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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Einspritzdüse für eine Brennkraftmaschine,
insbesondere in einem Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs
des Anspruchs 1.
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Eine
derartige Einspritzdüse
ist beispielsweise aus der
DE
100 58 153 A1 bekannt und umfasst eine als Hohlnadel ausgebildete
erste Düsennadel sowie
eine koaxial zur ersten Düsennadel
angeordnete zweite Düsennadel.
Mit der ersten Düsennadel ist
eine Einspritzung von Kraftstoff durch wenigstens ein erstes Spritzloch
steuerbar, während
mit der zweiten Düsennadel
die Einspritzung von Kraftstoff durch wenigstens ein zweites Spritzloch
steuerbar ist. Zur Betätgung
der zweiten Düsennadel
ist ein Steuerkolben vorgesehen und wirkt mit der zweiten Düsennadel
oder mit einem die zweite Düsennadel enthaltenden
zweiten Nagelverband axial zusammen. Dieser Steuerkolben ist an
einer von den Spritzlöchern
abgewandten Steuerfläche
in einem Steuerraum angeordnet und dort mit dem darin herrschenden
Steuerdruck beaufschlagbar. In einer Schließstellung der zweiten Düsennadel
stützt
sich der Steuerkolben axial an der zweiten Düsennadel oder am zweiten Nadelverband
ab.
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Die
erste Düsennadel
ist bei der bekannten Einspritzdüse
direkt mit dem Einspritzdruck steuerbar. Das heißt, die erste Düsennadel öffnet, sobald an
einer entsprechenden Druckstufe der ersten Düsennadel ein hinreichend großer Einspritzdruck
anliegt. Wenn eine Kraftstoffeinspritzung nur durch das wenigstens
eine erste Spritzloch durchgeführt
werden soll, wird der Steuerraum mit einem entsprechend hohen Steuerdruck beaufschlagt,
so dass die zweite Düsennadel
verschlossen bleibt. Soll eine Kraftstoffeinspritzung zusätzlich durch
das wenigstens eine zweite Spritzloch durchgeführt werden, wird im Steuerraum
der Druck abgesenkt, bis der an einer entsprechenden Druckstufe
an der zweiten Düsennadel
angreifende Einspritzdruck ein Öffnen
der zweiten Düsennadel
bewirkt. Die zweite Düsennadel ist
somit nicht durch den Einspützdruck,
sondern durch den im Steuerraum herrschenden Steuerdruck gesteuert,
was auch als Servosteuerung bezeichnet wird. Der Aufwand zur Realisierung
einer derartigen Servosteuerung ist relativ groß.
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Vorteile der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Einspritzdüse mit den
Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs hat demgegenüber
den Vorteil, dass sowohl die erste Düsennadel als auch die zweite
Düsennadel
unmittelbar in Abhängigkeit
des Einspritzdrucks gesteuert sind. Der Aufwand zur Realisierung
einer Servosteuerung entfällt
somit bei der erfindungsgemäßen Einspritzdüse. Des
Weiteren besitzt die erfindungsgemäße Einspritzdüse eine
vergleichsweise hohe Schließdynamik
für beide
Düsennadeln
sowie zusätzlich
eine hohe Öffnungsdynamik
für die
zweite Düsennadel
bei vergleichsweise großen
Einspritzdrücken.
Dies hat zur Folge, dass die Düsennadeln zum
Schließen
sehr schnell ansprechen, so dass extrem kurze Schließzeiten
realisierbar sind. In entsprechender Weise spricht dann auch die
zweite Düsennadel
zum Öffnen
schnell an, so dass auch relativ kurze Öffnungszeiten für die zweite
Düsennadel
erzielbar sind.
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Durch
die vorgeschlagene gedrosselte Kopplung des Steuerraums mit dem
Druckraum kommt es nur verzögert
zu einem Druckausgleich zwischen Druckraum und Steuerraum. Zum Öffnen der
Düsennadeln
wird im Druckraum der Druck, nämlich
der Einspritzdruck, erhöht,
um damit direkt eine entsprechende Druckstufe der ersten Düsennadel
zu beaufschlagen. Bei hinreichendem Einspritzdruck öffnet die
erste Düsennadel.
Bei geöffneter
erster Düsennadel
kann sich an der zweiten Düsennadel
an einer entsprechenden Druckstufe ebenfalls der Einspritzdruck
aufbauen. Da der Druck im Steuerraum deutlich langsamer anwächst, kann
die zweite Düsennadel
schon bei geringeren Einspritzdrücken, also
früher öffnen. Beim
Schließen
der Düsennadeln wirkt
sich der verzögerte
Druckausgleich zwischen Steuerraum und Druckraum zur Verkürzung der Schließzeiten
aus. Zum Schließen
der Düsennadeln wird
der Einspritzdruck im Druckraum gesenkt. Wodurch der in Öffnungsrichtung
wirkende Druck an den Druckstufen der Düsennadeln abfällt. Im
Steuerraum kann der Druck nicht so schnell abfallen, so dass sich sehr
starke Schließkräfte für die Düsennadeln
ergeben, die den Schließvorgang
beider Düsennadeln beschleunigen,
also verkürzen.
Wesentlich ist hierbei, dass kein zusätzliches Servoventil erforderlich ist,
um die zweite Düsennadel
zum Öffnen
und zum Schließen
anzusteuern.
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Entsprechend
einer vorteilhaften Ausführungsform
kann eine erste Schließfeder
vorgesehen sein, welche zum einen die erste Düsennadel oder den ersten Nadelverband
in Schließrichtung
antreibt und zum anderen direkt oder indirekt den ersten Steuerkolben
in eine Ausgangsstellung antreibt, in der ein axiales Spiel zwischen
erstem Steuerkolben und erster Düsennadel
oder erstem Nadelverband vorliegt. Diese Bauweise hat zur Folge,
dass sich zwischen dem ersten Steuerkolben und der ersten Düsennadel
bzw. dem ersten Nadelverband ein axiales Spiel einstellt, wenn sich
die erste Düsennadel
in ihrer Schließstellung
befindet. Beim Öffnen
der ersten Düsennadel
kann sich diese somit innerhalb des axialen Spiels unabhängig vom
ersten Steuerkolben anheben, wodurch die erste Düsennadel von den im Steuerraum
auf den ersten Steuerkolben einwirkenden Kräften entkoppelt ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung kann der erste Steuerkolben einen ersten
Hubanschlag für
die erste Düennadel
oder den ersten Nadelverband bilden, derart, dass der erste Steuerkolben
in einer Öffnungsstellung
der ersten Düsennadel direkt
an dieser oder am ersten Nadelverband axial zur Anlage kommt. Für den Schließvorgang
bedeutet dies, dass der erste Steuerkolben die im Steuerraum herrschende
Druckkraft direkt an die erste Düsennadel
bzw. an den ersten Nadelverband übertragen kann,
insbesondere ohne Leerhub. Hierdurch wird zum einen ein rasches
Ansprechen der ersten Düsennadel
erreicht, zum anderen kann eine Geräuschentwicklung vermieden werden.
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Bei
einer anderen vorteilhaften Weiterbildung kann der erste Steuerkolben
einer zweiten Hubanschlag für
die zweite Düsennadel
oder den zweiten Nadelverband bilden, derart, dass der erste Steuerkolben
in einer Öffnungsstellung
der zweiten Düsennadel
direkt an dieser oder am zweiten Nadelverband axial zur Anlage kommt.
Auch diese Ausführungsform
gibt zum einen dem ersten Steuerkolben eine Doppelfunktion und gewährleistet
zum anderen ein rasches Ansprechen der zweiten Düsennadel beim Schließen, wobei
auch hier ein Leerhub und somit eine Geräuschentwicklung vermieden werden
kann.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Einspritzdüse ergeben
sich aus den Unteransprüchen,
aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnung.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Einspritzdüse sind
in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert, wobei
sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche
Bauteile beziehen. Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 einen
Längsschnitt
durch eine Einspritzdüse
nach der Erfindung in einer stark vereinfachten Prinzipdarstellung,
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2 und 3 Detailansichten
der Einspritzdüse,
jedoch bei anderen Ausführungsformen..
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Entsprechend 1 besitzt
eine erfindungsgemäße Einspritzdüse 1 einen
Düsenkörper 2,
in dem eine erste Düsennadel
und eine zweite Düsennadel 4 hubverstellbar
angeordnet sind. Der Düsenkörper 2 enthält wenigstens
ein erstes Spritzloch 5 sowie wenigstens ein zweites Spritzloch 6. Üblicherweise
sind mehrere erste Spritzlöcher 5 und/oder mehrere
zweite Spritzlöcher 6 vorgesehen,
die insbesondere bezüglich
einer Längsachse 7 des
Düsenkörpers 2 bzw.
der Düsennadeln 3, 4 symmetrisch, zum
Beispiel sternförmig,
verteilt angeordnet sind. Durch die Spritzlöcher 5, 6 kann
Kraftstoff in einen Einspritzraum 8 eingespritzt bzw. eingedüst werden. der
beispielsweise durch einen Brennraum eines Zylinders, dem die Einspritzdüse 1 zugeordnet
ist, oder durch einen zum jeweiligen Zylinder führenden Gemischbildungsraum
gebildet sein kann.
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Die
erste Düsennadel 3 ist
in einer ersten Nadelführung 9 hubverstellbar
im Düsenkörper 2 gelagert
und dient zum Steuern des wenigstens einen ersten Spritzlochs 5.
Zu diesem Zweck wirkt die erste Düsennadel 3 mit einem
ersten Dichtsitz 10 zusammen, der bezüglich einer Kraftstoffversorgung
der Spritzlöcher 5, 6 stromauf
des wenigstens einen ersten Spritzlochs 5 angeordnet ist.
Die Kraftstoffversorgung umfasst eine Kraftstoffversorgungsleitung 11, die
im Düsenkörper 2 zu
einem Düsenraum 12 führt. Der
Düsenraum 12 führt über einen
Ringraum 13 zu den Spritzlöchern 5, 6.
Im Düsenraum 12 bzw.
im Ringraum 13 besitzt die erste Düsennadel 13 zumindest
eine erste Druckstufe 14, die dadurch ausgebildet ist,
dass eine erste Sitzquerschnittsfläche 15 des ersten
Dichtsitzes 10 kleiner ist als eine erste Führungsquerschnittsfläche 16 der
ersten Nadelführung 9.
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Des
Weiteren ist die erste Düsennadel 3 hier ein
Bestandteil eines ersten Nadelverbands 17, der hier exemplarisch
eine Kopplungshülse 18 sowie
ein zwischen Kopplungshülse 18 und
erster Düsennadel 3 angeordnetes
Zwischenglied 19 umfasst. Die Bestandteile des ersten Nadelverbands 17,
also hier die erste Düsennadel 3,
das Zwischenglied 19 und die Kopplungshülse 18 bilden eine
gemeinsam hubverstellbare Einheit, die zur Übertragung von Druckkräften gestaltet
ist. Grundsätzlich
ist es möglich,
dass die einzelnen Bestandteile des ersten Nadelverbands 17 durch
separate Körper
gebildet sind, die an ihren axialen Stirnseiten lediglich aneinander
anliegen, ohne direkt aneinander befestigt zu sein. Ebenso ist es
grundsätzlich
möglich,
zumindest zwei der einzelnen Komponenten aneinander zu befestigen oder
zu einem integralen Bauteil zusammenzufassen.
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Die
erste Düsennadel 3 bzw.
der erste Nadelverband 17 wirkt mit einer ersten Schließfeder 20 zusammen,
welche die erste Düsennadel 3 in
einer durch einen Pfeil symbolisierten Schließrichtung 21 vorspannt.
Bei der hier gezeigten Ausführungsform stützt sich
die erste Schließfeder 20 dabei
einerseits am Zwischenglied 19 und andereiseits an einem
Mitnehmerring 22 ab, der sich seinerseits über eine
Anschlaghülse 23 am
Düsenkörper 2 abstützt, der
zu diesem Zweck eine entsprechend ausgeformte, hier radial nach
innen vorstehende Schulter 24 aufweist, die als Anschlag
dient. Bei einer alternativen Bauform kann die Anschlaghülse 23 auch
fest mit dem Düsenkörper 2 verbunden
oder integral an diesem ausgeformt sein.
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Des
Weiteren ist die erste Düsennadel 3 als Hohlnadel
ausgebildet, so dass die zweite Düsennadel 4 koaxial
in der ersten Düsennadel 3 angeordnet werden
kann. Die zweite Düsennadel 4 ist
dabei in einer zweiten Nadelführung 25 in
der ersten Düsennadel 3 hubverstellbar
gelagert. Die zweite Düsennadel 4 wirkt
mit einem zweiten Dichtsitz 26 zusammen, der bezüglich der
Kraftstoffversorgung stromab des wenigstens einen ersten Spritzlochs 5,
jedoch stromauf des wenigstens einen zweiten Spritzlochs 6 angeordnet
ist.
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Dementsprechend
dient die zweite Düsennadel 4 zur
Steuerung des wenigstens einen zweiten Spritzlochs 6. An
ihrem, den Spritzlöchern 5, 6 zugewandten
Ende ist die zweite Düsennadel 4 mit
wenigstens einer zweiten Druckstufe 27 versehen, die dadurch
ausgebildet ist, dass eine zweite Sitzquerschnittsfläche 28 des
zweiten Dichtsitzes 26 kleiner ist als eine zweite Führungsquerschnittsfläche 29 der zweiten
Nadelführung 25.
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Die
zweite Düsennadel 4 ist
Bestandteil eines zweiten Nadelverbands 30, der neben der
ersten Düsennadel 4 zumindest
eine Kopplungsstange 31 umfasst. Die Kopplungsstange 31 erstreckt
sich dabei innerhalb der ersten Düsennadel 3 sowie innerhalb
der Kopplungshülse 18.
Des Weiteren ist auch das Zwischenglied 19 als zentral
offener Ringkörper ausgebildet,
so dass sich die Koppungsstange 31 auch koaxial durch das
Zwischenglied 19 erstrecken kann. Auch der zweite Nadelverband 30 bildet
eine auf Druck belastbare gemeinsam hubverstellbare Einheit.
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Die
erfindungsgemäße Einspritzdüse 1 ist außerdem mit
einem Steuerraum 32 ausgestattet, der über eine Drosselleitung 33 mit
einem Druckraum 34 kommuniziert. Die Drosselleitung 33 besitzt
einen vorbestimmten Strömungswiderstand,
der zweckmäßig durch
eine entsprechende Drossel 35 realisierbar ist. Der Druckraum 34 wirkt
mit einer nicht gezeigten Druckerzeugungseinrichtung und/oder Kraftstoffversorgungseinrichtung
zusammen, deren druckerzeugende Wirkung hier durch einen hubverstellbaren Kolben 36 angedeutet
ist. Bei der Druckerzeugungseinrichtung bzw. Kraftstoffversorgungseinrichtung handelt
es sich beispielsweise um eine Kraftstoffhochdruckpumpe, welche
die Einspritzdüse 1 mit dem
benötigten
Kraftstoffhochdruck versorgt. Zweckmäßig handelt es sich somit bei
der hier gezeigten Einspritzdüse 1 um
einen Bestandteil einer sogenannten „Pumpen-Düsen-Einheit". Bei einer Brennkraftmaschine, die
mit einem Pumpen-Düsen-System
zur Kraftstoffeinspritzung arbeitet, ist jedem Zylinder eine eigene
Pumpen-Düsen-Einheit
zugeordnet.
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Der
Druckraum 34 kommuniziert über eine Verbindung 37 mit
der Kraftstoffversorgungsleitung 11, wobei die Verbindung 37 zwischen
den Spritzlöchern 5, 6 und
einem Ventil 38 an die Kraftstoffversorgungsleitung 11 angeschlossen
ist. Das Ventil 38, insbesondere ein Magnetventil, dient
zum Öffnen
und Sperren der Kraftstoffversorgungsleitung 11. Bei geöffnetem
Ventil 38 strömt
der Kraftstoff vom Druckraum 34 durch die Verbindung 37 in
die Kraftstoffversorgungsleitung 11 und von dieser entsprechend
einem Pfeil 39 von den Spritzlöchern 5, 6 weg,
beispielsweise in ein Reservoir, das zweckmäßig durch einen Kraftstofftank
der Brennkraftmaschine gebildet ist. Da das Reservoir vergleichsweise
drucklos ist, kann sich dabei in der Kraftstoffversorgungsleitung 11 kein
Hochdruck aufbauen. Bei geschlossenem Ventil 38 kann der
Kraftstoff nicht in das Reservoir entweichen und strömt dementsprechend
gemäß einem
Pfeil 40 in Richtung der Spritzlöcher 5, 6,
wobei sich gleichzeitig der geforderte Hochdruck einstellt.
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Die
erfindungsgemäße Einspritzdüse 1 ist außerdem mit
einem ersten Steuerkolben 41 sowie mit einem zweiten Steuerkolben 42 ausgestattet.
Der erste Steuerkolben 41 ist als Hohlkolben ausgebildet. Der
zweite Steuerkolben 42 ist koaxial im ersten Steuerkolben 41 angeordnet.
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Der
erste Steuerkolben 41 wirkt mit der ersten Düsennadel 3 bzw.
mit dem ersten Nadelverband 17 zusammen. Zu diesem Zweck
stützt
sich der erste Steuerkolben 41 in der hier gezeigten Ausgangsstellung,
die sich bei geschlossener erster Düsennadel 3 einstellt,
am Mitnehmerring 22 ab, so dass er sich über den
Mitnehmerring 22 und die erste Schließfeder 20 am Zwischenglied 19 und
somit am ersten Nadelverband 17 abstützt. Des Weiteren weist der
erste Steuerkolben 41 an einer von den Spritzlöchern 5, 6 abgewandten
Seite eine erste Steuerfläche 43 auf, die
im Steuerraum 32 angeordnet ist, so dass der im Steuerraum 32 herrschende
Steuerdruck die erste Steuerfläche 43 des
ersten Steuerkolbens 41 in der Schließrichtung 21 beaufschlagt.
Des Weiteren erfolgt die Dimensionierung und die Positionierung
des ersten Steuerkolbens 41 so, dass in der hier gezeigten
Ausgangsstellung des ersten Steuerkolbens 41 ein axiales
Spiel 44 zwischen dem ersten Steuerkolben 41 und
der ersten Düsennadel 3 bzw.
dem ersten Nadelverband 17 ausgebildet ist. Bei der hier
gezeigten Ausführungsform
wird das axiale Spiel 44 durch einen axialen Abstand zwischen
den einander zugewandten axialen Stirnseiten des ersten Steuerkolbens 41 und
der Kopplungshülse 18 realisiert.
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Im
Unterschied dazu liegt der zweite Steuerkolben 42 permanent
an der zweiten Düsennadel 4 bzw.
hier am zweiten Nadelverband 30 an. Das heißt, der
zweite Steuerkolben 42 liegt auf der ihm zugewandten Stirnseite
der Kopplungsstange 31 auf. Der zweite Steuerkolben 42 bildet
dadurch einen Bestandteil des zweiten Nadelverbands 30,
dessen Bestandteile zur Druckübertragung
miteinander zusammenwirken. Dabei gilt auch für den zweiten Nadelverband 30,
dass zumindest zwei seiner Bestandteile aneinander befestigt oder
als integrale Einheit ausgebildet sein können.
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Der
zweite Steuerkolben 42 erstreckt sich durch den ersten
Steuerkolben 41 hindurch ebenfalls in den Steuerraum 32.
Der zweite Steuerkolben 42 besitzt an einer von den Spritzlöchern 5, 6 abgewandten
Seite eine zweite Steuerfläche 45,
so dass auch der zweite Steuerkolben 42 an der zweiten Steuerfläche 45 mit
dem im Steuerraum 32 herrschenden Steuerdruck beaufschlagbar
ist. Die Beaufschlagung des zweiten Steuerkolbens 42 mit
dem Steuerdruck erfolgt dabei nicht direkt, sondern indirekt über einen
Federteller 46, der im Steuerraum 32 hubverstellbar
gelagert ist. Der Federteller 46 füllt bei der hier gezeigten
Ausführungsform
den Querschnitt des Steuerraums 32 aus, besitzt jedoch
zumindest eine Druckausgleichsöffnung 47,
welche die beiden, voneinander abgewandten Axialseiten 48 und 49 des Federtellers 46 miteinander
kommunizierend verbindet. Das heißt, dass durch die wenigstens
eine Duckausgleichsöffnung 47 ein
der einen Axialseite 48 zugewandter Teil des Steuerraums 32 mit
einem der zweiten Axialseite 49 zugewandten Teil des Steuerraums 32 kommunizieren
kann. Dementsprechend herrscht in beiden durch den Federteller 46 voneinander
getrennten Teilen des Steuerraums 32 derselbe Steuerdruck.
Die Druckausgleichsöffnungen 47 sind
dabei so dimensioniert, dass auch bei dynamischen Druckänderungen
im Steuerraum 32 diese im wesentlichen gleichzeitig in
beiden Teilen des Steuerraums 32 vorliegen. Somit herrscht
an beiden Axialseiten 48 und 49 des Federtellers 46 derselbe
Steuerdruck, der im Druckraum 32 über den Federteller 46 auf
die zweite Steuerfläche 45 des
zweiten Steuerkolbens 42 wirkt, da sich der zweite Steuerkolben 42 am
Federteller 46 mit seiner zweiten Steuerfläche 45 abstützt.
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Alternativ
kann die wenigstens eine Druckausgleichsöffnung 47 auch so
ausgelegt werden, dass die Öffnungs-
und Schließgeschwindigkeit
des zweiten Nadelverbands 30 eine gewünschte optimale Geschwindigkeit
erreicht.
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Der
zweiten Düsennadel 4 bzw.
dem zweiten Nadelverband 30 ist eine zweite Schließfeder 50 zugeordnet,
die bei der hier gezeigten Ausführungsform im
Steuerraum 32 angeordnet ist und die. sich einerseits am
Federteller 46 und andererseits an einer Wandung 51 des
Düsenkörpers 2 abstützt, die
den Steuerraum 32 an einer von den Spritzlöchern 5, 6 entfernten
Seite axial begrenzt.
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Die
erfindungsgemäße Einspritzdüse 1 arbeitet
wie folgt:
In dem hier gezeigten Ausgangszustand sind beide Düsennadeln 3, 4 geschlossen,
so dass keine Kraftstoffeinspritzung stattfindet. Das Ventil 38 ist
geöffnet,
so dass ein gegebenenfalls in den Druckraum 34 gefördertes
Kraftstoffvolumen entsprechend dem Pfeil 39 in das Reservoir
entweichen kann.
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Für bestimmte
Betriebszustände
der Brennkraftmaschine kann eine Kraftstoffeinspritzung ausschließlich durch
das wenigstens eine erste Spritzloch 5 erforderlich sein.
Um eine Kraftstoffeinspritzung ausschließlich durch das wenigstens
eine erste Spritzloch 5 zu realisieren, wird das Ventil 38 gesperrt und
in der Folge im Druckraum 34 der Druck auf einen relativ
niedrigen Einspritz-Hochdruck erhöht. Der Druckanstieg im Druckraum 34 pflanzt
sich über
die Kraftstoffversorgungsleitung 11 in den Düsenraum 12 und
in den Ringraum 13 fort, so dass er auch an der wenigstens
einen ersten Druckstufe 14 der ersten Düsennadel 3 wirksam
ist. Die an der wenigstens einen ersten Druckstufe 14 angreifenden
Kräfte
wirken in einer durch einen Pfeil symbolisierten Öffnungsrichtung 52 und
somit entgegen der Schließkraft
der ersten Schließfeder 20.
Bei einem hinreichenden Einspritz-Hochdruck kehrt sich die Kräftebilanz
an der ersten Düsennadel 3 bzw.
am ersten Nadelverband 17 um, so dass eine in Öffnungsrichtung 52 wirkende
resultierende Kraft entsteht. Die erste Düsennadel 3 kann dann
vom ersten Dichtsitz 10 abheben. In der Folge kommuniziert
das wenigstens eine erste Spritzloch 5 mit dem Ringraum 13,
so dass Kraftstoff durch das wenigstens eine erste Spritzloch 5 in
den Brennraum 8 eingedüst
werden kann.
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Sobald
die erste Düsennadel 3 öffnet, kann sich
auch an der wenigstens einen zweiten Druckstufe 27 der
zweiten Düsennadel 4 ein
in Öffnungsrichtung
wirkender Druck aufbauen. Bei dem in diesem Fall eingestellten,
relativ niedrigen Einspritz-Hochdruck bleibt die zweite Düsennadel 4 jedoch
verschlossen, da die in Schließrichtung 21 wirksamen Kräfte, also
die Schließkraft
der zweiten Schließfeder 50 und
die Steuerdruckkraft an der zweiten Steuerfläche 45 noch überwiegen.
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Bei
dem relativ niedrigen Einspritz-Hochdruck wirkt sich der verzögerte Druckaufbau
im Steuerraum 32 nicht oder kaum auf das Öffnungsverhalten
der ersten Düsennadel 3 aus.
Der im Steuerraum 32 herrschende Steuerdruck ist somit
groß genug, um
hinreichende Schließkräfte über den
zweiten Steuerkolben 42 in den zweiten Nadelverband 30 einzuleiten,
so dass die zweite Düsennadel 4 verschlossen
bleibt. Darüber
hinaus ist die erste Düsennadel 3 bzw.
der ersten Nadelverband 17 aufgrund des Axialspiels 44 vom
ersten Steuerkolben 41 entkoppelt, solange die an der ersten
Steuerfläche 43 wirksame
Schließkraft
nicht größer ist
als die von der ersten Schließfeder 20 erzeugte
Schließkraft.
Solange jedenfalls kann der erste Steuerkolben 41 bei einem
Druckanstieg im Steuerraum 32 den Mitnehmerring 22 nicht
in der Schließrichtung 21 antreiben.
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Die Öffnungsbewegung
der ersten Düsennadel 3 bzw.
des ersten Nadelverbands 17 kann durch einen ersten Hubanschlag 53 begrenzt
sein, der hier exemplarisch axial zwischen dem ersten Steuerkolben 41 und
der Kopplungshülse 18 ausgebildet
ist. Das heißt,
der erste Nadelverband 17 kommt am Ende seines Öffnungshubs
am ersten Steuerkolben 41 zur Anlage.
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Alternativ
kann der erste Hubanschlag 53' beispielsweise auch zwischen der
ersten Düsennadel 3 und
einer entsprechenden Schulter 54 des Düsenkörpers 2 ausgebildet
sein. Bei dieser Ausführungsform
ist dann in der Schließstellung
der ersten Düsennadel 3 ein
Axialabstand zwischen der genannten Schulter 54 des Düsenkörpers 2 und
der damit zusammenwirkenden axialen Stirnseite der ersten Düsennadel 3 kleiner
als das Axialspiel 44.
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Zum
Schließen
der ersten Düsennadel 3 wird das
Ventil 38 geöffnet,
so dass der relativ niedrige Einspritz-Hochdruck in der Kraftstoffversorgungsleitung 11 zusammenbricht.
Dementsprechend überwiegen
dann wieder die Schließkräfte im ersten
Düsennadelverband 17,
wodurch dieser in der Schließrichtung 21 angetrieben
wird. Sobald die erste Düsennadel 3 in
ihren ersten Sitz 10 einfährt ist der Einspritzvorgang
beendet. Der verzögerte
Druckabfall im Steuerraum 32 unterstützt hier die Schließbewegung
des ersten Nadelverbands 17 nicht, da die Schließkraft der
ersten Schließfeder 20 groß genug ist,
den ersten Steuerkolben 41 in dessen Ausgangsposition zu
halten.
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Bei
anderen Betriebszuständen
der Brennkraftmaschine kann es erforderlich sein, mehr Kraftstoff
bei einem mittleren Einspritz-Hochdruck nur durch das wenigstens
eine erste Spritzloch 5 einzudüsen. Zu diesem Zweck werden
das Ventil 38 gesperrt und im Druckraum 34 langsam
Hochdruck erzeugt. Der mittlere Einspritz-Hochdruck baut sich dann
in der Kraftstoffversorgungsleiteun 11 auf wodurch zunächst die
erste Düsennadel 3 geöffnet wird. Durch
die langsame Druckerhöhung
im Druckraum 34 baut sich über die Drossel 35 nur
gering verzögert der
Druck im Steuerraum 32 auf.
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Über die
erste Steuerfläche 43 baut
sich über die
Kopplungshülse 18 eine
schließende
Nadelkraft an der ersten Düsennadel 3 auf,
welche kleiner als die öffnende
Nadelkraft ist. Über
die zweite Steuerfläche 45 baut
sich eine schließende
Nadelkraft am zweiten Nadelverband 30 auf, welche mit der
schließend
wirkenden Federvorspannkraft der zweiten Schließfeder 50 größer ist
als die öffnend
wirkenden Kräfte
am zweiten Nadelverband 30. Die zweite Düsennadel 4 öffnet folglich
nicht.
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Zum
Schließen
der ersten Düsennadel 3 wird das
Ventil 38 geöffnet,
so dass der relativ mittlere Einspritz-Hochdruck in der Kraftstoffversorgungsleitung 11 zusammenbricht.
Dementsprechend überwiegen dann
wieder die Schließkräfte im ersten
Nadelverband 17, wodurch dieser in der Schließrichtung 21 angetrieben
wird. Sobald die erste Düsennadel 3 in ihren
ersten Sitz 10 einfährt
ist der Einspritzvorgang beendet. Der verzögerte Druckabfall im Steuerraum 32 unterstützt hier
die Schließbewegung
des ersten Nadelverbands 17. Der Steuerdruck erzeugt über die erste
Steuerfläche 43 eine
schließende
Nadelkraft am ersten Nadelverband 17, welcher die erste
Düsennadel 3 in
den ersten Dichtsitz 10 drückt. Bei weiter abfallendem
Steuerdruck wird über
die erste Schließfeder 20 die
erste Düsennadel 3 im
ersten Dichtsitz 10 gehalten und der erste Steuerkolben 41 in
seine Ausgangsposition bewegt.
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Bei
anderen Betriebszuständen
der Brennkraftmaschine kann es erforderlich sein, mehr Kraftstoff
bei einem mittleren bis hohen Einspritz-Hochdruck sowohl durch das
wenigstens eine erste Spritzloch 5 als auch durch das wenigstens
eine zweite Spritzloch einzudüsen.
Zu diesem Zweck werden das Ventil 38 gesperrt und im Druckraum 34 relativ
mittel bis schnell ein mittlerer bis hoher Hochdruck erzeugt. Der
Einspritz-Hochdruck
baut sich dann in der Kraftstoffversorgungsleitung 11 auf,
wodurch zunächst
die erste Düsennadel 3 geöffnet wird.
Anschließend
baut sich an der wenigstens einen zweiten Druckstufe 27 der
zweiten Düsennadel 4 ebenfalls
der Einspritz-Hochdruck auf. Durch den mittleren bis schnellen Druckaufbau
baut sich über
die Drossel 35 der Druck im Steuerraum 32 nur
verzögert
auf und es werden über
die Steuerflächen 43 und 45 der
Steuerkolben 41 und 42 nur verzögert schließende Kräfte aufgebaut.
Die hierbei entstehenden Öffnungskräfte überwinden
die auf den zweiten Nadelverband 30 einwirkenden Schließkräfte. Somit
kann auch die zweite Düsennadel 4 öffnen.
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Der Öffnungshub
der zweiten Düsennadel 4 wird
durch einen zweiten Hubanschlag 55 begrenzt, der hier zwischen
der Kopplungsstange 31 und dem ersten Steuerkolben 41 ausgebildet
ist. Das heißt,
bei hinreichendem Öffnungshub
kommt der zweite Nadelverband 30 an einer axialen Stirnseite
der Kopplungsstange 31 an der zugewandten axialen Stirnseite
des ersten Steuerkolbens 41 zur Anlage.
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Alternativ
kann der zweite Hubanschlag 55' gemäß 2 auch an
einer Zwischenscheibe 56 ausgestaltet sein. Ebenso kann
der zweite Nubanschlag 55'' gemäß 3 direkt
an der ersten Düsennadel 3 vorgesehen
sein.
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Hierbei
ist von Bedeutung, dass sowohl beim relativ langsamen Einspritz-Hochdruck
Aufbau als auch beim mittleren Einspritz-Hochdruck Aufbau die zeitliche
Verzögerung,
mit der sich der jeweilige Einspritz-Hochdruck über die Drosselleitung 33 auch
im Steuerraum 32 aufbaut, noch vergleichsweise gering ist,
so dass nur vergleichsweise geringe Druckdifferenzen zwischen dem
Druckraum 34 und dem Steuerraum 32 entstehen.
Dementsprechend reagiert die zweite Düsennadel 4 vergleichsweise
langsam auf den ansteigenden Druck an der wenigstens einen zweiten
Druckstufe 27 und öffnet
vergleichsweise spät.
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Demnach
kommt es zwischen Steuerraum 32 und Druckraum 34 zu
einer kleinen bis mittleren Druckdifferenz, so dass zum Öffnen der
zweiten Düsennadel 4 neben
der Schließkraft
der zweiten Schließfeder 50 auch
eine an der zweiten Steuerfläche 45 angreifende
erhöhte
Schließkraft
aufgrund des erhöhten
Steuerdrucks im Steuerraum 32 überwunden werden muss. Bei
niedrigen und mittleren Einspritz-Hochdrücken wirkt somit der im Steuerraum 32 ansteigende
Steuerdruck einer raschen Öffnungsbewegung
der zweiten Düsennadel 4 entgegen.
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Zum
Beenden des Einspritzvorgangs wird das Ventil 38 wieder
geöffnet,
so dass der mittlere Einspritz-Hochdruck in der Kraftstoffversorgungsleitung 11 zusammenbricht.
Dementsprechend überwiegen
sowohl am ersten Nadelverband 17 als auch am zweiten Nadelverband 30 die
in Schließrichtung 21 wirksamen
Kräfte,
so dass beide Düsennadeln 3 und 4 in
der Folge schließen.
Durch den verzögerten Druckabbau
im Steuerraum 32 wird der Schließvorgang der beiden Düsennadeln 3, 4 unterstützt.
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Bei
anderen Betriebszuständen
der Brennkraftmaschine kann es erforderlich sein, bei einem relativ
hohen Einspritzdruck sowohl durch das wenigstens eine erste Spritzloch 5 als
auch durch das wenigstens eine zweite Spritzloch 6 Kraftstoff
in den Brennraum 8 viel Kraftstoff schnell einzudüsen. Beispielsweise
arbeitet die Brennkraftmaschine dann bei vergleichsweise hohen Drehzahlen,
so dass es in Verbindung mit dem relativ hohen Einspritzdruck wünschenswert
ist, für
beide Düsennadeln 3 und 4 sowohl
extrem kurze Öffnungszeiten
als auch extrem kurze Schließzeiten
zu erzielen.
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Zum Öffnen der
Düsennadeln 3, 4 wird
auch hier das Ventil 38 gesperrt und im Druckraum 34 der gewünschte,
relativ hohe Einspritz-Hochdruck erzeugt. Dieser hohe Einspritz-Hochdruck
pflanzt sich über
die Kraftstoffversorgungsleitung 11 an die wenigstens eine
erste Druckstufe 14 der ersten Düsennadel 3 fort. Da
die erste Düsennadel 3 so
ausgelegt ist, dass sie bereits bei einem relativ niedrigen Einspritz-Hochdruck öffnet, reagiert
diese sofort und öffnet
sehr früh.
Nach dem Öffnen
der ersten Düsennadel 3 steigt
auch an der wenigstens einen zweiten Druckstufe 27 der
zweiten Düsennadel 4 der
Druck an. Dabei steigt der Kraftstoffdruck an der wenigstens einen
zweigen Druckstufe 27 der zweiten Düsennadel 4 deutlich
schneller an als im Steuerraum 32, der über die Drosselleitung 33 mit
dem Druckraum 34 verbunden ist. Dadurch stellt sich eine
relativ große
Druckdifferenz zwischen Druckraum 34 und Steuerraum 32 ein,
bei der sich die gedrosselte Verbindung besonders deutlich auswirkt.
Die in Schließrichtung 21 wirksamen
Kräfte
am zweiten Nadelverband 30 sind im wesentlichen nur die
Schließkraft
der zweiten Schließfeder 50 sowie
die Druckkraft an der zweiten Steuerfläche 35 des noch niedrigen
Steuerdrucks im Steuerraum 32. Demnach kann der sich an der
zweiten Druckstufe 27 aufbauende Kraftstoff-Hochdruck sehr
schnell die Schließkräfte des zweiten
Nadelverbands 30 übersteigen,
so dass auch die zweite Nadel 4 sehr schnell reagiert und öffnet.
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Bei
hinreichend langer Öffnungszeit
stellt sich der hohe Einspritzdruck des Druckraums 34 verzögert über die
Drosselleitung 33 auch im Steuerraum 32 ein.
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Soll
nun der Einspritzvorgang beendet werden, wird das Ventil 38 geöffnet und
der hohe Einspritzdruck im Druckraum 34 fällt ab.
Dieser Druckabfall pflanzt sich dann sofort an die Druckstufen 14 und 27 der
Düsennadeln 3 und 4 fort,
so dass die in Öffnungsrichtung
wirksamen Kräfte
an den Nadelverbänden 17 und 30 wegfallen.
Gleichzeitig stellt sich zwischen Steuerraum 32 und Druckraum 34 aufgrund
der Drossel 35 eine vergleichsweise große Druckdifferenz ein, so dass
nun sowohl an der ersten Steuerfläche 43 als auch an
der zweiten Steuerfläche 45 der
noch relativ große
Steuerdruck des Steuerraums 32 angreift und dementsprechend
große Schließkräfte in den
ersten Steuerkolben 41 und in den zweiten Steuerkolben 45 einleitet.
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Dies
hat zur Folge, dass sich der erste Steuerkolben 41 in Schließrichtung 21 in
Bewegung setzt. Sofern der erste Steuerkolbenen 41 wie
hier den zweiten Hubanschlag 55 für die zweite Düsennadel 4 bildet,
nimmt er dabei den zweiten Nadelverband 30 mit. Oder er
wird über
den alternativen zweiten Hubanschlag 55' oder 55'' mitgenommen.
Des Weiteren kann der erste Steuerkolben 41 gleichzeitig
den ersten Hubanschlag 53 für die erste Düsennadel 3 bilden,
so dass er bei seiner Schließbewegung
auch den ersten Nadelverband 17 mitnimmt. Sofern zwischen
dem ersten Steuerkolben 41 und der Kopplungshülse 18 noch
ein verbleibendes Axialspiel vorhanden ist, führt der erste Steuerkolben 41 hinsichtlich
des ersten Nadelverbands 17 zuerst einen relativ kleinen
Leerhub aus und nimmt erst dann den ersten Nadelverband 17 mit.
Durch den hohen Druck im Steuerraum 32 können somit
die beiden Düsennadeln 3, 4 bzw.
die beiden Nadelverbände 17, 30 über die
Steuerkolben 41, 42 impulsartig in die Schließrichtung 21 angestoßen werden,
was zur Erzielung sehr kurzer Schließzeiten für beide Düsennadeln 3, 4 führt. Durch
die Hubbewegung der Steuerkolben 41, 42 und durch
die Drossel 35 wird der Steuerdruck im Steuerraum 32 entlastet.
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Die
impulsartige oder schlagartige Beschleunigung durch den hohen Steuerdruck
hauptsächlich an
der ersten Steuerfläche 43 und
zusätzlich
an der zweiten Steuerfläche 45 überwindet
die Trägheitskräfte zur
Beschleunigung der Nadelverbände 17, 30 und
ermöglicht
dadurch extrem kurze Schließzeiten, auch
wenn der Steuerdruck im Steuerraum 32 durch die Axialverstellung
des ersten Steuerkolbens 41 abnimmt. Wichtig ist außerdem,
dass die extrem kurzen Schließzeiten
umso kürzer
werden, je höher
der jeweilige Einspritz-Hochdruck gewählt wird. Bei mittleren und
kleineren Einspritz-Hochdruck
Anderungen wirkt sich der Verzögerungseffekt
aufgrund der Drosselleitung 33 für die Zunahme bzw. für die Abnahme des
Steuerdrucks im Steuerraum 32 nicht oder nicht deutlich
aus, was für
die jeweiligen Betriebszustände der
Brennkraftmaschine auch erwünscht
ist. Besonders vorteilhaft ist bei der erfindungsgemäßen Einspritzdüse 1,
das beide Düsennadeln 3, 4 durch
den Einspritzdruck gesteuert sind, so dass keine Servosteuerung
erforderlich ist. Der Aufwand zur Realisierung der erfindungsgemäßen Einspritzdüse 1 ist demnach
vergleichsweise gering.
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Beim
Schließen
der Düsennadeln 3 und 4 nimmt
der erste Steuerkolben 41 neben den beiden Nadelverbänden 17, 30 außerdem den
Mitnehmerring 22 mit, wobei er gleichzeitig die erste Schließfeder 20 zusätzlich spannt.
Hierdurch vergrößert sich die
Schließkraft
der ersten Schließfeder 20,
so dass beim Nachlassen der Schließkraft des ersten Steuerkolbens 41 insgesamt
noch immer eine erhöhte Schließkraft am
ersten Nadelverband 17 angreift, um die erste Düsennadel 3 möglichst
schnell zu schließen.
Wichtig für
eine schnelle Beendigung des Einspritzvorgangs ist vor allem ein
schnelles Schließen der
ersten Düsennadel 3.
Denn sobald die erste Düsennadel 3 geschlossen
ist, ist auch das wenigstens eine zweite Spritzloch 6 von
der Kraftstoffzufuhr getrennt, so dass die Kraftstoffeinleitung
durch das wenigstens eine zweite Spritzloch 6 beendet ist,
auch wenn die zweite Düsennadel 4 noch
nicht in den zweiten Dichtsitz 26 eingefahren ist.
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Sobald
durch die Drosselleitung 33 der Steuerdruck hinreichend
abfällt,
kann die erste Schließfeder 20 über den
Mitnehmerring 22 den ersten Steuerkolben 41 wieder
in seine Ausgangslage gemäß 1 zurücktreiben.
Das Ende der Rückstellbewegung
wird dann erreicht, wenn der Mitnehmerring 22 an der Anschlaghülse 23 und
diese an der Schulter 24 zur Anlage kommt.
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- 1
- Einspritzdüse
- 2
- Düsenkörper
- 3
- erste
Düsennadel
- 4
- zweite
Düsennadel
- 5
- erstes
Spritzloch
- 6
- zweites
Spritzloch
- 7
- Längsachse
- 8
- Brennraum
- 9
- erste
Nadelführung
- 10
- erster
Dichtsitz
- 11
- Kraftstoffversorgungsleitung
- 12
- Düsenraum
- 13
- Ringraum
- 14
- erste
Druckstufe
- 15
- erste
Sitzquerschnittsfläche
- 16
- erste
Führungsquerschnittsfläche
- l7
- erster
Nadelverband
- 18
- Kopplungshülse
- 19
- Zwischenglied
- 20
- erste
Schließfeder
- 21
- Schließrichtung
- 22
- Mitnehmerring
- 23
- Anschlaghülse
- 24
- Schulter
- 25
- zweite
Nadelführung
- 26
- zweiter
Dichtsitz
- 27
- zweite
Druckstufe
- 25
- zweite
Sitzquerschnittsfläche
- 29
- zweite
Führungsquerschnittsfläche
- 30
- zweiter
Nadelverband
- 31
- Kopplungsstange
- 32
- Steuerraum
- 33
- Drosselleitung
- 34
- Druckraum
- 35
- Drossel
- 36
- Kolben
- 37
- Verbindung
- 38
- Ventil
- 39
- Druckabfallrichtung
- 40
- Druckanstiegsrichtung
- 41
- erster
Steuerkolben
- 42
- zweiter
Steuerkolben
- 43
- erste
Steuerfläche
- 44
- Axialspiel
- 45
- zweite
Steuerfläche
- 46
- Federteller
- 47
- Druckausgleichsöffnung
- 48
- Axialseite
von 46
- 49
- Axialseite
von 46
- 50
- zweite
Schließfeder
- 51
- Wandabschnitt
- 52
- Öffnungsrichtung
- 53
- erster
Hubanschlag
- 54
- Stufe
- 55
- zweiter
Hubanschlag
- 56
- Zwischenscheibe