DE3818862A1 - Kraftstoffeinspritzduese - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftstoffeinspritzdüse mit steuerbarem Einspritzquerschnitt für luftverdichtende, vorzugsweise direkt einspritzende Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Einspritzdüsen mit variablem Einspritzquerschnitt können den Abspritzdruck und die Zerstäubung bei großer Mengen- und Dreh­ zahlspreizung deutlich verbessern. Während dieses Prinzip bei Zapfendüsen bereits große Verbreitung gefunden hat, gibt es bei den sogenannten Lochdüsen, die insbesondere für direkt­ einspritzende Dieselmotoren verwendet werden, bisher nur wenig Vorschläge, die zudem noch nicht zum Einsatz gekommen sind. Dies liegt möglicherweise daran, daß die bisher bekannten variablen Kraftstoffeinspritzdüsen der Lochdüsenbauart Nachteile aufweisen, die ihren Einsatz gerade bei PKW-Dieselmotoren verhin­ derten. So zeigen die bekannten Ausführungen (z.B. DE-OS 26 55 793 und 29 20 100) jeweils in Sacklöchern einmündende Spritzlöcher, die jedoch in verschiedener Hinsicht nachteilig sind. Zum einen ermöglichen solche Sacklöcher das nachträgliche Ausdampfen von Kraftstoff in den angeschlossenen Brennraum der Brennkraftmaschine, was zu einer nicht unbeträchtlichen Erhöhung der Abgasemissionen führt. Zum anderen besteht insbeson­ dere für diejenigen Sacklöcher, die der weiteren Reihe von Spritzlöchern zugeordnet sind und die somit zumindest bei kleinen Lasten der Brennkraftmaschine nicht ständig von Kraftstoff durch­ strömt sind, die Gefahr, daß sich dort Ablagerungen bilden, die schließlich zu einem Verstopfen der Spritzlöcher führen können. Dies umso mehr, als infolge des Nadelhubs der Düsennadel das Volumen dieser Sacklöcher ständig vergrößert und verkleinert wird, sich also ein Pumpeffekt ergibt, der für einen ständigen Zutritt von Verbrennungsgasen aus dem Brennraum sorgt.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, eine Kraftstoffeinspritzdüse der im Oberbegriff des Patentan­ spruchs angegebenen Art zu schaffen, die als Lochdüsenkonzeption auf solche ständig mit den Abspritzlöchern verbundene Sacklöcher verzichtet und somit die mit diesen verbundenen Nachteile vermeidet.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1. Erfindungsgemäß wird also wenigstens die weitere Reihe der Spritzlöcher unmittelbar in einen zwischen dem Düsenkörper und der Düsennadel gebildeten zylindrischen Dichtspalt gelegt, wobei die Freigabe dieser weiteren Reihe von Spritzlöchern dann direkt von einer an der Düsennadel ange­ ordneten umlaufenden Steuerkante bewirkt wird. Auf diese Weise wird es möglich, die zweite Spritzlochreihe erst oberhalb eines vorgegebenen Nadelhubs der Düsennadel zu öffnen, ohne dabei auf die Anordnung eines nachteiligen Sackloches angewiesen zu sein. Um bei einer derartigen Anordnung für eine ausreichende Zufuhr von unter Druck stehendem Kraftstoff zu sorgen, muß ein unterhalb der Steuerkante vorgesehener Druckraum mit der Kraftstoffdruckleitung verbunden sein, was zweckmäßigerweise durch in der Düsennadel angeordnete Verbindungsleitungen erfolgen kann.

Gemäß Weiterbildung der Erfindung kann auch die erste Reihe von Spritzlöchern im Bereich eines solchen zylindrischen Dicht­ spalts zwischen dem Düsenkörper und der Düsennadel angeordnet sein, wobei die Möglichkeit besteht, entweder zwei durch einen mit der Kraftstoffdruckleitung verbundenen Druckraum getrennte Dichtspalte oder aber einen gemeinsamen Dichtspalt vorzusehen, an dem dann die beiden Spritzlochreihen mit axialem Abstand übereinanderliegend angeordnet sein können. Eine andere Mög­ lichkeit besteht darin, die erste Reihe von Spritzlöchern im Bereich einer mit einer kegeligen Dichtfläche der Düsennadel zusammenwirkenden kegeligen Sitzfläche des Düsenkörpers anzu­ ordnen.

In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung in schematischer Darstellungsweise gezeigt, die im folgenden näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzdüse mit zwei an einer zylindrischen Dichtfläche über­ einanderliegenden Spritzlochreihen,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Kraftstoffeinspritz­ düse bei der die erste Spritzlochreihe in einem kegeligen Dichtflächenbereich und die zweite Spritzlochreihe in einem zylindrischen Dicht­ flächenbereich angeordnet ist und

Fig. 3 eine Ausführung einer erfindungsgemäßen Kraft­ stoffeinspritzeinrichtung ähnlich wie in der Fig. 2, wobei lediglich die Lage der ersten und der weiteren Reihe von Spritzlöchern ver­ tauscht ist.

In der Zeichnung sind jeweils gleiche oder vergleichbare Bau­ teile mit den gleichen, gegebenenfalls mit einem oder zwei Strichen markierten Bezugszeichen versehen worden. So ist in der Fig. 1 der Zeichnung mit 1 die Kraftstoffeinspritzdüse insgesamt bezeichnet, die im wesentlichen aus einem in einem hier nicht gezeigten Düsenhalter gehaltenen Düsenkörper 2 und einer darin axial verschiebbar geführten Düsennadel 3 besteht. In dem in der Zeichnung unteren, in einen hier nicht gezeigten Brennraum einer luftverdichtenden, direkt einspritzenden Brenn­ kraftmaschine einmündenden Teil des Düsenkörpers 2 sind zwei Reihen von Spritzlöchern 4 und 5 angebracht, durch die Kraftstoff in den angeschlossenen Brennraum der Brennkraftmaschine einge­ spritzt werden kann. Während dabei der Kraftstoff durch die in der Fig. 1 untere, erste Reihe von Spritzlöchern 4 ständig, das heißt auch bei niedrigen Lasten der Brennkraftmaschine und im Leerlauf eingespritzt wird, wird die obere Reihe von Spritzlöchern 5 nur während größerer Lasten und Drehzahlen der Brennkraftmaschine zur Abspritzung von Kraftstoff mitheran­ gezogen.

Die beiden Reihen von Spritzlöchern 4 und 5 werden dazu von einer Steuerkante 9 der Düsennadel 3 freigegeben, die hier durch die in der Zeichnung untere Stirnfläche der Düsennadel 3 gebildet ist. Dabei verbindet diese Steuerkante 9 die beiden Reihen von Spritzlöchern 4 und 5 in Abhängigkeit von dem jewei­ ligen, lastabhängig sich ausbildenden Nadelhub der Düsennadel 3 mit einem sich unterhalb der Steuerkante 9 bildenden Druckraum 10, der über eine in der Düsennadel 3 vorgesehene Längsbohrung 11 sowie eine Querbohrung 12 mit einem Ringraum 13 verbunden ist, der seinerseits an eine Zulaufbohrung 14 angeschlossen ist, über die unter Druck stehender Kraftstoff von einer hier nicht näher gezeigten Kraftstoffpumpe zugeführt wird. Der über diese Zulaufbohrung 14 zugeführte Kraftstoffdruck ist abhängig von der jeweiligen Belastung der Brennkraftmaschine. Da dieser lastabhängige Kraftstoffdruck die Düsennadel 3 entgegen der Wirkung von hier nicht gezeigten Schließfedern in Öffnungs­ richtung beaufschlagt, ergibt sich somit ein lastabhängiger Hub der Düsennadel. Durch entsprechende Ausbildung und Bemessung der Schließfedern bzw. durch Anordnung einer an sich bekannten variablen Nadelhubbegrenzung sowie durch entsprechend angepaßte Anordnung der beiden Reihen von Spritzlöchern 4 und 5 ergibt sich dann die Möglichkeit, die in der Zeichnung obere, weitere Reihe von Spritzlöchern 5 nur nach Überschreitung einer vorge­ gebenen Belastung der Brennkraftmaschine zur Abspritzung des Kraftstoffes freizugeben.

Die beiden Reihen von Spritzlöchern 4 und 5 münden bei der in der Zeichnung gezeigten Ausführung mit axialem Abstand von­ einander in einen zylindrischen Dichtspalt 6, der zwischen den mit einer entsprechenden Dichtpassung versehenen Durchmes­ sern der Bohrung 7 des Düsenkörpers 2 sowie des Schaftes 8 der Düsennadel 3 gebildet ist. Diese Dichtpassung ist so ge­ wählt, daß in dem in der Zeichnung gezeigten Schließzustand kein Kraftstoff zu den Spritzlöchern 4, 5 gelangt, also weder von dem Druckraum 10 noch von dem Ringraum 13 her. Selbst­ verständlich könnte auch vorgesehen sein, daß die beiden Reihen von Spritzlöchern 4 und 5 im Bereich zweier voneinander axial getrennter Dichtspalte angeordnet sind, wobei dann zwischen diesen beiden Dichtspalten ein weiterer, beispielsweise in Form einer Ringnut der Düsennadel 3 gebildeter Druckraum vorge­ sehen sein muß, der durch eine Querbohrung mit der Längsbohrung 11 zur Zufuhr von unter Druck stehendem Kraftstoff zu verbinden ist.

Wie aus der Fig. 1 der Zeichnung weiter hervorgeht, liegt die Düsennadel 3 in dem in der Zeichnung gezeigten Schließzustand mit einer Schulter 16 auf einem als Nadelsitz dienenden ring­ förmigen Anschlag 15 auf, der im Gegensatz zu den bisher üblichen Ausbildungen nicht in dem durch Kerbwirkung der Spritzlöcher und höhere Temperaturen geschwächten Kuppenbereich des Düsen­ körpers, sondern in dem oberhalb des Ringraums 13 liegenden weniger empfindlichen Bereich des Düsenkörpers angeordnet ist.

Die Hubsteuerung der Düsennadel 3 kann über Düsenhalter mit variabler Nadelhubbegrenzung, über eine stark progressive Schließfeder oder aber über zwei bei unterschiedlichen Nadelhüben zur Wirkung kommende Schließfedern mit deutlichem Kraftsprung erfolgen. Bei den beiden letzteren Varianten steigt der Nadelhub nur bei großen Kraftstoffdrücken und -mengen entsprechend an. Bei Fertigungsproblemen im Zusammenhang mit den bei der Aus­ führung nach der Fig. 1 oberhalb und unterhalb des Ringraums 13 zwischen dem Düsenkörper 2 und der Düsennadel 3 vorgesehenen zylindrischen Passungen kann die Nadel auch zweiteilig mit einer Verbindungsstelle im Bereich des Ringraums 13 ausgeführt werden.

Die Ausführung der Kraftstoffeinspritzdüse nach der Fig. 2 unterscheidet sich von derjenigen nach der Fig. 1 im wesent­ lichen dadurch, daß die erste Reihe von Spritzlöchern 4′ hier nicht im Bereich des zylindrischen Dichtspaltes 6′, sondern im Bereich eines an der Nadelspitze der Düsennadel 3 vorgesehenen kegeligen Dichtspaltes einmündet. Dieser kegelige Dichtspalt wird zwischen einer kegeligen Sitzfläche 17 des Düsenkörpers 2′ und einer ebenfalls kegelförmigen Dichtfläche 18 der Düsennadel 3′ gebildet und entspricht insoweit der herkömmlichen Dicht­ konfiguration bei den bekannten Einspritzdüsen. Schon bei einem geringen, durch das Ansteigen des Kraftstoffdruckes bewirkten Hub der Düsennadel 3′ wird dabei die erste Reihe von Spritz­ löchern 4′ freigegeben, so daß der über die Querbohrung 12 und die Längsbohrung 11 in den Druckraum 10′ fließende Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann. Die Aufsteuerung der weiteren Reihe von Spritzlöchern 5′ erfolgt dagegen durch die am Übergang von dem zylindrischen Schaft 8′ der Düsennadel 3′ zu der kegelförmigen Dichtfläche 18 gebildete Steuerkante 9′. Diese Steuerkante 9′ gibt die in der Zeichnung obere Reihe der Spritzlöcher 5′ erst bei Über­ schreitung eines vorgegebenen, einer bestimmten Belastung der Brennkraftmaschine entsprechenden Nadelhubes frei, indem diese dann mit dem sich vergrößernden Druckraum 10′ unterhalb der kegeligen Dichtfläche 18 der Düsennadel 3′ verbunden werden. In diesem Fall wird der Nadelsitz wiederum durch die kegelige Sitzfläche 18 des Düsenkörpers gebildet.

Bei der Ausführung nach der Fig. 3 ist gegenüber der Ausfüh­ rung nach der Fig. 2 lediglich die Anordnung der Spritzloch­ reihen verändert. Hier befindet sich die erste Reihe von Spritz­ löchern 4′′, die als erste, nämlich schon bei Leerlauf und bei niedrigen Lasten der Brennkraftmaschine, von der Düsennadel 3′′ freigegeben wird, oberhalb der weiteren, erst später nach Überschreiten eines vorgegebenen Nadelhubes freigegebenen weiteren Reihe von Spritzlöchern 5′′. Wieder wie bei der Aus­ führung nach der Fig. 2 mündet dabei die erste Reihe von Spritz­ löchern 4′′ im Bereich eines mit einer kegelförmigen Dicht­ fläche 20 der Düsennadel 3′′ zusammenwirkenden kegeligen Dicht­ fläche 19 des Düsenkörpers 2′′, während die weitere Reihe von Spritzlöchern 5′′ im Bereich des zylindrischen Dichtspaltes 6′′ zwischen einer zylindrischen Bohrung 7′′ des Düsenkörpers 2′′ und einem entsprechend angepaßten Schaft 8′′ der Düsen­ nadel 3′′ einmündet. Die erste Reihe von Spritzlöchern 4′′ wird somit sofort bei Beginn des Hubs der Düsennadel 3′′ freigegeben und der einspritzende Kraftstoff kann über einen mit dem hier nicht dargestellten Ringraum 13 verbundenen Ring­ spalt 22 zu den Spritzlöchern 4′′ zuströmen. Dagegen erfolgt die Freigabe der weiteren Reihe von Spritzlöchern 5′′ erst nach Überschreitung eines vorgegebenen Nadelhubes, wenn die Steuerkante 9′′ an der Stirnseite der Düsennadel 3′′ die Spritz­ löcher 5′′ freigibt und diese dann mit dem Druckraum 10′′ verbun­ den sind.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß die in der Zeichnung gezeig­ ten Ausführungen den Erfindungsgegenstand nicht beschränken sollen, sondern daß vielmehr eine Vielzahl von Varianten denkbar sind, die den wesentlichen Gedanken der vorliegenden Erfindung beinhalten. Dieser besteht vor allem darin, daß zumindest die zweite Reihe von Spritzlöchern, in den verschiedenen Ausführungen der Zeichnung mit 5, 5′ und 5′′ bezeichnet, im Bereich eines zylindrischen Dichtspaltes 6 bzw. 6′ bzw. 6′′ einmündet und von einer an der Düsennadel angeordneten Steuerkante 9, 9′, 9′′ erst nach Überschreitung eines vorgegebenen Nadelhubes freigegeben wird. Die Kraftstoffzufuhr erfolgt dann über einen unterhalb der Steuerkante angeordneten Druckraum, der mit der den unter Druck stehenden Kraftstoff zuführenden Zulaufbohrung 14 beispielsweise über in der Düsennadel angeordnete Verbindungs­ leitungen verbunden ist. Denkbar wäre allerdings auch eine Verbindung des Druckraums mit der Zulaufbohrung über eine in dem Düsenkörper verlegte Druckleitung. Die Angabe "unterhalb" in Bezug auf die Anordnung des Druckraums im Verhältnis zu der Steuerkante ist dabei im Zusammenhang mit der Richtung des Öffnungshubes der Düsennadel zu sehen, der bei den in der Zeichnung gezeigten Ausführungen jeweils nach oben erfolgt. Bei umgekehrter Richtung des Öffnungshubes der Düsennadel müßte dann die Anordnung des Druckraums bezogen auf die Steuerkante der Düsennadel umgekehrt sein.

Claims (7)

1. Kraftstoffeinspritzdüse mit steuerbarem Einspritzquerschnitt für luftverdichtende, vorzugsweise direkt einspritzende Brenn­ kraftmaschinen mit einer von einem über eine Kraftstoffdruck­ leitung zugelieferten Kraftstoffdruck entgegen einer Federkraft in einem Düsenkörper lastabhängig verstellbaren Düsennadel, die im unteren Drehzahl- und Lastbereich der Brennkraftmaschine bei kleinem Nadelhub eine erste Reihe von Spritzlöchern und im oberen Drehzahl- und Lastbereich bei größerem Nadelhub eine weitere Reihe von Spritzlöchern freigibt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß wenigstens die weitere Reihe von Spritzlöchern (5) im Bereich eines zwischen dem Düsenkörper (2) und der Düsennadel (3) gebildeten zylindrischen Dichtspalts (6) ein­ mündet, daß die Düsennadel (3) eine umlaufende Steuerkante (9) zur Freigabe der weiteren Reihe von Spritzlöchern (5) bei Überschreiten eines einer vorgegebenen Belastung der Brennkraftmaschine entsprechenden Nadelhubes aufweist und daß unterhalb der Steuerkante (9) ein sich spätestens beim Nadelhub bildender, mit der Kraftstoffdruckleitung (14) ver­ bundener Druckraum (10) vorgesehen ist.

2. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die erste Reihe von Spritzlöchern (4) ebenfalls im Bereich eines zwischen dem Düsenkörper (2) und der Düsen­ nadel (3) gebildeten zylindrischen Dichtspalts (6) einmündet und von einer umlaufenden Steuerkante (9) der Düsennadel (3) freigebbar ist.

3. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die beiden Reihen von Spritzlöchern (4, 5) im Bereich desselben Dichtspalts (6) übereinanderliegend angeordnet und von derselben Steuerkante (9) der Düsennadel (3) bei unterschiedlich großen Nadelhüben freigebbar sind.

4. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die beiden Reihen von Spritzlöchern jeweils in getrennte Dichtspalte einmünden, daß die Düsennadel getrennte Steuerkanten zur nadelhubabhängigen Freigabe der beiden Reihen von Spritzlöchern aufweist und daß jeweils unterhalb der Steuerkanten mit der Kraftstoffdruckleitung verbundene Druckräume vorgesehen sind.

5. Kraftstoffeinspritzdüse nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Nadelhub in Schließrich­ tung begrenzender Anschlag (15) im oberen Bereich der Ein­ spritzdüse (1) vorgesehen ist.

6. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die erste Reihe von Spritzlöchern (4′, 4′′) im Bereich einer mit einer kegeligen Dichtfläche (18; 20) der Düsennadel (3′; 3′′) zusammenwirkenden kegeligen Sitzfläche (17; 19) des Düsenkörpers (2′; 2′′) einmündet.

7. Kraftstoffeinspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsennadel (3) durchsetzende Verbindungsleitungen (11, 12) zur Verbindung des Druckraumes (10) mit einem oberhalb des zylindrischen Dichtspaltes (6) vorgesehenen, an die Kraftstoffdruckleitung (14) angeschlos­ senen Ringraum (13) vorgesehen sind.