DE10213441A1

DE10213441A1 - Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit hydraulischer Düsennadelsteuerung

Info

Publication number: DE10213441A1
Application number: DE10213441A
Authority: DE
Inventors: Theodor Tovar
Original assignee: Motorenfabrik Hatz GmbH and Co KG
Current assignee: Motorenfabrik Hatz GmbH and Co KG
Priority date: 2002-03-26
Filing date: 2002-03-26
Publication date: 2003-10-23
Also published as: WO2003081024A1; EP1488100A1; CN1636110A; JP2005520982A; US20050211801A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Dieselmotoren, welche eine Einspritzdüse, einen Düsenhalter und ein Kraftstoff-Hochdrucksystem umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass: DOLLAR A - der Düsenhalterkörper einen über eine Verbindungsleitung mit dem Kraftstoff-Hochdrucksystem verbundenen Hohlraum aufweist, DOLLAR A - der Hohlraum über ein erstes Druckventil und ein zweites Druckventil mit dem Nadelfederraum verbunden ist, DOLLAR A - das erste Druckventil zum Nadelfederraum hin öffnet und einen Ventilkörper umfasst, welcher einerseits durch die Federkraft der Nadelschließfeder auf seinen Dichtsitz gedrückt wird und andererseits durch den Druck in der Verbindungsleitung von seinem Dichtsitz abgehoben werden kann, DOLLAR A - das zweite Druckventil zum Ventilfederraum hin öffnet und einen Ventilkörper umfasst, welcher einerseits durch die Federkraft einer schwachen Ventilfeder, vermehrt durch den Druck in der Verbindungsleitung,auf seinen Dichtsitz gedrückt wird und andererseits durch den Druck des Kraftstoffs im Nadelfederraum von seinem Dichtsitz abgehoben werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Dieselmotoren nach den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

In Verbrennungsmotoren mit Selbstzündung wird der Kraftstoff über eine Kraftstoffeinspritzanlage in die Brennkammer eingespritzt. Diese umfasst meist eine Einspritzpumpe, welche über eine Druckleitung mit einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung, bestehend aus Düsenhalter und daran befestigter Einspritzdüse, verbunden ist. Die Einspritzdüse setzt sich ihrerseits aus einem mit Einspritzlöchern (Düsen) versehenen Düsenkörper und einer Düsennadel zum Verschließen der Düsen zusammen. Der von der Einspritzpumpe kommende Zulauf mündet in eine Druckleitung, welche den Kraftstoff unter hohem Druck zu den Düsen leitet. Die in axialer Richtung verschiebbar gelagerte Düsennadel wird durch die Kraft einer Nadelschließfeder gegen ihren Dichtsitz gedrückt, kann jedoch durch einen ausreichend großen Druck des über den Druckkanal heran geführten Kraftstoffs von ihrem Dichtsitz abgehoben werden, so dass Kraftstoff durch die Düsen in den Brennraum gelangen kann. Der Kraftstoff tritt zerstäubt in den Brennraum ein, mischt sich mit der in der Brennkammer befindlichen komprimierten, heißen Luft und zündet.

Bei solchen konventionellen Kraftstoffeinspritzvorrichtungen hat es sich als nachteilig erwiesen, dass die innerhalb der Zündverzugszeit, d. h. dem Zeitraum zwischen dem Einspritz- und Verbrennungsbeginn, in den Brennraum eingebrachte Kraftstoffmenge aufgrund der schnell ansteigenden Druck- und Temperaturwerte in sehr kurzer Zeit verbrennt. Die anfänglich auftretende hohe Druckspitze im Brennraum verursacht Geräuschemissionen, die umso höher sind, je größer die in der Zündverzugszeit eingebrachte Kraftstoffmenge ist. Abgesehen davon, sind möglichst niedrige Druck- und Temperaturwerte im Brennraum auch deshalb angestrebt, um die Bildung von umweltschädlichen Stickoxiden (NO_x) zu vermindern.

Zur Vermeidung dieser Nachteile ist es vorteilhaft, während des oberen Totpunkts der Kurbelwelle zunächst nur wenig Kraftstoff einzuspritzen und zu verbrennen, und erst in der anschließenden Expansionsphase, die mit einem Druck- und Temperaturabfall einhergeht, die Einspritzrate stetig zu vergrößern. Zu diesem Zweck bietet sich eine zeitlich verzögerte Öffnung der Düsen an, welche durch eine Erhöhung des Düsennadelöffnungsdrucks, beispielsweise durch Vergrößern der Federkonstanten der Nadelschließfeder bewirkt werden kann.

Jedoch bringt auch diese Vorgehensweise erhebliche Probleme mit sich, da für den am Einspritzende eingebrachten Kraftstoff die Zeit, die zur Verdampfung, Gemischaufbereitung und Verbrennung zur Verfügung steht, bedingt durch die Massenträgheit der Düsennadel (einschließlich des Druckbolzens und der anteiligen Nadelschließfeder) besonders kurz ist. Dieser Kraftstoffanteil wird daher mit relativ geringem Druck in den Brennraum eingebracht und nur schlecht zerstäubt. Große Tropfen mischen sich aber nur schlecht mit der komprimierten Verbrennungsluft, weshalb die Verbrennung nur unvollkommen abläuft. In der Folge steigen die Abgasemissionen, insbesondere von Kohlenmonoxid (CO), Rußpartikeln und unverbrannten Kohlenwasserstoffen, stark an.

Demgegenüber besteht die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe darin, eine gattungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung anzugeben, bei welcher durch eine Steuerung der Düsennadel der Einspritzverlauf derart variiert wird, dass der Kraftstoff am Ende des Einspritzverlaufs mit einem ausreichend hohen Druck in den Brennraum eingebracht wird, um eine gute Zerstäubung zu ermöglichen. Hierbei soll der anfängliche Einspritzverlauf in keiner Weise ungünstig beeinträchtigt werden. Eine solche Steuerung soll sich zudem mit geringem Aufwand verwirklichen lassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gegeben.

Erfindungsgemäß wird eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Dieselmotoren angegeben, welche eine Einspritzdüse, sowie einen daran befestigten Düsenhalter umfasst. Die Einspritzdüse weist hierbei einen Düsenkörper und eine längs einer Gleitfläche axial verschiebbar geführte Düsennadel, sowie einen mit Einspritzlöchern versehenen Dichtsitz der Düsennadel auf. Der Düsenhalter umfasst einen Düsenhalterkörper mit einem Nadelfederraum und eine darin befindliche Nadelschließfeder. Zur Versorgung der Einspritzlöcher mit Kraftstoff verfügt die Kraftstoffeinspritzvorrichtung über ein Kraftstoff-Hochdrucksystem, welches aus einer zu den Einspritzlöchern führenden düsenseitigen Druckleitung und einer in diese mündende halterseitigen Druckleitung besteht. Die halterseitige Druckleitung ist ihrerseits mit einem von einer Einspritzpumpe kommenden Zulauf verbunden.

Die Düsennadel wird einerseits durch die Federkraft der Nadelschließfeder auf ihren Dichtsitz gedrückt, andererseits durch einen die Federkraft der Nadelschließfeder überdrückenden Druck des über die düsenseitige Druckleitung heran geführten Kraftstoffs von ihrem Dichtsitz abgehoben, wodurch Kraftstoff an die Einspritzlöcher gelangen kann.

Ein charakteristisches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, dass der Düsenhalterkörper einen über eine Verbindungsleitung mit dem Kraftstoff-Hochdrucksystem verbundenen Hohlraum ("Ventilfederraum") aufweist, der sowohl über ein erstes Druckventil als auch ein zweites Druckventil mit dem Nadelfederraum verbunden ist.

Das erste Druckventil, welches zum Nadelfederraum hin öffnet, weist einen Ventilkörper auf, der einerseits durch die Federkraft der Nadelschließfeder auf seinen Dichtsitz gedrückt wird, andererseits durch einen die Federkraft der Nadelschließfeder überdrückenden Druck des über die Verbindungsleitung in den Ventilfederraum geführten Kraftstoffs von seinem Dichtsitz abgehoben wird. Durch die Öffnung des ersten Druckventils kann Kraftstoff vom Ventilfederraum in den Nadelfederraum einströmen.

Das zweite Druckventil, welches im Unterschied zum ersten Druckventil zum Ventilfederraum hin öffnet, weist einen Ventilkörper auf, der einerseits durch die schwache Federkraft einer Ventilfeder, sowie durch den Druck des über die Verbindungsleitung in den Ventilfederraum geführten Kraftstoffs auf seinen Dichtsitz gedrückt wird, andererseits jedoch durch einen diese Kräfte überdrückenden Druck des Kraftstoffs im Nadelfederraum von seinem Dichtsitz abgehoben wird. Durch das Öffnen des zweiten Druckventils kann Kraftstoff vom Nadelfederraum in den Ventilfederraum zurückströmen und ein relativer Überdruck zwischen Nadelfederraum und Ventilfederraum kann im wesentlichen ausgeglichen werden. Das zweite Gleichdruckventil gewährleistet also, dass im Nadelfederraum im wesentlichen kein höherer Druck als im Ventilfederraum bzw. in dem damit verbundenen Kraftstoff-Hochdrucksystem herrscht. Die Federkraft der das zweite Gleichdruckventil belastenden Ventilfeder ist "schwach", d. h. es genügt ein sehr kleiner Überdruck des Kraftstoffs im Nadelfederraum relativ zum Ventilfederraum, damit das zweite Gleichdruckventil öffnet und dieser Überdruck in den Ventilfederraum ausgeglichen werden kann. Die Federkraft der Ventilfeder ist sehr viel geringer als die Federkraft der Nadelschließfeder und beträgt beispielsweise nur einige Prozent der Federkraft der Nadelschließfeder. Wesentlich hierbei ist nur, dass das zweite Gleichdruckventil in Schließstellung gehalten wird, solange im Nadelfederraum kein größerer Kraftstoffdruck vorliegt als im Ventilfederraum.

Durch den im Nadelfederraum herrschenden Kraftstoffdruck wird die Düsennadel zusätzlich in Richtung auf ihren Dichtsitz belastet. Man erreicht hierdurch eine sehr schnelle Schließbewegung der Düsennadel, welche zudem bereits bei einem sehr hohen Druckniveau des Kraftstoffdrucks einsetzt. Wegen des hohen Kraftstoffdrucks gegen Ende der Einspritzung liegen beste Voraussetzungen für eine intensive Zerstäubung des Kraftstoffs vor. Dies wirkt sich vor allem günstig auf die Höhe der Abgasemissionen, hier in erster Linie Kohlenmonoxid (CO), Rußpartikel und unverbrannte Kohlenwasserstoffe aus, welche erheblich verringert werden können. Ein Nachtropfen von Kraftstoffteilchen oder Rückblasen von Brenngasen tritt praktisch nicht mehr auf.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das zweite Gleichdruckventil im ersten Gleichdruckventil integriert ist.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine im Stand der Technik bekannte Kraftstoffeinspritzvorrichtung,

Fig. 2 drei Diagramme zur Veranschaulichung von Kraftstoffdruck p, Düsennadelhub h und Einspritzverlauf dQ/dt, jeweils in Abhängigkeit des Kurbelwinkels KW, bei einer im Stand der Technik bekannten Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung,

Fig. 4 drei Diagramme zur Veranschaulichung von Kraftstoffdruck p, Düsennadelhub h und Einspritzverlauf dQ/dt, jeweils in Abhängigkeit des Kurbelwinkels KW, bei einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß Fig. 2,

Fig. 5 zwei Diagramme zum Vergleich von Kraftstoffdruck p und Einspritzverlauf dQ/dt, jeweils in Abhängigkeit des Kurbelwinkels KW, bei einer im Stand der Technik bekannten Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß Fig. 1 und bei einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß Fig. 2.

Die im Stand der Technik bekannte Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß Fig. 1 umfasst einen Düsenhalter mit Düsenhalterkörper 1 und einen mittels einer Überwurfmutter 2 an diesem befestigten Düsenkörper 3 einer Einspritzdüse. Der Düsenhalterkörper 1 beherbergt einen Nadelfederraum 16 mit einer Nadelschließfeder 14. Im Düsenkörper 3 befindet sich eine Düsennadel 4, welche über einen Druckbolzen 13 durch die Federkraft der vorgespannten Nadelschließfeder 14 auf ihren Dichtsitz 7 gedrückt wird. Die Düsennadel 4 ist längs der Gleitfläche 5 verschiebbar geführt; in diesem Bereich besitzt sie eine Querschnittsfläche A[N]. Ihre Hubbewegung h wird durch die Schulter 10 der Zwischenplatte 9 begrenzt. Am unteren Ende der Düsennadel 4 befindet sich deren Dichtsitz 7 mit den in den Brennraum führenden Düsen bzw. Spritzlöchern 8. Auf Höhe ihres Dichtsitzes 7 hat die Düsennadel 4 eine Querschnittsfläche A[S].

Wenn die Düsennadel 4 ihrem Dichtsitz 7 aufliegt, sind die Düsen 8 verschlossen. Ist die Düsennadel 4 angehoben, kann der Kraftstoff aus dem, aus der halterseitigen Druckleitung 12 und der düsenseitigen Druckleitung 6 bestehenden Hochdrucksystem über die Düsen 8 in den Brennraum gelangen. Die in Form einer Bohrung vorliegende halterseitige Druckleitung 12 des Düsenhalterkörpers 1 ist zur Versorgung mit Kraftstoff einerseits mit dem von der Einspritzpumpe kommenden Kraftstoffzulauf 11 verbunden und mündet andererseits in die düsenseitige Druckleitung 6 der Einspritzdüse.

Der Nadelfederraum 16 ist mit einer so genannten Leckölleitung 17 verbunden, um die Leckage ohne Gegendruck in den Kraftstofftank zurückzuführen.

Die Vorspannung F₀ der Nadelschließfeder 14 wird durch eine im Nadelfederraum 16 befindliche Einstellscheibe 15 so eingestellt, dass der gewünschte Öffnungsdruck p_i vorliegt. Dabei wird als Öffnungsdruck p_i derjenige Druck p in dem Hochdrucksystem 12, 6 der Kraftstoffeinspritzvorrichtung bezeichnet, der ein Kräftegleichgewicht an der auf ihrem Dichtsitz 7 befindlichen Düsennadel 4 erzeugt. Dieser Druck wirkt auf die Ringfläche A[N] - A[S] und steht der Federkraft der Nadelschließfeder 14 entgegen. Im Kräftegleichgewicht gilt also die folgende Beziehung:

P_i.(A[N] - A[S]) = F₀ (I)

Wird der Druck p_i überschritten, bewegt sich die Düsennadel 4 nach oben und Kraftstoff kann durch die Düsen 8 in den Brennraum eintreten. Sobald die Düsennadel 4 angehoben ist, liegt der Druck p auch der Fläche des Dichtsitzes 7 an. Hieraus ergibt als eine weitere Kenngröße der Druck p₁, der die Düsennadel gerade noch am Schließen hindert, und niedriger ist als p_i, da dieser auf die gesamte Querschnittsfläche der Düsennadel, A[N], wirkt:

p₁.A[N] = F₀ (2)

Als dritte Kenngröße ergibt sich der Druck p₂, der die Düsennadel gerade noch am oberen Anschlag hält und zusätzlich von der Steifigkeit, d. h. der Federkonstanten der Nadelschließfeder 14 abhängt:

P₂.A[N] = F₀ + D.h_max (3)

worin D die Federkonstante der Nadelschließfeder 14 und h_max den maximalen Hub der Düsennadel 4 bezeichnet.

In Fig. 2 sind der Kraftstoffdruck p, Düsennadelhub h und Einspritzverlauf dQ/dt, jeweils als Funktion des Kurbelwinkels KW, bei einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß Fig. 1 veranschaulicht. OT bezeichnet den oberen Totpunkt der Kurbelwelle.

Vor dem Beginn der Kraftstoffförderung (I) herrscht im Hochdrucksystem 12, 6 der sogenannte Standdruck, d. h. der Ruhedruck, der sich nach dem Ende der vorherigen Einspritzung eingestellt hat und von der Systemauslegung abhängt. Die Höhe des Standdrucks braucht in diesem Zusammenhang nicht näher betrachtet zu werden.

Die Kraftstoffpumpe fördert ab einem vorgegebenen Zeitpunkt, dem Förderbeginn (II), Kraftstoff, welcher über den Kraftstoffzulauf 11 dem Hochdrucksystem 12, 6 der Kraftstoffeinspritzvorrichtung zugeführt wird. Da die Düsennadel 4 ihrem Dichtsitz 7 noch aufliegt und die Düsen 8 geschlossen sind, steigt der Druck p im Hochdrucksystem 12, 6 an. Ist der Druck p so weit angestiegen, dass dieser den Öffnungsdruck p_i übersteigt (III), hebt sich die Düsennadel 4 von ihrem Dichtsitz 7 ab und Kraftstoff tritt durch die Düsen 8 in den Brennraum ein. Da p_i höher liegt als p₁, und gewöhnlich auch größer als p₂ ist, bewegt sich die Düsennadel 4 beschleunigt bis zu ihrem oberen Hubanschlag (IV), welcher dem maximalen Hub h_max entspricht.

Da bei üblichen Kraftstoffeinspritzvorrichtungen mehr Kraftstoff durch die Einspritzpumpe gefördert wird, als von den Düsen abgegeben werden kann, steigt der Druck p weiter an. Die Kraftstoffförderung hört dann bei einem vorgegebenen Zeitpunkt, dem Förderende (V), auf. Ab diesem Zeitpunkt wird der Druck über die Düsen 8 und die Einspritzpumpe kontinuierlich abgebaut.

Ist der Druck p so weit abgesunken, dass p₂ unterschritten wird (VI), beginnt sich die Düsennadel 4 aufgrund der überwiegenden Federkraft der Nadelschließfeder 14 beschleunigt in Richtung auf ihren Dichtsitz 7 zu bewegen. Wenn schließlich der Druck p kleiner als p₁ wird, liegt die Düsennadel 4 ihrem Dichtsitz 7 wieder auf und verschließt die Düsen 8.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass der Dichtsitz des Nadelschließfeder erst spät erreicht wird, nämlich am Spritzende (VII), wo der Druck p bereits weit unter p₁ abgefallen ist. Die hat zur Folge, dass der Kraftstoff am Spritzende wegen der schlechten Zerstäubung nur unvollständig verbrennt.

Bei der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß Fig. 3 sind diejenigen Komponenten, die zu jenen der im Stand der Technik bekannten Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß Fig. 1 gleich sind, mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Auf eine erneute Beschreibung dieser Komponenten wird deshalb verzichtet.

Bei der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung befindet sich im oberen Bereich des Düsenhalterkörpers 1 ein Hohlraum 26 ("Ventilfederraum"), welcher über eine Verbindungsleitung 27 mit dem Kraftstoff-Hochdrucksystem 12, 6 verbunden ist. Der Ventilfederraum 26 ist ferner über ein erstes Druckventil 18, 19 und ein in das erste Druckventil integriertes zweites Druckventil 21, 22 mit dem Nadelfederraum verbunden.

Das erste Druckventil, welches zum Nadelfederraum 16 hin öffnet, weist einen Ventilkörper 18 auf, der durch die Federkraft der Nadelschließfeder 14 auf seinen Dichtsitz 19 gedrückt wird. Der Ventilkörper 18 des ersten Gleichdruckventils ist zwischen Nadelfederraum 16 und Ventilfederraum 26 durch einen Schaft 20 verlängert, der auf seiner Außenseite mit Nuten 28 versehen ist.

Das zweite Druckventil umfasst eine durch den Ventilkörper 18 und Schaft 20 geführte Bohrung 29, welche zum Nadelfederraum 16 hin offen ist, jedoch zum Ventilfederraum 26 hin mit einer durch die schwache Federkraft einer Ventilfeder 23 gegen ihren Dichtsitz 22 gedrückten Kugel 21 verschlossen ist. Die die Kugel 21 belastende Ventilfeder 23 befindet sich im Ventilfederraum 26 und stützt sich einerseits gegen eine Druckbolzen 24, welcher der Kugel 21 aufliegt, und andererseits gegen einen den Ventilfederraum 26 nach außen verschließenden Verschlussstopfen 25.

Wird durch Förderung einer Kraftstoffpumpe Kraftstoff über die Kraftstoff-Zuleitung 11, der halterseitigen Kraftstoffdruckleitung 12 und der Verbindungsleitung 27 in den Ventilfederraum geführt, so gelangt der Kraftstoff über die Nuten 28 des Schafts 20 zum Dichtsitz 19 des Ventilkörpers 18 des ersten Gleichdruckventils. Am ersten Gleichdruckventil 18, 19 liegt also der Kraftstoffdruck p an. Übersteigt der Kraftstoffdruck die Federkraft der Nadelschließfeder 14, so hebt der Ventilkörper 18 von seinem Dichtsitz 19 ab, und Kraftstoff strömt vom Ventilfederraum 26 in den Nadelfederraum 16 ein.

Die Kugel 21 des zweiten Gleichdruckventils 21, 22 wird einerseits durch die schwache Federkraft der Ventilfeder 23, sowie zusätzlich durch den Druck des über die Verbindungsleitung 27 heran geführten Kraftstoffs auf ihren Dichtsitz 22 gedrückt. Andererseits liegt der Druck des Kraftstoffs im Nadelfederraum 16 über die zum Nadelfederraum 16 hin offenen Bohrung 29 der Kugel 21 an. Wird der Druck des Kraftstoff im Nadelfederraum so groß, dass er die Federkraft der Ventilfeder 23 und den Druck des über die Verbindungsleitung 27 heran geführten Kraftstoffs übersteigt, so hebt die Kugel 21 von ihrem Dichtsitz 22 ab, und Kraftstoff strömt vom Nadelfederraum 16 in den Ventilfederraum 26 zurück. Hierdurch kann ein relativer Überdruck zwischen Nadelfederraum und Ventilfederraum im wesentlichen ausgeglichen werden.

Sind sowohl das erste Gleichdruckventil, als auch das zweite Gleichdruckventil geschlossen, so ist der Nadelfederraum 16 nach außen hin abgeschlossen. Im Nadelfederraum 16 herrscht dann ein als Nadelfederraumdruck (p[FR]) bezeichneter Druck, der die Düsennadel 4, zusätzlich zur Federkraft der Nadelschließfeder 14, in Richtung auf ihren Dichtsitz 7 drückt. Damit ändern sich die Bedingungen zum Öffnen und Schließen der Düsennadel 4, da der auf die Querschnittsfläche A[N] wirkende p[FR] eine zur Federkraft der Nadelschließfeder gleichgerichtete Kraft bewirkt. Die Öffnungsbedingung der Düsen 8 wird durch das folgende Kräftegleichgewicht dargestellt:

p_i.(A[N] - A[S]) = F₀ + p[FR].A[N] (4)

Sollen bei der Kraftstoffeinspritzung die gleichen Anfangsbedingungen wie bei der bekannten Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß Fig. 1 vorliegen, muss die Federkraft F₀ entsprechend geringer eingestellt werden.

Die Kenngrößen "Schließen der Düsen 8" und "Beginn der Schließbewegung der Düsennadel 4", p₁ und p₂, sind nun von p[FR] abhängig und lauten folgendermaßen:

p₁.A[N] = F₀ + p[FR].A[N] (5)

p₂.A[N] = F₀ + D.h_max + p[FR].A[N] (6)

Zur Bestimmung von p[FR] muss das Kräftegleichgewicht am ersten Gleichdruckventil betrachtet werden, welches sich einerseits aus dem auf den Querschnitt des Dichtsitzes 19, A[V], wirkenden Druck und die Federkraft F₀ der Nadelschließfeder 14, sowie andererseits aus dem auf die Querschnittsfläche A[V] wirkenden Kraftstoffdruck p ergibt:

p.A[V] = F₀ + p[FR].A[V] (gültig für p₁) (7)

p.A[V] = F₀ + D.h_max + p[FR].A[V] (gültig für p₂) (8)

Ist der Kraftstoffdruck p höher als der für das Gleichgewicht erforderliche Wert, wird der Ventilkörper 18 des ersten Gleichdruckventils von seinem Sitz 19 abgehoben und Kraftstoff tritt in den Nadelfederraum 16 ein. Infolgedessen steigt der Druck im Nadelfederraum 16 p[FR] an, bis sich wieder ein Gleichgewicht einstellt. Der Einfluss der in den Nadelfederraum 16 einströmenden Kraftstoffmenge auf die Einspritzung in den Brennraum ist aufgrund der sehr geringen in den Nadelfederraum 16 einströmenden Kraftstoffmenge vernachlässigbar.

Für die Betrachtung des Einspritzendes ist nur Gleichung 8 relevant, da sich hieraus der maximal erreichbare Druck p[FR] ergibt. p[FR] ergibt sich aus (8) zu

p[FR] = p - (Fo - D.h_max)/A[V] (9)

Nach Einsetzen der Gleichung (9) in (5) und (6) ergibt sich:

p₁ = p - (1/A[V] - 1/A[N]).F₀ (10)

p₂ = p - (1/A[V] - 1/A[N]).F₀ - D.h_max/A[V] (11)

p₁ und p₂ steigen also im Unterschied zu der Kraftstoffeinspritzvorrichtung aus dem Stand der Technik mit dem Kraftstoffdruck p an.

In Fig. 4 sind, analog zu Fig. 2 für den Fall der im Stand der Technik bekannten Kraftstoffeinspritzvorrichtung, der Kraftstoffdruck p, Nadelhub h und Einspritzverlauf dQ/dt, jeweils als Funktion des Kurbelwinkels KW, für die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung dargestellt. Zusätzlich zum Kraftstoffdruck p sind der Druck im Nadelfederraum p[FR] und der Druck für das Gleichgewicht p₂ dargestellt.

Vor dem Einspritzen (I) herrscht im Hochdrucksystem 12, 6 und im Nadelfederraum 16 der Standdruck, der sich am Ende der vorherigen Einspritzung ergeben hat. Beginnt die Kraftstoffförderung (II) steigt der Druck p an. Hat der Druck p den Wert von p_i überschritten, hebt sich die Düsennadel 4 von ihrem Dichtsitz 7 ab (III) und bewegt sich beschleunigt bis zu ihrem oberen Anschlag (V), da der Druck p größer als p₂ ist. Ab (IV) öffnet das erste Gleichdruckventil und Kraftstoff strömt in den Nadelfederraum 16 ein. Infolgedessen steigt der Druck im Nadelfederraum p[FR] mit dem Kraftstoffdruck p an. Dies hat zur Folge, dass auch p₁ und insbesondere p₂ ansteigen. Die Förderung wird bei (VI) beendet, wodurch der Kraftstoffdruck p wieder abfällt. Der Druck im Nadelfederraum 16 bleibt jedoch konstant und damit auch p₁ und p₂. Unterschreitet der Kraftstoffdruck p den Druck p₂, so beginnt die Düsennadel 4 ihre Schließbewegung (VII). Bei (VIII) sitzt die Düsennadel 4 wieder auf ihrem Dichtsitz 7 und verschließt die Düsen 8 - das Einspritzen ist beendet. Fällt der Kraftstoffdruck p bei IX unter den Wert von p[FR], so strömt Kraftstoff über das Kugelventil aus dem Nadelfederraum 16 in den Ventilfederraum 26 und p[FR] sinkt mit p ab, bis sowohl im Hochdrucksystem 12, 6, wie auch im Nadelfederraum 16 ein von der Systemauslegung abhängender Standdruck vorliegt.

Schließlich zeigt Fig. 5 einen unmittelbaren Vergleich von Kraftstoffdruck p und Einspritzverlauf dQ/dt der im Stand der Technik bekannten Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß Fig. 1 (gestrichelte Linien) und der Kraftstoffeinspritzvorrichtung der vorliegenden Erfindung gemäß Fig. 3 (durchgezogene Linien). Die Federkonstante der Nadelschließfeder 14 wurde bei der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung entsprechend geringer gewählt, so dass Kraftstoffdruck und Einspritzverlauf bei Förderbeginn bei beiden Kraftstoffeinspritzvorrichtungen gleich sind (durchgezogene Linien). Bei einem Kurbelwinkel oberhalb von OT (oberer Totpunkt) unterscheidet sich der Verlauf dieser beiden Kenngrößen deutlich. Bei der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung stellt sich insgesamt ein wesentlich höherer Kraftstoffdruck ein; das Förderende des Kraftstoffs ist außerdem zu einem höheren Kurbelwinkel verschoben. Dadurch, dass die Düsennadel 4 bei der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung wesentlich früher und bei einem höheren Kraftstoffdruck p wieder auf ihrem Dichtsitz 7 zu liegen kommt, ist der Einspritzverlauf durch einen steileren Abfall geprägt. Am Ende des Einspritzvorgangs liegt bei der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung ein um höherer Kraftstoffdruck vor, welcher Voraussetzung für eine deutlich bessere Zerstäubung des Kraftstoffs ist.

Insgesamt ist also festzustellen, dass bei der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzung im Vergleich zu der im Stand der Technik bekannten Kraftstoffeinspritzvorrichtung, eine gleiche Kraftstoffmenge in einem engeren Kurbelwinkelbereich bei einem zumeist insgesamt höheren Kraftdruck eingespritzt wird, wobei insbesondere am Kraftstoffförderende ein wesentlich höherer Kraftstoffdruck vorliegt. Durch die bessere Zerstäubung des Kraftstoffs können die Emissionen von CO, Ruß und unverbrannten Kohlenwasserstoffen erheblich verringert werden.

Claims

1. Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Dieselmotoren, welche umfasst:
eine Einspritzdüse mit einem Düsenkörper (3) und einer längs einer Gleitfläche (5) axial verschiebbar geführten Düsennadel (4) mit einem mit Einspritzlöchern (8) versehenen Dichtsitz (7),
einen an der Einspritzdüse befestigten Düsenhalter, mit einem Düsenhalterkörper (1), welcher einen Nadelfederraum (16) und eine darin befindliche Nadelschließfeder (14) aufweist, sowie
ein Kraftstoff-Hochdrucksystem, bestehend aus einer zu den Einspritzlöchern (8) führenden düsenseitigen Druckleitung (6) und einer in diese mündende halterseitigen Druckleitung (12), welches mit einem von einer Einspritzpumpe kommenden Zulauf (11) verbunden ist, wobei
die Düsennadel (4) einerseits durch die Federkraft der Nadelschließfeder (14) auf ihren Dichtsitz (7) gedrückt wird, und andererseits durch einen die Federkraft der Nadelschließfeder (14) überdrückenden Druck des über die düsenseitige Druckleitung (6) heran geführten Kraftstoffs von ihrem Dichtsitz (7) abgehoben wird, gekennzeichnet durch die Merkmale:

- der Düsenhalterkörper (1) weist einen über eine Verbindungsleitung (27) mit dem Kraftstoff- Hochdrucksystem (12, 6) verbundenen Hohlraum ("Ventilfederraum") (26) auf,

- der Hohlraum ist über ein erstes Druckventil (18, 19) und ein zweites Druckventil (21, 22) mit dem Nadelfederraum (16) verbunden,

- das erste Druckventil öffnet zum Nadelfederraum (16) hin, und umfasst einen Ventilkörper (18), welcher einerseits durch die Federkraft der Nadelschließfeder (14) auf seinen Dichtsitz (19) gedrückt wird, und andererseits durch den Druck in der Verbindungsleitung (27) von seinem Dichtsitz (19) abgehoben werden kann, wodurch Kraftstoff vom Ventilfederraum (26) in den Nadelfederraum (16) strömt,

- das zweite Druckventil öffnet zum Ventilfederraum (26) hin, und umfasst einen Ventilkörper (21), welcher einerseits durch die Federkraft einer schwachen Ventilfeder (23), vermehrt durch den Druck in der Verbindungsleitung (27) auf seinen Dichtsitz (22) gedrückt wird, und andererseits durch den Druck des Kraftstoffs im Nadelfederraum (16) von seinem Dichtsitz (22) abgehoben werden kann, wodurch Kraftstoff vom Nadelfederraum (16) in den Ventilfederraum (26) strömt.

2. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Gleichdruckventil im ersten Gleichdruckventil integriert ist.

3. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Merkmale:

- der Ventilkörper (18) des ersten Gleichdruckventils weist zwischen Nadelfederraum (16) und Ventilfederraum (26) einen axialen Schaft (20) auf, dessen Außenseite mit Nuten (28) zur Leitung von Kraftstoff versehen ist,

- Ventilkörper (18) und Schaft (20) sind mit einer Durchgangsbohrung (29) versehen, welche an ihrem Nadelfederraum seitigen Ende offen ist, und an ihrem Ventilfederraum (26) seitigen Ende mittels einer durch die Federkraft der Ventilfeder (23) gegen ihren Dichtsitz (22) gedrückten Kugel (21) verschlossen ist.

4. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Ventilfeder (23) im Ventilfederraum (26) befindet.

5. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Ventilfeder (23) gegen einen den Ventilfederraum (26) nach außen hin verschließenden Verschlussstopfen (25) abstützt.