DE19539798A1 - Einspritzdüse einer Hubkolben-Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einspritzdüse einer Hubkolben-Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Nach außen oder nach innen öffnende Einspritzdüsen zur Einbringung von Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine sind grundsätzlich bekannt. Beide Typen sind z. B. in dem SAE-Paper 900821 für direkt einspritzende Dieselbrennkraftmaschinen offenbart. Aus der EP 04 60 381 B1 ist eine nach außen öffnende, gattungsgemäße Einspritzdüse bekannt, die im wesentlichen aus einem Düsenkörper, einer darin entlang einer Mittellängs­ achse axial beweglichen Steuernadel und einer diese koaxial umgebenden Hülse besteht, wobei sowohl die Steuernadel wie auch die Hülse im Bereich des einer Brennkammer zu­ gewandten Einspritzdüsenmundes jeweils einen Dichtsitz mit dem Düsenkörper bilden. Zwischen der Hülse und dem Düsenkörper ist ein kreisringförmiger Speicherraum zur Zufuhr von Kraftstoff ausgebildet. Nach dem Abheben der Hülse von ihrem Dichtsitz nach innen und dem Öffnen der Düsennadel nach außen in Richtung auf den Brennraum hin wird Kraftstoff in mehreren Einzelstrahlen abgespritzt.

Insbesondere bei direkt einspritzenden Brennkraftmaschinen jedweder Art ist die Gestal­ tung des dem Brennraum zugewandten Einspritzdüsenmundes deswegen problematisch, weil aus sogenannten Schadräumen gegen Ende der Verbrennung unkontrolliert Kraftstoff in den Brennraum ausdampft. Diese Problematik ist in dem zuvor zitierten SAE-Paper be­ schrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einspritzdüse einer Hubkolben-Brennkraft­ maschine zu schaffen, welche brennraumseitig keinerlei Schadraum aufweist, aus welchem während und nach der Verbrennung Kraftstoff unkontrolliert abtropfen bzw. ausdampfen kann.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen benannt.

Wenn bei einer gattungsgemäßen Einspritzdüse die brennraumseitige Austrittsöffnung von einem zur Mittellängsachse rotationssymmetrischen Wulst umgeben ist, an dessen vom Brennraum abgewandter Innenfläche unmittelbar an die Austrittsöffnung grenzend der Dichtsitz der nach innen öffnenden Düsennadel angeordnet ist und koaxial unmittelbar be­ nachbart dazu der Dichtsitz der ortsfesten Hülse angeordnet ist, welche benachbart zum Wulst mit strahlbildenden Kanälen für den Kraftstoff versehen ist, die bei vom Dichtsitz ab­ gehobener Düsennadel freigegeben werden, so ist durch die, in Strömungsrichtung des Kraftstoffes gesehen, Reihenschaltung von Speicherraum, strahlbildenden Kanälen und Dichtsitz der Düsennadel gewährleistet, daß bei schließender Düsennadel zunächst die Austrittsquerschnitte der Kanäle von dieser geschlossen werden und anschließend die Düsennadel auf ihrem Dichtsitz aufsetzt. Schadräume, aus denen nach dem Schließen der Düsennadel Kraftstoff austropfen oder nachlaufen könnte, sind nicht vorhanden.

Systembedingt treten bei dieser Einspritzdüse die Einspritzstrahlen nicht wie beim Stand der Technik von einem koaxial zur Mittellängsachse liegenden Kreis ausgehend in den Brennraum ein, sondern sind von diesem Kreis ausgehend zunächst einwärts gerichtet und verlassen, den Einspritzdüsenmund kreuzend, die Einspritzdüse auswärts gerichtet bezüg­ lich der Mittellängsachse. Um hierin vorteilhafter Ausgestaltung eine optimale Strahlbildung und eine Kollision zwischen einzelnen Kraftstoffstrahlen zu vermeiden, sind die Kanäle so in der Hülse angeordnet, daß die durch sie gebildeten Einzelstrahlen an der Mittellängsachse vorbeiweisend durch den Einspritzdüsenmund hindurchtreten. Die Längsrichtung der Kanä­ le ist dabei so in Richtung auf den Brennraum geneigt, daß der Winkel zwischen der ge­ dachten, senkrechten Projektion der Mittellängsachse auf eine zu dieser Achse parallelen, den jeweiligen Kanal aufnehmenden Ebene und der gedachten Verlängerung dieses Kana­ les größer ist als der Winkel des kegeligen Dichtsitzes der Steuernadel und als der Winkel des Dichtsitzes der Hülse.

Eine besonders einfach herzustellende Konfiguration kann durch eine rotationssymmetri­ sche Anordnung der Kanäle in der Hülse derart erzielt werden, daß bei einer gedachten Rotation der Kanäle um die Mittellängsachse, die austretenden Einzelstrahlen einen ein­ schaligen Rotationshyperboloiden beschreiben, dessen imaginäre Nebenachse auf der Mittellängsachse liegt und dessen Hauptachse zum Brennraum hin beabstandet zur Aus­ trittsöffnung verläuft. Dabei ist der Wulst vollständig im Ringbereich dieses gedachten Rotationshyperboloiden ausgebildet. Hierdurch ist gewährleistet, daß die Einzelstrahlen kreuzend, aber einander nicht durchdringend abgespritzt werden können und keinerlei Teile des Düsenmundes berühren.

Die Kanäle können als allseitig von der Hülse umschlossen benachbart des Wulstes in der Hülse angeordnet sein oder aber als U-förmige Ausnehmung in der dem Dichtsitz zu­ gewandten Dichtfläche dieser Hülse ausgebildet sein, so daß ihre offene Stelle von dem Dichtsitz verschlossen ist. Ebenso ist eine Kombination aus beiden Kanalausbildungen denkbar; wobei eine zweistufige Einspritzdüse realisierbar ist.

Der Aufbau der vorbeschriebenen Einspritzdüse ist vergleichsweise einfach und daher kostengünstig und weist im wesentlichen rotationssymmetrisch zu bearbeitende Teile auf Die Hülse ist direkt auf die Düsennadel geschoben und wird durch eine sich an einem Bund dieser Düsennadel abstützende Feder auf ihren Dichtsitz gepreßt. Alternativ können Hülse und Düsenkörper einstückig hergestellt oder miteinander fest verbunden sein. Pflege und Wartung ist aufgrund der relativ einfachen Geometrie in einfacher Weise möglich.

Die Winkellage der Einzelstrahlen zur Düsenachse und damit zu einer Brennraummulde in einem Hubkolben steht in dem zuvor genannten geometrischen Zusammenhang zum Sitz­ winkel der Düsennadel, beide können aber in funktionsoptimierender Weise variiert werden.

Im Betrieb der Einspritzdüse kann es sich für die Öffnungs- und Schließphase der Düsen­ nadel, also für den Einspritzbeginn und für das Einspritzende als vorteilhaft erweisen, in einer modifizierten Ausführungsform der Einspritzdüse einen zweistufigen Druckaufbau vorzusehen. Zu diesem Zwecke weist die Hülse einen sich radial bis an den Düsenkörper erstreckenden Abschnitt auf welcher den Speicherraum in einen oberen und einen unteren Speicherraum trennt. Eine an der Steuernadel ausgebildet Steuerkante ist derart ange­ ordnet, daß bei anliegendem Kraftstoffdruck die Steuernadel zunächst von ihrem Sitz die Abspritzöffnungen freigebend abhebt, wobei jedoch mittels dieser Steuerkante der mit dem Kraftstoffzulauf verbundene obere Speicherraum gegenüber dem unteren abgesperrt bleibt. Überschreitet der Weg der Steuernadel einen bestimmten Hub, gibt diese Steuerkante den Kraftstoffdruck frei, so daß dieser ungehindert vom oberen in den unteren Druckraum und von dort zu den in der Hülse ausgebildeten Kanälen gelangen kann. Hierdurch ist vermieden, daß unmittelbar nach dem Abheben der Steuernadel Kraftstoff aus dem Speicherraum durch die dann erst teilweise freigegebenen Kanäle derart abgespritzt wird, daß er mit Flächen des Einspritzdüsenmundes kollidiert und in unkontrollierter Weise zerstäubt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Einspritzdüse,

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht des Einspritzdüsenmundes gemäß Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III gemäß Fig. 1,

Fig. 4 einen schematischen Querschnitt durch eine modifizierte Einspritzdüse und

Fig. 5 einen Schnitt entlang der Linie V-V gemäß Fig. 4.

Eine Einspritzdüse für eine nicht gezeigte, direkt einspritzende Hubkolben-Brennkraft­ maschine vom Dieseltyp ist im wesentlichen aus einem Düsenkörper 1, einer darin entlang einer Mittellängsachse M axial beweglichen Steuernadel 2 und einer diese koaxial um­ gebenden Hülse 3 gebildet. Ein brennraumseitiger Einspritzdüsenmund 4 weist eine Aus­ trittsöffnung 5 sowie einen zur Achse M rotationssymmetrischen und diese Öffnung 5 um­ gebenden Wulst 6 auf. Dessen vom Brennraum abgewandte Innenfläche 7 trägt einen Dichtsitz 8 für die Steuernadel 2 und einen weiteren Dichtsitz 9 für die Hülse 3. Die Hülse 3 ist von einem ringförmigen Speicherraum 10 zur Zufuhr von Kraftstoff umgeben, wobei die­ ser einen Zulauf 11 aufweist, der mit einer nicht gezeigten Hochdruckkraftstoffversorgung verbunden ist.

Die Steuernadel 2 weist einen Bund 12 auf an welchem sich ein Federelement 13 abstützt, daß die Hülse 3 auf ihren Dichtsitz 9 preßt.

Am brennraumseitigen Ende weist die Steuernadel 2 einen kegelstumpfförmigen Abschluß 14 auf mit welchem sie im geschlossenen Zustand auf dem Dichtsitz 8 aufliegt. Koaxial außen und unmittelbar benachbart dazu liegend ist der Dichtsitz 9 für die Hülse 3 angeord­ net. Von ihrer diesem Dichtsitz 9 zugewandten Dichtfläche 15 ausgehend, weist die Hülse 3 mehrere als nahezu U-förmige Ausnehmung ausgebildete, strahlbildende Kanäle 16 auf welche eintrittsseitig mit dem Speicherraum 10 verbunden sind und austrittsseitig bei abge­ senkter Steuernadel 2 von einer zylindrischen Außenfläche 17 dieser Nadel 2 verschlossen ist.

Anhand der rechten Hälfte der Fig. 2 werden die Kanäle 16 und deren Lage näher be­ schrieben. Ein dem Speicherraum 10 zugewandter Eintrittsquerschnitt 18 eines Kanales 16 ist aus der Zeichnungsebene herausgedreht dargestellt. Die Steuernadel 2 ist um ihren Nadelhub 19 verschoben in der geöffneten Stellung strichpunktiert dargestellt. Kraftstoff wird aus dem Speicherraum 10 durch die Kanäle 16 gepreßt und in Form von Einzelstrah­ len 20 dem Brennraum zugeführt. Als gedachte Verlängerungen der Kanäle 16 sind die Einzelstrahlen 20 begrenzende Strahlen 21 eingezeichnet.

In jeweils einer Ebene E1, E2, E3, E4 ist ein Kanal 16 angeordnet, wobei diese in einem geringen Abstand an der Mittellängsachse M vorbeiweisen. Zwischen der senkrechten Projektion dieser Mittellängsachse M auf die jeweilige Ebene E1 bis E4 und der gedachten Verlängerung jedes Kanales 16 stellt sich durch die geneigte Kanalanordnung ein Winkel 22 mit einem Wert ein, welcher größer ist als derjenige des Nadelsitzwinkels 23 und des Hülsensitzwinkels 24.

Bei einer gedachten Rotation der Kanäle 16 um die Mittellängsachse M beschreiben die Einzelstrahlen 20 einen einschaligen Rotationshyperboloiden 25, dessen imaginäre Neben­ achse N auf der Mittellängsachse M und dessen Hauptachse H zum Brennraum hin be­ abstandet zur Austrittsöffnung 5 liegt.

Der Wulst 6 ist dabei vollständig im ringförmigen Teil des gedachten Rotationshyperboloi­ den 25 ausgebildet. Der Dichtsitz 9 der Hülse 3 ist auf der in diesem Bereich nahezu gerad­ linig verlaufenden Hyperboloid-Schale angeordnet, während der Dichtsitz 8 bezüglich dieser Schale nach innen abknickend verlaufend angeordnet ist. Diese Anordnung gewährleistet, daß die Einzelstrahlen 20 nach ihrem Austritt bei entsprechend angehobener Steuernadel 2 aus den Kanälen 16 frei und ungehindert durch die Austrittsöffnung 5 in den Brennraum gelangen, ohne mit dieser Öffnung 5 oder einer dem Brennraum zugewandten Kegelfläche 26 des Wulstes 6 zu kollidieren.

Ein durch Druckschwingungen verursachtes unerwünschtes, nachträgliches Öffnen der Einspritzdüse durch erneutes Anheben der Steuernadel 2 kann bei diesem nach innen öff­ nenden Typ durch bekannte und übliche Maßnahmen am Einspritzsystem, wie z. B. Ent­ lastungsvolumen, in einfacherer Weise unterbunden werden als bei dem nach außen öff­ nenden Düsentyp.

Bei einer modifizierten Einspritzdüse gemäß Fig. 4 und 5 weist die Hülse 3 einen sich radial bis zum Düsenkörper 1 erstreckenden Abschnitt 27 auf welcher im wesentlichen aus zwei kreisrunden, umlaufenden Dichtbereichen 28 und 29 gebildet ist.

Dieser Abschnitt 27 teilt den Speicherraum 10 in einen oberen Speicherraum 30 und einen unteren Speicherraum 31.

Von dem Abschnitt 27 aus erstrecken sich in Richtung auf den Zulauf 11 vier symmetrisch auf einem Umfang verteilte finnenartige Ansätze 32, welche vier damit korrespondierende Durchströmkanäle 33 für Kraftstoff bilden.

Benachbart zu dem die Ansätze 32 tragenden Dichtbereich 28 weist die Steuernadel 2 eine Steuerkante 34 auf wodurch sich entlang der Steuernadel 2 ein mit einem reduzierten Durchmesser versehener Steuernadelabschnitt 35 einstellt.

Zwischen dem dem Wulst 6 zugewandten Dichtbereich 29 und der Dichtfläche 15 weist die Hülse 3 im Bereich des Steuernadelabschnittes 35 vier auf ihrem Umfang verteilte Rippen 36 auf wodurch sich zwischen diesen Rippen den Durchströmkanälen 33 vergleichbare Abströmkanäle bilden.

Benachbart zur Dichtfläche 15 ist die Hülse 3 wieder vollflächig an der Außenfläche 17 der Steuernadel 2 anliegend ausgebildet, wobei eine den Steuernadelabschnitt 35 begrenzen­ de Konusfläche 37 den ursprünglichen Durchmesser der Steuernadel 2 herstellt.

Im geschlossenen Zustand taucht die Steuerkante 34 um ein bestimmtes Maß in den Dicht­ bereich 28 ein, wodurch der untere Speicherraum 31 gegenüber dem den Kraftstoff zufüh­ renden oberen Speicherraum 30 verschlossen ist. Bei ausreichendem Kraftstoffdruck hebt die Steuernadel 2 von ihrem Dichtsitz 8 ab, wobei die Kraftstoffzufuhr dabei so lange unter­ brochen ist, wie die Steuerkante 34 im Dichtbereich 28 läuft. Nachdem die Eintrittsquer­ schnitte 18 der Kanäle 16 vollständig freigegeben sind, erreicht die Steuerkante 34 die Ansätze 32, so daß der Kraftstoff durch die Durchströmkanäle 33 entlang dem Steuernadel­ abschnitt 35 zwischen den Rippen 36 hindurch in den unteren Speicherraum 31 und zu den Kanälen 16 zwecks Abspritzung gelangen kann.

Infolge dieses gestuften Druckaufbaus bilden sich die Einzelstrahlen 20 schlagartig mit dem vollen Einspritzdruck aus, wobei zu diesem Zeitpunkt der zuvor auf dem Dichtsitz 8 auf­ liegende konische Dichtsitzbereich der Steuernadel 2 bereits soweit abgehoben hat, daß eine Kollision der Einzelstrahlen 20 mit der Steuernadel 2 sicher vermieden ist.

Claims (12)

1. Einspritzdüse einer Hubkolben-Brennkraftmaschine, die im wesentlichen aus einem Düsenkörper; einer darin axial entlang einer Mittellängsachse beweglichen Steuer­ nadel und einer diese koaxial umgebenden Hülse besteht, wobei sowohl die Steuer­ nadel wie auch die Hülse im Bereich eines Einspritzdüsenmundes jeweils einen Dichtsitz mit dem Düsenkörper bilden, und mit einem zwischen Düsenkörper und Hülse ausgebildeten, ringförmigen Speicherraum zur Zufuhr von Kraftstoff welcher nach dem Abheben der Steuernadel von ihrem Dichtsitz in mehreren Einzelstrahlen in Richtung auf einen Brennraum abgespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine brennraumseitige Austrittsöffnung (5) von einem zur Mittellängsachse (M) rotationssymmetrischen Wulst (6) umgeben ist, an dessen vom Brennraum abgewandter Innenfläche (7) an die Austrittsöffnung (5) grenzend der Dichtsitz (8) der nach innen öffnenden Steuernadel (2) und koaxial unmittelbar benachbart dazu der Dichtsitz (9) der ortsfesten Hülse (3) angeordnet ist, welche benachbart zum Wulst (6) mit strahlbildenden Kanälen (16) für Kraftstoff ver­ sehen ist, die bei vom Dichtsitz (8) abgehobener Steuernadel (2) freigegeben sind.

2. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kanal (16) in geringem Abstand an der Mittellängsachse (M) vorbeiweisend in einer Ebene (E1, E2, E3, E4) angeordnet ist, in welcher der Winkel (22) zwischen der gedachten, senkrech­ ten Projektion der Mittellängsachse (M) und der gedachten Verlängerung des Kanales (16) größer ist als derjenige des Nadelsitzwinkels (23) und des Hülsensitzwinkels (24).

3. Einspritzdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer gedachten Rotallon der Kanäle (16) um die Mittellängsachse (M) die austretenden Einzelstrahlen (20) einen einschaligen Rotationshyperboloiden (25) beschreiben, dessen imaginäre Nebenachse (N) auf der Mittellängsachse (M) und dessen Hauptachse (H) zum Brennraum hin beabstandet zur Austrittsöffnung (5) verläuft.

4. Einspritzdüse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wulst (6) vollständig im ringförmigen Teil des gedachten Rotationshyperboloiden (23) ausgebildet ist und der Dichtsitz (9) der Hülse (3) auf der in diesem Bereich nahezu geradlinig verlaufenden Hyperboloid-Schale angeordnet ist.

5. Einspritzdüse nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (16) von der dem Dichtsitz (9) zugewandten Dicht­ fläche (15) der Hülse (3) ausgehend als nahezu U-förmige Ausnehmung ausgebildet sind, deren offene Seite von dem Dichtsitz (9) verschlossen ist.

6. Einspritzdüse nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (16) allseitig von der Hülse (3) umschlossen ausgebildet sind.

7. Einspritzdüse nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen Vorhub der Steuernadel (3) zunächst die als U-förmige Ausnehmung ausgebildeten und anschließend die allseitig von der Hülse (3) umschlossenen Kanäle (16) freigegeben werden.

8. Einspritzdüse nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (3) federbelastet auf dem Dichtsitz (9) gepreßt an­ geordnet ist, wobei sich das Federelement (13) an einem Bund (12) der Steuernadel (2) abstützt.

9. Einspritzdüse nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Hülse (3) und Düsenkörper (1) einstückig ausgebildet sind.

10. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (3) einen sich radial bis zum Düsenkörper (1) erstreckenden Abschnitt (27) aufweist, welcher den Speicherraum (10) in einen oberen, mit einem Zulauf (11) für Kraftstoff verbunde­ nen Speicherraum (30) und einen unteren, dem Einspritzdüsenmund (4) zugeord­ neten Speicherraum (31) flüssigkeitsdicht trennt.

11. Einspritzdüse nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuernadel (2) einen mit einem verringerten Durchmesser versehenen Steuernadelabschnitt (35) aufweist, wobei eine diesen begrenzende Steuerkante (34) bei geschlossener Einspritzdüse innerhalb des Abschnittes (27) angeordnet ist.

12. Einspritzdüse nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (3) zwischen dem Abschnitt (27) und ihrem Dichtsitz (15) Rippen (36), Abströmkanäle zwischen sich belassend, aufweist.