DE4036580A1 - Kraftstoffeinspritzventil - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kraftstoffeinspritzventil für Dieselmotoren, mit dem eine zweistufige Einspritzung des Kraftstoffes realisierbar ist.

Die Anwendung derartiger Kraftstoffeinspritzventile erfolgt vor allem zur Beseitigung von Problemen, die durch den Zünd­ verzug des Kraftstoffes verursacht werden, beispielsweise bei der Verwendung von Schweröl in relativ schnellaufenden Diesel­ motoren.

Die Erzielung eines verbrauchsgünstigen, schonenden und um­ weltfreundlichen Betriebes von Dieselmotoren bereitet zuneh­ mend Schwierigkeiten, je mehr sich der Zündverzug des verwen­ deten Kraftstoffes der Größenordnung der insgesamt für die Einspritzung bzw. Verbrennung zur Verfügung stehenden Zeit nähert. Die Beseitigung der auftretenden Schwierigkeiten wird durch eine Beeinflussung des Verbrennungs- bzw. Einspritzver­ laufes erreicht, was zunehmend durch die Anwendung einer Zwei­ stufeneinspritzung erfolgt. Erforderlich ist dabei während des Zündverzuges eine geringe Einspritzrate (1. Einspritzstufe), die nach Einsetzen der Verbrennung erhöht wird (2. Einspritz­ stufe).

Bei PKW-Dieselmotoren wird diese Aufgabe mit einem Zwei-Feder- Düsenhalter und einer normalen, herkömmlichen Einspritzdüse gelöst. Die Einspritzung beginnt bei dem geringeren Öffnungs­ druck der 1. Einspritzstufe mit einer geringen Einspritzmenge. Die 2. Einspritzstufe wird anschließend bei höherem Öffnungs­ druck und mit größeren Einspritzmengen wirksam. Eine Anpassung des Spritzlochquerschnittes der Einspritzdüse an die Einspritz­ menge, d. h. eine Beeinflussung der Zerstäubungsgüte erfolgt nicht. Die Öffnungsdrücke sind konstruktiv für den jeweiligen Motor festgelegt, eine Einstellmöglichkeit besteht nicht (Mo­ tortechnische Zeitschrift -MTZ- 51 (1990), 2, S. 49).

Für die Anpassung des Spritzlochquerschnittes an die jeweilige Einspritzmenge wurden bereits mehrere Lösungen bekannt. So ist bei einer bekannten Lösung der Düsenkörper so ausgebil­ det, daß im Anschluß an eine Kegeldichtfläche eine Ringkammer vorgesehen ist, von der eine Anzahl von Voreinspritzbohrungen ausgeht. Während der Voreinspritzung bleibt durch einen zylin­ drischen Zapfen der Düsennadel der Zugang zur Sackbohrung im Düsenkörper noch verschlossen. Von dieser Sackbohrung geht eine Reihe von Haupteinspritzbohrungen aus. Erst durch den weiteren Hub der Düsennadel infolge Druckanstieges im Kraftstoff erfolgt der Kraftstoffzufluß zur Sackbohrung und damit die Hauptein­ spritzung.

Die Richtung der Voreinspritzbohrungen und der Haupteinspritz­ bohrungen ist unterschiedlich. (DE-OS 24 34 339, F 02 M, 61/04)

Nachteilig wirkt sich bei dieser Einspritzdüse aus, daß durch die relativ großen Volumina von Ringkammer und Sackbohrung ein hoher Anteil von Kraftstoff den Einspritzbohrungen vorgelagert ist und dadurch der Schadstoffanteil im Abgas des Dieselmotors negativ beeinflußt wird. Eine zusätzliche Beeinflussung des Bewegungsablaufes der Düsennadel ist nicht vorgesehen.

Bei einer anderen Lösung sind ebenfalls zwei übereinander ange­ ordnete Spritzöffnungen bzw. -öffnungsreihen vorgesehen. Dabei ist die Düsennadel so ausgebildet, daß der Kraftstoff durch eine Bohrung der Düsennadel in einen Ringraum zwischen den Spritz­ öffnungen gefördert wird. Bei Druckanstieg öffnet sich der Dicht­ sitz zur Voreinspritzöffnung und eine geringe Kraftstoffmenge wird eingespritzt. Bei weiterem Druckanstieg im Kraftstoff und dem dadurch bedingten weiteren Hub der Düsennadel öffnet sich die Haupteinspritzöffnung und die Haupteinspritzmenge wird ein­ gespritzt. (DE-OS 27 49 379; F 02 M, 61/04)

Nach einer weiteren Lösung ist eine Einspritzdüse bekannt, die eine an ihrem unteren Ende hohl ausgeführte Düsennadel aufweist. Die Kraftstoffzufuhr erfolgt über den Düsenkörper in einen Ring­ raum im mittleren Teil der Düsennadel. Von dort fließt der Kraft­ stoff durch die hohle Düsennadel in die Sackbohrung am unteren Ende des Düsenkörpers. Durch unterschiedliche Kegelwinkel am Ventilkegel und Ventilsitz entsteht eine linienförmige Dichtung zwischen dem Sackloch und den Voreinspritzbohrungen. Die oberen Enden der Voreinspritzbohrungen sind mit einem Ringraum ver­ bunden, der seinerseits durch die zylindrische Dichtfläche der Düsennadel von den Haupteinspritzbohrungen abgedichtet ist. Der obere Teil der Düsennadel ist als Federteller für eine erste Feder ausgebildet. Dieser Federteller bildet gleichzei­ tig den Anschlag in Verbindung mit einem Anschlagring als Hub­ begrenzung für die erste Feder. Der Anschlagring ist auch der Federteller für die zweite Feder. (DE-OS 27 11 350; F 02 M, 61/04)

Die Funktion dieser Einspritzdüse ist so, daß durch steigenden Druck des Kraftstoffes in der Sackbohrung die Düsennadel um einen geringen Betrag angehoben wird, wodurch der Kraftstoff­ fluß in die Voreinspritzbohrungen geöffnet wird. Gleichzeitig füllt sich der Ringraum zwischen den Bohrungsreihen mit Kraft­ stoff. Nach Erreichen des Öffnungsdruckes der zweiten Stufe werden die Haupteinspritzbohrungen freigegeben und der Kraft­ stoff kann aus dem Ringraum durch diese abgespritzt werden. Die Nachteile dieser beiden Ausführungen sind einerseits ein sehr hoher Fertigungsaufwand - bedingt durch die hohle Aus­ führung der Düsennadel bzw. durch die hohe Kompliziertheit der Konstruktion.

In beiden Fällen ist für den Betrieb der Einspritzdüsen das relativ große, den Einspritzbohrungen vorgelagerte Kraftstoff­ volumen nachteilig.

Es ist das Ziel der Erfindung, die bei Dieselmotoren durch den Zündverzug des Kraftstoffes auftretenden Probleme zu be­ herrschen und dabei vor allem jedoch für langlebige Dieselmo­ toren im höheren Drehzahlbereich den Betrieb mit minderwertigen Kraftstoffen (Schwerölen) zu ermöglichen. Dabei ist bei den Die­ selmotoren neben hoher Zuverlässigkeit und Umweltverträglichkeit ein geringer Kraftstoffverbrauch zu gewährleisten. Wartungs-, Reparatur- und Einstellarbeiten sollen auch am Betriebsort durch das Bedienpersonal möglich sein.

Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, ein Kraft­ stoffeinspritzventil für eine Zweistufeneinspritzung für Die­ selmotoren zu entwickeln, das zur Gewährleistung einer günstigen Zerstäubung geringe Druckverluste bei der Kraftstoffzuführung aufweist und durch kleine, den Einspritzbohrungen vorgelagerte Toträume die Schadstoffanteile im Abgas und den Kraftstoffver­ brauch gering hält. Das soll mit einem nur geringen zusätzlichen Aufwand realisiert werden und das Einspritzsystem dabei möglichst weitgehend an die jeweiligen Einspritzbedingungen hinsichtlich Kraftstoffeigenschaften und Motorausführung anpaßbar sein. Dabei sollen die Einstellwerte mit vorhandenen Geräten überprüfbar und nachjustierbar sein.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß im Düsen­ halter eine von der Düsennadel unabhängig bewegbare zusätzliche Verzögerungsmasse vorgesehen ist, die durch ihre Trägkeitswir­ kung das Öffnen der Haupteinspritzöffnung bzw. der Reihe von Haupteinspritzöffnungen verzögert, und daß die Voreinspritz­ öffnung bzw. die Reihe der Voreinspritzöffnungen im Innenraum des Düsenkörpers in einen Kegel mündet bzw. münden, dessen Ke­ gelwinkel geringfügig kleiner als der des Dichtkegels ist, und daß entweder die Düsennadelspitze die Sackbohrung des Düsen­ körpers bei Konturengleichheit paßfähig ausfüllend ausgebildet ist, oder daß an der Düsennadelspitze die Stirnfläche und/oder deren anschließende kegelige Übergangsfase zum Zylinderschaft geringfügig so von der Innenkontur der Sackbohrung des Düsen­ körpers abweicht bzw. abweichen, daß ein auf die Mündung der Haupteinspritzöffnung gerichteter Verdrängungsspalt ausgebildet ist.

In einer vorteilhaften Ausführung kann die zusätzliche Verzöge­ rungsmasse mit einem Federteller kombiniert sein.

Durch die erfindungsgemäße Lösung ergeben sich für Zweistufen­ einspritzsysteme folgende Hauptvorteile:

• - Verbesserung der Kraftstoffaufbereitung dadurch, daß infolge des durch die Gestaltung bedingten geringen Druckverlustes ein wesentlich höherer Druckanteil in angepaßten Voreinspritzöff­ nungen für die Kraftstoffzerstäubung zur Verfügung steht, was besonders beim Einsatz minderwertiger Kraftstoffe (Schweröle) zur Verbesserung der Betriebsparameter führt.
• - Durch die gesonderte Verzögerungsmasse, deren Funktion mit der Hubbegrenzung für die erste Stufe gekoppelt ist, wird der Öffnungsvorgang für die zweite Stufe verzögert.
• - Die angepaßten Konturen der Düsennadelspitze und der Sackloch­ grund - wobei eine weitestgehende Hohlraumfreiheit zwischen bei­ den Teilen angestrebt wird - reduzieren die der Haupteinspritz­ öffnung vorgelagerte Kraftstoffmenge, wodurch Abgasqualität und Kraftstoffverbrauch günstig beeinflußt werden.
• - Die Mündung der Voreinspritzöffnungen in den Kegel, dessen Kegelwinkel geringfügig kleiner als der des Dichtkegels ist, bringt den Vorteil, daß die Dichtkegelfläche nicht durch die Voreinspritzöffnungen unterbrochen ist und die vorgelagerte Kraftstoffmenge trotzdem klein bleibt.

Nachstehend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

In der zugehörigen Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraft­ stoffeinspritzventil

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung der Düsennadelspitze mit Vor- und Haupteinspritzöffnung im Düsenkörper.

In einem Düsenkörper 1 ist eine Düsennadel 2 axial beweglich und radial dichtend angeordnet. Dabei sind als Dichtflächen zwischen Düsenkörper 1 und Düsennadel 2 ein Dichtkegel 3, die Düsennadelspitze 4 sowie der Nadelschaft vorgesehen.

Der Düsenkörper 1 ist in einem Düsenhalter 5 befestigt. Die Dü­ sennadel 2 ist im geschlossenen Zustand der Einspritzdüse und in der ersten Einspritzstufe durch die Druckfeder 6 über die Druckstelze 7, in der zweiten Einspritzstufe zusätzlich durch die Druckfeder 8 mit Federteller 9 belastet. Zur Einstellung und Justierung der Druckfedern 6 und 8 sind im Düsenhalter 5 Einstellringe 10 verstellbar angeordnet. An ihrem oberen Ende ist die Düsennadel 2 mit einer Schulter 11 versehen, die mit einer im Düsenhalter 5 angeordneten und axial bewegbaren Ver­ zögerungsmasse 12 zusammenwirkt. Dabei ist in Ruhelage der Dü­ sennadel 2 ein bestimmter Abstand zwischen Schulter 11 und Ver­ zögerungsmasse 12 vorgesehen. Die Verzögerungsmasse 12 liegt in Ruhelage, belastet durch die Kraft der Druckfeder 8 für die zweite Einspritzstufe, auf dem Düsenkörper 1 auf. Der Düsen­ halter 5 ist mit einem Anschlag 13 als Hubbegrenzung für die Axialbewegung der Düsennadel 2 und der Verzögerungsmasse 12 versehen.

An der Spitze des Düsenkörpers 1 sind übereinander und etwa gleichgerichtet die Voreinspritzöffnungen 14 und die Hauptein­ spritzöffnungen 15 vorgesehen. Die Voreinspritzöffnungen 14 münden innen im Düsenkörper 1 in einem Kegel 16, der sich an den Dichtkegel 3 anschließt und dessen Kegelwinkel zur Erzie­ lung eindeutiger Abdichtverhältnisse ohne Schwankungen des Öff­ nungsdruckes am Dichtkegel 3 geringfügig kleiner als dieser ist. Damit ist auch gewährleistet, daß die Mündung der Voreinspritz­ öffnungen 14 nicht in einer Dichtfläche liegen, der entstehende Hohlraum an der Mündung jedoch vernachlässigbar klein bleibt. Die Haupteinspritzöffnung 15 mündet in der Sackbohrung des Dü­ senkörpers 1. Die Düsennadelspitze 4 ist so ausgeführt, daß sie bei Konturengleichheit paßfähig die Sackbohrung des Düsenkör­ pers 1 ausfüllt. Der Abstand beider Konturen im geschlossenen Zustand der Einspritzdüse ist nur so groß, daß eine einwand­ freie Funktion des Dichtkegels 3 gewährleistet ist.

Für den Betrieb des Kraftstoffeinspritzventils kann es von Vorteil sein, wenn die Stirnfläche der Düsennadelspitze 4 geringfügig ballig oder kegelig bei ebener Stirnfläche der Sackbohrung ausgeführt ist, so daß ein auf die Mündung der Haupteinspritzöffnung 15 gerichteter Verdrängungsspalt 17 ent­ steht. Ein gleichartiger Verdrängungsspalt 17 kann ebenfalls an der sich an die Stirnfläche der Düsennadelspitze 4 an­ schließenden kegeligen Übergangsfase zum Zylinderschaft durch geringfügig geänderten Kegelwinkel zum Korrespondenzkegel in der Sackbohrung des Düsenkörpers 1 erreicht werden. Oberhalb des Dichtkegels 3 ist im Düsenkörper 1 ein Ringraum 18 vorgesehen, der über eine Kraftstoffbohrung 19 im Düsen­ körper 1 und im Düsenhalter 5 mit der Kraftstoffleitung in Verbindung steht.

Die Funktion des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils ist folgende:
Von einer nicht dargestellten Einspritzpumpe wird über die Kraft­ stoffbohrung 19 im Düsenhalter 5 und im Düsenkörper 1 Kraftstoff in den Ringraum 18 gefördert. Sobald der Kraftstoffdruck im Ring­ raum 18 den eingestellten Öffnungsdruck der ersten Einspritz­ stufe (Voreinspritzung) überschreitet, hebt er die Düsennadel 2 gegen die Kraft der Druckfeder 6 vom Dichtkegel 3 ab und der Kraftstoff gelangt über die Voreinspritzöffnung 14 in den Brenn­ raum. Während der ersten Einspritzstufe bleibt die Dichtung zwi­ schen der Düsennadelspitze 4 und der Sackbohrung im Düsenkörper 1 geschlossen.

Der Hub der Düsennadel 2 in der ersten Einspritzstufe ist durch die auch als Hubbegrenzung wirkende Verzögerungsmasse 12, die in ihrer Größe dem erforderlichen Bewegungsablauf angepaßt ist, begrenzt.

Wird unter dem Dichtkegel 3 der Düsennadel 2 der Öffnungsdruck für die zweite Einspritzstufe überschritten, hebt sich die Düsen­ nadel 2 weiter, nun gegen die Kraft der beiden Druckfedern 6 und 8, wobei gleichzeitig auch die Verzögerungsmasse 12 be­ schleunigt werden muß.

Der Gesamthub der Düsennadel 2 ist durch den Anschlag 13 be­ grenzt.

Die Einstellung der Öffnungsdrücke für die beiden Einspritz­ stufen erfolgt durch die beiden mit Außengewinde versehenen Einstellringe 10 der Druckfedern 6 und 8.

Durch die Ausführung des Kegels 16, in den die Voreinspritz­ öffnung 14 mündet, mit einem geringfügig kleineren Kegelwin­ kel als der Dichtkegel 3 und die in beschriebener Weise an­ einander angepaßten Konturen von Düsennadelspitze 4 und der Sackbohrung im Düsenkörper 1 wird es ermöglicht, die der Vor­ einspritzöffnung 14 und der Haupteinspritzöffnung 15 vorgela­ gerte Kraftstoffmenge zu reduzieren. Dadurch werden die Abgas­ qualität und der Kraftstoffverbrauch günstig beeinflußt. Gegenüber den bei kleinen schnellaufenden Dieselmotoren (Kfz- Motoren) bekannten Einspritzsystemen mit Zwei-Feder-Düsenhaltern wird mit der erfindungsgemäßen Einrichtung durch die zusätz­ liche Stufung in der Einspritzdüse eine verbesserte Kraftstoff­ aufbereitung dadurch erreicht, daß ein wesentlich höherer Druck­ anteil in der angepaßten Voreinspritzöffnung 14 für die Kraft­ stoffzerstäubung zur Verfügung steht. Das ist besonders wichtig beim Einsatz minderwertiger Kraftstoffe (Schwerölbetrieb). Gegenüber bekannten Lösungen mit einer zusätzlichen Hohlnadel wird der Fertigungsaufwand erheblich verringert.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

 1 Düsenkörper
 2 Düsennadel
 3 Dichtkegel
 4 Düsennadelspitze
 5 Düsenhalter
 6 Druckfeder - 1. Einspritzstufe
 7 Druckstelze
 8 Druckfeder - 2. Einspritzstufe
 9 Federteller
10 Einstellring
11 Schulter
12 Verzögerungsmasse
13 Anschlag
14 Voreinspritzöffnung
15 Haupteinspritzöffnung
16 Kegel
17 Verdrängungsspalt
18 Ringraum
19 Kraftstoffbohrung

Claims (2)

1. Kraftstoffeinspritzventil für Dieselmotoren, bestehend aus einer Einspritzdüse mit übereinander angeordneter Vor- und Haupteinspritzöffnung bzw. Reihen davon, die nacheinander in zwei Einspritzstufen durch einen Dichtkegel und einen zylin­ drischen Zapfen der Düsennadel aufgesteuert werden und einen Düsenhalter mit zwei Federn, gekennzeichnet dadurch, daß

• a) im Düsenhalter (5) eine von der Düsennadel (2) unabhängig axial bewegbare zusätzliche Verzögerungsmasse (12) vorge­ sehen ist, die das Öffnen der Haupteinspritzöffnung bzw. der Reihe von Haupteinspritzöffnungen verzögert,
• b) die Voreinspritzöffnung bzw. die Reihe von Voreinspritzöff­ nungen (14) im Innenraum des Düsenkörpers (1) in einen Ke­ gel (16) mündet bzw. münden, dessen Kegelwinkel geringfü­ gig kleiner als der des Dichtkegels (3) ist und
• ca) die Düsennadelspitze (4) die Sackbohrung des Düsenkörpers (1) bei Konturengleichheit paßfähig ausfüllend ausgebildet ist oder
• cb) an der Düsennadelspitze (4) die Stirnfläche und/oder deren anschließende kegelige Übergangsfase zum Kegelschaft ge­ ringfügig so von der Innenkontur der Sackbohrung des Düsen­ körpers (1) abweicht bzw. abweichen, daß ein auf die Mün­ dung der Haupteinspritzöffnung (15) gerichteter Verdrän­ gungsspalt (17) ausgebildet ist.

2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die zusätzliche Verzögerungsmasse (12) mit dem Federteller (9) kombiniert ist.