DE10319980A1

DE10319980A1 - Registerdüse mit Spritzlöchern

Info

Publication number: DE10319980A1
Application number: DE2003119980
Authority: DE
Inventors: Alwin Perras
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-05-05
Filing date: 2003-05-05
Publication date: 2004-08-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Registerdüse mit Spritzlöchern (3, 3') für eine Vor- und/oder Haupteinspritzung von Kraftstoff in den Brennraum eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors, mit einem Düsenkörper (1), der einen Düsenkörperboden (2) für die Spritzlöcher (3, 3') aufweist, wobei die Haupteinspritzung durch eine im Düsenkörper (2) koaxial angeordnete Hohlnadel (4) und die Voreinspritzung durch eine in der Hohlnadel (4) koaxial angeordnete Innennadel (8) steuerbar sind. DOLLAR A Eine hohe Standzeit der Registerdüse wird dadurch erreicht, dass die Hohlnadel (4) an ihrem spritzlochnahen Ende einen dem Düsenkörperboden (2) angepassten, geschlossenen Hohlnadelboden (5) aufweist, der alle Spritzlöcher (3, 3') beherrscht, und dass sich auf der Innenseite des Hohlnadelbodens (5) ein Innennadelsitz (9) für die Innennadel (8) befindet, die mindestens ein im Hohlnadelboden (5) vorgesehenes Verbindungsloch (6, 6') beherrscht, das mit einem zugeordneten Spritzloch (3') in Strömungsverbindung steht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Registerdüse mit Spritzlöchern für eine Vor- und eine Haupteinspritzung von Kraftstoff in den Brennraum eines Dieselmotors.

Moderne Dieselmotoren arbeiten mit unterbrochener Einspritzung. Der Haupteinspritzung wird eine Voreinspritzung vorgelagert und gegebenenfalls eine Nacheinspritzung nachgeschaltet.

Die Voreinspritzung ist dem oberen Totpunkt bis 90° Kurbelwinkel vorgelagert. Hierbei wird eine kleine Menge Dieselkraftstoff in den Brennraum des Dieselmotors eingespritzt. Der Kraftstoff verdampft und unterliegt Vorreaktionen, die den Zündverzug der Haupteinspritzmenge herabsetzen. Dadurch verringern sich der Druckanstieg, die Höhe des Spitzendrucks und die Druckschwingungen im Brennraum. Das hat eine Abnahme des Verbrennungsgeräusches und der Stickoxidemission zur Folge.

Bei einer Nacheinspritzung wird eine geringe Kraftstoffmenge bis 200° Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt in den Ausschubtakt eingespritzt. Dort verdampft der Kraftstoff und dient als Reduktionsmittel für Stickstoffkatalysatoren und somit zur Stickoxidreduktion. Die Kraftstoffvor- und -nacheinspritzung kann durch kurzzeitige, minimale Öffnung der Ventilnadel eines konventionellen Einspritzventils erreicht werden. Nachteilig ist dabei jedoch die mögliche Kavitation, die bei kleinen Nadelhüben zu Verschleiß des Nadelsitzes führen kann.

Die Nadelsitzkavitation wird durch so genannte Registerdüsen vermieden. Diese arbeiten mit zwei Düsennadeln, von denen eine nur die Voreinspritzung und beide zusammen die Hauptein spritzung steuern. Auf diese Weise werden zwei unterschiedliche Durchflussbeiwerte verwirklicht, durch die auch bei Voreinspritzung kavitationsgefährdete Nadelhübe vermieden werden.

In der DE 2 710 138 ist eine Registerdüse mit Spritzlöchern für eine Vor- und/oder Haupteinspritzung von Kraftstoff in den Brennraum eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors offenbart, mit einem Düsenkörper, der einen Düsenkörperboden für die Spritzlöcher aufweist, wobei die Haupteinspritzung durch eine im Düsenkörper koaxial angeordnete Hohlnadel und die Voreinspritzung durch eine in der Hohlnadel koaxial angeordnete Innennadel steuerbar sind. In dem Raum, in dem üblicherweise nur eine Düsennadel vorgesehen ist, müssen in obiger Schrift eine Hohlnadel und eine koaxiale Innennadel untergebracht werden. Das führt insbesondere bei der Hohlnadel, deren Sitzbreite durch deren geringe Wandstärke vorgegeben ist, zu hohen Kontaktspannungen zwischen Hohlnadel und Düsenkörperboden. Das hat Verschleiß, aber auch Undichtigkeit zur Folge, da die Hohlnadel zu ihrer Außen- und Innenseite hin abdichten muss.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Registerdüse zu schaffen, die sich durch hohe Standzeit auszeichnet.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.

Dadurch, dass die Auflagefläche des Hohlnadelbodens im Vergleich zur erheblich kleineren Querschnittsfläche der Hohlnadelwand, die im Stand der Technik als Sitzfläche zur Verfügung steht, eine großzügige Dimensionierung des Hohlnadelsitzes erlaubt, sinken dessen Belastung und Verschleiß entsprechend. Das gilt auch trotz der zusätzlichen Belastung des Hohlnadelsitzes durch die Schließkraft der Innennadel, deren Sitz sich auf der Innenseite des Hohlnadelbodens befindet.

Da sich das Verhältnis der Durchflussbeiwerte der Registerdüse bei Vor- und Haupteinspritzung wie maximal 1 zur Anzahl der Spritzlöcher verhält, bleibt der Mindesthub der Innennadel außerhalb kritischer Werte.

Eine einfache, zuverlässige und haltbare Registerdüse wird dadurch verwirklicht, dass die Innennadel durch einen vorzugsweise direkt antreibenden Aktor antreibbar ist, dass die Hohlnadel von der Innennadel nach Durchlaufen von deren Vorspritzhub anhebbar ist und dass die Innennadel und die Hohlnadel durch Federkraft schließbar sind.

Es hat Vorteile, wenn die Verbindungslöcher in eine Ringnut münden, die vorzugsweise an der Außenseite des Hohlnadelbodens angeordnet ist und die die Verbindungslöcher sowie die zugeordneten Spritzlöcher miteinander verbindet. Da die Verbindungslöcher durch die Ringnut in jeder Verdrehwinkellage der Hohlnadel miteinander und mit den zugehörenden Spritzlöchern in Strömungsverbindung stehen, erübrigt sich eine Verdrehsicherung der Hohlnadel gegenüber dem Düsenkörper.

Die Anordnung der Ringnut an der Außenseite des Hohlnadelbodens bietet gegenüber der auch möglichen Anordnung auf der Innenseite des Düsenkörperbodens Fertigungsvorteile. Die Verbindungslöcher müssen jedoch mit den zugeordneten Spritzlöchern in einer ersten und die übrigen Spritzlöcher in einer zweiten Spritzlochreihe getrennt angeordnet werden.

Die Verbindungslöcher mit den zugeordneten Spritzlöchern können auch in der zweiten und die übrigen Spritzlöcher in der ersten Spritzlochreihe angeordnet werden. Diese Lösung hat den Vorteil, dass der Lochkreisdurchmesser für die größere Zahl der übrigen Spritzlöcher größer und deren Zuströmung besser ist und dass die Ringnut bei der zweiten Spritzlochreihe kürzer und dadurch deren Totvolumen kleiner ist.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass die Hohlnadel in dem Düsenkörper verdrehfest geführt ist und die Verbindungslöcher direkt in die zugeordneten Spritzlöcher münden. Durch den Fortfall der Ringnut kann die Lage der Verbindungslöcher mit ihren zugeordneten Spritzlöchern und die Lage der übrigen Spritzlöcher in den Einspritzlochreihen frei gewählt werden.

Die Strömungsverhältnisse zwischen den Verbindungslöchern und den zugeordneten Spritzlöchern werden dadurch optimiert, dass zumindest eines von den gegenüberliegenden Enden der Verbindungslöcher und der zugeordneten Spritzlöcher eine Ausnehmung aufweist.

Die durch die Verdrehsicherung der Hohlnadel gewonnene Freiheit in der Anordnung der Spritzlöcher bietet die Möglichkeit, sämtliche Spritzlöcher in einer Spritzlochreihe mit nur einem Lochkreisdurchmesser anzuordnen. Auf diese Weise ist eine Registerdüse mit zwei Durchflussbeiwerten in nur einer Spritzlochreihe ermöglicht, die gute Voraussetzungen für eine optimale Verbrennungsabstimmung bietet.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt sind.
Dabei zeigen:
1 einen geschnittenen Vorderteil einer Registerdüse mit einer ersten Spritzlochreihe mit Spritzdüsen für die Vor- und Haupteinspritzung und mit einer zweiten Spritzlochreihe mit Spritzdüsen nur für die Haupteinspritzung;
2 eine Registerdüse wie 1, jedoch mit vertauschter Anordnung der Spritzlöcher in den Spritzlochreihen;
3 eine Registerdüse wie 1, jedoch mit verdrehfester Hohlnadel und Anordnung sämtlicher Spritzlöcher in nur einer Spritzlochreihe.
In 1 ist das Vorderteil einer erfindungsgemäßen Registerdüse im Schnitt dargestellt. Die Registerdüse ist Teil eines nicht gezeigten Injektors, der zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum eines Dieselmotors dient. Sie weist einen Düsenkörper 1 mit einem Düsenkörperboden 2 auf, dessen Innenseite konisch ausgebildet ist und in dem Spritzlöcher 3, 3' angeordnet sind.
Die Innenseite des Düsenkörperbodens 2 dient als Hohlnadelsitz 11 für eine Hohlnadel 4, die koaxial im Düsenkörper 1 angeordnet ist. Der Hohlnadelsitz 11 ist als doppelter Ringsitz ausgeführt, wobei ein erster Ringsitz 15 oberhalb einer ersten Spritzlochreihe 12 von Spritzlöchern 3 und ein zweiter Ringsitz 16 unterhalb der ersten Spritzlochreihe 12 angeordnet ist. Durch den ersten Ringsitz 15 ist ein äusserer Ringraum 14 abgedichtet, der zwischen dem Düsenkörper 1 und der Hohlnadel 4 ausgebildet ist. Der äussere Ringraum 14 ist mit einer Kraftstoffleitung verbunden. Der zweite Ringsitz 16 dichtet die erste Spritzlochreihe 12 gegen eine zweite Spritzlochreihe 10 ab. Die Hohlnadel 4 besitzt einen geschlossenen Hohlnadelboden 5, dessen Außenseite der Innenseite des Düsenkörperbodens 2 entspricht.
Koaxial zur Hohlnadel 4 ist eine Innennadel 8 vorgesehen, für die ein ringförmiger Innennadelsitz 9 auf der Innenseite des Hohlnadelbodens 5 angeordnet ist. Der Innennadelsitz 9 ist zwischen einem inneren Ringraum 13 und Verbindungslöchern 6 angeordnet. Der innere Ringraum 13 ist an eine Kraftstoffleitung angeschlossen.
Im Hohlnadelboden 5 befinden sich die Verbindungslöcher 6, die vom Innennadelsitz 9 ausgehen und zu einer Ringnut 7 füh ren, die die Verbindungslöcher 6 sowie diesen zugeordnete Spritzlöcher 3' der ersten Spritzlochreihe 12 verbinden.
Die Verbindungslöcher 6 werden von der Innennadel 8 beherrscht, die von einem nicht dargestellten Aktor anhebbar und durch Federkraft schließbar ist. Die Hohlnadel 4 wird von der Innennadel nach Durchlaufen von deren Vorspritzhub angehoben und ebenfalls durch Federkraft wieder geschlossen.
Die Hohlnadel 4 beherrscht die zugeordneten Spritzlöcher 3' und die in einer zweiten Spritzlochreihe 10 angeordneten Spritzlöcher 3.
Wird die drehbare Hohlnadel 4 als eine gegenüber dem Düsenkörper 1 drehfixierte Hohlnadel 4' ausgeführt, kann die Ringnut 7 durch eine Ausnehmung 7' ersetzt werden. Diese sorgt für einen guten Strömungsverlauf zwischen dem jeweiligen Verbindungsloch 6 und dem zugeordneten Spritzloch 3'. Auf diese Weise können zugeordnete Spritzlöcher 3' und die übrigen Spritzlöcher 3 in einer Spritzlochreihe untergebracht werden.
Die 2 unterscheidet sich von der 1 lediglich dadurch, dass die Verbindungslöcher 6' mit ihren zugeordneten Spritzlöchern 3' in der zweiten Spritzlochreihe 10 und die übrigen Spritzlöcher 3 in der ersten Spritzlochreihe 12 angeordnet sind. Auch hier kann die Ringnut 7 in Verbindung mit der drehbaren Hohlnadel 4 oder die Ausnehmung 7' in Verbindung mit der drehfixierten Hohlnadel 4' zur Anwendung kommen.
Die Anordnung von 2 bietet den Vorteil des großen Spritzlochdurchmessers der ersten Spritzlochreihe 12 für die zahlenmäßig dominierenden restlichen Spritzlöcher 3, dazu eine gute Kraftstoffversorgung der zugeordneten Spritzlöcher 3' in der zweiten Spritzlochreihe 10 und ein verkleinertes Totvolumen der Ringnut 7.
3 unterscheidet sich von den 1 und 2 dadurch, dass sämtliche Spritzlöcher 3, 3' und die Verbindungslöcher 6 in der ersten Spritzlochreihe 12 angeordnet sind. Diese Lösung setzt eine drehfixierte Hohlnadel 4' voraus. Auf diese Weise wird eine Registerdüse mit zwei unterschiedlichen Durchflussbeiwerten in nur einer Spritzlochreihe verwirklicht.
Die erfindungsgemäße Lösung funktioniert wie folgt: Die Voreinspritzung wird durch das Anheben der Innennadel 8 ausgelöst. Dadurch gelangt Kraftstoff aus dem inneren Ringraum 13 zwischen der Hohlnadel 4, 4' und der Innennadel 8 durch die Verbindungslöcher 6, 6' und deren zugeordneten Spritzlöcher 3, 3' in den Brennraum des Dieselmotors. Aufgrund des geringen Durchflussbeiwertes der wenigen (im Grenzfall einen) zugeordneten Spritzlöcher 3' und der kurzen Öffnungsdauer der Innennadel 8, wird die geringe Voreinspritzmenge bei relativ großem Nadelhub eingespritzt und so Kavitation vermieden.
Nach Abschluss der Voreinspritzung wird der Nadelhub der Innennadel 8 wieder auf Null gesetzt. Beim zweiten Anheben der Innennadel 8 wird deren Nadelhub über den Voreinspritzhub hinaus vergrößert. Dabei wird die Hohlnadel 4, 4' mitgenommen, wodurch der Kraftstoff auch aus dem äußeren Ringraum 14 zwischen dem Düsenkörper 1 und der Hohlnadel 4, 4' zu den zugeordneten Spritzlöchern 3' und den übrigen Spritzlöchern 3 strömt und somit die Haupteinspritzmenge in den Brennraum gelangt.
In einer weiteren Ausführungsform wird bei der Haupteinspritzung zuerst die Hohlnadel 4, 4' angehoben. Die Hohlnadel 4, 4' nimmt dabei die Innennadel 8 mit. Dabei liegt die Innennadel 8 dichted an der Hohlnadel 4, 4' an, so dass der Kraftstoff nur über den äußeren Ringraum 14 und die erste und zweite Spritzlochreihe 12, 10 abgegeben wird.
Nach Abschluss der Haupteinspritzung schließen beide Ventilnadeln durch Federkraft. Ein Nachöffnen der Ventilnadeln für eine eventuelle Nachspritzung verläuft in gleicher Weise.
Die durch den breiten Hohlnadelboden 5 erreichte geringe Belastung des Hohlnadelsitzes 11 sichert dessen Langlebigkeit.

Claims

Registerdüse mit Spritzlöchern (3, 3') für eine Vor- und/oder Haupteinspritzung von Kraftstoff in den Brennraum eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors, mit einem Düsenkörper (1), der einen Düsenkörperboden (2) für die Spritzlöcher (3, 3') aufweist, wobei die Haupteinspritzung durch eine im Düsenkörper (2) koaxial angeordnete Hohlnadel (4) und die Voreinspritzung durch eine in der Hohlnadel (4) koaxial angeordnete Innennadel (8) steuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlnadel (4) an ihrem spritzlochnahen Ende einen dem Düsenkörperboden (2) angepassten, geschlossenen Hohlnadelboden (5) aufweist, der alle Spritzlöcher (3, 3') beherrscht und dass sich auf der Innenseite des Hohlnadelbodens (5) ein Innennadelsitz (9) für die Innennadel (8) befindet, die mindestens ein im Hohlnadelboden (5) vorgesehenes Verbindungsloch (6, 6') beherrscht, das mit einem zugeordneten Spritzloch (3') in Strömungsverbindung steht.
Registerdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlnadel (4) von der Innennadel (8) nach Durchlaufen von deren Vorspritzhub anhebbar ist.
Registerdüse nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innennadel (8) und die Hohlnadel (4) durch Federkraft schließbar sind.
Registerdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungslöcher (6, 6') in eine Ringnut (7) münden, die vorzugsweise an der Außenseite des Hohlnadelbodens (5) angeordnet ist und die die Verbindungslöcher (6, 6') sowie die zugeordneten Spritzlöcher (3') miteinander verbindet.
Registerdüse nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verbindungslöcher (6) und die zugeordneten Spritzlöcher (3') in einer ersten Spritzlochreihe (12) und die übrigen Spritzlöcher (3) in einer zweiten Spritzlochreihe (10) angeordnet sind.
Registerdüse nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verbindungslöcher (6') und die zugeordneten Spritzlöcher (3') in der zweiten Spritzlochreihe (10) und die übrigen Spritzlöcher (3) in der ersten Spritzlochreihe (12) angeordnet sind.
Registerdüse nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlnadel (4) in dem Düsenkörper (1) verdrehfest geführt ist und die Verbindungslöcher (6, 6') direkt in die zugeordneten Spritzlöcher (3') münden.
Registerdüse nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines von den gegenüberliegenden Enden der Verbindungslöcher (6, 6') und der zugeordneten Spritzlöcher (3') eine Ausnehmung (7') aufweist.
Registerdüse nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Spritzlöcher (3, 3') und sämtliche Verbindungslöcher (6) in der ersten Spritzlochreihe (12) angeordnet sind.
Registerdüse nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einem Spritzloch (3) ein verbindungslochfreier Bereich der Hohlnadel (4) zugeordnet ist.