DE69714722T2

DE69714722T2 - Flüssigkraftstoffeinspritzvorrichtung für verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE69714722T2
Application number: DE69714722T
Authority: DE
Inventors: Jean Frederic Melchior
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-05-17
Filing date: 1997-05-14
Publication date: 2003-04-24
Anticipated expiration: 2017-05-15
Also published as: DE69714722D1; EP0898649A1; US6152109A; WO1997044583A1; CN1077220C; FR2748783B1; EP0898649B1; FR2748783A1; CN1223711A

Description

Diese Erfindung betrifft eine Flüssigkraftstoffeinspritzvorrichtung für einen Verbrennungsmotor.
In herkömmlicher Weise umfasst die Flüssigkraftstoffeinspritzung in einen Verbrennungsmotor, zum Beispiel einen Dieselmotor, ein Mittel zum Kraftstoffdruckaufbau in Form einer Einspritzpumpe, die geeignet ist, Kraftstoff in einer Kammer variablen Volumens, die in einem Pumpenzylinder eingerichtet und von einem Kolben, der durch eine mit der Hauptantriebswelle oder Kurbelwelle des Motors kinematisch verbundene Nockenwelle betätigt wird, begrenzt ist, zyklisch unter hohen Druck zu setzen.
Der komprimierte Kraftstoff wird über eine Einspritzdüse, die durch mehrere Einspritzlöcher mit der Arbeits- oder der Verbrennungskammer des Motors verbunden ist, eingespritzt, wobei diese Düse eine Kammer aufweist, die mit dem Zylinder der Einspritzpumpe im Allgemeinen durch Mittel zum Durchlass in einer Richtung, wie zum Beispiel ein Rückschlagventil, verbunden ist. Die Verbindung zwischen dieser Kammer und der Arbeits- oder Verbrennungskammer wird durch eine gleitende Nadel, die durch die Wirkung von elastischen Rückstellmitteln auf einen in der genannten Düse oberhalb der genannten Einspritzlöcher befindlichen konischen Sitz gedrückt wird, unterbrochen.
Diese Nadel weist einen zylindrischen Körper auf, der in einer in der Düse geschaffenen Bohrung gleitet und einen Durchmesser hat, der größer ist als der der konischen Auflagefläche der Nadel auf ihrem Sitz, so dass sich dieser, wenn der Druck des Kraftstoffs einen bestimmten Wert, den so genannten Tarierungsdruck der Einspritzdüse, überschreitet, von seinem Sitz hebt, um die Einspritzung zu erlauben. Wenn der Kolben der Einspritzpumpe über eine bestimmte Position hinausgeht, oberhalb der der Pumpenzylinder mit den Niederdruckkraftstoffversorgungsmitteln in Verbindung gebracht wird, fällt der Druck in der Düse und die Einspritznadel wird auf ihren Sitz zurückgeführt, um die Düse unter Einwirkung der oben genannten elastischen Rückstellmittel wieder zu schließen.
Trotz ihrer großen Einfachheit weist diese klassische Vorrichtung erhebliche Nachteile auf. In erster Linie hängt der Einspritzdruck von der Motordrehzahl ab und verändert sich mit dieser. Ferner erfolgt auf Grund der zwangsläufig begrenzten Kraft der Rückstellfeder das Ende der Einspritzung unter niedrigem Druck, der keine feine Zerstäubung des Kraftstoffs mehr erlaubt, was zur Bildung von Unverbranntem und Rußteilchen führt.
Einige dieser Nachteile können durch eine Einspritzvorrichtung vom in dem Patent FR-A-1 351 593 vorgeschlagenen Typ vermieden werden. In einer solchen Vorrichtung wird der von den Druckaufbaumitteln wie einer Pumpe oder einem Sammelbehälter kommende Kraftstoff zu einer Einspritzkammer geleitet, die durch einen sich gegen eine starke Feder bewegenden Kolben begrenzt ist, so dass die Kammer während der Phase der Nichteinspritzung mit Kraftstoff unter Druck gefüllt wird. Diese Kammer öffnet sich direkt zum Hohlraum der Einspritzdüse, in dem sich die Verschlussmittel bewegen, zum Beispiel eine Nadel, deren Hub entweder durch einen unabhängigen Hydraulikkreislauf oder durch einen den Kraftstoff verwendenden Kreislauf gesteuert werden kann. Wenn man die Öffnung der Nadel und somit die Einspritzung herbeiführt, bewegt sich die Nadel auf einem langen Weg, bis sie auf den Kolben der Einspritzkammer stößt, wobei dieser entsprechend seiner Vorwärtsbewegung, durch die der Kraftstoff von der Einspritzkammer zu der Einspritzdüse gedrückt wird, die Nadel verschließt.
Eine solche Vorrichtung weist jedoch Nachteile auf, die sie für die Verwendung bei sehr hohem Einspritzdruck, der in modernen Motoren angewandt wird, ungeeignet machen und die sich in einem höheren Risiko der Leckage von Kraftstoff und auf Grund des Drückens eines Teils des Kraftstoffes außerhalb des Volumens der Einspritzdüse zu dem Zufuhrkreislauf in einem Energieverlust äußern würden, von dem Problem der Überdimensionierung der Rückstellfeder gar nicht zu sprechen.
In DOS 1 944 862 hat man ebenfalls bereits eine Einspritzvorrichtung beschrieben, die eine Einspritzkammer, in der sich ein Differentialkolben bewegt, aufweist und die sich in direkter Verbindung mit der Einspritzdüse befindet, wobei Steuermittel erlauben, während der Phase der Nichteinspritzung die Einspritzkammer gegen den Druck eines durch eine Hochdruckpumpe versorgten Kraftstoffsammelbehälters zu füllen. Diese Vorrichtung weist jedoch erhebliche Nachteile auf. Insbesondere ist der Einspritzdruck nur ein Teil des von der Pumpe gelieferten Drucks, und die Einspritzendstellung des Kolbens wird durch einen Druckabfall sichergestellt, der, insbesondere bei hohem Druck, schwer mit Genauigkeit erreicht werden kann.
Um die Nachteile dieser unterschiedlichen Lösungen auszuschalten, konzentriert sich die moderne Entwicklung auf Einspritzsysteme mit gemeinsamer Leitung, die ebenfalls "Common Rail"-Systeme genannt werden.
In derartigen Systemen wird ein Sammelbehälter mit Hilfe von Mitteln zur Erzeugung von hohem Kraftstoffdruck ständig mit Kraftstoff unter hohem Druck gefüllt und ist dauerhaft mit der Kammer der Einspritzdüse oberhalb des Sitzes, gegen den sich die Auflagefläche der Einspritznadel mit Hilfe von Mitteln zu Steuerung drückt, verbunden. Ein Verteiler erlaubt, die genannte Kammer mit einer anderen, von der Oberseite der Nadel begrenzten Kammer in Verbindung zu bringen, so dass die Nadel unter der Einwirkung des in dem Sammelbehälter herrschenden Druckes auf ihren Sitz gedrückt wird. Wenn man die Einspritzung starten möchte, wird der Verteiler gekippt, so dass die genannte, von der Oberseite der Nadel begrenzte Kammer mit Niederdruckversorgungsmitteln in Verbindung gebracht wird, um den auf die Oberseite der Nadel ausgeübten Druck zu senken, so dass sich die Nadel hebt.
Um die Einspritzung zu beenden, kippt man erneut den Verteiler in die andere Position, um den Druck des Sammelbehälters oberhalb der Oberseite der Nadel wieder aufzubauen, so dass die Mittel zur Steuerung die Nadel wieder auf ihren Sitz führen, ohne dass der Einspritzdruck gesenkt werden muss. Die Einspritzung erfolgt also vollständig bei hohem Druck des Sammelbehälters, wodurch die Leckage am Ende der Einspritzung vermieden wird.
Ferner ist der Einspritzdruck unabhängig von der Motordrehzahl. Derartige Vorrichtungen, die hinsichtlich der Qualität der Verbrennung und der Kontrolle des Unverbrannten günstig sind, weisen jedoch andere Nachteile auf. Wenn sich nämlich die Nadel schlecht schließt oder wenn der Sitz der Nadel beschädigt ist, läuft der in dem Sammelbehälter unter hohem Druck befindliche Kraftstoff in die Verbrennungskammer und stellt ein Risiko der Überhitzung und Zerstörung des Motors dar.
Ferner kommt es durch den ständigen Druck des Common Rail- Systems, wegen Abdichtung durch zahlreiche in den Bohrungen gleitende Kolben zu einer starken Leckage, zu mechanischen Verlusten, einer Erhitzung des Kraftstoffes und zu einer Beeinträchtigung der Genauigkeit der Dosierung.
Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile auszuschalten und eine Einspritzvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die praktisch während der gesamten Einspritzdauer unabhängig von der Motordrehzahl eine Einspritzung des Kraftstoffes unter hohem Druck erlaubt.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Ausführung einer derartigen Vorrichtung, die in äußerst einfacher Weise erlaubt, eine genaue und festgelegte Menge an Kraftstoff in sehr kurzer Zeit und unter sehr hohem Druck zu liefern.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Ausführung einer derartigen Vorrichtung, bei der die Einspritzung während der gesamten Einspritzung unter sehr hohem Druck sichergestellt werden kann.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Ausführung einer derartigen Vorrichtung, bei der man eine sehr schnelle Einspritzung durch Verwendung von relativ langsamen Mitteln zum Aufbau von hohem Druck sicherstellen kann.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist ferner die Ausführung einer derartigen Vorrichtung mit einer verringerten Anzahl an klassischen Bauteilen und insbesondere unter Verwendung eines einzigen Pump- und Dosierelements zur Versorgung mehrerer Einspritzdüsen, so dass ein guter Ausgleich der in die unterschiedlichen Zylinder eingespritzten Austragmengen gewährleistet ist.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Ausführung einer derartigen Vorrichtung, bei der man die Einspritzmenge während der Einspritzung in einfacher Weise ändern kann, insbesondere um einen Einspritzbeginn mit geringer Menge, anschließend eine Fortsetzung der Einspritzung mit höherer Menge entsprechend dem manchmal "Rate Shaping" genannten Verfahren sicherzustellen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, die Vorteile des Common Rail-Systems mit einer geringen Leckage zu erzielen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Verringerung des Energieverbrauchs der Einspritzvorrichtung.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, diese Vorteile ohne Verwendung elektronischer Mittel zu erzielen, die für bestimmte Bedingungen schlecht geeignet sind.
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur diskontinuierlichen und zyklischen Einspritzung von zerstäubtem flüssigem Kraftstoff unter hohem Druck in eine Verbrennungskammer eines Verbrennungsmotors mit einer Arbeitskammer variablen Volumens, die Folgendes aufweist:
- eine Einspritzdüse, die für jede Arbeitskammer Folgendes aufweist:
-- einen Düsenhohlraum, der mit der Verbrennungskammer durch zumindest eine Einspritzöffnung in Verbindung steht,
-- Verschlussmittel zum zyklischen Unterbrechen und Wiederherstellen der Verbindung zwischen dem genannten Düsenhohlraum und der genannten Verbrennungskammer,
- und Mittel zum Fördern von flüssigem Kraftstoff unter hohem Druck, die geeignet sind, eine dosierte Menge von flüssigem Kraftstoff unter hohem Druck zyklisch zu fördern,
- wobei die genannten Fördermittel durch Mittel zur zyklischen Verbindung mit einer Einspritzkammer variablen Volumens verbunden sind, die durch eine Wand eines beweglichen Elements begrenzt ist, das bei jedem Zyklus durch elastische Rückstellmittel bis zu einem feststehenden Anschlag zurückgestellt wird, wodurch der minimale Wert des genannten variablen Volumens der Einspritzkammer festgelegt wird, und die dauerhaft mit dem genannten Düsenhohlraum verbunden ist, wobei die Einspritzkammer dazu bestimmt ist, vorübergehend die genannte dosierte Menge flüssigen Kraftstoffs aufzunehmen, wobei eine Einspritzkammer (26, 34) für jede Arbeitskammer vorgesehen ist,
- wobei die dosierte flüssige Kraftstoffmenge zyklisch mit Hilfe der Fördermittel in die Einspritzkammer während der zyklischen Verschließphase der genannten Verschlussmittel der Einspritzdüse gefördert wird,
dadurch gekennzeichnet, dass die genannten elastischen Rückstellmittel ein Fluidvolumen unter Druck umfassen, das auf das bewegliche Element einwirkt.
Vorzugsweise besteht das genannte bewegliche Element, dessen Wand die oben genannte Einspritzkammer begrenzt, aus einem Kolben, der zur Begrenzung der genannten Kammer in einem Zylinder gleitet. Da der Druck auf beiden Seiten des Kolbens praktisch ausgeglichen sein kann, kann das Risiko einer Leckage in Bezug auf den Kolben praktisch ausgeschaltet werden.
In besonders bevorzugter Weise kann das in dem Volumen enthaltene und eine Rückstellwirkung ausübende Fluid unter Druck in einem Sammelbehälter unter Druck gesetzter Kraftstoff sein.
Vorzugsweise kann das bewegliche Element oder der Kolben so angeordnet sein, dass er jede Leckage zwischen der Einspritzkammer und dem genannten flüssigen Kraftstoffvolumen unter Druck abdichtet, wenn er an seinen Anschlag gedrückt wird.
Das Fluid unter Druck kann mit Hilfe eines Multiplikators, insbesondere eines Differentialkolbens, auf das genannte bewegliche Element einwirken.
Die Einspritzdüse kann vorteilhafterweise eine Düse klassischen Typs sein, die drei Hohlräume aufweist, nämlich eine erste Kammer oder einen Sack, die oder der über Einspritzöffnungen mit der Verbrennungskammer verbunden ist, eine zweite, mit der ersten verbundene und einen Sitz aufweisende Kammer, wobei die genannte Kammer an ihrem unteren Teil von einer gleitenden Nadel begrenzt ist, deren Ende eine Auflagefläche aufweist, die geeignet ist, sich zur Unterbrechung dieser Verbindung auf den genannten Sitz zu drücken, und eine dritte zylindrische Kammer, in der ein einen Kolben bildender Teil der Nadel gleitet, so dass oberhalb der Nadel eine dritte, mit Mitteln zur Steuerung verbundene Kammer gebildet wird.
Die zum Beispiel aus einer solchen Nadel bestehenden Verschlussmittel können für ihre Öffnung mit Hilfe elektromagnetischer Mittel gesteuert werden, wie es an sich bekannt ist.
Diese Verschlussmittel können auf den Druck des flüssigen Kraftstoffs in dem Düsenhohlraum, zum Beispiel in der oben genannten zweiten Kammer, ansprechen, so dass sich, wenn in diesem Hohlraum ein hoher Druck aufgebaut ist, die Nadel gegen die Rückstellmittel bis zu einer Anschlagposition hebt. Diese Lösung wird in dieser Erfindung bevorzugt und kann einfach durch eine direkte und dauerhafte Verbindung zwischen dem genannten Düsenhohlraum und der genannten Einspritzkammer erzielt werden.
Die genannten Verschlussmittel können für ihre Schließung auf eine Rückstellfeder ansprechen.
Sie können für ihre Schließung ebenfalls auf die Einwirkung eines Fluids unter Druck, insbesondere flüssigen Kraftstoffs, ansprechen.
Bevorzugterweise können die genannten Verschlussmittel jedoch zwecks Schließung auf die direkte Einwirkung des oben genannten beweglichen Elements der Einspritzkammer ansprechen, so dass das bewegliche Element, wenn es seine Anschlagposition wieder einnimmt, das Verschlussmittel in Richtung einer Abdichtungsposition verschiebt.
Diese Lösung ist besonders vorteilhaft, denn sie erlaubt sicherzustellen, dass die Einspritzung des zerstäubten flüssigen Kraftstoffs in die Verbrennungskammer, selbst in den allerletzten Momenten der Einspritzung, bei einem hohen Druck erfolgt.
Der Anschlag des beweglichen Elements kann also aus den genannten Verschlussmitteln, wie der Nadel, bestehen, wenn sie in ihrer geschlossenen Position ankommen. Man kann jedoch ebenfalls einen positiven feststehenden Anschlag vorsehen, der zum Beispiel aus einem Ansatz oder Sitz der Einspritzkammer besteht, gegen die sich das bewegliche Element drückt, nachdem es die oben genannten Verschlussmittel, zum Beispiel eine Nadel, wieder verschlossen und anschließend noch dank eines elastischen Kontakts zwischen dem beweglichen Element und den genannten Verschlussmitteln beispielsweise durch einfachen elastischen Druck der Verschlussnadel, wenn diese eine längliche Form hat, einen kleinen Weg zurückgelegt hat.
Die Mittel zum Fördern von flüssigem Kraftstoff unter hohem Druck können ganz klassische sein und insbesondere eine einfache alternative gebräuchliche Einspritzpumpe, deren Kolben in ständigem Kontakt mit der Nocke einer Nockenwelle ist, umfassen. Vorteilhafterweise kann diese Pumpe eine Dosierpumpe sein, indem sie zum Beispiel, wie man dieses bei Einspritzpumpen kennt, eine spiralförmige Ablauframpe und eine Winkelpositionsregelung des Pumpenkolbens umfasst.
Man kann zentrale Mittel zum Druckaufbau für mehrere Einspritzvorrichtungen, die jedem Kolben zugeordnet sind, verwenden, und die Pumpe kann eine klassische Verteilerpumpe sein.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfassen die genannten Mittel zur zyklischen Verbindung, die zwischen den genannten Mitteln zum Fördern von flüssigem Kraftstoff unter hohem Druck und der genannten Einspritzkammer variablen Volumens angeordnet sind, ein Einwegverbindungsmittel.
Ferner können sie insbesondere ein Ventil umfassen, das vor dem genannten Einweg(verbindungs)mittels angeordnet und so beschaffen ist, dass die genannten Mittel zum Aufbau von hohem Druck mit einem Ablauf bzw. Austrag unter niedrigem Druck verbunden werden, wodurch dann die Schließung der genannten Einweg(verbindungs)mittel herbeigeführt wird, so dass die genannte dosierte Menge Kraftstoff durch die Dauer der Schließung des genannten Ventils bestimmt werden kann.
Das genannte Ventil kann einfach ein Zweiwegeventil sein.
In dem Fall, wo die oben genannten Verschlussmittel der Düse für ihre Schließung auf den Druck in einem flüssigen Kraftstoff enthaltenden Hohlraum ansprechen, kann ein Ventil, vorzugsweise das genannte vor dem genannten Einweg(verbindungs)mittel angeordnete Ventil, vorgesehen werden, um den genannten Hohlraum mit einem Ablauf zu verbinden, um die Öffnung der genannten Verschlussmittel zu erlauben.
In diesem Fall steuert dasselbe Ventil die Verbindung des Ablaufs mit den genannten Mitteln zum Aufbau von hohem Druck und dem genannten flüssigen Kraftstoff enthaltenden Hohlraum, der für den Schließvorgang auf die genannten Verschlussmittel einwirkt, so dass, wenn das genannte Ventil geschlossen wird, die genannten Fördermittel der genannten Einspritzkammer den flüssigen Kraftstoff unter hohem Druck über das genannte Einwegverbindungsmittel liefern, während die Öffnung des genannten Ventils zur Beendigung der genannten Lieferung führt und gleichzeitig die Öffnung der genannten Verschlussmittel und die Einspritzung von Kraftstoff in die Verbrennungskammer erlaubt.
Man kann ebenfalls eine Verschiebung zwischen dem Zeitpunkt des Endes der Dosierung und dem Einspritzbeginn herstellen, indem man den Kolben der Pumpe den Kraftstoff unter Druck bis zu seinem oberen Totpunkt fördern lässt, wobei der Druck anschließend durch eine flache Nockenform aufrechterhalten wird. In diesem Fall bestimmt der Zeitpunkt der Schließung des Ventils die Dosierung des einspritzten Volumens, da die von der Einspritzkammer erhaltene Menge an Kraftstoff durch den Weg der Pumpe zwischen dem Zeitpunkt der Schließung und der Ankunft am oberen Totpunkt bestimmt wird. Im Gegensatz dazu bestimmt die spätere Öffnung des Ventils den Zeitpunkt des Einspritzbeginns.
In einer anderen Ausführungsform kann man zum Öffnen der Verschlussmittel den Druckabfall durch die Abwärtsbewegung des Kolbens der Pumpe nach seinem oberen Totpunkt nutzen. An dem Antriebsmittel des Pumpenkolbens kann man vorteilhafterweise die Energie der Entspannung des Volumens komprimierten Kraftstoffs zwischen dem Pumpenkolben und dem Verschlussmittel, wie die Nadel, rückgewinnen.
In diesem Fall kann die Funktion des Zweiwegeventils durch einen klassischen sich drehenden Pumpenverteiler sichergestellt werden, und ein elektrisch gesteuertes Ventil wird überflüssig.
Die Erfindung eignet sich in bemerkenswerter Weise zur Einspritzung von flüssigem Kraftstoff in einen Mehrzylindermotor, der für jeden Zylinder eigene Einspritzdüsen aufweist. Die Pumpe oder das Mittel zum Fördern von flüssigem Kraftstoff unter hohem Druck ist dann mit jeder Düse über identische spezifische Leitungen getrennt verbunden, und die Mittel sind so angeordnet, dass sie den Kraftstoff sukzessive zu den verschiedenen Düsen leiten. Diese Mittel können einfach aus einer einzigen klassischen Verteilerpumpe bestehen, und es ist bemerkenswert, dass man diese Pumpe vorteilhafterweise mit einem Ablauf unter niedrigem Druck mit Hilfe eines einzigen Zweiwegeventils verbinden kann, dessen einfache Steuerung die gesamten Vorgänge der Einspritzzyklen zu bestimmen, zumindest die oben definierte rein hydromechanische Lösung zu wählen erlaubt.
In diesem Fall bestehen die oben genannten elastischen Rückstellmittel der beweglichen Elemente vorzugsweise aus einem einzigen zentralen Mittel, zum Beispiel einem einzigen Sammelbehälter, der flüssigen Kraftstoff unter hohem Druck enthält und auf die genannten beweglichen Elemente einwirkt, wobei die beweglichen Elemente vorzugsweise in den jeweiligen Düsen angeordnet sind, die mit den Verschlussmitteln der genannten Düsen koaxial fluchten.
Die oben genannten Einwegverbindungsmittel sind also vorteilhafterweise einzeln für jede Düse angebracht, um die Menge komprimierten und nicht eingespritzten Kraftstoffs zu reduzieren.
Um die Menge an während der Einspritzphase eingespritztem Kraftstoff zu variieren, indem zum Beispiel zu Beginn der Einspritzung eine kleine Einspritzmenge und während der übrigen Einspritzung eine große Menge festgelegt wird, kann die Vorrichtung vorteilhafterweise Mittel umfassen, die erlauben, den aus der Einspritzkammer kommenden Kraftstoff mit einer begrenzten Fördermenge zu dem Düsenhohlraum zu bringen, und zwar in der Weise, dass zu Beginn der Einspritzung die Einspritzmenge gleich der bestimmten, von der Einspritzkammer kommenden Menge ist, verringert um eine Fördermenge, die dem Anstieg des Volumens in dem Düsenhohlraum, der zum Beispiel durch das Heben des Verschlussmittels der Einspritzdüse herbeigeführt wird, entspricht.
Zu diesem Zweck kann man zum Beispiel in der direkten Verbindung zwischen der Einspritzkammer und dem Einspritzdüsenhohlraum eine Querschnittsverminderung oder Düse mit kalibrierter Öffnung vorsehen, die eine Begrenzung der an den Düsenhohlraum gelieferten Menge erlaubt, wobei das Verschlussmittel, wie die Nadel, dann mit Mitteln verbunden wird, die eine Kontrolle des Hebens der Nadel während einer bestimmten Dauer erlauben. Dieses Mittel kann selbst ein Querschnittsverminderer sein, der die Ableitung des Fluids zur Steuerung des Verschlussmittels verlangsamt.
Dieses Mittel kann gegebenenfalls wie ein Querschnittsverminderer mit variablem Querschnitt beschaffen sein, so dass das Heben der Nadel nach einem bestimmten Zeitprofil sichergestellt wird.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden beim Lesen der folgenden Beschreibung deutlich, die als nicht erschöpfendes Beispiel dient und sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht, auf denen:
- die Abb. 1 bis 4 eine Einspritzvorrichtung entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung in vier aufeinanderfolgenden Situationen darstellen, und zwar, nacheinander, eine Phase der Spülung und erneuten Beschickung der Pumpe, eine Phase der Dosierung, die Position am Beginn der Einspritzung und die Position am Ende der Einspritzung,
- die Abb. 5 bis 8 vier Funktionsphasen eines anderen Beispiels der Erfindung darstellen,
- die Abb. 9 bis 12 weitere Ausführungsformen der Einspritzdüse der Erfindung darstellen,
- die Abb. 13 eine Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung in einer koaxialen Anordnung der Elemente der Vorrichtung darstellt,
- die Abb. 14 eine Ansicht einer zentralen Einspritzvorrichtung für einen Mehrzylindermotor darstellt.
Zunächst bezieht man sich auf die Abb. 1 bis 4.
Die beschriebene Einspritzvorrichtung ist verbunden mit einem Zylinder 1 eines Dieselmotors, in dem ein Kolben 2 gleitet und oberhalb von ihm eine durch einen Deckel 4 verschlossene Verbrennungs- und Arbeitskammer 3 begrenzt. Vorzugsweise zentral und koaxial zu der Kammer, in der der Motorkolben 2 gleitet, angebracht, befindet sich eine Einspritzdüse 6, die vollkommen traditionell ausgeführt sein kann. Die Einspritzdüse umfasst eine Düse 7, deren unteres Ende in die Arbeitskammer 3 mündet und einen Innenhohlraum aufweist, der drei aufeinanderfolgende Kammern hat, nämlich eine erste Kammer oder einen Sack 8 mit geringem Volumen, durch Einspritzlöcher 9 in dauerhafter Verbindung mit der Arbeitskammer 3, eine zweite, oberhalb eines konischen Sitzes 11 befindliche Kammer 10 und unten eine dritte zylindrische Kammer 12, die einen Anschlag bildet, auf den eine Feder 13 gedrückt wird, die eine klassische Verschlussnadel 14, die in der zylindrischen Kammer 12 gleitet und deren vorderes verengtes Ende eine Auflagefläche 15 aufweist, dicht gegen den Sitz 11 drückt.
Die Vorrichtung umfasst weiter eine Pumpe 16 klassischen Typs, die den Aufbau eines hohen Kraftstoffdrucks erlaubt. Diese Pumpe besteht aus einem Pumpenzylinder 17, in dem ein Druckkolben 18 gleiten kann, der durch eine Feder 18 gegen die Nocke 20 einer mit der (nicht dargestellten) Kurbelwelle des Motors kinematisch aus einem Stück bestehenden Nockenwelle 21 zu seinem unteren Totpunkt zurückgestellt wird. Die Druckkammer 17 ist über eine Leitung 22, in der ein einfaches Zweiwegeventil 23 angebracht ist, mit der Kraftstoffversorgungsquelle 24 unter niedrigem Druck verbunden. Zum anderen ist die Druckkammer 17 durch eine in eine Leitung 30 mündende Leitung 25 direkt mit der oben genannten dritten Kammer 12 verbunden.
Die Vorrichtung nach der Erfindung umfasst ferner einen Einspritzhohlraum oder eine Einspritzkammer 26, in der ein aus einem Kolben bestehendes bewegliches Element 27 gegen ein starkes Rückstellmittel 28 gleitet, das eine Feder sein könnte, das jedoch nach der Erfindung ein Fluidvolumen unter Druck ist, zum Beispiel ein mit flüssigem Kraftstoff unter Druck gefüllter Sammelbehälter, der vorzugsweise so beschaffen ist, dass er den Kolben 27 während des gesamten Weges des Kolbens mit einer im Wesentlichen konstanten Kraft beansprucht. Die Einspritzkammer 26 ist über eine Leitung 29 dauerhaft mit der oben genannten zweiten Kammer 10 verbunden. Die Verbindung zwischen der Kammer 26 und der Druckkammer 17 wird schließlich durch die Leitung 31, in der ein Einwegeventil 32 angebracht ist, sichergestellt.
In der Ruhestellung stößt der Kolben oder das bewegliche Element 27 an einen vorderen Anschlag 33 der Kammer 26, so dass das Volumen der Kammer 26 minimal ist.
Vorteilhafterweise bildet der Anschlag 33 einen Abdichtungssitz, so dass bei dieser Position des Kolbens 27 keine Leckage des Sammelbehälters 28 in die Kammer 10 möglich ist.
Die Arbeitsweise ist die folgende.
In der auf Abb. 1 dargestellten Position der Spülung wird die Einspritznadel 14 durch die Rückstellfeder 13 auf ihren Sitz 11 gedrückt. Das bewegliche Element oder der Kolben 27 wird durch die starke Feder 28 gegen seinen Anschlag 33 gedrückt. Der Kolben 18 der Pumpe beginnt unter der Einwirkung der Nocke 20 seine Abwärtsbewegung. Das Zweiwegeventil 23 ist in geöffneter Stellung, so dass sich die Pumpenkammer 17 und der dritte Hohlraum 12 unter niedrigem Kraftstoffdruck befinden.
In der zweiten Kammer 10 ist der Wert des Druckes ausreichend niedrig, damit die Nadel durch die Feder 13 auf ihren Sitz gedrückt wird.
Die Bewegung des Pumpenkolbens 18 ändert den Druck in geringem Maße.
Die Fortsetzung des Prozesses wird auf Abb. 2 dargestellt: zu einem bestimmten Zeitpunkt t im Zyklus des Motors wird das Zweiwegeventil 23 schnell geschlossen. Der seinen Weg fortsetzende Einspritzkolben 18 erhöht sofort den Kraftstoffdruck in der Kammer 17 und dadurch in der Kammer 12. Gleichzeitig wird die Flüssigkeit in Richtung der Einspritzkammer 26 gedrückt, und der Kolben 17 wird gegen seine starke Feder zurückgeschoben, während sich in der zweiten Kammer 10 der gleiche Druck aufbaut. Der hohe Druck des flüssigen Kraftstoffs in der Kammer 17, der Kammer 26, der zweiten Kammer 10 und der dritten Kammer 12 wird durch die Kraft der Feder 28 bestimmt, deren Rückstellkraft vorzugsweise nahezu konstant ist. So ist der flüssige Kraftstoff hohem Druck ausgesetzt, der der Einspritzdruck sein wird, zum Beispiel 1600 bar.
So lange das Zweiwegeventil 23 geschlossen ist und der Einspritzpumpenkolben 18 seine Druckbewegung fortsetzt, fährt der Einspritzkolben 27 zurück, indem er sein elastisches Mittel 28 mit konstanter Kraft komprimiert und in der Kammer 26 aus der Kammer 17 kommenden Kraftstoff ansammelt.
Zu dem Zeitpunkt t + Δt, d. h. in dem Moment, wo die gewünschte Menge Kraftstoff unter hohem Einspritzdruck in die Kammer 26 eingeleitet worden ist und wo die eigentliche Einspritzung beginnen soll, wird das Zweiwegeventil 23, wie auf Abb. 3 dargestellt, schnell wieder geöffnet.
Die Kammer 17 und die dritte Kammer 12 befinden sich trotz einer möglichen Fortsetzung der Abwärtsbewegung des Pumpenkolbens 18 schnell unter niedrigen Druck gesetzt. Sogleich schließt sich das Einwegeventil 32 und die Kammer 26 ist von der Pumpkammer 17 getrennt.
Da sich die dritte Kammer 12 unter geringem Druck befindet, wird der in der Kammer 10 herrschende hohe Druck die Einspritznadel 14 heben, die ihre Rückstellfeder 13 komprimieren wird, bis sie sich an ihren oberen Anschlag drückt und über die erste Kammer 8 und die Einspritzöffnungen 9 die Verbindung mit der Arbeitskammer des Motors herstellt. Dadurch wird der flüssige Kraftstoff unter hohem Einspritzdruck in die Arbeitskammer eingespritzt und zerstäubt.
Diese Einspritzung unter hohem Druck setzt sich während der gesamten Dauer der Bewegung des Kolbens 26 unter der Einwirkung seines Rückstellmittels 28 bis zum Anschlag des Kolbens gegen seinen Anschlag 33 fort, so dass ein Kraftstoffvolumen, das der Gesamtmenge und lediglich der Gesamtmenge der zuvor in die Kammer 26 geförderten Menge entspricht, über die Öffnungen 9 ausgestoßen wird.
Am Ende der Einspritzung, die auf Abb. 4 dargestellt wird, nimmt das bewegliche Element auf seinem Sitz 33 die Anschlagposition ein, und der Druck in der zweiten Kammer 10 sinkt plötzlich, bis er gegenüber der elastischen Rückstellkraft 13 der Nadel 14, die dann abrupt auf ihrem Sitz in Anschlagposition gebracht wird, nicht mehr ausreichend ist.
Die Dosierung und der Einspritzbeginn können allein durch die Steuerung eines einfachen Zweiwegeventils 23 unabhängig voneinander eingestellt werden.
Man kann den Zeitpunkt des Endes der Dosierung und des Einspritzbeginns ebenfalls verschieben, indem man zum Beispiel eine Nocke mit einem flachen Profilbereich verwendet, um die Leitung von Kraftstoff in die Dosierkammer 26 zu beenden, wobei gleichzeitig der Druck in der dritten Kammer 12 aufrechterhalten wird, wobei der Einspritzzeitpunkt in dem flachen Bereich der Nocke durch Öffnen des Ventils 23 frei gewählt werden kann. In diesem Fall befindet sich der Kraftstoff vom Zeitpunkt des Schließens des Ventils 23 an und während der gesamten übrigen Bewegung des Pumpenkolbens 18 in Richtung seines oberen Totpunktes außerhalb der Pumpe 16 gedrückt.
Schließlich kann man ebenfalls, ohne das Ventil 23 zu öffnen, auf einen durch die Rückkehr des Kolbens 18 zu seinem unteren Totpunkt herbeigeführten Druckabfall in der Kammer 12 warten.
Die Einspritzphasen sind ferner vollkommen unabhängig von der Position der Nocke 20.
Die Pumpe 16 kann also rustikal und von geringer Fördermenge sein, da sie über einen großen Teil des Motorzyklus verfügt, um den Kraftstoff in Richtung der Einspritzkammer zu fördern.
In den soeben beschriebenen Beispielen ist die Pumpe 16 nicht direkt so angeordnet bzw. beschaffen, um eine einstellbare Dosis Kraftstoff zu liefern, wobei diese Dosis durch den während der Dauer Δt des Schließens des Ventils zurückgelegten Weg des Kolbens 18 quantitativ bestimmt wird.
Man versteht jedoch, dass man ebenfalls klassische Kraftstoffeinspritzpumpen für Motoren verwenden kann, die mit einer umgekehrten spiralförmigen Rampe bzw. Nocken und einer Vorrichtung zur Drehung um die Achse des Pumpenkolbens ausgestattet sind, so dass sie eine in der Zylinderwand der Pumpe geschaffene Ablauföffnung schließen und öffnen können. Der Pumpenkolben stellt somit die Funktion des Zweiwegeventils 23 sicher.
Man bezieht sich jetzt auf die Abb. 5 bis 8, auf denen die Bauteile mit denselben Funktionen wie in der vorhergehenden Beschreibung dieselben Referenznummern haben.
Diese Ausführungsform ist für Einspritzungen in mehreren Schritten, zum Beispiel mit einer Voreinspritzung, zur Begrenzung der Leckagen und der mechanischen Verluste bestimmt und verringert den Einfluss der Komprimierbarkeit des flüssigen Kraftstoffs auf die Funktionsweise der Vorrichtung auf ein Minimum.
In dieser Ausführung ist die Leitung 30 weggelassen, und die von der Pumpe 16 kommende Leitung 25 mündet über ein Einwegeventil 32 direkt in eine Kammer 34, die gleichzeitig die zweite Kammer der Einspritzdüse 12 und die die Kammer 26 ersetzende Einspritzkammer bildet. Die Nadel weist eine Verlängerung 48 auf, deren Durchmesser größer ist als der des Sitzes der Nadel 14 und die geeignet ist, durch einen beweglichen ausgenommenen Kolben 50 zu gleiten, der das bewegliche Element der Einspritzkammer 34 bildet und selbst in einem Zylinder, der eine Kammer 35 bildet, in die ein Sammelbehälter flüssigen Kraftstoffs unter hohem Druck 28 mündet, gleiten kann. Die Verlängerung 48 weist in der Kammer 35 einen Kragen 49 auf, dessen Durchmesser deutlich kleiner als der der Kammer 35 ist und der den Druck einer Rückstellfeder 13 für die Feder aufzunehmen erlaubt. Das obere Ende der Verlängerung 48 oberhalb des Kragens gleitet in einem Zylinder, der die dritte Kammer 12 der Nadel festzulegen erlaubt und einen Kolben bildet, dessen Durchmesser zwischen dem des Sitzes der Nadel und dem der Verlängerung 48 liegt.
Das Volumen der Kammer 35 und somit der Sammelbehälter 28 stehen mit der dritten Kammer 12 über eine zunächst radiale, dann axiale Leitung 51, die in der Verlängerung 48 geschaffen wurde und die über eine Endquerschnittsverminderung in die Kammer 12 mündet, in Verbindung. Im Übrigen ist diese durch ein in der Nähe der Kammer 12 befindliches Ventil 52 und eine Leitung 53 mit der Kraftstoffniederdruckquelle 24 verbunden.
In der auf Abb. 5 dargestellten Füllposition sind das erste und das zweite Ventil 23, 52 geschlossen und die Pumpe 16 fördert Kraftstoff unter hohem Druck über die Leitung 25 in die Kammer 34, so dass sich der Kolben 50 in Pfeilrichtung bewegt und den in der Kammer 35 befindlichen Kraftstoff in Richtung des Sammelbehälters 28 drückt. Sämtliche durch den Kraftstoff und die Feder 13 gebildeten Kräfte auf die Nadel 14 halten diese fest auf ihren Sitz 11 gedrückt. Nach dem oberen Totpunkt der Pumpe schließt sich das Ventil 32 und die Nocke gewinnt die Kompressionsenergie des in der Kammer 17 und der Leitung 25 enthaltenen Kraftstoffvolumens zurück. Der Druck in den verschiedenen Hohlräumen der Einspritzdüse 6 wird also von dem Druck in dem Sammelbehälter 28 bestimmt. Das Öffnen des ersten Ventils 23 lässt den Druck in der Pumpe abfallen. Man kann also das Ventil 52 öffnen, wie man auf Abb. 6 sieht. Dieses führt zu einem sofortigen Druckabfall in der dritten Kammer 12, so dass die Nadel 14 in eine geöffnete Position gedrückt wird. Die Kammer 34 ist also mit der ersten Kammer 8 verbunden, und der Kraftstoff der Kammer 34 wird unter dem Druck des Kolbens 50, der dem in dem Sammelbehälter 28 herrschenden Druck ausgesetzt ist, ausgestoßen und zerstäubt. Die Querschnittsverminderung in der Leitung 51 hindert den Sammerbehälter, sich zu entleeren.
Anschließend kann man das Ventil 52 schnell wieder schließen, wie auf Abb. 7 zu sehen ist, so dass diese erste Einspritzphase, die eine Voreinspritzung darstellt, beendet wird, wobei die Nadel 14 auf Grund des Druckanstiegs in der Kammer 12 und der Wirkung der Feder 13 auf ihren Sitz gedrückt wird. Man kann auf diese Weise durch mehrfaches, sukzessives Öffnen und Schließen des Ventils 52 eine Einspritzung in mehreren Stufen herbeiführen. Das Ende der Einspritzung ist erreicht, wie die Abb. 8 zeigt, wenn die gesamte in der Kammer 34 enthaltene einspritzbare Menge ausgestoßen wurde und der Kolben 50 auf seinem Sitz 33 seine Anschlagposition zur Abdichtung einnimmt, so dass der Druck in der Kammer 34, die auf ihr Mindestvolumen reduziert ist, sinkt und sich die Nadel unter der Einwirkung der Feder 13 und des Druckes, der auf die Differentialoberfläche zwischen der Verlängerung 48 und der Kammer 12 ausgeübt wird, schnell wieder schließt. Das Ventil 52 wird anschließend wieder geschlossen.
Man versteht, dass die Steuerung der Nadel äußerst schnell und präzise ist, zumal das Ventil 52 in unmittelbarer Nähe der dritten Kammer 12 angebracht werden kann. Im Übrigen ist keinerlei Transfer zwischen einer Einspritzkammer und der zweiten Kammer der Einspritzdüse erforderlich, so dass die eingespritzte Menge nicht auf die Komprimierbarkeit des Kraftstoffs anspricht. Schließlich beschränkt sich die Leckage auf das Spülen der Kammer 12 über den Querschnittsverminderer während der kurzen Dauer der Einspritzung.
Man bezieht sich jetzt auf die Abb. 9 bis 12, die Ausführungsformen darstellen, bei denen das Schließen der Nadel positiv durch das bewegliche Element der Einspritzkammer sichergestellt wird.
Auf Abb. 9 sieht man eine Einspritzdüse 6, die analog zu der auf Abb. 1 ist und deren dritte Kammer 12 keine Rückstellfeder umfasst. Die Nadel 14 setzt sich nach oben über eine lange Verlängerung 37 fort, die in dem Körper der Einspritzdüse gleitet und in eine Einspritzkammer 26 mündet, die mit der Leitung 25 durch das Ventil 32 und die Leitung 30 verbunden ist. Der Kolben 27, der die Einspritzkammer 26 begrenzt, wird durch sein Rückstellmittel, und zwar den Sammelbehälter 28, sowie durch eine Feder 54, die nur zum Schließen dient, beansprucht.
Wenn die Pumpe 16 den Kraftstoff in Richtung der Einspritzkammer 26 fördert, befindet sich die Kammer 12 unter Druck und die Nadel 14 wird auf ihren Sitz 11 gedrückt. Während dieser Zeit hebt sich der Kolben 27 und das Volumen der Kammer 35 wird größer, wobei sich der Kolben 27 von dem Ende des Stabes 37 der Nadel entfernt.
Die Arbeitsweise ist analog zu der der Vorrichtung auf Abb. 1. Beim Öffnen des Ventils 23 fällt der Druck in der dritten Kammer 12 und die Nadel hebt sich sofort, bis sie am Boden der Kammer 12 ihre Anschlagposition einnimmt. Der Kolben 27 beginnt seine Abwärtsbewegung von seiner oberen Position und der Kraftstoff wird über die Leitung 29 und die Kammer 10 ausgestoßen. Zum Ende der Abwärtsbewegung des Kolbens 27, der durch den in dem Sammelbehälter 28 herrschenden Druck beansprucht wird, stößt der Kolben 27 auf das Ende des Stabes 37 und bringt die Nadel wieder nach unten in Schließstellung. Sobald die Nadel 14 auf ihren Sitz 11 gedrückt ist, bildet der Stab 37 einen Anschlag für den Kolben 27. Die Feder 54 dient nur dazu, das Schließen der Nadel 14 und das Halten des Kolbens in der Position des minimalen Volumens der Kammer 26 sicherzustellen, wenn zum Beispiel beim Stillstand des Motors der Druck in dem Sammelbehälter 28 noch nicht aufgebaut worden ist.
Man bezieht sich auf Abb. 10, die eine Vorrichtung analog zu der auf Abb. 9 zeigt, bei der jedoch die Nadel 14 einen zweiten Abdichtungssitz 62 aufweist, der mit einem in der Kammer 12 vorgesehenen Sitz zusammenwirkt und Leckagen verhindert, die durch das Spiel zwischen der Nadel 14 und dem Körper der Düse 7 aus dem Sammelbehälter 28 kommen können.
Die Vorrichtung der Abb. 11 ist analog zu der auf Abbildung, mit Ausnahme der Tatsache, dass der Kolben 27 auf einen Sitz 33 in der Einspritzkammer 26 stößt, nachdem er die Nadel 14 unter Druck gesetzt hat. In diesem Fall befindet sich eine Feder 13 mit geringem Weg bzw. Bereich in der Kammer 12, so dass die Nadel 14 auf ihren Sitz 11 gedrückt wird, selbst in dem Fall, wo, da der Sammelbehälter 28 nicht unter Druck steht, der Kolben 27 nicht beansprucht wird. Bei dieser Ausführungsform sind die Länge und der Durchmesser des Stabes 37 so gewählt, dass die Nadel 14 von dem Kolben 27, kurz bevor dieser seine Anschlagposition 33 einnimmt, auf ihren Sitz 11 gedrückt wird, wobei die restliche Abwärtsbewegung der Nadel durch die Deformierung unter Druckbeanspruchung des Stabes 37 erlaubt wird.
Die Ausführungsform der Abb. 12 ist analog zu der auf Abb. 5, mit dem Unterschied, dass das Schließen der Nadel 14, wie auf Abb. 9, durch die Wirkung des Einspritzkolbens 50 auf den Anschlag 56, den die Nadel darstellt, sichergestellt wird.
Man bezieht sich jetzt auf die Abb. 13.
Bei dieser Ausführungsform, die gut für große Kraftstoffeinspritzmengen geeignet ist, fluchten die Düse, die Einspritzkammer und ihr bewegliches Element und die den hohen Druck erzeugende Pumpe koaxial auf der Achse der Düse 7.
Der Kolben 18 der Pumpe gleitet in einer zylindrischen Kammer 17, definiert im Innern des beweglichen Elements 65 mit Differentialkolben, der mit Hilfe des elastischen Rückstellmittels, das aus dem unter Druck befindlichen Fluid 35, zum Beispiel Luft, besteht und mit einem Sammelbehälter in Verbindung steht, in Richtung Einspritzung zurückgestellt wird. Die Verbindung zwischen dem Zutritt des Fluids unter niedrigem Druck über das Zweiwegeventil 23 und der Pumpenkammer 17 erfolgt über einen in dem beweglichen Element 34 angebrachten radialen Durchlass, der mit dem Ventil 23 über eine in der Oberfläche des beweglichen Elements 65 gebildete längliche Öffnung in Verbindung steht.
Die Einspritzkammer 26 ist unter dem beweglichen Kolben 65 angeordnet und man sieht seinen Anschlag der Endstellung 33. Die Leitung 31, die eine Verbindung der Pumpe 16 mit der Kammer 26 erlaubt, ist eine axiale Leitung, die in eine Verlängerung 43 läuft, die in Richtung der Düse über die aktive Kolbenoberfläche des Teils 65, das die Kammer 26 begrenzt und das an seinem freien Ende eine radiale Aussparung 44 aufweist, hinausgeht. Ein auf dieser Verlängerung 43 dicht gleitendes Einwegeklappenventil 32 wird normalerweise durch eine Feder, wie zum Beispiel eine Tellerfeder, gegen die Vorderseite der Düse 7 gedrückt. Wenn sich diese Klappe hebt, verbindet der Kanal 31 die Pumpe 16 mit der Kammer 26. Man sieht schließlich, dass sich die Nadel 14, die auf der Abbildung in maximal gehobener Position dargestellt ist, an ihrem oberen Ende gegenüber einem Volumen 12 befindet, das unter dem Ende der den Kanal 31 enthaltenden Verlängerung 43 liegt, ein Volumen, das ebenfalls von dem Klappenventil 32 begrenzt wird, wenn sich dieses in Schließstellung befindet.
Während der Phase der Spülung ist die Nocke 20 in einer Position, die dem Pumpenkolben 18 erlaubt, sich zu heben und den Kraftstoff aus der Niederdruckquelle 24 über das Ventil 23 in Verbindungsstellung anzusaugen, so dass sich die Pumpenkammer 17 füllt.
Da sich nach einer bestimmten Zeit die Nocke 20 gedreht hat, bewegt sich der Kolben nach unten. Zu einem Zeitpunkt t während dieser Abwärtsbewegung schließt man das Zweiwegeventil 23. Der in der Pumpe vorhandene Kraftstoff wird dann unter Druck gesetzt, so dass sich die Klappe 32 gegen ihr Rückstellmittel hebt und der in der Pumpe unter Druck gesetzte Kraftstoff in die Kammer 26 geleitet wird, so dass sich das bewegliche Teil 65 hebt und das Volumen der Kammer 26 größer wird, während in der Kammer 10 ein hoher Druck aufgebaut wird, ebenso in dem Volumen 12 oberhalb der Nadel 14, durch den der Kraftstoff fließt, der die Kammer 26 erreicht. Die Nadel 14 bleibt also fest auf ihren Sitz gedrückt.
Zum Zeitpunkt t + Δt öffnet man das Ventil 23. Infolgedessen sinkt der Druck sofort in der Pumpe 16 und in dem Volumen, in das der Kanal 31 mündet und das mit der dritten Kammer 12 in Verbindung steht. In diesem Moment hebt sich die Nadel 14 auf Grund des Drucks in der zweiten Kammer 10, bis sie ihre Anschlagposition einnimmt, wie in ihrer Einspritzstellung, die auf Abb. 6 dargestellt ist, wo das Volumen der Kammer 12 die Minimalgröße hat. Die elastischen Rückstellmittel 35, 36 drücken das bewegliche Element 65 nach unten zurück und drücken den Kraftstoff von der Einspritzkammer 26 in Richtung der zweiten Kammer 10, von wo er durch die Einspritzöffnungen 9 ausgestoßen und zerstäubt wird.
Gegen Ende seiner Abwärtsbewegung kommt der Kolben 65 über das untere Ende seines Ansatzes 43 mit der Nadel 14 in ihrer auf der Abbildung dargestellten gehobenen Stellung in Kontakt. Die Fortführung der Abwärtsbewegung des beweglichen Teils 65 zieht also die Nadel 14 mit nach unten, bis sie auf ihren Sitz gedrückt ist, was ein sofortiges Schließen der Nadel erlaubt, während der Druck in der Kammer 10 noch hoch bleibt, so dass man ein Einspritzende in ausgezeichneter Qualität erzielt. Sobald die Nadel 14 den Anschlag erreicht hat, bewegt sich das bewegliche Teil 65 dank des elastischen Drucks seiner den Kanal 31 enthaltenden Verlängerung 43 noch leicht nach unten und stoppt anschließend endgültig, indem es mit dem Anschlag in Kontakt kommt.
Man versteht, dass bei dieser sehr vorteilhaften Ausführungsform, wenn man über Druckluft verfügt, keine Rückstellfeder der Nadel 14 erforderlich ist, da die Nadel durch die elastische Spannung in der Verlängerung 43 des Teils 65, das selbst durch den Druck der Mittel 35, 36 fest auf seinen Sitz 33 gedrückt wird, auf ihren Sitz gedrückt wird.
Im Übrigen ist die dargestellte Vorrichtung besonders kompakt und die Kraftstoffwege beim Austritt aus der Pumpe sind besonders kurz, was den Einfluss der Komprimierbarkeit des Kraftstoffs auf die Präzision der eingespritzten Menge minimalisiert und ferner bei einen Mehrzylindermotor praktisch identische Einspritzvorrichtungen vorzusehen erlaubt, die also praktisch identische Mengen in jeden Zylinder liefern, einschließlich bei Drehzahlen, wo lediglich kleine Mengen eingespritzt werden.
Man bezieht sich jetzt auf die Abb. 14.
Auf dieser Abbildung hat man zwei der vier Einspritzdüsen 6 einer Vorrichtung nach der Erfindung für einen Vierzylindermotor dargestellt. Diese Einspritzdüsen 6 sind zum Beispiel identisch mit der auf Abb. 1. Der Kolben 27 jeder Einspritzdüse begrenzt durch seine andere Wand eine Rückstellkammer 38. Alle diese Rückstellkammern 38 sind direkt mit einem einzigen Sammelbehälter für Flüssigkraftstoff unter hohem Druck 39 verbunden.
Ferner umfasst die Vorrichtung eine gemeinsame Verteilerpumpe 40, die durch eine Antriebswelle betätigt wird.
Die Pumpe 40 ist eine klassische Pumpe für Einspritzvorrichtungen für Mehrzylindermotoren und braucht also nicht beschrieben zu werden. Sie umfasst einen Rotor 41 mit vier radialen Kolben 42, die in den Pumpenzylindern 57 gleiten, in denen sie sich während der Rotation des Rotors unter Einwirkung einer festen Nocke 58, deren bekanntes Profil durch die Anzahl der Zylinder und somit der Einspritzdüsen 6 bestimmt wird, bewegen. Der untere Teil des Rotors bildet einen Verteiler 59, der geeignet ist, flüssigen Kraftstoff unter Druck sukzessive über Leitungen 60, die die Leitungen 25 der Abb. 1 ersetzen und in den Kanal 30 der verschiedenen Einspritzdüsen führen, zu den verschiedenen Einspritzdüsen 6 zu leiten. Ferner steht die Pumpenkammer 57 dauerhaft mit einer zentralen Leitung 61 in Verbindung, die über ein Zweiwegeventil 23 und parallel dazu einer Leitung 63 mit einem Einwegklappenventil 64 mit einer Niederdruckkraftstoffquelle 24 verbunden ist.
Diese Pumpe 40 ist ebenfalls verwendbar zur Aufrechterhaltung des hohen Drucks in dem Sammelbehälter 39 mit Hilfe eines Ensembles, das mit der Leitung 61 verbunden ist und ein Einwegemittel 46 und ein für derartige Sammelbehälter klassisches Druckregelventil 47 umfasst und mit dem Sammelbehälter über eine Leitung 45 verbunden ist.
Man wird feststellen, dass diese zentralen Mittel zur Aufrechterhaltung des Drucks in dem Sammelbehälter 39 eine minimale, äquivalente und bei der Einspritzung eines jeden Zylinders ausgeglichene Menge Kraftstoff entnehmen.
Beim Laufen dreht die Pumpe 40 mit dem Motor. Die Steuerung des Ventils 23 erlaubt, jeder der Einspritzdüsen 6 sukzessive eine dosierte Menge Kraftstoff, der über die Leitung 60 und das Einwegeklappenventil 32 zur Einspritzkammer 26 der Einspritzdüse gelangt, zu liefern. Jede Einspritzdüse funktioniert wie bei der auf den Abb. 1 bis 4 dargestellten Vorrichtung.
Man versteht also, dass man, indem man ein einfaches Zweiwegeventil verwendet, die Steuerung der Einspritzung in jeden Zylinder äußerst präzise sicherstellen kann, und zwar, indem man eine einzige Dosierverteilerpumpe 40 und ein einziges elastisches Rückstellmittel 39 verwendet. Ferner erfolgt die Einspritzung bei allen Zylindern in konstanter Weise, da die Einspritzkammern 26 in unmittelbarer Nähe der zweiten Hohlräume 10 sind und die Leitungen 60 auf leichte Weise so konzipiert werden können, dass sie identische innere Volumina aufweisen.
Selbstverständlich können die oben beschriebenen Mittel zur Dosierung und Steuerung der Nadeln ebenfalls für diesen Fall einer zentralen Vorrichtung für mehrere Zylinder verwendet werden.
Insbesondere kann man den Austausch des Ventils 23 durch den rotierenden Verteiler und die Nutzung der Rückwärtsbewegung der Pumpenkolben zum Öffnen der Einspritzdüsen vorsehen. Die Vorwärtsbewegung zur Einspritzung wird also durch die Winkelstellung der Nocken 58 der Pumpe 40 in an sich bekannter Weise gesteuert.
Man bezieht sich auf die Abb. 3. Um ein zeitliches Liefermengenprofil während der Einspritzung mit einem Einspritzbeginn mit kleiner Liefermenge, gefolgt von einer Einspritzung mit großer Liefermenge, sicherzustellen, hat man in der Leitung 29 eine Spritzdüse oder ein Querschnittsverminderungsmittel 65, das die durch diese Verbindung fließende Liefermenge auf die für die Einspritzung maximal gewünschte Liefermenge begrenzt, vorgesehen.
Eine zweite Spritzdüse 66 ist in der Leitung 30 zur Steuerung des Anhebens der Schließnadel 14 angebracht.
Zu Beginn der Einspritzung überträgt sich der rasche Druckanstieg des aus der Einspritzkammer kommenden Kraftstoffs auf den Düsenhohlraum 10 und hebt die Nadel 14 an. Dieses Anheben erfolgt jedoch nicht prompt, denn die Spritzdüse 66 bremst die Ableitung des Kraftstoffs aus der Kammer 12 oberhalb der Nadel, so dass diese eine gewisse Zeit braucht, um die vollständig offene Anschlagstellung einzunehmen. Auf Grund der Spritzdüse 65 ist die schließlich während des gesamten Hebens der Nadel, das zur einer Zunahme des Volumens des Hohlraums 10 führt, eingespritzte Menge gleich der eingestellten Menge, die durch die Verbindung 29 fließt, verringert um die zum Anstieg des Volumens des Hohlraums 10 erforderliche Menge. Sobald die Nadel die Anschlagstellung einnimmt, wird diese letzte Liefermenge annulliert und die gesamte durch die Verbindung 29 kommende nominale Menge wird durch die Einspritzdüse 9 abgeleitet.
Man kann die Düse zum Bremsen des Anhebens der Nadel ebenfalls in Form einer Düse mit variablen Querschnitt 67 ausführen, wobei der Querschnitt im Verlauf des Hebens der Nadel 14 verändert wird, was bei Einspritzbeginn jedes gewünschte Liefermengenprofil zu erzielen erlaubt.
Selbstverständlich könnten die Düsen 65 und/oder 66, 67 funktional durch eine entsprechende Dimensionierung (Durchmesser und Länge und folglich Druckverlust) der Leitungen 29 und 30 ersetzt werden.

Claims

1. Vorrichtung zum diskontinuierlichen und zyklischen Einspritzen von zerstäubtem flüssigem Kraftstoff unter hohem Druck in eine Verbrennungskammer (3) eines Verbrennungsmotors mit variablem Arbeitsvolumen, aufweisend

- eine Einspritzdüse (7), die für jede Arbeitskammer aufweist:

-- Einen Düsenhohlraum (10, 34), der mit der Verbrennungskammer durch zumindest eine Einspritzöffnung (9) in Verbindung steht,

-- Verschlussmittel (14) zum zyklischen Unterbrechen und Wiederherstellen der Verbindung zwischen dem Düsenhohlraum (10, 34) und der Verbrennungskammer (3),

- und Mittel (16, 40) zum Fördern von flüssigem Kraftstoff unter hohem Druck, die dazu ausgelegt sind, eine dosierte Menge von flüssigem Kraftstoff unter hohem Druck zyklisch zu fördern,

- wobei die Fördermittel (16, 40) durch die Mittel zur zyklischen Verbindung mit einer Einspritzkammer (26, 34) variablen Volumens verbunden sind, die durch eine Wand eines beweglichen Elements (27, 50, 65) begrenzt ist, das bei jedem Zyklus durch elastische Rückstellmittel (28, 36, 39) bis zu einem feststehenden Anschlag (33, 37, 56) unter Bereitstellung des minimalen Werts des variablen Volumens der Einspritzkammer rückgestellt wird, und die dauerhaft mit dem Düsenhohlraum (10, 34) verbunden ist, wobei die Einspritzkammer dazu bestimmt ist, vorübergehend die dosierte flüssige Kraftstoffmenge aufzunehmen, wobei eine Einspritzkammer (36, 34) für jede Arbeitskammer vorgesehen ist,

- wobei die dosierte flüssige Kraftstoffmenge zyklisch durch die Fördermittel (16, 40) in der Einspritzkammer während der zyklischen Verschließphase der Verschlussmittel (14) der Einspritzdüse gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Rückstellmittel ein unter Druck stehendes Fluidvolumen umfassen, das auf das mobile Element einwirkt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Rückstellmittel (28, 36, 39) einen Sammelbehälter für unter Druck stehendes Fluid umfassen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Wand durch einen Kolben (27, 50, 65) gebildet ist, der in einem Zylinder gleitverstellbar vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenhohlraum und die Einspritzkammer eine gemeinsame Kammer (34) bilden.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (50) ein ausgenommener Kolben ist, der dazu ausgelegt ist, um einen Teil (48) der Verschlussmittel (14) herum zu gleiten.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Rückstellmittel (28, 36, 39) des beweglichen Elements (27, 50, 65) das bewegliche Element mit einer im wesentlichen konstanten Kraft während der gesamten Einspritzung der Kraftstoffdosis zurückdrängen, die in der Einspritzkammer (26, 34) enthalten ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Variieren der Austragmenge des eingespritzten Kraftstoffs Querschnittsverminderungsmittel (65) derart vorgesehen sind, dass das durch die Verschlussmittel (14) verschobene Volumen während seiner Öffnung die Austragmenge in der Kammer bei Einspritzbeginn verringert, wobei die normale Austragmenge erreicht ist, wenn die Verschlussmittel (14) die feststehende Anschlagposition einnehmen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (66, 67) zur konstanten oder variablen Querschnittsverminderung am Durchlass (30) vorgesehen sind, der mit einer Steuerkammer (12) der Verschlussmittel (14) verbunden ist, um die Anhubgeschwindigkeit der Verschlussmittel zu steuern.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Element (27, 65) mit einem Anschlag (33) zusammenwirkt, der die Funktion eines Abdichtungssitzes sicherstellt, der die Leckage zwischen der Einspritzkammer und dem unter Druck stehenden Rückstellfluid begrenzt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das unter hohem Druck stehende Fluid, das in einem Sammelbehälter (28, 36, 39) mit im wesentlichen konstantem Druck enthalten ist, der flüssige Kraftstoff ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlussmittel (14) der Düse auf eine Druckdifferenz zwischen dem Düsenhohlraum (10, 34) und einem Steuerhohlraum (12) ansprechen.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlussmittel (14) durch elektromagnetische Mittel gesteuert sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlussmittel (14) für ihren Schließvorgang auf eine Rückstellfeder (13) ansprechen.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlussmittel (14) für ihren Verschließvorgang auf die Wirkung eines unter Druck stehenden Fluids, insbesondere des flüssigen Kraftstoffs ansprechen.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlussmittel (14) für ihren Verschließvorgang auf die Wirkung des beweglichen Elements (27, 50) derart ansprechen, dass das bewegliche Element (43), wenn es seine Anschlagposition erreicht, die Verschlussmittel (14) in Richtung auf eine Abdichtungsposition verschiebt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der feststehende Anschlag (37, 56) des beweglichen Elements (27, 50) durch die Verschlussmittel (14) in ihrer verschlossenen Position gebildet ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Element (27, 50) die Verschlussmittel (14) auf ihrem Sitz (14) vor Erreichen seines Anschlags (33) unter Druck setzt.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördermittel für unter Druck stehenden flüssigen Kraftstoff eine Kolbenpumpe (16, 40) umfassen, die durch eine durch den Motor angetriebene Welle betätigt ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe eine Dosierpumpe, insbesondere vom Rampen-Typ mit spiralförmigem Ablauf und Regelung der Winkelposition des Kolbens ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur zyklischen Verbindung, die zwischen den Fördermitteln (16, 40) für unter hohem Druck stehenden Kraftstoff und der Einspritzkammer (26, 34) mit variablem Volumen angeordnet sind, ein Einwegverbindungsmittel (32) umfassen.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur zyklischen Verbindung ein Ventil (23) umfassen, das vor dem Einwegverbindungsmittel (32) angeordnet und derart ausgelegt ist, dass die Mittel zum Bereitstellen von hohem Druck in Verbindung mit einem Austrag (24) unter niedrigem Druck das Verschließen der Einwegverbindungsmittel derart auslöst, dass die dosierte Kraftstoffmenge durch den durch den Pumpenkolben während der Verschließdauer des Ventils (23) zurückgelegten Weg bestimmt ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (23) ein Zweiwegeventil ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 14, für sich genommen oder in Kombination mit einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hohlraum (12), der flüssigen Kraftstoff enthält, auf den die Verschlussmittel (14) für ihren Schließvorgang ansprechen, dazu ausgelegt ist, in Verbindung mit einem Austrag (24) mittels eines Ventils (23, 52) gebracht zu werden, um das Öffnen der Verschlussmittel zu ermöglichen.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass dasselbe Ventil (23) die Durchführung des Austrags (24) der Mittel (16) zum Bereitstellen von hohem Druck und des Hohlraums (12) steuert, der den flüssigen Kraftstoff enthält, der für die Schließposition auf die Verschlussmittel (14) derart einwirkt, dass das Ventil geschlossen ist, wobei die Fördermittel den flüssigen Kraftstoff unter hohem Druck zu der Einspritzkammer (26) durch die Einwegverbindungsmittel (32) fördern, wobei die Öffnung dieses Ventils das Ende der Förderung auslöst und gleichzeitig die Öffnung der Verschlussmittel bis zu ihrem Anschlag und das Einspritzen des Kraftstoffs in die Verbrennungskammer freigibt.

25. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (12), der den flüssigen Kraftstoff enthält, der für die Schließposition auf die Verschlussmittel (14) einwirkt, in Verbindung mit einem Volumen (28, 35) steht, das unter Druck stehenden Kraftstoff enthält, der als elastisches Rückstellmittel des beweglichen Elements (50) wirkt.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (12), die flüssigen Kraftstoff enthält, auf den die Verschlussmittel für ihre Steuerung ansprechen, dazu ausgelegt ist, mit einem Austrag (24) durch ein zweites Ventil (52) in Verbindung zu stehen, und dass die Verbindung der Kammer (12) mit dem unter Druck stehenden Kraftstoffvolumen (35, 28) mittels einer Querschnittsverminderung erfolgt.

27. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil der Nocke, die auf den Kolben einwirkt, einen flachen Teil aufweist, der es erlaubt, den Druck in dem Hohlraum (12) aufrechtzuerhalten, auf welchem die Verschlussmittel ansprechen, so dass der Öffnungszeitpunkt des Ventils und dadurch der Einspritzzeitpunkt auf dem flachen Teil gewählt werden können, indem er vom Ende der Befüllung der Einspritzkammer verschoben wird.

28. Vorrichtung nach Anspruch 10, für sich genommen oder in Verbindung mit einem der Ansprüche 11 bis 27, wobei die Mittel zum Bereitstellen des hohen Drucks eine Kolbenpumpe umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlussmittel für ihren Öffnungsvorgang auf den Druckabfall ansprechen, der durch den Rückstellhub des Pumpenkolbens zur Bereitstellung des hohen Drucks ausgelöst ist.

29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdüse und die Einspritzkammer (26, 34) koaxial fluchten.

30. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (16) zum Bereitstellen des hohen Drucks koaxial mit der Einspritzdüse fluchtet.

31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass sie für einen Motor mit mehreren Arbeitskammern mehrere Einspritzdüsen (6) und gemeinsame zentrale Mittel (40) zur Förderung und Dosierung des flüssigen Kraftstoffs unter Druck aufweisen, die getrennt mit jeder Düse durch eine im wesentlichen identische spezielle Leitung (60) verbunden sind, wobei die Mittel zum Bereitstellen des hohen Drucks dazu ausgelegt sind, den unter hohem Druck stehenden flüssigen Druck sukzessive an die Düsen anzulegen.

32. Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Rückstellmittel der beweglichen Elemente (27) einen gemeinsamen Sammelbehälter (39) umfassen, der den unter hohem Druck stehenden flüssigen Kraftstoff enthält und auf die beweglichen Elemente (27) einwirkt.

33. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsamen und zentralen Mittel (40) zur Förderung des unter hohem Druck stehenden flüssigen Kraftstoffs mit dem Sammelbehälter (39) verbunden sind, um die Aufrechterhaltung des hohen Drucks in diesem Sammelbehälter aufrechtzuerhalten, und zwar über einen Druckregler und ein Einweg(verbindungs)mittel.

34. Vorrichtung nach Anspruch 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (40) zum Bereitstellen des hohen Drucks durch eine gemeinsame Pumpe (40) gebildet sind, die dem Verteiler (59) zugeordnet bzw. mit diesem verbunden ist, und dass die Pumpe mit einem Niederdruckversorgungsmittel durch ein Ventil (23) verbunden ist, welches sukzessive die Funktion sämtlicher Einspritzdüsen der Vorrichtung sicherstellt.