DE19834867A1 - Einspritzdüse für eine direkt einspritzende Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einspritzdüse für eine direkt einspritzende Brennkraftmaschine, insbesondere eine Diesel-Brennkraftmaschine, mit einer in einem Düsenkörper axial ver­ schiebbaren Hohlnadel, die eine erste Gruppe von Spritzöffnungen ansteuert, und einer in der Hohlnadel konzentrisch angeordneten, in Schließrichtung durch eine Feder belasteten In­ nennadel, die eine zweite Gruppe von Spritzöffnungen ansteuert, und mit einem auf zumin­ dest eine der beiden Ventilnadeln in Schließrichtung wirkenden, mit Flüssigkeit, insbesondere Kraftstoff beaufschlagten Steuerkolben, wobei sowohl die Hohlnadel als auch die Innennadel durch Kraftstoffdruck geöffnet werden.

Bei heutigen direkt einspritzenden Dieselmotoren besteht der Zielkonflikt zwischen der Er­ füllung der vom Gesetzgeber geforderten besonders niedrigen Abgasemissionen in einem bestimmten Testzyklus einerseits und dem Wunsch nach hoher Leistung andererseits. Für die Erfüllung der Abgasgrenzwerte ist die Anwendung eines kleinen Spritzlochquerschnittes im Testzyklus - also bei eher niedrigen Lasten und Drehzahlen - eine sehr effektive Maßnahme. Dem entgegen steht allerdings eine stark reduzierte, mögliche Leistungsausbeute im Bereich der Nennleistung. Um eine höhere Leistungsausbeute zu erreichen, wäre eher eine Vergröße­ rung des Spritzlochquerschnittes von Vorteil. Dies gilt allgemein, insbesondere aber für Motoren mit Speichereinspritzsystemen (Common-Rail-Systemen).

Aus der DE 27 11 393 A1 ist eine Kraftstoffeinspritzdüse der eingangs genannten Art be­ kannt, bei der die volle Schließkraft der Innennadel und der Hohlnadel jeweils durch eine ei­ gene Feder aufgebracht werden. Sowohl die Hohlnadel, als auch die Innennadel werden vom Kraftstoffdruck geöffnet. Bei Bereichen des für die Hohlnadel ausreichenden Kraftstoff­ druckes wird diese von ihrem Ventilsitz angehoben, wodurch eine erste Gruppe von Spritzöffnungen aufgesteuert wird. Bei größeren Fördermengen wird bei Erreichen eines bestimmten, höheren Druckes die Innennadel von ihrem Sitz angehoben und steuert eine zweite Gruppe von Spritzöffnungen zur Einspritzquerschnittsvergrößerung auf. Nach Zu­ rücklegung eines vordefinierten Hubes stößt die Innennadel an einen Anschlag. Das Schließen und Öffnen der Innennadel kann zusätzlich noch durch einen Steuerkolben beeinflußt werden. Eine aktive, vom Kraftstoffdruck unabhängige Steuerung der Hohlnadel ist nicht möglich. Dadurch ist diese Einspritzdüse nicht geeignet, um bei einem Speichereinspritzsystem eine motorkennfeldabhängige Veränderung des Spritzlochquerschnittes zu erreichen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung diese Nachteile zu vermeiden und eine Einspritzdüse zu entwickeln, bei der auf möglichst einfache Weise der Spritzlochquerschnitt in Abhängigkeit des Motorkennfeldes, insbesondere bei einem Speichereinspritzsystem, verändert werden kann.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Hohlnadel zumindest in ihrer Schließ­ stellung mit dem Steuerkolben verbunden ist. Dadurch ist es möglich, die Hohlnadel unab­ hängig vom angelegten Kraftstoffdruck zu steuern. Die Hohlnadel wird dabei vom Steuerkolben in geschlossener Stellung gehalten, und es erfolgt keine Einspritzung. Beim Schalten des Steuerventiles wird der Druck im an den Steuerkolben grenzenden Steuerraum soweit reduziert, daß die Hohlnadel von ihrem Sitz angehoben wird, und die Einspritzung über die obere Lochreihe erfolgt.

Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, daß die Feder über ein die Außennadel kreuzendes Druckstück auf die Innennadel einwirkt. Wenn der eingestellte Speicherdruck kleiner ist als der mittels der Federvorspannung der Feder eingestellte Öffnungsdruck der Innennadel, so bleibt die Innennadel stets geschlossen. Unter diesen Bedingungen ist die Funktion des Ein­ spritzventiles identisch mit der eines herkömmlichen Einspritzventiles mit einer einzigen Ventilnadel für ein Speichereinspritzsystem. Wird der Speicherdruck hingegen so weit erhöht, daß der durch die Federvorspannung der Feder bestimmte Öffnungsdruck überschritten wird, so öffnet die Innennadel unmittelbar nach dem Öffnen der Hohlnadel und die Einspritzung erfolgt über beide Gruppen von Spritzlochreihen.

In einer sehr einfachen Ausführungsvariante ist vorgesehen, daß das Druckstück - in Richtung der Nadelachse betrachtet - balken-, stern- oder kreuzförmig ist, wobei die Hohlnadel entspre­ chende radiale Ausnehmungen für das Druckstück aufweist. Dabei kann weiters vorgesehen sein, daß die Hohlnadel im Bereich des Druckstückes gabelförmig ausgeführt ist und dieses umschließt oder durchdringt.

In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist die Hohlnadel von der Innenna­ del mechanisch entkoppelt, wobei die Außennadel und die Innennadel voneinander unabhän­ gig bewegt werden können.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, daß die In­ nennadel nach einem vordefinierten Öffnungshub mit der Außennadel und/oder den Steuer­ kolben mechanisch gekoppelt ist, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, daß das Druckstück nach einem vordefinierten Hub der Innennadel auf einem mit dem Steuerkolben verbundenen Druckkolben aufliegt. Zwischen dem Druckstück und dem Druckkolben ist bei geschlossener Einspritzdüse ein Spiel von wenigen hundertstel Millimeter eingestellt. Beim Öffnungsbeginn der Hohlnadel kann die Innennadel bereits nach einem geringen Hub der Hohlnadel zufolge des raschen Druckanstieges im Sitzbereich schnell öffnen, allerdings nur so lange, bis das Druckstück am Druckkolben zur Anlage kommt. In weiterer Folge bewegen sich beide Nadeln gemeinsam bis zum Hubanschlag der Hohlnadel. Beim Schließen wird zunächst die Innennadel vom Druckkolben über das Druckstück mit der Hohlnadel mitbewegt. Gegen Ende des Schließvorganges kommt es zu einem starken Druckabfall im Sitzbereich der Innennadel, wodurch ein beschleunigtes Schließen der Innennadel auftritt und das Druckstück durch die Feder vom Druckkolben abgehoben wird.

In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, daß die Hohlnadel nach einem vordefinierten Hub mit der Innennadel mechanisch gekoppelt ist, wobei vorzugsweise weiters vorgesehen ist, daß die Hohlnadel nach einem vordefinierten Hub am Druckstück aufliegt. Dadurch ist eine Einspritzverlaufsformung möglich. Die Hohlnadel beginnt dabei wie gewohnt bis zu einem bestimmten Hub zu öffnen, wodurch die Einsprit­ zung nur über die erste Gruppe von Einspritzöffnungen erfolgt. Ab einem bestimmten Ventilhub liegt die Hohlnadel am Druckstück auf und nimmt die Innennadel mit, wodurch zusätzlich die untere Gruppe von Einspritzöffnungen geöffnet wird und die Einspritzrate signifikant gesteigert wird. Die Feder ist dabei mit einer relativ hohen Kraft vorgespannt, um eine Einspritzverlaufsformung bis zum normalen Speicherdruck im gesamten Motorkennfeld zu ermöglichen.

In bestimmten Fällen kann gewünscht sein, daß die Innennadel bei hohem Speicherdruck un­ mittelbar nach der Hohlnadel öffnet. Dies wird erreicht, wenn die Vorspannung der Feder ent­ sprechend reduziert wird. Eine Einspritzverlaufsformung ist somit nur bis zu einem be­ stimmten Speicherdruck möglich. Das Schließen der Innennadel erfolgt in der bereits be­ schriebenen Weise.

Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Einspritzdüse in einer ersten Ausführungsvariante,

Fig. 2 und 3 weitere Ausführungsvarianten der Erfindung,

Fig. 4 die Spitze der Einspritzdüse im Detail,

Fig. 5a und 5b weitere Ausführungsvarianten der Einspritzdüse im Schnitt nach den Linien V-V in den Fig. 1 bis 3.

Funktionsgleiche Teile sind in den Ausführungsbeispielen mit gleichen Bezugszeichen verse­ hen.

In einem kegeligen Bereich der Düsenspitze 2a der Einspritzdüse 1 ist eine erste Gruppe 4 und eine zweite Gruppe 5 von Einspritzöffnungen 6 vorgesehen. Die erste Gruppe 4 der Ein­ spritzöffnungen 6 wird durch eine Hohlnadel 7 aufgesteuert. In der Hohlnadel 7 ist eine In­ nennadel 8 konzentrisch zur Nadelachse 2 angeordnet, welche Innennadel 8 die zweite Gruppe 5 der Einspritzöffnungen 6 ansteuert. Die Hohlnadel 7 ist mit einem Druckkolben 10 ver­ bunden, welcher wiederum mit einem Steuerkolben 11 des elektro-hydraulischen Steuerteiles 12 in Verbindung steht. Die Innennadel 8 weist in ihrem der Düsenspitze 2a abgewandten Be­ reich ein Druckstück 13 auf, auf welches eine Feder 14 einwirkt. Um insbesondere bei abgefallenem Kraftstoffdruck die Hohlnadel 7 in einer genau definierten Schließstellung zu halten, kann eine beispielsweise auf den Druckkolben 10 wirkende Zusatzfeder 9 vorgesehen sein. Diese im Vergleich zur Feder 14 viel kleiner ausgelegte Zusatzfeder 9 hat im Normalbetrieb allerdings nur eine untergeordnete Wirkung und ist für die Funktion der Ein­ spritzdüse 1 im Normalbetrieb nicht unbedingt erforderlich.

In den die Hohlnadel 7 umgebenden Düsenraum 15 des Düsenkörpers 3 mündet eine mit dem nicht weiter dargestellten Speichereinspritzsystem verbundene Einspritzleitung 16.

Der elektro-hydraulische Steuerteil 12 weist einen Steuerzylinder 17 auf, in welchem der Steuerkolben 11 axial verschiebbar ist. In dem vom Steuerzylinder 17 aufgespannten Steuer­ raum 18 mündet eine Hydraulikleitung 19, welche mit dem Speichereinspritzsystem verbun­ den sein kann. Der elektro-hydraulische Steuerteil 12 kann aber auch durch ein separates Hy­ drauliköl gespeist werden. Im Bereich der Mündung der Hydraulikleitung 19 ist eine Zulauf­ drossel Z angeordnet. Der Steuerraum 8 steht weiters über eine Ablaufdrossel A mit einer nicht weiter dargestellten Leckölleitung in Verbindung. Der Öffnungsquerschnitt der Ablauf­ drossel A wird über ein elektromagnetisch oder piezoelektrisch betätigbares Ventil 20 ange­ steuert.

Das Öffnungs- und Schließverhalten der Hohlnadel 7 wird durch die Auslegung der Zusatzfe­ der 9 vor allem aber durch die Auslegung der Querschnitte der Zulaufdrossel Z und der Ablaufdrossel A definiert. Die Schließkraft der Innennadel 8 wird - zumindest im geschlos­ senen Zustand - nur durch die Feder 14 aufgebracht, weshalb diese größer ausgelegt werden muß, als die Zusatzfeder 9.

Im Bereich des Druckstückes 13 der Innennadel 8 ist die Hohlnadel 7 gabelförmig gestaltet und umgibt teilweise das Druckstück 13. Das Druckstück 13 kann dabei im wesentlichen als einfacher Balken ausgeführt sein, wie in Fig. 5a gezeigt ist. Weiters denkbar ist eine - im Querschnitt - kreuzförmige Gestaltung des Druckstückes 13 (Fig. 5b). Die Ausnehmungen 21 der Hohlnadel 7 sind dabei entsprechend geformt. Anstelle der gabelförmigen Gestaltung der Hohlnadel 7 ist auch denkbar, daß die Hohlnadel 7 einen radialen Schlitz oder eine radiale Bohrung aufweist, durch welche das balkenförmige oder bolzenförmige Druckstück 13 geführt ist. Weiters ist es möglich, daß die Feder 14 über eine - nicht weiter dargestellte - Zwischenscheibe am Druckstück 13 angreift.

Die Hohlnadel 7 wird über den Druckkolben 10 vom Steuerkolben 11 im elektro-hydrauli­ schen Steuerteil 12 in geschlossener Stellung gehalten, und es erfolgt keine Einspritzung. Beim Schalten des Ventiles 20 im elektro-hydraulischen Steuerteil 12 wird nun die Kraft auf die Hohlnadel in Schließrichtung so weit reduziert, daß zufolge der wirksamen Ringfläche (D₁-D₂)².π/4 die Hohlnadel 7 von ihrem Sitz angehoben wird, und die Einspritzung über die erste, obere Gruppe 4 von Einspritzöffnungen 6 erfolgt. Das Schließen der Hohlnadel 7 erfolgt in umgekehrter Weise und beendet somit einen Einspritzvorgang. Falls der eingestellte Speicherdruck kleiner ist als der mittels der Vorspannung der Feder 14 eingestellte Öff­ nungsdruck der Innennadel 8, so bleibt die Innennadel 8 stets geschlossen. In diesem Fall ist die Funktion der Einspritzdüse 1 identisch mit der eines Standard-Injektors für ein Spei­ chereinspritzsystem mit einer einzigen Düsennadel.

Wird nun der Speicherdruck so weit erhöht, daß der durch die Federvorspannung der Feder 14 bestimmte Öffnungsdruck überschritten wird, so öffnet die Innennadel 8 unmittelbar nach der Hohlnadel 7 und die Einspritzung erfolgt über beide Gruppen 4, 5 von Einspritzöffnungen 6. Beim Schließvorgang der Hohlnadel 7 kommt es zu einem starken Druckabfall im Sitzbereich der Innennadel 8 und diese schließt zufolge der Feder 14 fast gleichzeitig mit der Hohlnadel 7.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsvariante sind Hohlnadel 7 und Innennadel 8 vonein­ ander entkoppelt. Zwischen dem Druckstück 13 und dem Druckkolben 10 bzw. zwischen der Hohlnadel 7 und dem Druckstück 13 ist bei jedem möglichen Nadelhub ein ausreichend gro­ ßer Abstand gegeben, so daß eine gegenseitige Beeinflussung auszuschließen ist. Die Bewe­ gungen der beiden Nadeln 7, 8 sind somit voneinander mechanisch völlig unabhängig. Die Innennadel 8 arbeitet in herkömmlicher Weise und schließt nur abhängig vom Druck im Sitz­ bereich. Der maximale Hub der Innennadel 8 wird durch einen Hubanschlag 22 im Injektor­ körper 23 des Einspritzventiles 1 bestimmt.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsvariante ist zwischen dem Druckstück 13 und dem Druckkolben 10 bzw. einem mit dem Druckkolben 10 verbundenen Ansatz 10a bei geschlos­ senen Nadeln 7, 8 ein Spiel H₁ von wenigen hundertstel Millimeter vorgesehen. Beim Öffnungsbeginn der Hohlnadel 7 wird bereits nach einem geringen Hub die Innennadel 8 zu­ folge des Druckanstieges im Sitzbereich schnell geöffnet. Nach einem dem Spiel H₁ entspre­ chenden Hub kommt das Druckstück 13 am Druckkolben 10 bzw. an einem mit dem Druck­ kolben 10 verbundenen Ansatz 10a zur Anlage. Abhängig von den auf die Innennadel 8 wir­ kenden Kräften, nämlich hydraulische Kraft in Öffnungsrichtung, Federvorspannkraft der Feder 14 und hydraulische Kraft in Schließrichtung zufolge des aktuellen Drucks im Steuer­ raum, sind zwei verschiedene Funktionen möglich. Überwiegen die Kräfte im Öffnungsrich­ tung, so bewegen sich beide Nadeln 7, 8 gemeinsam bis zum Hubanschlag 22a im Steuerteil 12. Beim Schließen wird zunächst die Innennadel 8 vom Druckkolben 10 mitbewegt. Gegen Ende des Schließvorganges tritt ein starker Druckabfall im Sitzbereich der Innennadel 8 auf, wodurch diese schneller schließt. Überwiegen die Kräfte in Schließrichtung, bleibt die Innennadel 8 stets geschlossen.

Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, mit der eine Einspritzverlaufsformung möglich ist. Dabei beginnt die Hohlnadel 7 wie gewohnt bis zu einem bestimmten Hub, bei­ spielsweise 0,1 mm, zu öffnen, wobei die Einspritzung nur über die erste, obere Gruppe 4 von Einspritzöffnungen 6 erfolgt. Bei einem bestimmten Hub H₂ liegt die Schulter 24 am Druckstück 13 auf, wodurch die Hohlnadel 7 die Innennadel 8 mitnimmt. Dies bewirkt, daß zusätzlich die zweite, untere Gruppe 5 von Einspritzöffnungen 6 geöffnet und die Einspritz­ rate signifikant gesteigert wird. Bei einer relativ hohen Federvorspannung der Feder 14 ist diese Funktion bis zum maximalen Speicherdruck im gesamten Motorkennfeld verfügbar. Bei hohem Speicherdruck kann die Innennadel 8 aber auch sofort nach der Hohlnadel 7 öffnen, wenn der eingestellte Öffnungsdruck der Innennadel 8 mittels der Feder 14 reduziert wird. Die Einspritzverlaufsformung ist in diesem Fall nur bis zu einem bestimmten Speicherdruck wirk­ sam. Die Innennadel 8 schließt generell sofort in der bereits beschriebenen Weise nach der Hohlnadel 7.

Durch die beschriebene Gestaltung der Einspritzdüse 1 ist ein in Abhängigkeit des Motor­ kennfeldes variabler Spritzlochquerschnitt möglich, ohne daß weitere Zusatzstellglieder er­ forderlich sind. Im emissionsrelevanten Betriebsbereich bei relativ niedriger Drehzahl und Last bzw. bei Speicherdrücken bis z. B. 1000 bar ist nur die erste Gruppe 4 von Einspritzöff­ nungen 6 geöffnet, wodurch ein entsprechend kleiner Spritzlochquerschnitt realisiert ist. In der Nähe der Nennleistung, z. B. bei Speicherdrücken deutlich über 1000 bar arbeiten beide Gruppen 4, 5 von Einspritzöffnungen 6 mit entsprechend großen Gesamtspritzlochquerschnitt gleichzeitig.

Claims (10)

1. Einspritzdüse (1) für eine direkt einspritzende Brennkraftmaschine, insbesondere eine Diesel-Brennkraftmaschine, mit einer in einem Düsenkörper (3) axial verschiebbaren Hohlnadel (7), die eine erste Gruppe (4) von Spritzöffnungen (6) ansteuert, und einer in der Hohlnadel (7) konzentrisch angeordneten, in Schließrichtung durch eine Feder (14) belasteten Innennadel (8), die eine zweite Gruppe (5) von Spritzöffnungen (6) ansteuert, und mit einem auf zumindest eine der beiden Ventilnadeln (7, 8) in Schließrichtung wir­ kenden, mit Flüssigkeit, insbesondere Kraftstoff beaufschlagten Steuerkolben (11), wo­ bei sowohl die Hohlnadel (7) als auch die Innennadel (8) durch Kraftstoffdruck geöffnet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlnadel (7) zumindest in ihrer Schließ­ stellung mit dem Steuerkolben (11) verbunden ist.

2. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkraft der auf die Innennadel (8) wirkenden Feder (14) so groß eingestellt ist, daß das Öffnen der In­ nennadel (8) bei höherem Kraftstoffdruck erfolgt als das Öffnen der Hohlnadel (7).

3. Einspritzdüse (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (14) über ein die Hohlnadel (7) kreuzendes Druckstück (13) auf die Innennadel (8) einwirkt.

4. Einspritzdüse (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckstück (13) - in Richtung der Nadelachse (2) betrachtet - balken-, stern- oder kreuzförmig ist, wobei die Hohlnadel (7) entsprechende radiale Ausnehmungen (21) für das Druckstück (13) aufweist.

5. Einspritzdüse (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlnadel (7) im Bereich des Druckstückes (13) gabelförmig ausgeführt ist und dieses umschließt oder durchdringt.

6. Einspritzdüse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Innennadel (8) nach einem vordefinierten Öffnungshub (H₁) mit der Hohlnadel (7) und/oder den Steuerkolben (11) mechanisch gekoppelt ist.

7. Einspritzdüse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Hohlnadel (7) und die Innennadel (8) mechanisch voneinander entkoppelt sind.

8. Einspritzdüse (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckstück (13) nach dem vordefinierten Hub (H₁) der Innennadel (8) auf einem mit dem Steuerkolben (11) verbundenen Druckkolben (10) aufliegt.

9. Einspritzdüse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlnadel (7) nach einem vordefinierten Hub (H₂) mit der Innennadel (8) mechanisch gekoppelt ist.

10. Einspritzdüse (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlnadel (7) nach dem vordefinierten Hub (H₂) am Druckstück (13) aufliegt.