DE3937917A1 - Verfahren zum intermittierenden einspritzen von brennstoff in den brennraum einer brennkraftmaschine, sowie vorrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Gattungs­ begriff des Patentanspruches 1.

Durch eine aus DE-OS 22 42 344 bekannte Einspritzdüse wird der Einspritzvorgang allein durch die auf die Düsennadel einwirkenden Kräfte gesteuert. Einerseits wird die Düsennadel durch die Druck­ feder in Schließstellung gehalten, andererseits versucht der Druck des von einer Einspritzpumpe kommenden Brennstoffes die Düsennadel gegen die Kraft der Druckfeder anzuheben. Um höhere Einspritzdrücke zu verwirklichen, ohne die Kraft der Druckfeder über ein erträgliches Maß steigern zu müssen, wird sie durch einen in Schließrichtung wirkenden Hilfskolben unterstützt. Wenn der Druck des Brennstoffes die Kraft der Druckfeder überwindet wird durch Freigabe einer Einspritzbohrung Brennstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt, bis durch Abbau des Druckes die Druckfeder und der Hilfskolben die Düsen­ nadel zum Schließen veranlaßt. Dieses bekannte Einspritzver­ fahren läßt allerdings kein gesteuertes mehrfaches Öffnen und Schließen der Einspritzdüse während eines Arbeitsspieles zu.

Die gestiegenen Anforderungen an eine Verbesserung der Abgas­ werte können mit dem konventionellen Arbeitsverfahren der Ein­ spritzdüse nicht mehr befriedigt werden. Die Abgase der Diesel- Brennkraftmaschine sollen in ihrem Gehalt an CH Bestandteilen und in ihrem Gehalt an krebserregenden Rußpartikeln, die den Schwarzrauch verursachen reduziert werden. Gleichzeitig soll auch der Anteil an NOx verringert und das Verbrennungsgeräusch gemindert werden. Dies sind zum Teil konträre Forderungen, die mit dem konventionellen Einspritzverfahren nicht zu meistern sind.

Ausgehend von dem bekannten Einspritzverfahren gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Einspritzverfahren derart weiterzubilden, daß der Gemischaufbereitungsprozeß und die davon abhängige Qualität des Verbrennungsablaufes so gesteuert werden kann, daß die Anteile an CH und Ruß reduziert werden, ohne daß der Anteil an NOx erhöht wird und daß dabei zugleich das Verbrennungsgeräusch eine Minimierung erfährt.

Gelöst wird diese Aufgabe durch das dem Kennzeichen des Patent­ anspruches 1 entnehmbare Verfahren.

Dadurch, daß die Düsennadel selbst als Steuerorgan für ein zeitlich periodisches Öffnen und Schließen fungiert, wird die Verbesserung der Gemischaufbereitung mit vergleichsweise ge­ ringen konstruktivem Aufwand ermöglicht. Die Folgen einer solchermaßen realisierten Modulation der eingespritzten Kraft­ stoffmenge ist ein, von kurzem Zündverzug gekennzeichneter Verbrennungsablauf. Dessen - aus akustischer Sicht willkommene - Verminderung des Körperschall- und damit Luftschallaufkommens ist auf eine Verringerung der Verbrennungsdruck-Anstiegsge­ schwindigkeit zurückzuführen bis hin zum Ausbleiben der An­ regung von Stehwellenfeldern im Brennnraum. Dies wiederum wirkt sich insofern zusätzlich positiv auf den NOx-Gehalt des Abgases aus, als die sonst in den örtlichen und zeit­ lichen Druckmaxima der Eigenformen anzutreffenden, NOx produzierenden, hohen Temperaturspitzen ebenfalls ausbleiben.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1 kann dem Kennzeichen des Anspruches 2 entnommen werden.

Durch die Ringkerbe im Düsennadelschaft kann die Zufuhr des Brennstoffes zum Druckraum durch die Düsennadel selbst ge­ steuert werden. Die Düsennadel und die Druckfeder stellen ein Schwingungssystem dar, bei welchem die Düsennadel durch das Öffnen und Schließen der Brennstoffzufuhr zum Druckraum zu hochfrequenten Schwingungen angeregt wird. Der sonst in einem Zug erfolgende oder nur in eine Vor- und Haupteinspritzung unter­ teilte Einspritzvorgang wird in viele kleine Schritte unterteilt mit den vorab schon geschilderten Vorteilen.

Die Steuerung der Brennstoffzufuhr zum Druckraum mittels der ersten und zweiten Nut mit der Ringkerbe des Düsennadelschaftes als Steuerorgan stellt eine ohne großen baulichen Aufwand zu realisierende Möglichkeit dar, die Einspritzung in kleine Takte zu zerlegen.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung besteht nach An­ spruch 3 darin, daß die Kraftquelle als Kolben ausgebildet ist, der mit einer kennfeldgesteuerten Druckquelle beaufschlag­ bar ist. Dadurch läßt sich der Öffnungsdruck den jeweils ge­ wünschten Anforderungen anpassen.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Vorrichtung kann An­ spruch 4 entnommen werden.

Die Steuerung der Brennstoffzufuhr erfolgt wieder mit der Rund­ kerbe und der Nut, die Verbindung von der Rundkerbe zum Druck­ raum wird durch mindestens eine Bohrung im Düsennadelschaft selbst hergestellt. Dies stellt eine besonders preiswerte Lösung dar.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in Zeichnungen dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Einspritzventil mit einem Düsennadelschaft als Steuerorgan,

Fig. 2 einen Querschnitt II-II durch die Einspritzdüse in Höhe einer Rundkerbe einer Düsennadel,

Fig. 3 ein Detail des Düsennadelschaftes mit einer Rundkerbe,

Fig. 4 ein Detail des Düsennadelschaftes mit Rundkerbe und Bohrung zur Verbindung von Rundkerbe und Druckraum,

Fig. 5 eine Funktion der Kräfte an einer Düsennadel, auf­ getragen über dem Druck,

Fig. 6-9 Funktionen der Bewegungs-Parameter der Düsennadel aufgetragen über der Zeit.

In Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch ein Einspritzventil dargestellt. Dieses besteht üblicherweise aus den Haupt­ komponenten Düsenhalter 1, einem Düsenkörper 2 und einer Über­ wurfmutter 3 welche den Düsenkörper 2 und den Düsenhalter 1 verbindet. Im Düsenkörper 2 ist eine Düsennadel 4 geführt, welche von einer Druckfeder 5 in Schließstellung gehalten wird. Die Brennstoffzufuhr erfolgt über eine druckfeste Ver­ schraubung 6 und eine Zulaufbohrung 7. Um hohe Brennstoff­ drücke verwirklichen zu können, ohne daß die Nadelspitze 4 einschließlich zugeordnetem Dichtsitz Schaden nimmt, wird die Druckfeder 5 durch einen mit Brennstoffdruck belasteten Hilfskolben 8 entlastet. Der Hilfskolben 8 mit Durchmesser d3 trägt überwiegend zur Schließkraft bei. Der Schließkraft wirkt eine auf eine Druckschulter 9 eines Düsennadelschaftes 10 einwirkende Kraft entgegen. Die wirksame Druckfläche ergibt sich dabei aus der Differenz der Durchmesser d2 des Düsennadelschaftes 10 und dem Durchmesser d1 des Düsennadelsitzes.

Erfindungsgemäß ist ein Druckraum 11 nicht ständig über die Zulaufbohrung 7 mit Druck beaufschlagt. Vielmehr kann der Zulauf von Brennstoff zum Druckraum 11 durch den Düsennadel­ schaft 10 gesperrt, oder durch eine Rundkerbe 12 freigegeben werden. In der gezeichneten Stellung der Düsennadel 4, also in der Schließstellung gelangt der Brennstoff über die Zu­ laufbohrung 7 und eine Verbindungsleitung 13 in eine Nut 14. Über die Rundkerbe 12 kann in der gezeigten Stellung über eine zweite Nut 15 und eine Leitung 16 der Druckraum 11 unter Druck gesetzt werden. Dieser Druck übt auf die Düsennadel 4 eine Kraft aus, die sich aus dem Produkt des hydraulischen Druckes und der wirksamen Kolbenfläche - gebildet aus der Differenz der Durchmesser d1 und d2 - ergibt. Diese Kraft wirkt der Summe der Kräfte aus Federkraft und Kraft des Hilfskolbens 8 entgegen und veranlaßt die Ventilöffnung. Durch die Bewegung der sich öffnenden Düsennadel 4 wandert die Rundkerbe 12 nach oben und der Düsennadelschaft versperrt den Nachschub von Brennstoff, währenddessen sich der Druck im Druckraum 11 durch Einspritzen eines Teilvolumens über Düsenbohrungen 16 soweit abbaut, daß die Düsennadel wieder in Schließstellung zurückfällt und das Spiel von neuem beginnt, solange, bis die Förderung von Brennstoff durch ein nicht dargestelltes Pumpenelemeht der Einspritzpumpe aufhört.

Die jeweils gerade vorherrschende, sehr hohe, im kHz-Bereich liegende "Hubfrequenz" der Düsennadel ist abhängig von den Parametern: augenblickliche Kraftstofffördergeschwindigkeit des Pumpenelementes der Einspritzpumpe, Masse der Düsennadel, statische und dynamische Eigenschaften der Anpreßfeder und den wellenmecahnischen Eigenschaften des hydraulischen Pfades stromauf- und -abwärts von der Schieberventilfunktion befindlich.

Zur Begrenzung der Oszillationsbewegung der Düsennadel 4 ist noch ein Anschlag 18 vorgesehen, der zwischen den Düsen­ körper 2 und dem Düsenhalter 1 eingeschoben ist und mittels der Überwurfmutter 3 fixiert wird.

Bei Vorhandensein eines, mittels Druckregler versehenen Druck­ erzeugers, beispielsweise einer Zahnradpumpe ist es möglich einen Federteller 5a der Druckfeder 5 unmittelbar als Kolben auszubilden und auf die Druckfeder 5 ganz zu verzichten. Der Hilfskolben 8 der vom Druck des Brennstoffes beaufschlagt wird, kann als Führungsstange fungieren, während der Raum der nicht mehr benötigten Druckfeder 5 über eine gestrichelt angedeutete Steuerleitung 5b mit einem regelbaren Drucker­ zeuger verbunden wird. Diese Variante ohne Druckfeder 5 läßt eine Variationsmöglichkeit des Öffnungsdruckes zu, indem über die Steuerleitung 5b der als Kolben ausgebildete Federteller 5a mit regelbarem Hydraulikdruck beaufschlagt wird. Der Öffnungs­ druck läßt sich in an sich bekannter Weise über eine Kennfeld­ steuerung in Abhängigkeit der Motorzustand-Parameter wie Motor­ drehzahl und Motorlast beeinflussen.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt II-II durch die Rundkerbe 12. Die beiden Nuten 14 und 15 erstreckten sich nur über einen Teil des Umfangs, so daß der Weg von der Nut 14 zur zweiten Nut 15 durch den Düsennadelschaft 10 unterbrochen werden kann. Nur die Rundkerbe 12 stellt die Verbindung von der Nut 14 über die zweite Nut 15 zum Druckraum 11 (Fig. 1) her.

Ein Detail der Rundkerbe 12 ist in Fig. 3 dargestellt. Beim Überfahren einer ersten Steuerkante 19 wird die Brennstoff­ zufuhr über die Nuten 14 und 15 zum Druckraum 11 (Fig. 1) freigegeben. Bei der weiteren Bewegung des Düsennadel­ schaftes 10 in der angegebenen Pfeilrichtung wird die Brenn­ stoffzufuhr durch die zweite Steuerkante 20 wieder unter­ brochen.

Eine Variante der Unterbrechung der Brennstoffzufuhr zum Druck­ raum 11 ist aus Fig. 4 zu ersehen. Die Brennstoffzufuhr er­ folgt in gewohnter Weise über eine Zulaufbohrung 7 (siehe auch Fig. 1). Die Nut ist als umlaufende Ringnut 14 gestaltet. Die Verbindung von der Ringnut 14 über die Rundkerbe 12 zum Druck­ raum 11 wird durch mindestens eine den Düsennadelschaft 10 diagonal durchdringende Bohrung 21 bewerkstelligt. Im darge­ stellten Beispiel sind drei solcher Bohrungen vorhanden. Darüberhinaus kann mit einer Anschrägung 20a der - der Druck­ schulter 9 der Düsennadel zugewandten - zweiten Steuerkante 20 eine zeitliche Vorverlegung des Druckaufbaues im Druckraum 11 erzwungen werden. Bei entsprechender Auslegung der Schräge kann auf diese Weise eine solche Abbremsung der Schließbewegung der Nadel erzwungen werden, daß der Aufsetzvorgang infolge vor­ heriger Bewegungsumkehr der Düsennadel völlig ausbleibt. Der, die Düsenlöcher passierende Kraftstoffstrom erfährt dann keine periodische Unterbrechung mehr, sondern nur noch eine periodische Drosselung. Infolge der mit gleicher Frequenz einhergehenden Modulation der Austrittsgeschwindigkeit des das jeweilige Düsenloch verlassenden - Kraftstoffstrahles werden Merkmale des Zerstäubervorganges wie Tröpfchengrößenspektrum, Einhüll­ winkel des Strahlkegels und mittlere Tröpfcheneindringtiefe mit gleicher Periodizität zwangsgesteuert, was letztlich zur an­ gestrebten Gemischhomogenisierung führt. Die Vorteile einer Modulation des Kraftstoff-Flußes ohne Strahlunterbrechung be­ stehen sowohl in einem verringerten Aufkommen von unerwünscht großen Tröpfchendurchmessern innerhalb des Tröpfchenspektrum, als auch in einer vergleichsweise geringeren Häufigkeit von Schlagvorgängen die langfristig zur Verformung an Düsennadel­ spitze und Dichtsitz führen.

In Fig. 5 sind die an der Düsennadel 4 (Fig. 1) angrei­ fenden Kräfte als Funktion des Brennstoffdruckes p darge­ stellt. Die Gerade A-B1 gibt den Verlauf der Kraft an der in Schließstellung befindlichen Düsennadel 4 wieder, wie er allein aus dem Brennstoffdruck resultiert, wenn er an der Fläche wie sie sich aus der Differenz der Durchmesser d1 und d2 der Düsennadel 4 ergibt, angreift (Fig. 1). Diese Kraft wirkt in Öffnungsrichtung.

Die Gerade F1-B1 ergibt sich aus der Kraft F1 der vorgespannten Druckfeder 5 (Fig. 1) und des Hilfskolbens 8. Diese Kraft wirkt in Schließrichtung. Wenn der Brennstoffdruck Null ist wirkt lediglich die Kraft F1 der Druckfeder 5. Mit zu­ nehmendem Druck p erhöht sich die Schließkraft durch die Kraft auf den Hilfskolben 8. Im Punkt B1 erreicht die in Öffnungsrichtung wirkende Kraft aus der Geraden A-B1 den Wert der Schließkraft aus der Geraden F1-B1. Das Ventil öffnet heim Druck pö1. Die Beziehung zwischen den am Öffnungsprozeß be­ teiligten Größen lautet:

darin bedeutet:
F1 = Kraft der vorgespannten Druckfeder
d2 = Durchmesser des Düsennadelschaftes
d1 = Durchmesser des Dichtsitzes
d3 = Durchmesser des Hilfskolbens
pö1 = Öffnungsdruck.

Nach Öffnen der Düsennadel 11 erfolgt eine Vergrößerung der, von der Durchmesserdifferenz d₂-d₁ bestimmten, im Öffnungs­ sinne wirkenden Druckfläche auf einen, nur noch von d₂ vor­ gegebenen Wert. Die Kraft auf die Düsennadel wächst schlagartig auf den Wert

D1=pö1·A,
mit

Durch Abspritzen in den Brennraum sinkt der Druck vom Punkt pö1 wieder ab, wie es durch die Teilgerade D1-D1′ angedeutet ist. Bei Freigabe der Rundkerbe 12 (Fig. 1) beginnt das Spiel der Düsennadel erneut, wobei sich die Wiederhol­ frequenz der Düsennadel im Bereich mehrerer kHz bewegt.

Die Vorgänge an der Düsennadel sind qualitativ in den Fig. 6 bis 9 dargestellt.

Fig. 6 stellt eine Funktion des Düsennadelweges über der Zeit t aufgetragen dar. Zum Zeitpunkt T1 beginnt die Düsen­ nadel abzuheben und erreicht ihren maximalen Hub. Der Hub wird begrenzt durch den Anschlag des Düsennadelschaftes 10 am Anschlag 18 (Fig. 1). Durch Abspritzen des Brennstoffes in den Brennraum fällt der Druck wieder ab, da die Zufuhr weiteren Brennstoffes, wie in der Fig. 1 beschrieben, durch den Düsennadelschaft selbst unterbrochen wird. Im Punkt T2 setzt die Düsennadel weich auf, bzw. erfährt kurz vor dem Auf­ setzen eine Bewegungsumkehr womit das Spiel von neuem beginnt.

Den Druckverlauf über der Zeit t gibt Fig. 7 wieder. Zu­ nächst steigt der Druck etwa linear bis zum Öffnungsdruck pö an (siehe Fig. 5). Im Zeitpunkt T1 öffnet die Düsennadel, der Leitungsdruck fällt durch Abspritzen des Brennstoffes in den Brennraum ab. Bevor in T2 die Düsennadel aufsetzt wird über die Rundkerbe 12 (Fig. 1) die Brennstoffzufuhr zum Druck­ raum 11 wieder frei, so daß es zu einem erneuten Druckaufbau kommt, bis in T2 der Öffnungsdruck pö wieder erreicht wird.

Aus dem Hub der Düsennadel nach Fig. 6 ergibt sich der Freigabequerschnitt A, dessen Verlauf über der Zeit t in Fig. 8 dargestellt ist.

Die Fig. 9 zeigt den Verlauf der auf die Düsennadel wirken­ den Kraft F. Zum Zeitpunkt T0 greift nur die Kraft der Druckfeder 5 (Fig. 1) an, die in Schließrichtung wirkt. Mit ansteigendem Brennstoffdruck überlagert sich dieser Federkraft die aus den Durchmessern d1 bis d3 resultierende Differenzdruckkraft (Fig. 5) bis in T1 die Kraft in Öff­ nungsrichtung die Kraft in Schließrichtung übersteigt. Die Kraft in Öffnungsrichtung steigt durch Freigabe des Durch­ messers d1 auf den vollen Durchmesser d2 plötzlich an (Sprung vom Punkt B1 auf D1 in Fig. 5). Durch Abspritzen in den Brennraum sinkt die Kraft wieder ab, bis im Punkt Ta Kräftegleichgewicht herrscht und anschließend die aus Federkraft und Kraft auf den Hilfskolben zusammengesetzten Kräfte in Schließrichtung die aus dem Druckraum 11 in Öffnungs­ richtung auf den Durchmesser d2 wirkende Kraft überwinden, bis die Düsennadel im Zeitpunkt T2 schließt.

Claims (4)

1. Verfahren zum intermittierenden Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, wobei ein Öffnen und ein Schließen einer Düsennadel einer Einspritz­ düse allein durch ein Zusammenwirken einer in Schließstel­ lung wirkenden Kraftquelle und einer durch den Druck eines Brennstoffs auf die Düsennadel hervorgerufenen Druckkraft bewerkstelligt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der auf die Düsennadel (4) in Schließstellung einwirkende Druck des Brennstoffes durch die Bewegung der Düsennadel (4) selbst gesteuert wird und zwar derart, daß bei der Düsen­ nadel (4) in Schließstellung der Weg des Brennstoffes von einer Zulaufbohrung (7) zu einem Druckraum (11) eines Düsenkörpers (2) frei ist und dieser Weg nach dem Öffnen der Düsennadel (4) durch diese wieder versperrt wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei der die Kraftquelle aus einer die Düsennadel in Schließ­ richtung belastenden Druckfeder gebildet wird und einen diese Druckfeder unterstützenden Hilfskolben aufweist und die Düsennadel am gegenüberliegenden Ende in einem Druckraum über eine Druckschulter verfügt, welche den Übergang von der Düsennadel zu einem Düsennadelschaft bildet, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Düsennadelschaft (10) eine Rundkerbe (12) aufweist, daß die Rundkerbe (12) den Weg des Brennstoffes von einer über eine Verbindungsleitung (13) mit der Zulauf­ bohrung (7) verbindbaren Nut (14) zu einer auf gleicher Ebene liegenden und ebenfalls achsparallel angeordneten zweiten Nut (15) freigibt, bzw. beim Anheben der Düsennadel (4) versperrt, und daß die zweite Nut (15) über eine Leitung (16) mit dem Druckraum (11) im einem Düsenkörper (2) ver­ bindbar ist. (Fig. 1).

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei der die in Schließrichtung wirkende Kraftquelle durch einen ebenfalls in Schließrichtung wirkenden Hilfskolben der Düsennadel unterstützt wird und die Düsennadel am gegenüberliegenden Ende in einem Druckraum über eine Druck­ schulter verfügt, welche dem Übergang von der Düsennadel zu einem Düsenschaft bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftquelle aus einem als Kolben ausgebildeten Feder­ teller (5a) besteht, daß der Kolben über eine Steuerlei­ tung (5b) im Düsenhalter (1) durch einen kennfeldge­ steuerten Druckerzeuger beaufschlagbar ist, daß der Düsen­ nadelschaft (10) eine Rundkerbe (12) aufweist, daß die Rundkerbe (12) den Weg des Brennstoffes von einer über eine Verbindungsleitung (13) mit der Zulaufbohrung (7) verbindbaren Nut (14) zu einer auf gleicher Ebene liegenden und ebenfalls achsparallel angeordneten zweiten Nut (15) freigibt, bzw. beim Anheben der Düsennadel (4) versperrt, und daß die zweite Nut (15) über eine Leitung (16) mit dem Druckraum (11) in einem Düsenkörper (2) verbindbar ist (Fig. 1).

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Rundkerbe (12) von einer in Schließstellung der Düsennadel (4) auf gleicher Höhe befindlichen Ringnut (14) umgeben ist, daß die Ringnut (14) mit der Zulauflaufung (7) verbunden ist und daß der Düsennadelschaft (10) mindestens eine diagonal verlaufende Bohrung (21) aufweist, welche einerseits in die Rundkerbe (12) und andererseits in die Druckschulter (9) mündet (Fig. 4).