DE4030106A1 - Kraftstoffeinspritzeinrichtung - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Kraftstoffeinspritz­ einrichtung für Brennkraftmaschinen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Direkt einspritzende Einspritzpumpen in Kraftstoffeinspritzeinrichtungen arbeiten nach dem Verdrängerprinzip und werden von der Brennkraftmaschine angetrieben. Demzufolge wird bei niedriger Drehzahl eine kleine Kraftstoffmenge und bei hoher Drehzahl eine große Kraftstoffmenge zur Kraftstoffeinspritzdüse gefördert. Bei konstantem Öffnungsquerschnitt der Kraftstoffeinspritzdüse bedeutet dies bei niedriger Drehzahl einen kleinen Einspritzdruck und bei hoher Drehzahl eine großen Einspritzdruck und davon abhängig eine schlechte Kraftstoffaufbereitung bei kleiner Drehzahl. Vermeiden läßt sich dieses nur durch Reduzierung des Querschnittes der Spritzöffnung bei kleinen Drehzahlen.

Man hat daher bereits vorgeschlagen, den Spritzöffnungsquerschnitt in zwei oder mehreren Stufen abhängig vom Einspritzdruck zu vergrößern (DE-P 39 41 151.6). Dies geschieht durch einen hydraulischen Anschlag, der mittels eines zwischen der Ventilnadel und sog. Folgekolben eingeschlossenen Kraftstoffpolster gebildet wird. Die Folgekolben sind jeweils von einer Schließfeder belastet, wobei die Rückstellkräfte der einzelnen Schließfedern zueinander abgestuft sind. Der Verschiebeweg der Folgekolben ist durch gehäusefeste Anschläge begrenzt. Zu Beginn des Einspritzvorgangs steigt der von der Einspritzpumpe zur Verfügung gestellte Kraftstoffdruck zunächst so weit an, daß die vom Kraftstoff auf den mit der Ventilnadel fest verbundenen Primärkolben ausgeübte resultierende Kraft, die über das Kraftstoffpolster auf die Folgekolben übertragen wird, die Kraft der Schließfeder des am wenigsten stark vorgespannten Folgekolbens übersteigt. Der Folgekolben weicht bis zu seinem gehäusefesten Anschlag aus. Dabei führt die Ventilnadel einen Teilhub aus, der kleiner ist als der Hub des Folgekolbens. Bei diesem Vorgang hebt der Schließkopf der Ventilnadel vom Ventilsitz ab und die am nächsten zum unteren Stirnrand des Düsenkörpers liegenden Spritzöffnungen treten aus dem Düsenkörper aus, so daß eine begrenzte Voreinspritzmenge des Kraftstoffes mit geringem Druck in die Brennkammer der Brennkraftmaschine gelangt. Am Ende des ersten Teilhubs schlägt der Primärkolben der Ventilnadel über das zwischen ihm und dem Ausweichkolben vorhandene Kraftstoffpolster an dem nächsten Folgekolben an, der von der etwas stärker vorgespannten Schließfeder belastet ist. Der Folgekolben hält die Ventilnadel so lange in ihrer ersten Teilhubstellung fest, bis der weiter angestiegene Kraftstoffdruck nun auch die Kraft dieser Schließfeder überwindet und der Folgekolben auf Anschlag zurückweicht. Die Ventilnadel führt jetzt einen zweiten Teilhub aus, bei welcher Kraftstoff mit höherem Druck durch einen größeren Spritzlochquerschnitt in die Brennkammer der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Dieser Vorgang kann noch mit weiteren Folgekolben fortgesetzt werden. Auf diese Weise kann das Verhältnis von für die Einspritzung freigebenem Öffnungsquerschnitt und Einspritzdruck aneinander angepaßt und eine gute Kraftstoffzerstäubung bei allen Drehzahlen erzielt werden.

Bei Versuchen mit solchen bekannten Einspritzdüsen hat sich herausgestellt, daß infolge des nur stufenweise freigegebenen Spritzöffnungsquerschnitts die Einspritzdauer bei großer Last relativ groß ist.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß der von der Ventilnadel freigegebene Spritzöffnungsquerschnitt und das Spritzdruckniveau variiert und an die momentanen Betriebsdedingungen der Brennkraftmaschine optimal adaptiert werden können. Dadurch ist eine bessere Zerstäubung des abgespritzten Kraftstoffs bei niedrigeren Drehzahlen und eine größere Eindringtiefe des Spritzstrahls in den Brennraum der Brennkraftmaschine bei höheren Drehzahlen erreichbar. Damit kann einerseits der Spritzdruckbereich eingeschränkt werden, so daß Einspritzdrücke über 1000 bar vermieden werden, und andererseits die Geräuscherzeugung und die Ruß,- Stickoxid- (NO_x) und Kohlenwasserstoff-(HC) Emission abgesenkt werden.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Kraftstoffeinspritzeinrichtung möglich.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird der von der Ventilnadel freigegebene Spritzöffnungsquerschnitt durch einen hydraulischen Anschlag festgelegt, der last- und drehzahlabhängig eingestellt wird. Der hydraulische Anschlag wird durch einen Ausweichkolben realisiert, der zwischen sich und einer mit der Düsen- oder Ventilnadel verbundenen Druckbeaufschlagungsfläche ein Kraftstoffpolster einschließt und dessen Hub mittels Nadelhubsteller in Abhängigkeit von Drehzahl und Last der Brennkraftmaschine einstellbar ist.

Der erfindungsgemäße Nadelhubsteller wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung durch ein in Hubrichtung des Ausweichkolbens verstellbares Stellglied und eine das Stellglied steuernde Stellvorrichtung gebildet, welche die Lage des Stellglieds in Abhängigkeit von Drehzahl und Last verändert. Das Stellglied trägt einen Anschlag für den Ausweichkolben. Zwischen dem Stellglied und dem Ausweichkolben stützt sich eine Rückstellfeder ab.

Das von dem zur Einspritzung vorgesehenen Kraftstoff separierte Kraftstoffpolster hat noch den zusätzlichen Vorteil, daß der hydraulische Anschlag wahlweise während des gesamten Einspritzvorgangs oder während eines Teils des Einspritzvorgangs aufgehoben werden kann, was durch Öffnen des Sperrventils geschieht. Wird das bei Spritzbeginn geschlossene Sperrventil vor Spritzende geöffnet, so kann gegen Spritzende mit vollem Querschnitt abgespritzt werden. Auf diese Weise kann bei Vollast eine Art Voreinspritzung realisiert werden, wie sie zur Geräuschreduzierung vorteilhaft ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird zur gegenseitigen Anpassung von freigegebenem Spritzöffnungsquerschnitt und Spritzdruckniveau der Kraftstoffdruck im Druckraum vor Beginn des eigentlichen Kraftstoffabspritzens drehzahl- und lastabhängig eingestellt. Damit wird die Schließfeder hydraulisch unterstützt, wobei die Unterstützung derart erfolgt, daß das Kraftstoffvolumen nach außen dicht abgeschlossen ist. Die Kompressibilität des Kraftstoffvolumens ergibt eine zusätzliche Elastizität. Durch die Einstellung des Kraftstoffdrucks kann die Vorspannkraft der Schließfeder und damit deren Federkennlinie entsprechend angehoben oder abgesenkt werden. Dadurch wird wieder bei niedriger Drehzahl durch einen nur freigegebenen kleineren Spritzöffnungsquerschnitt ein höherer Spritzdruck erreicht als dies mit konstantem Spritzlochquerschnitt der Fall wäre.

Durch die last- und drehzahlabhängige Festlegung der Federvorspannkraft vor Spritzbeginn kann der Öffnungsdruck des Einspritzventils kennfeldabhängig gesteuert werden. Durch die Änderung der Vorspannkraft während des Spritzvorgangs kann zusätzlich die abgespritzte Kraftstoffmenge kennfeldabhängig beeinflußt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Einstellung des Kraftstoffdrucks im Druckraum dadurch realisiert, daß zusätzlich der Druckraum über ein Umschaltventil an der mit der Einspritzdüse verbundenen Einspritzpumpe angeschlossen wird. Zur Druckbeaufschlagung der Ventilnadel in Öffnungsrichtung ist an der Ventilnadel eine zweite Druckbeaufschlagungsfläche mit einem gegenüber der ersten Druckbeaufschlagungsfläche kleineren Querschnitt vorgesehen, die in einem mit der Einspritzpumpe verbundenen zweiten Druckraum angeordnet ist. Da die Querschnittsfläche der ersten Druckbeaufschlagungsfläche größer ist als die der zweiten Druckbeaufschlagungsfläche bleibt die Einspritzdüse so lange geschlossen, bis das Umschaltventil die Verbindung zwischen erstem Druckraum und Einspritzpumpe unterbricht. Erst danach vermag der Druck im zweiten Druckraum den Druck im ersten Druckraum zu übersteigen, so daß nunmehr die Ventilnadel öffnet. Je länger also das Umschaltventil nach Förderbeginn der Einspritzpumpe die Verbindung zwischen erstem Druckraum und Einspritzpumpe offen hält, desto mehr Kraftstoff wird in den ersten Druckraum gefördert und desto stärker wird die Federvorspannkraft der Schließfeder angehoben. Über die Zeitspanne des Offenhaltens des Umschaltventils kann somit der Öffnungsdruck der Einspritzdüse bestimmt werden.

Öffnet das Umschaltventil nach vorausgegangener Sperrung der Verbindung zwischen Einspritzpumpe und erstem Druckraum wieder, so wird die Ventilnadel über die erste Druckbeaufschlagungsfläche zwangsweise geschlossen. Das Nadelschließen erfolgt damit unabhängig vom Druck vor der Düsenöffnung. Beim Schließen der Einspritzdüse ist dadurch noch ein hoher Druck im Düsenraum vorhanden, so daß der Spritzstrahl scharf abgeschnitten wird und kein Nachtropfen auftritt.

Um den Systemdruck zu begrenzen, ist gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung an der Verbindung zwischen erstem Druckraum und Umschaltventil ein zu einer Entlastungsleitung hin öffnendes Überdruckventil angeschlossen, das den Druck in der Verbindungsleitung auf ca. 300 bar begrenzt.

Mittels des Umschaltventils kann - wie beschrieben - sowohl die abgespritzte Kraftstoffmenge beeinflußt werden, als auch die Spritzdauer künstlich durch eine Voreinspritzung verlängert werden, indem das Umschaltventil während des Abspritzens kurzzeitig die Verbindung zwischen erstem Druckraum und Einspritzpumpe herstellt und dadurch den Einspritzvorgang unterbricht. Um dies zu bewerkstelligen, wird gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung als Umschaltventil ein schnelles Magnetventil mit kleinem Öffnungsquerschnitt verwendet.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Kraftstoff­ einspritzeinrichtung mit ausschnittweise im Längsschnitt dargestellter Kraftstoffeinspritz­ düse,

Fig. 2 ausschnittweise einen Längsschnitt der Kraftstoffeinspritzdüse in Fig. 1,

Fig. 3 ein Diagramm des Ventil- oder Düsennadelhubs h als Funktion des Einspritzdrucks p bei der Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Fig. 1 und 2,

Fig. 4 eine etwas schematisierte konstruktive Darstellung einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, ausschnittweise,

Fig. 5 ein Kennlinienfeld der Abhängigkeit von Einspritzdruck p und Ventil- oder Düsennadelhub h bei unterschiedlicher hydraulischer Vorspannkraft F der Schließfeder bei der Kraftstoffeinspritz­ einrichtung gemäß Fig. 4,

Fig. 6 ein Diagramm verschiedener Steuerkennlinien in Abhängigkeit vom Steuernocken-Drehwinkel bei der Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß Fig. 4.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die in Fig. 1 schematisch skizzierte Kraftstoffeinspritz­ einrichtung weist in bekannter Weise eine Kraftstoffeinspritzpumpe 10 auf, deren Pumpeninnenraum von einer Kraftstofförderpumpe 11 aus einem Kraftstofftank 12 mit Kraftstoff versorgt wird. Die Kraftstoffeinspritzpumpe 11 fördert mittels eines nicht dargestellten Pumpenkolbens eine entsprechend den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine dosierte Kraftstoffmenge mit Einspritzdruck zu einer Kraftstoffeinspritzdüse 13, über welche die zugemessene Kraftstoffmenge in eine Brennkammer der Brennkraftmaschine eingespritzt wird.

Wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, hat die Einspritzdüse 13 einen Düsenkörper 14, der zusammen mit einer Zwischenbuchse 15 durch eine Überwurfmutter 16 an einem Düsenhalter 17 festgespannt ist. Der Düsenkörper 14 hat eine zentrale Stufenbohrung 18 mit einem oberen Bohrungsabschnitt 181 mit kleinerem Durchmesser und einem unteren Bohrungsabschnitt 182 mit größerem Bohrungsdurchmesser.

Am freien Ende des Düsenkörpers 14 ist ein die Stufenbohrung 18 umgebender ringförmiger Ventilsitz 19 ausgebildet, mit dem ein Schließkopf 20 einer Düsen- oder Ventilnadel 21 zusammenwirkt. Die Ventilnadel 21 ist im oberen Bohrungsabschnitt 181 unmittelbar und im unteren Bohrungsabschnitt 182 über eine mit ihr fest verbundene Ventilhülse 22 jeweils axial verschieblich geführt. Die Ventilhülse 22 ist mit mehreren Spritzöffnungen 23 versehen, die mit einem zwischen Ventilnadel 21 und Ventilhülse 22 liegenden Ringkanal 24 in Verbindung stehen, der seinerseits über Radialbohrungen 25 in der Ventilhülse 22 mit dem im oberen Bereich nicht von der Ventilhülse 22 ausgefüllten Bohrungsabschnitt 182 verbunden ist. In dem genannten Bereich des Bohrungsabschnitts 182 münden im Düsenkörper 14 sich axial erstreckende Versorgungsbohrungen 26, die von einem Ringraum 27 ausgehen, der in der vom Ventilsitz 19 abgekehrten Stirnseite des Düsenkörpers 14 als Nut eingebracht ist. Ausgehend vom Ringraum 27 verläuft in der Wand der Zwischenbuchse 15 eine Kraftstoffzulaufbohrung 28, die sich im Düsenhalter 17 fortsetzt und dort in einer ersten Anschlußöffnung 29 mit Anschlußgewinde 30 mündet (Fig. 1). An dieser ersten Anschlußöffnung 29 ist die Kraftstoffeinspritzpumpe 11 angeschlossen, und zugleich ein Entlastungsventil 31, das in seiner Grundstellung die Anschlußöffnung 29 an eine Entlastungsleitung 32 legt und in seiner Umschaltstellung die Anschlußöffnung 29 von der Entlastungsleitung 32 trennt. Weiterhin verläuft in der Buchsenwand der Zwischenbuchse 15 ein Verbindungskanal 33, der sich ebenfalls im Düsenhalter 17 bis zu einer zweiten Anschlußöffnung 34 mit Anschlußgewinde 35 fortsetzt (Fig. 1) und am anderen Ende im Innenraum 36 der Zwischenbuchse 15 mündet, und zwar im unteren, dem Düsenkörper 14 zugekehrten Endbereich (Fig. 2).

Koaxial zum Innenraum 36 erstreckt sich von der der Zwischenbuchse 15 zugekehrten Stirnseite des Düsenhalters 17 aus eine Sacklochbohrung 37, deren Innendurchmesser etwa dem des Innenraums 36 entspricht. Am Grunde der Sacklochbohrung 37 mündet kaoxial eine zentrale Bohrung 38, in welcher der Taststift 39 eines Nadelhubgebers 40 (Fig. 1) geführt ist. Außerdem mündet am Grunde der Sacklochbohrung 37 eine Leckölbohrung 41. Im Innenraum 36 der Zwischenbuchse 15 und in der Sackbohrung 37 des Düsenhalters 17 ist ein Kolben 42 mit Innenbohrung 43 axial verschieblich geführt. Die Ventilnadel 21 ragt durch die Innenbohrung 43 hindurch und ist an ihrem in der Sacklochbohrung 37 liegenden Ende mittels einer das kopfartig ausgebildete Ventilnadelende formschlüssig umgreifenden Befestigungskappe 44 am Kolben 42 festgespannt. Der Kolben 42 wird mittels einer Schließfeder 45, die sich einerseits an einer Ringschulter 46 der Zwischenbuchse 15 und andererseits über einen Federteller 47 am Kolben 42 abstützt gegen die Befestigungskappe 44 gedrückt, die sich ihrerseits formschlüssig am Kopfende der Ventilnadel 21 abstützt. Dadurch preßt die Schließfeder 45 den Schließkopf 20 der Ventilnadel 21 mit ausreichender Anpreßkraft auf den Ventilsitz 19 am Düsenkörper 14 auf. Entgegen der Kraft der Schließfeder 45 wirkt eine Druckbeaufschlagungsfläche 48, die an dem von dem Ventilsitz 19 abgekehrten Ende der Ventilhülse 22 ausgebildet ist und die eine Verschiebung der Ventilnadel 21 bewirkt, sobald über die Kraftstoffzulaufbohrung 28, den Ringraum 27 und den Versorgungsbohrungen 26 dem Bohrungsabschnitt 182 und dem Ringkanal 24 unter Einspritzdruck stehender Kraftstoff zugeführt wird. Mit Verschieben der Ventilnadel 21 hebt deren Schließkopf 20 vom Ventilsitz 19 ab und die Spritzöffnungen 23 treten aus dem Bohrungsabschnitt 182 des Düsenkörpers 14 aus, wodurch Kraftstoff in die Brennkammer der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Je nach Größe des Ventilnadelhubs wird dabei ein zunehmend großer Einspritzöffnungsquerschnitt freigegeben. Dies kann dadurch bewerkstelligt werden, daß mehrere Spritzöffnungen 23 in Axialrichtung nebeneinander angeordnet sind. Bevorzugt werden aber die im Ausführungsbeispiel vier Spritzöffnungen 23 als rechteckige Schlitze ausgebildet, die eine axiale Breite von 0,6 mm haben und 0,3 mm vor dem am Ventilsitz 19 liegenden Ende der Ventilhülse 22 enden.

Die zweite Anschlußöffnung 34 (Fig. 1) im Düsenhalter 17 ist mit einer in einem Gehäuse 49 eingebrachten Ausweichkammer 50 verbunden, die von einem Ausweichkolben 51 begrenzt ist. In dem Gehäuse 49 ist ein Stellglied eines Nadelhubstellers 53 verschraubbar, das als Gewindespindel 52 ausgebildet ist, die sich in einem zur Ausweichkammer 50 koaxialen Innengewinde 54 im Gehäuse 49 verschraubt. Die Stirnfläche der Gewindespindel 52 bildet dabei einen Hubanschlag 62 für den Ausweichkolben 51. Die Gewindespindel 52 trägt ein zentrales Sackloch 55, in welcher eine Rückstellfeder 56 einliegt, die sich einerseits am Sackgrund und andererseits am Ausweichkolben 51 abstützt. Die Gewindespindel 42 wird über ein Zahnradgetriebe 57 von einem reversiblem Stellmotor 28 angetrieben, der von einem elektronischen Steuergerät 59 gesteuert wird. Dem Steuergerät 59 werden Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, wie Drehzahl und Last, zugeführt, weiterhin das Ausgangssignal des Nadelhubgebers 40, der den tatsächlichen Öffnungshub der Ventilnadel 21 erfaßt. Das Steuergerät 59 erzeugt eine Steuerspannung für den Stellmotor 58, wodurch über das Zahnradgetriebe 57 die Gewindespindel 52 entsprechend verstellt wird. Damit ist der Hub des Ausweichkolbens 51 abhängig von Last und Drehzahl der Brennkraftmaschine festgelegt.

Die Ausweichkammer 50 ist über eine Querbohrung 60 an der Kraftstofförderpumpe 11 angeschlossen, wobei in der Verbindungsleitung ein Sperrventil 61 eingeschaltet ist. Das Sperrventil 61 stellt in seiner Grundstellung eine Verbindung zwischen der Kraftstofförderpumpe 11 und der Ausweichkammer 50 her und sperrt in seiner Arbeitstellung diese Verbindung, so daß das zwischen der Ausweichkammer 50 und dem von der Stirnfläche 421 des Kolbens 42 begrenzten Innenraum 36 der Zwischenbuchse 15 eingeschlossene Kraftstoffvolumen abgesperrt ist.

Die Wirkungsweise der beschriebenen Kraftstoffeinspritzdüse ist wie folgt:

Zu Beginn eines Einspritzvorgangs wird das Sperrventil 61 geschlossen. Danach schließt das Entlastungsventil 31. Die Einspritzpumpe 10 fördert unter Einspritzdruck stehenden Kraftstoff in die Einspritzdüse 13. Der Kraftstoffdruck im Bohrungsabschnitt 182 der Bohrung 18 im Düsenkörper 14 steigt zunächst so weit an, daß die vom Kraftstoff auf die Druckbeaufschlagungsfläche 18 an der Ventilhülse 22 ausgeübte resultierende Kraft die Kraft der Schließfeder 45 überwindet. Die Ventilnadel 21 beginnt ihren Öffnungshub, wobei ihr Schließkopf 20 von dem Ventilsitz 19 nach außen abhebt und ein hubabhängiger Spritzöffnungsquerschnitt aus dem Düsenkörper 14 austritt, über welchen Kraftstoff ausströmt.

Der Hubverlauf h der Ventilnadel 21 in Abhängigkeit vom Kraftstoffdruck p im Bohrungsabschnitt 182 der Bohrung 18 ist in Fig. 3 dargestellt. Die Ventilnadel 21 führt den Hub h_o aus, dessen Verlauf ausschließlich von der Kennlinie der Schließfeder 45 bestimmt wird (Kennlinienast a). Bei dem Hub der Ventilnadel 21 wird der Kolben 42 mitgenommen, dessen als Druckbeaufschlagungsfläche wirkende Stirnfläche 421 über das eingeschlossene Kraftstoffpolster den Ausweichkolben 51 bis an den Anschlag 62 an der Gewindespindel 52 verschiebt. Hat die Ventilnadel 51 den Hub h_o ausgeführt, so liegt der Ausweichkolben 51 am Anschlag 62 an. Der weitere Hubverlauf der Ventilnadel 21 wird von der Elastizität des zwischen der Druckbeaufschlagungsfläche 421 am Kolben 42 und dem Ausweichkolben 51 eingeschlossenen Kraftstoffvolumens bestimmt. Der Hubverlauf der Ventilnadel 21 entspricht dem Kennlinienast b in Fig. 3. Die Spritzöffnungen 23 treten entsprechend dem Ventilnadelhub mehr oder weniger aus dem Düsenkörper 11 aus, so daß sich der zur Einspritzung freigegebene Querschnitt entsprechend dem an der Ventilnadel 21 anliegenden Druck p ändert. Mittels Steuergerät 59 und Stellmotor 58 wird durch die Einstellung des Hubs d des Ausweichkolbens 51, der von der Ventilnadel 21 ausübbare Hub h_o entsprechend der Drehzahl und der Last der Brennkraftmaschine eingestellt. Wird der Hub h des Ausweichkolbens 51 verkleinert, so durchläuft die Ventinadel 21 nur den Hubweg bis zum Hub h_o′ bzw. h_o′′ in Fig. 3, bevor sie auf den hydraulischen Anschlag läuft. Entsprechend kleiner ist der freigegebene Spritzöffnungsquerschnitt.

Wird das Sperrventil 61 gegen Ende des Einspritzvorgangs wieder geöffnet, so fällt der hydraulische Anschlag weg und die Ventilnadel 21 führt einen Hub gemäß dem Kennlinienast c in Fig. 3 aus. Dabei wird der volle Spritzöffnungsquerschnitt freigegeben. Auf diese Weise kann durch Schließen des Sperrventils 61 zu Beginn des Einspritzvorgangs und Öffnen des Sperrventils 61 vor Ende des Einspritzvorgangs bei Vollast eine Art Voreinspritzung realisiert werden, wie sie für die Geräuschabsenkung vorteilhaft ist.

Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, das Sperrventil 61 während des gesamten Einspritzvorgangs geöffnet zu halten. In diesem Fall ist der hydraulische Anschlag unwirksam und die Ventilnadel 21 durchläuft einen ausschließlich von der Kennlinie der Schließfeder 45 bestimmten Hubweg bis zur Freigabe des vollen Spritzöffnungsquerschnittes gemäß Kennlinienast a einschließlich dessen strichlinierter Verlängerung.

Das Gehäuse 49 mit Ausweichkammer 50 und Ausweichkolben 51 kann mit dem Düsenhalter 17 einstückig ausgeführt oder in diesen integriert werden. Bevorzugt wird dieses jedoch als separates Bauteil ausgeführt, um alle Einspritzdüsen einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine anzuschließen. In Fig. 1 sind die Anschlußleitungen zu den weiteren Einspritzdüsen der vierzylindrigen Brennkraftmaschine mit II, III und IV bezeichnet. Für die gesamte Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist damit unabhängig von der Anzahl der erforderlichen Einspritzdüsen 13 nur ein einziger Nadelhubsteller 53 erforderlich.

Die in Fig. 4 mit konstruktiven Details als weiteres Ausführungsbeispiel dargestellte Kraftstoffeinspritzeinrichtung der Reihenbauart des Typs PE oder PES weist wiederum eine Kraftstoffeinspritzpumpe zur Erzeugung des Einspitzdrucks, eine mechanische Förderpumpe zur Ansaugung und Förderung des Kraftstoffs vom Kraftstoffbehälter zum Saugraum der Einspritzpumpe, einen mechanischen Drehzahlregler und einen Spritzversteller zur drehzahlabhängigen Verstellung des Einspritzbeginns auf, die alle zu einem kompletten Einspritzaggegrat zusammengefaßt sind. Die Einspritzpumpe für die direkte Einspritzung weist für jeden Verbrennungszylinder der Brennkraftmaschine ein Pumpenelement 70, bestehend aus Pumpenzylinder 71 und Pumpenkolben 72 auf, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Der Pumpenkolben 72 ist axial verschieblich in dem in einem Pumpengehäuse 69 gehaltenen Pumpenzylinder 71 geführt und wird von einem auf der Nockenwelle 73 der Brennkraftmaschine sitzenden separaten Nocken 74 zur Hubbewegung angetrieben. Pumpenkolben 72, Pumpenzylinder 71 und ein in das Pumpengehäuse 69 eingeschraubtes Druckstück 75 begrenzen einen Pumpenarbeitsraum 76, der über eine Axialbohrung 77 im Druckstück 75, über ein Druckventil 78 und über eine Druckleitung 79 mit der ersten Anschlußöffnung 29 der Kraftstoffeinspritzdüse 13 in Fig. 1 und 2 verbunden ist. Das Druckventil 78 hat die Aufgabe, die Druckleitung 79 von dem Pumpenarbeitsraum 76 zu trennen und dadurch zu entlasten. Außerdem hält es einen Restdruck in der Druckleitung 79 aufrecht. Der Pumpenarbeitsraum 76 kann über eine Ansaugbohrung 80 im Pumpenzylinder 71 und einen Kraftstoffzulauf 81 im Pumpengehäuse 69 aus dem Saugraum der Einspritzpumpe mit Kraftstoff befüllt werden. Da der Pumpenkolben 72 einen konstanten Hub ausführt, wird die jeweils geforderte Kraftstoffüllmenge im Pumpenarbeitsraum 76 mittels einer Steuerkante eingestellt, die an einer schraubenförmigen Ausfräsung 82 im Pumpenkolben 72 ausgebildet ist. Im unteren Totpunkt des Pumpenkolbens 72 strömt Kraftstoff durch die Ansaugbohrung 80 in den Pumpenarbeitsraum 76. Der aufwärtsgehende Pumpenkolben 72 verschließt die Ansaugbohrung 80 und preßt den Kraftstoff durch das Druckventil 78 zur Kraftstoffeinspritzdüse 13. Bei einer bestimmten Hubhöhe verbindet die Ausfräsung 82 den Pumpenarbeitsraum 76 mit der Ansaugbohrung 80 und der Kraftstoff im Pumpenarbeitsraum 76 strömt über die Ansaugbohrung 80 in den Saugraum ab. Nach diesem Absteuern fördert der Pumpenkolben 72 bis zum Erreichen des oberen Totpunktes keinen Kraftstoff mehr zur Kraftstoffeinspritzdüse 13. Da die Ausfräsung 82 mit Steuerkante schräg über den Umfang des Pumpenkolbens 72 verläuft, ist der Weg, den der Pumpenkolben 72 bis zum Absteuern zurücklegt, davon abhängig, in welche Lage sich die Steuerkante zur Ansaugbohrung 80 befindet. Diese Lage wird durch Verdrehen des Pumpenkolbens 72 geändert, was durch eine am Pumpenkolben 72 in Drehrichtung angreifende Regelstange 83 bewirkt wird. Die Regelstange 83 wird von dem Drehzahlregler betätigt und dreht über eine Regelhülse 84 den Pumpenkolben 72.

Im Druckstück 75 führt eine Radialbohrung 85 von der Axialbohrung 77 zu einem Anschlußmund 86, an dem ein als 2/2-Wegeventil ausgebildetes Magnetventil 87 mit seinem einen Ventilanschluß 88 angeschlossen ist. Der andere Ventilanschluß 89 des Magnetventils 87 ist über eine Druckleitung 90 mit der zweiten Anschlußöffnung 34 der Kraftstoffeinspritzdüse 13 in Fig. 1 und 2 verbunden. An der Druckleitung 90 ist ein Überdruckventil 91 angeschlossen, das oberhalb eines Druckes von ca. 300 bar zu einer Entlastungsleitung 92 hin öffnet.

Zur gegenseitigen Anpassung des momentan freigegebenen Spritzöffnungsquerschnitts der Spritzöffnungen 23 in der Einspritzdüse 13 an das von dem Pumpenelement 70 erzeugte Spritzdruckniveau wird mittels des Magnetventils 87 an der Ventilnadel 21 eine in Schließwirkung wirkende hydraulische Gegenkraft erzeugt, deren Größe und Angriffszeitpunkt während des Einspritzvorgangs in Abhängigkeit von der Drehzahl und der Last der Brennkraftmaschinen sowie ggf. von weiteren Betriebskenngrößen, wie Schwärzungsziffer und Motortemperatur, eingestellt wird. Dies geschieht dadurch, daß mittels eines Steuergeräts 93 das Magnetventil 87 in Schließ- und Öffnungsstellung gesteuert wird, so daß das zwischen Druckbeaufschlagungsfläche 421 an der Ventilnadel 41 und Magnetventil 87 befindliche Kraftstoffpolster entweder an das Pumpenelement 70 angeschlossen oder von dieser getrennt wird. Ist das Magnetventil 87 geöffnet, so entspricht der auf die Druckbeaufschlagungsfläche 421 an der Ventilnadel 21 wirkende Druck dem vom Pumpenelement 70 erzeugten Einspritzdruck. Dadurch erhöht sich die Vorspannkraft F der Schließfeder 45, und deren Kennlinie wird angehoben. In Fig. 5 ist ein Diagramm dargestellt, das den Zusammenhang von Einspritzdruck p und Ventilnadelhub h der Ventilnadel 21 zeigt. Durch die beschriebene hydraulische Vergrößerung der Vorspannkraft F an der Ventilnadel 21 kann die Kennlinie, die quasi die Summe aus Federkennlinie der Schließfeder und hydraulischer Gegenkraft ist, zu größeren Drücken p hin verschoben werden (Richtung Pfeil F in Fig. 5). Entsprechend den in der Beschreibung zu Fig. 2 angegebenen Maßen der Spritzöffnungen 23 (Abstand vom Düsenkörperende = 0,3 mm, axiale Schlitzbreite = 0,6 mm) beginnen bei einem Hub h von 0,3 mm die Spritzöffnungen 23 zu öffnen. Bei einem Hub h von 0,9 mm ist der volle Spritzöffnungsquerschnitt gegeben. Zwischen diesen beiden Hubwerten ist in Fig. 5 die Durchflußkennlinie DK eingezeichnet, die sich mit höherer Drehzahl in Richtung Pfeil n verschiebt. Bei einer bestimmten hydraulischen Vorspannkraft F führt die Ventilnadel 21 ein Teilhub aus und es stellt sich der Arbeitspunkt I ein. Wird die Vorspannkraft F erhöht, so erhält man den Arbeitspunkt II. Deutlich ist zu erkennen, daß bei niedrigen Drehzahlen der Spritzdruck durch Vergrößern der Vorspannkraft F angehoben wird. Ohne diese Maßnahme der druckabhängigen Freigabe des Spritzöffnungsquerschnitts und mit einem konstanten, von dem Ventilnadelhub unabhängigen Spritzöffnungsquerschnitt würde sich der Arbeitspunkt III einstellen, in dem der Spritzdruck erheblich niedriger liegt.

Zu Erzielung dieser beschriebenen kennfeldabhängigen Steuerung von Spritzöffnungsdruck und Spritzquerschnitt wird mittels des Steuergeräts 93 das stromlos offene Magnetventil 87 wie folgt gesteuert:

Vor Beginn des Einspritzvorgangs ist das Magnetventil 87 geöffnet und damit der Druckraum 36 in der Einspritzdüse 13 mit dem Pumpenarbeitsraum 76 des Pumpenelements 70 verbunden. Der Druck im Pumpenarbeitsraum 76 beaufschlagt die Druckbeaufschlagungsfläche 421 an der Ventilnadel 21 in Schließrichtung. Nach Öffnen des Druckventils 78 beaufschlagt der gleiche Druck die Druckbeaufschlagungsfläche 48 an der Ventilnadel 21 in Öffnungsrichtung. Da die Druckbeaufschlagungsfläche 421 eine größere Querschnittsfläche aufweist als die Druckbeaufschlagungsfläche 48 bleibt die Enspritzdüse 13 geschlossen. Erst nach Schließen des Magnetventils 87 wird der an der Druckbeaufschlagungsfläche 421 wirksame Druck von dem ansteigenden Enspritzdruck abgekoppelt, und wenn der Druck im Bohrungsabschnitt 182 der Stufenbohrung 18 genügend weit angestiegen ist, wird die Ventilnadel 21 in Öffnungsrichtung verschoben und die Kraftstoffeinspritzdüse 13 öffnet sich. Durch die Zeitspanne, während derer vor Beginn des Kraftstoffeinspritzvorgangs das Magnetventil 87 geöffnet bleibt, kann also der Druck an der Druckbeaufschlagungsfläche 421 und damit die an der Ventilnadel 21 angreifende Vorspannkraft F festgelegt werden.

Die Steuerkennlinie, nach welcher das Steuergerät 93 das Magnetventil 87 steuert, ist in Fig. 6 dargestellt. In Abhängigkeit vom Nockenwinkel α des Nockens 74 ist zunächst der Hubverlauf des Pumpenkolbens 72 dargestellt. Diese Kennlinie ist mit HP gekennzeichnet. Über einen Nockenwinkel α durchläuft dabei der Pumpenkolben 72 einen unteren Totpunkt UT und einen oberen Totpunkt OT. Die Kennlinie QS zeigt den Querschnitt der von der Ausfräsung 82 mit Steuerkante im Pumpenkolben 72 gebildeten Absteuerbohrung, Solange dieser Querschnitt größer Null ist, wird der Pumpenarbeitsraum 76 mit Kraftstoff gespült. Schließt die Absteuerbohrung (Querschnitt = 0), so setzt der Förderhub des Pumpenkolbens 72 ein. Die strichliniert dargestellte Kennlinie MV zeigt den Öffnungsquerschnitt des Magnetventils 87. Wie zu erkennen ist, öffnet das Magnetventil 87 im UT des Pumpenkolbens 72 durch Wegfall der Magneterregung und wird nach einer Vorspannzeit t_V durch Anlegen eines Schließimpulses geschlossen. Wie vorstehend beschrieben, wird zur Adaptierung von Spritzdruck und Spritzöffnungsquerschnitt an die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine die Vorspannzeit t_V in Abhängigkeit von der Drehzahl n, der Last h_R sowie evtl. von der Motortemperatur T und der Schwärzungsziffer SZ gesteuert, die alle dem Steuergerät 93 zugeführt werden. Zugleich wird dem Steuergerät 93 auch der momentane Nockendrehwinkel α des Nockens 54 zugeführt. Das Steuergerät 93 legt nunmehr den Schließbeginn des Magnetventils bezüglich des Nockenwinkels α fest und steuert zu dem Zeitpunkt, in dem dieser Nockenwinkel am Pumpenelement 70 eingestellt ist, das Magnetventil 87 in Schließstellung. Die Größe der Vorspannzeit t_V bestimmt dabei die Höhe der an der Ventilnadel 21 in Schließrichtung angreifenden hydraulischen Gegenkraft F und legt damit die Höhe des Öffnungsdrucks des Einspritzventils 13 fest. Wie in Fig. 6 angedeutet ist, wird bei kleinen Drehzahlen (n_min) die Vorspannzeit t_V vergrößert und zu größeren Drehzahlen (n_max) die Vorspannzeit t_V verkleinert. Die Drehlzahl n der Brennkraftmaschine wird dem Steuergerät 93 von einem Drehzahlgeber 94 zugeführt, der die Drehwinkeländerung der Nockenwelle 73 erfaßt. Dieser Drehzahlgeber 94 kann gleichzeitig dazu verwendet werden, auch den Nockenwinkel α dem Steuergerät 93 einzugeben. Die Last der Brennkraftmaschine wird entweder von der Regelstange 83 oder vom Gaspedal abgenommen und mittels eines Lastgebers 95 als elektrisches Istwertsignal h_R dem Steuergerät 93 zugeführt.

Mittels des Steuergeräts 93 kann neben der Anpassung von Einspritzdruck und Spritzöffnungsquerschnitt zusätzlich die von der Kraftstoffeinspritzdüse 13 abgespritzte Kraftstoffmenge beeinflußt werden. Wenn vor Beginn des Aufsteuerns der Absteuerbohrung (Kennlinie QS nimmt Werte größer Null an), die das Förderende des Pumpenelements 70 festlegt, das Magnetventil 87 öffnet, so wird durch den an die Druckbeaufschlagungsfläche 421 gelangenden Einspritzdruck die Einspritzdüse 13 noch vor Förderende zwangsweise geschlossen. Zu diesem Zeitpunkt ist noch hoher Druck im Bohrungsabschnitt 382 vor dem Ventilsitz 19 vorhanden, so daß beim Schließen der Ventilnadel 21 der Spritzstrahl scharf abgeschnitten wird und kein Nachtropfen auftritt. Der Nockenwinkelbereich, in dem die Ventilnadel 21 einen Hub ausführt und damit Kraftstoff abgespritzt wird, ist in Fig. 6 für minimale Drehzahl mit α_SD bezeichnet. Je nach Größe der Vorspannzeit t_V wird dieser Bereich zu kleineren Nockenwinkeln hin vergrößert.

Mit dem Steuergerät 93 kann zusätzlich eine Voreinspritzung realisiert werden, indem das Magnetventil 87 nach Beginn der Kraftstoffeinspritzung kurzzeitig geöffnet wird. Hierzu wird gemäß der Steuerkennlinie in Fig. 6 nach Schließen des Magnetventils 87 bei einem Nockenwinkel α durch kurzzeitigen Wegfall der Magneterregung das Magnetventil 87 in Offenstellung umgesteuert. Voraussetzung für die Realisierung einer solchen Voreinspritzung ist eine hohe Schaltgeschwindigkeit des Magnetventils 87. Dies läßt sich jedoch leicht realisieren, da das Magnetventil 87 nur einen sehr kleinen Öffnungsquerschnitt schalten muß.

Claims (18)

1. Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen, mit einer Kraftstoffeinspritzpumpe zur Erzeugung eines Kraftstoffeinspritzdrucks und mit einer mit der Kraftstoffeinspritzpumpe verbundenen Einspritzdüse zum Einspritzen einer zugemessenen Kraftstoffmenge in den Verbrennungszylinder der Brennkraftmaschine, die einen Düsenkörper mit Ventilsitz und eine mit dem Ventilsitz zum Freigeben und Schließen einer Düsenöffnung zusammenwirkende Ventilnadel aufweist, die von dem unter Einspritzdruck stehendem Kraftstoff in Sinne der Freigabe der Düsenöffnung und von einer Schließfeder im Sinne des Schließens der Düsenöffnung beaufschlagt ist und deren Hubweg die Größe des momentanen Durchflußquerschnitts der Düsenöffnung bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß an der Ventilnadel (21) eine in Schließrichtung der Düsenöffnung (23) wirkende hydraulische Gegenkraft angreift, deren Größe und/oder Angriffszeitpunkt während des Einspritzvorgangs in Abhängigkeit von der Drehzahl und Last der Brennkraftmaschine eingestellt wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der hydraulischen Gegenkraft mit der Ventilnadel (21) eine Druckbeaufschlagungsfläche (421) verbunden ist, die einen kraftstoffgefüllten Druckraum (36) begrenzt.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckraum (36) mit einer Ausweichkammer (50) verbunden ist, in welcher ein axial verschieblicher Ausweichkolben (51) angeordnet ist, der zwischen sich und der Druckbeaufschlagungsfläche (421) ein Kraftstoffvolumen einschließt, und daß der Hub des Ausweichkolbens (51) mittels eines Nadelhubstellers (53) in Abhängigkeit von Drehzahl und Last der Brennkraftmaschine einstellbar ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Nadelhubsteller (53) ein in Hubrichtung des Ausweichkolbens (51) verstellbares Stellglied (52), das einen im Hubweg des Ausweichkolbens (51) liegenden Anschlag (62) trägt, eine am Stellglied (52) und am Ausweichkolben (51) sich abstützende Rückstellfeder (55) und eine elektrische Stellvorrichtung (58, 59) aufweist, welche die Lage des Stellglieds (52) in Abhängigkeit von Drehzahl und Last der Brennkraftmaschine verändert.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des Stellglieds (52) zusätzlich entsprechend dem Ausgangssignal eines den Ventilnadelhub erfassenden Nadelhubgebers (40) adaptiv geregelt wird.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2-5 mit einer Förderpumpe zur Speisung der Einspritzpumpe mit Kraftstoff aus einem Kraftstofftank, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckraum (36) über einen Kraftstoffzulauf (34) mit der Förderpumpe (11) verbunden ist und daß der Kraftstoffzulauf (34) während des Kraftstoffeinspritzvorgangs absperrbar ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoffzulauf (34) über ein Sperrventil (61) mit der Förderpumpe (11) verbunden ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrventil (61) für die Dauer des Kraftstoffeinspritzvorgangs geschlossen ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrventil (61) während der Dauer des Kraftstoffeinspritzvorgangs geöffnet bleibt.

10. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrventil (61) mit Beginn des Kraftstoffeinspritzvorgangs geschlossen und vor Ende des Einspritzvorgangs wieder geöffnet wird.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7-11, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrventil (61) als 2/2-Wegemagnetventil ausgebildet ist.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3-12 für eine eine Mehrzahl von Zylindern aufweisenden Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Zylinder der Brennkraftmaschine eine Kraftstoffeinspritzdüse (13) zugeordnet ist und alle Kraftstoffeinspritzdüsen (13) an einem einzigen Nadelhubsteller (53) angeschlossen sind.

13. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoffdruck im Druckraum (36) vor Beginn des Einspritzvorgangs in Abhängigkeit von Drehzahl und Last der Brennkraftmaschine eingestellt wird.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß der unter Einspritzdruck stehende, auf die Ventilnadel (21) im Sinne der Freigabe der Düsenöffnung (23) wirkende Kraftstoff eine an der Ventilnadel (21) vorgesehene zweite Druckbeaufschlagungsfläche (48) beaufschlagt, die gegenüber der ersten Druckbeaufschlagungsfläche (421) einen kleineren Querschnitt aufweist und in einem mit der Einspritzpumpe (70) verbundenen zweiten Druckraum (182) angeordnet ist,
daß der erste Druckraum (36) mit der Einspritzpumpe (70) über ein Umschaltventil (87) verbunden ist, das diese Verbindung in der einen Ventilstellung zu sperren vermag, und daß die Druckeinstellung im ersten Druckraum (36) durch den Zeitpunkt des Umschaltens des Umschaltventils (87) in seine Sperrstellung bewirkt wird.

15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindung zwischen Einspritzpumpe (70) und zweitem Druckraum (182) ein bei einem vorgegebenen Druckniveau öffnendes Druckventil (78) eingeschaltet ist und daß die Verbindung von erstem Druckraum (36) zur Einspritzpumpe (70) unter Umgehung des Druckventils (78) hergestellt ist.

16. Einrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß an der Verbindung zwischen erstem Druckraum (36) und Umschaltventil (87) ein zu einer Entlastungsleitung (92) hin öffnendes Überdruckventil (91) angeordnet ist.

17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 14-16, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschaltventil als 2/2-Wegemagnetventil (87) mit Federrückstellung ausgebildet ist, das in seiner ungesteuerten Grundstellung geöffnet und in seiner umgesteuerten Arbeitsstellung geschlossen ist, und daß ein Steuergerät (93) einen Schließimpuls an das 2/2-Wegemagnetventil (87) legt, dessen Impulsbeginn in Abhängigkeit von Drehzahl und Last und ggf. weiteren Betriebsparametern der Brennkraftmaschine, wie Schwärzungsgrad, Motortemperatur u. dgl., festgelegt ist.

18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ventilhülse (22) die Ventilnadel (21) nahe dem Ventilsitz (19) unter Ausbildung eines Kraftstoffzulaufkanals (24) umgibt und mit dieser fest verbunden ist und daß die Ventilhülse (22) radiale Spritzöffnungen (23) in Form von Schlitzen aufweist, die so angeordnet und ausgebildet sind, daß mit zunehmendem Ventilnadelhub ein zunehmender Spritzöffnungsquerschnitt von dem Düsenkörper (14) freigegeben wird.