Die Erfindung betrifft ein Einspritzsystem, bei welchem der Kraftstoff nicht ausschließlich durch die hydraulische

Strahlzerstäubung unter hohem Druck aufbereitet wird.

Vielmehr soll durch die Zuführung von Druckluft,

gegebenenfalls weiterer Stoffe, die Verringerung der

Partikelemission, z. B. auch in Verbindung mit einer

Reduzierung der NOx-Schadstoffe, erreicht werden.

Die heutigen, mit rein hydraulischer Zerstäubung arbeitenden Einspritzsysteme für Diesel- und Ottomotoren werden derzeit mit immer höheren Systemdrücken betrieben. Bei den Diesel- Common Rail-Systemen (CR) ist man bei 2700 bar angekommen, die Otto-Direkteinspritzung (DI) arbeitet zz. mit 350 bar. Dabei ist die KraftstoffZerstäubung mittels Druckluft die ursprüngliche und eine sehr emissionsarme Methode gewesen. Bis in die 1920er Jahre beherrschte dieses Verfahren die großen Dieselmaschinen; der Luftkompressor war jedoch ein großes zusätzliches Bauteil. Sein Wegfall durch die

Pionierarbeiten der Firmen Vickers, Bosch, MAN, Junkers leitete die Ära der hydraulischen Zerstäubung ein und damit den Siegeszug des Fahrzeugdiesels. Im LKW-Bereich setzte sich bald die Direkteinspritzung durch, die härtere

Dieselverbrennung wurde akzeptiert. Im PKW-Bereich blieb die Luft ein guter Partner für die KraftstoffZerstäubung durch die Pionierarbeiten von Prosper L ' Orange . Sein

Vorkammermotor mit der vom Hauptbrennraum abgeschnürten Vorkammer, "in welcher eine Teilverbrennung erfolgt, die den gesamten restlichen Brennstoff unter dem Überdruck der

Teilverbrennung ähnlich dem Einblaseverfahren mit den dabei entstehenden Verbrennungsgasen in den Hauptbrennraum

einbläst und einwirbelt", ermöglichte die für den PKW-Diesel erforderlichen hohen Motordrehzahlen und damit ein

geringeres Motorgewicht. Die Firma Daimler Benz, im Besitz der Vorkammerpatente, hat bis in die 1960er Jahre am Vorkammermotor für den PKW-Diesel wegen der weicheren Verbrennung festgehalten. Andere

"Kammerverfahren" setzten ebenfalls auf die gute Vermischung von Kraftstoff und Luft. Insbesondere der Wirbelkammermotor nach den Patenten Oberhänsli, 1930/31 von der Firma Vomag AG Plauen/V. unter Vomag-Oberhänsli zunächst für den LKW zur Serienreife gebracht, war später in den meisten PKW- Dieselmotoren vorherrschend, eigentlich bis zu dem

Zeitpunkt, an dem der Schweizer M. Ganser seine CR- Einspritzung vorstellte und damit eine neue Ära des

Dieselmotors einleitete.

Es sind bereits Vorschläge bekannt, bei welchen die

hydraulische Strahlzerstäubung durch Druckluft unterstützt wird.

Im DE 35 33 014 wird "eine kleine Menge Druckluft dem

Einspritzstrahl nachgeblasen", wobei diese Druckluft dem Motorzylinder unter Zwischenschaltung eines Luftspeichers entnommen wird.

Im DE 32 41 679 werden "Saugschlitze" im Düsenkörper quer zu den Spritzlöchern vorgeschlagen. In diese Saugschlitze dringt Verdichtungsluft aus dem Brennraum ein und der austretende Kraftstoffstrahl soll sich mit der Luft in den Saugschlitzen für eine verbesserte Verbrennung vermischen. In beiden Fällen scheint der Verbesserungseffekt gering zu sein, ein Nachblasen von Luft und einfache Querschlitze sind zu wenig.

Des Weiteren existiert eine Vielzahl von Patentvorschlägen, die zwei Flüssigkraftstoffe, meist einen Zündkraftstoff und einen zündunwilligen Hauptkraftstoff, in der Einspritzdüse zur Mischung bringen.

Im DE 29 24 128 besitzt die Einspritzdüse zwei oberhalb des Düsennadelsitzes angeordnete Teildruckräume für beide Kraftstoffe. Zwei Zuführkanäle im Düsenkörper führen den Zündkraftstoff aus einer Niederdruckpumpe und den

Hauptkraftstoff aus einer Hochdruckpumpe zu. Ein

Rückschlagventil im Niederdruckbereich verhindert eine

Rückströmung des Zündkraftstoffes.

Im DE 37 24 987 soll ein zweiter Kraftstoff in die

Druckleitung eingespeist werden, und zwar in der Phase, in welcher die Hochdruckeinspritzung erfolgt ist und das System unter einem Ruhedruck steht. Wie bei den vorher genannten Systemen ist auch hier eine zweite Kraftstoffpumpe

erforderlich .

Im DE 29 22 628 soll das zweite Medium, vorwiegend Wasser, über eine hohlgebohrte Düsennadel in den Brennraum

eingebracht werden. Dabei dient der Federraum für die

Schließfeder der Düsennadel zur Aufnahme des Wassers bzw. des zweiten Mediums. Diese Medien werden durch

Niederdruckpumpen oder Druckvorratsbehälter eingespeist. Die DE 195 29 826 beschreibt ein Einspritzventil für ein CR- Einspritzsystem mit einer Magnetventilsteuerung, wobei die Steuerung mit Druckluft aus einem Abgasturbolader

unterstützt wird.

Im DE 198 34 867 sind zwei ineinander geführte Düsennadeln vorgesehen, welche stufenweise zu betätigen sind und die damit zwei, in unterschiedlicher Höhe liegende Spritzlöcher freigeben können.

Bei den Otto-DI-Verfahren sind ebenfalls luftunterstützte Einspritzverfahren bekannt, wobei herkömmliche Saugrohr- Einspritzventile mit einem Luftinjektor gekoppelt sind. Der Kraftstoff wird im Luftinjektor zu einer Gemischwolke zerstäubt und diese Gemischwolke in den Brennraum

eingespritzt. Das Verfahren basiert demnach auf einer außerhalb des Brennraumes liegenden Vorkammer, ein

zusätzlicher Luftkompressor ist erforderlich. Der positive Einfluss einer Zerstäubungshilfe durch die Druckluft ist deutlich erkennbar, bei Tests konnten die Schadstoffe HC+NOx um 30 % reduziert werden.

Diese bekannten Vorschläge, von denen eine Vielzahl weiterer existieren, berühren das Wesen der vorliegenden Erfindung nur mittelbar. Zur Untersuchung der Strahlausbreitung und einsetzenden Verbrennung gibt es eine Vielzahl von

theoretischen und experimentellen Arbeiten. Die

Durchmischung von Kraftstoff und Zylinderluft wird dabei als Kern der einsetzenden Verbrennung angesehen. Diese

Durchmischung unmittelbar am Kegel der Einspritzdüse

einzuleiten, ist Aufgabe der Erfindung. Es ist ferner die Aufgabe, eine kombinierte Druckpumpe für die Zuführung mehrerer Medien zu schaffen. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der abdichtende Kegelsitz der Düsennadel in Strömungsrichtung gesehen in einen oberen und einen unteren Sitz geteilt ist und in die dazwischenliegende Nut die Druckluft oder weitere,

vorwiegend gasförmige Stoffe, zugeführt werden. Somit trifft beim Anheben der Düsennadel der Kraftstoff zuerst auf die gasförmigen Stoffe, so dass ein erster Vormischeffekt entsteht. Des Weiteren sind im oberen Sitz mikrofeine Kanäle vorgesehen, durch welche der mit Hochdruck zugeführte

Kraftstoff in Minimalmenge in diese Nut eintritt, so dass eine weitere Vormischung erfolgt.

Zur Lösung der Erfindungsaufgabe gehört auch die Schaffung einer Druckpumpe, bei welcher die Zylinder für Kraftstoff und Druckluft zu einer Einheit verbaut sind und der Antrieb über eine einzige Antriebs-/Nockenwelle erfolgt. Weitere Ausgestaltungen sind im nachfolgenden Ausführungsbeispiel angegeben . Ausführungsbeispiel

Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 Die Grundausführung der Erfindung, dargestellt an einer Sitzloch-Einspritzdüse.

Fig. 2 Eine analoge Ausführung mit einer Sackloch- Einspritzdüse.

Fig. 3 Eine weitere Ausführung einer veränderten

Sackloch-Einspritzdüse, wobei die Zuführung der gasförmigen Stoffe durch den Hub der Düsennadel steuerbar ist.

Fig. 4 Eine schematische Übersicht des neuen

Einspritzsystems .

In der Fig. 1 liegt in einem Düsenkörper 1 die Düsennadel 2 mit ihrer Kegelspitze 3 abdichtend an. Sie wird in der bekannten Art und Weise durch hydraulischen Druck, oder ein Piezopaket, oder ein anderes Stellglied schlagartig bzw. feingestuft angehoben und damit die Ausspritzung

eingeleitet. Dies ist der bekannte Stand der Technik.

Erfindungsgemäß liegt die Kegelspitze 3 nicht durchgehend am Düsenkörper 1 an, sondern durch eine Luft/Gas-Nut 4 kommt die Kegelspitze 3 in zwei Sitzen zum Anliegen und Abdichten, einem oberen Sitz 5 und einem unteren Sitz 6.

Der hochgespannte Kraftstoff wird über den Kraftstoffräum 7 der Kegelspitze 3 zugeführt, während die Druckluft über den Luftkanal 8 in die Luft/Gas-Nut 4 eingeleitet wird. Beim Anheben der Düsennadel 2 trifft der über den oberen Sitz 5 einströmende Kraftstoff zuerst auf die Druckluft in der Luft/Gas-Nut 4 und unter einer ersten Vermischung von

Kraftstoff und Luft strömt die Gemengelage durch den offenen unteren Sitz 6 den Spritzlöchern 9 zu.

Neben dem Luftkanal 8 können über einen Zusatzkanal 10 weitere, vorwiegend gasförmige Medien der Luft/Gas-Nut 4 zugeführt werden und damit zur Vormischung, zum Aufbrechen der Kraftstoffmoleküle, aber auch zur Beeinflussung z. B. der NOx-Emission beitragen.

Um eine Vermischung .noch intensiver zu gestalten, kann der obere Sitz 5 mikrofeine Längsnuten 11 besitzen, durch welche auch bei geschlossenem Sitz 5 eine Minimalmenge Kraftstoff in die Luft/Gas-Nut 4 eintritt. Die eigentliche Dichtkante der Düsennadel 2 befindet sich am unteren Sitz 6, darunter in Richtung Düsennadelspitze kann, wie vor allem bei

Sitzlochdüsen üblich, ein Luftspalt im Hundertstel- Millimeterbereich angebracht sein. An den Kanälen 8 und 10 sind in herkömmlicher Weise Rückschlagventile 12 angeordnet.

In der Fig. 2 sind die erfindungsgemäßen Mittel an einer Sacklochdüse dargestellt. Die Spritzlöcher 9 gehen nicht von der Kegelspitze 3, sondern von einem Sackloch 13 aus. Die Luft/Gas-Nut 4 kann vergrößert ausgeführt werden und besitzt eine für den Abfluss des Kraftstoff/Luftgemisches günstige Gestalt. Die übrige Arbeitsweise entspricht den zur Fig. 1 gemachten Angaben.

In der Fig. 3 ist am Beispiel einer Sacklochdüse die

Luft/Gas-Nut 4 in die Kegelspitze 3 gelegt, so dass in gleicher Weise ein oberer Sitz 5 und ein unterer Sitz 6 entstehen. Die Düsennadel 2 besitzt - gleichsam als zweite Nadelführung - einen spielarm im Düsenkörper 1 geführten Bund 14 mit einer Ringnut 15. Diese steht über Quer- und Längsbohrungen 16 mit der Luft/Gas-Nut 4 in Verbindung. Die Druckluft fließt vom Luftkanal 8 aus der Ringnut 15 und weiterhin der Luft/Gas-Nut 4 zu, mit dem Effekt der

Vormischung, sobald die Düsennadel 2 öffnet und der Kraftstoff in Richtung der Spritzlöcher 9 fließt.

Mit der Lage des Luftkanales 8 zur Ringnut 15 kann beim Hub der Düsennadel 2, der üblicherweise 0,2 mm - 0,3 mm beträgt, die Luftzufuhr gesteuert werden. Die senkrechte, im

Sackloch 13 endende Längsbohrung 16 ist durch einen

Stopfen 17 verschließbar. Dieser Stopfen 17 kann aber auch eine Düsenbohrung enthalten, so dass ein ständiger

abgestimmter Luftstrom - auch bei geschlossener

Düsennadel 2 - in das Sackloch 13 und durch die

Spritzlöcher 9 fließt. Für das Sauberhalten der

Spritzlöcher 9 ist das ein positiver Effekt.

Die Kraftstoffzufuhr erfolgt von einem Kraftstoffkanal 18 aus zu dem hier unterhalb des Bundes 14 liegenden

Kraftstoffräum 7. In Höhe der Luft/Gas-Nut 4 kann ein

Luftspeicher 19 das vorgehaltene Luftvolumen vergrößern. Der Zusatzkanal 10 für die Einspeisung weiterer Medien - hier in die Ringnut 15 - liegt außerhalb der Blattebene, die drei Kanäle 8, 10 und 18 befinden sich dann in Umfangsrichtung gesehen im 120 ° -Abstand . In der Fig. 4 ist das neue Einspritzsystem in der Übersicht dargestellt. Von der Pumpeneinheit, bestehend aus einer Kraftstoffpumpe 20 und einer Druckluftpumpe 21, gehen

Rohrleitungen an das gemeinsame Rail 22, welches aus zwei Rohrstücken für Kraftstoff und Druckluft besteht. Von diesem Rail 22 zweigen zu den einzelnen Injektoren 23 ebenfalls zwei Leitungsstücke für Kraftstoff und Druckluft ab. Beide Rohre können auch zu einem zweiflutigen Speziairohr

vereinigt sein. Die Kraftstoffpumpe 20 wird in bekannter Weise durch eine Vorpumpe, meistens eine Tauchpumpe A versorgt, in die Druckluftpumpe 21 kann z. B. vorverdichtete Luft aus einem Turbolader B eingespeist werden. Die

Druckluftpumpe 21 ist an den Kühlkreislauf C des

Verbrennungsmotors angeschlossen, wobei ein Kühleffekt auch für die Kraftstoffpumpe 20 durchaus erwünscht ist. Der

Antrieb der beiden Pumpen 20 und 21 erfolgt über eine gemeinsame Antriebs-/Nockenwelle 24. In der in Fig. 4 gezeigten Übersicht sind die Mess- und Regeleinrichtungen, die zu jedem Einspritzsystem gehören, nicht mit dargestellt.

Das neue Einspritzsystem geht nicht prinzipiell auf die ursprüngliche Lufteinblasung der frühen Dieselmaschinen zurück. Es bleibt bei der hydraulischen Strahlzerstäubung, es wird aber eine effektive Vermischung von Kraftstoff und Luft durch die erfindungsgemäßen Mittel an der

Kraftstoffdüse und einer entsprechenden Druckpumpe

unterstützt. Dieser Vormischeffekt , dieses verbesserte

Aufbrechen der Kraftstoffmoleküle kann das Immer-höher- Treiben der Systemdrücke beenden, so dass für die

Dieseleinspritzung 1000 bar ausreichen können. Das

erleichtert die Aufwendungen für die mechanischen Elemente der Kraftstoffpumpe und verringert die erforderliche

Antriebsleistung. Diese Kapazitäten können dem Druckluftteil zugutekommen. Die Möglichkeit zur Einspeisung weiterer, vor allem gasförmiger Stoffe bis zu - in Sonderfällen - Sauerstoff, setzt neue Akzente auch für die

Schwerölverbrennung in den großen Dieselmaschinen, den

Gasmaschinen mit Dieselverbrennung und den Di-Ottomotoren im PKW.

Bezugszeichenliste

1 Düsenkörper

2 Düsennadel

3 Kegelspitze

4 Luft/Gas-Nut

5 oberer Sitz

6 unterer Sitz

7 Kraftstoffräum

8 Luftkanal

9 Spritzloch

10 Zusatzkanal

11 Längsnut

12 Rückschlagventil

13 Sackloch

14 Bund

15 Ringnut

16 Quer- und Längsbohrung

17 Stopfen

18 KraftStoffkanal

19 Luftspeicher

20 Kraftstoffpumpe

21 Druckluftpumpe

22 Rail

23 Inj ektor

24 Antriebs-/Nockenwelle In Betracht gezogene Druckschriften

DE 35 33 014

DE 32 41 679

DE 29 24 128

DE 37 24 987

DE 29 22 682

DE 29 32 325

DE 195 29 826

DE 198 34 867

DE 31 17 796

DE 33 10 049

DE 35 40 780