DE4017391A1 - Querschnittgesteuerte mehrstrahl-einspritzduese - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine querschnittgesteuerte Mehrstrahl-Einspritzdüse entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruches.

Durch DE-OS 29 49 596 ist es bekannt, die Düsennadel in Rich­ tung des Brennraumes zu öffnen. Der Dichtsitz ist dabei kegelig ausgebildet und stellt gleichzeitig die Austrittsöffnung dar, wobei die Austrittsöffnung den Brennstoff-Austrittsquerschnitt bildet. Durch eine derartige Einspritzdüse ist es nicht möglich den Brennstoffdruck über den gesamten Betriebsbereich konstant hoch zu halten. Weil der austretende Hohlkegelstrahl nicht unterteilt ist, leidet die Gemischbildung, da der große Umfang des Ringspaltes in einem sehr ungünstigen Verhältnis zum Spritz­ querschnitt steht, wodurch die Kraftstoffaufbereitung und die Gemischbildung negativ beeinflußt werden.

Durch DE-OS 27 10 138 ist es ferner bekannt, eine Hohlnadel und eine in dieser koaxial geführte Düsennadel vorzusehen. Die Hohl­ nadel kann von einer Druckkammer ausgehend über eine Druck­ schulter mit Brennstoffdruck beaufschlagt werden. Ab einem vor­ gegebenen Brennstoffdruck öffnet die Hohlnadel gegen die Kraft einer ersten Druckfeder und gibt den Weg des Brennstoffes zur Düsennadel und einer ersten Einspritzbohrung frei. Die Düsen­ nadel öffnet bei höherer Last der Brennkraftmaschine und einem daraus resultierenden höheren Brennstoffdruck von einer Ein­ spritzpumpe her anschließend gegen die Kraft einer zweiten Druck­ feder und die Einspritzung von Brennstoff in den Brennraum er­ folgt durch zweite Einspritzbohrungen, bis durch Absinken des Brennstoffdruckes die Düsennadel schließt und die Einspritzung beendet. Durch eine derartige Einspritzdüse wird eine Abstufung der eingespritzten Brennstoffmenge nach Richtung und Art und Weise des Brennstoffstrahles erreicht. Nachteilig ist die noch mangelnde Konstanz eines hohen Brennstoffdruckes vor den Ein­ spritzbohrungen über den Kennfeldbereich gesehen. Ein weiterer Nachteil ist in der Verwendung mehrerer Spritzlöcher zu sehen. Wenn im Teillastbereich nur eine Bohrung durchströmt wird ver­ kokt die nicht benutzte zweite Bohrung, welche dem Vollastbe­ reich vorbehalten ist.

Ausgehend von einer Einspritzdüse gemäß dem Oberbegriff liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die eingespritzte Brennstoff­ menge in mehrere Strahlen mit einem günstigen Verhältnis von Spritzquerschnitt zu Umfang des durchströmten Querschnitts zu zerteilen und gleichzeitig den Einspritzdruck vor den Einspritz­ kanälen über den gesamten Kennfeldbere;ch näherungsweise konstant zu halten.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Durch die besondere Formgebung der Dichtfläche der Steuernadel lassen sich die Öffnungsquerschnitte der Steuernadel variieren, so daß sich in allen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine stets ein genügend hoher Brennstoffdruck vor den Einspritz­ kanälen einstellt, der dafür sorgt, daß bei luftverteilter Einspritzung eine hohe Zerstäubungsfeinheit für eine optimale Gemischbildung zu erreichen ist. In erster Näherung wird dabei im unteren Drehzahl- und Lastbereich der maximale Einspritz­ druck so hoch wie im oberen Drehzahl- und Lastbereich sein.

Eine vorteilhafte Ausbildung der Regeleinrichtung ist durch die Merkmale des Anspruches 2 gekennzeichnet.

Auf einfache Weise kann eine Selbstregulierung des Brennstoff­ druckes mit Hilfe entsprechend abgestimmter Federn erfolgen, die bei steigendem Druck einen größeren Austrittsquerschnitt freigeben und umgekehrt. Zum Ausgleich der bei Düsenöffnung hinzukommenden wirksamen Druckfläche wird die zweite Druckfeder vorgesehen. Die erste Druckfeder gibt einen Austrittsquerschnitt für den Motorleerlauf bzw. für den unteren Drehzahl- und Last­ bereich frei, während durch Überwindung der parallel geschalteten zweiten Druckfeder der Austrittsquerschnitt sich der steigenden Drehzahl und Last anpaßt. Die Begrenzung des Spritzquerschnittes bei Vollast und Nenndrehzahl wird durch den Festanschlag bewerkstelligt.

Eine Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich durch die Merk­ male des Anspruches 3 aus.

Die Regelung des Hubes der Steuernadel wird durch Ansteuerung mittels einer kennfeldgesteuerten Elektronik bewerkstelligt. Als geeignetes mechanische Stellglied für die Begrenzung des Steuer­ nadelhubes kann ein Keilstück dienen, welches durch die Elek­ tronik direkt oder indirekt angesteuert wird und so den Hub derselben stufenlos einstellbar begrenzt.

Weitere vorteilhafte Merkmale zeichnen sich durch den Anspruch 4 aus.

Die Hohlnadel gewährleistet eine zur Keilverzahnung zusätzliche Abdichtung, so daß ein Nachtropfen von Brennstoff vermieden wird, wenn die Keilverzahnung nicht absolut dicht sein sollte.

Ausführungsbeispiele der Einspritzdüse sind in Zeichnungen dar­ gestellt. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Einspritzdüse,

Fig. 2 eine Detailansicht im Längsschnitt am brennraum­ seitigen Ende der Einspritzdüse,

Fig. 3 einen Schnitt III-III aus Fig. 2,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch die Einspritzdüse im Bereich der Steuerung,

Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine Einspritzdüse mit einer zu einer Steuernadel koaxial angeordneten Hohlnadel,

Fig. 6 eine Detailansicht aus Fig. 5 im Längsschnitt am brennraumseitigen Ende der Einspritzdüse.

Die Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch eine Einspritzdüse. Diese besteht im wesentlichen aus einem Düsenhalter 1, einem Düsenkörper 2 und einer im Düsenkörper 2 axial beweglich geführten Steuernadel 3. Die Steuernadel 3 weist an ihrem brennraumseitigen Ende eine kegelige Dichtfläche 4 auf, welche erfindungsgemäß als eine Keilverzahnung 5 ausgeführt ist. Die Steuernadel 3 wird an ihrem brennraumabgewandten Ende durch eine vorgespannte erste Druckfeder 6 in Schließstellung gehalten. Die erste Druckfeder 6 stützt sich dabei einerseits gegen den Düsenhalter 1 und andererseits gegen einen mit der Steuernadel 3 verbundenen Anschlag 7 ab.

Zur Begrenzung der Hubbewegung der Steuernadel 3 ist ein Ringan­ schlag 8 vorgesehen, welcher mit dem Anschlag 7 zusammenwirkt. Dieser Anschlag 8 wird mittels einer zweiten vorgespannten Druck­ feder 9 in Ausgangslage gehalten, wobei sich der Ringanschlag 8 gegen den Düsenhalter 1 abstützt. Zwischen dem Anschlag 7 und dem Ringanschlag 8 ist ein Spalt mit der Dicke h1 vorgesehen. Die zweite Druckfeder 9 ist koaxial zur Steuernadel 3 und der diese umgebenden ersten Druckfeder 6 angeordnet.

Einem Druckraum 9a der Einspritzdüse wird über eine Zulaufboh­ rung 10 von einer Einspritzpumpe Brennstoff zugeführt. Unter dem Druck des Brennstoffes öffnet die Steuernadel 3 in Richtung auf einen Brennraum hin, indem die Kraft der vorgespannten ersten Druckfeder 6 überwunden wird. Der Brennstoff wird dann über mehrere Strahlen entsprechend der Gestaltung der in den Fig. 2 und 3 näher beschriebenen Keilverzahnung 5 in den Brennraum abgespritzt. Der Spritzquerschnitt kann durch den Hub der Steuernadel 3 abgestuft werden.

Im Leerlauf oder im unteren Drehzahl- und Lastbereich einer Brennkraftmaschine wird der Hub der Steuernadel 3 zunächst durch den Ringanschlag 8 begrenzt, wenn der Hub den Weg h1 ausgeschöpft hat.

Bei zunehmender Last wird bereits durch den relativ gesehen leicht ansteigenden Brennstoffdruck der Hub der Steuernadel 3 durch Überwindung der Kraft der zur ersten Druckfeder 6 parallel geschalteten zweiten Druckfeder 9 vergrößert, bis der maximale Hub der Steuernadel 3 bei Vollast nach Ausschöpfung eines Hubes h2 durch einen Festanschlag 11 begrenzt wird, gegen den der Ringanschlag 8 anfährt. Die Federkonstante der zweiten Druckfeder 9 ist dabei wesentlich kleiner zu wählen als die der ersten Druckfeder 6. Der Festanschlag 11 ist als eine Ringfläche im Düsenhalter 1 ausgeführt. Zur Abführung von Leckage ist eine Bohrung 10a vorgesehen.

Eine Detailansicht der Einspritzdüse im Längsschnitt am brenn­ raumseitigen Ende zeigt Fig. 2. Die linke Hälfte stellt die Ein­ spritzdüse im geschlossenen Zustand dar, während die rechte Hälfte diese im geöffneten Zustand wiedergibt.

Die Steuernadel 3 weist die axial und radial gerichtete Keil­ verzahnung 5 auf, welche sich in eine kegelige Dichtfläche 4 und Nutenflanken 13 gliedert.

Die Einspritzung von Brennstoff wird - wie in der rechten Hälfte dargestellt - dadurch eingeleitet, daß durch die Wirkung des Brennstoffdruckes auf die Querschnittsdifferenz der größeren ersten Fläche 14 und der kleineren zweiten Fläche 15 die Steuer­ nadel 3 in Richtung des Brennraumes öffnet, wie es die rechte Hälfte der Fig. 2 darstellt. Der Brennstoff wird der Keilver­ zahnung 5 über eine Nut 17 und einen Ringraum 18 zugeführt. Einer der Spritzquerschnitte 16, wie er sich beim Öffnen der Steuernadel 3 ergibt, ist herausgezeichnet dargestellt.

Ein Schnitt III-III aus Fig. 2 ist in Fig. 3 dargestellt. Der Brennstoff gelangt zunächst über die Nut 17 der Steuernadel 3 vor die aus Fig. 2 ersichtliche Dichtfläche 4, welche ent­ sprechend dem dargestellten Beispiel kegelig ausgeführt ist. Nach dem Öffnen der Steuernadel 3 wird der Brennstoff über die Spritzquerschnitte 16 abgespritzt. Der Spritzquerschnitt 16 wird durch die kegelige Dichtfläche 4 (Fig. 2) und die Nutenflanken 13 begrenzt. Die Spritzquerschnitte 16 können unterschiedliche Größe aufweisen. Ein Sektor 19 ist in Fig. 3 in der Ansicht, also nicht im Schnitt dargestellt.

Eine zu Fig. 1 alternative Lösung der Regelung der Steuernadel 3 kann aus Fig. 4 ersehen werden. Der Hub der Steuernadel 3 wird durch ein Keilstück 20 begrenzt, welches in der durch Pfeilrich­ tung angegebenen Bewegung mit einem Endanschlag 21 korrespondiert, so daß die Hubbewegung der Steuernadel 3 entsprechend einem Spiel h stufenlos begrenzbar ist. Das Keilstück 20 wird von einem Stell­ glied 22 betätigt, wobei dieses von einer kennfeldgesteuerten Elektronik beaufschlagbar ist.

Eine Variation der Einspritzdüse wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, zeigt Fig. 5. Abweichend von der Ausführung nach Fig. 1 wird der Steuernadel 3 eine gegenüber dieser koaxial bewegliche Hohlnadel 23 parallel geschaltet. Die Hohlnadel 23 wird durch eine vorgespannte dritte Druckfeder 24 in der Ausgangsstellung gehalten und dichtet die Keilverzahnung 5 mittels einer vorge­ schalteten Kegelfläche 25 zusätzlich gegen den Druckraum 9a ab. Wenn der Brennstoff von der Einspritzpumpe her über die Zulauf­ bohrung 10 und den Druckraum 9a unter Druck gesetzt wird öffnet zunächst die Hohlnadel 23 gegen die Kraft der dritten Druckfeder 24. Als wirksame Druckfläche fungiert die Differenz der Flächen einer Druckschulter 26 und der dem Flüssigkeitsdruck in Schließ­ stellung nicht ausgesetzten Kegelfläche 25. Nach dem Öffnen der Hohlnadel 23 gelangt der Brennstoff über Nuten 17 in den Ringraum 18 und öffnet anschließend - wie unter Fig. 1 beschrieben - die Steuernadel 3. Der Vorteil einer solchen Ausführung ist darin zu sehen, daß die Keilverzahnung 5 von der alleinigen Dichtfunktion entlastet wird.

Fig. 6 zeigt im Detail das brennraumseitige Ende der Einspritz­ düse in der Version nach Fig. 5. Die Steuernadel 3 wird von der Hohlnadel 23 umgeben, welche durch die Kegelfläche 25 die Keil­ verzahnung 5 zusätzlich gegen den Druckraum 9a (Fig. 5) ab­ dichtet, wie es in der linken Figurenhälfte dargestellt ist. Durch Erhöhung des Brennstoffdruckes hebt zunächst die Hohlnadel 23 von der Kegelfläche 25 ab, wie in der rechten Figurenhälfte dargestellt ist. Der unter Druck stehende Brennstoff strömt an­ anschließend über die Nuten 17 in den Ringraum 18 vor der Keil­ verzahnung 5. Entgegen der Kraft der Druckfedern 6 und 9 öffnet die Steuernadel 3 wie unter Fig. 1 beschrieben.

Nachfolgend sei nochmals kurz auf die Arbeitsweise eingegangen. Bei Beginn der Einspritzung öffnet zunächst nach den Fig. 5 und 6 die Hohlnadel 23, bzw. nach den Fig. 1 und 2 unmittel­ bar die Steuernadel 3 und gibt den erforderlichen Spritzquer­ schnitt 16 frei. Die Steuerung des Spritzquerschnittes kann mit Hilfe des Kraftstoffdruckes und entsprechenden Wirkflächen in bekannter Weise in Verbindung mit abgestuften Druckfedern 6, 9, 24 oder durch eine kennfeldabhängig, vorzugsweise elek­ tronisch, angesteuerte Hubbegrenzungseinrichtung (Fig. 4) er­ folgen. Einspritzdruck und Einspritzdauer können so optimal aufeinander abgestimmt werden.

Am Ende des Einspritzvorganges werden nach dem Schließen der Hohlnadel 23 die Spritzkanäle durch Zurückfahren der Steuer­ nadel 3 geschlossen. Dabei wird der in den Spritzkanälen noch vorhandene Kraftstoff unter Druck ausgepreßt und Tröpfchenbil­ dung am Ende der Einspritzung vermieden. Außerdem kann das der Hohlnadel bereits nachgelagerte Kraftstoffvolumen nicht un­ kontrolliert in den Brennraum fließen. Die dauernde Axialbe­ wegung der Steuernadel 3 mit je nach Motorbetrieb wechselnden Hubhöhen sorgt dafür, daß trotz der Neigung zum Verkoken der dem Feuer ausgesetzten Verzahnung die vorschlagsgemäße Spritz­ querschnittssteuerung erhalten bleibt.

Claims (4)

1. Querschnittgesteuerte Mehrstrahl-Einspritzdüse für luftver­ teilte Einspritzung bei luftverdichtenden Brennkraftmaschinen, bei der die Einspritzdüse im wesentlichen aus einem Düsen­ körper und einer darin axial beweglichen Düsennadel besteht, wobei die Düsennadel in Richtung auf einen Brennraum hin öffnet und ein Dichtsitz der Düsennadel kegelig ausgebildet ist, sowie der Dichtsitz gleichzeitig einen Austrittsquer­ schnitt für den Brennstoff darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtsitz (4), welcher kegelig ausgeführt sein kann, als eine axial und radial gerichtete Keilverzahnung (5) ausgebildet ist, und daß die als Steuernadel (3) fungierende Düsennadel am brennraumabgewandten Ende eine Regeleinrichtung aufweist.

2. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung aus mindestens zwei den Hub der Steuer­ nadel (3) begrenzenden Anschlägen (8, 11) gebildet wird, wobei die Öffnungsbewegung der Steuernadel (3) in minde­ stens zwei Hubhöhen h1 und h2 unterteilbar ist, daß dabei die Hubhöhe h1 durch den Anschlag eines Absatzes (7) der Steuer­ nadel (3) an einem Ringanschlag (8) begrenzt wird, wobei der Ringanschlag (8) durch eine zweite, zur ersten Druckfeder (6) parallel geschalteten Druckfeder (9) in Ausgangslage ge­ halten wird, und daß die Hubhöhe h2 der Steuernadel (3) nach Überwindung der rückstellenden Kraft der zweiten Druckfeder (9) und der dazu parallel geschalteten ersten Druckfeder (6) durch Anfahren des Ringanschlages (8) gegen einen Festan­ schlag (11) in einem Düsenhalter (1) begrenzbar ist.

3. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung als ein Keilstück (20) ausgebildet ist, welches senkrecht zur Steuernadel (3) bewegbar, durch einen Endanschlag (21) die Steuernadel (3) in ihrem Hub stufenlos, oder in Stufen einstellbar begrenzt, und daß das Keilstück (20) durch ein Stellglied (22) betätigbar ist, welches von einer kennfeldgesteuerten Elektronik ansteuerbar ist.

4. Einspritzdüse nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Steuernadel (3) eine diese koaxial um­ gebende Hohlnadel (23) parallel geschaltet ist, und daß die Hohlnadel (23) durch eine dritte Druckfeder (24) gegen eine dem kegeligen Dichtsitz (4) der Steuernadel (3) vorge­ schaltete Kegelfläche (25) gepreßt wird.