EP0962648A1 - Kraftstoffeinspritzvorrichtung - Google Patents

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EP0962648A1
EP0962648A1 EP98110176A EP98110176A EP0962648A1 EP 0962648 A1 EP0962648 A1 EP 0962648A1 EP 98110176 A EP98110176 A EP 98110176A EP 98110176 A EP98110176 A EP 98110176A EP 0962648 A1 EP0962648 A1 EP 0962648A1
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EP
European Patent Office
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pressure
fuel
delivery piston
fuel injection
delay
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP98110176A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Dr. Heimberg
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Original Assignee
Individual
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Publication date
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Priority to PCT/EP1999/003876 priority patent/WO1999063217A1/de
Priority to AU45067/99A priority patent/AU4506799A/en
Priority to EP99927875A priority patent/EP1084343A1/de
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02M59/02—Pumps specially adapted for fuel-injection and not provided for in groups F02M39/00 -F02M57/00, e.g. rotary cylinder-block type of pumps of reciprocating-piston or reciprocating-cylinder type
    • F02M59/10—Pumps specially adapted for fuel-injection and not provided for in groups F02M39/00 -F02M57/00, e.g. rotary cylinder-block type of pumps of reciprocating-piston or reciprocating-cylinder type characterised by the piston-drive
    • F02M59/107—Pumps specially adapted for fuel-injection and not provided for in groups F02M39/00 -F02M57/00, e.g. rotary cylinder-block type of pumps of reciprocating-piston or reciprocating-cylinder type characterised by the piston-drive pneumatic drive, e.g. crankcase pressure drive
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M69/00—Low-pressure fuel-injection apparatus ; Apparatus with both continuous and intermittent injection; Apparatus injecting different types of fuel
    • F02M69/12—Low-pressure fuel-injection apparatus ; Apparatus with both continuous and intermittent injection; Apparatus injecting different types of fuel comprising a fuel-displaced free-piston for intermittently metering and supplying fuel to injection nozzles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B13/00—Pumps specially modified to deliver fixed or variable measured quantities

Definitions

  • the invention relates to a fuel injection device for Internal combustion engines.
  • Such fuel injectors are e.g. from the DD-PS 213 472, WO 96/34196, EP 0 630 442 B1, DB 195 15 782 A1, WO 93/18297 and DE 42 06 817 C2 are known.
  • Such a fuel injection device has a reciprocating pump with an accelerator and a one Fuel-containing space-limiting feed piston element on (see e.g. DD-PS 213 472).
  • a reciprocating pump with an accelerator and a one Fuel-containing space-limiting feed piston element on (see e.g. DD-PS 213 472).
  • the accelerator body stores kinetic energy.
  • the accelerator hits on the delivery piston element, which suddenly the kinetic energy of the delivery piston element on the Fuel is transferred.
  • the fuel becomes an injection nozzle through a pressure line transported with which the fuel in a Combustion chamber of an internal combustion engine is injected.
  • DE 42 06 817 C2 describes one based on the solid-state energy storage principle working fuel injector known, which instead of the accelerator and Delivery piston element has only one delivery piston, during an almost resistance-free acceleration phase Feeds fuel into a volume storage element (e.g. Fig. 1 DE 42 06 817 C2).
  • the volume storage element has one elastic membrane on the ingress of fuel in the volume storage element yields and the volume of the volume storage element changed. Is the maximum volume of the Volume storage element reached, so suddenly further delivery of fuel into the volume storage element interrupted and the energy stored in the delivery piston transfer the fuel that is injected through an injector becomes.
  • the elastic membrane is supported by a spring held the starting position. The spring hardness of the membrane acted upon spring is chosen so low that accordingly the teaching of this patent the acceleration phase of the piston is essentially unresistible.
  • FIG. 6 Another embodiment is evident from DE 42 06 817 C2 (Fig. 6), in which the delivery piston is axially displaceable in Anchor is stored.
  • the delivery piston is axially displaceable in Anchor is stored.
  • the guide part of the piston is one Spring applied, which is relatively soft and itself with its other end at the bottom of the anchor's blind hole supports. The spring serves to keep the piston and the armature in the starting position between two injection processes Be kept clear and is soft so that the resistance-free acceleration of the armature during the acceleration phase is not affected.
  • Fuel injectors can handle very high injection pressures from 60 to 80 bar.
  • FIG. 5 shows the pressure profile of a conventional injection device, which has a reciprocating piston pump as the delivery element and which operates in particular according to the solid-state energy storage principle.
  • the pressure at the injection nozzle suddenly rises to the maximum pressure P max at a time t 1 .
  • the injection pressure is not constant, but can fluctuate considerably.
  • pressure troughs frequently occur (in FIG. 5 at t 2 ), which lead to a substantial deterioration in the injection behavior and in particular in the droplet quality.
  • the pressure can drop below the nozzle opening pressure of the injection nozzle, so that there can be brief interruptions in the injection process. This can lead to considerable impairments in the ignition and combustion behavior in the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the injection pressure gradually decreases due to the continuously slowing delivery piston, so that the initially good atomizing effect (at P max ) decreases.
  • These undefined pressure states at the end of the injection pulse are additionally superimposed by a bouncing of the nozzle needle, as a result of which both the droplet size and the amount of fuel become uncontrollable.
  • common rail systems To achieve high injection pressures are used in automotive engineering so-called common rail systems are used. These common rail systems have a directly adjacent to the combustion chamber High-pressure fuel storage reservoir, in which Fuel, for example, is stored at 100 to 200 bar. Of the Fuel is opened by opening and closing a valve injected a combustion chamber.
  • the common rail system can be compared to that based on the solid state energy storage principle working fuel injectors generate higher injection pressures.
  • the pressure over the entire injection process is essentially constant, which makes a very even and fine atomized fuel jet sprayed from the injector becomes.
  • a disadvantage of the common rail system is the enormously high technical Effort for the formation of the high-pressure fuel storage reservoir and the corresponding pump equipment, to keep up the pressure.
  • the injection devices having a reciprocating pump are much smaller, simpler, lighter and provide the print only when needed. These are essential Advantages over the common rail system.
  • the invention has for its object a fuel injection device to create with a reciprocating pump, which in Comparison to the conventional, especially according to the solid-state energy storage principle working fuel injectors a better and more even energy input having.
  • the fuel injection device has a Delay device on the transmission of energy delayed from the delivery piston to the fuel.
  • the delay device is designed such that preferably in Range of the opening pressure of the injector the movement of the Delivery piston decelerated so that the pressure in the fuel does not rise suddenly.
  • the inventor of the present invention recognized that cannot open the injector suddenly. During one over a period of e.g. 0.5 ms opening phase is because of the only partially open injector Fuel flow rate limited, so that between the Delivery piston and fuel injector located in the injector opposes the delivery piston a considerable resistance and slows it down.
  • the sudden Energy transfer generated pressure on the not yet or only partially opened injector reflected, causing counter pressure waves directed towards the conveying direction arise additionally brake the delivery piston and thus withdraw energy from it.
  • the energy available for injection is not be fully exploited.
  • the energy transfer is delayed at least during the region of the opening phase of the injection nozzle, so that the energy transfer from the delivery piston to the fuel column is reduced during this opening phase.
  • the braking effect explained above is reduced and the generation of pressure waves reflected at the partially open injection nozzle is substantially reduced.
  • the duration of the opening phase is largely independent of the pressure applied to the injection nozzle, provided that it is greater than the opening pressure P nozzle . This means that additional energy introduced during the opening phase does not significantly shorten the opening phase, but instead leads to the generation of reflected pressure waves and greater braking of the delivery piston.
  • the energy transfer from the delivery piston to the fuel column is not delayed until the opening pressure P nozzle of the injection nozzle is reached, so that the opening pressure P nozzle is essentially suddenly reached in order to obtain the fastest possible response of the pump-nozzle system.
  • the part of the conventional injectors brake the reflected pressure waves when the injector is open not only the delivery piston, but also between the injection nozzle and the delivery piston reflected back and forth, which causes the pressure at the injector Fluctuations.
  • These pressure fluctuations lead to a undesirable, uneven droplet formation in the fuel jet. Since in the injector according to the invention the pressure fluctuations are significantly reduced, the Pressure fluctuations at the injection nozzle eliminated and one more uniform droplet formation is achieved.
  • Delay element formed as an elastic element that Energy is temporarily stored and pressure valleys can be compensated for Pressure fluctuations can be further reduced.
  • Fig. 1 shows schematically a first embodiment of the invention Cross section of the injection device.
  • This injector has an approximately tubular housing 3, that at the rear in the conveying direction 4 through a housing cover 5 is completed.
  • the front in the conveying direction 4 End forms a connection opening 7 for receiving a Pressure line 8, which leads to an injection nozzle 9.
  • the armature 12 has a substantially cylindrical shape Base body 14 on with its jacket wall the inner wall of the tubular housing 3 abuts. At the rear end of the base body 14 is the guide socket 13 scheduled.
  • the armature 12 On the front end in the conveying direction the armature 12 is a blind hole-like, approximately hollow cylindrical Recess 15 introduced. A distance from the front end face of the armature 12 is in the recess 15 a guide area 16 through a concentric guide recess with a larger inner diameter than the rest of the recess 15 trained.
  • the guide area 16 is thus both in conveying direction 4 as well as opposite to the conveying direction 4 delimited by an annular edge 17, 18.
  • a conveying piston 20 is arranged upstream of the armature 12 in the conveying direction 4, the one with its rear end in the recess 15 of the armature 12 protrudes.
  • the rear end of the delivery piston 20 forms a guide part 22 which protrudes outwards and engaging in the guide area 16 of the armature 12 Ring web 23 has.
  • the guide part 22 is in the recess 15 slidably mounted, the relative movement between the armature 12 and the delivery piston 20 through the ring edges 17, 18 is limited, which as stops for the ring web 23rd serve the guide part 22.
  • Compression spring 25 is used with bias, which the guide part 22 of the delivery piston 20 against the front ring edge 18 presses.
  • the front end of the delivery piston 20 in the conveying direction 4 is supported in a guide bushing 27.
  • the guide bushing 27 is in one from the inner wall of the tubular housing 3 internally projecting ring land 28 used.
  • the ring web 28 limits one in the tubular housing 3 between it and the rear cover 5 formed anchor space 30, in which the anchor 12 is slidably disposed.
  • the guide bushing 27 protrudes a little towards the rear into the armature space 30 and has an outwardly projecting at its front end Ring web 32 with which it the ring web 28 of the housing 3 engages behind.
  • the return spring is a very soft spring with no or very little preload is used so that it is only in the reset of the Anchor 12 overcomes its frictional forces, but the movement the armature 12 in the conveying direction 4 no significant resistance opposed.
  • a fuel supply opening 36 introduced, which extends radially inwards from the outside through the Housing 3 and the guide bushing 27 extends. Is outside at the fuel supply opening 36 on the housing 3, a connecting piece 37 for connecting a fuel supply line (not shown) trained.
  • a check valve 38 is arranged, the one Shuts off fuel flow back into the fuel supply line.
  • a parking pressure valve 40 is arranged, which blocks the connection to the injection nozzle 9, provided that the pressure applied to the parking pressure valve 40 is less than a certain passage pressure P through .
  • the passage pressure is generally considerably lower than the opening pressure P nozzle of the injection nozzle 9, at which the injection nozzle 9 opens.
  • the through the check valve 38, the parking pressure valve 40 and the front face of the delivery plunger in the conveying direction 20 limited area forms a pressure chamber 42.
  • Electromagnet 44 arranged for actuating the armature 12.
  • the armature 12 lies in the starting position shown in FIG. 1 with its rear end face on the guide bushing 11 and the delivery piston 20 rests with its guide part 22 the front ring edge 18 of the armature 12.
  • the armature 12 is driven in the conveying direction 4 by the electromagnet 44, the delivery piston 20 being first pressed by the armature 12 against the fuel located in the pressure chamber 42 and in the pressure line 8 without the relative position thereof changing (at a in FIG. 6 ).
  • the delivery piston 20 pressurizes the fuel, wherein when the passage pressure P is reached by the auxiliary pressure valve 40, the auxiliary pressure valve 40 opens and releases the connection to the injection nozzle 9.
  • the injector 9 opens and fuel is injected from the injector 9 into the combustion chamber (not shown).
  • the pressure build-up to the nozzle opening pressure P nozzle takes place almost instantaneously, because of the incompressibility of the fuel and the armature and Delivery piston existing unit performs only a minimal movement until the nozzle opening pressure P nozzle is reached.
  • the delivery piston 20 is pushed from a certain pressure in the pressure chamber 42 or in the high-pressure line 8, which is hereinafter referred to as deceleration pressure P V , into the recess 15 against the spring action of the compression spring 25, whereby the further pressure build-up is delayed.
  • the armature moves 12 with a guide speed in the conveying direction 4.
  • the delivery piston 20 is at a reduced speed moves in the direction of conveyance 4 because the delivery piston opposes the spring action of the spring 25 into the recess of the armature 12 immersed (at b in Fig. 6). There is therefore a relative speed between the delivery piston 20 and the armature 12. Due to this reduced speed compared to the anchor 12 of the delivery piston 20, the energy transfer from the armature 12 reduced on the delivery piston 20 or on the fuel.
  • the spring hardness of the compression spring 25 and the stroke of the guide part 23 in the guide area 16 is preferably dimensioned such that the pressure build-up is delayed at least during a first part of the opening phase of the injection nozzle 9, during which the injection nozzle 9 opens only slowly.
  • P End 1.5P jet up to 3P jet
  • the delivery piston 20 is moved at the guide speed of the armature 12 in the delivery direction 4, so that the pressure continues to increase at the maximum rate of increase to the maximum pressure P MAX (at c in FIG. 6).
  • the nozzle opening pressure P nozzle is typically in the range from 1 to 5 MPa and the cross-sectional area A piston of the delivery piston 20 is usually 5 to 20 mm 2 .
  • the deceleration pressure P V is set to the opening pressure of the injector 9.
  • the pressure in the fuel to be delivered rises to the maximum pressure P MAX , which is higher than in comparable conventional injection devices, since only a relatively small amount of energy is input during the opening phase of the injection nozzle, so that a higher energy yield is achieved and less disturbing pressure reflections are generated .
  • the fuel is then injected at an approximately constant pressure P MAX , since the reflections of the pressure waves are largely avoided (at d in FIG. 6). Should pressure troughs nevertheless occur (dashed line at t 2 in FIG. 6), the energy stored with the pressure spring 25 ensures that these do not drop below the nozzle opening pressure, since such deep pressure troughs are compensated for by the energy stored in the pressure spring.
  • the injector according to the invention works during the opening phase of the injection valve of the armature 12 is not against the pressure waves running counter to the conveying direction and the injector that is not yet fully open braked fuel column, but transmits the one in it The energy introduced is only completely on the fuel column after the injector is fully open.
  • Another significant advantage of this invention Injector is that at the end of the injection pulse, when through the electromagnet to the armature / piston unit exerted force becomes lower and this increases generated delivery pressure reduced, the stored in the compression spring 25 Energy drives the delivery piston 20 until it moves with its guide part 22 abruptly on the front ring edge 18 of the anchor 12 strikes and is stopped. The injection pulse is thus abruptly ended and points to his End an abrupt drop (at e in Fig. 6).
  • exact pressure ratios at the end of the injection pulse achieved, which both the spray behavior (uniform droplet size) as well as the meterability of the Improve fuel significantly.
  • FIG. 2 A second embodiment of an injection device according to the invention is shown in Fig. 2.
  • This embodiment has essentially the same Structure as the first embodiment, which is why the same Parts are provided with the same reference numerals.
  • a flat cylindrical Damping recess 50 with a jacket wall 51 brought in.
  • a flat cylindrical damping plunger 54 formed with a lateral surface 55, which is essentially the same cross-sectional shape as the damping recess 50 has, so that the damping ram 54 with little Game fits into the damping recess 50.
  • the ring web 23 of the delivery piston 20 is provided with longitudinal grooves (not shown) so that the delivery piston as long as the Damping stamp 54 is located outside the damping recess 50 located, essentially resistance-free in the fuel filled recess 15 of the armature 12 can be moved can.
  • the resistance-free displacement path X is shown in FIG. 2.
  • the armature 12 is moved by the electromagnet 44 in the conveying direction 4 moves, along the displacement path X for storage kinetic energy accelerated essentially without resistance becomes.
  • the damping plunger 54 penetrates into the damping recess 50 a, between the jacket wall 51 of the damping recess 50 and the outer surface 55 of the damping ram 54 a narrow gap forms, so that the between the Damping stamp 54 and the damping recess 50 located Only gradually escape fuel and the damping stamp 54 delayed only by the damping in the damping recess 50 can penetrate.
  • This delay occurs from the beginning of the injection pulse and lasts at least until the Injector 9 is fully open.
  • the duration of the delay can by the depth of the damping recess 50 or the gap width between the damping ram 54 and the damping recess 50 can be set. Because of this delay The energy transfer will only partially reflect the opened injector 9 and the associated disadvantages avoided.
  • the delay device a mechanical damping device to delay the build-up of pressure consisting of the damping ram 54 and the damping recess 50.
  • the damping device also be different, e.g. from a plastically deformable damping stamp, which is when it hits of the armature on the delivery piston plastically deformed and so the pressure build-up in the fuel is delayed.
  • FIG. 3 A third exemplary embodiment of the invention is shown in FIG. 3 shown.
  • This embodiment is similar to the two described above Embodiments carried out so that the same Parts are provided with the same reference numerals.
  • the delivery piston 20 and the armature 12 are in one piece executed.
  • the delay chamber 55 is like a blind hole with a jacket wall 58 and a bottom wall 59 executed and has a hollow cylindrical shape.
  • a delay piston 57 slidably mounted, the flush ends with the jacket wall 58 of the delay chamber 55.
  • Delay piston 57 is a recess for receiving a Compression spring 60 introduced into the bottom wall 59, the preload between the delay piston 57 and that in the bottom wall 59 introduced recess is inserted.
  • the armature / piston unit is moved by the magnet 44 in the conveying direction 4, as a result of which fuel is displaced from the pressure chamber 42 to the injection nozzle 9. If the deceleration pressure P V set in the deceleration chamber 55 by the pretension of the compression spring 60 is reached in the pressure chamber 42, fuel escapes into the deceleration chamber 55, the deceleration piston 57 being inserted into the deceleration chamber 55. As a result, the pressure build-up in the pressure chamber 42 and consequently in the high-pressure line 8 is delayed, so that the pressure does not increase suddenly, but rather increases gradually. The deceleration process ends when the deceleration piston 57 strikes the bottom wall 59.
  • the delay period is determined by the spring hardness of the spring 60 and the stroke of the delay piston 57 in the delay chamber 55. As a result, reflections of the pressure waves are avoided in the same way as in the first exemplary embodiment described above, and the pressure curve shown in FIG. 6 is achieved.
  • FIG. 4 A fourth embodiment of the invention is shown in FIG. 4 shown. This embodiment is similar to the third Embodiment formed, which is why the same parts the same reference number.
  • the armature 12 and the delivery piston 20 are separate components formed, the armature 12 made of a cylindrical Base body 14 with one with respect to the conveying direction 4 rear end of the attached guide socket 13.
  • the armature is in turn by a return spring 34, the ring web projecting inwards into the housing 3 28 supports, pressed against the conveying direction 4.
  • the return spring 34 is used with little or no preload, so that the armature 12 when moving in the conveying direction practically no resistance and this when actuated by the electromagnet 44 essentially can be accelerated without resistance.
  • the delivery piston 20 is inserted into the ring land 28 Guide bushing 27 slidably mounted in the axial direction.
  • the Delivery piston 20 is essentially rod-shaped with an on its front end radially outwardly projecting ring land 70 formed of the front end in the conveying direction 4 of the Engages behind guide bushing 27.
  • a delivery piston return spring 71 used to oppose the delivery piston the conveying direction 4 presses, so that in the shown in Fig. 4 Starting position of the ring web 70 on the front Front face of the guide bush 27 strikes.
  • the method of operation of the fourth exemplary embodiment essentially corresponds to that of the third exemplary embodiment, but when the magnet 44 is excited, the armature 12 alone is accelerated essentially without resistance. After the armature 12 has covered the path X, it strikes the delivery piston 20 and suddenly transfers its kinetic energy to the delivery piston 20. The delivery piston 20 displaces the fuel in the pressure chamber 42, the further one after reaching the deceleration pressure P V Pressure build-up as in the third exemplary embodiment is delayed by the delay device (delay chamber 55, delay piston 57, compression spring 60).
  • This embodiment thus combines that from the prior art known solid-state energy storage principle and the delay of pressure build-up according to the invention.

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Abstract

Kraftstoffeinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einer Hubkolbenpumpe zum Fördern von Kraftstoff mittels eines Förderkolbens (20) zu einer Einspritzdüse (9) der Brennkraftmaschine und einer Verzögerungseinrichtung (55,57), die derart ausgebildet ist, daß die Energieübertragung vom Förderkolben (20) auf den Kraftstoff verzögert erfolgt. Mit der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung wird eine bessere Energieausbeute bei der Übertragung der kinetischen Energie des Förderkolbens (20) auf den Kraftstoff erzielt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen.
Derartige Kraftstoffeinspritzvorrichtungen sind z.B. aus der DD-PS 213 472, WO 96/34196, EP 0 630 442 B1, DB 195 15 782 A1, WO 93/18297 und DE 42 06 817 C2 bekannt.
Eine derartige Kraftstoffeinspritzvorrichtung weist eine Hubkolbenpumpe mit einem Beschleunigungskörper und einem einen Kraftstoff enthaltenden Raum begrenzenden Förderkolbenelement auf (s. z.B. DD-PS 213 472). Sie kann nach dem sogenannten Festkörper-Energiespeicherprinzip arbeiten, d.h., daß der Beschleunigungskörper während einer nahezu widerstandslosen Beschleunigungsphase z.B. von einem Elektromagneten beschleunigt wird, wobei der Beschleunigungskörper kinetische Energie speichert. Am Ende der Beschleunigungsphase trifft der Beschleunigungskörper auf das Förderkolbenelement, wodurch schlagartig die kinetische Energie des Förderkolbenelementes auf den Kraftstoff übertragen wird.
Der Kraftstoff wird durch eine Druckleitung zu einer Einspritzdüse befördert, mit welcher der Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
Aus der DE 42 06 817 C2 ist eine nach dem Festkörper-Energiespeicherprinzip arbeitende Kraftstoffeinspritzvorrichtung bekannt, die anstelle des Beschleunigungskörpers und des Förderkolbenelementes lediglich einen Förderkolben aufweist, der während einer nahezu widerstandslosen Beschleunigungsphase Kraftstoff in ein Volumenspeicherelement fördert (z.B. Fig. 1 der DE 42 06 817 C2). Das Volumenspeicherelement weist eine elastische Membran auf, die beim Eintreten von Kraftstoff in das Volumenspeicherelement nachgibt und das Volumen des Volumenspeicherelementes verändert. Ist das maximale Volumen des Volumenspeicherelementes erreicht, so wird schlagartig die weitere Förderung von Kraftstoff in das Volumenspeicherelement unterbrochen und die im Förderkolben gespeicherte Energie auf den Kraftstoff übertragen, der über eine Einspritzdüse abgespritzt wird. Die elastische Membran wird von einer Feder in der Ausgangsstellung gehalten. Die Federhärte der die Membran beaufschlagenden Feder ist so gering gewählt, daß entsprechend der Lehre dieses Patentes die Beschleunigungsphase des Kolbens im wesentlichen widerstandslos ist.
Aus der DE 42 06 817 C2 geht eine weitere Ausführungsform hervor (Fig. 6), bei der der Förderkolben axial verschieblich im Anker gelagert ist. Zu diesem Zweck ist im Anker eine Mittellängsbohrung in Art einer Sacklochbohrung eingebracht, wobei das Sacklochende der Bohrung einen geringeren Durchmesser als der zentrale Teil der Bohrung aufweist, in welcher der Förderkolben durch ein integral mit diesem ausgebildeten Führungsteil geführt ist. Das Führungsteil des Kolbens wird von einer Feder beaufschlagt, die relativ weich ausgebildet ist und sich mit ihrem anderen Ende am Boden der Sacklochbohrung des Ankers abstützt. Die Feder dient dazu, daß der Kolben und der Anker in der Ausgangsstellung zwischen zwei Einspritzvorgängen auf Abstand gehalten werden und ist weich ausgebildet, damit die widerstandslose Beschleunigung des Ankers während der Beschleunigungsphase nicht beeinträchtigt wird.
Mit nach dem Festkörper-Energiespeicherprinzip arbeitenden Kraftstoffeinspritzvorrichtungen lassen sich sehr hohe Einspritzdrücke von 60 bis 80 bar realisieren.
In Fig. 5 ist der Druckverlauf einer herkömmlichen, eine Hubkolbenpumpe als Förderelement aufweisenden Einspritzvorrichtung, die insbesondere nach dem Festkörper-Energiespeicherprinzip arbeitet, gezeigt. Der Druck an der Einspritzdüse steigt zu einem Zeitpunkt t1 schlagartig auf den maximalen Druck Pmax an. Aufgrund von Druckreflexionen an der Einspritzdüse ist der Einspritzdruck nicht konstant, sondern kann erheblich schwanken. Insbesondere treten häufig Drucktäler (in Fig. 5 bei t2) auf, die zu einer wesentlichen Verschlechterung des Einspritzverhaltens und insbesondere der Tröpfchenqualität führen. In diesen Drucktälern kann der Druck unter dem Düsenöffnungsdruck der Einspritzdüse abfallen, so daß es zu kurzzeitigen Unterbrechungen beim Einspritzvorgang kommen kann. Dies kann zu erheblichen Beeinträchtigungen beim Zünd- und Brennverhalten im Brennraum der Brennkraftmaschine führen. Am Ende des Einspritzpulses nimmt der Einspritzdruck durch den sich stetig verlangsamenden Förderkolben allmählich ab, so daß die anfänglich gute Zerstäubungswirkung (bei Pmax) abnimmt. Diese undefinierten Druckzustände am Ende des Einspritzpulses werden zusätzlich von einem Prellen der Düsennadel überlagert, wodurch sowohl die Tröpfchengröße als auch die Kraftstoffmenge unkontrollierbar wird.
Zur Erzielung hoher Einspritzdrücke werden in der Automobiltechnik sogenannte Common-Rail-Systeme verwendet. Diese Common-Rail-Systeme besitzen ein unmittelbar an den Brennraum angrenzendes Hochdruck-Kraftstoffspeicherreservoir, in welchem Kraftstoff bspw. mit 100 bis 200 bar gespeichert ist. Der Kraftstoff wird durch Öffnen und Schließen eines Ventils in einen Brennraum eingespritzt.
Das Common-Rail-System kann im Vergleich zu den nach dem Festkörper-Energiespeicherprinzip arbeitenden Kraftstoffeinspritzvorrichtungen höhere Einspritzdrücke erzeugen.
Zudem ist der Druck über den gesamten Einspritzvorgang im wesentlichen konstant, wodurch ein sehr gleichmäßiger und fein zerstäubter Kraftstoffstrahl von der Einspritzdüse abgespritzt wird.
Nachteilig an dem Common-Rail-System ist der enorm hohe technische Aufwand zur Ausbildung des Hochdruck-Kraftstoffspeicherreservoirs und der entsprechenden Pumpeneinrichtungen, um permanent den Druck aufrecht zu erhalten.
Die eine Hubkolbenpumpe aufweisenden Einspritzvorrichtungen sind hingegen wesentlich kleiner, einfacher, leichter und stellen den Druck nur bei Bedarf zur Verfügung. Dies sind wesentliche Vorteile gegenüber dem Common-Rail-System.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit einer Hubkolbenpumpe zu schaffen, die im Vergleich zu den herkömmlichen, insbesondere nach dem Festkörper-Energiespeicherprinzip arbeitenden Kraftstoffeinspritzvorrichtungen einen besseren und gleichmäßigeren Energieeintrag aufweist.
Die Aufgabe wird durch eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung weist eine Verzögerungseinrichtung auf, die die Übertragung der Energie vom Förderkolben auf den Kraftstoff verzögert. Die Verzögerungseinrichtung ist derart ausgebildet, daß vorzugsweise im Bereich des Öffnungsdruckes der Einspritzdüse die Bewegung des Förderkolbens derart verzögert, daß der Druck im Kraftstoff nicht schlagartig ansteigt.
Diese scheinbar kontraproduktive Maßnahme, den Energieübertrag zu verzögern, die im Widerspruch zu den bisherigen Bestrebungen bei nach dem Festkörper-Energiespeicherprinzip arbeitenden Kraftstoffeinspritzvorrichtungen steht, bei welchen immer ein schlagartiger Energieübertrag erzielt werden soll, bringt überraschende Vorteile.
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat erkannt, daß sich die Einspritzdüse nicht schlagartig öffnen kann. Während einer über einen Zeitraum von z.B. 0,5 ms andauernden Öffnungsphase ist wegen der nur teilweise geöffneten Einspritzdüse der Kraftstoffdurchsatz beschränkt, so daß die sich zwischen dem Förderkolben und der Einspritzdüse befindliche Kraftstoffsäule dem Förderkolben einen erheblichen Widerstand entgegensetzt und diesen abbremst. Zudem wird der durch die schlagartige Energieübertragung erzeugte Druck an der noch nicht oder nur teilweise geöffneten Einspritzdüse reflektiert, wodurch entgegen zur Förderrichtung gerichtete Druckwellen entstehen, die den Förderkolben zusätzlich bremsen und ihm somit Energie entziehen. Somit kann bei der herkömmlichen Einspritzvorrichtungen die zur Einspritzung zur Verfügung stehende Energie nicht vollkommen ausgenutzt werden.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird die Energieübertragung zumindest während des Bereichs der Öffnungsphase der Einspritzdüse verzögert, so daß während dieser Öffnungsphase der Energieübertrag vom Förderkolben auf die Kraftstoffsäule vermindert ist. Hierdurch werden der oben erläuterte Abbremseffekt verringert und die Erzeugung von an der teilweise geöffneten Einspritzdüse reflektierten Druckwellen wesentlich verringert. Es hat sich gezeigt, daß die Zeitdauer der Öffnungsphase im weitgehend unabhängig von dem an der Einspritzdüse anliegenden Druck ist, sofern er größer als der Öffnungsdruck PDüse ist. Dies bedeutet, daß zusätzliche während der Öffnungsphase eingebrachte Energie die Öffnungsphase nicht wesentlich verkürzt, sondern zur Erzeugung von reflektierten Druckwellen und einer stärkeren Abbremsung des Förderkolbens führt.
Durch das Vorsehen der Verzögerungseinrichtung wird somit eine höhere Ausnützung der zur Verfügung stehenden Antriebsenergie als bei herkömmlichen Einspritzvorrichtungen erzielt.
Vorzugsweise ist die Energieübertragung vom Förderkolben auf die Kraftstoffsäule bis zum Erreichen des Öffnungsdruckes PDüse der Einspritzdüse nicht verzögert, damit der Öffnungsdruck PDüse im wesentlichen schlagartig erreicht wird, um ein möglichst schnelles Ansprechverhalten des Pumpe-Düse-Systems zu erhalten.
Die bei den herkömmlichen Einspritzvorrichtungen an der teilweise geöffneten Einspritzdüse reflektierten Druckwellen bremsen nicht nur den Förderkolben, sondern werden auch zwischen der Einspritzdüse und dem Förderkolben hin und her reflektiert, wodurch der an der Einspritzdüse anliegende Druck Schwankungen unterliegt. Diese Druckschwankungen führen zu einer unerwünschten, ungleichmäßigen Tröpfchenbildung im Kraftstoffstrahl. Da bei der erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung die Druckschwankungen wesentlich verringert werden, werden die Druckschwankungen an der Einspritzdüse beseitigt und eine gleichmäßigere Tröpfchenbildung erzielt.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Verzögerungselement als elastisches Element ausgebildet, das Energie zwischenspeichert und Drucktäler ausgleichen kann, wodurch Druckschwankungen weiter vermindert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben. In denen zeigen schematisch:
Fig. 1
eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung im Querschnitt,
Fig. 2
eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung im Querschnitt,
Fig. 3
eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung im Querschnitt,
Fig. 4
eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung im Querschnitt,
Fig. 5
einen Druckverlauf an der Einspritzdüse bei Verwendung einer herkömmlichen Einspritzvorrichtung, und
Fig. 6
einen Druckverlauf an der Einspritzdüse bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung.
Fig. 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung im Querschnitt. Diese Einspritzvorrichtung weist ein etwa rohrförmiges Gehäuse 3 auf, das am in Förderrichtung 4 rückwärtigen Ende durch einen Gehäusedeckel 5 abgeschlossen ist. Das in Förderrichtung 4 vordere Ende bildet eine Anschlußöffnung 7 zur Aufnahme einer Druckleitung 8, die zu einer Einspritzdüse 9 führt.
Im Inneren des rohrförmigen Gehäuses 3 ist am rückwärtigen Ende eine rohrförmige Führungsbuchse 11 eingesetzt, in welcher ein Anker 12 mit einem Führungsstutzen 13 verschieblich gelagert ist. Der Anker 12 weist einen im wesentlichen zylinderförmigen Grundkörper 14 auf, der mit seiner Mantelwandung an der Innenwandung des rohrförmigen Gehäuses 3 anliegt. An der rückwärtigen Stirnseite des Grundkörpers 14 ist der Führungsstutzen 13 angesetzt. An der in Förderrichtung vorderen Stirnseite des Ankers 12 ist eine sacklochartige, etwa hohlzylindrische Ausnehmung 15 eingebracht. Ein Stück beabstandet von der vorderen Stirnfläche des Ankers 12 ist in der Ausnehmung 15 ein Führungsbereich 16 durch eine konzentrische Führungsausnehmung mit größerem Innendurchmesser als die übrige Ausnehmung 15 ausgebildet. Der Führungsbereich 16 ist somit sowohl in Förderrichtung 4 als auch entgegen zur Förderrichtung 4 durch jeweils eine Ringkante 17, 18 begrenzt.
In Förderrichtung 4 ist dem Anker 12 ein Förderkolben 20 vorgeordnet, der mit seinem rückwärtigen Ende in die Ausnehmung 15 des Ankers 12 ragt. Das rückwärtige Ende des Förderkolbens 20 bildet ein Führungsteil 22, das einen nach außen vorstehenden und in den Führungsbereich 16 des Ankers 12 eingreifenden Ringsteg 23 aufweist. Das Führungsteil 22 ist in der Ausnehmung 15 verschieblich gelagert, wobei die Relativbewegung zwischen dem Anker 12 und dem Förderkolben 20 durch die Ringkanten 17, 18 begrenzt ist, die als Anschläge für den Ringsteg 23 des Führungsteils 22 dienen.
Zwischen dem Führungsteil 22 des Förderkolbens 20 und dem Boden der sacklochartigen Ausnehmung 15 des Ankers 12 ist eine Druckfeder 25 mit Vorspannung eingesetzt, welche den Führungsteil 22 des Förderkolbens 20 gegen die vordere Ringkante 18 drückt.
Das in Förderrichtung 4 vordere Ende des Förderkolbens 20 lagert in einer Führungsbuchse 27. Die Führungsbuchse 27 ist in einen von der Innenwandung des rohrförmigen Gehäuses 3 nach innen vorstehenden Ringsteg 28 eingesetzt. Der Ringsteg 28 begrenzt einen in dem rohrförmigen Gehäuse 3 zwischen ihm und dem rückwärtigen Deckel 5 ausgebildeten Ankerraum 30, in dem der Anker 12 verschieblich angeordnet ist.
Die Führungsbuchse 27 ragt nach hinten ein Stück in den Ankerraum 30 und weist an ihrem vorderen Ende einen nach außen vorstehenden Ringsteg 32 auf, mit dem sie den Ringsteg 28 des Gehäuses 3 hintergreift.
Zwischen dem Ringsteg 28 des Gehäuses und dem Anker 12 ist eine Rückstellfeder 34 angeordnet, welche den Anker 12 entgegen der Förderrichtung 4 drückt. Die Rückstellfeder ist eine sehr weiche Feder, die ohne oder nur mit sehr geringer Vorspannung eingesetzt ist, so daß sie lediglich bei der Rückstellung des Ankers 12 dessen Reibungskräfte überwindet, aber der Bewegung des Ankers 12 in Förderrichtung 4 keinen nennenswerten Widerstand entgegensetzt.
Im Bereich des Ringsteges 28 ist eine Kraftstoffzufuhröffnung 36 eingebracht, die sich von außen radial nach innen durch das Gehäuse 3 und der Führungsbuchse 27 erstreckt. Außenseitig ist an der Kraftstoffzufuhröffnung 36 am Gehäuse 3 ein Anschlußstutzen 37 zum Anschließen einer Kraftstoffzufuhrleitung (nicht dargestellt) ausgebildet. In der Kraftstoffzufuhröffnung 36 ist ein Rückschlagventil 38 angeordnet, das einen Kraftstofffluß zurück in die Kraftstoffzufuhrleitung sperrt.
Am in Förderrichtung 4 vorderen Ende der Führungsbuchse 27 ist ein Standdruckventil 40 angeordnet, das die Verbindung zur Einspritzdüse 9 sperrt, sofern der am Standdruckventil 40 anliegende Druck geringer als ein bestimmter Durchlaßdruck Pdurch ist. Der Durchlaßdruck ist in der Regel erheblich geringer als der Öffnungsdruck PDüse der Einspritzdüse 9, bei welchen sich die Einspritzdüse 9 öffnet.
Der durch das Rückschlagventil 38, das Standdruckventil 40 und der in Förderrichtung vorderen Stirnfläche des Förderkolbens 20 begrenzte Bereich bildet eine Druckkammer 42.
Im Bereich des Ankerraums 30 ist außenseitig am Gehäuse 3 ein Elektromagnet 44 zum Betätigen des Ankers 12 angeordnet.
Nachfolgend wird die Funktionsweise dieses ersten Ausführungsbeispieles der Erfindung erläutert.
In der in Fig. 1 gezeigten Ausgangsstellung liegt der Anker 12 mit seiner rückwärtigen Stirnfläche an der Führungsbuchse 11 an und der Förderkolben 20 liegt mit seinem Führungsteil 22 an der vorderen Ringkante 18 des Ankers 12 an.
Der Anker 12 wird vom Elektromagneten 44 in Förderrichtung 4 angetrieben, wobei zunächst der Förderkolben 20 vom Anker 12 gegen den in der Druckkammer 42 und in der Druckleitung 8 befindlichen Kraftstoff gedrückt wird, ohne daß sich deren relative Position verändert (bei a in Fig. 6). Der Förderkolben 20 setzt hierbei den Kraftstoff unter Druck, wobei beim Erreichen des Durchlaßdruckes Pdurch des Standdruckventils 40 sich das Standdruckventil 40 öffnet und die Verbindung zur Einspritzdüse 9 freigibt. Beim Erreichen des Öffnungsdruckes PDüse der Einspritzdüse 9 öffnet sich die Einspritzdüse 9 und Kraftstoff wird von der Einspritzdüse 9 in den Verbrennungsraum (nicht dargestellt) abgespritzt. Solange der Druck im Kraftstoff kleiner als der Düsenöffnungsdruck ist, erfolgt wegen der Vorspannung der Druckfeder 25 keine Relativbewegung zwischen dem Förderkolben 20 und dem Anker 12. Der Druckaufbau bis zum Düsenöffnungsdruckes PDüse erfolgt quasi schlagartig, da wegen der Inkrompressibilität des Kraftstoffes die aus Anker und Förderkolben bestehenden Einheit nur eine minimale Bewegung bis zum Erreichen des Düsenöffnungsdruckes PDüse ausführt.
Erfindungsgemäß wird der Förderkolben 20 ab einem bestimmten Druck in der Druckkammer 42 bzw. in der Hochdruckleitung 8, der nachfolgend als Verzögerungsdruck PV bezeichnet wird, in die Ausnehmung 15 entgegen der Federwirkung der Druckfeder 25 geschoben, wodurch der weitere Druckaufbau verzögert wird.
Dieser Verzögerungsdruck PV entspricht der Vorspannkraft Fvor, mit welcher die Druckfeder 25 zwischen dem Förderkolben 20 und dem Anker 12 eingespannt ist, geteilt durch die Querschnittsfläche AKolben des Förderkolbens 20: PV = Fvor AKolben
Da die Vorspannkraft genau einstellbar ist, ist auch der Verzögerungsdruck exakt festlegbar.
Vorzugsweise wird der Verzögerungsdruck auf den Öffnungsdruck der Einspritzdüse eingestellt (PV = PDüse ), so daß der Druckanstieg ab dem Erreichen des Öffnungsdruckes PDüse der Einspritzdüse vermindert wird. Hierdurch wird zunächst mit einer kleinen Bewegung des Ankers 12 und des Förderkolbens 20 in Förderrichtung 4 der in der Druckkammer 42 und in der Druckleitung 8 befindliche Kraftstoff auf den Düsenöffnungdruck komprimiert.
Mit dem Erreichen des Düsenöffnungsdruckes PDüse wird das Öffnen der Einspritzdüse 9 eingeleitet.
Nach dem Erreichen des Düsenöffungsdruckes bewegt sich der Anker 12 mit einer Führungsgeschwindigkeit in Förderrichtung 4. Der Förderkolben 20 wird mit einer verminderten Geschwindigkeit in Förderrichtung 4 bewegt, da der Förderkolben entgegen der Federwirkung der Feder 25 in die Ausnehmung des Ankers 12 eintaucht (bei b in Fig. 6). Es besteht somit eine Relativgeschwindigkeit zwischen dem Förderkolben 20 und dem Anker 12. Durch diese im Vergleich zum Anker 12 verminderte Geschwindigkeit des Förderkolbens 20 wird die Energieübertragung vom Anker 12 auf den Förderkolben 20 bzw. auf den Kraftstoff vermindert.
Hierdurch wird die im Anker eingebrachte kinetische Energie nicht durch die noch nicht vollständig geöffnete Einspritzdüse abgebaut und die Erzeugung von zwischen der Einspritzdüse 9 und dem Förderkolben 20 hin und her reflektierten Druckwellen gering gehalten.
Die Federhärte der Druckfeder 25 und der Hub des Führungsteils 23 im Führungsbereich 16 ist vorzugsweise so bemessen, daß zumindest während eines ersten Teils der Öffnungsphase der Einspritzdüse 9, während der sich die Einspritzdüse 9 nur langsam öffnet, der Druckaufbau verzögert wird. Die Verzögerungsphase soll dann abgeschlossen werden, d.h., daß das Führungsteil 22 des Förderkolbens 20 an der in Förderrichtung 4 rückwärtigen Ringkante 17 des Ankers 12 anschlägt, wenn die von der Druckfeder 25 ausgeübte Federkraft einem Verzögerungsenddruck PEnde ausübt, der dem 1,5- bis 3-fachen Düsenöffnungsdruck (PEnde = 1,5PDüse bis 3PDüse ) entspricht. Je größer der Verzögerungsenddruck ist, desto träger ist das Ansprechverhalten der Einspritzvorrichtung, aber desto stärker können Drucktäler während des Einspritzvorganges ausgeglichen werden.
Nach der Verzögerungsphase wird der Förderkolben 20 mit der Führungsgeschwindigkeit des Ankers 12 in Förderrichtung 4 bewegt, so daß der Druck mit maximaler Anstiegsrate auf den Maximaldruck PMAX weiter ansteigt (bei c in Fig. 6).
Der Düsenöffnungsdruck PDüse liegt typischerweise im Bereich von 1 bis 5 MPa und die Querschnittsfläche AKolben des Förderkolbens 20 beträgt üblicherweise 5 bis 20 mm2. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Düsenöffnungsdruck PDüse= 2 MPa und die Querschnittsfläche 12 mm2, so daß mit einer Federvorspannkraft von Fvor= 24 N der Verzögerungsdruck PV auf den Öffnungsdruck der Einspritzdüse 9 eingestellt wird.
Der Druck im zu fördernden Kraftstoff steigt bis auf den Maximaldruck PMAX an, der höher als bei vergleichbaren herkömmlichen Einspritzvorrichtungen ist, da nur ein relativ geringer Energieeintrag während der Öffnungsphase der Einspritzdüse erfolgt, so daß eine höhere Energieausbeute erzielt wird und weniger störende Druckreflexionen erzeugt werden.
Der Kraftstoff wird dann mit etwa konstantem Druck PMAX eingespritzt, da die Reflexionen der Druckwellen weitgehend vermieden werden (bei d in Fig. 6). Sollten dennoch eventuell Drucktäler auftreten (gestrichelte Linie bei t2 in Fig. 6) ist durch die mit der Druckfeder 25 gespeicherte Energie sichergestellt, daß diese nicht unter den Düsenöffnungsdruck abfallen, da derart tiefe Drucktäler durch die in der Druckfeder gespeicherte Energie ausgeglichen werden.
Bei der erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung arbeitet während der Öffnungsphase des Einspritzventils der Anker 12 nicht gegen die entgegen zur Förderrichtung laufenden Druckwellen und der von der noch nicht vollständig geöffneten Einspritzdüse gebremsten Kraftstoffsäule, sondern überträgt die in ihm eingebrachte Energie erst vollständig auf die Kraftstoffsäule nachdem die Einspritzdüse vollständig geöffnet ist.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil dieser erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung ist, daß am Ende des Einspritzpulses, wenn die durch den Elektromagneten auf die Anker/Kolben-Einheit ausgeübte Kraft geringer wird und sich der hierdurch erzeugte Förderdruck verringert, die in der Druckfeder 25 gespeicherte Energie den Förderkolben 20 vorantreibt, bis dieser mit seinem Führungsteil 22 schlagartig an der vorderen Ringkante 18 des Ankers 12 anschlägt und gestoppt wird. Der Einspritzpuls wird somit schlagartig beendet und weist an seinem Ende einen abrupten Abfall auf (bei e in Fig. 6). Hierdurch werden am Endbereich des Einspritzpulses exakte Druckverhältnisse erzielt, wodurch sich sowohl das Abspritzverhalten (gleichmäßige Tröpfchengröße) als auch die Dosierbarkeit des Kraftstoffes wesentlich verbessern.
Beim obigen Ausführungsbeispiel ist der Verzögerungsdruck auf den Öffnungsdruck der Einspritzdüse eingestellt (PV = PDüse ). Dies ist eine vorteilhafte Ausführungsform. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Der Verzögerungsdruck sollte zumindest den halben Öffnungsdruck der Einspritzdüse betragen (PV = ½PDüse ). Denn durch einen sogenannten Brandungseffekt im Bereich der Einspritzdüse 9, d.h. durch sich überlagernde Druckwellen kann es zu einer lokalen Drucküberhöhung kommen, die bis etwa das doppelte des regulären Druckes in der Druckleitung 8 betragen kann. Durch eine solche Drucküberhöhung kann die Einspritzdüse 9 schon vor Erreichen des eigentlichen Öffnungsdruckes geöffnet werden, so daß dann eine Verzögerung des weiteren Druckaufbaues zweckmäßig ist, um eine möglichst gute Energieübertragung zu erzielen.
Um möglichst wenig Reflexionen der Druckwelle zu erhalten, sollte der Verzögerungsdruck PV möglichst gering sein. Ein zu geringer Verzögerungsdruck PV beeinträchtigt jedoch das Ansprechverhalten des Pumpe-Düse-Systems. Ein Verzögerungsdruck im Bereich von PV = ½PDüse bis PV = PDüse stellt einen geeigneten Kompromiß zwischen den Anforderungen an die Verminderung der Erzeugung von Druckreflexionen als auch an das Ansprechverhalten dar.
Ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung ist in Fig. 2 gezeigt.
Dieses Ausführungsbeispiel weist im wesentlichen den gleichen Aufbau wie das erste Ausführungsbeispiel auf, weshalb gleiche Teile mit gleichem Bezugszeichen versehen sind.
Gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel unterscheidet es sich lediglich in der Ausbildung der Ausnehmung 15 im Anker 12 und des Führungsteils 22 des Förderkolbens 20.
Am Boden der sacklochartigen Ausnehmung 15 ist eine flachzylindrische Dämpfungsausnehmung 50 mit einer Mantelwandung 51 eingebracht. An der in Förderrichtung 4 rückwärtigen Stirnseite des Förderkolbens 20 ist ein flachzylindrischer Dämpfungsstempel 54 mit einer Mantelfläche 55 ausgebildet, der im wesentlichen die gleiche Querschnittsform wie die Dämpfungsausnehmung 50 besitzt, so daß der Dämpfungsstempel 54 mit geringem Spiel in die Dämpfungsausnehmung 50 paßt.
In diesem Ausführungsbeispiel ist keine Druckfeder zwischen dem Förderkolben 20 und dem Anker 12 vorgesehen.
Der Ringsteg 23 des Förderkolbens 20 ist mit Längsnuten (nicht dargestellt) versehen, so daß der Förderkolben, solange der Dämpfungsstempel 54 sich außerhalb der Dämpfungsausnehmung 50 befindet, im wesentlichen widerstandsfrei in der mit Kraftstoff gefüllten Ausnehmung 15 des Ankers 12 verschoben werden kann. Der widerstandslose Verschiebeweg X ist in Fig. 2 gezeigt.
Nachfolgend wird die Funktionsweise des zweiten Ausführungsbeispiels erläutert.
Der Anker 12 wird vom Elektromagneten 44 in Förderrichtung 4 bewegt, wobei er entlang des Verschiebeweges X zur Speicherung kinetischer Energie im wesentlichen widerstandslos beschleunigt wird. Nachdem der Verschiebeweg X zurückgelegt worden ist, dringt der Dämpfungsstempel 54 in die Dämpfungsausnehmung 50 ein, wobei zwischen der Mantelwandung 51 der Dämpfungsausnehmung 50 und der Mantelfläche 55 des Dämpfungsstempel 54 sich ein schmaler Spalt ausbildet, so daß der zwischen den Dämpfungsstempel 54 und der Dämpfungsausnehmung 50 befindliche Kraftstoff nur allmählich entweichen und der Dämpfungsstempel 54 nur durch die Dämpfung verzögert in die Dämpfungsausnehmung 50 eindringen kann. Hierdurch wird die kinetische Energie vom Anker 12 auf den Förderkolben 20 übertragen, wobei durch die Dämpfung die Übertragung der kinetischen Energie nicht schlagartig sondern allmählich über den Zeitraum Δt verteilt erfolgt, den der Dämpfungsstempel 54 zum vollständigen Eindringen in die Dämpfungsausnehmung 50 benötigt.
Dies bewirkt einen entsprechend über die Zeitdauer Δt verzögerte Übertragung der Energie vom Förderkolben auf den zu fördernden Kraftstoff, wodurch der Druckaufbau nicht schlagartig, sondern verzögert erfolgt. Diese Verzögerung erfolgt vom Anfang des Einspritzpulses und dauert zumindest solange, bis die Einspritzdüse 9 vollständig geöffnet ist. Die Dauer der Verzögerung kann durch die Tiefe der Dämpfungsausnehmung 50 bzw. der Spaltbreite zwischen dem Dämpfungsstempel 54 und der Dämpfungsausnehmung 50 festgelegt werden. Durch diese Verzögerung der Energieübertragung werden Reflexionen an der nur teilweise geöffneten Einspritzdüse 9 und die damit verbundenen Nachteile vermieden.
Bei obigem Ausführungsbeispiel ist die Verzögerungseinrichtung zum Verzögern des Druckaufbaus eine mechanische Dämpfungseinrichtung bestehend aus dem Dämpfungsstempel 54 und der Dämpfungsausnehmung 50. Im Rahmen der Erfindung kann die Dämpfungseinrichtung auch anders ausgebildet sein, z.B. aus einem plastisch verformbaren Dämpfungsstempel, der sich beim Auftreffen des Ankers auf den Förderkolben plastisch verformt und so den Druckaufbau im Kraftstoff verzögert.
Ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 3 gezeigt.
Dieses Ausführungsbeispiel ist ähnlich wie die beiden oben beschriebenen Ausführungsbeispiele ausgeführt, so daß gleiche Teile mit gleichem Bezugszeichen versehen sind.
Der Förderkolben 20 und der Anker 12 sind hierbei einteilig ausgeführt.
An die Druckkammer 42 mündet ein zu einer Verzögerungskammer 55 führender Durchgang 56. Die Verzögerungskammer 55 ist sacklochartig mit einer Mantelwandung 58 und einer Bodenwandung 59 ausgeführt und weist eine hohlzylindrische Form auf. In ihr ist ein Verzögerungskolben 57 verschieblich gelagert, der bündig mit der Mantelwandung 58 der Verzögerungskammer 55 abschließt. An der von der Druckkammer 42 abgewandten Seite des Verzögerungskolben 57 ist eine Ausnehmung zur Aufnahme einer Druckfeder 60 in die Bodenwandung 59 eingebracht, die mit Vorspannung zwischen dem Verzögerungskolben 57 und der in der Bodenwandung 59 eingebrachten Ausnehmung eingesetzt ist.
Die Funktionsweise dieses dritten Ausführungsbeispiels wird nachfolgend erläutert.
Die Anker/Kolben-Einheit wird vom Magneten 44 in Förderrichtung 4 bewegt, wodurch Kraftstoff aus der Druckkammer 42 zur Einspritzdüse 9 verdrängt wird. Wird der durch die Vorspannung der Druckfeder 60 in der Verzögerungskammer 55 eingestellte Verzögerungsdruck PV in der Druckkammer 42 erreicht, so entweicht Kraftstoff in die Verzögerungskammer 55, wobei der Verzögerungskolben 57 in die Verzögerungskammer 55 eingeschoben wird. Hierdurch wird der Druckaufbau in der Druckkammer 42 und folglich in der Hochdruckleitung 8 verzögert, so daß der Druck nicht schlagartig zunimmt, sondern allmählich ansteigt. Der Verzögerungsvorgang endet, wenn der Verzögerungskolben 57 an der Bodenwandung 59 anschlägt. Die Verzögerungsdauer wird durch die Federhärte der Feder 60 und dem Hub des Verzögerungskolbens 57 in der Verzögerungskammer 55 festgelegt. Hierdurch werden in gleicher Weise, wie beim oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel, Reflexionen der Druckwellen vermieden und der in Fig. 6 gezeigte Druckverlauf erzielt.
Für die Bemessung der Vorspannkraft und der Federhärte der Druckfeder 60 gelten die gleichen, oben anhand des ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Regeln, um den Druckaufbau zu verzögern, Druckschwankungen auszugleichen und am Ende des Einspritzpulses einen schlagartigen Druckabfall zu erzeugen.
Ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 4 gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel ist ähnlich wie das dritte Ausführungsbeispiel ausgebildet, weshalb gleiche Teile mit gleichem Bezugszeichen bezeichnet sind.
Gegenüber dem dritten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich das vierte Ausführungsbeispiel lediglich in der Ausbildung der Anker/Kolben-Einheit.
Der Anker 12 und der Förderkolben 20 sind als separate Bauteile ausgebildet, wobei der Anker 12 aus einem zylindrischen Grundkörper 14 mit einem bzgl. der Förderrichtung 4 an seiner rückwärtigen Stirnseite angesetzten Führungsstutzen 13 besteht. Der Anker wird wiederum von einer Rückstellfeder 34, die sich am nach innen in das Gehäuse 3 vorstehenden Ringsteg 28 abstützt, entgegen zur Förderrichtung 4 gedrückt. Die Rückstellfeder 34 ist ohne oder nur mit geringer Vorspannung eingesetzt, so daß sie dem Anker 12 bei einer Bewegung in Förderrichtung praktisch keinen Widerstand entgegensetzt und dieser bei einer Betätigung durch den Elektromagneten 44 im wesentlichen widerstandslos beschleunigt werden kann.
Der Förderkolben 20 ist in der in den Ringsteg 28 eingesetzten Führungsbuchse 27 in Axialrichtung verschieblich gelagert. Der Förderkolben 20 ist im wesentlichen stabförmig mit einem an seinem vorderen Ende nach radial außen vorstehenden Ringsteg 70 ausgebildet, der das in Förderrichtung 4 vordere Ende der Führungsbuchse 27 hintergreift. Zwischen der vorderen Stirnseite des Förderkolbens 20 und der dem Förderkolben 20 gegenüberliegenden Innenwandung der Druckkammer 42 ist eine Förderkolbenrückstellfeder 71 eingesetzt, die den Förderkolben entgegen der Förderrichtung 4 drückt, so daß in der in Fig. 4 gezeigten Ausgangsstellung der Ringsteg 70 an der vorderen Stirnfläche der Führungsbuchse 27 anschlägt.
In der Ausgangsstellung, in der sowohl der Förderkolben 20 als auch der Anker 12 durch die jeweiligen Rückstellfedern 34, 71 gegen ihren jeweiligen rückwärtigen Anschlag gedrückt sind, sind der Anker 12 und der Förderkolben 20 um einen Abstand X voneinander beabstandet.
An die Druckkammer 42 mündet wiederum eine identisch wie beim dritten Ausführungsbeispiel ausgebildete Verzögerungskammer 55, in der ein von einer Druckfeder 60 beaufschlagter Verzögerungskolben 57 lagert.
Die Funktionsweise des vierten Ausführungsbeispiels entspricht im wesentlichen dem des dritten Ausführungsbeispiels, wobei bei Erregung des Magneten 44 jedoch zunächst der Anker 12 alleine, im wesentlichen widerstandslos beschleunigt wird. Nachdem der Anker 12 den Weg X zurückgelegt hat, trifft er auf den Förderkolben 20 auf und überträgt seine kinetische Energie schlagartig auf den Förderkolben 20. Der Förderkolben 20 verdrängt den in der Druckkammer 42 befindlichen Kraftstoff, wobei nach dem Erreichen des Verzögerungsdruckes PV der weitere Druckaufbau wie beim dritten Ausführungsbeispiel durch die Verzögerungseinrichtung (Verzögerungskammer 55, Verzögerungskolben 57, Druckfeder 60) verzögert wird.
Dieses Ausführungsbeispiel kombiniert somit, das aus dem Stand der Technik bekannte Festkörper-Energiespeicherprinzip und die erfindungsgemäße Verzögerung des Druckaufbaues.
Zusammenfassend kann festgehalten werden, daß die Erfindung eine höhere Energieübertragung bei Hubkolbenpumpen mit nichtzwangsgeführten Anker/Kolben-Einheiten erzielt, insbesondere wenn der Druckaufbau im wesentlichen schlagartig erfolgt, bei dem die Gefahr der Erzeugung von nicht kontrollierbaren Druckwellen entsteht.

Claims (10)

  1. Kraftstoffeinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit
    einer Hubkolbenpumpe zum Fördern von Kraftstoff mittels eines Förderkolbens (20) zu einer Einspritzdüse (9) der Brennkraftmaschine,
    gekennzeichnet durch,
    eine Verzögerungseinrichtung, die derart ausgebildet ist,
    daß die Energieübertragung vom Förderkolben (20) auf den Kraftstoff verzögert erfolgt.
  2. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach dem Festkörper-Energiespeicherprinzip arbeitet und einen Beschleunigungskörper (12) aufweist, der während einer nahezu widerstandslosen Beschleunigungsphase kinetische Energie speichert, und
    eine die Beschleunigungsphase unterbrechende Einrichtung zum Erzeugen eines Druckstoßes durch Übertragen der gespeicherten kinetischen Energie auf den Kraftstoff.
  3. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Beschleunigungskörper ein von einem Elektromagneten (44) angetriebener Anker (12) ist.
  4. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Verzögerungseinrichtung zwischen dem Beschleunigungskörper (12) und dem Förderkolben (20) angeordnet ist.
  5. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Verzögerungseinrichtung eine Dämpfungseinrichtung ist, die z.B. aus einem Dämpfungsstempel (54) und einer korrespondierenden Dämpfungsausnehmung (50) ausgebildet ist, wobei der Dämpfungsstempel (54) und die Dämpfungsausnehmung (50) derart am Beschleunigungskörper (12) und am Förderkolben (20) angeordnet sind, daß beim Auftreffen des Beschleunigungskörpers (12) auf den Förderkolben (20) der Dämpfungsstempel (54) in die Dämpfungsausnehmung (50) eingreift und hierbei Kraftstoff aus der Dämpfungsausnehmung (50) verdrängt.
  6. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Verzögerungseinrichtung eine Verzögerungskammer (55) ist, die in den Bereich zwischen dem Förderkolben (20) und der Einspritzdüse (9) mündet und einen federbeaufschlagten Kolben (57) aufweist, der ab einem bestimmten Verzögerungsdruck (PV)zum Aufnehmen von Kraftstoff in der Verzögerungskammer (55) elastisch nachgibt.
  7. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Verzögerungseinrichtung ein elastisches Element, wie z.B. eine Federelement (25) aufweist.
  8. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Federelement der Verzögerungseinrichtung eine mit Vorspannung eingesetzte Druckfeder (25, 60) ist.
  9. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Vorspannung (Fvor) der Druckfeder (25, 60) einen Verzögerungsdruck (PV) festlegt, der im Bereich von PV = ½PDüse bis PV = PDüse liegt.
  10. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Druckfeder (25, 60) eine Federhärte aufweist, die derart bemessen ist, daß ein Verzögerungshub mit einer Federkraft endet, die einen Verzögerungsenddruck (PEnde) ausübt, der dem 1,5- bis 3-fachen Düsenöffnungsdruck (PEnde = 1,5PDüse bis 3PDüse) entspricht.
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