Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft
Kraftstoffeinspritzvorrichtungen und insbesondere
Kraftstoffeinspritzvorrichtungen des Typs "offene Düse", bei denen Kraftstoff in
eine Dosierkammer dosiert wird und durch Einspritzöffnungen
an der Spitze der Einspritzvorrichtung durch einen hin- und
hergehenden Kolben eingespritzt wird, und bei denen die
Dosierkammer an der Spitze der Einspritzvorrichtung
vorgesehen ist und während des Dosierens durch die
Einspritzöffnungen zu einem Motorzylinder hin offen ist.
Hintergrund der Erfindung
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Bisher sind im Stand der Technik unterschiedliche Typen von
Kraftstoffeinspritzvorrichtungen und
Kraftstoffeinspritzsystemen bekannt, die für Brennkraftmaschinen verwendbar
sind. Von den vielen Typen von Kraftstoffeinspritzsystemen
ist die vorliegende Erfindung auf
Kraftstoffeinspritzvorrichtungen gerichtet, bei denen jedem einzelnen Zylinder
einer Brennkraftmaschine eine
Kraftstoffeinspritzvorrichtung zugeordnet ist und jede Einspritzvorrichtung ihren
eigenen Antriebsstrang enthält, um auf einer zyklischen
Basis Kraftstoff in jeden Zylinder einzuspritzen.
Normalerweise ist der Antriebsstrang von jeder
Kraftstoffeinspritzvorrichtung von einer drehbar angebrachten Nockenwelle
angetrieben, die praktisch von der Motorkurbelwelle
angetrieben ist, um jede Kraftstoffeinspritzvorrichtung
synchron zu steuern, und zwar unabhängig voneinander und
gemäß der Zündfolge des Motors.
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Von den bekannten Einspritzvorrichtungen derartiger
Kraftstoffeinspritzsysteme gibt es zwei Grundtypen von
Kraftstoffeinspritzvorrichtungen, die dadurch charakterisiert
sind, wie der Kraftstoff dosiert und eingespritzt wird. Ein
erster Typ, auf den die vorliegende Erfindung gerichtet
ist, ist als Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit "offener
Düse" bekannt, weil Kraftstoff in eine Dosierkarnmer in der
Einspritzvorrichtung dosiert wird, wobei die Dosierkammer
während der Kraftstoffdosierung durch Einspritzöffnungen zu
dem Motorzylinder hin offen ist.
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Im Gegensatz zu der Kraftstoffeinspritzvorrichtung des Typs
offene Düse gibt es ebenfalls
Kraftstoffeinspritzvorrichtungen, die als Kraftstoffeinspritzvorrichtungen mit
"geschlossener Düse" klassifiziert sind, bei denen
Kraftstoff in eine Dosierkammer in der Einspritzvorrichtung
dosiert wird, während die Dosierkammer gegenüber dem
Zylinder einer Brennkraftmaschine geschlossen ist, und zwar
durch einen Ventilmechanismus, der nur während des
Einspritzens durch den ansteigenden Kraftstoffdruck, der
darauf wirkt, geöffnet ist. Typischerweise ist der
Ventilmechanismus ein Nadeltypventil.
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In beiden Fällen enthält die Einspritzvorrichtung
typischerweise ein Kolbenelement, das die dosierte
Kraftstoffmenge beaufschlagt, um den Druck des dosierten Kraftstoffs
zu erhöhen und den dosierten Kraftstoff in den Zylinder der
Brennkraftmaschine zu zwingen. Im Fall einer
Einspritzvorrichtung mit geschlossener Düse ist ein
Kippventilmechanismus vorgesehen, um die Einspritzöffnungen während des
Dosierens zu schließen, wobei das Kippventil zu seiner
geschlossenen Stellung hin vorgespannt ist, um
sicherzustellen, daß ein Einspritzen nur stattfindet, nachdem der
Kraftstoffdruck ausreichend erhöht ist, um den
Kippventilmechanismus zu öffnen.
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Die vorliegende Erfindung ist auf eine
Kraftstoffeinspritzvorrichtung des Typs offene Düse und insbesondere auf ein
Kraftstoffeinspritzsystem gerichtet, das auf Druck- und
Zeitprinzipien aufbaut, um die für jede aufeinanderfolgende
Einspritzung von jedem Einspritzvorrichtungszyklus dosierte
Kraftstoffmenge zu bestimmen. Darüber hinaus ermöglichen
die Druck-Zeit-Prinzipien, daß die dosierte Menge bei jeder
zyklischen Tätigkeit der Einspritzvorrichtung variiert
wird, wie es durch den Druck des Kraftstoffs, der in die
Dosierkammer gefördert wird, und die Zeitdauer bestimmt
wird, in der ein solches Dosieren stattfindet.
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Beispiele von Einspritzvorrichtungen des Typs offene Düse
sind detailliert in der US-A-3 409 225, die als nächster
Stand der Technik angesehen wird, der US-A-4 280 659 und
der US-A-4 601 086 beschrieben.
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Die Einspritzvorrichtungen der beiden letztgenannten US-
Patente, die wir besitzen, enthalten eine Kolbeneinrichtung
mit einem unteren Abschnitt, der einen Abschnitt mit
größerem Durchmesser, der in einer axialen Bohrung des
Einspritzvorrichtungsgehäuses verschiebbar ist, und einen
Abschnitt mit kleinerem Durchmesser aufweist, der sich in
einer Kappe des Einspritzvorrichtungsgehäuses erstreckt.
Die Kappe verleiht der axialen Bohrung eine Ausdehnung, die
im Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der axialen
Bohrung, der durch den Rest des
Einspritzvorrichtungsgehäuses verläuft. Im Dosierstadium wird Kraftstoff durch
einen Zuführschlitz in die axiale Bohrung an einer Stelle
oberhalb der Kappe dosiert, und der Kraftstoff strömt um
den Abschnitt mit kleinerem Durchmesser der
Kolbeneinrichtung an der Spitze davon, um so eine bestimmte Menge
Kraftstoff in die Dosierkammer der Kappe zu dosieren.
Zwischen dem Abschnitt mit dem kleineren Durchmesser der
Kolbeneinrichtung und der Innenwand der Bohrung in der
Kappe ist ein radialer Spalt vorgesehen. Dieser Spalt
erleichtert das Strömen von Kraftstoff zu der
Einspritzvorrichtungsspitze, um eingespritzt zu werden. Sobald das
Dosierstadium abgeschlossen ist, bewegt sich der Kolben
nach innen (definiert als zum Motorzylinder einer
Brennkraftmaschine hin), um das Einspritzen des Kraftstoffs aus
der Dosierkammer durch die Einspritzöffnungen zu bewirken.
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Das Stadium unmittelbar nachdem das Kraftstoffeinspritzen
abgeschlossen ist, ist als Druckstadium bekannt, bei dem
die Pungerspitze durch den zugehörigen Antriebsstrang für
die Kraftstoffeinspritzvorrichtung dicht gegen einen Sitz
der Kappe gehalten ist. In diesem Druckstadium ist der
Kraftstoff in dem radialem Spalt zwischen dem Abschnitt mit
kleinerem Durchmesser des Kolbens und der Innenwand der
Bohrung in der Kappe eingeschlossen. Diese Kraftstoffmenge
ist als eingeschlossenes Volumen bekannt.
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Durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung ist
herausgefunden worden, daß dieses eingeschlossene Volumen in dem
Auftreten höherer Werte unerwünschter Emissionen,
insbesondere unverbrannter Kohlenwasserstoffe, resultiert.
Darüber hinaus ist herausgefunden worden, daß die
unerwünschten Kohlenwasserstoff-Emissionen, die mit
Einspritzvorrichtungen mit offener Düse verbunden sind, eine
Funktion des in der Düse eingeschlossenen Volumens sind,
wobei überschüssiges Volumen den Grad der unverbrannten
Kohlenwasserstoffe erhöht. Der bei den Emissionen
festgestellte
Anstieg der unverbrannten Kohlenwasserstoffe ist
zurückzuführen auf die Tendenz des Kraftstoffs, nach der
Verbrennung in dem Zylinder, in dem geschlossenen Volumen
in den Motorzylinder zu wandern, um daraus ausgestoßen zu
werden. Des weiteren resultiert der Hauptbestandteil des
eingeschlossenen Volumens aus dem Spalt zwischen dem
Abschnitt des Kolbens mit kleineren Durchmesser und der
Innenwand der Kappe. Der Bereich dieses Spalts wird
gewöhnlich als Labyrinthdichtungsspielbereich der
Kraftstoffeinspritzvorrichtung bezeichnet.
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Aus dem Vorangegangenen ist verständlich, daß ein solches
Problem einzigartig für Kraftstoffeinspritzvorrichtungen
des Typs offene Düse ist, weil
Kraftstoffeinspritzvorrichtungen mit geschlossener Düse auf einem
Ventilmechanismus aufbauen, um den Kraftstoff zu jeder Zeit,
ausgenommen während des Einspritzens, gegenüber dem
Motorzylinder abzudichten. Darüber hinaus müssen
Einspritzvorrichtungen mit offener Düse das Dosieren von Kraftstoff in
der Düsenspitze mit Einspritzöffnungen ermöglichen, die zum
Motorzylinder hin offen sind.
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Folglich besteht die einzige Lösung, die durch den Stand
der Technik angeregt wird, darin, einfach den radialen
Spalt zwischen dem Abschnitt mit kleineren Durchmesser des
Kolbens und der Kappe zu reduzieren, um so das nach
Abschluß des Einspritzens eingeschlossene Volumen zu
reduzieren, um das eingeschlossene Volumen, das den Abschnitt
des Kolbens mit kleineren Durchmesser in der Kappe nach dem
Einspritzen umgibt, zu reduzieren. Eine derartige
Modifikation wird jedoch unakzeptierbar und resultiert in dem
Problem, daß nicht länger ein ausreichender Spalt vorhanden
ist, um den Kraftstoff in den Düsenbereich der Kappe zu
dosieren, weil die Kraftstoffströmung um den Abschnitt des
Kolbens mit kleinerem Durchmesser signifikant reduziert
wird, wenn der Spalt reduziert wird. Insbesondere ist
herausgefunden worden, daß die Menge des Kraftstoffs, der
dosiert wird, um eingespritzt zu werden, so weit reduziert
wird, daß nicht genügend Kraftstoff eingespritzt wird.
Daher ist eine solche Lösung unpraktisch und
unakzeptierbar.
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Um die Situation zu verschlimmern, werden die Komponenten
der Einspritzvorrichtung, insbesondere der Abschnitt des
Kolbens mit kleinerem Durchmesser und die Innenfläche der
Bohrung in der Kappe während der Benutzung der
Kraftstoffeinspritzvorrichtung in einer Brennkraftmaschine von heißen
Gasen in dem Motorzylinder verkohlt, die zurück in die
Einspritzvorrichtung gedrängt werden. Des weiteren wird der
Spalt zwischen dem Abschnitt mit kleinerem Durchmesser und
der Innenwand der Kappe praktisch während der Benutzung
reduziert, weil das Verkohlen oder Verrußen auf dem
Abschnitt des Kolbens mit kleinerem Durchmesser und der
Innenwand der Kappe aufbaut. Folglich hat die Wirkung des
Verkohlens oder Verrußens an den Elementen der
Einspritzvorrichtung die Tendenz, einen Konstrukteur zu zwingen, die
Einspritzvorrichtung mit einem größeren Spalt zwischen dem
Abschnitt mit kleinerem Durchmesser des Kolbens und der
Innenwand der Kappe auszustatten, so daß sogar nach dem
Verkohlen eine ausreichende Strömung durch den Spalt für
eine angemessene Kraftstoffdosierung vorliegt.
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Aus dem Vorangegangenen geht klar hervor, daß die bekannten
Lehren, das eingeschlossene Volumen zu reduzieren, und eine
Kraftstoffdosierung ohne den Effekt des Verkohlens der
Einspritzvorrichtung in direktem Gegensatz zueinander stehen.
Mit anderen Worten, das Reduzieren des eingeschlossenen
Volumens lehrt, den Spalt zwischen dem kleineren
Durchmesser
des Kolbens und der Innenwand der Kappe zu
verkleinern, wohingegen das Reduzieren der Anfälligkeit des
Kraftstoffdosierens für Verkohlen erfordert, die
Abmessungen des Spaltes zu vergrößern. Das Endergebnis der
bekannten Technologie einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung
des Typs offene Düse ist, daß die oben bezeichneten Ziele
miteinander balanciert werden müssen, um eine auf einem
Kompromiß beruhende Kraftstoffeinspritzvorrichtung des Typs
offene Düse zu schaffen, die einen Spalt aufweist, der
teilweise beide Ziele erreicht. Es ist folglich einzusehen,
daß derartige Kraftstoffeinspritzvorrichtungen mit offener
Düse in ihrer Fähigkeit, Motoremissionen zu reduzieren,
während sie eine adequate und effektive Kraftstoffdosierung
ermöglichen, absolut eingeschränkt sind.
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Ein anderes ernsthaftes Problem, das einzigartig für
Kraftstoffeinspritzvorrichtungen des Typs offener Düse ist, ist
die Empfindlichkeit des Kraftstoffdosierens gegenüber
Verkohlen der Kraftstoffeinspritzvorrichtung. Verkohlung oder
Verrußen der Einspritzvorrichtungen tritt an allen
Oberflächen des Abschnitts des Kolbens mit kleinerem
Durchmesser und der Innenfläche der Kappe auf. So wie es am
besten verstanden wird, entsteht die Kohle als ein Resultat
von im wesentlichen Öl, Kraftstoff, und der Temperatur in
der Dosierkammer der Einspritzvorrichtung. Darüber hinaus
tritt Verkohlen bei bestimmten Motorbetriebsbedingungen
auf, bei denen wenig oder kein Kraftstoff in der
Dosierkammer vorhanden ist. Derartige Bedingungen schließen
Motorantriebsbedingungen ein, wobei der Motor von dem
Fahrzeugantriebsstrang angetrieben wird. Das Fehlen von
Kraftstoff in der Dosierkammer während einer Bedingung wie
dem Motorantrieb ermöglicht, daß die Gastemperaturen im
Inneren der Dosierkammer sehr hoch werden. Als Folge davon
tritt Kohlenstoff aus der Luft aus der Motorbrennkammer
durch die Einspritzöffnungen in die Dosierkammer ein, wenn
sich die Kolbenspitze von der Kappe löst. Der Kohlenstoff
aus der Luft lagert sich dann an den Oberflächen des
Kolbens und der Kappe ab. Eine Untersuchung der
Kohlenstoffablagerungen an dem Kolben und der Kappe hat gezeigt,
daß eine erste Schicht Ablagerungen an den Oberflächen im
Querschnitt auf Kraftstoff zurückzuführen ist und als eine
Art Kleber wirkt. Diese äußere Schicht besteht aus harten,
schwarzen Kohlenstoffablagerungen, die zumeist auf Öl
zurückzuführen sind. Die äußerste Schicht der Ablagerungen
ist dafür verantwortlich, daß ein anderes Hauptproblem von
Einspritzvorrichtungen des Typs offene Düse erzeugt wird,
weil die Ablagerungen Strömungsverluste in der
Einspritzvorrichtung bewirken, welche die Kraftstoffströmung während
des Dosierens in die Dosierkammer hemmen.
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Während des Dosierens muß Kraftstoff zwischen dem Abschnitt
des Kolbens mit kleineren Durchmesser und der Innenwand der
Kappe hindurchgehen, um in die Dosierkammer an der Spitze
der Kappe zu strömen. Weil die Kohlenstoffablagerungen in
der Dicke zunehmen, nehmen die Strömungsverluste ebenfalls
zu. An einem gewissen Punkt wird es unmöglich, eine
ausreichende Kraftstoffströmung zwischen dem Abschnitt des
Kolbens mit kleinerem Durchmesser und der Innenwand der
Kappe zu erreichen, so daß ein zum Einspritzen
ausreichendes Volumen an dosiertem Kraftstoff erzeugt wird. An
diesem Punkt kann die Einspritzvorrichtung nicht korrekt
arbeiten.
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Folglich ist es, um mit der Situation des Verkohlens fertig
zu werden, nötig geworden, derartige
Kraftstoffeinspritzvorrichtungen mit offener Düse nach einem Zeitraum der
Laufzeit, der von den Betriebsbedingungen abhängt, zu
ersetzen oder zumindest zu warten. Alternativ sind die
Bemühungen darauf konzentriert worden, die Bildung von
Verkohlungen als ein Mittel der Abschwächung der
Auswirkungen des Verkohlens auf die Strömungsdosierung der
Einspritzvorrichtung zu reduzieren. Sobald sich jedoch
eventuell Verkohlung aufbaut, erfährt die
Einspritzvorrichtung zwangsläufig einige Strömungsverluste der
Einspritzvorrichtung.
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Aus den oben genannten Gründen hat die Popularität von
Einspritzvorrichtungen mit geschlossener Düse zugenommen;
der unmittelbare Nachteil, der mit
Kraftstoffeinspritzvorrichtungen mit geschlossener Düse verbunden ist, besteht
jedoch in den zusätzlichen Kosten, die mit der Produktion
von derartigen im wesentlichen komplexeren
Kraftstoffeinspritzvorrichtungen verbunden sind. Abgesehen von der
Tatsache, daß eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit
geschlossener Düse, wie oben ausgeführt, nach anderen
Operationsprinzipien arbeitet als eine Einspritzvorrichtung
mit offener Düse, ergeben Einspritzvorrichtungen mit
geschlossener Düse nicht die gleichen Probleme wie die oben
aufgeführten Einspritzvorrichtungen mit offener Düse.
Insbesondere muß das Ventil einer Einspritzvorrichtung mit
geschlossener Düse nicht so ausgelegt sein, daß es eine
präzise Dosierung an der Düse bereitstellt, während
versucht wird, das eingeschlossene Volumen zu reduzieren. Das
einzige eingeschlossene Volumen, das sich in einer
Einspritzvorrichtung des Typs geschlossene Düse ergibt,
befindet sich unterhalb einer Spitze eines federbelasteten
Düsenventils in unmittelbarer Nähe seiner
Einspritzöffnungen. Des weiteren ist das Verkohlen der
Einspritzvorrichtung bei Kraftstoffeinspritzvorrichtungen mit
geschlossener Düse nicht so weit verbreitet, weil das
Düsenventil praktisch die Dosierkammer gegenüber der
Motorbrennkammer während eines Motorantriebs oder ähnlichen
Bedingungen verschließt.
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Ein Beispiel für eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit
geschlossener Düse, bei der insbesondere versucht wird, das
Volumen unter der Spitze des Düsenventils, das als SAC-
Volumen bezeichnet ist, zu reduzieren, ist in der US-A-
4 106 702 beschrieben, in der die Spitze des Düsenventils
in einer Weise besonders konisch ausgebildet ist, um das
SAC-Volumen an den Einspritzöffnungen der Düsenspitze zu
reduzieren, und die Ventilspitze so auszubilden, daß sie
gegen die konische Innenfläche der Düse in Anlage kommt.
Obwohl die Vorrichtung von Gardner et al. ausgelegt ist, um
ein SAC-Volumen zu reduzieren und die darauf bezogenen
Motoremissionen zu reduzieren, betrifft die
Einspritzvorrichtung des Typs geschlossene Düse selbst nicht das
Reduzieren des eingeschlossenen Volumens in einer Umgebung,
die des weiteren jedes Dosieren von Kraftstoff zum
Einspritzen übernehmen muß, weil das Düsenventil einfach auf
den Druck des vorher dosierten Kraftstoffs reagiert und
sich nicht auf das Dosieren des eingespritzten Kraftstoffs
auswirkt.
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Andere Kraftstoffeinspritzvorrichtungen des Typs
geschlossene Düse, die besonders ausgelegte Düsenventilspitzen
aufweisen, können in der US-A-3 836 080, der US-A-4 213 568
und der US-A-4 523 719 gefunden werden. Von diesen ist die
Einspritzvorrichtung mit geschlossener Düse, die in der
US-A-3 836 080 offenbart ist, des weiteren besonders
ausgelegt, um das SAC-Volumen unter der Düsenventilspitze
zu reduzieren. Das Design dieser Einspritzvorrichtung ist
darauf gerichtet, das gleiche Problem der
Einspritzvorrichtung zu lösen, die in der US-A-4 106 702 offenbart ist.
Das Problem, das durch die US-A-3 836 080 zu lösen versucht
wird, ist ebenfalls nicht analog zu dem in einer
Einspritzvorrichtung des Typs geschlossene Düse, bei der besondere
Dosieranforderungen erfüllt werden müssen, sowie das
Reduzieren des eingeschlossenen Volumens und das Bewirken
der Einspritzung.
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Folglich existiert ein Bedarf für eine
Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit offener Düse, die das eingeschlossene
Volumen zwischen dem kleineren Durchmesser des Kolbens und
der Innenwand der Einspritzvorrichtungskappe reduzieren
kann, wobei dennoch eine ausreichende Kraftstoffströmung
dazwischen ermöglicht wird, um die Kraftstoffmenge genau
und effektiv zu steuern, und die unverbrannten
Kohlenwasserstoffe in den Emissionen zu reduzieren. Darüber hinaus
existiert ein Bedarf, solch eine
Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit offener Düse zu schaffen, die über die
gesamte Nutzungslebensdauer einer solchen
Einspritzvorrichtung arbeitet, ohne die Kraftstoffdosierung ungünstig
zu beeinflussen, sogar wenn die Oberflächen von Kolben und
Kappe vollständig verkohlt oder verrußt sind.
Kurzdarstellung der Erfindung
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine
Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit offener Düse zu schaffen,
welche die bei den Kraftstoffeinspritzvorrichtungen mit
offener Düse beim Stand der Technik beschriebenen Mängel
überwindet.
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Eine weitere Aufgabe ist es, eine Einspritzvorrichtung mit
offener Düse zu schaffen, welche die Fähigkeit hat, das
zwischen dem Kolben und der Kappe eingeschlossene Volumen
in dem Labyrinthströmungsbereich zu reduzieren, ohne die in
die Kappe dosierte Kraftstoffströmung ungünstig zu
beeinflussen.
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Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den
Einfluß des Verkohlens der Einspritzvorrichtung auf die
Menge der durch den Labyrinthströmungsbereich dosierten
Strömung zu verringern. Während das Verkohlen des Kolbens
und der Kappe in einer Einspritzvorrichtung mit offener
Düse von dem Zylindergas abhängt, das in die
Einspritzvorrichtung am Ende der Kraftstoffeinspritzung zurückschlägt,
baut sich die Kohle an den Bestandteilen der
Einspritzvorrichtung auf, um die Kraftstoffströmung, insbesondere in
dem Labyrinthströmungsbereich, einzuschränken. Darüber
hinaus ist es wünschenswert, die Wirkung des Verkohlens zu
vermindern, während das eingeschlossene Volumen in dem
Labyrinthströmungsbereich ebenfalls reduziert wird.
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Noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es,
ein modifiziertes Kolben- und Kappendesign zu schaffen, das
eine effektive Kraftstoffdosierung sogar ermöglicht,
nachdem der Kolben und die Kappe vollständig verkohlt sind. Die
Auswirkung des Verkohlens wird eine obere Schranke
erreichen, sobald der Abschnitt des Kolbens mit kleinerem
Durchmesser und die Innenwand der Kappe vollständig verkohlt
sind, wobei das modifizierte Design eine ausreichende
Kraftstoffströmung während des Dosierens bei einem
minimalen Strömungsverlust an der oberen Schranke der
Verkohlung ermöglicht. Tatsächlich ist es eine Aufgabe der
vorliegenden Erfindung, in Wirklichkeit das Verkohlen der
Einspritzvorrichtung zu fördern, weil die obere Schranke
des totalen Verkohlens die dosierte Kraftstoffströmung
durch den Labyrinthströmungsbereich nur minimal beeinflußt,
und sobald die Einspritzvorrichtung vollständig verkohlt
ist, die Einspritzvorrichtung ohne eine weitere Reduktion
von Kraftstoffströmungsverlusten beständig arbeiten wird.
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Diese und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden
durch eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit offener Düse
nach Anspruch 1 gelöst. In den Ansprüchen 2 bis 7 sind
bevorzugte Merkmale dieser Einspritzvorrichtung angegeben.
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Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden klarer aus der folgenden
Beschreibung, und zwar in Verbindung mit den beiliegenden
Zeichnungen, die, nur beispielhaft, verschiedene
Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Figur 1 ist eine vertikale Querschnittsansicht mit
weggebrochenen Teilen einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung
mit offener Düse, wie sie herkömmlich bekannt ist;
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Figur 2 ist eine vergrößerte, bruchstückartige Ansicht
des unteren Endes der in Figur 1 gezeigten
Einspritzvorrichtung mit dem Kolben in einer zurückgezogenen Stellung,
die dem Dosierstadium des Einspritzzyklus entspricht;
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Figur 3 ist eine ähnliche, vergrößerte,
bruchstückartige Ansicht des unteren Endes der Einspritzvorrichtung
wie in Figur 2 mit dem Kolben in einer vollständig
vorgerückten Stellung, die dem Zeitpunkt unmittelbar nach dem
Einspritzen in dem Einspritzbetriebszyklus entspricht;
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Figur 4 ist eine Teilansicht im Querschnitt einer
gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten ersten
Ausführungsform, die einen abgesetzten Abschnitt eines
Kolbens mit kleinerem Durchmesser und eine entsprechend
abgesetzte Innenwand der Einspritzvorrichtungskappe zeigt,
wobei die Einspritzvorrichtung in ihrer zurückgezogenen
Stellung ist, die dem Dosierstadium entspricht;
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Figur 5 ist eine der Figur 4 ähnliche Ansicht,
abgesehen davon, daß der Kolben in der vollständig vorgerückten
Stellung unmittelbar nach dem Einspritzen ist;
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Figur 6 ist eine den Figuren 4 und 5 ähnliche Ansicht,
die den Kolben in einem Zwischenstadium zeigt, wobei der
Kolben teilweise aus der Anlage mit der
Einspritzvorrichtungskappe zurückgezogen ist;
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Figur 7 ist ein vergrößerter Querschnitt des Gebiets
innerhalb des in Figur 6 bezeichneten Kreises B, der den
Verkohlungsaufbau an den Oberflächen des
Einspritzvorrichtungskolbens und der Kappe zeigt;
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Figur 8 ist ein vergrößerter Querschnitt des Gebiets
innerhalb des in Figur 4 bezeichneten Kreises A, der einen
angemessenen Kraftstoffströmungsweg darstellt, sogar
nachdem die Oberflächen des Einspritzvorrichtungskolbens und
der Kappe vollständig verkohlt sind;
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Figur 9 ist ein Balkendiagramm, das eine Standard-
Druck-Zeit-Einspritzvorrichtung mit einer
Einspritzvorrichtung vergleicht, die gemäß der vorliegenden Erfindung
und wie in den Figuren 4 und 5 gezeigt ist ausgebildet ist,
und das die durchschnittlichen Strömungsverluste einer
Einspritzvorrichtung infolge der Verkohlung der
Einspritzvorrichtung darstellt;
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Figur 10 ist eine graphische Darstellung, welche die
prozentualen durchschnittlichen Strömungsverluste mit der
Testzeit für einen Verkohlungs-Testzyklus vergleicht und
welche eine Standard-PT-Einspritzvorrichtung mit einem
Design mit abgesetztem Kolben und abgesetzter Kappe
vergleicht, das die vorliegende Erfindung verkörpert, und zwar
über einer geschätzten Fahrtstreckendauer;
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Figur 11 eine Teilansicht im Querschnitt einer zweiten
Ausführungsform einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit
offener Düse ist, die gemäß der vorliegenden Erfindung
ausgebildet ist, bei der die Innenwand der Kappe abgesetzt
ist, während der Abschnitt des Kolbens mit kleinerem
Durchmesser konstant ist, wobei der Kolben in seiner
zurückgezogenen Stellung ist, die dem Dosierstadium entspricht;
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Figur 12 ist eine der Figur 9 ähnliche Ansicht, wobei
der Kolben in seiner vollständig vorgerückten Stellung
unmittelbar nach dem Einspritzen ist;
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Figur 13 ist eine Teilansicht im Querschnitt einer
Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit offener Düse, die gemäß
der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, und die des
weiteren so abgewandelt ist, daß sie ein Einsatzstück in
der Kappe enthält, um die Innenwand der Kappe festzulegen,
wobei der Kolben in seiner vorgerückten Stellung
unmittelbar nach den Einspritzen ist; und
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Figur 14 ist eine der Figur 13 ähnliche Ansicht, wobei
der Kolben in der zurückgezogenen Stellung ist, die dem
Dosierstadium entspricht.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und insbesondere auf
Figur 1 ist eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 10 mit
offener Düse gezeigt, die eine
Kraftstoffeinspritzvorrichtung des Standes der Technik repräsentiert, auf welche
die vorliegende Erfindung angewendet ist. Darüber hinaus
sind die besondere Konstruktion und die Funktion der
Kraftstoffeinspritzvorrichtung 10 in der US-A-4 280 659 und der
US-A-4 601 086 offenbart.
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Die Einspritzvorrichtung 10 mit offener Düse enthält ein
Einspritzvorrichtungsgehäuses 12, einen Zylinder 14 und
eine Kappe 16, die in einem End-zu-End-Verhältnis
angeordnet sind. Ein mit einem Gewinde versehener Halter 18
erstreckt sich um den Zylinder 14 und sichert die Kappe 16
und den Zylinder 14 an dem Einspritzvorrichtungsgehäuse 12.
Eine axiale Bohrung ist durch das
Einspritzvorrichtungsgehäuse 12, den Zylinder 14 und den größten Teil des Weges
durch die Kappe 16 vorgesehen. Die axiale Bohrung ist in
einen ersten Bereich 22, der den Teil der axialen Bohrung
umfaßt, der sich durch das Einspritzvorrichtungsgehäuse 12
und den Zylinder 14 erstreckt, und eine zweiten Bereich 24
unterteilt, der sich in die Kappe 16 erstreckt. Der zweite
Bereich 24 hat einen kleineren Durchmesser als der erste
Bereich 22. Man beachte, daß der erste Bereich 22 ebenfalls
Abschnitte mit variierenden Durchmesser enthält; aber nur
der Durchmesser des unteren Bereichs ist aus Gründen, die
weiter unten unter Bezugnahme auf die vorliegende Erfindung
klar werden, bezüglich der Abmessungen kritisch.
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Eine Kolbeneinrichtung 26 ist hin- und hergehend in der
axialen Bohrung angeordnet und enthält einen unteren Kolben
28. Die Kolbeneinrichtung 26 ist durch eine Stange 30
hinund
hergehend angetrieben, die wirksam durch einen (nicht
gezeigten) Einspritzvorrichtungsantriebsstrang angetrieben
ist. Der Einspritzvorrichtungsantriebsstrang koppelt
vorzugsweise die Einspritzvorrichtung 10 mit einer
Motornockenwelle, um jede Einspritzvorrichtung von jedem
Zylinder der Brennkraftmaschine synchron anzutreiben, wobei
die Einspritzvorrichtungsnockenwelle wirksam angetrieben
ist und zeitlich an die Motorkurbelwelle angepaßt ist. Es
ist daher verständlich, daß für jeden Zylinder in der
Brennkraftmaschine eine Einspritzvorrichtung vorgesehen
ist, und jede Einspritzvorrichtung einen Triebstrang
enthält, um eine hin- und hergehend Bewegung auf die
Kolbeneinrichtung 26 zu übertragen.
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In einem vergrößerten Bereich der axialen Bohrung ist eine
Rückstellfeder 32 angebracht, und das untere Ende der
Rückstellfeder 32 ist an einem Vorsprung 34 angeordnet. Das
obere Ende der Feder 32 befindet sich im Eingriff mit einer
Unterlegscheibe 36, die axial in der Aufwärtsrichtung an
der Kolbeneinrichtung 26 befestigt ist. Die Rückstellfeder
32 zwingt daher die Kolbeneinrichtung 26 einschließlich des
unteren Kolbens 28 nach oben. Das obere Ende des
Einspritzvorrichtungsgehäuses 12 ist, wie bei 38 gezeigt, mit einem
Innengewinde versehen, und ein oberer Anschlag 40 ist an
das Einspritzvorrichtungsgehäuse 12 geschraubt. Eine
Kontermutter 42 sichert den oberen Anschlag 40 an einer
ausgewählten Position, um so einen Anschlag zu bilden, der
die Aufwärtsbewegung der Unterlegscheibe 36 und somit der
Kolbeneinrichtung 26 beschränkt. Die Kolbeneinrichtung 26
ist in ihrem Abwärtshub durch das in Anlagekommen der
Spitze 29 des unteren Kolbens 28 gegen einen Sitz 44 der
Kappe 16 beschränkt.
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Es ist ein Kraftstoffzuführkanal 46 vorgesehen, der durch
das Einspritzvorrichtungsgehäuse 12 und den Zylinder 14
hindurchgeht und ein Rückschlagventil 48 enthält, welches
das Strömen von Kraftstoff nur in der durch die Pfeile
angezeigten Zuführrichtung zuläßt. Das obere Ende des
Kraftstoffzuführkanals 46 ist mit einem Einlaßregulierverschluß
50 versehen, der durch ein Sieb 51 bedeckt ist, um
Verunreinigungen am Eindringen in die Einspritzvorrichtung zu
hindern. Es ist selbstverständlich, daß der Einlaß 50 mit
einer gewöhnlichen (nicht gezeigten)
Kraftstoffzuführleitung verbunden ist, die konventiell in dem (ebenfalls
nicht gezeigten) Motorkopf vorgesehen ist, um jeder
Einspritzvorrichtung 10 der Brennkraftmaschine Kraftstoff
zuzuführen.
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Der Kraftstoffzuführkanal 46 enthält des weiteren eine
Zuführöffnung 52, die sich in den ersten Bereich 22 der
axialen Bohrung öffnet. Die Zuführöffnung 52 ermöglicht,
daß Kraftstoff in eine Dosierkammer strömt, die, wie weiter
unten beschrieben, unterhalb des unteren Kolbens 28 und
innerhalb der axialen Bohrung definiert ist. Am Ende des
zweiten Bohrungsbereichs 24 befinden sich
Einspritzöffnungen 25, durch welche Kraftstoff in einen
Motorzylinder dosiert wird. Eine zweite Zuführöffnung 54 öffnet
sich ebenfalls zu dem ersten Bereich 22 der axialen Bohrung
und zwar an einem Punkt oberhalb der Zuführöffnung 52. Die
zweite Zuführöffnung 54 führt, wie hiernach beschrieben,
Kraftstoff zum Spülen zu.
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Durch den Zylinder 14 und das Einspritzvorrichtungsgehäuse
12 ist ebenfalls ein Ablaufkanal 56 vorgesehen, der die
axiale Bohrung mit einer (nicht gezeigten) Abflußleitung
der Brennkraftmaschine verbindet.
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Der untere Kolben 28 ist in einen ersten Abschnitt 58 mit
größerem Durchmesser, einen zweiten Abschnitt 60 mit
größerem Durchmesser und einen Abschnitt 62 mit kleinerem
Durchmesser unterteilt. Die ersten und zweiten Abschnitte
58 und 60 mit größerem Durchmesser sind durch eine Spülnut
64 getrennt, welche die zweite Zuführöffnung 54 bei einem
Ablaufschlitz 57 mit dem Ablaufkanal 56 verbindet. Die
Spülnut 64 ermöglicht es, daß Kraftstoff durch die Spülnut
64 strömt, wenn der untere Kolben 28, wie in Figur 1
gezeigt, in einer vorgerückten Stellung ist, um den unteren
Kolben 28 zu kühlen und zu schmieren, sowie um irgendwelche
Gase zu entfernen, die sich darin aus einem Rückschlagen
von Gas aus dem Motorzylinder in die Einspritzvorrichtung
ansammeln können.
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Der Abschnitt 62 mit dem kleineren Durchmesser erstreckt
sich innerhalb der Bohrung 24 der Kappe 16, und die Bohrung
24 hat einen größeren Durchmesser als der Abschnitt 62 mit
dem kleineren Durchmesser.
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Es wird nun Bezug genommen auf die Figuren 2 und 3, wobei
der Betrieb einer derartigen Kraftstoffeinspritzvorrichtung
10 beschrieben werden wird. In Figur 2 ist die
Einspritzvorrichtung 10 im Dosierstadium gezeigt, wobei der untere
Kolben 28 in seiner vollständig zurückgezogenen Stellung
ist. Im Dosierstadium wird gemäß den Druck- und
Zeitprinzipien mit Druck beaufschlagter Kraftstoff durch die
Zuführöffnungen 52 zugeführt, während der Abschnitt 58 mit
größerem Durchmesser oberhalb der Zuführöffnungen 52
angeordnet ist, um das Strömen von Kraftstoff in das untere
Ende der axialen Bohrung nicht zu behindern. Folglich ist
ersichtlich, daß der Druck des Kraftstoffs, der durch die
Öffnungen 52 zugeführt wird, und die Zeit, in welcher der
Abschnitt 58 mit größerem Durchmesser oberhalb der
Zuführöffnungen
52 ist, die Kraftstoffmenge bestimmt, die in die
axiale Bohrung dosiert wird. In Figur 2 ist ebenfalls zu
sehen, daß der Abschnitt 62 mit kleinerem Durchmesser und
die Innenwand 66 der Bohrung 24 in der Kappe 16 einen
radialen Spalt x definieren, durch den, wie durch die
Pfeile angezeigt, Kraftstoff zu den offenen
Einspritzöffnungen 25 passieren kann. Man beachte, daß der Abschnitt
62 mit kleinerem Durchmesser sich immer, zumindest
teilweise, innerhalb des zweiten Bereichs 24 der axialen
Bohrung erstreckt, sogar in der am meisten zurückgezogenen
Stellung des unteren Kolbens 28. Der Bereich entlang des
Abschnitts 62 mit kleineren Durchmesser und der Innenwand
66 der Kappe 16 wird als Labyrinthströmungsbereich
bezeichnet.
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Nach den Dosieren wird der untere Kolben 28 durch die
Stange 30 von dem (nicht gezeigten) Triebstrang nach innen
gefahren, um den in den unteren Bereich der Bohrung 24 der
Kappe 16 dosierten Kraftstoff zu beaufschlagen, und um die
dosierte Kraftstoffmenge durch die Einspritzöffnungen 25 in
einen Zylinder einer Brennkraftmaschine einzuspritzen. Wie
in Figur 3 zu sehen ist, ist der Kolben 28 in seiner
vollständig vorgerückten Stellung gezeigt, die seine Stellung
unmittelbar nach Abschluß des Einspritzens widerspiegelt,
zu welchem Zeitpunkt sich die Spitze 29 des unteren Kolbens
28 an dem Sitz 44 der Kappe 16 in Anlage befindet.
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Wie ebenfalls gezeigt ist, ist der radiale Spalt x als im
wesentlichen konstant über die gesamte Länge des Abschnitts
62 mit kleineren Durchmesser innerhalb der Bohrung 24 der
Kappe 16 definiert. Der radiale Spalt x bildet ein Volumen
entlang der Ausdehnung, die sich der Abschnitt 62 mit
kleinerem Durchmesser innerhalb der Kappe 16 erstreckt, das mit
Kraftstoff versorgt ist, der nicht eingespritzt worden ist.
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Dieser Kraftstoff wird als eingeschlossenes
Kraftstoffvolumen bezeichnet, das nach dem Einspritzen in der Kappe
16 bleibt, und von dem man erkannt hat, daß es nach der
Verbrennung in den Motorzylinder wandert, um die
Anwesenheit von unverbrannten Kohlenwasserstoffen in den
Fahrzeugemissionen zu erhöhen.
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Folglich ist, wie oben im Abschnitt über den Hintergrund
der Anmeldung weiter ausgeführt, ein besonderes Anliegen
der vorliegenden Erfindung, dieses eingeschlossene Volumen
zu reduzieren und folglich das Vorhandensein von
unverbrannten Kohlenwasserstoffen in den Fahrzeugemissionen zu
reduzieren. Es ist jedoch, wie es ebenfalls in dem
Abschnitt über den Hintergrund dargelegt ist, unmöglich, das
eingeschlossene Volumen zu reduzieren, indem einfach der
Spalt zwischen dem Abschnitt 62 mit kleinerem Durchmesser
und der Innenwand 66 der Kappe 16 geschlossen wird, weil,
wie in Figur 2 dargestellt, die aus der Zuführöffnung 52
dosierte Kraftstoffmenge in der Lage sein muß, adequat
zwischen dem Abschnitt 62 mit kleinerem Durchmesser und der
Innenwand 66 der Kappe 16, was der
Labyrinthströmungsbereich ist, zu passieren. Darüber hinaus muß die Größe des
radialen Spalts x ausreichend sein, damit die Strömung
durch den Labyrinthbereich ausreichend ist, damit eine
gewünschte dosierte Kraftstoffmenge geliefert werden kann.
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Des weiteren werden, weil die Einspritzvorrichtung über
einen Zeitraum benützt wird, die Außenflächen des
Abschnitts 62 mit kleinerem Durchmesser und der Innenwand 66
der Kappe 16 sowie alle Oberflächen des Kolbens und der
Kappe mit kleinerem Durchmesser mit Kohlenstoff bedeckt,
der aus dem Rückschlagen von heißen Gasen aus dem Zylinder
der Brennkraf tmaschine in die Einspritzvorrichtung
aufgebaut wird. Insbesondere bildet sich Ruß oder Kohle an den
Oberflächen des Kolbens und der Kappe und zwar resultierend
aus im wesentlichen Öl, Kraftstoff und der Temperatur in
der Dosierkammer der Einspritzvorrichtung. Eine solches
Verkohlen oder Verrußen tritt am ehesten bei
Motorbetriebsbedingungen auf, bei denen wenig oder kein Kraftstoff in
der Dosierkammer vorhanden ist. Ein Beispiel für eine
derartige Bedingung ist als Motorantriebsbedingung bekannt,
wobei der Motor von den Fahrzeugantriebsstrang angetrieben
ist und wenig oder kein Kraftstoff der Dosierkammer
zugeführt wird. Folglich tritt, wenn sich die Kolbenspitze von
der Kappe löst, Kohlenstoff aus der Luft aus der
Motorbrennkammer durch die Einspritzöffnungen der
Einspritzvorrichtung in die Dosierkammer ein, und lagert sich dann an
den Oberflächen des Kolbens und der Kappe ab. Dies wird
erleichtert durch die Tatsache, daß irgendwelcher
Kraftstoff, der in der Dosierkammer zurückgeblieben ist, die
höheren Temperaturen ausgesetzt ist, die Tendenz aufweist,
eine klebrige Substanz an den Oberflächen des Kolbens und
der Kappe zu bilden, an welcher schwarze Kohlenstoff-
Flocken anhaften. Es ist naheliegend, daß je größer das
Ausmaß ist, daß sich Kohle an den Oberflächen des Kolbens
und der Kappe aufbaut, desto größer die Auswirkung des
Verkohlens an dem Labyrinthkraftstoffströmungsbereich ist,
durch welchen der dosierte Kraftstoff hindurchgehen muß.
Darüber hinaus ist die Menge von durch den
Labyrinthströmungsbereich dosiertem Kraftstoff, die auf Druck- und
Zeitprinzipien basiert, auf einen Punkt beschränkt, an dem
eine angemessene Kraftstoffdosierung unmöglich wird, weil
der Labyrinthströmungsbereich eingeschränkt wird. Diese
Empfindlichkeit von Kraftstoffeinspritzvorrichtungen mit
offener Düse gegenüber Verkohlen bzw. Verrußen ist
verantwortlich für einen großen Teil von Wartungsarbeiten, die
an derartigen Einspritzvorrichtungen mit offener Düse
erforderlich sind, wobei eine Wartung nach jeder
Benutzungsperiode nötig ist, während der ein übermäßiges
Verkohlen auftritt.
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Daraus resultierend wird der radiale Spalt x durch das
Verkohlen der Elemente der Einspritzvorrichtung reduziert
und folglich wird das Dosieren von Kraftstoff durch den
Labyrinthströmungsbereich durch das Verkohlen davon
ebenfalls beeinträchtigt. Je kleiner der radiale Spalt
ausgebildet wird, desto größer ist die Empfindlichkeit
gegenüber und die Auswirkung von Verkohlen.
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Folglich ist es ein besonderes Anliegen der vorliegenden
Erfindung, das am Ende des Einspritzens eingeschlossene
Kraftstoffvolumen zu reduzieren, während gleichzeitig eine
ausreichende Strömung des dosierten Kraftstoffs durch den
Labyrinthströmungsbereich mit einer reduzierten
Empfindlichkeit möglich ist. Darüber hinaus sorgt die vorliegende
Erfindung für eine ausreichende Kraftstoffströmung durch
den Labyrinthströmungsbereich, sogar nachdem der Kolben und
die Kappe vollständig verkohlt worden sind.
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Es wird nun bezug genommen auf die Figuren 4 bis 8, wobei
eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
dargestellt ist, die so ausgebildet ist, daß die oben
genannten besonderen Ziele erreicht werden. Es ist eine
Teilansicht im Querschnitt einer Einspritzvorrichtung 100
mit offener Düse gezeigt, die einen darin hin- und
hergehenden unteren Kolben 128 aufweist und durch einen (nicht
gezeigten) zugehörigen Einspritzvorrichtungsantriebsstrang
angetrieben ist. Der untere Kolben 128 enthält einen
Abschnitt 158 mit größeren Durchmesser, der gleitend
innerhalb eines ersten Bereichs 122 einer axialen Bohrung
120 angeordnet ist, die durch den Zylinder 114
hindurchgeht. Der untere Kolben 128 enthält des weiteren einen
Abschnitt 162 mit kleineren Durchmesser, der sich in einem
zweiten Bereich 124 der axialen Bohrung 120 erstreckt, der
in der Kappe 116 definiert ist. In dem Zylinder 114 ist
ebenfalls ein Kraftstoffzuführkanal 146 gezeigt, der eine
Zuführöffnung 152 enthält, um eine Kraftstoffströmung in
dem unteren Ende des Bohrungsbereichs 122 und in die
Dosierkammer des Bohrungsbereichs 124 zu ermöglichen.
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Figur 4 zeigt die Stellung der Einspritzvorrichtung 100 im
Dosierstadium, wobei der untere Kolben 128 in einer
vollständig zurückgezogenen Stellung ist, die eine
Kraftstoffströmung aus der Zuführöffnung 152 in die Dosierkammer
ermöglicht. Die Richtung der Kraftstoffströmung ist durch
die Pfeile in Figur 4 angezeigt. Der Abschnitt 162 mit
kleineren Durchmesser und die Innenwand 166 sind abgesetzt,
um die Strömung von Kraftstoff durch den
Labyrinthströmungsbereich zwischen der Außenfläche des Abschnitts 162
mit kleineren Durchmesser des unteren Kolbens 128 und der
Innenwand 166 der Kappe 116 zu erleichtern. Insbesondere
enthält der Abschnitt 162 mit kleineren Durchmesser einen
ersten Bereich 170 mit im wesentlichen konstanten
Durchmesser und einen zweiten Bereich 172 mit konstantem
Durchmesser, die durch einen ringförmigen Absatz 174 verbunden
sind. Von dem unteren Ende des zweiten Bereichs 172 mit
konstantem Durchmesser erstreckt sich die konische
Kolbenspitze 129, die verwendet wird, um den dosierten
Kraftstoff während des Einspritzens durch
Einspritzöffnungen 125 zu zwingen. Darüber hinaus ist die Innenwand
166 in einen ersten Bereich 176 und einen zweiten Bereich
178 unterteilt, die durch einen ringförmigen Absatz 180 in
einer ähnlichen Art und Weise bei konstantem Durchmesser
verbunden sind wie die abgesetzten Bereiche 170 und 172 des
unteren Kolbens 128. Darüber hinaus erlaubt die vorliegende
Erfindung, den Durchmesser des ersten Bereichs 176 der
Innenwand 166 der Kappe 116 geringfügig größer auszubilden
als der erste Abschnitt 170 des unteren Kolbens 128, ohne
das Dosieren ungünstig zu beeinflussen. Der zweite
Abschnitt 178 der Innenwand 166 ist ebenfalls vorzugsweise
etwas größer als der Durchmesser des zweiten Abschnitts 172
des unteren Kolbens 128 dimensioniert.
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Es ist ein besonderes Anliegen der vorliegenden Erfindung,
den abgesetzten Kolben und die Kappe so auszubilden, daß
der zwischen dem Abschnitt 162 mit kleinerem Durchmesser
des unteren Kolbens 128 und der Innenwand 166 der Kappe 116
gebildete radiale Spalt x minimiert werden kann, wenn der
untere Kolben 128, wie in Figur 5 gezeigt, in einer
vollständig vorgerückten Stellung ist. Insbesondere ist der
radiale Spalt x so ausgebildet, daß er viel kleiner als der
radiale Spalt ist, der bei den Einspritzvorrichtungen des
Standes der Technik, wie in den Figuren 1 bis 3, erlaubt
ist.
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In Figur 5 sind der erste Bereich 170 und der zweite
Bereich 172 des Abschnitts 162 mit kleinerem Durchmesser des
unteren Kolbens 128 jeweils in dem ersten Bereich 176 und
dem zweiten Bereich 178 der Innenwand 166 der Kappe 116
angeordnet. Der radiale Spalt x zwischen jeweils den ersten
Bereichen 170 und 176 des Kolbens und der Kappe und den
zweiten Bereich 172 und 178 des Kolbens und der Kappe sind
gleich. Es ist nicht notwendig, daß sie gleich sind, aber
es ist vorzuziehen, daß sie minimiert und gleich sind.
Obwohl der radiale Spalt x viel kleiner ausgebildet ist als
beim Stand der Technik, weist die in den Figuren 4 und 5
gezeigte Einspritzvorrichtung mit dem abgesetzten Kolben
und der abgesetzten Kappe bezüglich der Empfindlichkeit
beim Dosieren nicht die gleichen Mängel auf, wie sie beim
Stand der Technik bemerkt und oben diskutiert sind. Das ist
deswegen, weil die axialen Längen der abgesetzten Bereiche
so ausgelegt sind, daß sich der untere Kolben 128, wenn der
untere Kolben 128 nach oben in seine vollständig
zurückgezogene Position bewegt wird, um eine axiale Distanz bewegt,
die zumindest etwas größer ist, als die Länge des untersten
abgesetzten Bereichs des Kolbens, der durch den Bereich 172
gezeigt ist, und des Bereichs 178 der Innenwand 166 in
Figur 4. Daraus ergibt sich, daß der unterste Bereich 172
des Kolbens innerhalb des nächsthöheren Innenwandbereichs
176 liegt, der einen Durchmesser aufweist, der ausreichend
größer ist als der unterste Innenwandbereich 178, der durch
den Absatz 180 begrenzt ist. Wie aus Figur 4 ersichtlich
ist, erlaubt eine solche Verschiebung das Dosieren einer
Kraftstoffströmung ohne reduzierte Empfindlichkeit oder
Berücksichtigung des besonders minimierten radialen Spaltes
zwischen dem Kolben und der Kappe, wenn sie sich wie in
Figur 5 gezeigt in Anlage befinden.
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Darüber hinaus ist herausgefunden worden, daß die
Ausdehnung des Verkohlens oder Verrußens, wenn die Außenfläche
des Abschnitts 162 mit kleinerem Durchmesser und die
Innenwand 166 der Kappe 116 während der Benutzung der
Einspritzvorrichtung vollständig verkohlt werden, durch den radialen
Spalt x nach oben begrenzt ist, womit das gesamte
Verkohlungspotential minimiert wird. Des weiteren ist ein
Bereich minimaler Strömung durch den
Labyrinthströmungsbereich garantiert. Folglich sind die ringförmigen Absätze,
wie bei 174 und 180, sogar wenn die Oberflächen des
Abschnitts 162 mit kleinerem Durchmesser und der Innenwand
166 vollständig verkohlt werden, groß genug, um eine
angemessene Kraftstoffdosierung durch den
Labyrinthströmungsbereich zu erlauben, wenn der untere Kolben 128 vollständig
zurückgezogen ist. Das ist deswegen, weil die ringförmigen
Absätze 174 und 180 des Kolbens und der Kappe jeweils eine
radiale Stufendifferenz definieren, die ausreicht, um eine
angemessene Strömung, sogar bei vollständiger Verkohlung,
zu garantieren. In Anbetracht dessen ist es ferner
nützlich, tatsächlich die Verkohlungsbildung zu fördern, weil
die Einspritzvorrichtung mit offener Düse, sobald die Kappe
und der Kolben vollständig verkohlt sind, sehr beständig
mit einem garantierten Labyrinthströmungsbereich arbeiten
wird.
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Es wird nun Bezug genommen auf Figur 6, wobei eine Ansicht
ähnlich der Figuren 4 und 5 gezeigt ist, abgesehen davon,
daß der untere Kolben 128 in einer Zwischenstellung
zwischen denjenigen, die in den Figuren 4 und 5 gezeigt sind,
ist. Diese Zwischenstellung entspricht entweder einer
Stellung unmittelbar nach derjenigen in Figur 5, in welcher
der untere Kolben 128 im Begriff ist, von der Kappe 116
zurückgezogen zu werden, was kurz vor dem Start des
Dosierens erfolgt, oder der Stellung unmittelbar nachdem das
Dosieren abgeschlossen worden ist und das Einspritzen von
Kraftstoff in die Dosierkammer erfolgt. In beiden Fällen
ist ersichtlich, wie der ringförmige Absatz 174 an dem
unteren Kolben 128 zwischen den Kolbenbereichen 170 und 172
von dem ringförmigen Absatz 180 zwischen den Oberflächen
176 und 178 der Innenwand der Kappe 116 versetzt ist.
Darüber hinaus ist der Oberflächenbereich 170 des Kolbens
noch in einer Position, die teilweise benachbart zu dem
oberen Innenwandbereich 176 ist, und der unterste
Kolbenabschnitt 172 ist noch teilweise benachbart zu dem
Innenwandbereich 178.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform der Ausbildung des
abgesetzten Kolbens und der abgesetzten Kappe der
vorliegenden Erfindung ist der radiale Spalt oder das Spiel
zwischen den Bereichen mit kleinerem Durchmesser des Kolbens
und der Innenwand der Kappe vorzugsweise in dem Bereich
zwischen 0,0025 und 0,01 cm (0,001 und 0,004 Zoll)
enthalten, und das Dosierspiel liegt zwischen 0,015 und
0,02 cm (0,006 und 0,008 Zoll). Es ist jedoch verständlich,
daß das Spiel je nach spezifischer Situation oder Anwendung
eingestellt werden kann, und zwar in Abhängigkeit von den
Betriebsbedingungen und ähnlichem.
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Wie in den Figuren 7 und 8 zu sehen ist, sind die
Kolbenbereiche 170 und 172 mit kleinerem Durchmesser und die
Oberflächen 176 und 178 der Kappeninnenwand mit einer
Verkohlungs- oder Rußschicht darauf dargestellt, und zwar
an dem Punkt, an dem die Oberflächen als vollständig
verrußt bzw. verkohlt anzusehen sind. Insbesondere der oberste
Bereich 170 mit kleinerem Durchmesser ist mit einer
Kohleschicht C&sub1; (im Querschnitt) gezeigt, wobei der unterste
Kolbenabschnitt 172 mit kleinerem Durchmesser durch eine
Kohleschicht C&sub3; bedeckt gezeigt ist, wobei der oberste
Innenwandbereich der Kappe mit einer Kohleschicht C&sub2;
bedeckt ist, und der unterste Innenwandbereich 178 der Kappe
mit einer Kohleschicht C&sub4; bedeckt ist. Die Gesamtdicke
dieser Kohleschichten ist vorteilhaft durch die Größe des
radialen Spaltes x begrenzt. Wenn sich der untere Kolben
128 axial relativ zu der Kappe 116 bewegt, gleiten die
Kohleschichten C&sub1; und C&sub2; und C&sub3; und C&sub4; relativ zueinander,
wobei sie dazwischen in dieser Zwischenstellung nur einen
minimalen Strömungsweg durch den Labyrinthströmungsbereich
lassen. Die Dicken der in den Figuren 7 und 8 dargestellten
Schichten sind zur Veranschaulichung übertrieben, schildern
aber genau die Auswirkung des Verkohlens auf den
Labyrinthströmungsbereich und die Empfindlichkeit des Dosierens
gegenüber den Einflüssen des Verkohlens.
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Während der untere Kolben 128, wie unter Bezugnahme auf
Figur 6 beschrieben ist, im Begriff ist, zum
Kraftstoffdosieren zurückgezogen zu werden, liegen die Bereiche 170
und 172 des Kolbens mit kleinerem Durchmesser jeweils
teilweise benachbart zu den Innenflächenbereichen 176 und
178 der Kappe, wobei sich die Kohleschichten C&sub1;, C&sub2; und C&sub3;,
C&sub4; miteinander in Kontakt befinden. Dann, wenn der untere
Kolben 128 vollständig zurückgezogen ist, und das Dosieren
beginnt, ist der unterste Abschnitt 172 des Kolbens mit
kleinerem Durchmesser ebenfalls in eine Position oberhalb
des ringförmigen Absatzes 180 der Innenwand der Kappe
bewegt worden, und hat eine Position eingenommen, die zu
dem nächst oberen Innenwandbereich 176 der Kappe
benachbart, aber davon beabstandet ist. Darüber hinaus hat die
Kohleschicht C&sub3; eine Position eingenommen, die zu der
Kohleschicht C&sub2; benachbart ist, die um ein Maß, das durch
den ringförmigen Absatz 180 definiert ist, radial von der
Kohleschicht C&sub3; versetzt ist. Dieses Maß des
Absatzunterschiedes, das durch den ringförmigen Absatz 180 verkörpert
wird, gewährleistet den angemessen Strömungsbereich
oder - querschnitt durch den Labyrinthströmungsbereich
oder - querschnitt sogar nachdem die Oberflächen des Kolbens und
der Kappe vollständig verkohlt sind. Folglich ist ein
angemessener minimaler Strömungsbereich durch den
Labyrinthströmungsbereich garantiert.
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Des weiteren ist herausgefunden worden, daß das Design mit
dem abgesetzten Kolben und der abgesetzten Kappe den Effekt
des Verkohlens an dem Abschnitt 158 des unteren Kolbens 128
mit größerem Durchmesser durch Reduzieren der Rückströmung
von heißen Verbrennungsgasen, die durch die
Einspritzöffnungen 125 aus dem Motorzylinder zurückschlagen,
vermindert, indem Barrieren entlang des Strömungsweges geschaffen
werden. Diese Barrieren werden durch die Absätze entlang
des radialen Spaltes x und durch das Verkleinern des
Spaltes x selbst gebildet. Das Resultat ist, daß weniger
der Verbrennungsgase aufwärts wandern können, um den
Abschnitt 158 mit größerem Durchmesser und andere Elemente
der Einspritzvorrichtung mit offener Düse zu
beeinträchtigen.
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Es wird nun bezug genommen auf das in Figur gezeigte
Balkendiagramm, wobei eine Standard-Druck-Zeit (PT)
Einspritzvorrichtung mit einer Ausführung der vorliegenden Erfindung
mit abgesetzter Kappe und abgesetztem Kolben (SPC)
verglichen wird. Das Diagramm zeigt insbesondere die
durchschnittlichen Strömungsverluste der Einspritzvorrichtung
durch den Labyrinthdichtungsbereich, wenn die
Einspritzvorrichtung Verkohlung ausgesetzt ist. Die Standard-PT-
Einspritzvorrichtung erfährt durch das zyklische Verkohlen
des Kolbens und der Kappe der Einspritzvorrichtung so hohe
Strömungsverluste wie 11 %, während die Ausführung mit
abgesetztem Kolben und abgesetzter Kappe, die an drei
unterschiedlichen radialen Spalten getestet worden ist, ein
Maximum von weniger als 3 % Strömungsverluste aufweist, die
durch zyklisches Verkohlen bewirkt wurden. Das Resultat
stützt deutlich die oben genannte Behauptung, daß der
Effekt des Verkohlens an dem abgesetzten Kolben durch die
Ausführung mit abgesetztem Kolben und abgesetzter Kappe
deutlich reduziert wird, und sogar wenn der Kolben und die
Kappe vollständig verkohlt werden, nur eine minimale
Auswirkung auf die Strömung vorhanden ist. Das ist wegen
der Tatsache, daß der Kolben um eine Distanz axial bewegt
wird, die gerade größer ist als die axiale Länge der
untersten abgesetzten Bereiche in der vollständig
zurückgezogenen Stellung.
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Das in Figur 10 dargestellte Diagrarnm vergleicht die
prozentualen durchschnittlichen Strömungsverluste für eine
Standard-PT-Einspritzvorrichtung, die eine Kolben- und
Kappenausführung wie in den Figuren 1 bis 3 aufweist, mit
einer Einspritzvorrichtung, die eine abgesetzte Kolben- und
Kappenausführung, wie sie in den Figuren 4 bis 8
dargestellt ist, aufweist und in der die vorliegende Erfindung
verkörpert ist. Die prozentualen durchschnittlichen
Strömungsverluste werden über eine Testdauer für einen
Verkohlungszyklustest bestimmt, der als 15 s/15 s
Verkohlungszyklus bezeichnet ist. Dieser Test wurde durchgeführt,
indem ein mit solchen Einspritzvorrichtungen ausgestattete
Motor in aufeinanderfolgenden Perioden 15 s Motorantrieb,
dann 15 s Leistungsmodus bei ungefähr 60 PS ausgesetzt
wurde. Dieser aufeinanderfolgende Zyklus wurde für die
Zeitperioden durchgeführt, die entlang der unteren
horizontalen Achse des Diagramms in Stunden angegeben sind. Diese
Tests wurden sowohl an den Standard
PT-Einspritzvorrichtungen als auch an den Einspritzvorrichtungen mit
abgesetztem Kolben und abgesetzter Kappe durchgeführt, in denen
die vorliegende Erfindung verkörpert ist, wobei die obere
Kurve in Figur 10 das Ergebnis für die
Standard-PT-Einspritzvorrichtung zeigt und die untere Kurve das Resultat
für die Ausführung mit abgesetztem Kolben und abgesetzter
Kappe zeigt. Darüber hinaus wurde das Ausmaß des Verkohlens
für die Standard-PT-Einspritzvorrichtung mit bekannten
aktuellen Werten verglichen, die auf einer Fahrzeit
basieren, und verwendet, um eine geschätzte Fahrstrecke der
Verwendung der Einspritzvorrichtung zu bestimmen, wie sie
auf der oberen horizontalen Achse des Diagrarnms angegeben
ist.
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Wie klar ersichtlich ist, zeigten die Tests für die
Standard-PT-Einspritzvorrichtungen prozentuale
durchschnittliche
Strömungsverluste, die zwei- bis dreimal so groß
waren, wie die Strömungsverluste, die mit der Ausführung
der vorliegenden Erfindung mit abgesetztem Kolben und
abgesetzter Kappe verbunden waren. Typischerweise hat die
Ausführung mit abgesetztem Kolben und abgesetzter Kappe
prozentuale durchschnittliche Strömungsverluste ergeben,
die nicht größer als 8 bis 9 % waren. Im Gegensatz dazu hat
die nichtabgesetzte Standard-PT-Einspritzvorrichtung
Strömungsverluste erreicht, die so hoch wie 20 bis 30 %
waren. Zusätzlich ist beobachtet worden, daß die
Veränderlichkeit der Strömungsverluste von Zylinder zu
Zylinder bei der Einspritzvorrichtung mit abgesetztem
Kolben und abgesetzter Kappe viel geringer waren, als die
Veränderlichkeit, die typischerweise an Standard-PT-
Einspritzvorrichtungen zu bemerken ist. Das ist deswegen,
weil die Ausführung mit abgesetztem Kolben und abgesetzter
Kappe die obere Grenze für eine vollständig verkohlte
Einspritzvorrichtung festlegt, die eine angemessene
Kraftstoffdosierung bei minimalen Strömungsverlusten
garantiert.
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In den Figuren 13 und 14 ist eine zweite Ausführungsform
einer Einspritzvorrichtung 300 mit offener Düse
dargestellt, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet
ist. Die Einspritzvorrichtung 300 umfaßt einen unteren
Kolben 328 mit einem Abschnitt 358 mit größerem
Durchmesser, der sich im Gleiteingriff mit einem ersten
Bohrungsbereich 322 befindet, und einem Abschnitt 362 mit
kleinerem Durchmesser, der sich in einem zweiten
Bohrungsbereich 324 erstreckt, der in der Kappe 316 vorgesehen ist.
Wie in den Figuren 11 und 12 zu sehen ist, hat der
Abschnitt 362 mit kleinerem Durchmesser einen konstanten
Durchmesser über seine gesamte Länge. Die Innenwand 366 der
Kappe 316 ist jedoch mit abgesetzten Bereichen 376 und 378
mit einem Absatz 380 dazwischen versehen. Dieser
abgesetzten Bereiche 376 und 378 sind ähnlich ausgebildet wie
die ersten und zweiten abgesetzten Bereiche 176 und 178 der
in den Figuren 4 bis 8 gezeigten Ausführungsform.
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Wie in Figur 12 gezeigt ist, beinhaltet diese
Ausführungsform nicht die ganze Wirkung der Ausführung mit abgesetztem
Kolben und abgesetzter Kappe der Figuren 4 und 5, und zwar
ist nur der unterste Absatz, der durch den Bereich 378 der
Innenwand 366 geschaffen ist, ausgebildet, um den radialen
Spalt x daran zu minimieren, während ein zweiter radialer
Spalt y zwischen dem Abschnitt 362 mit kleinerem
Durchmesser und dem ersten Bereich 376 der Innenwand 366 der
Kappe 316 definiert ist. Der radiale Spalt y ist größer als
der radiale Spalt x. Weil der radiale Spalt x minimiert
ist, ist jedoch noch eine wesentliche Reduzierung des
eingeschlossenen Volumens gegeben, während eine
Einspritzvorrichtung mit reduzierter Empfindlichkeit gegenüber
Dosieren und Verkohlen geschaffen wird. Insbesondere ist
die obere Grenze des Verkohlens zwischen dem Kolbenbereich
362 und dem Innenwandbereich 378 der Kappe festgelegt.
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Solch eine Ausbildung erlaubt ebenfalls vorteilhaft, eine
Einspritzvorrichtung herzustellen, bei der nur die Kappe
216 modifiziert ist. Diese Ausführung ermöglicht das
Herstellen einer verbesserten Einspritzvorrichtung mit
offener Düse bei deutlich reduzierten Kosten, weil für den
unteren Kolben 328 kein zusätzliches Bearbeiten
erforderlich ist, was aber praktisch zumindest einen
wesentlichen Teil des eingeschlossenen Volumens reduziert. Darüber
hinaus ermöglicht dieser Ausführungsform das Nachrüsten
einer bereits existierenden Einspritzvorrichtung mit
offener Düse mit einer abgesetzten Kappe mit einer
nichtabgesetzten
Kolbeneinrichtung der nachgerüsteten
Einspritzvorrichtung.
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Die Funktionsprinzipien der Ausbildung der Figuren 11 und
12 mit abgesetzter Kappe und nicht abgesetzten Kolben sind
ähnlich wie diejenigen, die oben bei der Ausführung mit
abgesetzter Kappe und abgesetzten Kolben beschrieben sind,
wobei der Hub des unteren Kolbens 328 so ist, daß die
unterste Kante des Abschnitts 362 mit kleinerem Durchmesser
erhöht ist, um beim Dosieren gerade in dem ersten Abschnitt
376 mit größerem Durchmesser der Innenwand 366 der Kappe
316 zu sein. Es ist somit eine Kompromißausführung gezeigt,
die, obwohl etwas abgeschwächt, alle Vorteile der
Ausführung mit abgesetztem Kolben und abgesetzter Kappe
enthält, während sie reduzierte Herstellkosten sowie ein
Nachrüsten bereits existierender Einspritzvorrichtungen
zuläßt. Darüber hinaus wird die Empfindlichkeit gegenüber
dem Verkohlen hinsichtlich der Kraftstoffdosierung durch
die einschränkende Wirkung des abgesetzten radialen Spaltes
reduziert, und zwar in ähnlicher Weise, wie bei der oben
beschriebenen Ausführung mit abgesetztem Kolben und
abgesetzter Kappe.
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Eine weitere Modifikation, die auf beliebige der oben
beschriebenen Ausführungsformen angewendet werden kann,
aber insbesondere als Modifikation der Ausführungsform der
Figuren 11 und 12 gezeigt ist, ist in den Figuren 13 und 14
dargestellt. Eine solche weitere Modifikation wird durch
ein Einsatzstück 400 geschaffen, das separat hergestellt
und in einer vergrößerten Bohrung 402 der Kappe 404
vorgesehen wird. Die Innenbohrung 406 des Einsatzstückes 400
ist insbesondere mit einer abgesetzten Ausbildung gezeigt,
aber es ist verständlich, daß das Einsatzstück
gleichermaßen verwendet werden kann, um, wie oben beschrieben, eine
konisch zulaufende Ausführung zu schaffen. Darüber hinaus
kann das Einsatzstück mit oder ohne abgesetzte
Kolbenausbildung, wie sie oben beschrieben ist, verwendet werden.
Darüber hinaus kann das Einsatzstück zum Nachrüsten von
nicht abgesetzten oder nicht konisch zulaufenden
Einspritzvorrichtungskappen des Standes der Technik verwendet
werden, die dann nur zum Nachrüsten und zur Verwendung in
einer Einspritzvorrichtung mit offener Düse ausgebohrt
werden müssen, um aus den oben beschriebenen Vorteilen
Nutzen zu ziehen.
Gewerbliche Anwendbarkeit
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Es ist zu verstehen, daß die oben beschriebenen
Ausführungsformen und Modifikationen davon auf alle
Kraftstoffeinspritzvorrichtungen des Typs offene Düse angewendet
werden können, egal ob die Einspritzvorrichtungen in großen
schweren Maschinen oder in kleineren Maschinen eingesetzt
werden, die in industriellen Fahrzeugen, industrieller
Ausstattung und Atomobilen verwendet werden. Z.B. können
die bekannten Hochdruck-Kraftstoffeinspritzvorrichtungen,
wie sie in der US-A-4 721 247 offenbart sind, gemäß dieser
Erfindung modifiziert werden. Diese
Hochdruck-Kraftstoffeinspritzvorrichtungen haben eine besondere Verwendbarkeit
für kleinere Brennkraftmaschinen mit niedriger Kompression,
die zum Antrieb von Automobilen ausgelegt sind.