DE3120044C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen gemäß den im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Merkmalen. Durch die Begrenzung der Einspritzmenge während eines ersten Teilhubes, welcher einem unteren Leistungsbereich, insbesondere dem Leerlaufbereich, der Brennkraftmaschine entspricht, wird eine Spritzzeitverlängerung und dadurch ein leiserer Lauf der Brennkraftmaschine erreicht. Außerdem wird der Kraftstoff bei diesen kleinen Mengen besser aufbereitet, wodurch der spezifische Kraftstoffverbrauch sowie auch die Giftbestandteile im Abgas verringert werden. Beim Übergang in einen höheren Leistungsbereich der Brennkraftmaschine wird die Einspritzmenge des Kraftstoffs und vorzugsweise auch der Schließdruck in der Einspritzdüse sprunghaft erhöht, so daß trotz des größeren Durchgangsquerschnittes eine einwandfreie Aufbereitung des Kraftstoffs gewährleistet bleibt.

Bei einer bekannten Kraftstoffeinspritzdüse der gattungsmäßigen Art (JP-Abstract 53-34015) ist der der Ventilnadel zugeordnete Ventilsitz an einem brennraumseitigen Stirnflächenabschnitt der Hohlnadel ausgebildet. Die Ventilnadel wie auch die mit einem Ventilsitz im Düsenkörper zusammenwirkende Hohlnadel heben beim Einwirken des Kraftstoffzulaufdrucks in Kraftstoffströmungsrichtung von ihren jeweiligen Ventilsitzen ab. Bei dieser Ausführung ist es als nachteilig anzusehen, daß die Aufsteuerfolge der beiden im Bereich der Ventilsitze gebildeten Spritzquerschnitte von der Bemessung und der gegenseitigen Abstimmung der beiden Schließfedern abhängig ist. Ferner schränkt die Ausbildung der Köpfe an der Ventilnadel und der Hohlnadel stromab der Ventilsitze die Möglichkeiten zur Gestaltung des Kraftstoffstrahles ein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftstoffeinspritzdüse der gattungsmäßigen Art so auszubilden, daß die von der Ventil - und Hohlnadel gesteuerten Spritzquerschnitte in einer exakt bestimmbaren Aufeinanderfolge aufgesteuert und auch die Einspritzstrahlgestaltung den betrieblichen Anforderungen besser angepaßt werden können.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Merkmale gelöst. Dadurch ist erreicht, daß die Aufsteuerfolge der Spritzquerschnitte allein vom Hub der Hohlnadel und nicht mehr von einer gegenseitigen Abstimmung der beiden Schließfedern abhängig ist. Die Kraftstofführung beim Kraftstoffaustritt aus der Düse kann freizügig gestaltet und insbesondere in mehrere Spritzlöcher bzw. Spritzlochgruppen aufgeteilt werden, deren Querschnitt und Richtung den Erfordernissen des jeweiligen Anwendungsfalles anpaßbar sind. Diese Vorteile sind an sich den Einspritzdüsen mit nach innen öffnendem Ventilschließglied (I-Düsen) zu eigen. Durch die erfindungsgemäße Anordnung werden diese Vorteile mit jenen einer Einspritzdüse mit nach außen öffnendem Ventilschließglied (A-Düsen) kombiniert, bei welcher sich die Kraftstofführung insgesamt einfacher gestalten läßt und außerdem besondere Maßnahmen zur Leckölabfuhr entfallen.

Aus der US-PS 33 39 848 ist zwar schon eine Kraftstoffeinspritzdüse mit zwei koaxial zueinander angeordneten und gegensinnig arbeitenden Ventilschließgliedern, hier einer nach innen öffnenden Hohlnadel und einer in dieser geführten, nach außen öffnenden Ventilnadel bekannt, die jedoch beide mit einem gehäusefesten Ventilsitz zusammenarbeiten und deren Aufsteuerfolge nicht hubabhängig ist. Außerdem kann mit dieser Einspritzdüse nur wahlweise über den von der Hohlnadel oder den von der Ventilnadel gesteuerten Spritzquerschnitt eingespritzt werden. Ein gemeinsames Einspritzen über den gesamten Spritzquerschnitt ist nicht möglich. Ferner sind aus der DE-PS 585 018 Kraftstoffeinspritzdüsen bekannt, bei welchen eine als Kolbenschieber ausgebildete Ventilnadel die Steuerung des Spritzquerschnitts übernimmt. Ein weiteres Ventilschließglied ist hier nicht vorhanden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Hohlnadel stromab des von ihr kolbenschieberartig gesteuerten Spritzlochquerschnitts am Außenumfang eine Anschlagschulter aufweist, die in Schließstellen der Hohlnadel zusammen mit einer entsprechenden Gegenschulter am Düsenkörper die resultierende Schließfederkraft abfängt und dabei einen Führungsspalt zwischen der Hohlnadel und der diese Hohlnadel führenden Bohrung im Düsenkörper gegen den Brennraum der Brennkraftmaschine hin abschirmt. Bei einer derart ausgebildeten Einspritzdüse werden in Schließstellung der Hohlnadel die Verbrennungsgase vom Lagerspalt zwischen Hohlnadel und Düsenkörper abgehalten, wodurch die einwandfreien Laufeigenschaften der Hohlnadel lange Zeit erhalten bleiben.

Vier Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Fig. 1 bis 4 zeigen je einen Teilschnitt durch eines der Ausführungsbeispiele.

Die Einspritzdüse nach Fig. 1 hat einen Düsenkörper 10, der durch einen Überwurfmutter 12 an einem Düsenhalter 14 festgespannt ist. Im Düsenkörper 10 ist eine Führungsbohrung 16 für eine Hohlnadel 18 und eine Durchmesser größere Bohrung 20 gebildet, welche an einer Schulter 22 in die Führungsbohrung 16 übergeht. In die Bohrung 20 ragt ein Ansatz 24 des Düsenhalters 14 passend hinein, der mit einer Bohrung 26 und am Stirnende mit einer kleineren Öffnung 28 versehen ist, deren Querschnitt zwei Flächen aufweist. Dadurch ist eine vom einspritzseitigen Ende der Düse abgekehrte, gehäusefeste Schulter 30 mit umlaufender Auflagefläche gebildet.

Die Hohlnadel 18 hat eine von ihrer oberen Stirnseite 32 ausgehende Längsbohrung 36, die bis zu einem konischen Ventilsitz 38 führt, an welchem sich stromab ein Sackloch 40 anschließt und von welchem Spritzlöcher 41, 42 durch das als Kuppe 43 ausgebildete Stirnende der Hohlnadel 18 nach außen führen. Ein Stück weit oberhalb des Ventilsitzes 38 ist die Hohlnadel 18 mit einer durch die Längsbohrung 36 hindurchgeführten Querbohrung 44 versehen, welche an beiden Enden in einer Ringnut 45 am Mantelumfang der Hohlnadel 18 ausmündet. Über diese Querbohrung 44 und die Ringnut 45 werden Spritzlöcher 46 und 47 im Düsenkörper 10 in der nachstehend noch näher beschriebenen Weise in zeitlicher Folge zu den Spritzlöchern 41 und 42 in der Kuppe 43 gesteuert. Am Außenumfang ist die Hohlnadel 18 mit einem im Durchmesser leicht geschwächten Abschnitt 48 versehen, der in der Nähe seines Übergangs zum ungeschwächten, im Düsenkörper 10 geführten Abschnitt 50 eine Querbohrung 52 hat. An den Abschnitt 48 schließt sich oben ein mit zwei Flächen versehener Kopf 54 an, der mit dem erforderlichen Bewegungsspiel passend in die Öffnung 28 ragt und die Hohlnadel 18 gegen Verdrehen sichert.

Am Außenumfang der Hohlnadel 18 ist ferner in der Nähe des Ventilsitzes 38 eine konische Anschlagschulter 56, gebildet, welche mit einer entsprechend geformten Gegenschulter 58 am Stirnende des Düsenkörpers 10 zusammenarbeitet. In der Bohrung 20 ist eine Schließfeder 60 angeordnet, die sich unten an einem auf der Schulter 22 aufliegenden Flansch 62 einer Buchse 64 abstützt, die den Abschnitt 48 der Hohlnadel 18 mit Spiel umgibt. Am oberen Ende greift die Schließfeder 60 an einem Druckring 66 an, der gegen eine zwischen dem Abschnitt 48 und dem Kopf 54 gebildete Ringschulter 68 der Hohlnadel 18 anliegt. Der durch die Schließfeder 60 hervorgerufene Aufwärtshub (Schließhub) der Hohlnadel 18 wird durch die Schultern 56 und 58 an Hohlnadel 18 und Düsenkörper 10 begrenzt, die zugleich, nach Art eines Ventils zusammenwirkend, in Schließstellung der Hohlnadel 18 den Lagerspalt zwischen dieser und dem Düsenkörper 10 gegen die Brennkammer hin abdichten.

In der Längsbohrung 36 der Hohlnadel 18 ist eine Ventilnadel 70 verschiebbar geführt, die am einspritzseitigen Stirnende eine mit dem konischen Ventilsitz 38 zusammenarbeitende konische Sitzfläche 72 hat. Die Sitzfläche 72 ist an einem im Durchmesser etwas geschwächten Abschnitt 74 der Ventilnadel 70 gebildet, der an einer Druckschulter 76 in den ungeschwächten Abschnitt der Ventilnadel 70 übergeht. Die Druckschulter 76 liegt etwas oberhalb der Querbohrung 52 in der Hohlnadel 18, so daß der zwischen dem geschwächten Abschnitt 74 der Ventilnadel 70 und der Wand der Längsbohrung 36 in der Hohlnadel 18 gebildete Ringraum 78 über die Querbohrung 52, das Ringspiel zwischen Hohlnadel 18 und Buchse 64, sowie über eine oder mehrere Querbohrungen 80 in der Buchse 64 mit der Bohrung 20 im Düsenkörper 10 in Verbindung steht.

Die Ventilnadel 70 ragt oben ein Stück weit aus der Hohlnadel 18 heraus und ist dort mit einem Ringbund 82 versehen, an dessen oberer Stirnseite eine Schließfeder 84 angreift, welche sich an einer in die Bohrung 26 eingeschraubten Gewindebuchse 86 abstützt. Die Ventilfeder 84 ist bestrebt, die Ventilnadel 70 gegen den Ventilsitz 38 in der Hohlnadel 18 zu drücken. Das gelingt in der in der Zeichnung dargestellten Schließlage der Hohlnadel 18, in welcher der Bund 82 der Ventilnadel 70 noch um den Hub h₁ von der Schulter 30 am Düsenhalter 14 entfernt ist. Wenn die Hohlnadel 18 in Öffnungsrichtung den Weg h₁ zurückgelegt hat, liegt der Bund 82 an der Schulter 30 an, wonach die Ventilnadel 70 an einer weiteren Mitbewegung mit der Hohlnadel 18 gehindert ist. Der Gesamthub h₂ der Hohlnadel 18 ist begrenzt durch die Buchse 64, an deren oberer Stirnseite der Druckring 66 zur Anlage kommt.

Die Gewindebuchse 86 ist mit einer Bohrung 88 zum Zuführen des Kraftstoffs versehen. Der Kraftstoffweg führt danach über die Bohrung 26 und eine die Schulter 30 umgehende Randaussparung 90 im Ansatz 24 des Düsenhalters 14 in die Bohrung 20, wo der Kraftstoff auf die Stirnseite 32 der Hohlnadel 18 einwirkt und auf diese eine der Schließfeder 60 entgegenwirkende Kraft in Richtung zur Brennkammer hin ausübt. Aus der Bohrung 20 gelangt der Kraftstoff über die Querbohrung 52 in der Hohlnadel 18 in den Ringraum 78 zwischen Hohlnadel 18 und Ventilnadel 70 und übt dort über eine schmale Ringfläche 92 oberhalb des Ventilsitzes 38 eine weitere Kraft auf die Hohlnadel 18 aus. Der Kraftstoff übt ferner auch auf die Ventilnadel 70 eine nach unten wirkende resultierende Kraft aus, welche unterstützend zur Ventilfeder 84 die Ventilnadel 70 gegen den Ventilsitz 38 drückt.

Bei einem Anstieg des Kraftstoffdruckes zu Beginn eines Einspritzhubes wird unter Zusammendrücken der Schließfeder 60 zunächst die als Kolbenschieber wirkende Hohlnadel 18 nach unten aus dem Düsenkörper 10 heraus bewegt. Dabei gelangt zunächst die Ringnut 45 in der Hohlnadel 18 über den Mündungsbereich der in ihrer Gesamtheit einen ersten Spritzlochquerschnitt I ergebenden Spritzlöcher 46 und 47, so daß der im Ringraum 78 unter Druck stehende Kraftstoff durch diesen Spritzlochquerschnitt I austreten kann. Der Druck des Kraftstoffs im Ringraum 78 wird hierbei maßgeblich durch die Differenz der Kräfte bestimmt, welche die Schließfeder 60 und die Ventilfeder 84 auf die Hohlnadel 18 ausüben. Dieser Zustand hält so lange an, bis die Hohlnadel 18 einen ersten Teilhub h₁ zurückgelegt hat, nach welchem der Bund 82 an der gehäusefesten Schulter 30 anschlägt.

Von dieser Zwischenstellung der Hohlnadel 18 ab wird die Kraft der Ventilfeder 84 von der Schulter 30 abgefangen, so daß zum Weiterbewegen der Hohlnadel 18 nunmehr die volle Gegenkraft der Schließfeder 60 zu überwinden ist. Dadurch tritt beim Überfahren dieser Stellung ein ausgeprägter Drucksprung im Kraftstoff auf. Nach dem Anschlagen der Ventilnadel 70 an der Schulter 30 wird jedoch augenblicklich auch der Ventilsitz 38 durch die Ventilnadel 70 freigegeben und der Kraftstoff auch durch die in ihrer Gesamtheit einen zweiten Spritzlochquerschnitt II ergebenden Spritzlöcher 41, 42 ausgespritzt. Es werden daher wie zusätzlich erwünscht, der Druck des Kraftstoffs und die Einspritzmenge praktisch exakt zur gleichen Zeit sprunghaft erhöht. Der zweite Spritzlochquerschnitt II wird wie bei Düsen mit einer nach innen öffnenden Ventilnadel (I-Düse) gesteuert, ohne daß besondere Maßnahmen zum Abführen von Lecköl vorgesehen werden müssen.

Bei Abfall des Kraftstoffdruckes am Ende eines Einspritzhubes führt die Schließfeder 60 die Hohlnadel 18 in die Ausgangsstellung zurück, in der sie mit ihrer konischen Anschlagschulter 56 an der entsprechend konischen Gegenschulter 58 des Düsenkörpers 10 anschlägt. Zuvor trifft jedoch der Ventilsitz 38 auf die konische Sitzfläche 72 der noch gefangenen Ventilnadel 70 auf, wobei der zweite Spritzlochquerschnitt II (Spritzlöcher 41, 42) geschlossen wird. Danach kommt die Schließfeder 84 wieder ins Spiel, welche jetzt hemmend auf die Rückbewegung der Hohlnadel 18 einwirkt und deren Aufschlag auf die gehäusefeste Gegenschulter 58 dämpft. Während dieses restlichen Rückhubes der Hohlnadel 18 wird auch der erste Spritzlochquerschnitt I (Spitzlöcher 46, 47) wieder zugesteuert. In der Schließstellung dichten die nach Art eines Ventils zusammenwirkenden Schultern 56, 58 von Hohlnadel 18 und Düsenkörper 10 sowohl den Lagerspalt zwischen diesen Teilen als auch zusätzlich die inneren Mündungen des Spritzlochquerschnitts I (Spritzlöcher 46, 47) gegen die Brennkammer hin ab.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 unterscheidet sich vom vorbeschriebenen lediglich dadurch, daß eine konische Anschlagschulter 56′ der Hohlnadel 18′ stromauf des ersten Spritzlochquerchnittes I (Spritzlöcher 46, 47) angeordnet ist und mit einer entsprechend geformten Gegenschulter 58′ des Düsenkörpers 10 zusammenarbeitet. Bei dieser Ausführung wird in der Schließstellung der Hohlnadel 18′ zwar nur der Lagerspalt zwischen Hohlnadel 18′ und Düsenkörper 10′ gegen die Brennkammer hin abgeschirmt. Vorteilhaft ist jedoch, daß die in der Schließstellung nach Art eines Ventils zusammenwirkenden konischen Schultern 56′ und 58′ den Ringraum 78 zusätzlich gegen den ersten Spritzlochquerschnitt I (Spritzlöcher 46, 47) dichten.

Wenn auf den zusätzlichen Vorteil des Drucksprungs nach dem vorgegebenen ersten Teilhub der Hohlnadel 18 verzichtet wird, kann die Spritzfolge bezüglich der Spritzlochquerschnitte I und II auch umgekehrt werden. Diese Möglichkeit ist beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 vorgesehen.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist im großen und ganzen wie die vorbeschriebenen Beispiele aufgebaut und unterscheidet sich von diesen im wesentlichen nur durch eine andere Hohlnadel 98 und eine andere Ventilnadel 100. Diese hat einen Ringbund 102, der in Schließstellung der Hohlnadel 98 nur einen sehr geringen Abstand h′₁ zur gehäusefesten Schulter 30 einnimmt. Dieser Abstand h′₁ dient hier lediglich als Toleranzausgleich und stellt sicher, daß in Schließstellung die Ventilnadel 100 mit einer konischen Sitzfläche 104 auf einem Ventilsitz 106 in der Hohlnadel 98 aufliegt. Der Ventilsitz 106 führt in ein kurzes Sackloch 108, von welchem Spritzlöcher 110, 112 und 114 nach außen führen, die in Übereinstimmung mit den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen den zweiten Spritzlochquerschnitt II bilden. Das Spritzloch 114 mündet in einer Ringnut 116 am Außenumfang der Hohlnadel 98 aus, die in deren Schließstellung durch ventilartig zusammenwirkende Schultern 118 und 120 an Hohlnadel 98 und Düsenkörper 10 zur Brennkammer hin abgedichtet ist. Vom Ventilsitz 106 geht eine weitere Gruppe von Spritzlöcher 122, 124 ab, die oberhalb der Ringnut 116 in die Mantelfläche der Hohlnadel 98 ausmünden und den ersten Spritzlochquerschnitt I (Spritzlöcher 122, 124) bilden.

Beim Einspritzhub der Hohlnadel 98 wird nahezu sofort die Ventilnadel 100 vom Ventilsitz 106 abgehoben und daher zuerst der stromabseitige zweite Spritzlochquerschnitt II (Spritzlöcher 110, 112, 114) freigegeben. Erst wenn die Hohlnadel 98 ihren Gesamthub h₂ schon fast vollendet hat, treten die außenliegenden Mündungen der Spritzlöcher 122, 124 aus der Führungsbohrung des Düsenkörpers 10 aus, wodurch die Freigabe des ersten Spritzlochquerschnittes I (Spritzlöcher 122, 124) erfolgt. Die Ausführung nach Fig. 3 hat unter anderem den Vorteil, daß in Schließstellung der Hohlnadel 98 der Spritzlochquerschnitt I sowohl nach innen durch die Ventilnadel 100 als auch nach außen durch die Schultern 118 und 120 zusätzlich abgedichtet ist.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist eine weitere Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1. Der Spritzlochquerschnitt I ist hier durch Spritzlöcher 130 und 132 in der Hohlnadel 18′ gebildet, die in Schließstellung der Hohlnadel 18′ durch eine Überdeckung 134 und durch die nach Art eines Ventils zusammenwirkenden konischen Schultern 56 und 58 an Hohlnadel 18′ und Düsenkörper 10 gegen die Brennkammer hin abgedichtet sind. Beim Bewegen der Hohlnadel 18′ in Öffnungsrichtung treten die Spritzlöcher 130 und 132 aus der Führungsbohrung im Düsenkörper 10 heraus, so daß sich die bei der Einspritzdüse nach Fig. 1 vorgesehenen Spritzlöcher 46, 47 im Düsenkörper 10 erübrigen.

Die Einspritzdüse nach Fig. 4 hat den Vorteil, daß der Spritzlochquerschnitt I (Spritzlöcher 130, 132) in der Schließstellung der Hohlnadel 18′ durch die konischen Schultern 56 und 58 zusätzlich abgedichtet ist. Die Reihenfolge des Aufsteuerns der Spritzlochquerschnitte I (Spritzlöcher 130, 132) und II (Spritzlöcher 41, 42) kann durch Abstimmung von Vorhub h₁ und Überdeckung 134 beliebig gewählt werden.

Claims (2)

1. Kraftstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen mit einer in einem Düsenkörper gelagerten, in Strömungsrichtung des Kraftstoffs gegen die Kraft einer Schließfeder öffnenden und dabei einen Spritzquerschnitt zum Brennraum der Brennkraftmaschine hin steuernden Hohlnadel sowie einer gegen die Kraft einer eigenen Schließfeder in der Hohlnadel verschiebbar gelagerten und über einen Ventilsitz in dieser einen weiteren Spritzquerschnitt zum Brennen der Brennkraftmaschine hin steuernden Ventilnadel, wobei zwecks stufenweiser Erhöhung der Einspritzmenge die beiden Spritzquerschnitte mit Hilfe der Hohl- und Ventilnadel aufeinanderfolgend freigegeben werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilnadel (70, 74, 100) eine beim Öffnungshub entgegen der Kraftstoffströmungsrichtung von ihrem Ventilsitz (38, 106) in der Hohlnadel (18, 18′, 98) abhebende Ventilnadel ist, durch welche der dieser zugeordnete, in Form von Spritzlöchern (41, 42, bzw. 110, 112, 114) im einspritzseitigen Ende der Hohlnadel (18, 18′, 98) nach Art einer Lochdüse ausgebildete Spritzquerschnitt gesteuert wird, und daß die Ventilnadel (70, 74, 100) mit einem festen Anschlag (30) in der Einspritzdüse zusammenwirkt, an dem die Nadel nach einem Anfangshub (h₁, h₁′) zusammen mit der Hohlnadel (18, 18′, 98) unter gleichzeitiger Freigabe des der Ventilnadel (70, 74, 100) zugeordneten Spritzquerschnitts zur Anlage kommt, wonach die Hohlnadel (18, 18′, 98) unter Freigabe des ihr zugeordneten, in Form von durch die Hohlnadel schiebeartig gesteuerten Spritzlöchern (46, 47 bzw. 130, 132 oder 122, 124) im Düsenkörper (10) bzw. in der Hohlnadel (18, 18′, 98) selbst ausgebildeten Spritzquerschnitts ihre Öffnungsbewegung getrennt fortsetzt.

2. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlnadel (18, 18′, 98) stromab des von ihr kolbenschieberartig gesteuerten Spritzlochquerschnitts am Außenumfang eine Anschlagschulter (56, 56′, 118) aufweist, die in Schließstellung der Hohlnadel (18, 98) zusammen mit einer entsprechenden Gegenschulter (58, 58′, 120) am Düsenkörper (10) die resultierende Schließfederkraft abfängt und dabei einen Führungsspalt zwischen der Hohlnadel (18, 18′, 98) und der diese führenden Bohrung im Düsenkörper (10) gegen den Brennraum der Brennkraftmaschine hin abschirmt.