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Die Erfindung betrifft eine Einspritzeinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einer als Doppelnadeldüse ausgeführten Einspritzdüse zur Realisierung unter- schiedlicher Einspritzquerschnitte für den Teillastbetrieb und den Volllastbetrieb, mit einer mit ersten Einspritzöffnungen zusammenwirkenden ersten Düsennadel und einer mit zweiten Einspritzöffnungen zusammenwirkenden zweiten Düsennadel, wobei die erste und die zweite Düsennadel im Teillastbetrieb unabhängig voneinander und alternativ geöffnet werden können.
Es ist bekannt, bei Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselbrennkraftmaschinen mit einem nockengetriebenen Einspritzsystem, Einspritzdüsen als Doppelndeldüsen oder als Düsen mit variablem Spritzlochquerschnitt zur Erzielung einer Teillast- und Volllasteinspritzung mit verschiedenen Einspritzmengen auszuführen. Eine derartige Einspritzsystemkonfiguration hat gegenüber einem standardmässigem, nockengetriebenen Einspritzsystem mit einer Düse mit konstantem Einspritzbohrungsquerschnitt bzw. Lochanzahl, bei der mit der Einspritzmenge die Einspritzdruckcharakteristik bei konstanter Motordrehzahl zunimmt, den Vorteil, dass der Spritzlochquerschnitt bzw. die Spritzlochanzahl für Teillast und Volllast optimal ausgelegt werden kann.
Dabei wird in Abhängigkeit der Einspritzmenge ein Funktionsbereich für die Teillastdüse und ein Bereich für die Vollastdüse definiert. Dadurch, dass die Teillastdüse einen deutlich kleineren Spritzlochquerschnitt als die Volllastdüse hat, kann im Teillastbetrieb die eingespritzte Menge pro Zeiteinheit verringert und vor allem der Einspritzdruck erhöht werden. Die Verringerung des Durchflusses und Erhöhung des Einspritzdruckes bei Teillast wirken sich vorteilhaft auf die Emissionen aus, vor allem können die Rauchemissionen wesentlich gegenüber einem Einspritzsystem mit auf Vollast ausgelegtem Spritzlochquerschnitt reduziert werden. Bei Einspritzeinrichtungen mit zwei Düsennadeln wird zum Beispiel im Teillastbetrieb eine der beiden Düsennadeln geschlossen gehalten und erst im Vollastbetrieb geöffnet.
Wird die Brennkraftmaschine zu lange im Teillastbetrieb betrieben, so besteht die Gefahr, dass durch Nichtbetätigen der nur bei Vollast geöffnete Düsennadel die dazugehörigen Einspritzöffnungen verkoken können.
Aus der DE 41 15 477 A ist eine Einspritzeinrichtung bekannt, bei der beide Düsennadeln jeweils mit Kolben verbunden sind, die jeweils in einem Zylinderraum beweglich angeordnet sind. Über ein zwei Stellungen aufweisendes Schaltorgan wird jeweils einer dieser Zylinderräume mit Einspritzdruck beaufschlagt, wobei der andere Zylinderraum mit einem Leckölanschluss verbunden ist. Dadurch können beide Düsennadeln alternativ angesteuert werden. Bei jedem Einspritzvor-
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gang ist dabei jeweils nur eine Düsennadel aktiv, wogegen die zweite Düsennadel in ihrer geschlossenen Stellung verbleibt. Jede dieser Düsennadeln wird somit nur in einem bestimmten Motorbetriebsbereich, also die eine Düsennadel bei Teil- last und die andere Düsennadel bei Vollast, geöffnet.
Auch hier ergibt sich der
Nachteil, dass bei konstantem Motorbetrieb die zugehörigen Einspritzöffnungen der nicht betätigten Düsennadel leicht verkoken können.
Die Veröffentlichungen DE 41 15 478 C2, CH 623 114 A5 und EP 0 028 288 Al beschreiben jeweils eine Einspritzdüse für eine Brennkraftmaschine, welche zwei nebeneinander angeordnete Düsennadeln aufweist, die alternativ betätigbar sind.
Über jede Düsennadel wird jeweils eine Gruppe von Einspritzöffnungen ange- steuert, wobei eine Gruppe der Einspritzöffnungen für den Teillastbereich vorge- sehen ist. Die eine Düsennadel wird somit bei Teillast betätigt. Bei Vollast wir die andere Düsennadel bzw. beide Düsennadeln aktiviert. Um die Verkokungsgefahr zu vermindern, wird in der DE 41 15 478 C2 eine Kühlung der nicht betätigten
Düsennadel vorgeschlagen.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Einspritzeinrichtung der eingangs genannten Art auf möglichst einfache Weise die Verkokungsgefahr zu verhindern.
Erfindungsgemäss erfolgt dies dadurch, dass im Teillastbetrieb die erste und die zweite Düsennadel abwechselnd betätigbar sind, wobei der Wechsel jeweils nach einer vorbestimmten Zahl an Einspritzungen, vorzugsweise nach jeder Einspritzung erfolgt, und dass im Vollastbetrieb beide Düsennadeln gleichzeitig betätigbar sind. Dadurch, dass bei Teillastbetrieb die beiden Düsennadeln abwechselnd betätigt werden, kann die Verkokungsgefahr praktisch ausgeschaltet werden. Der Wechsel zwischen den Düsennadeln kann nach jeder Einspritzung, oder nach 2, 5,10 etc. Einspritzungen erfolgen. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass die ersten und zweiten Einspritzöffnungen auf den gleichen Durchfluss, und zwar auf den halben Volllastdurchfluss ausgelegt sind.
Die ersten und zweiten Einspritzöffnungen sowie die ersten und zweiten Einspritznadeln sind somit gleichwertig, so dass jede für sich auf die Teillasteinspritzung ausgelegt ist. Bei Vollast werden beide Düsennadeln geöffnet, so dass sich die Querschnitte der ersten und der zweiten Einspritzöffnungen aufsummieren.
In einer äusserst bevorzugten Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass pro Düsennadel eine Einspritzleitung in einen die Düsennadel umgebenden Ringraum einmündet, und dass in jeder Einspritzleitung ein Steuerventil angeordnet ist, über welches der Durchfluss durch die jeweilige Einspritzleitung steuerbar ist.
Das Steuerventil weist dabei zwei stabile Schaltstellungen, nämlich eine Schliessstellung und eine Öffnungsstellung auf und kann als Magnetventil oder als piezoelektrisches Ventil ausgeführt sein.
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Da sich das Steuerventil direkt in der Einspritzleitung zur Düsennadel befinden, werden die Düsennadeln direkt von den Steuerventilen angesteuert. Die Steuerventile sind somit Vollstromventile. Dadurch ergeben sich nur geringe Todvolu- mina, weshalb bei Teillast hohe Einspritzdrücke realisiert werden können.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Steuerventil eine Ventilnadel aufweist, welche durch den Kraftstoffdruck in der Einspritzleitung von einem Ventilsitz abhebbar und in die Öffnungsstellung bringbar ist, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass auf die Ventilnadel des Steuerventiles eine vorzugsweise durch eine Feder gebildete Schliesskraft in Richtung der Schliessstellung einwirkt. Die Öffnungkraft für die Steuerventile wird durch den Kraftstoffdruck in den Einspritzleitungen aufgebracht. Die Schliesskraft auf die Ventilnadeln ist so dimensioniert, dass die Ventilnadel nur im druckentlasteten Zustand der jeweiligen Einspritzleitung, also zwischen zwei Einspritzungen geschlossen werden kann.
Dadurch ergibt sich eine sehr kompakte und platzsparende Ausführung der Steuerventile, insbesondere wenn das Steuerventil im aktivierten, also strombeaufschlagten Zustand durch eine vorzugsweise elektromagnetisch oder piezoelektrisch erzeugte Haltekraft in der Schliessstellung gehalten werden kann. Die Betätigungseinrichtung, insbesondere Elektromagnete für das Steuerventil können verhältnismässig klein dimensioniert werden, da die Ventilnadel nur in ihrer Schliessstellung, unterstützt durch die in Schliessrichtung wirkende Feder, gehalten werden muss. In dieser Stellung wirkt der Kraftstoffdruck in Öffnungsrichtung nur auf einen relativ kleinen ringförmigen Absatz der Ventilnadel, so dass die in Öffnungsrichtung wirkende Kraft verhältnismässig klein ist.
Erst bei Deaktivierung des Steuerventiles kann die Ventilnadel durch den relativ geringen Öffnungsdruck entgegen der Feder gehoben werden. Die durch die Feder verursachte Schliesskraft muss somit kleiner sein als die durch den Kraftstoffdruck auf den ringförmigen Absatz der Ventiladel wirkende Öffnungskraft.
Es ist weiters vorgesehen, dass der für das Öffnen des Steuerventiles durch den Kraftstoff in der Einspritzleitung erforderliche Öffnungsdruck geringer ist als jener Öffnungsdruck des Kraftstoffes, welcher für das Öffnen der Düsennadel notwendig ist. Somit macht das Steuerventil zu einem Zeitpunkt auf, bei dem der Öffnungsdruck für die Düsennadel noch nicht erreicht ist. Die Öffnungs- bzw. anfängliche Schliesscharakteristik hängt somit im Wesentlichen nur von der Auslegung der Düsennadel ab.
Durch die als Vollstromventile ausgeführten Steuerventile kann der Fertigungsaufwand und die Anzahl der Bauteile der Einspritzeinrichtung, verglichen mit bekannten anderen Konzepten, sehr gering gehalten werden.
In einer fertigungstechnisch einfachen Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die beiden Düsennadeln parallel nebeneinander an-
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geordnet und die Düsennadelachsen voneinander beabstandet sind. Parallel ne- beneinander angeordnete Düsennadeln haben gegenüber koaxial ineinander an- geordneten Düsennadeln den Vorteil, dass keine Doppelpassungen erforderlich sind. Besonders platzsparend ist es dabei, wenn eine einzige Schliessfeder über einen Kippteil auf beide Düsennadeln einwirkt. Durch den Kippteil wird eine vom
Nadelhub der beiden Düsennadeln weitgehend unabhängige gleichmässige Auftei- lung der Kräfte zufolge der Schliessfeder auf die Düsennadel bewirkt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn zwischen Kippteil und der Düsennadel jeweils ein vor- zugsweise zylindrischer Wälzkörper angeordnet ist. Dadurch kann bei Schrägstel- lung des Kippteiles infolge asymmetrischer Betätigung der Düsennadeln ein Ein- leiten von Seitenkräften in die Düsennadeln weitgehend vermieden werden. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Standzeit der Düsennadelführung aus.
Während bei Teillast die beiden Düsennadeln abwechselnd betätigt werden, wer- den bei Vollast beide Düsennadeln gleichzeitig bewegt. Um ein Aufeinandertref- fen der sich kreuzenden Einspritzstrahlen der Einspritzöffnungen unterschiedli- cher Düsennadeln bei Vollast zu vermeiden, ist in weiterer Ausführung vorgese- hen, dass die Mündungen der Einspritzöffnungen der ersten Düsennadel und die
Mündungen der Einspritzöffnungen der zweiten Düsennadeln in voneinander beabstandeten Normalebenen auf die Düsennadelachsen angeordnet sind.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 schematisch die erfindungsgemässe Einspritzeinrichtung in einem Längsschnitt, Fig. 2 die Einspritzeinrichtung in einem Schnitt gemäss der Linie 11-11 in Fig. 1 und Fig. 3 ein Strahlbild der Einspritzeinrichtung.
Die Einspritzeinrichtung weist eine als Doppelnadeldüse ausgeführte Einspritzdüse 201 mit einer ersten Düsennadel 202 und einer zweiten Düsennadel 203 auf, wobei beide Düsennadeln 202,203 nebeneinander parallel angeordnet sind. Die Düsennadelachsen 202', 203'sind voneinander beabstandet. Die erste Düsennadel 202 steuert erste Einspritzöffnungen 204 und die zweite Düsennadel 203 steuert zweite Einspritzöffnungen 205 an, welche jeweils in einer Düsenkuppe 206a, 206b angeordnet sind. In jeden der beiden Düsennadeln 202,203 jeweils umgebenden Ringraum 207a, 207b des Düsenkörpers 208 mündet jeweils eine Einspritzleitung 209a, 209b ein, welche über je ein Steuerventil 223a, 223b mit einer von einer nicht weiter dargestellten Pumpe kommenden Hochdruckleitung 210,210a, 210b in Strömungsverbindung steht.
Die erste Düsennadel 202 als auch die zweite Düsennadel 203 wird durch eine gemeinsame Schliessfeder 211 in Schliessrichtung belastet.
In jeder der beiden Einspritzleitungen 209a, 209b ist jeweils ein Steuerventil 223a, 223b angeordnet, über welches die Einspritzleitung 209a, 209b mit der
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Hochdruckleitung 210, 210a, 210b strömungsverbunden ist. Jedes Steuerventil
223a, 223b weist eine Ventilnadel 226a, 226b auf, welche in der Schliessstellung des Steuerventiles 223a, 223b auf einem Ventilsitz 231a, 231b aufliegt. Jede Dü- sennadel 210a, 210b ist von einem Ringraum 232a, 232b umgeben, in welchen eine Hochdruckleitung 210a, 210b einmündet. Die Hochdruckleitungen 210a,
210b gehen von der gemeinsamen Hochdruckleitung 210 aus.
Im Bereich des
Ringraumes 232a, 232b weist jede Ventilnadel 226a, 226b eine durch einen Ab- satz gebildete ringförmige Druckangriffsfläche 233a, 233b für den über die Hoch- druckleitung 210a, 210b in den Ringraum 232a, 232b zugeführten Kraftstoff auf, wodurch bei Druckbeaufschlagung der Hochdruckleitung 210 eine hydraulisch bewirkte Öffnungskraft auf die Ventilnadeln 226a, 226b einwirkt.
Die Steuerventile 223a, 223b sind im Ausführungsbeispiel als Magnetventile aus- geführt. Genauso ist es denkbar, als Steuerventile 223a, 223b piezoelektrische
Ventile zu verwenden.
Mit Bezugszeichen 234a und 234b sind fest mit den Ventilnadeln 226a und 226b verbundene Anker bezeichnet, welche bei Strombeaufschlagung der Spulen 224a,
224b entgegen der Öffnungsrichtung angezogen werden, wodurch auf die Ventil- nadel 226a, 226b eine in Schliessrichtung wirkende Haltekraft einwirkt, welche die Ventilnadeln 226a, 226b auf ihren Ventilsitz 231a, 231b drückt. Die Haltekraft muss dabei mindestens so gross sein, dass die Ventilnadel 226a, 226b nicht durch die Öffnungskraft zufolge des Kraftstoffdruckes in der Hochdruckleitung 210 vom Ventilsitz 231a, 231b angehoben werden kann.
Auf jede der Ventilnadeln 226a, 226b wirkt weiters eine durch eine Feder 127a,
127b gebildete geringe Schliesskraft entgegen der Öffnungsrichtung ein, welche die Ventilnadel 226a, 226b bei Druckentlastung der Hochdruckleitungen 210, 210a, 210b auch bei stromloser Spule 224a, 224b in die Schliessstellung bewegt.
Da im drucklosen Zustand keine wesentlichen Öffnungskräfte entgegenwirken, können die Federn 127a, 127b relativ klein dimensioniert und auf einen bestimmten Öffnungsdruck ausgelegt sein. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der notwendige Öffnungsdruck durch den Kraftstoff für das deaktivierte Steuerventil 223a, 223b geringer ist als der Öffnungsdruck für die Düsennadel 202,203.
Die beiden Steuerventile 223a und 223b sind vorteilhafterweise gleich dimensioniert. Die Spulen 224a, 224b der Steuerventile 223a, 223b werden nur im Zeitbereich des Einspritzvorganges mit Strom beaufschlagt. Die Ventilnadel 226a, 226b der mit Strom beaufschlagten Spule 224a, 224b wird auf ihrem Ventilsitz 231a, 231b gehalten.
Wenn eine der beiden Spulen 224a, 224b stromlos ist oder stromlos geschalten wird, kann der Kraftstoffdruck im Ringraum 232a, 232b die jeweilige Ventilnadel 226a, 226b abheben und somit eine Strömungsverbindung zwischen der Einspritzleitung 209a, 209b und der Hochdruckleitung 210 herstel-
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len, wodurch im Ringraum 207a, 207b der jeweiligen Düsennadel 202,203 der
Einspritzdruck herrscht und auf die Ringflächen 229,230 in Öffnungsrichtung der
Düsennadel 202,203 entgegen der Kraft der Schliessfeder 211 einwirkt und die jeweilige Düsennadel 202,203 öffnet und somit die Einspritzung durch die Ein- spritzöffnungen 204 oder 205 einleitet.
Werden die Spulen 224a, 224b beider Steuerventile 223a, 223b stromlos geschalten, kann die Einspritzung über beide Düsennadeln 202,203 sowohl durch die ersten Einspritzöffnungen 204, als auch durch die zweiten Einspritzöffnungen 205 erfolgen. Dies ist beispielsweise im Vollastbetrieb sinnvoll. Bei Vollast werden somit sowohl die ersten, als auch die zweiten Einspritzöffnungen 204,205 gleichzeitig geöffnet. Durch die Deaktivierung der Spulen 224a, 224b können die Ventilnadeln 226a, 226b der Steuerventile 223a, 223b gleichzeitig in ihre Öffnungsstellung gehoben werden, so dass die Einspritzleitungen 209a, 209b mit der Hochdruckleitung 210 strömungsverbunden sind. Dadurch werden beide Düsennadeln 202,203 durch den auf die Ringflächen 229 und 230 wirkenden Einspritzdruck entgegen der Kraft der Schliessfeder 211 angehoben.
Im Teillastbetrieb dagegen werden die Spulen 224a und 224 b der Steuerventile 223a, 223b abwechselnd mit Strom beaufschlagt. Der Wechsel erfolgt nach jeder Einspritzung oder nach einer vordefinierten Anzahl an Einspritzungen. Dadurch werden die Ventilnadeln 226a, 226b abwechselnd in ihrer Schliessstellung gehal- ten bzw. - bei Deaktivierung des jeweiligen Steuerventiles 223a, 223b - durch Kraftstoffdruck in die Öffnungsstellung gehoben. Dadurch wird der Ringraum 207a, 207b der Düsennadel 202,203 des jeweils deaktivierten Steuerventiles 223a, 223b mit der Hochdruckleitung 210 strömungsverbunden, wodurch die jeweilige Düsennadel 202,203 durch den Kraftstoffdruck geöffnet wird.
Die Düsennadel 203,202 des aktivierten Steuerventiles 223b, 223a bleibt dagegen geschlossen, da die entsprechende Ventilnadel 226b, 226a durch die elektromagnetische Haltekraft auf ihren Ventilsitz 231b, 231a gedrückt und somit die Strömungsverbindung mit der Hochdruckleitung 210 unterbrochen bleibt.
Durch fortwährendes Umschalten zwischen den Steuerventilen 223a und 223b zwischen zwei aufeinanderfolgenden Einspritzvorgängen werden im Teillastbetrieb die Düsennadeln 202,203 abwechselnd betätigt, so dass längere Stillstandszeiten von nicht betätigten Düsennadeln 202,203 während des Betriebes und somit die Verkokung der entsprechenden Einspritzöffnungen 204,205 wirksam vermieden wird.
Mit der beschriebenen Einspritzeinrichtung lässt sich als Zusatzfunktion auch eine gestufte Einspritzung ("Boot Injection"), insbesondere im oberen Teillastbereich realisieren. Dabei bleibt zu Beginn der Einspritzung eines der beiden Steuerventile 223a, 223b deaktiviert. Das andere Steuerventil 223b, 223a wird durch
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Bestromung der Spule 224b, 224a aktiviert, sodass anfangs nur eine Düsennadel 202,203 öffnet. Während dieser Einspritzung wird mit einer bestimmten zeitlichen Verzögerung auch die Spule 224b, 224a des anderen Steuerventiles 223b, 223a stromlos gemacht und somit auch das entsprechende Steuerventil 223b, 223a ebenfalls geöffnet.
Dies hat zur Folge, dass auch die andere Düsennadel 203,202 geöffnet wird und nun die Einspritzung sowohl über die ersten Einspritzöffnungen 204, als auch über die zweiten Einspritzöffnungen 205 erfolgt.
Dadurch, dass die erste Einspritzphase mit einer geringeren Kraftstoffmenge erfolgt, lässt sich ein weicherer Verbrennungsverlauf realisieren, wodurch vor allem
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ten Düsenkuppe 206b sind jeweils in voneinander beabstandeten Normalebenen 204a bzw. 205a auf die Düsennadelachsen 202', 203'angeordnet. Der Abstand zwischen den Normalebenen 204a, 205a ist mit a bezeichnet. Dieser Abstand bewirkt, dass sich die Strahlen der ersten und zweiten Einspritzöffnungen 204, 205 bei Vollast nicht gegenseitig behindern, also nicht aufeinandertreffen. Voreilhafterweise sind beide Düsenkuppen 206a, 206b mit der gleichen Lochanzahl, vorzugsweise 3, ausgeführt, wodurch sich das in Fig. 3 abgebildete Strahlenbild ergibt.
Im Teillastbereich wird dabei über jeweils drei Einspritzöffnungen, bei Volllastbetrieb hingegen mit der doppelten Anzahl, also über sechs Einspritzöffnungen eingespritzt.
Die Schliessfeder 211 wirkt über den Kippteil 211a auf beide Düsennadeln 202, 203. Dadurch wird auch bei unterschiedlichen Nadelhüben der beiden Düsenna- deln 202,203 eine gleichmässige Kraftverteilung zufolge der Schliessfeder 211 bewirkt. Um zu vermeiden, dass bei Schwenkbewegungen des Kippteiles 211a Querkräfte in die Düsennadeln 202,203 geleitet werden, welche die Nadelführungen 202b'und 203b'beschädigen könnten, ist zwischen dem Kippteil 211a und der Düsennadel 202 bzw. 203 jeweils ein zylindrischer Wälzkörper 240 bzw.
241 angeordnet. Im Vergleich zu kugelförmigen Walzkörpern haben die zylindrischen Wälzkörper 240,241 den Vorteil, dass die Kräfte durch Linienkontakt und nicht durch Punktkontakt übertragen werden.