EP0195440A2

EP0195440A2 - Brennstoffeinspritzventil

Info

Publication number: EP0195440A2
Application number: EP86103736A
Authority: EP
Inventors: Gerhard Dipl.-Ing. Finsterwalder
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1985-03-20
Filing date: 1986-03-19
Publication date: 1986-09-24
Also published as: ATE46744T1; DE3510075A1; EP0195440B1; DE3665903D1; EP0195440A3

Abstract

@ Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffeinspritzventil mit einer Querschnittsregelung der Düsenaustrittsöffnung. Dabei wird der Düsenaustrittsquerschnitt in Abhängigkeit vom Druck des Brennstoffes gesteuert. Während einer ersten Öffnungsphase öffnet die Düsennadel (3) schlagartig, um dann in einer zweiten Phase ihre Hubstellung infolge des Gleichgewichts zwischen einer Druckfeder und dem Brennstoffdruck festzulegen. Der Hub der Düsennadel (3) bestimmt den Querschnitt der Austrittsöffnung (23). Die erfindungsgemäße Hubsteuerung wird im wesentlichen durch einen zweiten Druckraum 15 erreicht, der ebenfalls vom Brennstoffdruck beaufschlagt wird und die Düsennadel (9) vom einem Teil der während des Öffnens aufgetretenen Druckkräfte entlastet.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffeinspritzventil für eine Brennkraftmaschine mit einem Ventilkörper und einem Düseneinsatz, in dem eine Düsennadel axial geführt ist, die mit einem axialen Ende auf einem Düsennadelsitz des Düseneinsatzes aufliegend angeordnet und von einer Kraft aus einem Kraftspeicher in Richtung des Düsennadelsitzes beaufschlagt ist, wobei von der Düsennadel an dem Düsennadelsitz durch deren Hub ein Abströmquerschnitt von zumindest einer Austrittsöffnung steuerbar ist und Brennstoff von einer separaten Einspritzpumpe über Leitungen und Kanäle bis zu einem ersten Druckraum an einer Druckschulter der Düsennadel und bis zu einem zweiten Druckraum zuführbar ist.
Einspritzpumpen von Brennkraftmaschinen erzeugen in Verbindung mit konventionellen Einspritzventilen einen von der Drehzahl und der Belastung der Brennkraftmaschine abhängigen Einspritzdruck. Somit kann mit dem von der Einspritzpumpe geförderten Brennstoff, der über eine Einspritzdüse mit konstantem Abströmquerschnitt in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird, aufgrund der drehzahl- bzw. lastabhängigen Charakteristik der _Brennstoffeinspritzpumpe nur bei einem ganz bestimmten Einspritzdruck und einer bestimmten Brennstoffördermenge ein optimales Spritzbild im Hinblick auf eine gute Zerstäubung des Brennstoffes und somit eine gute Gemischaufbereitung erzielt werden. Es ist bekannt, insbesondere im Hinblick auf die Optimierung des Brennverlaufes und eine geringe Geräusch- und Schadstoffemission der Brennkraftmaschine, den Einspritzverlauf durch Steuerung des Abströmquerschnitts der Einspritzdüse den verschiedenen Belastungszuständen der Brennkraftmaschine anzupassen.
In der DE-OS 33 38 120 ist ein Brennstoffeinspritzventil beschrieben, bei dem der Brennstoff mit möglichst konstantem Abspritzdruck an den Austrittsöffnungen der Einspritzdüse in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingebracht wird. Der Querschnitt der Austrittsöffnungen wird in Abhängigkeit des Einspritzdruckes derart gesteuert, daß über den gesamten Lastbereich der Brennkraftmaschine eine hohe Brennstoffzerstäubungsgüte erreichbar ist. Im einzelnen sieht die DE-OS vor, den Brennstoff einerseits auf eine Druckschulter einer Düsennadel wirken zu lassen und andererseits über Hohlbohrungen in der Düsennadel auf einen Druckkolben, der genau wie die Druckschulter eine Kraft in - Öffnungsrichtung der Düsennadel erzeugt. Wird der Brennstoffdruck während des Einspritzhubes der Einspritzpumpe hoch genug, so überwinden die Kräfte an der Druckschulter und an dem Druckkolben die in Schließrichtung der Düsennadel wirkende Federkraft einer Druckfeder, und die Düsennadel beginnt zu öffnen. Die Federkraft und die Kräfte infolge des Brennstoffdruckes stehen im Moment des öffnens im Gleichgewicht. Sobald der Brennstoff in den Düsennadelsitz einströmt, wird die Düsennadel infolge des Brennstoffdruckes von einer zusätzlichen Kraft in öffnungsrichtung der Düsennadel beaufschlagt. Durch die zusätzliche Kraft auf die Düsennadel wird eine hohe Öffnungsgeschwindigkeit erzielt. Nach einem gewissen Anfangshub der Düsennadel wird die Kraft des Druckkolbens durch einen Anschlag abgefangen, so daß im weiteren nur noch die Druckkäfte an der Druckschulter und an der Düsennadelspitze in Öffnungsrichtung gegen ie Federkraft in Schließrichtung wirken. Es stellt sich infolge eines Kräftegleichgewichts ein genau bestimmter Hub der Düsennadel ein, durch den ein bestimmter Abströmquerschnitt an dem Düsennadelsitz gegeben ist. Auf diese Weise ist der Abströmquerschnitt in Abhängigkeit des Einspritzdruckes gesteuert.
Die Regelung des Abspritzquerschnittes erfolgt jedoch erst nach einem anfänglichen Starthub der Düsennadel. Beim Schließen der Düsennadel kann es ferner leicht zu einer Nacheinspritzung kommen, da auch in diesem Moment die Düsennadel im Kräftegleichgewicht gehalten ist. Schon geringe Druckschwankungen können ein erneutes öffnen der Düsennadel bewirken. Diese Nachteile führen zu hoher Schadstoffemission der mit diesem Brennstoffeinspritzventil betriebenen Brennkraftmaschine.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffeinspritzventil zu schaffen, bei dem möglichst über den gesamten Drehzahl- und Lastbereich der Brennkraftmaschine der Brennstoff mit hohem, weitgehend gleichmäßigem Abspritzdruck in den Brennraum einbringbar ist und bei dem ein gesteuerter Öffnungs- und Schließvorgang der Düsennadel erzielbar ist, um bei niedrigem _Brennstoffverbrauch die emitierten Schadstoffe wie NO , Ruß etc. gering zu halten und auch die Geräuschemissione zu senken.
Diese Aufgabe wird bei einem Brennstoffeinspritzventil der gattungsgemäßen Art durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, daß der Hub der Düsennadel nach deren öffnen in Abhängigkeit des momentanen Drucks im Brennstoff gesteuert wird. Der Hub legt über die Geometrie am Brennstoffaustritt der Einspritzdüse einen bestimmten Abströmquerschnitt fest. Die Kraft des Brennstoffdruckes an der Düsennadelschulter bildet dabei mit der Kraft der Düsennadelfeder oder eines anderen Kraftspeichers ein Gleichgewicht. Die zusätzliche Kraft in öffnungsrichtung der Düsennadel auf die Düsennadelsitzfläche infolge des Brennstoffdruckes, die nach dem öffnen der Düsennadel auf der Düsennadelsitzfläche lastet, wird durch eben genau diesen Brennstoffdruck, der in einem zweiten Druckraum eine Kraft in Schließrichtung erzeugt, kompensiert. Da sich diese Kraft in Schließrichtung erst zeitlich nach dem öffnen der Düsennadel aufbaut, ist sichergestellt, daß die Düsennadel öffnet und dann, nachdem der Druck in dem zweiten Druckraum aufgebaut worden ist, in die Steuerung des Abströmquerschnitts der Düse übergeht. Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil weist außerdem eine hervorragende Schließcharakteristik auf, da ein als Rückschlagventil wirkender Einsatz nach dem Abfall des Einspritzdruckes ein sofortiges Entlasten des zweiten Druckraumes durch Zurückströmen in die Zuführungsleitung des Brennstoffes verhindert. Sitzt die Düsennadel infolge der Druckabsenkung im Brennstoff wieder auf dem Düsennadelsitz auf, so ist die Kraft aus dem zweiten Druckraum, die die Düsennadel beaufschlagt, nicht mehr durch die Kraft des Brennstoffdruckes am _Düsennadelsitz ausgeglichen. Die Kraft des Brennstoffdruckes im zweiten Druckraum wirkt somit als zusätzliche Schließkraft, die ein Nacheinspritzen des Brennstoffeinspritzventils sicher verhindert. Mit dem erfindungsgemäßen Brenns-toffeinspritzventil wird bei gleichbleibend hohem Einspritzdruck der Einspritzpumpe während des gesamten Einspritzvorganges eine gute Zerstäubung und die höchste Einspritzrate über den gesamten Last- und Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine erreichet.
Die Erfindung ist bei direkteinspritzenden Dieselmotoren besonders zweckmäßig anwendbar..
In besonderer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, die für die Kraft des Brennstoffes auf die Druckschulter maßgebliche Projektionsfläche der Druckschulter in der Ebene senkrecht zur Düsennadelachse erheblich kleiner als die Projektionsfläche der Düsennadelspitze in der gleichen Ebene auszubilden. Eine solche Düsennadel weist eine besonders kleine Druckschulter auf. Eine kleine Druckschulter führt infolge der kleinen _Düsennadelöff- nungskräfte zu geringen Düsennadelfederkräften, wodurch eine niedrige Düsennadelsitzbeanspruchung erreicht wird. Gleichzeitig kann die Düsenna.elsitzfläche vergrößert wer-. den, um die Düsennadelsitzbeanspruchung weiter zu vermindern. Durch diese Düsennadelauslegung sind sehr hohe Einspritzdrücke ohne unzulässig hohe Düsennadelsitzbeanspruchung erzielbar. Es ist so möglich, den öffnungsdruck der Düsennadel weitgehend dem Spitzendruck der Einspritzpumpe anzugleichen. Ein hoher Einspritzdruck fördert die Zerstäubung und Gemischbildung, weshalb u.a. die Partikelemission in vorteilhafter Weise gesenkt wird. Da sich außerdem infolge des höheren Einspritzdruckes eine höhere Einspritzrate einstellt, ist eine späte und rasche Verbrennung ermöglicht. Dadurch werden in vorteilhafter Weise Spitzendruck und Spitzentemperatur, also NO_x und Geräuschemission, abgesenkt, ohne Verbrauchsnachteile in Kauf nehmen zu müssen.
In einer Ausführung der Erfindung nach Anspruch 12 ist die Düsennadel in ihrer gesamten'Länge hohl gebohrt, so daß die Hohlbohrung an der Düsennadelspitze eine.ZuführungsÖffnung am Düsennadelsitz bildet. Die Zuführungsöffnung liegt in Strömungsrichtung des Brennstoffes während des Einspritzen hinter dem Düsennadelsitz. Dabei ist das Rückschlagventil in die Hohlbohrung der Düsennadel eingesetzt. Somit ist in vorteilhafter Weise erreicht, daß ein erfindungsgemäßes Brennstoffeinspritzventil sicher öffnet und sich der Brennstoffdruck erst nach dem Abheben der Düsennadel vom Düsennadelsitz im zweiten Druckraum aufbaut. Sobald sich der Brennstoffdruck auch im zweiten Druckraum aufgebaut hat, wird die Kraft, die infolge des Brennstoffdruckes am Düsennadelsitz auf die Düsennadel wirkt, vollständig kompensiert.
Eine vorteilhafte Ausbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils ist in Anspruch 19 beschrieben. Durch ihren einfachen konstruktiven Aufbau eignet sich das vorgeschlagene Brennstoffeinspritzventil besonders für eine druckfeste Ausbildung zur Verwendung für einem Brennstoffdruck von 500 bis 2 000 bar. Bei einem Einspritzdruck von 2 000 bar ist die hydraulische Gemischbildungsenergie erheblich gesteigert und die Einspritzzeit verkürzt, so daß im gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine eine optimale Zerstäubung und Verbrennung erzielt wird. Hieraus ergibt sich ferner eine geringe Schadstoff- und Geräuschemission.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt sind. Es zeigt:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch ein erfindungsgemäßes Brennstoffeinspritzventil,
Fig.2. einen Axialschnitt aus einem Teil eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils,
Fig. 3 Längsschnitte durch Ausführungsformen der Einspritzdüse und der Düsennadel:
- a) mit radialen, sternförmig angeordneten Austrittsöffnungen mit Drosselzapfen,
- b) mit radialen, sternförmig angeordneten Austrittsöffnungen und mit einer Schiebersteuerung der Düsennadel
- c) mit einer axialen Austrittsöffnung und mit einem eingreifenden Zapfen der Düsennadel.

Das in Fig. l gezeigte Brennstoffeinspritzventil besteht im wesentlichen aus einem Ventilkörper 1, aus einem Düseneinsatz 2 und aus einer Düsennadel 3, wobei noch zwischen dem Ventilkörper 1 und dem Düseneinsatz 2 ein Zwischenstück 4 vorgesehen ist. Die Düsennadel 3 greift in eine rohrförmige Ausbildung des Düseneinsatzes 2 ein. Dabei ist an dem axialen Ende der rohrförmigen Ausbildung der Düsennadelsitz 5 in Form zweier ineinandergreifender Kegel vorgesehen. Die drei Teile Ventilkörper 1, Düseneinsatz 2 und Zwischenstück 4 werden durch eine Hülse 6 axial druckmitteldicht zusammengepreßt, wobei das Zwischenstück 4 beispielsweise durch nicht gezeigte Stifte von dem Düseneinsatz 2 fixiert wird. Die Hülse 6 kann dabei als Überwurfmutter ausgebildet sein und mit dem Ventilkörper 1 fest verschraubt werden. Es können auch andere Befestigungsarten wie verschraubte Flansche, Lötungen, Klebungen oder. Schweißungen zweckmäßig sein; es müssen lediglich die genannten Teile druckmitteldicht miteinander verbunden sein.
Der Brennstoff wird über Kanäle 7, 8 im Ventilkörper 1 über einen Kanal 9 im Zwischenstück 4 und über einen Kanal 10 im Düseneinsatz 2 von einem Anschlußstutzen 29 bis zu einem ersten Druckraum 11 an einer Druckschulter 12 der Düsennadel 3 geführt. Die Düsennadel 3 bildet dabei die Druckschulter 12 durch eine Veränderung ihres äußeren Durchmessers. Von der Druckschulter 12 bis zum Düsennadelsitz 5 hat die Düsennadel 3 im Düseneinsatz 2 einen radialen Spalt, wodurch ein ringförmiger Zwischenraum 13 gebildet ist. Durch diesen Zwischenraum 13 gelangt der Brennstoff vom Druckraum 11 zum Düsennadelsitz 5. Die Düsennadel 3 selbst wird auf einem Axialabschnitt, der auf der dem Düsennadelsitz 5 abgewandten Seite der Druckschuler 12 angeordnet ist, exakt und druckmitteldicht von dem Düseneinsatz 2 axial geführt.
Die Düsennadel 3 ist in Schlie. richtung von einer Kraft aus einem Kraftspeicher beaufschlagt. Der Kraftspeicher kann insbesondere eine Druckfeder 14 sein, die in einem Hohlraum 22 des Ventilkörpers 1 eingesetzt ist. Es könnte für diese Zweck jedoch auch in vorteilhafter Weise ein verschieblicher Kolben, der in einem Zylinder die Kraft in einem kompressiblen Medium wie beispielsweise Luft speichert, vorgesehen sein.
Die Druckfeder 14 wirkt dabei über einen Federteller 16 auf ein Übertragungsstück 17, welches wiederum auf der Düsennadel 3 aufliegt. Das Ubertragungsstück 17 ist in dem Zwischenstück 4 axial beweglich geführt und weist einen äußeren Durchmesser auf, der dem größten Durchmesser der Auflagefläche der Düsennadel 3 auf dem Düsennadelsitz ₅ entspricht. Der äußere Durchmesser des Ubertragungsstückes 17 ist kleiner als der Führungsdurchmesser der Düsennadel 3. Das Ubertragungsstück 17 greift geringfügig in den _Dü- seneinsätz 2 ein, so daß durch die unterschiedlichen Durchmesser der Düsennadel 3 und des Ubertragungsstücks 17 ein radialer Absatz 18 zwischen Düseneinsatz 2 und Zwischenstück 4 gebildet wird. Dieser radiale Absatz 18 ist der Endanschlag für den Hub der Düsennadel 3. Durch die zweiteilige Konstruktion der Düsennadel 3 und des Ubertragungsstücks 17 braucht die Düsennadelführung im Düseneinsatz 2 in vorteilhafter Weise nicht exakt mit der Führungsbohrung für das Ubertragungsstück 17 zu fluchten.
Ferner sind die Düsennadel 3, das Ubertragungsstück 17 und der Federteller 16 über die gesamte axiale Länge hohlgebohrt, und der Hohlraum 22 ist als zweiter Druckraum 15 ausgebildet. Am düsennadelsitzseitigen axialen Ende der Düsennadel 3 ist im Inneren der Düsennadel 3 ein Rückschlagventil 19 vorgesehen. Das Rückschlagventil 19 besteht dabei aus einer Kugel 28, welche auf einem konischen Sitz in der Hohlbohrung 20 aufliegt. Die Kugel 20 verschließt dabei eine axiale Öffnung 21 in der Spitze der Düsennadel 3. Die Öffnung 21 führt in eine Höhlung 22 an der Spitze der Düsennadel 3 im Düseneinsatz 2, wobei die Höhlung 22 durch den Düsennadelsitz 5 von dem radialen Zwischenraum 13 getrennt ist. In der Fläche des Düsennadelsitzes 5 sind die Austrittsöffnungen 23 sternförmig angeordnet, die den Brennstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine einbringen. Auf dem dem düsennadelsitzseitigen abgewandten axialen Ende der Hohlbohrung 20 schließt sich die Bohrung im Ubertragungsstück 17 und eine Durchgangsbohrung im Federteller 16 an, so daß die Hohlbohrung 20 direkt mit dem zweiten Druckraum 15 in Verbindung steht. Der Durchmesser der Hohlbohrung 20 entspricht dem kleinsten Durchmesser der Auflagefläche der Düsennadel 3 auf dem Düsennadelsitz 5.
Zwischen dem Ubertragungsstück 17 und dem Zwischenstück 4 ist durch radiales Spiel in der Passung dieser beiden Teile ein Abfluß aus dem zweiten Druckraum 15 vorgesehen. Durca die Größe dieses Spiels läßt sich die Drosselcharakteristik des Abflusses beeinflussen. Der Brennstoff gelangt aus dem zweiten Druckraum 15 zwischen dem Ubertragungsstück 17 und dem Zwischenstück 4 an den radialen Absatz 18, von wo er über einen radialen Kanal bis zu einer Leckölleitung 26 geleitet wird. Die Leckölleitung 26 ist drucklos mit der Einspritzpumpe oder mit dem Tank der Brennkraftmaschine verbunden.
Die Wirkungsweise eines erfindungsgemäßen Einspritzventils beruht auf der Druckbeaufschlagung des zweiten Druckraumes 15 mit Brennstoffdruck. Der Brennstoff wird über die Bohrungen 7, 8, 9 und 10 in den Druckraum 11 der Druckschulter 12 zugeführt. Ferner gelangt der Brennstoff über den radialen Zwischenraum 13 bis zum Düsennadelsitz 5. Wird jetzt der Brennstoff von der Einspritzpumpe druckbeaufschlagt, wird in dem Druckraum 11 die Druckschulter 12 mit einer daraus resultierenden Kraft belastet. Diese Kraft steht im Gleichgewicht mit der Kraft aus dem Kraftspeicher, welche die Düsennadel auf den Düsennadelsitz 5 aufpreßt. Bei ausreichend hohem _Brennstoffdruck wird die Düsennadel 3 geringfügig angehoben. In diesem Moment strömt der Brennstoff in den _Düsennadelsitz 5 und wirkt auf das dortige axiale Ende der Düsennadel 3. Durch diesen zusätzlichen Druck wird die Düsennadel plötzlich mit einer erheblichen Kraft in Öffnungsrichtung beaufschlagt und beginnt zu öffnen.
Der Brennstoff strömt im weiteren über die Öffnung 21 an dem Rückschlagventil 19 vorbei in die Hohlbohrung 20 der Düsennadel 3. Die Verbindung vom Druckraum 11 zum zweiten Druckraum 15 ist jetzt hergestellt. Da der Durchmesser der Bohrung 27 im Zwischenstück 4 den maximalen Düsennadelsitzdurchmesser entspricht, kompensieren sich die auf die von diesen Durchmesser gebildeten Flächen wirkenden Druckkräfte gerade vollständig. Hat sich der Brennstoffdruck in zeitlicher Abhängigkeit der Verdrängerwirkung des in den zweiten Druckraum 15 hineingehenden Federtellers 16 und der Größe des Volumens des zweiten Druckraums 15 auch im zweiten Druckraum 15 aufgebaut hat, ist die anfangs auf die Düsennadel 3 wirkende öffnungskraft an der Düsennadelspitze gerade kompensiert. Die Düsennadel 3 ist in diesem Moment im Kräftegleichgewicht zwischen der Kraft aus dem Kraftspeicher und der Druckkraft des Brennstoffes an der Druckschulter 12. Es stellt sich in Abhängigkeit des Brennstoffdruckes ein bestimmter Hub der Düsennadel 3 ein, der wiederum über die Geometrie an der Düsennadelspitze bzw. am Düsennadelsitz 5 einen dazugehörigen Abströmquerschnitt steuert. Der Abströmquerschnitt ist somit druckabhängig und wird derart beeinfluat, daß ein über den gesamten Last- und Drehzahlbereich möglichst konstanter und hoher Abspritzdruck an den Austrittsöffnungen 23 erzeugt wird. Für große Brennstoffdrücke und Mengen bei Vollast werden so große Abströmquerschnitte zur Verfügung gestellt und für kleine Brennstoffdrücke im Teillastbereich entsprechend viel kleinere Abströmquerschnitte, so daß trotz dieser unterschiedlichen Bedingungenm die Gemischbildung auch bei Teillast mit optimalem Abspritzdruck in den Brennraum.der Brennkraftmaschine erfolgt.
Die hydraulische Gemischbildungsenergie ist umso höher je höher der Einspritzdruck des Brennstoffs ist. Bei sehr hohen Brennstoffdrücken von bewispielsweise 500 bis 2 000 bar muß bei üblichen Ausbildungen der Düsennadel die Kraft aus dem Kraftspeicher eine erhebliche Größe aufweisen, damit die Düsennadel sicher öffnet und schließt. Durch diese großen Kräfte wird aber der Ventilsitz übermäßig hoch belastet. Um dies zu vermeiden und trotzdem noch die Vorteile eines hohen Abspritzdruckes zu erreichen, ist die erfindungsgemäße Düsennadel mit einer besonders kleinen Druckschulter ausgeführt. Dies erlaubt andererseits einen sehr großen Düsennadelsitz. Auch sind wegen der kleinen Druckschulter die Kräfte, die an der Druckschulter infolge des Brennstoffdruckes angreifen, gering. Das bedeutet wiederum, daß eine nur schwache Kraft aus dem Kraftspeicher in Schließrichtung der Düsennadel 3 wirken muB. Da außerdem noch die Fläche des Düsennadelsitzes 5 größer geworden ist, wird die Düsennadelsitzbeanspruchung in zweifacher Hinsicht erheblich vermindert. Eine so ausgelegte Düsennadel ist daher besonders für sehr hohe Brennstoffeinspritzdürcke geeignet. Die andererseits durch die große Düsennadelsitzfläche auftretenden hohen Kräfte in öffnungsrichtung der Düsennadel werden durch den im zweiten Druckraum 15 nach einer sehr kurzen Zeitspanne in Gegenrichtung wirkenden Brennstoffdruck kompensiert.
Durch eine Anpassung der Kennlinie der Feder aus dem Kraftspeicher kann jede gewünschte Einspritzcharakteristik bzw. jeder Druckverlauf .über den Düsennadelhub erzielt werden. Weist die Feder eine geringe Federsteifigkeit auf, ändert sich also die Federkraft nur geringfügig über den Nadelhub, dann bleibt auch die Kraft auf die Druckschulter 12 und damit der Einspritzdruck an den Austrittsöffnungen 23 über den Nadelhub weitgehend konstant. Wird dagegen eine steife Federkennlinie gewählt, so können gezielte Einspritzdruckverläufe realisiert werden. Durch die Wahl der Federsteifigkeit kann die Abhängigkeit des Einspritzdruckes von der Motorlast und der Drehzahl geändert werden. Größere Feiersteifigkeiten haben steigenden Einspritzdruck mit wachsender'Last und Drehzahl zur Folge.
Gegen Ende des Einspritzvorganges bricht der Brennstoffdruck zunächst in der Einspritzpumpe zusammen. Diese Unterdruckwelle wandert bis in das Brennstoffeinspritzventil und wirkt somit nach einer Zeitverzögerung sowohl im Druckraum 11 auf die Druckschulter 12 als auch auf die _Dü- sennadelsitzfläche. Infolge des Kräftegleichgewichts an der Düsennadel 3 beginnt sich diese wegen des sinkenden Brennstoffdruckes und damit der sinkenden Kraft an der Druckschulter 12 in Schließrichtung zu bewegen. Die Druckfeder 14 im zweiten Druckraum 15 dehnt sich aus, wodurch die entgegen dem Brennstoffdruck wirkende Federkraft sinkt, und zusätzlich sich die Verdrängerwirkung der Düsennadel 3 bzw. des Federtellers 16 den Druck im zweiten Druckraum 15 verringert, weshalb.ebenfalls die Kraftbeaufschlagung der Düsennadel 3 in Schließrichtung sinkt. Aber es wird trotzdem der Schließvorgang an sich durch den Druck im weiteren Druckraum 15 in Verbindung mit dem Rückschlagventil 15 noch erheblich gesteigert, da das Zurückströmen des Brennstoffes aus dem zweiten Druckraum 15 in den Raum an der Düsennadelsitzfläche verhindert wird. Der dadurch im zweiten Druckraum 15 noch seit dem Förderhub weitgehend herrschende Brennstoffdruck beschleunigt die Schließbewegung. Die Düsennadel 3 befindet sich grundsätzlich noch in einer Kraftgleichgewichtssteuerung. Gelangt aber die Düsennadel 3 schließlich auf den Düsennadelsitz 5 zur Auflage, so fehlt der von unten auf die Düsennadelspitze in öffnungsrichtung wirkende Brennstoffdruck. Im zweiten Druckraum 15 herrscht jedoch nach wie vor ein erheblicher Restdruck von annähernd dem während des Förderhubes der Einspritzpumpe an dieser Stelle notwendige Kompensationsdruck des Brennstoffes. Die Düsennadel 3 wird somit plötzlich infolge des fehlenden Druckes an der Düsennadelspitze von einer erheblichen schließkraft durch den Brennstoffdruck im zweiten Druckraum 15 beaufschlagt, so daß eine sehr große Schließkraft gegeben ist. Durch eben diese hohe Schließkraft wird ein Nacheinspritzen des Brennstoffeinspritzventils sicher vermieden.
Der Druckraum 15 ist über eine Drossel an eine Leckölleitung 26 angeschlossen. Die Drossel weist dabei eine so starke Drosselcharakteristik auf, daß der Druck in dem zweiten Druckraum 15 erst nach einem erheblichen Zeitintervall abgebaut wird. Es muß lediglich sichergestellt werden, daß vor dem nächsten Einspritzvorgang der Druck in dem zweiten Druckraum 15 weitgehend abgebaut ist. In der Fig. 1 ist dieser Abfluß durch einen definierten Spalt in der axialen Führung zwischen dem Ubertragungsstück 17 und dem Zwischenstück 4 vorgesehen. Es kann zweckmäßig sein, hierzu eine separate Verbindungsbohrung im Zwischenstück 4 mit einer bestimmten Drosselcharakteristik vorzusehen.
In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils dargestellt. Im Unterschied zu Fig. 1 ist dort das Ubertragungsstück 17 einstückig mit der Düsennadel 3 ausgebildet. Infolgedessen wird das_Zwischenstück 4 von der Düsennadel 3 axial geführt. In diesem oberen Teil der Düsennadel 3 ist in der Hohlbohrung 20 ein federbelastetes Rückschlagventil 19 eingesetzt. Das hydraulisch wirkende Rückschlagventil 19 mit einer Kugel 28 im vorderen Teil der Hohlbohrung 20 ge- mä_{ß F}ig. 1 entfällt in diesem Fall. Es kann allerdings auch zweckmäßig sein, ein hydraulisches Rückschlagventil an den oberen Teil der Düsennadel 3 oder ein federbelastetes Rückschlagventil in den unteren Teil anzuordnen.
Ferner kann es zweckmäßig sein, die Verbindung zwischen der Hohlbohrung 20 und dem ersten Druckraum 11 nicht über den Düsennadelsitz 5 zu führen, sondern über eine getrennte radiale Bohrung in der Düsennadel 3 in Höhe des ersten Druckraumes 11. In diesem Fall weist die Hohlbohrung 20 eine zusätzliche Drossel auf, die eine zeitliche Verzögerung des Druckaufbaues des Brennstoffdruckes im zweiten Druckraum 15 erreicht.
In Fig. 3 sind weitere Ausgestaltungen des Düsennadelsitzes 5 und der Austrittsöffnungen 23 dargestellt. Fig. 3a beschreibt eine Drosselzapfendüse mit radialen, sternförmig angeordneten Hauptaustrittsöffnungen 23. Hierbei wird ein Einspritzstrahl über die axial nach unten weisende Austrittsöffnung 23 abgegeben, der mit wachsendem Hub der Düsennadel 3 entweder in der Menge konstant bleibt oder immer weiter verringert wird, während gleichzeitig aus den sternförmig angeordneten radialen Austrittsöffnungen 23 die austretende Brennstoffmenge zunimmt. Der Hub der Düsennadel 3 bestimmt den gesamten Austrittsquerschnitt aller Austrittsöffnungen 23 und sorgt so für einen dem Druck angepaßten Austrittsquerschnitt. Die Verbindungsöffnungen 21, welche die Hohlbohrung 20 mit dem Düsennadelsitz 5 verbinden, weisen schräg seitlich nach unten. Eine derartige Einspritzdüse ist besonders für die Verwendung eines Brennverfahrens mit extern ungeheizter Glühzündungsquelle geeignet. Durch die axial nach unten gerichtete Austrittsöffnung 23 trittt dann in besonders vorteilhafter Weise ein mit dem Hub sich stetig vermindernder Brennstoffstrahl aus, welcher einen Glühkörper, insbesondere einen Hohlkörper, derart aufheizt, daß der Glühkörper die aus den sternförmig angeordneten Austrittsöffnungen 23 austretenden Einspritzstrahlen entzünden kann.
In Fig. 3b) ist eine radial sternförmig ausspritzende _Mehrlochdüse mit einem vom Hub der Düsennadel 3 abhängigen Abströmquerschnitt der Austrittsöffnungen 23 dargestellt. Die Regelung des Abströmquerschnittes geschieht über einen Schieber 31 am axialen Ende der Düsennadel 3. Mit wachsendem Hub der Düsennadel 3 gibt der Schieber 31 Teile der Austrittsöffnungen 23 frei. Dabei können die Austrittsöffnungen 23 in unterschiedlicher Höhe bezüglich der Schieberkante angeordnet sein, so daß nicht gleichzeitig alle sondern nur einige der Austrittsöffnungen 23 freigegeben werden. Die Öffnungen 21 zur Hohlbohrung 20 befinden sich im rechten Winkel zur Düsennadelachse direkt am Düsennadelsitz 5.
In Fig. 3c) ist eine Zapfendüse mit geregeltem Abströmquerschnitt in Abhängigkeit des Hubes der Düsennadel 3 dargestellt. Am vorderen Ende der Düsennadel 3 befindet sich ein Zapfen 32, der in eine entsprechende Öffnung des Düseneinsatzes 2 eingreift. Hebt die Düsennadel 3 vom Düsennadelsitz 5 ab, so strömt der Brennstoff an den Zapfen 32 durch die ringförmige Austrittsöffnung 23 in den Brennraum. Der Zapfen 32 ist am vorderen Ende konisch verjüngt ausgebildet. Über den Hub der Düsennadel 3 und des Zapfens 32 wird so durch den Zapfen 32 der Abströmquerschnitt der Austrittsöffnung 23 gesteuert.

Claims

1. Brennstoffeinspritzventil für eine Brennkraftmaschine mit einem Ventilkörper (1) und einem Düseneinsatz (2), in dem eine Düsennadel (3) axial geführt ist, die mit einem axialen Ende auf einem Düsennadelsitz (5) des Düseneinsatzes (2) aufliegend angeordnet und von einer Kraft aus-einem Kraftspeicher in Richtung des Düsennadelsitzes (5) beaufschlagt ist, wobei von der Düsennadel (3) an dem Düsennadelsitz (5) durch deren Hub ein Abströmquerschnitt von zumindest einer Austrittsöffnung (23) steuerbar ist und wobei Brennstoff von einer separaten Einspritzpumpe über Leitungen und Kanäle (7, 8, 9, 10, 13, 20) bis zu einem ersten Druckraum (11) an einer Druckschulter (12) der Düsennadel (3) und bis zu einem zweiten Druckraum (15) zuführbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß in dem Kanal von ersten Druckraum (11) zum zweiten Druckraum (15) ein als Rückschlagventil wirkender Einsatz vorgesehen ist,
daß durch den Druck des Brennstoffes in dem zweiten Druckraum (15) die Düsennadel (3) von einer Kraft nur in Richtung des Düsehnadelsitzes (5) beaufschlagbar ist und
daß der Druck sich in dem zweiten Druckraum (15) erst nach dem Abheben der Düsennadel (3) von dem Düsennadelsitz (5) aufbaut.

₂. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Kraftwirkung des Brennstoffes maßgebliche Fläche in dem zweiten Druckraum (15) in etwa der Projektionsfläche der Düsennadelsitzfläche in der Ebene senkrecht zur Achse der Düsennadel entspricht.

3. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Kraft des Brennstoffes auf der Düsennadel (3) maßgebliche Projektionsfläche an der Druckschulter (12) erheblich kleiner als die Projektionsfläche der Spitze der Düsennadel am Düsennadelsitz (5) in der Ebene senkrecht zur Achse der Düsennadel (3) ist.

4. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 mit einer zumindest teilweise hohlgebohrten Düsennadel (3), wobei der Kanal vom ersten Druckraum (11) zum zweiten Druckraum (15) als Hohlbohrung (20) ausgebildet ist, und mit einem axial zwischen dem Düseneinsatz (2) und dem Ventilkörper (1') angeordneten Zwischenstück (4),
dadurch gekennzeichnet, daß ein mit einer Leckölleitung (26) verbundener Abfluß aus dem zweiten Druckraum (15) vorgesehen ist und daß dieser Abfluß eine starke hydraulische Drossel aufweist.

5. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 4 mit einem in dem Zwischenstück (4) zentrisch angeordneten, hohlgebohrten Ubertragungsstück (17),
dadurch gekennzeichnet, daß das Ubertragungsstück (17) in einer zylindrischen Bohrung (27) des Zwischenstückes (4) axial verschieblich gelagert ist.

.6. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ubertragungsstück (17) einerseits axial auf der Düsennadel (3) aufliegt und andererseits axial von der Kraft aus dem Kraftspeicher beaufschlagt ist.

7. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ubertragungsstück (17) einstückig mit der Düsennadel (3) ausgebildet ist und das Zwichenstück (4) zentriert.

,8. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der zylindrischen Bohrung (27) im Zwischenstück (4) etwa dem äußeren Druchmesser des Düsennadelsitzes (5) entspricht.

9. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Hohlbohrung (20) in der Düsennadel (3) etwa dem inneren Durchmesser des Düsennadelsitzes (5) entspricht.

10. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Passung zwischen dem Ubertragungsstück (17) und dem Zwischenstück (4) als definierter Spalt mit Drosselcharakteristik ausgebildet ist.

11. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 4 mit einer Druckfeder (14) als Kraftspeicher,
dadurch gekennzeichnet, daß die Druckfeder (14) im zweiten Druckraum (15) angeordnet ist.

1₂. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsennadel (3) über die gesamte. axiale Länge hohlgebohrt ist und an der Düsennadelspitze mündet, wobei die Mündungsöffnung (21) in Strömungsrichtung des Brennstoffes zum zweiten Druckraum (15) hinter dem Düsennadelsitz (5) angeordnet ist und daß die durchgehende Hohlbohrung (20) der Düsennadel (3) den einzigen Zuflußkanal zum zweiten Druckraum (15) bildet.

13. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der als Rückschlagventil wirkende Einsatz als eine auf einer kegeligen Fläche an der Spitze oder am krafts^peicherseiti^gen Ende der Düsennadel (3) in der Hohlbohrung (20) durch den Druck des Brennstoffes aufliegende Kugel (28) ausgebildet ist.

14. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der als Rückschlagventil wirkende Einsatz als ein federbelastetes Kugelventil, das am kraftspeicherseitigen Ende oder an der Spitze der Düsennadel (3) in der Hohlbohrung (20) eingesetzt ist, ausgebildet ist.

15. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der als Rückschlagventil wirkende Einsatz in Strömungsrichtung des Brennstoffes zum zweiten Druckraum (15) hin öffnet und in Gegenrichtung sperrt.

16. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Düseneinsatz (2) mehrere in etwa sternförmige radial verlaufende Austrittsöffnungen (23) aufweist, die vom Düsennadelsitz (5) ausgehend angeordnet sind.

17. _Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Düseneinsatz (2) zusammen mit der Düsennadel (3) als Drosselzapfendüse ausgebildet ist.

18. _Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der sternförmig angeordneten Austrittsöffnungen (23) in Richtung Düsennadelachse geneigt sind.

19. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoffeinspritzventil für einen Druckbereich des Brennstoffes von ca. 500 bis 2000 bar ausgelegt ist.