DE19826107A1 - Einspritzdüse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einspritzdüse für die direkte Einspritzung von Kraftstoff in den Zylinder einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, aufweisend:

• - eine Düsennadel, die axial zwischen einer ersten Stellung, in der sie Einspritzöffnungen verschießt, und einer zweiten Stellung, in der sie diese freigibt, beweglich ist;
• - einen mit der Düsennadel in Verbindung stehenden Kolben, der in einem Steuerraum axial beweglich angeordnet ist, und der bei Beaufschlagung des Steuerraumes die Düsennadel in die erste Stellung drückt;
• - eine erste Drossel, über die der Steuerraum mit einer Zufuhrleitung für Hochdruckkraft­ stoff in Verbindung steht;
• - eine zweite Drossel, über die der Steuerraum mit einem Leckölanschluß in Verbindung steht;
• - einem Steuerventil, das in der vom Steuerraum wegführenden Leckölleitung vorgesehen ist.

Es werden in zunehmendem Maße Einspritzsysteme für Brennkraftmaschinen verwendet, die nach dem sogenannten Common-Rail-Prinzip arbeiten. Solche Einspritzsysteme sind so auf­ gebaut, daß für alle Zylinder eine gemeinsame Hochdruckpumpe vorgesehen ist, die Kraft­ stoff über eine gemeinsame Verteilerleiste mit Einspritzdruck den einzelnen Einspritzdüsen zuführt. Jede Einspritzdüse ist dabei mit einem Steuerventil, zumeist einem elektromagneti­ schen Ventil ausgestattet, um den Einspritzbeginn und das Einspritzende zu steuern.

Aus der DE-A 1 96 12 738 ist ein Speichereinspritzsystem einer solchen Art bekannt, bei dem die Düsennadel mit einem Steuerkolben in Verbindung steht, der in einem Steuerraum ange­ ordnet ist. Kraftstoff, der unter Einspritzdruck steht, wird dabei über eine erste Drossel in die­ sen Steuerraum zugeführt. Der unter Hochdruck stehende Kraftstoff im Steuerraum drückt den Steuerkolben nach unten und somit die Düsennadel in ihre geschlossene Stellung. Ein elektromagnetisches Ventil steuert eine weitere Öffnung in dem Steuerraum, die mit einer Leckölleitung verbunden ist. Wenn das elektromagnetische Ventil öffnet, dann wird der Kraftstoff im Steuerraum über eine zweite Drossel in das Leckölsystem geleitet. Der Druck im Steuerraum fällt dadurch ab, und der Steuerkolben kann sich nach oben bewegen, um der Ventilnadel die Öffnung zu erlauben. Der Durchströmquerschnitt der zweiten Drossel ist dabei etwas größer ausgeführt als der der ersten Drossel, um bei geöffnetem elektromagneti­ schem Ventil einen starken Druckabfall im Steuerraum zu bewirken.

Bei einer solchen bekannten Lösung kann in bestimmten Grenzen die Öffnungs- und Schließ­ geschwindigkeit der Düsennadel durch Bemessung der beiden Drosseln eingestellt werden. Die Schließgeschwindigkeit der Düsennadel, und damit die Beendigung des Einspritzvor­ ganges, hängt stark vom Öffnungsquerschnitt der ersten Drossel ab. Je größer der Öffnungs­ querschnitt ist, desto schneller gelingt es, den Steuerraum nach dem Schließen des elektroma­ gnetischen Ventils mit Hochdruckkraftstoff zu versorgen und den Steuerkolben nach unten zu bewegen. Analog dazu hängt die Öffnungsgeschwindigkeit der Ventilnadel von der Differenz der Durchtrittsquerschnitte der zweiten Drossel und der ersten Drossel ab. Je größer diese Differenz ist, desto schneller kann der Steuerraum entleert werden, und desto schneller wird die Ventilnadel öffnen.

Im allgemeinen ist bei Einspritzdüsen eine langsame Öffnung der Ventilnadel beim Spritzbe­ ginn, jedoch ein schnelles Einspritzende erwünscht. Aus den oben dargestellten Beziehungen folgt, daß die erste Drossel einen relativ großen Öffnungsquerschnitt haben sollte und daß die zweite Drossel in ihrem Öffnungsquerschnitt geringfügig größer sein sollte als die erste. Dies hat jedoch zur Folge, daß während des Einspritzvorganges ein relativ großer Kraftstoffdurch­ satz durch den Steuerraum hindurch in das Leckölsystem erfolgt. Dies kann einen uner­ wünscht großen Druckabfall im Hochdruckabschnitt des Einspritzsystems bewirken und er­ fordert eine übermäßig große Leistung der Hochdruckpumpe. Eine Verringerung der Öff­ nungsquerschnitte der ersten bzw. der zweiten Drossel führt jedoch zu einer zu langsamen Schließbewegung der Einspritzdüse, was im Sinne des Verbrennungsvorganges im Zylinder unerwünscht ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein System der oben genannten Art so weiterzu­ bilden, daß ein schnelles Einspritzende gewährleistet ist; ohne hohe Kraftstoffverluste im Hochdruckbereich in Kauf nehmen zu müssen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Steuerraum über eine weitere Zuleitung mit Hochdruckkraftstoff versorgt wird, in der ein Absperrorgan vorgesehen ist, das mit dem Steuerventil gekoppelt ist, um bei geschlossenem Steuerventil offen zu sein, und bei offenem Steuerventil geschlossen zu sein.

Das Steuerventil ist vorzugsweise als elektromagnetisches Ventil ausgebildet. Es kann aber auch beispielsweise als Piezoventil ausgeführt sein.

Die Erfindung beruht dabei auf der Idee, daß eine weitere Zuleitung zum Steuerraum vorge­ sehen wird, die Hochdruckkraftstoff ungedrosselt zur Verfügung stellt, um eine schnelle Schließbewegung der Düsennadel zu erreichen. Um Kraftstoffverluste möglichst zu vermei­ den, wird diese weitere Zuleitung vom elektromagnetischen Ventil jedoch weggeschaltet, wenn der Steuerraum mit dem Leckölsystem verbunden wird. Durch die vorliegende Erfin­ dung ist es möglich, die erste und zweite Drossel mit sehr geringen Durchtrittsquerschnitten auszuführen. Die Öffnungsquerschnitte werden dabei nach unten nur durch die Möglichkeit einer rationellen und wirtschaftlichen Herstellung begrenzt.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, daß das Absperror­ gan als Steuerschieber ausgebildet ist, der in einem Steuerzylinder axial beweglich angeordnet ist, und daß der Steuerschieber bei geschlossenem Steuerventil eine Verbindung zwischen zwei in die Umfangsfläche des Steuerschiebers mündenden Enden der weiteren Zuleitung herstellt. Durch die genaue Anordnung der Steuerkanten kann bei dieser Ausführungsvariante eine Feineinstellung des genauen zeitlichen Ablaufes der Öffnungs- bzw. Schließbewegungen vorgenommen werden.

Alternativ zu dieser Variante kann jedoch auch vorgesehen sein, daß das Steuerorgan als Steuerschieber ausgebildet ist, der an gegenüberliegenden Enden Dichtsitze aufweist, von denen jeweils einer geöffnet und der andere geschlossen ist, wobei über den ersten Dichtsitz Hochdruckkraftstoff über die zweite Drossel aus dem Steuerraum abgeführt wird, während über den zweiten Dichtsitz Hochdruckkraftstoff ungedrosselt in den Steuerraum geführt wird. Dies ermöglicht eine einfache und kostengünstige Herstellung des Steuerschiebers und der Einspritzdüse insgesamt.

In der Folge wird die Erfindung anhand der dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläu­ tert.

Die Figur zeigen:

Fig. 1 einen allgemeinen Schaltplan der erfindungsgemäßen Düsenanordnung,

Fig. 2 schematisch eine erfindungsgemäße Einspritzdüse,

Fig. 3 ein Detail von Fig. 2, die

Fig. 4 ein Detail einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung und die

Fig. 5 ein Diagramm, in dem der zeitliche Verlauf des Einspritzvorganges für eine bekannte Einspritzdüse einem Verlauf für eine erfindungsgemäße Einspritzdüse gegenübergestellt wird.

Aus der Fig. 1 ist ersichtlich, daß Kraftstoff aus einem Kraftstoffbehälter 1 über eine Vor­ pumpe 2 zu einer Kraftstoffhochdruckpumpe 3 zugeführt wird. Die Hochdruckpumpe 3 ver­ sorgt eine Verteilerleiste 4, an die die einzelnen Einspritzdüsen angeschlossen sind. Die ent­ sprechenden Leitungen sind mit 5a und 5b angedeutet. Die Einspritzdüse 6 ist beispielhaft für alle Einspritzdüsen dargestellt. Über eine erste Leitung 7 wird Hochdruckkraftstoff in einen Druckraum 8 zugeführt, der die Düsennadel 9 umgibt, die in ihrer geschlossenen Stellung Ein­ spritzöffnungen 10 verschließt. Die Düsennadel 9 ist mit einem Kolben 11 verbunden, der in einem Steuerraum 12 axial verschiebbar angeordnet ist. Der Steuerraum 12 steht über eine er­ ste Drossel 13 ständig mit dem Hochdrucksystem, d. h. mit der Verteilerschiene 4, über eine Leitung 14 in Verbindung. Eine weitere Leitung 15 führt Hochdruckkraftstoff zu einem Steuerventil 16, das hier als elektromagnetisches Ventil ausgebildet ist, und weiterhin über eine weitere Zuleitung 17 zum Steuerraum 12. Das Steuerventil 16 ist ferner über eine zweite Drossel 18 mit dem Leckölsystem 19 verbunden. Das Steuerventil 16 ist dabei so ausgebildet, daß in einer Schaltstellung die Leitung 15 mit der weiteren Zuleitung 17 verbunden wird, und gleichzeitig die Verbindung zwischen Steuerraum 12 bzw. weiterer Drossel 18 und Leckölsystem 19 unterbrochen wird. In der anderen Schaltstellung wird umgekehrt die Ver­ bindung zwischen den Leitungen 15 und 17 unterbrochen, jedoch eine Verbindung zwischen der zweiten Drossel 18 und dem Leckölsystem hergestellt.

In der Fig. 1 ist eine Stellung dargestellt, in der keine Einspritzung erfolgt. Das Steuerventil 16 befindet sich in seiner ersten Stellung, in der der Steuerraum 12 sowohl über die Leitung 14 samt Drossel 13 als auch über die Leitungen 15 und 17 mit Hochdruckkraftstoff versorgt wird. Die Verbindung mit der- Leckölsystem 19 über die Drossel 18 ist unterbrochen, so daß im Steuerraum 12 Hochdruckkraftstoff vorliegt, der den Steuerkolben 11 nach unten drückt und die Düsennadel 9 in geschlossenem Zustand hält. Wenn aus dieser Stellung das elektro­ magnetische Ventil 16 umgeschaltet wird, dann wird zunächst die weitere Zuleitung 17 un­ terbrochen und gleichzeitig eine Verbindung des Steuerraums 12 über die Drossel 18 mit dem Leckölsystem 19 hergestellt. Da der Öffnungsquerschnitt der Drossel 18 etwas größer ausge­ führt ist als der der Drossel 13, fällt der Druck im Steuerraum 12 ab, und der Steuerkolben 11 kann sich nach oben bewegen, wodurch eine Einspritzung von Kraftstoff möglich wird. Da jedoch der Unterschied der Öffnungsquerschnitte der Drossel 18 und 13 nur geringfügig ist, erfolgt die Bewegung des Steuerkolbens 11 nur langsam, so daß das anfängliche Öffnen der Düsennadel in wünschenswerter Weise langsam erfolgt. Schaltet das elektromagnetische Ventil 16 erneut um, so wird die Verbindung der weiteren Zuleitung 17 mit dem Hochdruck­ system wieder hergestellt und gleichzeitig die Verbindung des Steuerraums 12 mit dem Leckölsystem 19 unterbrochen. Da die Kraftstoffzuführung über die Leitungen 15 und 17 ungedrosselt erfolgt, kann die Abwärtsbewegung des Kolbens 11 sehr rasch durchgeführt werden, da es gelingt, den Steuerraum 12 sehr schnell mit Hochdruckkraftstoff zu füllen. Das Ende der Einspritzung kann also wie gewünscht sehr schnell herbeigeführt werden.

In der Fig. 2 ist schematisch eine Ausführung einer solchen Einspritzdüse 6 dargestellt. Die Zuführung von Hochdruckkraftstoff erfolgt über den Anschluß 20, der sich in eine Zuleitung 7 zum Druckraum 8 zur ersten Drossel 13 und zur Leitung 15 aufteilt. Das elektromagnetische Ventil 16 besitzt einen Schieber 21, der die jeweiligen Verbindungen steuert. Ein Leckölanschluß ist mit 22 angedeutet.

In der Fig. 3 ist der Bereich von Steuerkolben 11 und Steuerschieber 21 der Fig. 2 detailliert dargestellt. Der Steuerschieber 21 besitzt z. B. einen kegeligen Ventilsitz 23, der im Bereich der zweiten Drossel 18 die Verbindung zum Leckölanschluß 22 steuert. Eine Ringnut 24 in der äußeren Umfangsfläche des Steuerschiebers 21 steuert die Verbindung zwischen den Lei­ tungen 15 bzw. 17.

In der Fig. 4 ist eine andere Ausführungsvariante des Steuerschiebers 31 dargestellt. Ein erster kegeliger Dichtsitz 32 steuert die Abfuhr von Kraftstoff aus dem Steuerraum 12 über die zweite Drossel 18. Bin zweiter kegeliger Dichtsitz 33 steuert die Verbindung zwischen den Leitungen 15 und 17. Da die Dichtflächen 32 und 33 gegenüberliegend angeordnet sind, ist sichergestellt, daß jeweils eine Verbindung geöffnet ist, während die andere geschlossen ist.

Aus der Fig. 5 ist der zeitliche Verlauf des Einspritzvorganges dargestellt. Auf der waagrech­ ten Achse ist die Zeit in Sekunden aufgetragen. Auf der senkrechten Achse ist die Kraft­ stoff-Einspritzrate in mm³/s aufgetragen. Die durchgezogene Linie entspricht einer herkömmlichen Einspritzdüse, während die unterbrochene Linie die Einspritzrate einer erfindungsgemäßen Einspritzdüse darstellt. Beiden Varianten liegt eine Durchflußdifferenz zwischen der Drossel 18 und der Drossel 13 von 65 cm³/min zugrunde. Bei der erfindungsgemäßen Ausfürungsvariante beträgt der Durchfluß durch die Leitung 17 und die die Drossel 13 ge­ meinsam mehr als 600 cm³/min. Es ist aus dem Diagramm ersichtlich, daß der Öffnungsvor­ gang des Einspritzventils, d. h. die erste Phase des Einspritzvorganges, bei beiden Einspritz­ düsen im wesentlichen gleichartig abläuft. Es ist jedoch ebenso ersichtlich, daß der Schließ- vorgang und damit die Beendigung des Einspritzvorganges bei der erfindungsgemäßen Aus­ führungsvariante wesentlich rascher und wirksamer erfolgt als beim Stand der Technik.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht es in einfacher Weise, vorteilhafte zeitliche Abläufe vom Spritzbeginn und Einspritzende darzustellen. Gleichzeitig können Kraftstoffverluste aus dem Hochdrucksystem weitgehend vermieden werden. Die Öffnungsquerschnitte der Dros­ seln 13 und 18 sind nach unten hin nur durch die Möglichkeit der Herstellung begrenzt.

Claims (4)

1. Einspritzdüse für die direkte Einspritzung von Kraftstoff in den Zylinder einer Brenn­ kraftmaschine mit innerer Verbrennung, aufweisend:

• - eine Düsennadel (9), die axial zwischen einer ersten Stellung, in der sie Einspritzöff­ nungen (10) verschießt, und einer zweiten Stellung, in der sie diese freigibt, beweglich ist;
• - einen mit der Düsennadel (9) in Verbindung stehenden Kolben (11), der in einem Steuerraum (12) axial beweglich angeordnet ist, und der bei Beaufschlagung des Steu­ erraumes (12) die Düsennadel (9) in die erste Stellung drückt;
• - eine erste Drossel (13), über die der Steuerraum (12) mit einer Zuführleitung (14) für Hochdruckkraftstoff in Verbindung steht;
• - eine zweite Drossel (18), über die der Steuerraum (12) mit einem Leckölanschluß in Verbindung steht;
• - ein Steuerventil (16), das in der vom Steuerraum (12) wegführenden Leckölleitung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet daß der Steuerraum (12) über eine weitere Zuleitung (15, 17) mit Hochdruckkraftstoff versorgt wird, in der ein Absperrorgan vorgesehen ist, das mit dem Steuerventil (16) gekoppelt ist, um bei geschlossenem Steuerventil (16) offen zu sein, und bei offenem Steuerventil (16) geschlossen zu sein.

2. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrorgan als Steuerschieber (21) ausgebildet ist, der in einem Steuerzylinder axial beweglich angeord­ net ist, und daß der Steuerschieber (21) bei geschlossenem Steuerventil (16) eine Ver­ bindung zwischen zwei in die Umfangsfläche des Steuerschiebers mündenden Enden der weiteren Zuleitung (15, 17) herstellt.

3. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerorgan als Steu­ erschieber (31) ausgebildet ist, der an gegenüberliegenden Enden Dichtsitze (32, 33) auf­ weist, von denen jeweils einer geöffnet und der andere geschlossen ist, wobei über den ersten Dichtsitz (32) Hochdruckkraftstoff über die zweite Drossel (18) aus dem Steuer­ raum (12) abgeführt wird, während über den zweiten Dichtsitz (33) Hochdruckkraftstoff ungedrosselt in den Steuerraum (12) geführt wird.

4. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (16) als elektromagnetisches Ventil ausgebildet ist.