EP0065282B1

EP0065282B1 - Kraftstoff-Einspritzdüse für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: EP0065282B1
Application number: EP82104180A
Authority: EP
Inventors: Kurt Seifert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1981-05-20
Filing date: 1982-05-13
Publication date: 1985-10-09
Also published as: US4526323A; EP0065282A1; DE3266767D1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Kraftstoff-Einspritzdüse nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs. Derartige Einspritzdüsen zeichnen sich dadurch aus, daß der an den Ventilsitz sich stromab anschließende, zur weiteren Kraftstoffaufbereitung und Spritzstrahlformung dienende Abschnitt des Kraftstoffkanals ohne Behinderung durch ein Schließglied verhältnismäßig freizügig gestaltet und bemessen werden kann, und daß außerdem der Kraftstoff durch den Einbauraum für die Schließfeder hindurch geführt ist, so daß besondere Maßnahmen zur Verhinderung bzw. Beseitigung von Lecköl entfallen. Diese Einspritzdüsen vereinigen daher die Vorteile von Düsen mit nach innen öffnender Ventilnadel (I-Düse) mit jenen von Düsen mit nach außen öffnender Ventilnadel (A-Düse), ohne jedoch mit deren Nachteilen behaftet zu sein.
Bei einer bekannten Einspritzdüse der gattungsmäßigen Art (US-A-1 333 541, Figur 2) wird über das zwischen den Ventilflächen am Düsenkörper und der äußeren Hohlnadel gebildete äußere Ventil Druckluft in die Kraftstoffspritzstrahlen eingeblasen, welche die Zerstäubung des Kraftstoffs unterstützen und verbessern soll. Die Druckluft wird über Längsnuten am Umfang der Hohlnadel dem äußeren Ventil zugeführt, die von einer die Hohlnadel umgebenden Druckluftkammer im DüsenKörper ausgehen, welche durch eine von der Hohlnadel dicht durchsetzten Membran von einer Kraftstoffkammer getrennt ist. Dieser Aufbau der Einspritzdüse ist jedoch ungeeignet, wenn anstelle von Druckluft Kraftstoff durch das äußere Ventil ausgespritzt werden soll.
Bei einer anderen Einspritzdüse, welche die Vorteile beider Düsenarten in sich vereinigt (DE': PS 828 327) stützt sich die Hohlnadel in der Schließlage über den Ventilsitz an der Ventilnadel ab, die ihrerseits an einer gehäusefesten Schulter anliegt. Zum Zurückhalten der Ventilnadel gegenüber der in Öffnungsrichtung sich bewegenden Hohlnadel wird die Ventilnadel durch eine Feder an die gehäusefeste Schulter angedrückt. Bei dieser bekannten Ausführung wird der Ventilsitz verhältnismäßig stark beansprucht und außerdem ist in der Offenstellung des Ventils eine exakte Stellung der Ventilnadel gegenüber der Hohlnadel wegen des nur kraftschlüssigen Festhaltens der Ventilnadel am gehäusefesten Anschlag nicht gewährleistet. Auch erscheint nachteilig, daß der Lagerspalt zwischen Hohlnadel und Düsenkörper in der Schließstellung des Ventils gegen die Brennkammer der Maschine nicht abgeschirmt ist, so daß sich die Gleiteigenschaften der Hohlnadel im Lauf der Zeit verschlechtern können.
Bei einer bekannten Einspritzdüse mit zwei in unterschiedlichen Ebenen liegenden Spritzlochquerschnitten (EP-A1-0 028 288) ist eine Ventilnadel verschiebbar in einer Hohlnadel gelagert, die innen einen den einen Spritzlochquerschnitt überwachenden Ventilsitz für die Ventilnadel bildet und selbst als Ventilschließglied ausgeführt ist, das mit einem am Düsenkörper gebildeten Ventilsitz den anderen Spritzlochquerschnitt überwacht. Die Hohlnadel und die Ventilnadel sind mit je einer Druckschulter in je einem Druckraum versehen, welcher durch einen Steuerschieber mit einer Kraftstoffzuleitung verbindbar ist. Diese Ausführung bedingt wegen der Zuleitung zu den Druckräumen einen vergrößerten Außendurchmesser des Düsengehäuses und ist auch mit dem für J-Düsen charakteristischen Nachteil behaftet, das Lecköl in den Schließfederraum gelangt, welches abgeführt werden muß.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruches hat demgegenüber den Vorteil, daß der Kraftstoff über eine gemeinsame Zuführung an beide Spritzlochquerschnitte herangeführt ist, so daß eine zweite Kammer im Düsengehäuse und eine störanfällige Membran entfallen. Die beiden Spritzlochquerschnitte lassen sich in exakter Aufeinanderfolge steuern, wobei die Richtung, Größe und Anzahl der Spritzlöcher in den beiden Spritzlochquerschnitten weitgehend freizügig wählbar und den Erfordernissen des jeweiligen Anwendungsfalles anpaßbar ist.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Anordnung möglich.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Mittel zum Zurückhalten der Ventilnadel erst nach einem einer Voreinspritzphase entsprechenden ersten Teilhub der Hohlnadel zu Wirkung kommen. Dadurch ist erreicht, daß zunächst der eine Spritzlochquerschnitt von der Hohlnadel aufgesteuert wird, und daß erst am Beginn der Haupteinspritzphase der zweite Spritzlochquerschnitt durch die Ventilnadel freigegeben wird. Außerdem ist erreicht, daß sich nach Zurücklegen des ersten Teilhubes der Hohlnadel mit der Einspritzmenge auch der Schließdruck und damit der vor den Ventilen anstehende Kraftstoffdruck sprunghaft erhöht, so daß im Teil- und Vollastbereich der Brennkraftmaschine eine einwandfreie Aufbereitung des Kraftstoffs gewährleistet ist.
Bei Ausbildung der Hohlnadel gemäß den Merkmalen des Anspruchs 3 erhält man bezüglich des inneren Spritzlochquerschnittes die Funktion einer konventionellen Lochdüse mit nach innen öffnender Ventilnadel, ohne daß man Maßnahmen zur Beseitigung von Lecköl treffen muß. In manchen Anwendungsfällen kann es zweckmäßig sein, wenn die Hohlnadel stromab des Ventilsitzes ein Sackloch hat, von welchem die Spritzlöcher nach außen führen.
Die Hohinadel kann zweckmäßig nach den Merkmalen des Anspruchs 4 ausgebildet sein. Eine ohne Spritzlöcher im Düsenkörper auskommende Ausführung ergibt sich, wenn gemäß Anspruch 5 die Spritzlöcher in der Hohlnadel den äußeren Spritzlochquerschnitt bildend nach einem Teilhub der Hohlnadel aus der Führungsbohrung des Düsenkörpers austreten.

Zeichnung

Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Figuren 1 bis 3 zeigen je einen Teilschnitt durch eines der Ausführungsbeispiele.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die Einspritzdüse nach Figur 1 hat einen Düsenkörper 10, der durch einen Schraubkörper 12 an einem Düsenhalter 14 festgespannt ist. Im Düsenkörper 10 ist eine Führungsbohrung 16 für eine Hohlnadel 18 und eine im Durchmesser größere Bohrung 20 gebildet, weiche an einer Schulter 22 in die Führungsbohrung 16 übergeht. In die Bohrung 20 ragt ein Ansatz 24 des Düsenhalters 14 passend hinein, der mit einer Bohrung 26 und am Stirnende mit einer kleineren Öffnung 28 versehen ist, deren Querschnitt zwei Flächen aufweist. Dadurch ist eine vom einspritzseitigen Ende der Düse abgekehrte, gehäusefeste Schulter 30 mit umlaufender Auflagefläche ge- . bildet.
Die Hohlnadel 18 hat eine .von ihrer oberen Stirnseite 32 ausgehende Längsbohrung 36, die bis zu einem konischen Ventilsitz 38 führt, an welchem sich stromab ein Sackloch 40 mit nach außen führenden Spritzlöchern 41, 42 in dem als Kuppe 43 ausgebildeten Stirnende der Hohlnadel 18 anschließt.
Die Hohlnadel 18 ist mit einem im Außendurchmesser leicht geschwächten Abschnitt 48 versehen, der in der Nähe seines Übergangs zu einem ungeschwächten, im Düsenkörper 10 geführten Abschnitt 50 eine Querbohrung 52 hat. An den Abschnitt 48 schließt sich oben ein mit zwei Flächen versehener Kopf 54 an, der mit dem erforderlichen Bewegungsspiel passend in die Öffnung 28 ragt und die Hohlnadel 18 gegen Verdrehen sichert.
Am Außenumfang der Hohlnadel 18 ist ferner in der Nähe des Ventilsitzes 38 eine konische Ringschulter 56 gebildet, weiche mit einer entsprechend geformten Gegenschulter 58 am Stirnende des Düsenkörpers 10 zusammenarbeitet. In der Bohrung 20 ist eine Schließfeder 60 angeordnet, die sich unten an einem auf der Schulter 22 aufliegenden Flansch 62 einer Buchse 64 abstützt, die den Abschnitt 48 der Hohlnadel 18 mit Spiel umgibt. Am oberen Ende greift die Schließfeder 60 an einem Druckring 66 an, der gegen eine zwischen dem Abschnitt 48 und dem Kopf 54 gebildete Ringschulter 68 der Hohlnadel 18 stößt. Der durch die Schließfeder 60 hervorgerufene Aufwärtshub (Schließhub) der Hohlnadel 18 wird durch die Schultern 56 und 58 an Hohlnadel 18 und Düsenkörper 10 begrenzt, die als Ventilflächen ausgebildet sind und in Schlie-βstellung der Hohlnadel 18 den Lagerspalt zwischen dieser und dem Düsenkörper 10 gegen die Brennkammer hin abdichten.
In der Längsbohrung 36 der Hohlnadel 18 ist eine Ventilnadel 70 verschiebbar geführt, die am einspritzseitigen Stirnende einen mit dem Ventilsitz 38 zusammenarbeitenden Dichtkegel 72 hat. Der Dichtkegel 72 ist an einem im Durchmesser etwas geschwächten Abschnitt 74 der Ventilnadel 70 gebildet, der an einer Schulter 76 in den ungeschwächtenAbschnitt der ventiInadel 70 übergeht. Die Schulter 76 liegt etwas oberhalb der Querbohrung 52 in der Hohlnadel 18, so daß der zwischen dem Abschnitt 74 der Ventilnadel 70 und der Wand der Längsbohrung 36 in der Hohlnadel 18 gebildete Ringraum 78 über die Querbohrung 52, das Ringspiel zwischen Hohlnadel 18 und Buchse 64, sowie über eine oder mehrere Querbohrungen 80 in der Buchse 64 mit der Bohrung 20 im Düsenkörper 10 in Verbindung steht.
Die Ventilnadel 70 ragt oben ein Stück weit aus der Hohlnadel 18 heraus und ist dort mit einem Ringbund 82 versehen, an dessen oberer Stirnseite eine Ventilfeder 84 angreift, welche sich an einer in die Bohrung 26 eingeschraubten Gewindebuchse 86 abstützt. Die Ventilfeder 84 ist bestrebt, die Ventilnadel 70 gegen den Ventilsitz 38 in der Hohlnadel 18 zu drücken. Das gelingt in der in der Zeichnung dargestellten. Schließlage der Hohlnadel 18, in welcher der Bund 82 der Ventilnadel 70 noch um den Hub h, von der Schulter 30 am Düsenhalter 14 entfernt ist. Wenn die Hohlnadel 18 in Öffnungsrichtung den Weg h, zurückgelegt hat, liegt der Bund 82 an der Schulter 30 an, wonach die Ventilnadel 70 an einer weiteren Mitbewegung mit der Hohlnadel 18 gehindert ist. Der Gesamthub h₂ der Hohlnadel 18 ist begrenzt durch die Buchse 64, an deren oberer Stirnseite der Druckring 66 zur Anlage kommt.
Die Gewindebuchse 86 ist mit einer Bohrung 88 zum Zuführen des Kraftstoffs versehen. Der Kraftstoffweg führt danach über die Bohrung 26 und eine die Schulter 30 umgehende Randaussparung 90 im Ansatz 24 des Düsenhalters 14 in die Bohrung 20, wo der Kraftstoff auf die Stirnseite 32 der Hohlnadel 18 einwirkt und auf diese eine der Schließfeder 60 entgegenwirkende Kraft in Richtung zur Brennkammer hin ausübt. Aus der Bohrung 20 gelangt der Kraftstoff über die Querbohrung 52 in der Hohlnadel 18 in den Ringraum 78 zwischen Hohlnadel 18 und Ventilnadel 70 und übt dort über die schmale Ringfläche 92 oberhalb des Ventilsitzes 38 eine weitere Kraft auf die Hohlnadel 18 aus. Der Kraftstoff übt ferner auch auf die Ventilnadel 70 eine nach unten wirkende resultierende Kraft aus, welche unterstützend zur Ventilfeder 84 die Ventilnadel 70 an den Ventilsitz 38 drückt.
In der Hohlnadel 18 ist nahe an der Schulter 56 ein Kranz von leicht schräg verlaufenden Spritzlöchern 93 angeordnet, welche aus der Führungsbohrung 16 heraustreten, bevor die Hohlnadel 18 bei ihrem Hub an der Buchse 64 zur Anlage kommt. Die Hohlnadel 18 wird daher selbst zu einem Ventilschließglied für einen äußeren Spritzlochquerschnitt I, welcher dem durch die Spritzlöcher 41,42 gebildeten inneren Spritzlochquerschnitt II vorgelagert ist. Die Spritzlöcher 93 sind in Schließstellung der Hohlnadel 18 durch eine Überdeckung h₃ und durch das zwischen den Schultern 56 und 58 gebildete Ventil gegen die Brennkammer abgedichtet.
Beim Anstieg des Kraftstoffdrucks zu Beginn eines Einspritzhubes wird unter Zusammendrücken der Schließfeder 60 die Hohlnadel nach unten aus dem Düsenkörper 10 herausbewegt. Dieser Bewegung kann die Ventilnadel 70 unter dem Einfluß der Ventilfeder 84 und des Kraftstoffdrucks nur um das kleine Wegstück h₁ folgen, wonach der Bund 82 an der Schulter 30 anschlägt und eine Relativbewegung der Ventilnadel 70 gegenüber der sich weiterbewegenden Hohlnadel 18 erzwingt. Dabei wird der innere Spritzlochquerschnitt II freigegeben. Kurz vor dem Auftreffen des Druckrings 66 auf die Buchse 64 treten die Spritzlöcher 93 aus der Führungsbohrung 16 aus, wodurch auch der äußere Spritzlochquerschnitt I freigegeben wird.
Die Relativbewegung zwischen Hohlnadel 18 und Ventilnadel 70 hat in Bezug auf die Kraftstoffsteuerung im Auspritzbereich etwa die gleiche Wirkung wie eine sich nach innen bewegende Ventilnadel bei feststehendem Ventilsitz. Gegenüber Einspritzdüsen mit einer derartigen Arbeitsweise (I-Düsen) hat die beschriebene Anordnung jedoch den Vorteil, daß ein Leckölstrom in der Führung der Ventilnadel 70 oder der Hohlnadel 18 nicht störend ist bzw. nicht auftritt und daher keine Mittel zu dessen Abführung vorgesehen werden müssen.
Bei Abfall des Kraftstoffdrucks am Ende eines Einspritzhubes führt die Schließfeder 60 die Hohlnadel 18 in die Ausgangsstellung zurück, in der sie mit ihrer Schulter 56 an der Schulter 58 des Düsenkörpers 10 anschlägt. Dabei wird zunächst der äußere Spritzlochquerschnitt I wieder geschlossen. Kurz vor dem Aufsetzen der Schulter 56 auf die Schulter 58 trifft die Ventilnadel 70 auf den Ventilsitz 38 auf, wonach auch der Kraftstoffaustritt aus dem inneren Spritzlochquerschnitt II unterbrochen ist. Die Ventilnadel 70 hebt danach noch um den Hub h₁ von der Schulter 30 ab. Der Hub h₁ ist mit Rücksicht auf die in der Fertigung zuzulassenden Toleranzen gerade so groß bemessen, daß sich die Ventilnadel 70 in der Schließstellung der Hohlnadel 18 mit Sicherheit auf den Ventilsitz 38 auflegen kann. Die beiden aufeinanderliegenden Schultern 56, 58 verwehren den Verbrennungsgasen den Zutritt zum Lagerspalt der Hohlnadel 18 und zum Spritzlochquerschnitt I.
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 2 steuert die Hohlnadel 18 ebenfalls einen äußeren und einen inneren Spritzlochquerschnitt I bzw. 11. Der äußere Spritzlochquerschnitt I ist durch Spritzlöcher 94, 96 im Düsenkörper 10 gebildet, welche unterschiedliche Winkel zur Düsenachse einschließen. Die Hohlnadel 18 ist mit einer Querbohrung 98 und einer Ringnut 100 im Mantelumfang versehen, in welche die Querbohrung 98 an beiden Enden ausmündet. Der Bund 82 der Ventilnadel 70 ist hier von der gehäusefesten Schulter 30 um den Teilhub h₁ entfernt, der nicht mehr nur zur Ausschaltung von Fertigungstoleranzen, sondern auch zur hubabhängigen Steuerung der beiden Spritzlochquerschnitte I und 11 dient.
Beim Öffnungshub der Hohlnadel 18 wird zunächst über die Ringnut 100 der äußere Spritzlochquerschnitt I aufgesteuert, wobei die Ventilfeder 84 die Ventilnadel 70 am Ventilsitz 38 der Hohlnadel 18 angelegt hält. Im weiteren Verlauf des Öffnungshubes der Hohlnadel 18 wird die Ventilnadel 70 gegenüber dieser zurückgehalten, wodurch auch der innere Spritzlochquerschnitt 11 aufgesteuert wird. Am Ende des Einspritzvorganges spielen sich die beschriebenen Vorgänge in der umgekehrten Reihenfolge ab. Die Anordnung könnte durch entsprechende Wahl des Abstandes der Querbohrung 98 vom Dichtkegel 72 an der Ventilnadel 70 auch so getroffen sein, daß zuerst der Dichtkegel 72 vom Ventilsitz 38 abhebt und erst danach der äußere Spritzlochquerschnitt I aufgesteuert wird.
Die Einspritzdüse nach Figur 2 hat auch den Vorteil, daß beim Aufsteuern des inneren Spritzlochquerschnitts II und der damit verbundenen sprunghaftdn Vergrößerung des Spritzloch-Gesamtquerschnittes ein Drucksprung in der Schließkraft auftritt, der durch das Abfangen der Kraft der Ventilfeder 84 hervorgerufen ist und vorteilhaft dafür sorgt, daß danach der Kraftstoff gleich gut wie beim ersten Teilhub h₁ aufbereitet und zerstäubt wird.
Das Ausführungsbeispiel nach Figur 3 unterscheidet sich vom vorbeschriebenen lediglich dadurch, daß die Schulter 56 der Hohlnadel 18 stromauf des äußeren Spritzlochquerschnittes I angeordnet ist und mit einer inneren Schulter 58 des Düsenkörpers 10 zusammenarbeitet. Bei dieser Ausführung wird in der Schließstellung der Hohlnadel 18 zwar nur der Lagerspalt zwischen Hohlnadel 18 und Düsenkörper 10 gegen die Brennkammer hin abgeschirmt. Vorteilhaft ist jedoch, daß die in der Schließstellung nach Art eines Ventils zusammenwirkenden Schultern 56 und 58 den Ringraum 78 zusätzlich gegen den äußeren Spritzlochquerschnitt I dichten.
Wenn auf den zusätzlichen Vorteil des Drucksprungs nach dem vorgesehenen ersten Teilhub der Hohlnadel 18 verzichtet wird, kann die Spritzfolge bezüglich der Spritzlochquerschnitte I und II auch umgekehrt werden.

Claims

1. Kraftstoff-Einspritzdüse für Brennkraftmaschinen, mit einer vom Druck des Kraftstoffs in dessen Strömungsrichtung entgegen der Kraft einer Schließfeder (60) verschiebbaren Hohlnadel (18), in welcher ein innerer Ventilsitz (38) vor einem inneren Spritzlochquerschnitt (11) für Kraftstoff gebildet und eine mit dem Ventilsitz (38) zusammenarbeitende Ventilnadel (70) verschiebbar gelagert ist, mit einer Ventilfeder (84), die die Ventilnadel (70) in Strömungsrichtung des Kraftstoffes beaufschlagt und in Schließstellung der Hohlnadel (18) an den inneren Ventilsitz (38) andrückt, mit einer gehäusefesten Schulter (30) zum Zurückhalten der Ventilnadel (70) gegenüber der in Öffnungsrichtung sich bewegenden Hohlnadel (18) und zum Öffnen des inneren Ventils, sowie mit einer am Düsenkörper (10), in dem die Hohlnadel (18) gelagert ist, angeordneten Anschlagschulter (58), auf der sich die Hohlnadel in Schließstellung mit der Kraft der Schließfeder (60) abstützt, und mit einer Ventilfläche am äußeren Umfang der Hohlnadel (18), die mit einer Ventilfläche am Düsenkörper (10) zusammenwirkt und ein äußeres Ventil (56, 58) bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffzuführung durch den Einbauraum der Ventilfeder (84), den Einbauraum der Schließfeder (60) und die zentrale Bohrung (36) der Hohlnadel (18) verläuft, daß mindestens eine Querbohrung (93, 98) in der Hohlnadel (18) im Bereich des äußeren Ventils (56, 58) angeordnet ist und daß ein äußerer Spritzlochquerschnitt ausgebildet ist und das äußere Ventil das Abspritzen des Kraftstoffes über diesen äußeren Spritzlochquerschnitt steuert.

2. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schulter (30) zum Zurückhalten der Ventilnadel (70) gegenüber der in Öffnungsrichtung sich bewegenden Hohlnadel (18) zur Wirkung kommt, wenn die Hohlnadel (18) einen einer Voreinspritzphase entsprechenden ersten Teilhub in Öffnungsrichtung zurückgelegt hat.

3. Einspritzdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlnadel (18) einen kegeligen Ventilsitz (38) und die Ventilnadel (70) einen Dichtkegel (72) hat, und daß das spritzseitige Stirnende der Hohlnadel (18) nach Art einer Lochdüse als Kuppe (43) ausgebildet ist, in welcher die den inneren Spritzlochquerschnitt (11) bildenden Spritzlöcher (41, 42) vorgesehen sind.

4. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein von der Hohlnadel (18) gesteuerter gehäusefester Ventilsitz durch einen die Hohlnadel dicht führenden Wandabschnitt des Düsenkörpers (10) gebildet ist, in dessen Bereich eine den äußeren Spritzlochquerschnitt (I) bildende Gruppe von Spritzlöchern (93, 94, 96) in die Führungsbohrung für die Hohlnadel mündet.

5. Einspritzdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Querbohrungen (93) in der Hohlnadel (18) den äußeren Spritzlochquerschnitt (I) bilden und nach einem Teilhub der Hohlnadel (18) aus der Führungsbohrung (16) des Düsenkörpers (10) austreten (Figur 1).

6. Einspritzdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Spritzlöcher (94, 96) im Düsenkörper (10) den äußeren Spritzlochquerschnitt (I) bilden und die mindestens eine Querbohrung (98) der Hohlnadel (18) in eine Ringnut (100) am Umfang der Hohlnadel (18) mündet, welche nach einem Teilhub der Hohlnadel (18) zur Überdeckung mit den Spritzlöchern (94, 96) im Düsenkörper (10) kommt (Figur 2 und 3).