DE4123721C1 - Fuel injection system with pump and nozzle units - has laterally coupled pump duct to chamber in piston bush - Google Patents

Description

Die Erfindung handelt von einem aus Einspritzpumpeneinheit und Einspritzdüseneinheit bestehenden Einspritzsystem, bei dem die Einspritzpumpeneinheit eine Pumpenkolbenbüchse und einen Pum­ penkolben aufweist, die einen Pumpraum abschließen und jeweils über Steuerkanten bzw. Steuerbohrungen verfügen, die die Ver­ bindung zwischen Pumpraum und Saugraum bzw. Einspritzdüsen­ einheit herstellen und bei dem die Einspritzdüseneinheit besteht aus:

einem Düsenkörper, der in einer Düsenkuppe mit Abspritz­ bohrungen in verschiedener Höhe endet und innen einen Kegelsitz aufweist,
einer Schiebernadel, die einen Sitzkegel und ein Schieber­ teil aufweist und von einer ersten Feder mit ihrem Sitzkegel auf den Kegelsitz in der Düsenkuppe gedrückt wird, und einem ersten Anschlag für die Schiebernadel, der gegen die Kraft einer zweiten Feder bis zu einem zweiten Anschlag verschiebbar ist.

Eine gattungsgemäße Einspritzdüseneinheit ist etwa aus der DE 27 11 393 A1 bekannt. Bei dieser Düse gibt in der Aus­ führungsform der Fig. 1 die Schiebernadel der Reihe nach Ab­ spritzbohrungen in verschiedener Höhe frei.

Bei Einspritzbeginn wird die Schiebernadel zuerst bei Erreichen eines ersten Öffnungsdruckes gegen die Kraft der ersten Feder bis zu einem ersten Anschlag gehoben, wodurch die vom Kegelsitz ausgehenden Abspritzbohrungen freigelegt werden, und sodann, bei Erreichen eines zweiten Öffnungsdruckes, gegen die Kraft einer zweiten Feder weiter gehoben, wodurch schieberartig weitere Abspritzbohrungen geöffnet werden. Die Kraft der zweiten Feder und damit auch der zweite Öffnungsdruck sind dadurch verstellbar, daß das obere Federlager einen Kolben bildet, der mit Druckflüssigkeit beaufschlagbar ist.

Dadurch wird eine zweiphasige Einspritzung geschaffen, wobei die erste Phase als Voreinspritzung ausgebildet ist, bei der nur ein geringer Querschnitt freigegeben wird und in der zweiten Phase dann ein größerer Querschnitt. Mit der Ver­ stellung des zweiten Öffnungsdruckes wird aber nur die Zeit bis zur Fortsetzung des Hubes der Schiebernadel und deren Öffnungs­ geschwindigkeit bestimmt, nicht aber deren Hub selbst. Dieser ist ja durch einen festen Anschlag begrenzt. Mit dieser An­ ordnung wird bezweckt, die Abgrenzung zwischen Vor- und Haupt­ einspritzung in möglichst großen Bereichen des Kennfeldes zu erhalten. Das erfordert eine last- und vor allem drehzahl­ abhängige Verstellung der Vorspannkraft der Feder.

Nachteilig ist dabei, daß bei schwach eingestellter zweiter Ventilfeder die Öffnungsgeschwindigkeit und die Schließ­ geschwindigkeit noch niedriger wird. Ersteres führt zu einer längeren Einspritzdauer und durch das schleifende Öffnen zu einem schwenkenden Strahl, letzteres führt zur Ausbildung einer laminaren Fadenströmung am Einspritzende. Beides verursacht erhebliche Emissionen durch unvollständige Verbrennung, Wand­ berührung des Einspritzstrahles oder ungenügende Zerstäubung, letzteres vor allem bei der Voreinspritzung. Deshalb ist es wünschenswert, die Bewegung der Schiebernadel möglichst schnell und unabhängig vom Systemdruck zu halten.

Weiters ist dort nachteilig, daß die Haupteinspritzung über den gesamten Lastbereich bei demselben Querschnitt erfolgt. Dadurch ist bei der Wahl des Abspritzquerschnittes immer ein Kompromiß zwischen guter Zerstäubung und ausreichend kurzer Einspritz­ dauer im Hochlastbereich zu schließen, wobei jedenfalls Zu­ geständnisse an das Emissionsverhalten zu machen sind.

Nach neueren Erkenntnissen, insbesondere aus den Arbeiten, aus denen die vorliegende Erfindung hervorgegangen ist, sollte die Voreinspritzmenge wesentlich kleiner als bisher möglich und noch feiner zerstäubt sein.

Es hat sich gezeigt, daß durch feinste Zerstäubung einer sehr geringen Menge am Anfang sich auch der Zündverzug verkürzt. Diese Erkenntnis liegt bereits dem Konzept der "modulierten Einspritzung" bei Dieselmotoren mit Direkteinspritzung zu­ grunde, die Gegenstand der DE-Anmeldung 36 06 246 ist und darin besteht, durch feinste Zerstäubung bei möglichst hohem Druck in der ersten Einspritzphase den Zündverzug soweit zu verkürzen, daß die Haupteinspritzung in der zweiten Phase ohne Unter­ brechung daran anschließen kann. Um die feinste Zerstäubung der besonders geringen Menge während der ersten Phase der Ein­ spritzung zu ermöglichen, ist eine Zuströmung mit minimalen Druckverlusten und eine Drosselung erst durch einen besonders geringen Abspritzquerschnitt erforderlich.

Um aber auch während der zweiten Phase in allen Lastbereichen eine emissionsarme Verbrennung zu erhalten, sind große und variable, der einzuspritzenden Menge angepaßte Einspritzquer­ schnitte notwendig.

Dabei ergibt sich die Schwierigkeit, daß gemäß den oben ge­ nannten Arbeiten die Querschnittsanpassung und somit der Nadelhub nicht vom Pumpenraumdruck abhängig sein darf, da durch dessen steilen Anstieg und die Massenträgheit der beweglichen Düsenteile die Nadelstellung nicht beherrschbar ist. Sie muß es bei schieberartig wirkender Nadel aber sein, um sicher­ zustellen, daß die jeweiligen Abspritzbohrungen ganz oder gar nicht geöffnet sind, damit sich ein Strahl der gewünschten Gestalt ausbildet.

Aus der DE 35 11 328 A1 ist es zwar bekannt, den Nadelhub einer Zapfendüse in zwei Stufen zu verstellen, indem ein hydrau­ lischer Anschlag verstellbarer Höhe zur Begrenzung des Hubes der Düsennadel gebildet wird. Bei einer Zapfendüse (die nur für geringere Einspritzdüse in Vorkammermotoren eingesetzt wird) braucht die Position der Düsennadel aber nicht so genau be­ stimmt zu sein. Dadurch, daß es sich um einen rein hydrau­ lischen Anschlag handelt, wirkt der Kolben der Ventilnadel dämpfend. Das ist vor allem bei der Verstellung des hydrau­ lischen Anschlags zu geringerem Nadelhub störend, da auch diese behindert wird und eine ausreichende Zufuhr von den Polster bildender Flüssigkeit nicht in allen Betriebszu­ ständnissen gewährleistet ist.

Aus der DE 28 12 519 ist eine Einspritzdüse bekannt, bei der der Hub der Düsennadel ohne Änderung von Federcharakteristik und Öffnungsdruck veränderbar ist. Zur Verstellung des Hubes wird nach der Treibstoffpumpe Treibstoff relativ geringen Druckes abgezweigt und über ein Regelventil dem Düsenhalter zugeleitet und damit eine einen Steuerdruckraum bildende Steuerhülse verschoben. Diese weist Steuerbohrungen auf, die mit einem mit der Düsennadel verbundenen Kolben so zusammen­ wirken, daß sie bei Erreichen eines bestimmten Hubes abgedeckt werden und sich im Steuerdruckraum ein Flüssigkeitspolster - also wieder ein rein hydraulischer Anschlag - bildet.

Abgesehen davon, daß es sich auch hier um eine Zapfendüse mit nur einer Hubphase handelt, hat dieses System die folgenden Nachteile: Dadurch, daß der Steuerdruckraum von dem mit der Düsennadel verbundenen Kolben begrenzt ist, ändert er bei jedem Nadelhub sein Volumen, wodurch die Steuerbohrungen als Drossel­ stelle wirken und so das Öffnen und Schließen der Düsennadel bremsen. Langsames Schließen würde bei einer Lochdüse zum Nachtropfen und damit zu hohen Emissionen führen. Weiters ist der Druck der Steuerflüssigkeit auch bei sehr großem Quer­ schnitt der Steuerbüchse - der den Einbauquerschnitt der Düse in nachteiliger Weise vergrößert - nicht ausreichend, um gegen diese Pulsationen im Steuerdruckraum eine rasche Verschiebung der Steuerbüchse in jedem Fall zu gewährleisten, insbesondere bei den heute bei Direkteinspritzung üblichen sehr hohen Ein­ spritzdüsen.

Weiters ist aus der DE 38 18 862 A1 eine Einspritzdüse bekannt, die in einer Variante einen angebohrten Kegelsitz und darunter einen Schieberteil aufweist, der eine weitere Reihe von Ab­ spritzbohrungen freigibt. Die Hubsteuerung kann entweder über abgestufte Schließfedern mit den erwähnten Nachteilen oder mittels variabler Nadelhubbegrenzung erfolgen, ohne daß eine solche beschrieben wäre.

Andererseits geht die Erfindung von den gebräuchlichen Ein­ spritzpumpeneinheiten aus, bei denen durch Relativdrehung zwischen einem Kolben und einer Pumpenkolbenbüchse, wobei der eine oder die andere Steuerkanten aufweist, das eingespritzte Volumen eingestellt wird und der Treibstoff nach dem Absteuern ungenutzt unter Energieverlust in den Saugraum zurückgelangt. Solche Einspritzpumpeneinheiten sind z. B. aus der DEC 32 15 046 oder DEA 34 28 176 bekannt und können Teil einer zentralen Ein­ spritzpumpe oder einer Pumpedüse sein.

Die Erfindung hat die Aufgabe, ein Einspritzsystem zu schaffen, das bezüglich sämtlicher Emissionen den zu erwar­ tenden wesentlich strengeren gesetzlichen Vorgaben Rechnung trägt und die Voraussetzung zu deren Einhaltung schafft. Genauer gesagt soll im gesamten Kennfeld der Einspritzverlauf, sowohl bezüglich Menge als auch bezüglich Strahlform dem Optimum möglichst nahe kommen, so daß in allen Betriebszuständen minimale Emissionen erreicht werden.

Dabei ist erschwerend, daß die verschiedenen Emissionen jeweils verschiedene Ursachen haben und deren Verringerung einander teil widersprechende Maßnahmen erfordert.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß in der Ein­ spritzpumpeneinheit:

• - an den Pumpraum in der Pumpenkolbenbüchse ein Pumpkanal seitlich angeschlossen ist, der von der Aufsteuerkante des Pumpenkolbens vor Erreichen des unteren Totpunktes über­ schliffen wird,
• - der Pumpenkolben einen Kanal aufweist, der vom Pumpraum zu einem Ringraum an dessen Umfang führt, der mit einer Bohrung schieberartig zusammenwirkt,
• - wobei Bohrung und Ringraum zueinander so angeordnet sind, daß nach Ende der Einspritzung Treibstoff in einen zur Einspritzpumpeneinheit führenden Steuerkanal in der Pumpenkolbenbüchse abgegeben wird, und daß

in der Einspritzdüseneinheit

• - der zweite Anschlag an seiner von einer Anschlagplatte des ersten Anschlags abge­ wandten Seite als Steuerkolben ausgebildet ist, der einen Steuerdruckraum begrenzt,
• - wobei dieser Steuerdruckraum über den Steuerkanal von der Einspritzpumpeneinheit aus gespeist wird und über min­ destens zwei vom Steuerkolben verschließbare Abström­ bohrungen in verschiedener Höhe mit einem Rücklauf in Verbindung steht,
• - und wobei mindestens eine obere Abströmbohrung über ein Ventil mit dem Rücklauf in Verbindung steht (An­ spruch 1).

Der in der Einspritzpumpeneinheit seitlich an den Pumpraum angeschlossene Pumpkanal wird nach Einspritzende abgedeckt, so daß sich im Pumpraum wieder ein Druck aufbaut, der zur Förderung der Restmenge über die Steuerbohrung zum Steuerdruck­ raum in der Einspritzdüseneinheit führt. Die Lage des Ring­ raumes wiederum verhindert, daß während der Einspritzung Druckflüssigkeit in die Steuerbohrung gelangt. Dadurch wird der Steuerdruckraum immer dann nachgefüllt, wenn die Einspritzung beendet und der den Anschlag bildende Steuerkolben nicht belastet ist. Der Anschlag wird also nach jeder Einspritzung wieder genau positioniert, wodurch auch eine Verstellung zu kleineren Nadelhüben sehr schnell erfolgt.

Die Lage der Abströmbohrungen - genauer: die Lage der höchsten offenen Abströmbohrung - bestimmt die Höhe des zweiten An­ schlages, womit auch die Endstellung der Schiebernadel so genau bestimmt ist, daß jeweils die gewünschte Anzahl von Abspritz­ bohrungen ganz oder gar nicht geöffnet ist, so daß der Ein­ spritzstrahl exakt die gewünschte Form annimmt. Dadurch, daß der mechanische Anschlag hydraulisch abgestützt ist, wirkt er trotzdem prallfrei.

Weil erste und zweite Abspritzbohrungen in verschiedener Höhe wahlweise und unabhängig vom Systemdruck zur Verfügung stehen, kann der Querschnitt der ersten Einspritzbohrung so klein gewählt werden, daß feinste Dosierung und Zerstäubung möglich ist, so daß der Zündverzug sehr klein wird. Das macht eine Spritzverstellung des Pilotstrahles weitgehend entbehrlich und gestattet nebstbei unter Umständen eine Verringerung des Ver­ dichtungsverhältnisses des Motors.

So kann - wenn die höher gelegene Abströmbohrung des Steuer­ druckraumes geschlossen und dadurch der Hub der Schiebernadel unabhängig vom Einspritzdruck begrenzt ist - die Einspritzung bei niedriger Last und/oder Drehzahl den Erfordernissen ange­ paßt werden. Die Folge ist ruhiger und emissionsarmer Lauf. Bei größerer Last ist die obere Abströmbohrung geöffnet und der An­ schlag nimmt eine höhere Stellung ein, so daß die Schiebernadel nach Anliegen des ersten Anschlages von der Piloteinspritzung in die Stellung übergeht, in der auch die zweiten Abspritz­ bohrungen geöffnet sind. Durch diese kann dann in sehr kurzer Zeit eine große Menge eingespritzt werden, was einen Betrieb bei hoher Last mit geringer Rußemission ergibt.

Somit wird durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen erreicht, daß der Spritzquerschnitt unabhängig vom Einspritzdruck einstellbar ist, wodurch die angestrebte Gestaltung des Einspritzverlaufes und damit Minimierung der Emissionen möglich wird.

Eine besonders einfache Gestaltung wird bei einer Einspritz­ pumpeneinheit, bei der der Pumpenkolben die Steuerkanten auf­ weist, erhalten, wenn die Absteuerkante eine schräge Nut ist, die beim Absteuern die Saugbohrung überschleift und die Saugbohrung in einer derartigen Höhe angeordnet ist, daß sie nach dem Überschleifen der schrägen Nut für den Rest des Pumphubes wieder geschlossen ist, daß am Pumpenkolben auf der dem Pumpraum abgewandten Seite der schrägen Nut eine Ringnut so angeordnet ist, daß sie, nachdem die schräge Nut die Saug­ bohrung passiert hat, die Steuerbohrung überschleift, wobei die Ringnut durch Bohrungen im Inneren des Pumpenkolbens mit dem Pumpraum verbunden ist (Anspruch 2).

Dadurch wird schnelles Ansprechen auf Verstellsignale und gute Ausnutzung des Förderhubes der Pumpe erreicht, weil bei kleinen Fördermengen mehr Treibstoff dem Steuerdruckraum zugeführt werden kann und dadurch der Anschlagkolben schneller in eine Stellung gebracht werden kann, in der der Hub der Schiebernadel geringer ist.

In Weiterbildung der Erfindung ist der zweite Anschlag ein Anschlagdorn und weist einen Federteller auf, an dem sich die zweite Feder mit ihrem oberen Ende abstützt (Anspruch 3).

Dadurch liefert die zweite Feder den Gegendruck, gegen den der Steuerkolben verschoben wird, wenn die Schiebernadel geschlos­ sen ist und die Feder nur unter der geringeren Vorspannung steht. Dieser Gegendruck bewirkt ein schnelles Einstellen des Anschlages, so daß dieser bei der nächsten Einspritzung schon die richtige Lage eingenommen hat.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Düsenkuppe mindestens eine erste Abspritzbohrung auf, die vom Kegelsitz ausgeht und darunter eine zylindrische Sackbohrung, von der mindestens eine Reihe zweiter Abspritzbohrungen ausgeht, wobei ein Raum unterhalb der Ventilnadel über Bohrungen mit einem Ringraum unterhalb des Kegels verbunden ist (Anspruch 4).

Dadurch, daß die mindestens eine Abspritzbohrung für die erste Phase vom Kegelsitz ausgeht und diese über den anderen Ab­ spritzbohrungen angeordnet ist, ist für die Piloteinspritzung die Zuströmung mit geringstem Druckverlust und feinste Zer­ stäubung im Sinne der modulierten Einspritzung sichergestellt. Mit den anderen Abspritzbohrungen werden dann die höheren Arbeitsbereiche abgedeckt.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das Ventil in der oberen Abströmbohrung ein im wesentlichen quer zu dieser verschiebbares Steuerkölbchen (Anspruch 5). Durch dieses werden die Abströmbohrungen dicht geschlossen, was der genauen Positio­ nierung des Anschlages zugute kommt. Die gewünschte Lage des Anschlages ist ja dann erreicht, wenn die jeweilige Abström­ bohrung eben ganz geschlossen ist. Durch die Ausführung als Kolben ist gute Führung und Schmierung gesichert, sodaß ein Hängenbleiben nicht zu befürchten ist und nur geringe Stell­ kräfte erforderlich sind.

In Weiterbildung dieser bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der mit der Abströmbohrung zusammenwirkende Teil des Steuerkölbchens einen konischen Vorsatz auf und verfügt über eine elektronische Positionsregelung (Anspruch 6). Dadurch wird zwischen Abströmbohrung und Steuerkölbchen ein variabler Drosselquer­ schnitt geschaffen, womit die Bewegung des Anschlagkolbens verzögert wird. Dadurch kann die Dauer der Piloteinspritzung verlängert und die Haupteinspritzung auf später verschoben werden, was in der Auswirkung einer Spritzverstellung gleich­ kommt und zu einer Reduktion der NOX-Emissionen führt. Die Positionsregelung bildet einen geschlossenen Regelkreis, der von einer Steuereinheit ein Sollwert für die Position des Steuer­ kölbchens vorgegeben wird. Dadurch ist eine exakte Einstellung des Drosselspaltes und damit der Spreizung unabhängig vom Systemdruck möglich.

In einer bevorzugten kostruktiven Ausführung der Erfindung weist der Steuerkolben eine Ringnut auf, die über eine zentrale Bohrung mit dem Steuerdruckraum verbunden ist und mit den mindestens zwei Abströmbohrungen zusammenwirkt (Anspruch 7). So kann der Steuerdruckraum kürzer werden und die Abströmbohrung kann tiefer angeordnet werden, was die Bauhöhe der Düseneinheit verringert und die Unterbringung der Stelleinheit für das Steuer­ kölbchen erleichtert.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung weist die Schiebernadel über ihre ganze Länge eine zentrale Längsbohrung auf und der erste Anschlag besteht aus der Anschlagplatte und einem zentralen Anschlagdorn mit einem konischen Absatz, der mit einer konischen Anschlagschulter der Schiebernadel ein Ventil bildet (Anspruch 8). Damit ist zusätz­ lich ein schnelles Zusammenbrechen des auf die Schiebernadel wirkenden Druckes am Einspritzende und damit ein schnelles Schließen möglich, weil der Druckabbau über das geöffnete Ventil in den Rücklauf besonders schnell erfolgt. Dadurch entstehen auch am Schluß der Verbrennung keine Schadstoffe mehr durch Nachtropfen und auch keine Verkokungen. Außerdem ist dadurch die Masse der Schiebernadel geringer, was schnelles Öffnen begünstigt und der Treibstoff kann den unteren Ab­ spritzbohrungen mit geringerem Widerstand zugeführt werden.

In Verfeinerung der Erfindung weist der zentrale Anschlagdorn nach der kegeligen Schulter noch einen Dornfortsatz auf, der die Schieber­ nadel durchsetzt (Anspruch 9). Dadurch wird das hydraulische Volumen verringert und eine Führung für den Anschlag geschaffen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat die Düsenkuppe zwei Reihen von zweiten Abspritzbohrungen in verschiedener Höhe und der Steuerdruckraum zwei steuerbare Abströmbohrungen, deren vertikaler Abstand gleich dem der beiden Reihen zweiter Abspritzbohrungen ist und von denen zwei mittels Steuerkölbchen verschließbar sind (Anspruch 10). So ist eine Mittellast- und eine Vollaststellung der Steuernadel gegeben, wodurch im häufig benutzten Mittellastbereich eine besonders gute Anpassung des Einspritzverlaufes und im Vollastbereich ein früher Einspritzbeginn und damit ein früheres Einspritzende erreicht werden kann. Dadurch wird die Rußbildung bei Vollast herabgesetzt und insgesamt hervorragende Emissionswerte über das gesamte Kennfeld des Motors erreicht.

In weiterer Ausgestaltung führen beide steuerbaren Abström­ bohrungen zu demselben Ventil, wo sie in verschiedener Höhe ein­ münden (Anspruch 11). Es dient also das eine Steuerkölbchen als Stellglied für alle Lastbereiche, was hinsichtlich Bauaufwand und Regelung eine willkommene Vereinfachung bringt.

Schließlich werden die Vorteile des Einspritzsystem besonders gut ausgenützt, wenn Einspritzpumpeneinheit und Einspritzdüsen­ einheit zu einer Pumpedüse zusammengefaßt sind (Anspruch 12).

Durch Verminderung der Wandstärke des Schieberteiles der Schiebernadel (Anspruch 13) kann schließlich deren elastische Ausdehnung in radialer Richtung und damit eine Verkleinerung des Spieles und damit eine bessere Abdichtung gegenüber der Düsenkuppe erreicht werden. Dadurch ist auch bei geringerem Höhenabstand der beiden Düsenebenen gewährleistet, daß aus der noch verdeckten Düsenebene kein Treibstoff austritt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Abbildungen einer bevorzugten Ausführungsform erläutert

Fig. 1 Erfindungsgemäßes Einspritzsystem als Pumpedüse im Axialschnitt;

Fig. 2 Detail A aus Fig. 1 vergrößert;

Fig. 3 Schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung analog der Fig. 1 in einer ersten Stellung;

Fig. 4 Wie Fig. 3, in einer zweiten Stellung;

Fig. 5 Wie Fig. 3, in einer dritten Stellung;

Fig. 6 Wie Fig. 3, in einer vierten Stellung;

Fig. 7 Funktionsschaubild zur Ausführungsform nach Fig. 3.

Fig. 1 zeigt das erfindungsgemäße Einspritzsystem, bestehend aus einer Einspritzpumpeneinheit 1 und einer Einspritz­ düseneinheit 2, die hier beispielsweise zu einer Pumpedüse vereinigt sind. Die erstere besteht aus einer Pumpenkolben­ büchse 3, in der ein Pumpenkolben 4 in der üblichen und daher nicht dargestellten Weise bewegt wird. Die Pumpenkolbenbüchse 3 weist eine Saugbohrung 5 und einen Pumpenkanal 7 auf, die im Pumpraum 6 münden. Vom Pumpraum 6 weit entfernt ist noch eine Druckentlastungsbohrung 8 vorgesehen. Der Pumpraum 6 ist weiter von einer Zwischenplatte 10 begrenzt, in der ein Rückschlag­ ventil 11 angebracht ist.

An die Zwischenplatte 10 schließt unten ein Düsenkörper 12, dann ein Zwischenstück 13 und schließlich eine Düsenspitze 14 an. Die genannten Teile werden von einem Druckkanal 15 durch­ setzt, der den Pumpraum 6 über das Rückschlagventil 11 mit einem Düsenversorgungsraum in der Düsenspitze verbindet, in der auch eine Düsennadel 17 geführt ist, die als Schiebernadel ausgebildet ist.

In Fig. 2 ist die Düsenspitze 14 mit dem unteren Teil der Düsennadel 17 genauer dargestellt. Die Düsenspitze 14 läuft in eine geschlossene Düsenkuppe 20 aus, die ausgehend vom Düsen­ versorgungsraum 16 einen zylindermantelförmigen Zuströmraum 27 bildet, der bis zu einem Kegelsitz 21 reicht, in den eine oder mehrere erste Abspritzbohrungen 22 gebohrt sind. Daran schließt nach unten eine zylindrische Sackbohrung 23 geringeren Durch­ messers an, die eine Reihe von zweiten Abspritzbohrungen 25 aufweist. In einer bevorzugten Variante (siehe auch Fig. 3 bis 6) ist eine erste und darunter eine zweite Reihe von zweiten Abspritzbohrungen 24, 25 vorhanden.

Die Düsennadel 17 weist im Bereich des Düsenversorgungsraumes 16 eine Druckschulter 30 auf, an die nach unten ein zylin­ drischer Teil 31 geringeren Durchmessers anschließt, der vom Zuströmraum 27 umgeben ist. Dann folgt ein zum Kegelsitz 21 passender Sitzkegel 32, an den eine zylindrische Schulter 38 und eine Ringnut 33 anschließen. Wenn die Düsennadel soweit geöffnet ist, daß die zylindrische Schulter 38 die zylindrische Bohrung 23 verlassen hat, strömt Treibstoff zwischen den Kegelflächen 21,32 hindurch, sammelt sich in der Ringnut 33, strömt durch Querbohrungen 34 in eine zentrale Längsbohrung 35 der Düsennadel 17 und in den Sackraum 26, von dem der Treibstoff bei entsprechend angehobener Düsennadel 17, wenn ein Schieberteil 36 dieser mit seiner Abschlußkante 37 die Abspritzbohrungen 25 bzw. 25, 24 freigegeben hat durch diese abspritzt.

Der obere Teil der Düsennadel 17 (wieder in Fig. 1) stützt sich auf einen unteren Federteller 40 und weist im Inneren eine konische Anschlagschulter 41 auf. Eine untere Ventilfeder 42 wirkt auf den unteren Federteller 40 und stützt sich oben an einer Anschlagplatte 43 ab, von der ein Anschlagdorn 44 abwärts gerichtet ist, dessen konisches Ende mit der konischen An­ schlagschulter 41 auf noch zu beschreibende Weise zusammen­ wirkt.

Der Anschlagdorn 44 weist einen Dornvorsatz 49 auf, der die Bohrung 35 der Düsennadel 17 durchsetzt und bis in den unteren Sackraum 26 ragt.

Die Anschlagplatte 43 ist über eine obere Ventilfeder 45 an einem oberen Federteller 47 abgestützt, von dem ein zweiter Anschlagdorn 46 nach unten ragt und den verstellbaren An­ schlag für die Anschlagplatte 43 bildet. Der obere Feder­ teller 47 weist nebst dem nach unten gerichteten Anschlagdorn 46 nach oben einen Steuerkolben 48 auf, der mit einer zylin­ drischen Bohrung 50 im Ventilkörper 12 einen Steuerdruckraum 51 bildet.

Dieser Steuerdruckraum 51 wird von einem Steuerkanal 52 über ein in der Zwischenplatte 10 angeordnetes Rückschlagventil 53 von einer Mündung 54 in der Pumpenkolbenbüchse 3 abzweigenden Steuerbohrung 55 gespeist.

Der Pumpenkolben 4 weist eine Aufsteuerkante 60 auf, die mit dem Pumpenkanal 7 zusammenwirkt - er ist zur Verdeutlichung in die Bildebene gedreht. Weiters weist der Pumpenkolben 4 schräge Absteuerkanten 61, die eine mit der Saugbohrung 5 zusammenwirkende Nut bilden und eine Längsnut 62 zur Verbindung der Absteuernut 61 mit dem Pumpraum 6 auf. Soweit entspricht die Einspritzpumpeneinheit dem üblichen. Die Absteuerkanten 61 können eine beliebige Form haben.

Erfindungemäß weist der Pumpenkolben 4 noch eine zentrale Längsbohrung 63 auf, die über eine Querbohrung 64 in einiger Entfernung von der Aufsteuerkante 60 und den Absteuerkanten 61 in einem Ringraum 65 mündet, der über eine Steuerbohrung 55 und den Steuerkanal 52 mit dem Steuerdruckraum 51 der Einspritz­ düseneinheit in Verbindung steht. Die Anordnung von Steuer­ bohrung 55 und Ringraum 65 sind so getroffen, daß eine Nachförderung in den Steuerdruckraum 51 stattfindet, nachdem die Aufsteuerkante 60 den Pumpkanal 7 und die Absteuernut 61 die Saugbohrung 5 überschliffen haben. Dieser Resthub reicht bis zum unteren Totpunkt, in dem die Aufsteuerkante 60 des Pumpenkolbens 4 die strichlierte und mit 66 bezeichnete Linie erreicht.

Der Steuerkolben 48 weist, ausgehend vom Steuerdruckraum 51 eine zentrale Längsbohrung 70 auf, die über eine Querbohrung 71 mit einem Ringraum 72 verbunden ist. In der zylindrischen Bohrung 50 sind an geeigneten Stellen des Umfanges und in verschiedener Höhe Abströmbohrungen 73, 74 angeordnet, von denen erstere (73) steuerbar ist. Diese Abströmbohrung 73 mündet in einer Querbohrung 76, in der ein Steuerkölbchen 75 verschiebbar ist und so die Verbindung zwischen der Abströmbohrung 73 und dem Rücklauf 77 steuert. Dieses Steuerkölbchen 73 weist einen konischen Vorsatz 79 auf und bildet insgesamt ein Steuerventil 80, dessen oberer Teil abgerissen ist und dessen Steuerteile, beispielsweise ein Linearsolenoid zur Betätigung und ein Hallelement zur Positionsmessung, nicht dargestellt sind.

Anhand der Fig. 3 bis 6, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeigen, wird nun die Arbeitsweise des Einspritz­ systems beschrieben. Dem wird vorausgeschickt, daß die Ver­ stellung des Steuerkolbens 48 und damit des zweiten Anschlages 46 nach Abschluß der Einspritzung, also bei bereits wieder geschlossener Düsennadel 17 beginnt und vor Beginn der nächsten Einspritzung auch wieder abgeschlossen ist.

Fig. 3 zeigt die Einspritzdüseneinheit in geschlossener Stellung. Die Düsennadel 17 ruht mit ihrem Sitzkegel 32 am Kegelsitz 21 auf und sämtliche Abspritzbohrungen 22, 24, 25 sind verschlossen. Offen ist hingegen das aus der kegeligen Schulter 41 der Düsennadel 17 und dem Anschlagdorn 44 gebildete Ventil, so daß der Sackraum 26 über die Längsbohrung 35 der Düsennadel 17 mit dem Rücklauf 77 in Verbindung steht, wozu die Anschlag­ platte 43 nicht dargestellte Öffnungen aufweisen kann. Dadurch wird der Sackraum 26 nach Schließen der Düsennadel 17 sofort drucklos, so daß kein Nachtropfen oder Nachspritzen auftreten kann.

Die Stellung der Fig. 3 ist auch die, in der der Steuerdruckraum 51 nachgefüllt wird. Der Treibstoff drückt den Steuerkolben 48 nach unten, bis sein Anschlagdorn 46 die Anschlagplatte 43 berührt und strömt durch die Bohrungen 70, 71, den Ringraum 72 Abströmbohrungen 74 und, je nach Stellung des Steuerkölbchens, auch Abströmbohrungen 73 und 75 in den Rücklauf 77. Sind die Abströmbohrungen 73, 75 geschlossen, so kommt er zum Stillstand, wenn zwischen Ringraum 72 und Abströmbohrung 74 keine Strömung mehr möglich ist. Das ist die Ausgangstellung für Fig. 4.

Fig. 4 zeigt die Einspritzdüseneinheit mit dem zweiten Anschlag 46 in der Kleinlaststellung bzw. in der Stellung für die Piloteinspritzung, bei der der Treibstoff feinst zerstäubt durch die vom Kegelsitz 21 ausgehende Abspritzbohrung 22 abgegeben wird. Diese Stellung ist bei geschlossenen Abström­ bohrungen 73, 75 dadurch bestimmt, daß die Unterkante des Ringraumes 72 auf der Höhe der Oberkante der Abströmbohrung 74 liegt. Sobald der Öffnungsdruck der ersten Feder 42 erreicht ist, hebt sich die Düsennadel 17 bis an den Anschlagdorn 44, wodurch sich das von Düsennadel 17 und Anschlagdorn 44 ge­ bildete Kegelventil schließt. Die Schiebernadel hebt sich dann noch ganz wenig gegen die Kraft der zweiten Feder 45, bis die Anschlagplatte 43 den Dorn 46 des zweiten Anschlages in der eingenommenen Stellung erreicht. Der entsprechende Einspritz­ verlauf ist in Fig. 7 Kurve A dargestellt.

In Fig. 5 zeigt die Einspritzdüseneinheit in der Mittel­ laststellung, die dadurch bestimmt ist, daß die etwas höher gelegene Abströmbohrung 73 durch Anheben des Steuerkölbchens 78 geöffnet ist. Es gibt nun zwei Möglichkeiten:
Entweder das Steuerkölbchen 78 ist soweit angehoben, daß es die Abströmbohrung 73 ganz freigibt. Dann hebt sich der Steuer­ kolben 48 schnell, bis die untere Kante des Ringraumes 72 die obere Kante der Abströmbohrung 73 erreicht. Oder das Steuerkölbchen 78 ist nur soweit geöffnet, daß die Abströmbohrung durch den Vorsatz 79 gedrosselt wird - wobei sich die Drosselung durch Positionieren des konischen Vorsatzes 79 genau einstellen läßt. Dann erreicht der zweite Anschlag dieselbe Endstellung lang­ samer. Die Endstellung bestimmt die Endstellung der Schieber­ nadel, in der die erste Reihe der zweiten Abspritzbohrungen 25 freigegeben ist. Dabei entsteht im ersteren Fall der Einspritz­ verlauf gemäß Kurve B1 in Fig. 7 und im zweiten Fall gemäß Kurve B2.

Es ist zu erkennen, daß sich so die Dauer der ersten Einspritz­ phase und damit auch Beginn und Ende der Haupteinspritzung entsprechend der eingespritzten Menge so optimieren läßt, daß ein Minimum an Emissionen entsteht.

Fig. 6 zeigt dieselbe Einspritzdüseneinheit in der Stellung Hochlast. In dieser ist das Steuerkölbchen 78 ganz oben und dadurch ist auch die höher gelegene Abströmbohrung 75 geöffnet, so daß sich der Stellkolben 48 schnell in dieser höheren Position einstellen konnte. Dadurch kann sich die Ventilnadel 17 soweit heben, daß sie nun beide Reihen von Abspritzbohrungen 24, 25 ganz freigibt und es läßt sich eine große Treibstoffmenge in kurzer Zeit einspritzen, was der bei Hochlast starken Neigung zur Rußbildung entgegenwirkt. Diese Stellung des Anschlages kann entweder durch Anliegen des Federtellers 47 innen am Ventilkörper 12 oder durch den hydraulischen Polster im Steuerdruckraum 51 definiert sein, oder gar durch Anschlagen des Steuerkolbens 48 an der Zwischenplatte 10.

Die in den in den Fig. 3 bis 6 dargestellten Stellungen erzielbaren Einspritzverläufe sind in Fig. 7 zusammengefaßt, wobei die Spritzrate in mm³ über dem Kurbelwinkel angedeutet ist. Alle Einspritzkurven beginnen mit Erreichen des Öffnungs­ druckes im Punkt 0.

Kurve A1 ist der Einspritzverlauf der Piloteinspritzung bei dem geringsten Hub der Schiebernadel 17, bei dem nur die erste(n) Abspritzbohrung(en) geöffnet sind. Sie hebt sich zuerst bis zum Anliegen ihrer konischen Schulter 41 an dem zentralen Anschlagdorn 44, des ersten Anschlages, worauf der Einspritzverlauf dann je nach Stellung des den zweiten Anschlag bildenden Anschlagdorns 46 einem der drei Äste A, B oder C folgt.

In der tiefsten Stellung des Anschlagdorns 46, siehe Fig. 4, folgt die Einspritzung dem Ast A solange, bis die von der Einspritzpumpeneinheit 2 dosierte Treibstoffmenge abgespritzt ist. Von dieser Menge hängt die Lage des abfallenden Astes A2 ab, A3 ist der abfallende Ast im Leerlauf. Soll die Einspritz­ dauer für eine bestimmte Menge verkürzt werden, muß durch Verstellen des Anschlagdorns 46 der Abspritzquerschnitt erhöht werden.

Das geschieht durch Heben des Steuerkölbchens 78 in die in Fig. 5 gezeigte Stellung entweder bei ganz geöffneter Abströmbohrung 73 so schnell, daß der Anschlagdorn 46 sofort die gewünschte Stellung einnimmt, und die weitere Einspritzung folgt der Kurve B1 oder nur langsam. Dann öffnet das Steuerkölbchen 78 die Abströmbohrung 73 nur teilweise und die Abströmung ist gedrosselt. Die Drosselwirkung läßt sich durch den kegeligen Vorsatz des Steuerkölbchens 78 sehr genau einstellen. So entsteht ein Einspritzverlauf nach Kurvenast B2.

Durch Einstellen der Drosselung mittels des Steuerkölbchens 78 läßt sich somit der Zeitpunkt des Beginnes der Haupteinspritzung (z. B. B2) und bei durch Einstellung der Einspritzpumpeneinheit gegebener Einspritzmenge auch das Ende der Einspritzung bestimmen, das dann beispielsweise dem Kurvenzweig B3 oder B4 folgt.

Das das Steuerkölbchen 78 verstellende Steuergerät, das ein nicht dargestellter und nicht beschriebener Mikroprozessor sein kann, reagiert dazu nach einem auf Minimierung der Emissionen (Kohlenwasserstoffe, Stickoxyd, Kohlenmonoxyd, Ruß) gerichteten Programm auf Lastanforderung bzw. Regelstangenstellung und Drehzahl des Motors.

Die Kurve C schließlich wird durchlaufen, wenn sich das Steuerkölbchen 78 in der in Fig. 6 gezeigten Stellung befindet. Durch den großen Abspritzquerschnitt kann durch frühes Ein­ spritzende die Rußbildung bei Hochlast minimiert werden.

Zu erwähnen ist noch, daß der besonders steile Abfall der Kurvenäste A2, B3, B4, C1 und C2 am Ende der Einspritzung der geringen Masse der Schiebernadel 17 und der Wirkung des von der kegeligen Schulter 41 und dem zentralen Anschlagdorn 44 gebildeten Ventiles zu verdanken ist.

Claims (14)

1. Aus Einspritzpumpeneinheit und Einspritzdüseneinheit be­ stehendes Einspritzsystem, bei dem

• a) die Einspritzpumpeneinheit (1) eine Pumpenkolbenbüchse (3) und einen Pumpenkolben (4) aufweist, die einen Pumpraum (6) ein­ schließen und jeweils über Steuerkanten (60, 61) bzw. Steuer­ bohrungen (5, 7) verfügen, die die Verbindung zwischen Pump­ raum (6) und Saugraum (18) bzw. Einspritzdüseneinheit (2) herstellen und bei dem
• b) die Einspritzdüseneinheit (2) besteht aus:
  • - einem Düsenkörper (12, 13, 14) der in einer Düsenkuppe (20) mit Abspritzbohrungen (22, 24, 25) in verschiedener Höhe endet und innen einen Kegelsitz (21) aufweist,
  • - einer Schiebernadel (17), die einen Sitzkegel (32) und einen Schieberteil (36) aufweist und von einer ersten Feder (42) mit ihrem Sitzkegel (32) auf den Kegelsitz (21) in der Düsenkuppe (20) gedrückt wird,
  • - einem ersten Anschlag (43, 44) für die Schiebernadel (17), der gegen die Kraft einer zweiten Feder (45) bis zu einem zweiten Anschlag (46) verschiebbar ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

• c) in der Einspritzpumpeneinheit (1)
  • - an den Pumpraum (6) in der Pumpenkolbenbüchse (3) ein Pumpkanal (7) seitlich angeschlossen ist, der von der Aufsteuerkante (60) des Pumpenkolbens (4) vor Erreichen des unteren Totpunktes (66) überschliffen wird
  • - der Pumpenkolben (4) einen Kanal (63) aufweist, der vom Pumpraum (6) zu einem Ringraum (65) an dessen Umfang führt, der mit einer Bohrung (64, 55) schieberartig zu­ sammenwirkt,
  • - wobei Bohrung (64, 55) und Ringraum (65) zueinander so angeordnet sind, daß, nachdem die Aufsteuerkante (60) den Pumpkanal (7) überschliffen hat, Treibstoff in einen zur Einspritzdüseneinheit führenden Steuerkanal (55, 52) in der Pumpenkolbenbüchse (3) abgegeben wird, und daß
• d) in der Einspritzdüseneinheit (2):
  • - der zweite Anschlag (46, 47) an seiner von einer Anschlagplatte (43) des ersten Anschlags abgewandten Seite als Steuerkolben (48) ausgebildet ist, der einen Steuerdruckraum (51) begrenzt,
  • - wobei dieser Steuerdruckraum (51) über den Steuerkanal (52, 55) von der Einspritzpumpeneinheit (1) aus gespeist wird und über mindestens zwei vom Steuerkolben (48) ver­ schließbare Abströmbohrungen (73, 74) in verschiedener Höhe mit einem Rücklauf (77) in Verbindung steht,
  • - und wobei die mindestens eine obere Abströmbohrung (73) über ein Ventil (80) mit dem Rücklauf (77) in Verbindung steht.

2. Einspritzsystem nach Anspruch 1, wobei die Einspritzpumpen­ einheit (1) einen Pumpenkolben (4) mit Steuerkanten (60, 61) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß

• • - die Absteuerkante (61) von einer schrägen Nut gebildet ist, die beim Absteuern die Saugbohrung (5) überschleift, und die Saugbohrung (5) in einer derartigen Höhe angeordnet ist, daß sie nach dem Überschleifen der schrägen Nut für den Rest des Pumphubes wieder geschlossen ist,
  • - am Pumpenkolben (4) auf der dem Pumpraum (6) abgewandten Seite der Steuerkante (61) eine Ringnut (65) so angeordnet ist, daß sie, nachdem die Steuerkante (61) die Saugbohrung (5) passiert hat, die Steuerbohrung (55) überschleift,
  • - wobei die Ringnut (65) durch Bohrungen (63, 64) im inneren des Pumpenkolbens (4) mit dem Pumpraum (6) verbunden ist.

3. Einspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Anschlag ein Anschlagdorn (46) ist und einen Federteller (47) aufweist, an dem sich die zweite Feder (45) mit ihrem oberen Ende abstützt.

4. Einspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenkuppe (20) mindestens eine erste Abspritzbohrung (22) aufweist, die vom Kegelsitz (21) ausgeht und darunter eine zylindrische Sackbohrung (23), von der mindestens eine Reihe zweiter Abspritzbohrungen (25) ausgeht, wobei ein Raum (26) unterhalb der Ventilnadel (17) über Bohrungen (34) mit einem Ringraum (33) unterhalb des Kegels (32) verbunden ist.

5. Einspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (80) in der oberen Abströmbohrung (73) ein quer zu dieser verschiebbares Steuerkölbchen (78) ist.

6. Einspritzsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerkölbchen (78) einen konischen Vorsatz (79) aufweist und über eine elektronische Positionsregelung verfügt.

7. Einspritzsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkolben (48) eine Ringnut (72) aufweist, die über eine zentrale Bohrung (70) mit dem Steuerdruckraum (51) verbunden ist und mit den mindestens zwei Abströmbohrungen (73, 74) zusammenwirkt.

8. Einspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schiebernadel (17) über ihre ganze Länge eine zentrale Längsbohrung (35) aufweist und der erste Anschlag aus der Anschlagplatte (43) und einem zentralen Anschlagdorn (44) mit einem kegeligen Absatz besteht, der mit einer kegeligen Anschlagschulter (41) der Schiebernadel (17) ein Ventil bildet.

9. Einspritzsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Anschlagdorn (44) einen Dornfortsatz (49) aufweist, der die Längsbohrung (35) der Schiebernadel (17) mit Spiel durchsetzt.

10. Einspritzsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenkuppe (20) zwei Reihen von zweiten Abspritzbohrungen (25, 24) auf verschiedener Höhe und der Steuerdruckraum (51) zwei steuerbare Abströmbohrungen (73, 75) aufweist, deren vertikaler Abstand gleich dem der beiden Reihen zweiter Abspritzbohrungen (25, 24) ist, und von denen zwei mittels des Steuerkölbchens (78) verschließbar sind.

11. Einspritzsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß beide Abströmbohrungen (73, 75) zu demselben Ventil (80) führen, wo sie in verschiedener Höhe einmünden.

12. Einspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Einspritzpumpeneinheit (1) und Einspritzdüseneinheit (2) zu einer Pumpedüse vereinigt sind.

13. Einspritzsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Längsbohrung (35) der Schiebernadel im Schieberteil (36) einen größeren Durchmesser als im zylindrischen Teil (31) aufweist.