckes des Ausweichkolbens noch nicht geöffnet hat. Eine Erhöhung dieses Öffnungsdruckes würde Abhilfe schaffen, ist aber nicht möglich, weil die Voreinspritzung dann zu lange dauern würde. Dem wäre nur durch eine schwächere Dämpfung des Ausweichkolbens zu begegnen, dadurch aber würde die Vor­ einspritzmenge bei niederer Drehzahl wieder zu gering und bei hoher Drehzahl zu groß sein. Das letztere ist aus verbren­ nungsdynamischen Gründen unerwünscht und tritt auch schon ohne Erhöhung des dynamischen Öffnungsdruckes des Ausweich­ kolbens auf. Bei hoher Drehzahl und Vollast geht dort die Voreinspritzung ohne Einspritzpause in die Haupteinspritzung über.

Da beim Abheben der Düsennadel das Volumen des Druckraumes plötzlich zunimmt, sinkt bei niedriger Drehzahl zunächst der Einspritzdruck ab, so daß bei dem aus den weiter oben erwähnten Gründen niedrigen dynamischen Öffnungsdruck des Ausweichkolbens die Voreinspritzmenge zu gering ist.

Zur Optimierung des Verbrennungsverlaufes ist es jedoch wün­ schenswert, daß die Voreinspritzmengen bei allen Drehzahlen und Lastzuständen näherungsweise gleich und die Dauer der Voreinspritzung und die Einspritzpause in °KW bei allen Dreh­ zahlen näherungsweise gleich sind.

Diese Idealverhältnisse sind als Verbrennungsverfahren in der DE-OS 37 35 169 beschrieben, jedoch ohne jeglichen Hinweis auf dessen Realisierung.

Es ist daher das Ziel der Erfindung die gattungsgemäße Ein­ spritzdüse so zu verbessern, daß (unabhängig von Betriebszu­ ständen oder Streuungen) eine konstante Voreinspritzmenge und ein optimaler Zeitverlauf der Einspritzung erreichbar ist.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß der zylindrische Führungsteil (7) des Ausweichkolbens ein Verhältnis Durchmesser zu Höhe 1 : 0,1 bis 0,4 aufweist und daß der raumfeste Absatz mit dem Druckzapfen eine Drosselöffnung bildet.

Durch die geringe Bauhöhe des Ausweichkolbens wird dessen träge Masse und damit dessen Öffnungsdauer herabgesetzt. Dadurch kann der dynamische Öffnungsdruck des Ausweichkolbens höher gewählt werden, wodurch die Voreinspritzmenge zwischen Öffnen der Ventilnadel und Öffnen des Ausweichkolbens weniger streuungsempfindlich und größer wird, ohne daß die gesamte Voreinspritzung dadurch länger dauert. Durch die Drosselöffnung zwischen Düsenfederkammerwand und Druckzapfen wird die Hubbe­ wegung der Düsennadel verzögert und verringert. Mit dem kleineren Hub wird einerseits die Dauer des Schließens der Düsennadel kürzer und andererseits wird weniger Kraftstoff durch die Verdrängungswirkung der schließenden Nadel in den Hochdruckraum zurückbefördert, was nach dem Erreichen des Schließdrucks zu einem stärkeren Druckabfall in der Phase 3 der Voreinspritzung (zwischen Öffnen des Ausweichkolbens und Schließen der Ventil­ nadel) führt. Die damit erzielte Reduktion der Einspritzmenge während der Phase 3 des Einspritzverlaufs wirkt in erwünschter Weise bei höheren Drehzahlen stärker als bei niederen Drehzahlen. Dies erlaubt wiederum eine Erhöhung des statisch eingestellten Öffnungsdrucks, welche eine Vergrößerung der in der Phase 2 des Einspritzverlaufs (zwischen Öffnen der Ventilnadel und Öffnen des Ausweichskolbens) eingespritzten Menge bewirkt. Diese Maßnahme wirkt ebenfalls in erwünschter Weise bei niederen Drehzahlen stärker als bei höheren und zwar deshalb, weil der dynamische Öffnungsdruck über der Drehzahl erheblich ansteigt. Die Erhöhung des statisch eingestellten Öffnungsdrucks hingegen bleibt über der Drehzahl etwa konstant. Es ergibt sich somit mit dem zunehmenden dynamischen Öffnungsdruck eine immer geringere Steigerung der Einspritzmenge pro Zeit­ einheit. Damit kann die auf den Ausweichkolben wirkende Dämpfung verringert werden, wodurch die Dauer der Voreinspritzung vor allem bei höherer Drehzahl vermindert wird, was zu einer im ganzen Drehzahlbereich der Voreinspritzung etwa gleich langen Einspritzpause in Grad Kurbelwinkel führt.

Die niedrige Bauweise des Ausweichkolbens schließlich verringert nicht nur dessen Masse, sondern auch die Bauhöhe der ganzen Pumpedüse, was wegen der Einbauverhältnisse immer willkommen ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Ausweichkolben an seiner dem Pumpendruckraum zugekehrten Seite mit einem genuteten Fortsatz versehen. Durch diesen wird die Führung des Ausweichkolbens verbessert und gleichzeitig ohne zusätzlichen Aufwand eine Dämpfung der Ausweichkolbenbe­ wegung erzielt, weil die Nuten ja Drosselöffnungen bilden. Außerdem nimmt die Drosselwirkung mit dem Hub des Ausweichkolbens ab, was für den Einspritzverlauf günstig ist.

Wenn man den Durchmesser des Führungsfortsatzes kleiner als den Durchmesser der Dichtkante des Ausweichkolbens wählt, ergibt sich eine fertigungstechnisch besonders einfache Kon­ struktion.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Querschnitt der Drosselöffnung zwischen Düsenfederkammerwand und Druckzapfen hubabhängig gestaltet, wodurch auch die Drossel­ wirkung vom Hub der Düsennadel abhängig wird. Dadurch kann der Einspritzverlauf durch ein wählbares Zeitgesetz geformt werden, was durch einen einfachen Bearbeitungsschritt geschehen kann.

Im Sinne der Aufgabenstellung ist es besonders vorteilhaft, auf dem Absatz eine schmale Drossellippe auszubilden und den Querschnittsverlauf des Druckzapfens so zu wählen, daß die stärkste Dämpfung nur ganz am Anfang des Nadelhubes auftritt. So wird die Hubbewegung der Düsennadel nur in der ersten Phase der Voreinspritzung verzögert, bei der Haupteinspritzung jedoch fast nicht mehr, was sich auf den Verlauf der letzteren günstig auswirkt.

Durch die unsymmetrische Gestaltung der Drossellippe oder des Druckzapfens kann die Drosselwirkung sogar richtungsabhängig gemacht werden. Das bedeutet, daß die Düsennadel nach der Voreinspritzung schnell schließt, was zu einer langen Einspritz­ pause führt.

Schließlich ist es noch möglich, auch die Drosselung des Ausweichkolbens wegabhängig zu gestalten. Wenn die Drosselung nur am Beginn des Ausweichkolbenhubes stark ist und dann schwach, erzielt man in der zweiten Phase der Voreinspritzung einen fülligeren Einspritzverlauf ohne Verlängerung der Vor­ einspritzdauer, ganz im Sinne der Aufgabenstellung.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren beschrie­ ben, wobei:

Fig. 1 Längsschnitt durch den Mittelteil einer erfindungsge­ mäßen Pumpedüse,

Fig. 2 Detail A der Fig. 1 vergrößert und um 90° verdreht,

Fig. 3 Draufsicht zu Fig. 2,

Fig. 4 Detail B in Fig. 1 vergrößert,

Fig. 5 Variante des Details B.

Fig. 6 Druck- und Mengenschaubilder bei niederer und bei hoher Drehzahl.

Bei der Anordnung nach Fig. 1 stellt (1) die Pumpenkolbenbüchse, (2) den Düsenkörper (teilweise aufgerissen) mit der Düsenna­ del (3), und (4) die Düsennadelfeder dar, welche in einem Federgehäuse (5) angeordnet ist. (6) ist der Ausweichkolben und (29) die Ausweichkolbenbüchse.

Der Ausweichkolben (6) besteht aus einem zylindrischen Führungs­ teil (7), einem Dichtkegel (8) und in einer bevorzugter Ausfüh­ rungsform aus einem Fortsatz (10) mit Nuten (11) und einer Stirnfläche (12), die dem Druckraum (14) zugewandt ist, auf den auch der Pumpenkolben (13) wirkt. Der Ausweichkolben (6) baut durch die geringe Höhe des zylindrischen Führungsteiles (7) sehr leicht, was durch Auswahl eines leichten Werkstoffes noch weiter getrieben werden kann. Seine Massenträgheit ist daher gering. Der Fortsatz (10) kann als hydraulisches Dämp­ fungsglied und als zusätzliche Führung vorgesehen sein. Als ersteres wirkt er dadurch, daß der Treibstoff bei steigendem Druck im Druckraum (14) durch die Nuten (11) hindurch auf die Steuerkante (9) wirkt. Sobald sich der Ausweichkolben (6) abwärts in Bewegung setzt, muß Kraftstoff durch die Nuten (11), die dann als Drosseln wirken, strömen. Da die Drossel­ wirkung von der wirksamen Länge der Nuten (11) abhängt, nimmt diese mit absinkendem Ausweichkolben (6) ab.

In vielen Anwendungsfällen reicht die Dämpfung durch den Fortsatz des Ausweichkolbens aus. Wenn nicht, kann die im nächsten Absatz beschriebene Dämpfung mit der Drosselplatte (19) an ihre Stelle treten oder zusätzlich verwendet werden.

Die Bodenfläche (15) des Ausgleichskolbens (6) wirkt in eine Dämpfungskammer (16), die von der Ausweichkolbenbüchse (29) und einer Drosselplatte (19) begrenzt und von einem Zapfen (17) mit Anfasung (18), der Teil des Ausweichkolbens (6) ist, durchdrungen wird. Die Anfasung (18) und die Bohrung der Drosselplatte (19) bilden eine Drosselstelle, die die Abwärtsbewegung des Ausweichkolbens (6) dämpft. Auf die besondere Gestaltung der Anfasung (17) wird später eingegangen.

In dem Federgehäuse (5) stellt die Düsennadelfeder (4) eine Kraftverbindung zwischen dem oberen und unteren Federteller (20, 21) her. Der untere Federteller (21) stützt sich auf der Düsennadel (3) ab. Von dieser ist nur der obere Teil dargestellt, der aus einer Anschlagschulter (22) besteht, an die sich oben ein Druckzapfen (23) anschließt. Dieser Druckzapfen (23) durchdringt eine Zwischenplatte (24), die unten einen raumfesten Absatz (26) und oben eine Drossellippe (25) aufweist. Der raumfeste Absatz (26) wirkt mit der Anschlag­ schulter (22) zusammen, die Drossellippe (25) mit einer An­ fasung (27) des Druckzapfens (23). Bei der Aufwärtsbewegung der Düsennadel (3) wird der Kraftstoff aus dem Raum (28) zwischen Drossellippe (25) und Anfasung (27) hindurchgepreßt, wodurch die für die Lösung der Aufgabe wesentliche Drosselung entsteht.

In der Ausführung der Fig. 1 ist die Lage der Anfasung (27) so gewählt, daß die Dämpfungswirkung in der gezeigten Stellung beim Beginn der Düsennadelbewegung am größten ist und dann nachläßt. Weiter unten werden zwei Varianten zur Ausbildung dieser Drosselstelle beschrieben.

In Fig. 2 ist der Ausweichkolben (6) vergrößert dargestellt. Es ist zu erkennen, daß die Gestaltung des Führungsfortsatzes (10) mit kleinerem Durchmesser als dem der Steuerkante (9) fertigungstechnisch günstig ist und Freiheit bei der Wahl des Durchmessers des Fortsatzes (10) gibt.

Von der Bodenfläche (15) ragt ein Zapfen (17) mit Anfasung (18) in die Drosselplatte (19) (in ununterbrochener Linie, wenn sich der Ausweichkolben (6) in seiner obersten Stellung befindet). Auch hier ist die Anfasung so gewählt, daß die Dämpfungswirkung in dieser Stellung am stärksten ist. Wenn sich der Ausweichkolben gesenkt hat (dem entspricht die strich­ lierte Stellung 19′ der Drosselplatte), ist die Dämpfungswirkung gering.

Die Fig. 4 zeigt eine Variante der Düsennadelhubdämpfung. Die Drossellippe (25′) ist mit zylindrischem Innenrand ausge­ bildet, die Anfasung (27) des Druckzapfens (23) aber unsymme­ trisch, der Übergang (30) bildet eine scharfe Kante, der Übergang (31) ist verlaufend. Dadurch ist die Drosselwirkung von der Bewegungsrichtung der Düsennadel abhängig. Beim Schließen der Düsennadel ist die Dämpfung nicht erwünscht, wegen Kavita­ tionsgefahr für den Raum (28) kann sie sogar schädlich sein. In der Variante der Fig. 5 wird derselbe Effekt auf umgekehrtem Weg erhalten. Die Anfasung (27) des Druckzapfens (23) ist symmetrisch, jedoch ist die Dichtlippe (25′′) auf einer Seite durch die Ebene (33) und auf der anderen durch die Kegel­ fläche (32) begrenzt.

Bei der Gestaltung der Drosselstellen, insbesondere Details A und B, besteht im Rahmen der Erfindung große Freiheit, durch handwerklich geläufige Maßnahmen das Drosselverhalten einzustellen und in der gewünschten Weise vom Hub bzw. von der Bewegungsrichtung abhängig zu machen. Es ist natürlich auch möglich, den Druckzapfen (23) unter Verzicht auf die Anfasung (27) drehsymmetrisch zu profilieren.

Im folgenden wird anhand von Diagrammen über die Einspritzmen­ genverläufe bei Leerlauf und bei höherer Drehzahl, eine Pumpedüse nach dem Stand der Technik (strichliert) und eine erfindungs­ gemäße Pumpedüse gegenübergestellt. Der Einspritzverlauf ist in mehrere Phasen eingeteilt:
Phase 1: Beginn des Pumphubes bis Erreichen des dynamischen Öffnungsdruckes der Düsennadel, keine Förderung,
Phase 2: Ende Phase 1 bis Erreichen des dynamischen Öffnungs­ druckes des Ausweichkolbens,
Phase 3: Ende Phase 2 bis zum Schließen der Düsennadel,
Phase 4: Einspritzpause, bis der dynamische Öffnungsdruck der Düsennadel wieder erreicht ist,
Phase 5: die darauf folgende Haupteinspritzung.

Bei niederer Drehzahl besteht der Hauptunterschied zwischen dem Stand der Technik und dem Erfindungsgegenstand in der Phase 3. Es ist zu erkennen, daß bei ähnlicher Form des Druck­ verlaufs der Mengenabfall früher und steiler erfolgt, was die Voreinspritzmenge geringfügig reduzieren würde. Der nun mögliche höhere dynamische Öffnungsdruck des leichteren Aus­ weichkolbens erhöht die Menge auf das ursprüngliche Maß und verringert außerdem die zyklischen Streuungen des Voreinspritz­ verlaufs.

Bei hoher Drehzahl besteht der Unterschied ebenfalls in Phase 3. Wegen des steileren Druckabbaus ist der Abfall der Einspritz­ menge steiler, womit eine erhebliche Verrringerung der Vorein­ spritzmenge erzielt wird. Die Kombination mit der geringeren Masse des Ausweichkolbens und dessen dadurch möglichen höheren dynamischen Öffnungsdruck führt, unterstützt durch eine Verrin­ gerung der Ausweichkolbendämpfung (die beim Stand der Technik ja nur erforderlich war, um eine ausreichende Voreinspritzmenge bei niederer Drehzahl sicherzustellen) zu einer kurzen Vorein­ spritzung und einer darauffolgenden, ausgeprägten Einspritzpause. Dieser Effekt wird durch über den Hub veränderliche Dämpfung noch verstärkt.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen führen also bei den besonders schwierigen dynamischen Bedingungen einer Pumpedüse für Hoch­ druckeinspritzung und hohe Drehzahlen zu dem Einspritzverlauf, dessen Erreichung das Ziel der Erfindung ist.

Claims (9)

1. Kraftstoffeinspritzdüse, insbesondere Pumpedüse, mit einer im Schließsinne federbelasteten Düsennadel (3), bei welcher der Druckraum vor dem Sitz der Düsennadel mit einem von einem federbelasteten Ausweichkolben (6) begrenzten Speicher­ raum in Verbindung steht, wobei der Ausweichkolben (6) mit einem hydraulischen Dämpfungsglied (10, 11; 17, 18, 19) zusammenwirkt und wobei die Düsennadel (3) an ihrem oberen Ende eine mit einem Absatz (26) zusammenwirkende Anschlag­ schulter (22) und einen Druckzapfen (23) aufweist, der von dem raumfesten Absatz (26) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Führungs­ teil (7) des Ausweichkolben (6) ein Verhältnis Durchmesser zu Höhe von 1 : 0,1 bis 0,4 aufweist und daß der raumfeste Absatz (26) mit dem Druckzapfen (23) eine Drosselöffnung bildet.

2. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausweichkolben (6) an seiner dem Pumpendruckraum (14) zugekehrten Seite einen Führungsfortsatz (10) mit Nuten (11) aufweist.

3. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Führungsfortsatzes (10) kleiner als der Durchmesser der Dichtkante (9) des Ausweichkolbens ist.

4. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Drosselöffnung zwischen Druckzapfen (23) und raumfestem Absatz (26) vom Hub der Düsennadel (3) abhängt.

5. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der raumfeste Absatz (26) eine schmale Drossellippe (25′, 25′′) bildet und der Druckzapfen (23) entsprechend dem gewünschten Drosselungs­ verlauf angefast oder drehsymmetrisch profiliert ist.

6. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Drosselöffnung bei Hubbeginn am geringsten ist.

7. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossellippe (25′, 25′′) oder Anfasung (27, 30, 31) oder Profil des Druckzapfens (23) in Bewegungsrichtung unsymmetrisch sind.

8. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausweichkolben (6) an seiner dem Speicherraum (34) abgekehrten Seite eine Dämpfungskammer (16) begrenzt und über einen Zapfen (17) mit variablem Querschnitt verfügt, der in eine Begren­ zungsplatte (19) eintaucht.

9. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zapfen (17) an der Stelle seinen größten Querschnitt aufweist, die am Beginn seines Hubes mit der Begrenzungsplatte (19) zusammenwirkt.