DE3931285A1

DE3931285A1 - Treibstoffeinspritzvorrichtung

Info

Publication number: DE3931285A1
Application number: DE3931285A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Kanesaka
Original assignee: Usui Kokusai Sangyo Kaisha Ltd; Kanesaka Gijutsu Kenkyusho KK
Current assignee: Usui Kokusai Sangyo Kaisha Ltd; Kanesaka Gijutsu Kenkyusho KK
Priority date: 1988-09-21
Filing date: 1989-09-20
Publication date: 1990-03-29
Also published as: GB8920961D0; GB2223273A; FR2636675A1; JPH0286953A; US4993637A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Treibstoffeinspritzvorrichtung für einen Dieselmotor, wobei die Treibstoffeinspritzrate variabel ist.

Eine allgemein bekannte Treibstoffeinspritzvorrichtung für einen Dieselmotor ist ein automatisches Ventil und weist, wie in Fig. 3 dargestellt, ein Nadelventil 103 auf, bei dem ein fernliegender Nadelventilendabschnitt 104 in Kontakt mit einem Ventilsitz 107 kommt, der in der Nähe der Einspritzöffnungen 106 angeordnet ist, wobei das Nadelventilelement 103 in einer Gleitbohrung 102 angeordnet ist, welche im unteren Teil im Inneren eines Ventilgehäuses 101 vorgesehen ist, und wobei das Nadelventilelement 103 von einer Ventilfeder 108 nach unten gegen den Ventilsitz 109 gedrückt wird.

Treibstofföl, welches unter Druck von einer nicht dargestellten Treibstoffeinspritzpumpe zugeführt wird, strömt in einen Treibstoffkanal 110, und das Nadelventilelement 103 ist dem Druck P des Treibstoffes ausgesetzt, der gegen das untere Ende eines Druckaufnahmeabschnittes 105 des Nadelventilelementes 103 wirkt und dazu tendiert, dieses nach oben zu drücken. Wenn die Kraft π/4 (x ²-y ²)×P die Kraft überschreitet, welche das Nadelventilelement 103 nach unten drückt, bewegt sich das Nadelventil 103 nach oben, wodurch das fernliegende Nadelventilende 104 vom Ventilsitz 107 abhebt, so daß Treibstoff durch die Einspritzöffnungen 106 eingespritzt wird. Infolgedessen nimmt die dem Druck ausgesetzte Fläche des Nadelventilelementes 103 von π/(x ²-y ²) auf π x ²/4 zu und der Treibstoffdruck wirkt auch auf die untere Fläche des Nadelventilelementes 103.

Folglich nimmt die Kraft, die das Nadelventilelement 103 nach oben drückt zu, und das Ventilelement 103 wird mit großer Geschwindigkeit nach oben bewegt, bis ein oberes Ende 103 a des Nadelventilelementes 103 gegen ein oberes Ende 102 a der Gleitbohrung 102 schlägt.

Eine Beschreibung dieser Arbeitsweise wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 4 gegeben, die vier Aufzeichnungen A bis D verschiedener Variablen in Abhängigkeit von der Zeit zeigt. In der Darstellung A repräsentiert die Ordinate Druckänderungen im Treibstoffkanal 110, die sich infolge der Zufuhr von Treibstoff mittels einer Treibstoffeinspritzpumpe in den Treibstoffkanal ergeben. In der Darstellung B repräsentiert die Ordinate die nach unten wirksame Kraft, die gegen das Nadelventilelement 103 wirkt und sich aus der Kraft ergibt, die infolge des Druckes im Treibstoffkanal wirksam ist, um das Nadelventilelement nach oben zu drücken, sowie die von der Feder 108 ausgeübte, entgegengesetzt wirkende Kraft. In ähnlicher Weise repräsentieren die Ordinaten der Darstellungen C und D den Bewegungsweg des Nadelventilelementes und die Treibstoffeinspritzrate.

Wie oben beschrieben, nimmt der Druck in dem Treibstoffkanal durch die Zufuhr von Treibstoff mittels der Treibstoffeinspritzpumpe von P₀ auf P ₁ zu und dieser Druck wirkt gegen die Druckfläche 103 a des Nadelventilelementes 103. Da die Größe der Druckfläche π/4(x ²-y ²) ist, ist die Kraft F ₁, welche das Nadelventil 103 nach oben stößt, P ₁×π/4(x ²-y ²).

Da die Kraft, mit der die Feder 108 das Nadelventilelement 103 nach unten drückt, den oberen Wert F ₁ hat, wenn der Druck im Kanal größer als P ₁ ist, bewegt sich das Nadelventilelement 103 entgegen der nach unten wirksamen Kraft F ₁ der Feder 108 nach oben. Zu diesem Zeitpunkt wirkt der Druck P ₁ auch gegen die untere Fläche des Nadelventils, so daß die Kraft, die das Nadelventilelement 103 nach oben drückt, steil ansteigt auf F ₂=P ₁×π/4(x ²-y ²).

Infolgedessen wird die Aufwärtsbewegung des Nadelventilelementes 103 stark beschleunigt und die Anhebebewegung des Nadelventilelementes 103 von L₀ auf L ₁ findet sehr rasch statt, bis das obere Ende des Nadelventilelementes 103 gegen das obere Ende 102 a der Gleitbohrung 102 anschlägt. In der Zeichnung ist das Zeitintervall zwischen T₀ und T ₁ auf die Verzögerung der Beschleunigung zurückzuführen, die infolge der Masse des Nadelventilelementes auftritt.

Die nach unten wirksame Kraft der Feder 108 nimmt infolge der Anhebebewegung des Nadelventilelementes 103 von F ₁ auf F ₃ zu. Zu dieser Zeit ist jedoch die das Nadelventilelement 103 nach oben bewegende Kraft größer als die nach unten wirksame Kraft F ₃ der Feder 108, wie durch die ausgezogene Kurve der Darstellung B in Fig. 4 angezeigt ist, so daß das Nadelventilelement in der obersten angehobenen Stellung verbleibt.

Wenn die Einspritzung von Brennstoff verringert wird, fällt der Druck in dem Kanal 110 auf P ₂, wodurch die Kraft F ₃, mit der die Feder 108 das Nadelventilelement 103 nach unten drückt, ausgeglichen wird.

Bei einem weiteren Abfall des Druckes im Treibstoffkanal wird das Nadelventilelement 103 durch die Kraft der Feder 108 nach unten gedrückt und wenn der Druck zum Zeitpunkt T ₂ unter einen Wert von P ₃ fällt, überwindet die durch diesen Druck erzeugte Kraft die erwähnte Kraft F ₃ nicht länger, so daß das Nadelventilelement 103 schließt (und der Öffnungsweg gleich L ₀ wird). Entsprechend schließt das Nadelventilelement 103, wenn der Druck im Treibstoffkanal auf

fällt und das Nadelventil 103 öffnet, wenn der Druck einen Wert

erreicht. Da P ₂ < P ₁ ist, ist die Einspritzrate während des Ventilschließens geringer als beim Ventilöffnen.

Tatsächlich schließt das Nadelventilelement 103, welches eine begrenzte Masse aufweist, nicht zum Zeitpunkt T ₂, sondern zum Zeitpunkt T ₃, da bei der Beschleunigung eine Verzögerung auftritt. Während dieser Verzögerung fällt der Druck im Druckkanal 10 weiter auf P ₄.

Entsprechend fällt die Treibstoffeinspritzrate, die proportional zum Druck im Treibstoffkanal ist, unvermeidlich am Ende der Einspritzperiode, wie die Kurve D in Fig. 4 zeigt.

Nach dem Öffnen des Nadelventilabschnittes 104 bilden die Einspritzöffnungen 106 zusätzlich eine Drossel, wenn Treibstoff eingespritzt wird, so daß es schwierig ist, den Öffnungsdurchmesser festzulegen. Wenn beispielsweise der Öffnungsdurchmesser derart festgelegt wird, daß er bei mittlerer Geschwindigkeit des Motors eine optimale Leistung ergibt, wird der maximale Druck der Treibstoffeinspritzung bei geringen Geschwindigkeiten, bei denen die Treibstoffzufuhr von der Treibstoffpumpe gering ist, extrem niedrig, wohingegen der maximale Druck bei hoher Geschwindigkeit extrem hoch wird.

Wie oben beschrieben, wird Treibstoff, der mit einer großen Einspritzrate am Anfang des Einspritzvorganges eingespritzt wird, in der Verbrennungskammer des Dieselmotors schlagartig verbrannt, wodurch sich ein entsprechend schlagartiger Druckanstieg ergibt. Dies führt zu einem Verbrennungsgeräusch infolge des sog. "Dieselschlages" und bringt auch einen Anstieg des maximalen Verbrennungsdruckes und daraus resultierend einen Anstieg der Verbrennungstemperatur mit sich, was zu einer Emission schädlicher NOx führt.

Eine Abnahme der Kraftstoffeinspritzrate am Ende des Einspritzvorganges, eine resultierende Zunahme der Kraftstoffeinspritzperiode und die Vergrößerung der Treibstofftröpfchen, die sich aus der Abnahme des Einspritzdruckes ergibt, führen zum sog. Nachbrennphänomen. Dies bringt nicht nur das Auftreten von schädlichem schwarzen Rauch infolge unvollständiger Verbrennung und eine CO- und Kohlenwasserstoffemission mit sich, sondern bewirkt auch eine Abnahme des Wärmewirkungsgrades.

Um dieses Problem zu lösen, wurde versucht, die Verzögerung bei der Beschleunigung dadurch zu verkürzen, daß die Masse des Nadelventilelementes 103 reduziert wird; dies hat jedoch nicht zu einer Verbesserung der Leistung geführt.

In Verbindung mit der Drosselung durch die Einspritzöffnungen 106 vergrößert die Verringerung des Einspritzdruckes bei geringen Motorgeschwindigkeiten die atomisierten Treibstofftröpfchen und vermindert die Verbrennungswirkung, wohingegen bei hohen Motorgeschwindigkeiten der Einspritzdruck zu hoch wird, wodurch die Belastung der Treibstoffpumpe erhöht wird, was zu einer übermäßigen Kraftaufnahme der Treibstoffpumpe führt. Da die resultierenden Verluste den Vorteil einer verbesserten Verbrennung überschreiten, folgt daraus, daß keine Gesamtverbesserung des Wärmewirkungsgrades erreicht werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Treibstoffeinspritzvorrichtung zu schaffen, die einen erhöhten Treibstoffeinspritzdruck am Ende der Einspritzperiode bewirkt.

Zu diesem Zweck sieht die Erfindung eine Treibstoffeinspritzvorrichtung vor, mit einem gleitend angeordneten Nadelventilelement, welches mittels einer Federeinrichtung gegen einen Ventilsitz gedrückt wird, einen Treibstoffeinlaßkanal, der in Verbindung mit einer Arbeitskammer steht, die um den Ventilsitz gebildet ist und den Treibstoff zu einer Treibstoffeinspritzöffnung fördert, wenn das Ventilelement vom Ventilsitz abgehoben ist, wobei das Ventilelement so innerhalb der Arbeitskammer angeordnet ist, daß der Treibstoffdruck in der Arbeitskammer auf eine Fläche des Ventilelementes wirkt, um dieses vom Ventilsitz abzuheben, wobei ferner ein Sammelraum um das Ventilelement angeordnet ist, derart, daß der Treibstoffdruck im Sammelraum auf eine Fläche des Ventilelementes wirkt, um dieses gegen den Ventilsitz zu drücken, und mit einer Steuerventileinrichtung, die in einem weiteren Treibstoffkanal angeordnet ist, der die Arbeitskammer und den Sammelraum verbindet.

Die Erfindung sieht auch eine Treibstoffeinspritzanordnung vor, mit einer Treibstoffeinspritzvorrichtung, wie oben beschrieben, und einer Steuereinrichtung, die mit der Steuerventileinrichtung verbunden ist, und die angeordnet ist, um das anfänglich offene Steuerventil zu schließen, bevor das Nadelventilelement am Anfang der Brennstoffeinspritzperiode von seinem Sitz abhebt, und das Steuerventil zu öffnen, bevor das Nadelventilelement am Ende des Einspritzvorganges wieder auf seinen Ventilsitz gelangt.

Diese Anordnung hat den Vorteil, daß der Einspritzdruck am Ende des Einspritzvorganges angehoben wird, wodurch die Größe der eingespritzten Treibstofftröpfchen verringert und das Problem des Nachbrennens und der begleitenden CO- und Kohlenwasserstoffemission vermindert wird.

Ferner kann der Gesamttreibstoffeinspritzdruck angehoben werden, wodurch kürzere Einspritzperioden ermöglicht werden. Dennoch wird die anfängliche Rate der Brennstoffeinspritzung reduziert, wodurch das Problem des "Dieselschlages" reduziert wird.

Vorzugsweise wird die Steuervorrichtung durch Zeitsteuermittel gesteuert, wobei diese Zeitsteuermittel die Öffnung des Steuerventils verzögern oder beschleunigen können, um den Brennstoffeinspritzdruck entsprechend zu verringern oder zu erhöhen. Vorzugsweise sind Mittel vorgesehen, um den zeitlichen Ablauf des Öffnungs und Schließvorganges des gleitenden Nadelventilelementes in Relation zum Öffnungs- und Schließvorgang des Steuerventils einzustellen, um so den Öffnungs- oder Schließeinspritzdruck des Nadelventilelementes einzurichten.

Diese Anordnung ermöglicht es, den Treibstoffeinspritzdruck für verschiedene Motorgeschwindigkeiten zu optimieren. Beispielsweise können Mittel vorgesehen sein, um den zeitlichen Ablauf des gleitenden Nadelventilelementes bei geringen Motorgeschwindigkeiten zu verzögern, wodurch der Treibstoffeinspritzdruck erhöht wird.

Die vorgenannten und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorstehenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen deutlich.

Es zeigen:

Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Treibstoffeinspritzvorrichtung;

Fig. 2 ein Leistungskurvendiagramm der Treibstoffeinspritzvorrichtung;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine herkömmliche Treibstoffeinspritzvorrichtung; und

Fig. 4 ein Leistungskurvendiagramm der Treibstoffeinspritzvorrichtung gemäß Fig. 3.

Die in Fig. 1 dargestellte Treibstoffeinspritzvorrichtung weist ein Ventil 1 mit einem oberen Ventilteil 2 auf, der mit einer Mutter 3 verschraubt ist, ferner einen unteren Ventilteil 4, der in die Mutter eingepaßt ist und ein Anschlagteil 5, welches auf den oberen Teil 2 aufgeschraubt ist. Am vorderen Ende des unteren Ventilteiles 4 sind Einspritzöffnungen 6 vorgesehen, in deren Nähe ein Ventilsitz 7 ausgebildet ist. Ein Treibstoffkanal 8 steht mit dem Ventilsitz 7 in Verbindung und eine Gleitbohrung 9, in der ein weiter unten beschriebenes Nadelventilelement 11 enthalten ist, ist im zentralen axialen Teil des unteren Ventilteiles 4 angeordnet. Eine Arbeitskammer 10 erstreckt sich horizontal oberhalb des Ventilsitzes 7 in den Treibstoffkanal 8.

Das Nadelventilelement 11 ist so angeordnet, daß ein unterer Ventilelementabschnitt 13, der mit dem Ventilsitz 7 zusammenwirkt, einen Querschnitt A ₂ unterhalb eines Gleitabschnittes 12 und einen Querschnitt A ₁ im Bereich des Gleitabschnittes aufweist sowie einen Stößel 14, der einstückig am Nadelventilelement 11 ausgebildet ist und sich von diesem nach oben erstreckt.

Ein Sammelraum 15 wird zwischen dem oberen Ende 12 a des Gleitabschnittes 12 des Nadelventilelementes 11 und einem unteren Ende 2 a des oberen Ventilteiles 2 gebildet, wenn der Gleitabschnitt 12 in die Gleitbohrung 9 des unteren Ventilteiles 4 eingepaßt ist und das vordere Ende des Ventilelementabschnittes 13 auf dem Ventilsitz 7 aufsitzt.

Der Stößel 14 des Nadelventilelementes 11 erstreckt sich über eine Durchgangsbohrung 16 hinaus, die als Treibstoffkanal dient und die im oberen Ventilteil 2 ausgebildet ist, und sein oberes Ende wird von der nach unten wirkenden Kraft einer Feder 19 beaufschlagt, die zwischen einem Federträger 18 und dem Anschlagteil 5 angeordnet ist. Die Feder 19 ist innerhalb einer Federbohrung 17 angeordnet, die im oberen Abschnitt des oberen Ventilteiles 2 ausgebildet ist und drückt den Ventilelementabschnitt 13 auf den Ventilsitz 7. Wenn der Ventilelementabschnitt 13 öffnet, sind die obere Fläche 12 a des Gleitabschnittes 12 des Nadelventilelementes 11 und die untere Fläche 2 a des oberen Ventilteiles 2 nicht miteinander in Kontakt und der Öffnungsweg des Nadelventilelementes 11 wird von einem Abstand N ₁ zwischen dem Federträger 18 und dem Anschlag 5 bestimmt.

Ein Treibstoffkanal 20 ist im oberen Ventilteil 2 ausgebildet, derart, daß eines seiner Enden in Verbindung mit dem Treibstoffkanal 8 des unteren Ventilteiles 4 ist, während das andere Ende mit einer Verbindungsöffnung 22 in Verbindung ist, die in einem Fortsatz des oberen Ventilteiles 2 ausgebildet ist und die mit einer (nicht dargestellten) Treibstoffeinspritzpumpe in Verbindung steht.

Ein Verbindungskanal 23 zweigt in einem zentralen Abschnitt des Fortsatzes 21 des oberen Ventilteiles 2 vom Treibstoffkanal 20 ab und steht mit der Durchgangsbohrung 16 in Verbindung.

Eine Anordnung 24 eines elektromagnetischen Regelventiles weist ein Regelventil 25 auf, welches gegen einen Ventilsitz 26 wirkt, der am Abzweigpunkt zwischen dem Treibstoffkanal 20 und dem Verbindungskanal 23 vorgesehen ist; ein Gleitabschnitt, der das Regelventil 25 trägt und in einer Gleitbohrung 27 angeordnet ist, ist oberhalb des Ventilsitzes 26 ausgebildet; ein Eisenanker 31, an dem der Gleitabschnitt 28 mittels eines am oberen Ende vorgesehenen Schraubenteiles 28 a angebracht ist, weist einen oberen Teil 29 und einen unteren Teil 30 auf; eine obere elektromagnetische Spule 32 und eine untere elektromagnetische Spule 33 sind zwischen dem oberen Ankerteil 29 und dem unteren Ankerteil 30 angeordnet; ferner ist ein Gehäuse 34 vorgesehen. Die obere Spule 32 und die untere Spule 33 sind im Inneren des Gehäuses 34 angeordnet und ein unteres Ende des Gehäuses 34 ist in den Fortsatz 21 eingeschraubt.

Wenn die untere Spule 33 aktiviert wird, wird der untere Ankerteil 30 angehoben, wodurch das Regelventil 25 gegen den Ventilsitz 26 gedrückt wird, um diesen zu verschließen. In ähnlicher Weise wird bei einer Aktivierung der oberen Spule 33 der obere Ankerteil 29 abgesenkt, wodurch das Regelventil 25 vom Ventilsitz 26 abhebt und dadurch geöffnet wird.

Bei dieser Anordnung (deren eine Ausführungsform in Fig. 1 dargestellt ist) wird während des Ventilöffnungsvorganges, der durch einen Druckanstieg im Treibstoffkanal zu Beginn des Treibstoffeinspritzvorganges bewirkt wird, der Treibstoff im Sammelraum 15 durch das Anheben des Nadelventilelementes 11 komprimiert, so daß sich der Druck erhöht, wodurch die Ventilöffnungsgeschwindigkeit des Nadelventiles 11 reduziert und dadurch die Treibstoffeinspritzrate vermindert wird. Zusätzlich wird im Inneren der Verbrennungskammer des Motors die Wärmeerzeugung zu Beginn des Verbrennungsvorganges vermindert, wodurch die Erhöhungsrate des Verbrennungsdruckes reduziert wird.

Ferner wird durch die Verzögerung des Öffnungszeitablaufes mittels der Regelventilanordnung 24 der Druck im Sammelraum 15 erhöht, so daß sich der Ventilöffnungsdruck erhöht und dadurch der maximale Einspritzdruck erhöht werden kann.

Während am Ende des Einspritzvorganges das Ventil schließt, ist das elektromagnetische Regelventil 25 geöffnet und der Druck innerhalb der Treibstoffkanäle 20, 8 wirkt sich in der Sammelkammer 15 aus, so daß die Drücke oberhalb und unterhalb des Nadelventilelementes 11 gleich sind. Infolgedessen wird das Nadelventilelement 11 durch die Feder 19 beschleunigt und schließt. Der Druck für den Beginn des Ventilschließvorganges wird durch Änderung der Ventilöffnungszeit des elektromagnetischen Regelventils 24 eingestellt und der Druck innerhalb der Treibstoffkanäle zu Beginn des oben erwähnten Ventilschließvorganges kann so auf einen höheren Wert als der Druck am Ende des Ventilöffnungsvorganges eingestellt werden. Da der Druck innerhalb der Treibstoffkanäle am Ende des Schließvorganges des Nadelventilelementes 11 erhöht wird, kann die Größe der Tröpfchen, die durch die Einspritzöffnungen 6 am Ende des Einspritzvorganges eingespritzt werden, verringert werden, so daß der Verbrennungsvorgang des Dieselmotors verbessert wird.

Wie oben beschrieben, wird zusätzlich die Öffnungs-/Schließzeit des Nadelventilelementes 11 eingestellt und der Öffnungs-/Schließdruck des Nadelventilelementes 11 wird bei geringen Motorgeschwindigkeiten erhöht, und eine Hochdruckeinspritzung wird insbesondere während des Ventilschließvorganges bewirkt, die Treibstoffeinspritzrate wird verbessert und ein Nachbrennen vermieden, die Emission schwarzen Rauches wird verringert, CO und Kohlenwasserstoffe werden reduziert und der isochorische Grad des Sabathel-Zyklus kann erhöht werden, wodurch der Wärmewirkungsgrad des Dieselmotors verbessert wird.

Die Arbeitsweise der beschriebenen Ausführungsform ist nachfolgend im einzelnen beschrieben.

Wenn Treibstoff aus der (nicht dargestellten) Treibstoffpumpe durch die Verbindungsöffnungen 22 in die Treibstoffkanäle 20, 8 strömt, strömt bei vom Ventilsitz 26 abgehobenen Regelventil 25 Treibstoff in den Verbindungskanal 23 und auch durch die Durchgangsbohrung 16, so daß der Druck in den Treibstoffkanälen zum Zeitpunkt t ₁ vom Druck P₀ zu steigen beginnt, wie in Fig. 2 dargestellt ist.

Zu einem vorherigen Zeitpunkt t₀ wird bei G₀ eine magnetische Kraft erzeugt, nach einer Zeitverzögerung von t₀-t₁ bei der Aktivierung erzeugt. Zum Zeitpunkt t ₃ erreicht die untere elektromagnetische Spule 33 bei G ₁ ihre volle Wirkung und versucht, den unteren Ankerteil 30 hochzuziehen. Es ergibt sich jedoch eine zeitliche Verzögerung, die resultiert aus der notwendigen Beschleunigung der Masse des unteren Ankerteiles 30, des oberen Ankerteiles 29, des Gleitabschnittes 28 und des Regelventils 25. Das Regelventil 25, das zur Zeit t ₂ bei einem Öffnungsweg L₀ vollständig geöffnet ist, schließt zum Zeitpunkt t ₄ und in der Zwischenzeit nimmt der Druck im Sammelraum 15 auf P ₁ zu.

Die zu diesem Zeitpunkt wirksame Kraft F ₂, die das Nadelventilelement 11 nach unten drückt, kann wie folgt ausgedrückt werden

F₁ = P₁ × A₁

(F₁: wirksame Kraft der Feder 19)
(A₁: Querschnitt des Gleitabschnittes 12).

Da die Kraft F ₂ größer ist als die Kraft, die das Nadelventilelement 11 nach oben drückt, kann letztere wie folgt ausgedrückt werden

P₁ × (A₁ - A₂)

(A₂: Querschnitt des Nadelventils 13);
das Nadelventil 11 öffnet nicht.

Der Treibstoffdruck von der Treibstoffeinspritzpumpe steigt mit der Zeit an, so daß zum Zeitpunkt t ₅ der Druck innerhalb des Treibstoffkanales 8 auf P ₂ steigt und die Kraft

F₂ = F₁ - P₁ × A₁ = P₂ × (A₁ - A₂)

wird, so daß das Nadelventilelement 11 sich vollständig zu öffnen beginnt.

Gleichzeitig mit dem Öffnungsvorgang des Ventiles vergrößert sich die wirksame Druckfläche des Nadelventilelementes 11 von (A ₁-A ₂) auf A ₁ mit der Folge, daß die Kraft, die das Nadelventilelement 11 nach oben drückt, scharf auf F ₃= P ₂ × A ₁ ansteigt. Die Aufwärtsbewegung des Nadelventilelementes wird durch diese Kraft F ₃ beschleunigt; es tritt jedoch eine Verzögerung beim Beschleunigungsvorgang auf infolge der Masse des Gleitabschnittes 12 des Nadelventilelementes 11, des Ventilelementabschnittes 13, des Stößels 14, des Federträgers 18 und der Feder 19. Demgemäß ändert sich während des Zeitintervalles t ₅-t ₆ der Öffnungszustand des Nadelventiles 11 von N₀ auf N ₁, so daß das Nadelventilelement 11 vollständig öffnet und die Benzineinspritzrate von R₀ auf R ₁ ansteigt.

In der Zwischenzeit steigt der Druck im Treibstoffkanal 8 von P ₂ auf P ₃ und der Treibstoff im Sammelraum 15 wird beim Anheben des Nadelventilelementes 11 auf N ₁ komprimiert, so daß der Druck im Sammelraum AP von P ₁ auf P ₄ ansteigt, wie in der ersten Darstellung der Fig. 1 in gestrichelten Linien dargestellt ist. Infolgedessen steigt die Kraft, die das Nadelventilelement 11 nach unten drückt (im Kraft-Zeit-Diagramm der Fig. 1 als gestrichelte Linie DF dargestellt) auf F ₄ an, wodurch die Feder 19 zusammengedrückt wird und die Federlast SF von F ₁ auf F ₅ ansteigt.

Zum Zeitpunkt t ₆ und danach steigt die Treibstoffeinspritzrate weiter an in Abhängigkeit vom Druck des von der Einspritzpumpe zugeführten Treibstoffes.

Wie oben beschrieben, ist es erfindungsgemäß möglich, durch Veränderung der Zeit t₀, zu der die untere elektromagnetische Spule 33 aktiviert ist, die Treibstoffeinspritzzeit t ₅ und den Einspritzanfangsdruck P ₂ zu ändern und die Treibstoffeinspritzrate kann danach variabel gemacht werden.

Der Einspritzvorgang wird beendet durch die Aktivierung der unteren elektromagnetischen Spule 33 zum Zeitpunkt t ₇ und durch Aktivierung der oberen elektromagnetischen Spule 32. Zur Zeit t ₈ beginnt die magnetische Kraft ML der unteren elektromagnetischen Spule 33 zu verschwinden und die magnetische Kraft MU (die im magnetischen Kraft-Zeit-Diagramm der Fig. 1 dargestellt ist) der oberen elektromagnetischen Spule 32 wird erzeugt. Zur Zeit t ₉ wird das Regelventil 25 beschleunigt, um den Ventilöffnungsvorgang zu beginnen und nach der Zeit t ₁₀ ist das Regelventil 25 zum Zeitpunkt t ₁₁ voll geöffnet.

Gleichzeitig mit dem Öffnen des Regelventiles 25 wird bei t ₉ der Hochdrucktreibstoff im Treibstoffkanal 20 der Sammelkammer 15 über den Kanal 23 zugeführt, um den Druck zu erhöhen.

Beginnend zum Zeitpunkt t ₁₂, wenn der Druck P ₆ in der Sammelkammer 15 sich ergibt, zu
F ₆ = P ₅ × A ₂ + F ₅ = P ₆ × A ₁
und das Nadelventil 11 beginnt zu schließen, jedoch wird zur Zeit t ₁₂ und danach der Druck in der Sammelkammer 15 weiter ansteigen und zum Zeitpunkt t ₁₃ wird der Druck gleich P ₇, d.h., er ist dann genauso groß wie in den Treibstoffkanälen 20, 8, so daß sich für diesen Druck ergibt
F ₇ = P ₇ × A ₁ = F ₅.

Die Kraft, die in Schließrichtung auf das Nadelventil 11 wirkt, wird daher durch die Kraft der Feder F ₅ größer als die Kraft, die in Öffnungsrichtung des Nadelventils 11 wirkt:
F ₈ = P ₇ × A ₁.

Infolgedessen wird das Nadelventilelement 11 schnell beschleunigt und schließt zum Zeitpunkt t ₁₄ bei einem Druck P ₈ in den Treibstoffkanälen 20, 8.

Während des Zeitintervalles t ₁₂-t ₁₄ nimmt die Treibstoffeinspritzrate schnell von R ₂ auf R₀ ab und der Treibstoffeinspritzvorgang ist bei R₀ vollendet. Die Treibstoffeinspritzrate, die am Ende des Einspritzvorganges hoch ist, trägt dazu bei, die Treibstoffeinspritzperiode zu verkürzen, die Wirksamkeit des Dieselmotors zu verbessern und die Emission schwarzen Rauches in den Auspuffgasen zu verhindern. An dieser Stelle ist der Druck in den Treibstoffkanälen 20, 8 hoch bei P ₈, die Partikelgröße der atomisierten Treibstofftröpfchen, die durch die Einspritzöffnungen 6 am Ende des Einspritzvorganges eingespritzt werden, ist klein, die Verbrennungsrate wird verbessert und das Auftreten von schwarzem Rauch kann kontrolliert werden.

Zum Zeitpunkt t ₁₅ wird der Druck in den Treibstoffkanälen 20, 8 wieder P₀ und das Nadelventilelement 11 wird von der Feder 19 mit der Kraft F ₁ geöffnet, wobei wieder der Zustand wie vor dem Beginn des Einspritzvorganges erreicht wird.

Wie oben beschrieben, weist die erfindungsgemäße Treibstoffeinspritzvorrichtung einen Nadelventilkörper auf, der in einer Gleitbohrung angeordnet ist, welche im unteren Teil eines Ventiles vorgesehen ist und bei der ein Nadelventil gegen einen Ventilsitz in der Nähe einer Einspritzöffnung drückt, und wobei ein oberer Abschnitt des Nadelventilkörpers von einer Feder nach unten gedrückt wird; ein Akkumulator oder Sammelraum ist oberhalb des Nadelventilkörpers ausgebildet; ein Treibstoffkanal steht mit dem Ventilsitz in Verbindung; ein Verbindungskanal, der vom Treibstoffkanal abzweigt, ist mit dem Sammelraum verbunden; und ein elektromagnetisches Regelventil ist im Verbindungskanal angeordnet, wobei seine Öffnungs- und Schließzeiten eingestellt werden können. Demgemäß wird bei einer Änderung der Aktivierungszeiten des elektromagnetischen Regelventils eine Änderung des Treibstoffeinspritzdruckes und der Treibstoffeinspritzrate zu Beginn des Einspritzvorganges erreicht. Bei einer Verringerung der Treibstoffeinspritzrate wird die Wärmeerzeugung in der Verbrennungskammer des Dieselmotors reduziert, was den Verbrennungsvorgang beeinflußt. Zusätzlich ist es möglich, den Verbrennungslärmpegel durch Senkung der Zunahmerate des Verbrennungsdruckes zu reduzieren und damit auch die Menge des entstehenden NOx.

Durch zeitliche Änderung der Aktivierung des elektromagnetischen Ventiles wird es zusätzlich möglich, den Treibstoffeinspritzdruck und die Treibstoffeinspritzrate am Ende des Einspritzvorganges zu verändern. Gleichzeitig ergeben sich zusätzliche Vorteile dadurch, daß die Einspritzperiode verkürzt wird, daß das Auftreten von Nachbrennvorgängen während der Verbrennung im Dieselmotor kontrolliert wird und daß die Emission von schwarzem Rauch, CO und Kohlenwasserstoffen verringert und der Wärmewirkungsgrad verbessert wird.

Weiterhin bietet eine Treibstoffeinspritzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung den zusätzlichen Vorteil, daß durch Veränderung der Aktivierungszeiten des elektromagnetischen Regelventiles der anfängliche Einspritzdruck und der Endeinspritzdruck optimiert werden können, um eine optimale Treibstoffeinspritzrate entsprechend der jeweiligen Drehzahl des Dieselmotors zu erreichen.

Claims

1. Treibstoffeinspritzvorrichtung mit einem gleitbaren Nadelventilelement (11), das von einer Federeinrichtung gegen einen Ventilsitz anlegbar ist, und mit einem Treibstoffeinlaßkanal, der mit einer Arbeitskammer in Verbindung ist, die um den Ventilsitz herum ausgebildet ist und Treibstoff zu einer Einspritzöffnung (6) liefert, wenn das Ventil vom Ventilsitz des Nadelventilelements abgehoben ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Nadelventilelement so in der Arbeitskammer (10) angeordnet ist, daß der Druck in der Arbeitskammer auf eine Fläche des Nadelventilelementes wirkt und bestrebt ist, das Nadelventilelement vom Ventilsitz (7) abzuheben, daß ein Treibstoffsammelraum (15) um das Nadelventilelement (11) angeordnet ist, derart, daß der Druck im Sammelraum (15) auf eine Fläche des Nadelventilelementes (11) wirkt und bestrebt ist, dieses gegen den Ventilsitz (7) zu drücken, und durch eine Regelventileinrichtung, die in einem weiteren Treibstoffkanal angeordnet ist, der die Arbeitskammer (10) mit dem Sammelraum (15) verbindet.

2. Treibstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelventileinrichtung (24) von einer elektromagnetischen Betätigungseinrichtung gesteuert wird.

3. Treibstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Treibstoffkanal (23) vom Treibstoffeinlaßkanal abzweigt.

4. Treibstoffeinspritzanordnung mit einer Treibstoffeinspritzvorrichtung, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die mit der Regelventilanordnung (24) verbunden ist und die vorgesehen ist, um die anfänglich offene Regelventilanordnung (24) zu schließen, bevor das Nadelventilelement zu Beginn der Treibstoffeinspritzung von seinem Ventilsitz (7) abhebt und die Regelventilanordnung (24) zu öffnen, bevor das Nadelventilelement am Ende des Einspritzvorganges wieder auf den Ventilsitz (7) gelangt.

5. Treibstoffeinspritzanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung Zeitsteuermittel aufweist, mit denen der Öffnungsvorgang der Regelventilanordnung (24) zeitlich nach hinten oder nach vorn verschiebbar ist, um den Treibstoffeinspritzdruck entsprechend zu vermindern oder zu erhöhen.

6. Treibstoffeinspritzanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um die Öffnungs- oder Schließzeiten des gleitbaren Nadelventilelementes (11) in Relation zu den Öffnungs- oder Schließzeiten der Regelventilanordnung (24) einzustellen, um den Öffnungs- oder Schließeinspritzdruck des gleitbaren Nadelventilelementes (11) einzustellen.

7. Treibstoffeinspritzanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur zeitlichen Verzögerung des Nadelventilelementes (11) bei geringen Motorgeschwindigkeiten vorgesehen ist, um dadurch den Treibstoffeinspritzdruck zu erhöhen.

8. Dieselmotor, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor eine Treibstoffeinspritzanordnung nach einem der Ansprüche 4-7 aufweist.