DE3737896A1 - Fuel injection nozzle, in particular for internal combustion engines with direct injection - Google Patents

Fuel injection nozzle, in particular for internal combustion engines with direct injection

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Abstract

Fuel injection nozzle, in particular for internal combustion engines with direct injection. In order to achieve a high atomisation quality of the injected fuel, measures for causing the valve needle to vibrate in the open position are known, the vibration frequency being restricted because of the relatively large mass of the valve needle. The intention of the new arrangement is to achieve higher vibration frequencies and also to improve the distribution of the injected fuel in the combustion chamber. In order to reduce the mass of the vibrating component and to obtain two differently oriented outlet gaps for the fuel, a valve bushing (26) is provided with a valve flange (34) which engages between a conical nipple (28) on the valve needle (12) and a valve seat (30), fixed to the housing, on the nozzle body (10) and its two annular faces (52, 38) which are acted on the by fuel and bound the two outlet gaps (40, 42) are of different sizes. Area of application: diesel internal combustion engines with direct fuel injection. <IMAGE>

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einer Kraftstoff-Einspritzdüse nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei einer bekannten Einspritzdüse dieser Gattung (DE 30 05 857 A1) wird ein Schnarren der Ventilnadel in der Offenstellung dadurch hervorgerufen, daß im Verlauf einer den Kraft­ stoff führenden Innenbohrung im Düsenhalter ein im Querschnitt ver­ engter Bohrungsabschnitt vorgesehen ist, welcher die Innenbohrung in zwei schwingungsmäßig voneinander abgekoppelte Volumenabschnitte teilt. Bei entsprechender Abstimmung können insbesondere im Leerlauf Überschwingungen der Ventilnadel und dadurch verursachte Unterbre­ chungen des Einspritzvorgangs sowie gegebenenfalls auch Vor- und Nachspritzer vermieden werden. Jedoch läßt sich, trotz einer merkli­ chen Verbesserung der Zerstäubungsgüte des Kraftstoffs, dessen räumliche Aufteilung im Brennraum der Maschine nicht oder nur in en­ gen Grenzen in einem gewünschten Sinn verändern.The invention relates to a fuel injector according to the Genus of the main claim. In a known injector this Genus (DE 30 05 857 A1) is a buzzing of the valve needle in the Open position caused by the fact that in the course of a cross-section of the inner bore in the nozzle holder narrow bore section is provided, which the inner bore in two volume sections decoupled in terms of vibrations Splits. With appropriate coordination, especially when idling Overshoots of the valve needle and the resulting undersize Injection processes as well as, if necessary, preliminary and Spattering can be avoided. However, despite a remarkable Chen improve the atomization quality of the fuel, the spatial division in the combustion chamber of the machine not or only in en change boundaries in a desired sense.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die erfindungsgemäße Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß der eingespritzte Kraftstoff besser als bisher im Brennraum räumlich verteilt werden kann und daß wegen der geringen Masse der Ventilbuchse eine hohe Schnarrfrequenz erzielt werden kann, die eine feine Zerstäubung des eingespritzten Kraftstoffs begünstigt. Ferner werden Unterbrechungen des Einspritzvorgangs über den gesamten Betriebsbereich der Maschine hinweg vermieden, weil zwei Austrittsspalte vorgesehen sind, von denen der eine mit Sicherheit schon geöffnet ist, bevor der andere schließt.The arrangement according to the invention with the characterizing features of The main claim has the advantage that the injected Fuel can be better distributed in the combustion chamber than before can and that because of the low mass of the valve bushing a high Muzzle frequency can be achieved, which is a fine atomization of the injected fuel favored. There will also be interruptions of the injection process over the entire operating range of the machine avoided because two exit gaps are provided, from to which one is certainly open before the other closes.

Durch die in den Unteransprüchen enthaltenen Merkmale sind vorteil­ hafte Weiterbildungen der Anordnung nach dem Hauptanspruch in bezug auf deren Konstruktion und deren Funktion möglich.The features contained in the subclaims are advantageous liable further developments of the arrangement according to the main claim on their construction and their function possible.

Zeichnungdrawing

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Die Fig. 1 bis 3 zeigen stark vergrößert den brennraumseitigen Endabschnitt einer Einspritzdüse für Direkteinspritzung in drei aufeinanderfol­ genden Betriebsstellungen der Ventilnadel und der Ventilbuchse.An embodiment of the invention is shown in the drawing and Darge explained in the following description. Figs. 1 to 3 show greatly increases the combustion chamber side end portion of a fuel injector for direct injection into three aufeinanderfol constricting operating positions of the valve needle and the valve sleeve.

Beschreibung des AusführungsbeispielesDescription of the embodiment

Die Einspritzdüse hat einen Düsenkörper 10, in welchem eine Ventil­ nadel 12 verschiebbar gelagert ist. Der Düsenkörper 10 ist durch ei­ ne Überwurfmutter 14 an einem Düsenhalter 16 festgespannt, der ei­ ne Kammer 18 zum Aufnehmen einer Schließfeder 20 enthält, in welche die zur Einspritzdüse führende Kraftstoff-Zuleitung einmündet. Die Kammer 18 ist über eine oder mehrere Querbohrungen 22 im Düsenkör­ per 10 mit einem erweiterten Bohrungsabschnitt 24 a einer zentralen Bohrung 24 mit Düsenkörper 10 verbunden, an den sich oben ein Füh­ rungsabschnitt 24 b für die Ventilnadel 12 und unten ein Führungsab­ schnitt 24 c für eine nachstehend noch näher beschriebene Ventilbuch­ se 26 anschließen. Die Schließfeder 20 wirkt wie üblich über eine nicht sichtbare Stützscheibe im Schließsinn (Pfeil A) auf die Ven­ tilnadel 12 ein, welche im Bereich der Kammer 18 mit einer Druck­ schulter versehen ist, an welcher der Kraftstoff im Öffnungssinn an der Ventilnadel 12 angreift.The injection nozzle has a nozzle body 10 , in which a valve needle 12 is slidably mounted. The nozzle body 10 is clamped by a cap nut 14 to a nozzle holder 16 , which contains a chamber 18 for receiving a closing spring 20 , into which the fuel feed line leading to the injection nozzle opens. The chamber 18 is connected via one or more cross bores 22 in the nozzle body by 10 with an enlarged bore section 24 a of a central bore 24 with nozzle body 10 , to which a guide portion 24 b for the valve needle 12 and a guide section 24 c below cut for a guide portion Connect a valve bushing SE 26, which is described in more detail below. The closing spring 20 acts as usual via an invisible support disc in the closing direction (arrow A ) on the Ven tilnadel 12 , which is provided in the region of the chamber 18 with a pressure shoulder on which the fuel engages in the opening direction on the valve needle 12 .

Die Ventilnadel 12 ist am brennraumseitigen Ende mit einem Dichtke­ gel 28 versehen, während am Düsenkörper 10 ein als Ringkante ausge­ bildeter gehäusefester Ventilsitz 30 vorgesehen ist, der über eine konische Stirnfläche 32 in den Führungsabschnitt 24 c der zentralen Bohrung 24 des Düsenkörpers 10 übergeht. Die Ventilbuchse 26 ist mit einem kegeligen Ventilflansch 34 versehen, der zwischen den Ventil­ sitz 30 und den Dichtkegel 28 greift und seinerseits einen als Ring­ kante ausgeführten Ventilsitz 36 für den Dichtkegel 28 und einen mit dem gehäusefesten Ventilsitz 30 zusammenarbeitenden Dichtkegel 38 bildet. Zwischen dem Ventilflansch 34 und dem Dichtkegel 28 ist ein erster Austrittsspalt 40 und zwischen dem Ventilflansch 34 und der Stirnfläche 32 des Düsenkörpers 10 ein zweiter Austrittsspalt 42 für den Kraftstoff gebildet. Beide Austrittsspalte 40, 42 haben ein keilförmiges, sich zum Ventilsitz 36 beziehungsweise 30 hin verjün­ gendes Querschnittsprofil und sind entsprechend den Kegelwinkeln der Teile zum Brennraum hin geneigt.The valve needle 12 is provided at the end on the combustion chamber side with a sealing gel 28 , while on the nozzle body 10 a housing ring-shaped valve seat 30 is provided which passes over a conical end face 32 into the guide section 24 c of the central bore 24 of the nozzle body 10 . The valve bushing 26 is provided with a conical valve flange 34 which engages between the valve seat 30 and the sealing cone 28 and in turn forms a valve seat 36 designed as an annular edge for the sealing cone 28 and a sealing cone 38 which cooperates with the valve seat 30 which is fixed to the housing. A first outlet gap 40 is formed between the valve flange 34 and the sealing cone 28 and a second outlet gap 42 for the fuel is formed between the valve flange 34 and the end face 32 of the nozzle body 10 . Both outlet gaps 40 , 42 have a wedge-shaped cross-sectional profile tapering towards the valve seat 36 or 30 and are inclined towards the combustion chamber in accordance with the cone angles of the parts.

Die beiden Austrittsspalte 40, 42 sind über Querbohrungen 44 in der Ventilbuchse 26 ständig miteinander verbunden, die vorzugsweise in einer Ringnut im Mantelumfang der Ventilbuchse 26 ausmünden. Die Ventilnadel 12 ist im Bereich der Ventilbuchse 26 mit einem Ringbund 46 versehen, mit welchem das brennraumseitige Ende der Ven­ tilnadel 12 in der Ventilbuchse 26 und über diese im Düsenkörper 10 geführt ist. Im Mantelumfang des Ringbundes 46 sind Drallnuten 48 eingearbeitet, über welche der Kraftstoff in einen Ringraum 50 zwi­ schen Ringbund 46 und Dichtkegel 28 und von dort in den Austritts­ spalt 40 sowie über die Querbohrungen 44 in den Austrittsspalt 42 gelangt. Der Ventilsitz 36 am Ventilflansch 34 hat einen größeren Durchmesser als der Ventilsitz 30 am Düsenkörper 10, so daß die den Ringspalt 40 begrenzende untere Kegelfläche 52 des Ventilflan­ sches 34 größer als die druckwirksame Fläche an dessen oberem Dicht­ kegel 38 ist.The two outlet gaps 40 , 42 are continuously connected to one another via transverse bores 44 in the valve bushing 26 , which preferably open out in an annular groove in the circumference of the valve bushing 26 . The valve needle 12 is provided in the region of the valve sleeve 26 with an annular collar 46 , with which the combustion chamber end of the Ven tilnadel 12 in the valve sleeve 26 and via this in the nozzle body 10 is guided. In the circumference of the ring collar 46 swirl grooves 48 are incorporated, via which the fuel in an annular space 50 between ring collar 46 and sealing cone 28 and from there into the outlet gap 40 and via the transverse bores 44 into the outlet gap 42 . The valve seat 36 on the valve flange 34 has a larger diameter than the valve seat 30 on the nozzle body 10 , so that the annular cone 40 delimiting the lower conical surface 52 of the valve flange 34 is larger than the pressure-effective surface at its upper sealing cone 38 .

Die beschriebene Einspritzdüse arbeitet wie folgtThe injector described works as follows

In den Einspritzpausen drückt die Schließfeder 20 die Ventilnadel 12 an den Ventilflansch 34 und diesen an den gehäusefesten Dichtsitz 30 an, wobei beide Austrittsspalte 40, 42 geschlossen sind und die Teile die in Fig. 1 gezeigte Lage einnehmen. Bei Druckbeaufschla­ gung bewegt sich die Ventilnadel 12 nach unten, wobei zunächst die Ventilbuchse 26 am Ventilsitz 30 angelegt bleibt, weil die auf die Kegelfläche 52 des Ventilflansches 34 einwirkende hydraulische Kraft die auf dessen Dichtkegel 38 einwirkende Gegenkraft zunächst über­ steigt. Durch das Zurückbleiben der Ventilbuchse 26 öffnet sich der Austrittsspalt 40, durch den der Kraftstoff in einer vorgegebenen ersten Konfiguration in den Brennraum der Maschine gelangt. Diese Stellung der Teile ist in Fig. 2 der Zeichnung dargestellt.In the injection pauses, the closing spring 20 presses the valve needle 12 against the valve flange 34 and this against the sealing seat 30 fixed to the housing, both outlet gaps 40 , 42 being closed and the parts assuming the position shown in FIG. 1. When Druckbeaufschla supply, the valve needle 12 moves down, initially the valve bushing 26 remains on the valve seat 30 because the hydraulic force acting on the conical surface 52 of the valve flange 34 increases the opposing force acting on its sealing cone 38 initially over. As a result of the valve bushing 26 remaining behind, the outlet gap 40 opens, through which the fuel in a predetermined first configuration enters the combustion chamber of the engine. This position of the parts is shown in Fig. 2 of the drawing.

Beim Öffnen des Arbeitsspaltes 40 wandert dessen engster Strömungs­ querschnitt hubabhängig radial nach innen, wo sich mit eintretender Kraftstoffströmung der Kraftstoffdruck in erster Linie abbaut. Die Folge davon ist, daß die auf die Kegelfläche 52 einwirkende hydrau­ lische Gesamtkraft abnimmt und bis unter den Wert der vom vollen Kraftstoffdruck im geschlossenen Austrittsspalt 42 auf den Dichtkegel 38 ausgeübten Gegenkraft absinkt, so daß sich die Ventil­ buchse 26 nach unten bewegt und unter Schließen des Austrittsspal­ tes 40 den Austrittsspalt 42 öffnet. Diese Stellung der Teile ist in Fig. 3 der Zeichnung dargestellt, in welcher der Kraftstoff über den Austrittsspalt 42 in einer zweiten Konfiguration in den Brenn­ raum der Maschine gelangt.When the working gap 40 is opened , its narrowest flow cross-section moves radially inwards, depending on the stroke, where the fuel pressure decreases primarily as the fuel flow occurs. The result of this is that the total force acting on the conical surface 52 reduces hy metallic force and drops to below the value of the counterforce exerted by the full fuel pressure in the closed outlet gap 42 on the sealing cone 38 , so that the valve bushing 26 moves down and closes of the exit gap 40 opens the exit gap 42 . This position of the parts is shown in Fig. 3 of the drawing, in which the fuel passes through the outlet gap 42 in a second configuration in the combustion chamber of the engine.

In der Kraftstoffströmung im Austrittsspalt 42 baut sich der stati­ sche Kraftstoffdruck ebenfalls ab, so daß alsbald der im geschlosse­ nen beziehungsweise sich schließenden Austrittspalt 40 sich wieder aufbauende Kraftstoffdruck die Ventilbuchse 26 nach oben in die Stellung nach Fig. 2 verschiebt. Aufgrund der sich ändernden Kräf­ teverhältnisse wiederholen sich die beschriebenen Vorgänge jetzt pe­ riodisch, bis am Ende eines Einspritzvorganges die Schließfeder 20 entgegen dem absinkenden Kraftstoffdruck die Teile wieder in die in Fig. 1 dargestellte Lage führt. Wegen der geringen Masse der Ven­ tilbuchse 26 kann eine hohe Schnarrfrequenz erzielt werden, die ein feines Zerstäuben des Kraftstoffs begünstigt.In the fuel flow in the outlet gap 42, the stati specific fuel pressure also reduces, so that immediately the nen in geschlosse or the closing exit slit 40, reconstructive fuel pressure shifts the valve sleeve 26 upwards to the position according to FIG. 2. Due to the changing force relationships, the processes described are now repeated periodically until, at the end of an injection process, the closing spring 20 leads the parts back into the position shown in FIG. 1 against the falling fuel pressure. Because of the low mass of the Ven tilbuchse 26 , a high buzzing frequency can be achieved, which favors a fine atomization of the fuel.

Weil auf die Ventilnadel 12 ebenfalls die Wechselkräfte des Kraft­ stoffs wirken, ergibt sich ein zusätzlicher Schnarreffekt mit masse­ bedingt geringerer Frequenz. Infolge der unterschiedlichen Konfigu­ rationen beziehungsweise Spritzrichtungen wird auch die räumliche Verteilung des eingespritzten Kraftstoffs im Brennraum der Maschine erheblich verbessert.Because the alternating forces of the fuel also act on the valve needle 12 , there is an additional snoring effect with a mass-related lower frequency. As a result of the different configurations or spray directions, the spatial distribution of the injected fuel in the combustion chamber of the engine is also considerably improved.

Claims (6)

1. Kraftstoff-Einspritzdüse, insbesondere für Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung, mit einem Düsenkörper und einer nach außen öffnenden Ventilnadel, die innerhalb einer auch der Kraft­ stoffzuführung dienenden zentralen Bohrung im Düsenkörper gela­ gert und mit einem der Kraftstoffströmung entgegengerichteten Dichtkegel versehen ist, welchem ein die brennraumseitige Mün­ dung der zentralen Bohrung umgebender Ventilsitz am Düsenkörper zugeordnet ist, und ferner mit Mitteln zum Hervorrufen eines Schnarrens der Ventilnadel in Offenstellung zum Zweck einer bes­ seren Zerstäubung des Kraftstoffs, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
  • a) innerhalb der zentralen Bohrung (24) des Düsenkörpers (10) ist eine die Ventilnadel (12) umgebende Ventilbuchse (26) verschiebbar gelagert,
  • b) die Ventilbuchse (26) ist brennraumseitig mit einem Ventil­ flansch (34) versehen, der zwischen den Dichtkegel (28) der Ventilnadel (12) und den Ventilsitz (30) am Düsenkör­ per (10) greift,
  • c) der Ventilflansch (34) bildet einen Ventilsitz (36) für die Ventilnadel (12), deren Dichtkegel (28) mit dem Ventil­ flansch (34) einen ersten Austrittsspalt (40) für den Kraft­ stoff begrenzt,
  • d) der Ventilflansch (34) hat eine vorzugsweise ebenfalls kege­ lige Dichtfläche (38) für den Ventilsitz (30) am Düsenkör­ per (10), der mit dem Ventilflansch (34) einen zweiten Aus­ trittsspalt (42) für den Kraftstoff begrenzt,
  • e) die beiden Austrittsspalte (40, 42) sind ständig mit der Kraftstoffzufuhr, vorzugsweise mit einem kraftstoffgefüll­ ten Ringraum zwischen der Ventilnadel (12) und der Wand ei­ nes im Durchmesser vergrößerten Abschnittes (24 a) der zen­ tralen Bohrung (24) im Düsenkörper (10) verbunden,
  • f) die die beiden Austrittsspalte (40, 42) begrenzenden, ver­ schiebewirksamen Flächen (52, 38) am Ventilflansch (34) sind derart unterschiedlich groß bemessen, daß die vom Kraftstoff auf die kleinere Fläche (38) ausgeübte Verschiebekraft die auf die größere Fläche (52) ausgeübte Gegenkraft überwiegt, wenn der von der größeren Fläche (52) begrenzte Austritts­ spalt (40) geöffnet und ein Druckabfall in der Spaltströmung eingetreten ist.
1. Fuel injection nozzle, in particular for internal combustion engines with direct injection, with a nozzle body and an outwardly opening valve needle, which is mounted within a fuel supply serving central bore in the nozzle body and is provided with a fuel cone opposite sealing cone, which is a the combustion chamber side Mün tion of the central bore surrounding the valve seat on the nozzle body is assigned, and further with means for causing a buzzing of the valve needle in the open position for the purpose of a better atomization of the fuel, characterized by the following features:
  • a) inside the central bore ( 24 ) of the nozzle body ( 10 ), a valve bushing ( 26 ) surrounding the valve needle ( 12 ) is slidably mounted,
  • b) the valve bushing ( 26 ) is provided on the combustion chamber side with a valve flange ( 34 ) which engages between the sealing cone ( 28 ) of the valve needle ( 12 ) and the valve seat ( 30 ) on the nozzle body ( 10 ),
  • c) the valve flange ( 34 ) forms a valve seat ( 36 ) for the valve needle ( 12 ) whose sealing cone ( 28 ) with the valve flange ( 34 ) delimits a first outlet gap ( 40 ) for the fuel,
  • d) the valve flange ( 34 ) has a preferably also conical sealing surface ( 38 ) for the valve seat ( 30 ) on the nozzle body by ( 10 ) which with the valve flange ( 34 ) delimits a second exit gap ( 42 ) for the fuel,
  • e) the two outlet gaps ( 40 , 42 ) are constantly with the fuel supply, preferably with a fuel-filled th annular space between the valve needle ( 12 ) and the wall egg nes enlarged section ( 24 a ) of the central bore ( 24 ) in the nozzle body ( 10 ) connected,
  • f) the two outlet gaps ( 40 , 42 ) delimiting, ver sliding surfaces ( 52 , 38 ) on the valve flange ( 34 ) are of different sizes such that the displacement force exerted by the fuel on the smaller surface ( 38 ) is greater than that on the larger surface ( 52 ) prevailing counterforce predominates when the outlet gap ( 40 ) delimited by the larger area ( 52 ) opens and a pressure drop in the gap flow has occurred.
2. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ventilsitze (30, 36) am Düsenkörper (10) und dem Ventil­ flansch (34) als Ringkanten ausgebildet sind, und daß jeder der beiden Austrittspalte (40, 42) ein sich zum Ventilsitz (36 bzw. 30) hin verjüngendes keilförmiges Querschnittsprofil hat. 2. Injection nozzle according to claim 1, characterized in that the two valve seats ( 30 , 36 ) on the nozzle body ( 10 ) and the valve flange ( 34 ) are designed as ring edges, and that each of the two outlet gaps ( 40 , 42 ) a to Valve seat ( 36 or 30 ) has a tapering wedge-shaped cross-sectional profile. 3. Einspritzdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (36) am Ventilflansch (34) einen größeren Durchmesser als der Ventilsitz (30) am Düsenkörper (10) hat.3. Injection nozzle according to claim 2, characterized in that the valve seat ( 36 ) on the valve flange ( 34 ) has a larger diameter than the valve seat ( 30 ) on the nozzle body ( 10 ). 4. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Austrittsspalte (40, 42) über vorzugs­ weise mehrere über den Umfang verteilte Querbohrungen (44) in der Ventilbuchse (26) miteinander verbunden sind.4. Injection nozzle according to one of claims 1 to 3, characterized in that the two outlet gaps ( 40 , 42 ) are preferably connected to one another via a plurality of circumferentially distributed transverse bores ( 44 ) in the valve bushing ( 26 ). 5. Einspritzdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilbuchse (26) in der zentralen Bohrung (24 c) des Düsenkör­ pers (10) und der brennraumseitige Endabschnitt der Ventilna­ del (12) in der Ventilbuchse (26) geführt ist.5. Injection nozzle according to claim 4, characterized in that the valve bushing ( 26 ) in the central bore ( 24 c ) of the Düsenkör pers ( 10 ) and the combustion chamber end portion of the Ventilna del ( 12 ) in the valve bushing ( 26 ) is guided. 6. Einspritzdüse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilnadel (12) mit einem Ringbund (46) in der Ventilbuch­ se (26) geführt ist, der an seinem Mantelumfang mit Drallnu­ ten (48) für den Durchtritt des Kraftstoffs versehen ist.6. Injection nozzle according to claim 5, characterized in that the valve needle ( 12 ) with an annular collar ( 46 ) in the valve bushing se ( 26 ) is guided, which is provided on its circumference with swirl grooves ( 48 ) for the passage of the fuel.
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