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Die
Erfindung betrifft eine Einspritzdüse für eine direkt einspritzende
Brennkraftmaschine, insbesondere eine Diesel-Brennkraftmaschine,
mit einer in einem Düsenkörper axial
verschiebbaren Hohlnadel, die eine erste Gruppe von Spritzöffnungen
ansteuert, und einer in der Hohlnadel konzentrisch angeordneten,
in Schließrichtung
durch eine Feder belasteten Innennadel, die eine zweite Gruppe von
Spritzöffnungen
ansteuert, und mit einem auf zumindest eine der beiden Ventilnadeln
in Schließrichtung
wirkenden, mit Flüssigkeit,
insbesondere Kraftstoff beaufschlagten Steuerkolben, wobei sowohl
die Hohlnadel als auch die Innennadel durch Kraftstoffdruck geöffnet werden,
wobei die Hohlnadel zumindest in ihrer Schließstellung mit dem Steuerkolben
verbunden ist.
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Bei
heutigen direkt einspritzenden Dieselmotoren besteht der Zielkonflikt
zwischen der Erfüllung der
vom Gesetzgeber geforderten besonders niedrigen Abgasemissionen
in einem bestimmten Testzyklus einerseits und dem Wunsch nach hoher
Leistung andererseits. Für
die Erfüllung
der Abgasgrenzwerte ist die Anwendung eines kleinen Spritzlochquerschnittes
im Testzyklus – also
bei eher niedrigen Lasten und Drehzahlen – eine sehr effektive Maßnahme. Dem
entgegen steht allerdings eine stark reduzierte, mögliche Leistungsausbeute
im Bereich der Nennleistung. Um eine höhere Leistungsausbeute zu erreichen,
wäre eher
eine Vergrößerung des
Spritzlochquerschnittes von Vorteil. Dies gilt allgemein, insbesondere
aber für
Motoren mit Speichereinspritzsystemen (Common-Rail-Systemen).
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Aus
der
DE 27 11 393 A1 ist
eine Kraftstoffeinspritzdüse
der eingangs genannten Art bekannt, bei der die volle Schließkraft der
Innennadel und der Hohlnadel jeweils durch eine eigene Feder aufgebracht
werden. Sowohl die Hohlnadel, als auch die Innennadel werden vom
Kraftstoffdruck geöffnet.
Bei Erreichen des für
die Hohlnadel ausreichenden Kraftstoffdruckes wird diese von ihrem
Ventilsitz angehoben, wodurch eine erste Gruppe von Spritzöffnungen aufgesteuert
wird. Bei größeren Fördermengen
wird bei Erreichen eines bestimmten, höheren Druckes die Innennadel
von ihrem Sitz angehoben und steuert eine zweite Gruppe von Spritzöffnungen
zur Einspritzquerschnittsvergrößerung auf.
Nach Zurücklegung
eines vordefinierten Hubes stößt die Innennadel
an einen Anschlag. Das Schließen
und Öffnen der
Innennadel kann zusätzlich
noch durch einen Steuerkolben beeinflusst werden. Eine aktive, vom Kraftstoffdruck
unabhängige
Steuerung der Hohlnadel ist nicht möglich. Dadurch ist diese Einspritzdüse nicht
geeignet, um bei einem Speichereinspritzsystem eine motorkennfeldabhängige Veränderung
des Spritzlochquerschnittes zu erreichen.
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Die
DE 41 15 477 A1 beschreibt
eine Einspritzdüse
für eine
Brennkraftmaschine mit einer Hohlnadel, die eine erste Gruppe von
Spritzöffnungen
ansteuert und von einer ersten Feder in Richtung ihrer Schließstellung
belastet ist. In der Hohlnadel ist konzentrisch eine Innennadel
angeordnet, die von einer zweiten Feder in Richtung ihrer Schließstellung belastet
ist. Die beiden Nadeln sind in Abhängigkeit vom Motorzustand getrennt
ansteuerbar. Dies geschieht dadurch, dass mindestens eine der Nadeln mit
einem in einem Zylinder beweglichen Kolben verbunden ist, wobei
der Zylinderraum über
ein Schaltorgan mit dem Einspritzdruck beaufschlagbar ist.
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Die
US 3,610,529 A offenbart
eine Einspritzvorrichtung mit einer Düsennadel, welche durch Kraftstoffdruck
entgegen einer Feder und entgegen eines hydraulischen Schließdruckes
geöffnet
werden kann.
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Aus
der
US 4,151,958 A ist
eine Einspritzvorrichtung mit einer Hohlnadel und einer darin angeordneten
Innennadel bekannt, wobei die Innennadel durch eine Schließfeder in
eine Schließstellung
gedrückt
wird. Unter Kraftstoffeinwirkung kann die Innennadel unabhängig von
der Hohlnadel geöffnet werden.
Nachteilig ist, dass die Schließfeder
für die Innennadel
relativ klein dimensioniert ist, wodurch ein sicheres Schließen nicht
in jedem Betriebszustand gewährleistet
ist.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung diese Nachteile zu vermeiden und eine
Einspritzdüse
zu entwickeln, bei der auf möglichst
einfache Weise der Spritzlochquerschnitt in Abhängigkeit des Motorkennfeldes,
insbesondere bei einem Speichereinspritzsystem, verändert werden
kann. Insbesondere soll ein sicheres Schließen der Innennadel gewährleistet
sein.
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Erfindungsgemäß wird dies
dadurch erreicht, dass die Feder über ein die Hohlnadel kreuzendes Druckstück auf die
Innennadel einwirkt. Dadurch ist es möglich, die Hohlnadel unabhängig vom
angelegten Kraftstoffdruck zu steuern. Die Hohlnadel wird dabei
vom Steuerkolben in geschlossener Stellung gehalten, und es erfolgt
keine Einspritzung. Beim Schalten des Steuerventils wird der Druck
im an den Steuerkolben grenzenden Steuerraum soweit reduziert, dass
die Hohlnadel von ihrem Sitz angehoben wird, und die Einspritzung über die
obere Lochreihe erfolgt.
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Wenn
der eingestellte Speicherdruck kleiner ist als der mittels der Federvorspannung
der Feder eingestellte Öffnungsdruck
der Innennadel, so bleibt die Innennadel stets geschlossen. Unter
diesen Bedingungen ist die Funktion des Einspritzventils identisch
mit der eines herkömmlichen
Einspritzventils mit einer einzigen Ventilnadel für ein Speichereinspritzsystem.
Wird der Speicherdruck hingegen so weit erhöht, dass der durch die Federvorspannung
der Feder be stimmte Öffnungsdruck überschritten
wird, so öffnet
die Innennadel unmittelbar nach dem Öffnen der Hohlnadel und die
Einspritzung erfolgt über
beide Gruppen von Spritzlochreihen.
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In
einer sehr einfachen Ausführungsvariante ist
vorgesehen, dass das Druckstück – in Richtung der
Nadelachse betrachtet – balken-,
stern- oder kreuzförmig
ist, wobei die Hohlnadel entsprechende radiale Ausnehmungen für das Druckstück aufweist. Dabei
kann weiters vorgesehen sein, dass die Hohlnadel im Bereich des
Druckstückes
gabelförmig
ausgeführt
ist und dieses umschließt
oder durchdringt.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsvariante der
Erfindung ist die Hohlnadel von der Innennadel mechanisch entkoppelt,
wobei die Außennadel
und die Innennadel voneinander unabhängig bewegt werden können.
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In
einer anderen bevorzugten Ausführungsvariante
der Erfindung ist vorgesehen, dass die Innennadel nach einem vordefinierten Öffnungshub
mit der Außennadel
und/oder den Steuerkolben mechanisch gekoppelt ist, wobei vorzugsweise
vorgesehen ist, dass das Druckstück
nach einem vordefinierten Hub der Innennadel auf einem mit dem Steuerkolben verbundenen
Druckkolben aufliegt. Zwischen dem Druckstück und dem Druckkolben ist
bei geschlossener Einspritzdüse
ein Spiel von wenigen hundertstel Millimeter eingestellt. Beim Öffnungsbeginn
der Hohlnadel kann die Innennadel bereits nach einem geringen Hub
der Hohlnadel zufolge des raschen Druckanstieges im Sitzbereich
schnell öffnen,
allerdings nur so lange, bis das Druckstück am Druckkolben zur Anlage
kommt. In weiterer Folge bewegen sich beide Nadeln gemeinsam bis
zum Hubanschlag der Hohlnadel. Beim Schließen wird zunächst die
Innennadel vom Druckkolben über
das Druckstück
mit der Hohlnadel mitbewegt. Gegen Ende des Schließvorganges
kommt es zu einem starken Druckabfall im Sitzbereich der Innennadel,
wodurch ein beschleunigtes Schließen der Innennadel auftritt
und das Druckstück
durch die Feder vom Druckkolben abgehoben wird.
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In
einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung
ist vorgesehen, dass die Hohlnadel nach einem vordefinierten Hub
mit der Innennadel mechanisch gekoppelt ist, wobei vorzugsweise
weiters vorgesehen ist, dass die Hohlnadel nach einem vordefinierten
Hub am Druckstück
aufliegt. Dadurch ist eine Einspritzverlaufsformung möglich. Die
Hohlnadel beginnt dabei wie gewohnt bis zu einem bestimmten Hub
zu öffnen,
wodurch die Einspritzung nur über
die erste Gruppe von Einspritzöffnungen
erfolgt. Ab einem bestimmten Ventilhub liegt die Hohlnadel am Druckstück auf und
nimmt die Innennadel mit, wodurch zusätzlich die untere Gruppe von
Einspritzöffnungen
geöffnet
wird und die Einspritzrate signifikant gesteigert wird. Die Feder
ist dabei mit einer relativ hohen Kraft vorgespannt, um eine Einspritzverlaufsformung
bis zum normalen Speicherdruck im gesamten Motorkennfeld zu ermöglichen.
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In
bestimmten Fällen
kann gewünscht
sein, daß die
Innennadel bei hohem Speicherdruck unmittelbar nach der Hohlnadel öffnet. Dies
wird erreicht, wenn die Vorspannung der Feder entsprechend reduziert
wird. Eine Einspritzverlaufsformung ist somit nur bis zu einem bestimmten
Speicherdruck möglich. Das
Schließen
der Innennadel erfolgt in der bereits beschriebenen Weise.
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Die
Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Einspritzdüse in einer
ersten Ausführungsvariante,
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2 und 3 weitere
Ausführungsvarianten
der Erfindung,
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4 die
Spitze der Einspritzdüse
im Detail,
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5a und 5b weitere
Ausführungsvarianten
der Einspritzdüse
im Schnitt nach den Linien V-V in den 1 bis 3.
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Funktionsgleiche
Teile sind in den Ausführungsbeispielen
mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In
einem kegeligen Bereich der Düsenspitze 2a der
Einspritzdüse 1 ist
eine erste Gruppe 4 und eine zweite Gruppe 5 von
Einspritzöffnungen 6 vorgesehen.
Die erste Gruppe 4 der Einspritzöffnungen 6 wird durch
eine Hohlnadel 7 aufgesteuert. In der Hohlnadel 7 ist
eine Innennadel 8 konzentrisch zur Nadelachse 2 angeordnet,
welche Innennadel 8 die zweite Gruppe 5 der Einspritzöffnungen 6 ansteuert. Die
Hohlnadel 7 ist mit einem Druckkolben 10 verbunden,
welcher wiederum mit einem Steuerkolben 11 des elektro-hydraulischen
Steuerteiles 12 in Verbindung steht. Die Innennadel 8 weist
in ihrem der Düsenspitze 2a abgewandten
Bereich ein Druckstück 13 auf,
auf welches eine Feder 14 einwirkt. Um insbesondere bei
abgefallenem Kraftstoffdruck die Hohlnadel 7 in einer genau
definierten Schließstellung
zu halten, kann eine beispielsweise auf den Druckkolben 10 wirkende
Zusatzfeder 9 vorgesehen sein. Diese im Vergleich zur Feder 14 viel
kleiner ausgelegte Zusatzfeder 9 hat im Normalbetrieb allerdings
nur eine untergeordnete Wirkung und ist für die Funktion der Einspritzdüse 1 im
Normalbetrieb nicht unbedingt erforderlich.
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In
den die Hohlnadel 7 umgebenden Düsenraum 15 des Düsenkörpers 3 mündet eine
mit dem nicht weiter dargestellten Speichereinspritzsystem verbundene
Einspritzleitung 16.
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Der
elektro-hydraulische Steuerteil 12 weist einen Steuerzylinder 17 auf,
in welchem der Steuerkolben 11 axial verschiebbar ist.
In dem vom Steuerzylinder 17 aufgespannten Steuerraum 18 mündet eine
Hydraulikleitung 19, welche mit dem Speichereinspritzsystem
verbunden sein kann. Der elektro-hydraulische Steuerteil 12 kann
aber auch durch ein separates Hydrauliköl gespeist werden. Im Bereich
der Mündung
der Hydraulikleitung 19 ist eine Zulaufdrossel Z angeordnet.
Der Steuerraum 8 steht weiters über eine Ablaufdrossel A mit
einer nicht weiter dargestellten Leckölleitung in Verbindung. Der Öffnungsquerschnitt
der Ablaufdrossel A wird über ein
elektromagnetisch oder piezoelektrisch betätigbares Ventil 20 angesteuert.
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Das Öffnungs-
und Schließverhalten
der Hohlnadel 7 wird durch die Auslegung der Zusatzfeder 9 vor
allem aber durch die Auslegung der Querschnitte der Zulaufdrossel
Z und der Ablaufdrossel A definiert. Die Schließkraft der Innennadel 8 wird – zumindest
im geschlossenen Zustand – nur
durch die Feder 14 aufgebracht, weshalb diese größer ausgelegt
werden muß,
als die Zusatzfeder 9.
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Im
Bereich des Druckstückes 13 der
Innennadel 8 ist die Hohlnadel 7 gabelförmig gestaltet
und umgibt teilweise das Druckstück 13.
Das Druckstück 13 kann
dabei im wesentlichen als einfacher Balken ausgeführt sein,
wie in 5a gezeigt ist. Weiters denkbar
ist eine – im
Querschnitt – kreuzförmige Gestaltung
des Druckstückes 13 (5b).
Die Ausnehmungen 21 der Hohlnadel 7 sind dabei
entsprechend geformt. Anstelle der gabelförmigen Gestaltung der Hohlnadel 7 ist
auch denkbar, daß die
Hohlnadel 7 einen radialen Schlitz oder eine radiale Bohrung
aufweist, durch welche das balkenförmige oder bolzenförmige Druckstück 13 geführt ist.
Weiters ist es möglich,
daß die
Feder 14 über
eine – nicht
weiter dargestellte – Zwischenscheibe
am Druckstück 13 angreift.
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Die
Hohlnadel 7 wird über
den Druckkolben 10 vom Steuerkolben 11 im elektrohydraulischen Steuerteil 12 in
geschlossener Stellung gehalten, und es erfolgt keine Einspritzung.
Beim Schalten des Ventiles 20 im elektro-hydraulischen
Steuerteil 12 wird nun die Kraft auf die Hohlnadel in Schließrichtung
so weit reduziert, daß zufolge
der wirksamen Ringfläche
(D1-D2)2·π/4 die Hohlnadel 7 von
ihrem Sitz angehoben wird, und die Einspritzung über die erste, obere Gruppe 4 von
Einspritzöffnungen 6 erfolgt.
Das Schließen
der Hohlnadel 7 erfolgt in umgekehrter Weise und beendet
somit einen Einspritzvorgang. Falls der eingestellte Speicherdruck
kleiner ist als der mittels der Vorspannung der Feder 14 eingestellte Öffnungsdruck
der Innennadel 8, so bleibt die Innennadel 8 stets
geschlossen. In diesem Fall ist die Funktion der Einspritzdüse 1 identisch
mit der eines Standard-Injektors für ein Speichereinspritzsystem mit
einer einzigen Düsennadel.
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Wird
nun der Speicherdruck so weit erhöht, daß der durch die Federvorspannung
der Feder 14 bestimmte Öffnungsdruck überschritten
wird, so öffnet
die Innennadel 8 unmittelbar nach der Hohlnadel 7 und
die Einspritzung erfolgt über
beide Gruppen 4, 5 von Einspritzöffnungen 6.
Beim Schließvorgang
der Hohlnadel 7 kommt es zu einem starken Druckabfall im
Sitzbereich der Innennadel 8 und diese schließt zufolge
der Feder 14 fast gleichzeitig mit der Hohlnadel 7.
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Bei
der in 2 gezeigten Ausführungsvariante sind Hohlnadel 7 und
Innennadel 8 voneinander entkoppelt. Zwischen dem Druckstück 13 und
dem Druckkolben 10 bzw. zwischen der Hohlnadel 7 und dem
Druckstück 13 ist
bei jedem möglichen
Nadelhub ein ausreichend großer
Abstand gegeben, so daß eine
gegenseitige Beeinflussung auszuschließen ist. Die Bewegungen der
beiden Nadeln 7, 8 sind somit voneinander mechanisch
völlig
unabhängig. Die
Innennadel 8 arbeitet in herkömmlicher Weise und schließt nur abhängig vom
Druck im Sitzbereich. Der maximale Hub der Innennadel 8 wird
durch einen Hubanschlag 22 im Injektorkörper 23 des Einspritzventiles 1 bestimmt.
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Bei
der in 1 dargestellten Ausführungsvariante ist zwischen
dem Druckstück 13 und
dem Druckkolben 10 bzw. einem mit dem Druckkolben 10 verbundenen
Ansatz 10a bei geschlossenen Nadeln 7, 8 ein
Spiel H1 von wenigen hundertstel Millimeter vorgesehen.
Beim Öffnungsbeginn
der Hohlnadel 7 wird bereits nach einem geringen Hub die
Innennadel 8 zufolge des Druckanstieges im Sitzbereich
schnell geöffnet.
Nach einem dem Spiel H1 entsprechenden Hub
kommt das Druckstück 13 am
Druckkolben 10 bzw. an einem mit dem Druckkolben 10 verbundenen Ansatz 10a zur
Anlage. Abhängig
von den auf die Innennadel 8 wirkenden Kräften, nämlich hydraulische Kraft
in Öffnungsrichtung,
Federvorspannkraft der Feder 14 und hydraulische Kraft
in Schließrichtung zufolge
des aktuellen Drucks im Steuerraum, sind zwei verschiedene Funktionen
möglich. Überwiegen die
Kräfte
im Öffnungsrichtung,
so bewegen sich beide Nadeln 7, 8 gemeinsam bis
zum Hubanschlag 22a im Steuerteil 12. Beim Schließen wird
zunächst
die Innennadel 8 vom Druckkolben 10 mitbewegt.
Gegen Ende des Schließvorganges
tritt ein starker Druckabfall im Sitzbereich der Innennadel 8 auf,
wodurch diese schneller schließt. Überwiegen
die Kräfte
in Schließrichtung,
bleibt die Innennadel 8 stets geschlossen.
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3 zeigt
eine dritte Ausführungsform
der Erfindung, mit der eine Einspritzverlaufsformung möglich ist.
Dabei beginnt die Hohlnadel 7 wie gewohnt bis zu einem
bestimmten Hub, beispielsweise 0,1 mm, zu öffnen, wobei die Einspritzung
nur über die
erste, obere Gruppe 4 von Einspritzöffnungen 6 erfolgt.
Bei einem bestimmten Hub H2 liegt die Schulter 24 am
Druckstück 13 auf,
wodurch die Hohlnadel 7 die Innennadel 8 mitnimmt.
Dies bewirkt, daß zusätzlich die
zweite, untere Gruppe 5 von Einspritzöffnungen 6 geöffnet und
die Einspritzrate signifikant gesteigert wird. Bei einer relativ
hohen Federvorspannung der Feder 14 ist diese Funktion
bis zum maximalen Speicherdruck im gesamten Motorkennfeld verfügbar. Bei
hohem Speicherdruck kann die Innennadel 8 aber auch sofort
nach der Hohlnadel 7 öffnen,
wenn der eingestellte Öffnungsdruck
der Innennadel 8 mittels der Feder 14 reduziert
wird. Die Einspritzverlaufsformung ist in diesem Fall nur bis zu einem
bestimmten Speicherdruck wirksam. Die Innennadel 8 schließt generell
sofort in der bereits beschriebenen Weise nach der Hohlnadel 7.
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Durch
die beschriebene Gestaltung der Einspritzdüse 1 ist ein in Abhängigkeit
des Motorkennfeldes variabler Spritzlochquerschnitt möglich, ohne daß weitere
Zusatzstellglieder erforderlich sind. Im emissionsrelevanten Betriebsbereich
bei relativ niedriger Drehzahl und Last bzw. bei Speicherdrücken bis z.
B. 1000 bar ist nur die erste Gruppe 4 von Einspritzöff nungen 6 geöffnet, wodurch
ein entsprechend kleiner Spritzlochquerschnitt realisiert ist. In
der Nähe der
Nennleistung, z. B. bei Speicherdrücken deutlich über 1000
bar arbeiten beide Gruppen 4, 5 von Einspritzöffnungen 6 mit
entsprechend großen
Gesamtspritzlochquerschnitt gleichzeitig.