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Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzdüse mit einem
Düsenkörper, der
mehrere Kraftstoffaustrittsöffnungen
aufweist, einer in dem Düsekörper geführten Düsennadel,
die in einer Schließstellung Kraftstoffaustrittsöffnungen
verschließt,
und einem in der in dem Düsenkörper geführten Düsennadel
geführten
Steuerelement, wobei in einer ersten Position des Steuerelementes
ein geringerer Kraftstoffaustrittsquerschnitt zur Verfügung gestellt
wird als in einer zweiten Position des Steuerelementes.
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Derartige Kraftstoffeinspritzdüsen können insbesondere
bei Pumpe-Düse-Einheiten
druckgesteuerter Einspritzsysteme verwendet werden. Ein wesentliches
Merkmal eines druckgesteuerten Einspritzsystems besteht darin, dass
die Kraftstoffeinspritzdüse öffnet, sobald
eine zumindest von aktuell herrschenden Drücken beeinflusste Öffnungskraft auf
die Düsennadel
ausgeübt
wird. Die druckgesteuerten Einspritzsysteme dienen der Kraftstoffdosierung,
der Kraftstoffaufbereitung, der Formung des Einspritzverlaufs und
einer Abdichtung der Kraftstoffzuführung gegen den Verbrennungsraum
der Brennkraftmaschine. Mit druckgesteuerten Einspritzsystemen lässt sich
der zeitliche Verlauf des Mengenstroms während der Einspritzung in vorteilhafter
Weise steuern. Damit kann ein positiver Einfluss auf die Leistung,
den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemission des Motors genommen
werden.
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Bei Pumpe-Düse-Einheiten sind die Kraftstoffpumpe
und die Kraftstoffeinspritzdüse
als integriertes Bauteil ausgebildet. Für jeden Verbrennungsraum der
Brennkraftmaschine wird zumindest eine Pumpe-Düse-Einheit vorgesehen, die
in der Regel in den Zylinderkopf eingebaut wird. Die Kraftstoffpumpe
umfasst dabei typischerweise einen in einem Kraftstoffpumpenzylinder
hin und her beweglichen Kraftstoffpumpenkolben, der entweder direkt über einen
Stößel oder
indirekt über
Kipphebel von einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine angetrieben wird.
Neben einem ersten Druckraum, in dem der Düsenöffnungsdruck zur Verfügung gestellt
werden kann, ist üblicherweise
ein zweiter Druckraum vorgesehen, der als Abschnitt des Kraftstoffpumpenzylinders über ein
Steuerventil mit einem Kraftstoff-Niederdruckbereich verbunden werden
kann, wobei bei geöffnetem
Steuerventil Kraftstoff von dem Kraftstoff-Niederdruckbereich in
den zweiten Druckraum angesaugt und bei weiterhin geöffnetem
Steuerventil von dem zweiten Druckraum in den Kraftstoff-Niederdruckbereich
zurückgedrückt wird.
Sobald das Steuerventil geschlossen wird, erfolgt durch den Kraftstoffpumpenkolben
eine Komprimierung des im zweiten Druckraum befindlichen Kraftstoffs
und somit ein Druckaufbau. Der zweite Druckraum steht mit dem ersten
Druckraum in Verbindung, wobei ein in dem ersten Druckraum herrschender
erster Druck eine Öffnungskraft
auf die Düsennadel
ausübt,
beispielsweise auf einen eine Schulter aufweisenden Abschnitt der
Düsennadel.
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Der in dem ersten Druckraum herrschende erste
Druck, bei dem die Düsennadel öffnet und
eine Einspritzung stattfindet, wird als Düsenöffnungsdruck bezeichnet.
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Auf der Grundlage dieser grundlegenden Prinzipien
sind unterschiedlichste Einspritzverläufe bekannt. Insbesondere für die Realisierung
niedriger Emissionswerte bei Dieselkraftfahrzeugen ist es erforderlich,
während
einer Voreinspritzung kleine Kraftstoffmengen sehr genau zu dosieren,
während der
Haupteinspritzung aber dennoch ein möglichst hohen Öffnungsdruck
zu realisieren. Beispielsweise können
die Vor- und die Haupteinspritzung dadurch erfolgen, dass die Voreinspritzung
komplett abgesteuert wird, ein Speicherkolben verwendet wird beziehungsweise
ein Zwei-Federhaltersystem für
eine Boot-Einspritzung
zum Einsatz kommt. Während
der Einsatz des Speicherkolbens und des Zwei-Federhaltersystems
mit zusätzlichen
apparativen Aufwand verbunden sind, ist bei der kompletten Absteuerung der
Voreinspritzung der Nachteil zu verzeichnen, dass hierdurch Kavitationen
ausgelöst
werden, die insbesondere aus Geräuschgründen vermieden
werden sollten.
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Die
DE 34 29 471 C2 offenbart eine gattungsgemäße Kraftstoffeinspritzdüse, die
Kraftstoffaustrittsöffnungen
mit unterschiedlichen Querschnitten aufweist. Durch Betätigung eines
Steuergliedes können
auf diese Weise unterschiedliche Düsenquerschnitte zur Verfügung gestellt
werden, wobei hierdurch im Rahmen der Offenbarung der
DE 34 29 471 C2 der Teillastbetrieb
beziehungsweise der Volllastbetrieb unterstützt werden soll.
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Eine weitere Düse mit Düsenaustrittsöffnungen
unterschiedlichen Durchmessers ist aus der
EP 0 964 139 B1 bekannt,
wobei hier für
Diesel-Gasmotoren eine stets niedrige Schadstoffemission sichergestellt
werden soll.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, die Nachteile einer kompletten Absteuerung
der Voreinspritzung zu vermeiden, wobei dies insbesondere mit einfachen
Mitteln bewerkstelligt werden soll.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen
des unabhängigen
Anspruchs gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung
sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Die Erfindung baut auf der gattungsgemäßen Kraftstoffeinspritzdüse dadurch
auf, dass die in dem Düsenkörper geführte Düsennadel
eine äußere Düsennadel
ist, dass das in der äußeren Düsennadel geführte Steuerelement
eine innere Düsennadel
ist, die in einer Schließstellung
Kraftstoffaustrittsöffnungen
verschließt,
dass die äußere Düsennadel
ausgehend von ihrer Schließstellung
durch eine Erhöhung des
Kraftstoffdrucks angehoben werden kann, so dass zunächst eine
erste echte Teilmenge der Kraftstoffaustrittsöffnungen freigegeben werden kann
und nachfolgend durch ein mechanisches Mitnehmen der inneren Düsennadel
durch die äußere Düsennadel ausgehend
von der Schließstellung
der inneren Düsennadel
eine zweite echte Teilmenge der Kraftstoffaustrittsöffnungen
freigegeben werden kann. Die äußere Düsennadel
kann somit bei einem ersten Öffnungsdruck
durch Freigabe von Kraftstoffaustrittsöffnungen die Voreinspritzung
ermöglichen,
wobei die innere Düsennadel
zu diesem Zeitpunkt weitere Kraftstoffaustrittsöffnungen noch verschließt. Dies gilt
bis zum Erreichen eines vorbestimmten Hubs – des Vorhubs. Im Anschluss
an den Vorhub nimmt die äußere Düsennadel
die innere Düsennadel
mit, so dass weitere Kraftstoffaustrittsöffnungen für die Haupteinspritzung freigegeben
werden.
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Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzdüse ist insbesondere
dadurch vorteilhaft weitergebildet, dass die zweite echte Teilmenge
der Kraftstoffaustrittsöffnungen
einen größeren Kraftstoffaustrittsquerschnitt
zur Verfügung
stellen kann als die erste echte Teilmenge der Kraftstoffaustrittsöffnungen. Hierdurch
wird ein geringer Durchfluss bei der Voreinspritzung und ein hoher
Durchfluss bei der Haupteinspritzung ermöglicht.
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Besonders nützlich ist es, dass die äußere Düsennadel
durch eine Düsenfeder
in Richtung ihrer Schließstellung
mit Kraft beaufschlagt wird. Die Haupteinspritzung kann somit durch
Abbau des Kraftstoffdrucks beendet werden, wobei sich die äußere Düsennadel
durch Krafteinwirkung der Feder in ihren Sitz zurückbewegt
und die Kraftstoffaustrittsöffnungen
wieder abdichtet.
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Es ist besonders nützlich,
dass die Kraft der Düsenfeder
durch eine Düsenfedereinstellscheibe einstellbar
ist. Auf diese Weise wird der Öffnungsdruck
der Voreinspritzung eingestellt. Die Kraft der Düsenfeder nimmt ebenfalls Einfluss
auf den für
die Haupteinspritzung erforderlichen Kraftstoffdruck.
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Insbesondere ist es nützlich,
dass die innere Düsennadel
in Richtung ihrer Schließstellung
durch Kraftstoffdruck auf ihrem den Kraftstoffaustrittsöffnungen
abgewandten Ende mit Kraft beaufschlagt wird. Die innere Düsennadel
dichtet insofern die ihr zugeordneten Kraftstoffaustrittsöffnungen
in dem Moment ab, wenn Hochdruck in der Düse vorliegt. Die innere Düsennadel öffnet erst,
wenn sie durch die äußere Düsennadel
mitgenommen wird. Dies ist dann der Fall, wenn die durch den Kraftstoffdruck
an dem den Kraftstoffaustrittsöffnungen
abgewandten Ende der inneren Düsennadel
aufgebrachte Kraft plus die durch die Düsenfeder aufgebrachte Kraft
geringer ist als die Kraft, die die Düsennadel aufgrund des Drucks
in Öffnungsrichtung
treibt.
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In diesem Zusammenhang ist es besonders nützlich,
dass der Kraftstoffdruck der auf das den Kraftstoffaustrittsöffnungen
abgewandte Ende der inneren Düsennadel
wirkt durch eine Drossel gemindert ist. Durch die Drossel lässt sich
somit der die Schließkraft
der inneren Düsennadel
beeinflussende Kraftstoffdruck einstellen, so dass der Öffnungsdruck für die Voreinspritzung
und der Öffnungsdruck
für die Haupteinspritzung
in weiten Bereichen unabhängig voneinander
einstellbar sind.
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In diesem Zusammenhang kann aber
auch vorteilhaft sein, dass die innere Düsennadel durch eine Düsenfeder
in Richtung ihrer Schließstellung
mit Kraft beaufschlagt wird. Dies kann insbesondere dann nützlich sein,
wenn die innere Düse
nicht hinreichend gegen den Gasdruck im Zylinder des Verbrennungsmotors
abdichtet. Diese Federkraft ist dann bei der Kräftebilanz der sich entgegenwirkenden Schließ- und Öffnungskräfte zu berücksichtigen.
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Nützlicherweise
ist vorgesehen, dass ein Volumen an dem den Kraftstoffaustrittsöffnungen
abgewandten Ende der inneren Düsennadel
mittels einem eingepressten Verschluss verschlossen ist. Dieser Verschluss
begrenzt das Volumen, in dem der durch den Hochdruck erzeugte gedrosselte
Schließdruck der
inneren Düsennadel
wirkt.
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Die Erfindung ist in besonders vorteilhafter Weise
dadurch weitergebildet, dass eine Hülse vorgesehen ist, die zusammen
mit dem eingepressten Verschluss das Volumen an dem den Kraftstoffaustrittsöffnungen
abgewandten Ende der inneren Düsennadel
begrenzt und die Bewegung der inneren Düsennadel in Öffnungsrichtung
begrenzt. Diese Hülse
ist vorzugsweise an dem eingepressten Verschluss befestigt, wobei
im Inneren der Hülse
der die innere Düsennadel
schließende
gedrosselte Kraftstoffdruck aufgebaut werden kann. Ein übermäßiges Öffnen der
inneren Düsennadel
wird durch eine Abstandshaltefunktion der Hülse zwischen innerer Düsennadel
und dem eingepressten Verschluss zur Verfügung gestellt.
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Die Erfindung betrifft weiterhin
eine Pumpe-Düse-Einheit
mit einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzdüse. Auf
diese Weise werden die erfindungsgemäßen Vorteil der Kraftstoffeinspritzdüse in einer
Pumpe-Düse-Einheit
in vorteilhafter Weise zum Einsatz gebracht.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis
zugrunde, dass sich niedrige Emissionswerte, insbesondere bei Dieselkraftfahrzeugen, über die
sehr genaue Dosierung kleiner Kraftstoffmengen bei der Voreinspritzung bei
dennoch hohem Öffnungsdruck
während
der Haupteinspritzung durch eine Kombination von zwei Düsennadeln
und deren Zuordnung zu unterschiedlichen Kraftstoffaustrittsöffnungen
realisieren lassen. Dass das System in bevorzugten Ausführungsformen
mit einer einzigen Düsenfeder
auskommt, wirkt sich günstig
auf die anfallenden Kosten, die Toleranzen und die Dauerhaltbarkeit
der Kraftstoffeinspritzdüse
aus. Die Düse
lässt sich
mit langen Führungen realisieren,
was gute Führungs-
und Dichteigenschaften zur Folge hat. Die Piezoeigenschaften einer Pumpe-Düse-Einheit
können
vorteilhaft ausgenützt werden,
da sowohl Boot- als auch abgesetzte Einspritzungen realisierbar
sind. Die Kraftstoffein spritzdüse
arbeitet sehr sicher, da die innere Nadel durch den Kraftstoffdruck
solange geschlossen gehalten wird, bis sie von der Äußeren mitgenommen
wird. Als zusätzlicher
positiver Effekt ist zu erwähnen,
dass die Bewegung der äußeren Düsennadel
durch die Impulsübertragung
auf die innere Düsenadel
in ihrer Bewegung gedämpft
wird. Auf diese Weise liegt eine Trägheitsdämpfung vor, die mitunter eine
zusätzliche hydraulische
Nadeldämpfung
ersetzen kann.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug
auf die begleitende Zeichnung anhand einer bevorzugten Ausführungsform
beispielhaft erläutert.
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Es zeigt:
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1 eine
schematische unterbrochene Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzdüse.
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1 zeigt
eine schematische unterbrochene Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzdüse. Die
Kraftstoffeinspritzdüse 10 umfasst
einen Düsenkörper 12,
in dem Kraftstoffaustrittsöffnungen 14, 16, 18, 20 vorgesehen
sind. In dem Düsenkörper 12 ist
eine äußere Düsennadel 22 geführt, die
bezüglich
den Kraftstoffaustrittsöffnungen 14, 16 radial
außenliegend
einen Sitz 42 am Düsenkörper 12 hat.
In der äußeren Düsennadel 22 wird eine
innere Düsennadel 24 geführt, die
einen Sitz 44 am Düsenkörper 12 zwischen
den radial innenliegenden Kraftstoffaustrittsöffnungen 18, 20 und
den radial außenliegenden
Kraftstoffaustrittsöffnungen 14, 16 hat.
In ihrem von dem Düsenkörper 12 oberhalb
des Sitzes 42 geführten
Bereich ist die äußere Düsennadel 22 beispielsweise
als Vierflach ausgebildet, so dass durch die sich hieraus ergebenden
axialen Kanäle
Kraftstoff aus dem Druckraum 46 in den Bereich unterhalb
der Schulter 48 der äußeren Düsennadel 22 gelangen
kann. Weiterhin sind in anderen Bereichen der äußeren Düsennadel 22 weitere
Schultern 54, 56 vorgesehen. An dem den Kraftstoffaustrittsöffnungen 14, 16, 18, 20 abgewand ten
Ende der inneren Düsennadel 24 ist
diese mit einem Abschlusselement 50 versehen. Auf dieses
Abschlusselement 50 folgen eine Hülse 34 und ein Verschluss 38,
wobei die Hülse 34 vorzugsweise
an dem Verschluss 38 befestigt ist. In der äußeren Düsennadel
ist weiterhin ein Kanal 52 vorgesehen. Über diesen Kanal 52 und eine
Drossel 32 ist ein Volumen 36 an dem den Kraftstoffaustrittsöffnungen 14, 16, 18, 20 abgewandten Ende 30 der
inneren Düsennadel 24 vorgesehen. Dieses
Volumen 36 ist über
den Kanal 52 in der äußeren Düsennadel 22 und
die Drossel 32 mit dem Druckraum 46 verbunden.
An dem den Kraftstoffaustrittsöffnungen 14, 16, 18, 20 abgewandten
Ende der äußeren Düsennadel 22 ist
eine Düsenfeder 26 angeordnet,
die die äußere Düsennadel 22 über eine Düsenfedereinstellscheibe 28 mit
einer von der Dicke der Düsenfedereinstellscheibe 28 abhängigen Kraft beaufschlagt.
Der Druckraum 46 der Kraftstoffeinspritzdüse 10 ist über eine
Verbindungsleitung 40 mit der (nicht dargestellten) druckerzeugenden
Pumpe beziehungsweise einem (nicht dargestellten) zweiten Druckraum
verbunden.
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Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzdüse 10 arbeitet
wie folgt. In 1 ist
die Kraftstoffeinspritzdüse 10 in
ihrer geschlossenen Position gezeigt, wobei insbesondere die äußere Düsennadel 22 durch
die Federkraft 26 abdichtend in ihrem Sitz 42 gehalten
wird. Wird nun über
die Verbindungsleitung 40 ein Druck in dem Druckraum 46 aufgebaut,
so kommt es zu einem Druckaufbau in dem Volumen 36 innerhalb
der Hülse 34.
Dieser Druck im Volumen 36 ist bei geeigneter Auslegung
der Drossel 32 kleiner als der Druck im Druckraum 46.
Hierdurch wird die innere Düsennadel
in ihren Sitz 44 gedrückt,
so dass die Kraftstoffaustrittsöffnungen 18, 20 auch
bei angehobener äußerer Düsennadel 22 verschlossen
sind. Durch den Druckaufbau im Druckraum 46 werden weiterhin
Kräfte
auf die Schultern 48, 54, 56 der äußeren Düsennadel 22 ausgeübt. Bei
geeigneter Auslegung der wirksamen Flächen dieser Schultern 48, 54, 56 hebt
sich die äußere Düsennadel 22 aus
ihrem Sitz 42 gegen den Schließdruck der Düsenfeder 26. Hierdurch
werden die Kraftstoffaustrittsöffnungen 14, 16 freigegeben,
die im Allgemeinen mit einem sehr kleinen Durchmesser ausgelegt
sind, so dass eine genau dosierte Voreinspritzung stattfinden kann.
Die äußere Düsennadel 22 bewegt
sich zunächst
so lange gegen den Schließdruck
der Düsenfeder 26 bis
es zu einem Kontakt zwischen der äußeren Düsennadel 22 und dem
Abschlusselement 50 der inneren Düsennadel 24 kommt.
Bei einem weiteren Anheben der äußeren Düsennadel 22 wird
dann die innere Düsennadel 24 mitgenommen,
so dass sich die innere Düsennadel 24 aus
ihrem Sitz 44 hebt. Folglich werden die Kraftstoffaustrittsöffnungen 18, 20 freigegeben.
Diese sind im Allgemeinen größer ausgelegt
als die Kraftstoffaustrittsöffnungen 14, 16,
so dass eine Haupteinspritzung erfolgen kann. Das Anheben der inneren
Düsennadel 24 erfolgt
gegen die Kraft, die durch den Druck im Volumen 36 erzeugt
wird. Insgesamt setzt sich die weitere Öffnungskraft der äußeren Düsennadel 22 also
aus dem von der Düsenfeder 26 aufgebrachten
Kraft und der von dem Druck im Volumen 36 aufgebrachten
Kraft auf die innere Düsennadel 24 beziehungsweise
das Abschlusselement 50 der inneren Düsennadel 24 aufgebrachten
Kraft zusammen. Wird der Druck im Druckraum 46 abgebaut, so
wird die äußere Düsennadel 22 durch
die Düsenfeder 26 wieder
in ihren Sitz 42 gedrückt,
so dass die Kraftstoffaustrittsöffnungen 14, 16, 18, 20 geschlossen
sind. Erst bei erneutem Druckaufbau dichtet die inneren Düsennadel 24 wieder
die innenliegenden Kraftstoffaustrittsöffnungen 18, 20 ab.
Das Mitnehmen der inneren Düsennadel 24 durch
die äußere Düsennadel 22 hat
neben dem Öffnen
der Kraftstoffaustrittsöffnungen 18, 20 den
weiteren Effekt, dass eine Trägheitsdämpfung der äußeren Düsennadel 22 vorliegt,
die unter Umständen
eine hydraulische Nadeldämpfung überflüssig machen
kann.
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Bei der Beschreibung der Erfindung
anhand des Ausführungsbeispiels
gemäß 1 sind zwei radial außenliegende
Kraftstoffaustrittsöffnungen 14, 16 stellvertretend
für eine
größere Anzahl
von Kraftstoffaustrittsöffnungen 14, 16 entlang
des von den Kraftstoffaustrittsöffnungen 14, 16 definierten Umfanges
dargestellt. Entsprechendes gilt für die innenliegenden Kraftstoffaustrittsöffnungen 18, 20.
Ebenso ist es denkbar, dass zusätzliche
Serien von Kraftstoffaustrittsöffnungen
vorgesehen sind, die sich bei anderen Radien der Kraftstoffeinspritzdüse entlang
den entsprechenden Umfängen
befinden.
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Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzdüse 10 ist
im Rahmen unterschiedlicher Pumpe-Düse-Einheiten einsetzbar. Bei
dem in 1 dargestellten
Beispiel wird die Schließkraft
der äußeren Düsennadel 22 allein
durch die Düsenfeder 26 aufgebracht. Ebenso
ist es aber möglich,
dass die Düsenfeder 26 in
einem weiteren Druckraum angeordnet ist, der beispielsweise über ein
Druckbegrenzungs- und Druckhalteventil mit Kraftstoff versorgt wird,
so dass hierdurch eine zusätzliche
Schließkraft
auf die äußere Düsennadel 22 wirkt.
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Die Erfindung lässt sich wie folgt zusammenfassen.
Eine Kraftstoffeinspritzdüse 10 umfasst
eine in einem Düsenkörper 12 geführte äußere Düsennadel 22 und
eine in der äußeren Düsennadel 22 geführte innere
Düsennadel 24.
Die äußere Düsennadel 22 dichtet
in ihrer Schließstellung
in dem Düsenkörper 12 vorgesehene
Kraftstoffaustrittsöffnungen 14, 16, 18, 20 ab.
Durch Druckerhöhung
in einem Druckraum 46 der Kraftstoffeinspritzdüse 10 wird
einerseits die äußere Düsennadel
angehoben; andererseits wird die innere Düsennadel fest in ihren Sitz 44 gepresst,
so dass ein Teil 18, 20 der Kraftstoffaustrittsöffnungen 14, 16, 18, 20 verschlossen
bleiben. Somit findet zunächst
eine Voreinspritzung statt. Nachfolgend hebt die äußere Düsennadel 22 die
innere Düsennadel 24 aus
ihrem Sitz, so dass die weiteren Kraftstoffaustrittsöffnungen 18, 20 zur
Haupteinspritzung freigegeben werden.
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Die in der vorstehenden Beschreibung,
in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der
Erfindung können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung
der Erfindung wesentlich sein.