EP0432403A1 - Method to inject fuel intermittently in the combustion chamber of a internal combustion engine and device for carrying out this method - Google Patents

Method to inject fuel intermittently in the combustion chamber of a internal combustion engine and device for carrying out this method Download PDF

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EP0432403A1
EP0432403A1 EP90119504A EP90119504A EP0432403A1 EP 0432403 A1 EP0432403 A1 EP 0432403A1 EP 90119504 A EP90119504 A EP 90119504A EP 90119504 A EP90119504 A EP 90119504A EP 0432403 A1 EP0432403 A1 EP 0432403A1
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EP
European Patent Office
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nozzle needle
pressure
nozzle
fuel
groove
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EP90119504A
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German (de)
French (fr)
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EP0432403B1 (en
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Dietmar Ing. Henkel (Grad)
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MAN Truck and Bus SE
Original Assignee
MAN Nutzfahrzeuge AG
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Publication date
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Publication of EP0432403B1 publication Critical patent/EP0432403B1/en
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M45/00—Fuel-injection apparatus characterised by having a cyclic delivery of specific time/pressure or time/quantity relationship
    • F02M45/02—Fuel-injection apparatus characterised by having a cyclic delivery of specific time/pressure or time/quantity relationship with each cyclic delivery being separated into two or more parts
    • F02M45/10—Other injectors with multiple-part delivery, e.g. with vibrating valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B3/00—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition
    • F02B3/06—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition with compression ignition

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of claim 1.
  • the increased requirements for an improvement in exhaust gas values can no longer be satisfied with the conventional working method of the injection nozzle.
  • the exhaust gases of the diesel internal combustion engine should contain CH components and in their content of carcinogenic soot particles, which cause black smoke.
  • the proportion of NOx should also be reduced and the combustion noise reduced.
  • the invention has for its object to further develop the injection method such that the mixture preparation process and the quality of the combustion process dependent on it can be controlled so that the proportions of CH and soot are reduced without the proportion of NOx is increased and at the same time the combustion noise is minimized.
  • nozzle needle itself acts as a control element for a periodically periodic opening and closing enables the mixture preparation to be improved with comparatively little design effort.
  • the consequence of such a modulation of the injected fuel quantity is a combustion process characterized by a short ignition delay. Its - from an acoustical point of view - welcome reduction in structure-borne noise and thus airborne noise is due to a reduction in the rate of increase in combustion pressure and even the absence of excitation of standing wave fields in the combustion chamber. This in turn has an additional positive effect on the NOx content of the exhaust gas, since the high temperature peaks that otherwise occur in the local and temporal pressure maxima of the eigenmodes are also absent.
  • a device for performing the method according to claim 1 can be found in the characterizing part of claim 2.
  • the supply of fuel to the pressure chamber can be controlled by the nozzle needle itself.
  • the nozzle needle and the compression spring represent a vibration system in which the nozzle needle is excited to high-frequency vibrations by opening and closing the fuel supply to the pressure chamber.
  • the injection process which otherwise takes place in one train or is only subdivided into a pre-injection and main injection, is divided into many small steps with the advantages already described above.
  • the control of the fuel supply to the pressure chamber by means of the first and second groove with the ring notch of the nozzle needle shaft as a control element represents a possibility that can be realized without great constructional effort to break down the injection into small cycles.
  • a particularly advantageous development consists in that the power source is designed as a piston which can be acted upon by a map-controlled pressure source. As a result, the opening pressure can be adjusted to the respective requirements.
  • the fuel supply is again controlled with the round notch and the groove, the connection from the round notch to the pressure chamber is established by at least one hole in the nozzle needle shaft itself. This is a particularly inexpensive solution.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through an injection valve.
  • This usually consists of the main components nozzle holder 1, a nozzle body 2 and a union nut 3 which connects the nozzle body 2 and the nozzle holder 1.
  • a nozzle needle 4 is guided in the nozzle body 2 and is held in the closed position by a compression spring 5.
  • the fuel is supplied via a pressure-resistant screw connection 6 and an inlet bore 7.
  • the compression spring 5 is relieved by an auxiliary piston 8 loaded with fuel pressure.
  • the auxiliary piston 8 with diameter d3 mainly contributes to the closing force.
  • the closing force is counteracted by a force acting on a pressure shoulder 9 of a nozzle needle shaft 10.
  • the effective pressure area results from the difference between the diameter d2 of the nozzle needle shaft 10 and the diameter d1 of the nozzle needle seat.
  • a pressure chamber 11 is not constantly pressurized via the inlet bore 7. Rather, the supply of fuel to the pressure chamber 11 can be blocked by the nozzle needle shaft 10 or released by a round notch 12.
  • the fuel passes through the inlet bore 7 and a connecting line 13 into a groove 14 Pressure.
  • This pressure exerts a force on the nozzle needle 4 which results from the product of the hydraulic pressure and the effective piston area - formed from the difference between the diameters d1 and d2. This force counteracts the sum of the forces from the spring force and the force of the auxiliary piston 8 and causes the valve to open.
  • the round notch 12 moves upwards and the nozzle needle shaft blocks the supply of fuel, during which the pressure in the pressure chamber 11 is reduced by injecting a partial volume via nozzle bores 16 to such an extent that the nozzle needle falls back into the closed position and the game begins again until the delivery of fuel by a pump element not present in the injection pump stops.
  • the prevailing, very high, stroke frequency of the nozzle needle which is in the kHz range, is dependent on the parameters: instantaneous fuel delivery speed of the pump element of the injection pump, mass of the nozzle needle, static and dynamic properties of the pressure spring and the wave mechanical properties of the hydraulic path upstream. and located downstream of the slide valve function.
  • a stop 18 is also provided, which is inserted between the nozzle body 2 and the nozzle holder 1 and is fixed by means of the union nut 3.
  • a pressure generator provided by a pressure regulator, for example a gear pump
  • a spring plate 5a of the compression spring 5 directly as a piston and to dispense with the compression spring 5 entirely.
  • the auxiliary piston 8 which is acted upon by the pressure of the fuel, can act as a guide rod, while the space of the compression spring 5, which is no longer required, is connected to a controllable pressure generator via a control line 5b indicated by a broken line.
  • This variant without a compression spring 5 allows the opening pressure to be varied by acting on the control line 5b of the spring plate 5a, which is designed as a piston, with adjustable hydraulic pressure.
  • the opening pressure can be influenced in a manner known per se via a map control depending on the engine state parameters such as engine speed and engine load.
  • Figure 2 shows a cross section II-II through the round notch 12.
  • the two grooves 14 and 15 only extended over part of the circumference, so that the path from the groove 14 to the second groove 15 can be interrupted by the nozzle needle shaft 10. Only the round notch 12 establishes the connection from the groove 14 via the second groove 15 to the pressure chamber 11 (FIG. 1).
  • FIG. 3 A detail of the round notch 12 is shown in FIG. 3.
  • the fuel supply is released via the grooves 14 and 15 to the pressure chamber 11 (FIG. 1).
  • the fuel supply is interrupted again by the second control edge 20.
  • FIG. 4 A variant of the interruption of the fuel supply to the pressure chamber 11 can be seen in FIG. 4.
  • the fuel is supplied in the usual way via an inlet bore 7 (see also FIG. 1).
  • the groove is designed as a circumferential annular groove 14.
  • the connection from the annular groove 14 via the round notch 12 to the pressure chamber 11 is accomplished by at least one bore 21 which diagonally penetrates the nozzle needle shaft 10. In the example shown there are three such holes.
  • a bevel 20a of the second control edge 20, which faces the pressure shoulder 9 of the nozzle needle can force the pressure build-up in the pressure space 11 to be brought forward.
  • such a braking of the closing movement of the needle can be forced in such a way that the placement process is completely absent due to the previous reversal of the movement of the nozzle needle.
  • the fuel flow passing through the nozzle holes is then no longer periodically interrupted, but only periodically throttled.
  • characteristics of the atomization process such as droplet size spectrum, envelope angle of the jet cone and mean droplet penetration depth are force-controlled with the same periodicity, which ultimately leads to the desired mixture homogenization.
  • the advantages of modulating the fuel flow without interrupting the jet are both a reduced occurrence of undesirably large droplet diameters within the droplet spectrum and a comparatively lower frequency of impact processes which lead to long-term deformation at the nozzle needle tip and sealing seat.
  • FIG. 5 shows the forces acting on the nozzle needle 4 (FIG. 1) as a function of the fuel pressure p.
  • the straight line A-B1 gives the course of the force on the in Nozzle needle 4 located again in the closed position, as it results solely from the fuel pressure, if it acts on the surface as it results from the difference between the diameters d1 and d2 of the nozzle needle 4 (FIG. 1). This force acts in the opening direction.
  • the straight line F1-B1 results from the force F1 of the prestressed compression spring 5 (FIG. 1) and the auxiliary piston 8. This force acts in the closing direction.
  • F1 force of the preloaded compression spring
  • d2 diameter of the nozzle needle shaft
  • d1 diameter of the sealing seat
  • FIG. 6 shows a function of the nozzle needle path plotted against time t.
  • the nozzle needle begins to lift and reaches its maximum stroke. The stroke is limited by the stop of the nozzle needle shaft 10 against the stop 18 (FIG. 1).
  • the pressure drops again, since the supply of further fuel, as described in FIG. 1, is interrupted by the nozzle needle shaft itself.
  • the nozzle needle touches down or experiences a reversal of movement shortly before touching down, which starts the game again.
  • Figure 7 shows the pressure curve over time t.
  • the pressure increases approximately linearly up to the opening pressure pö (see FIG. 5).
  • the nozzle needle opens and the line pressure drops into the combustion chamber when the fuel is sprayed out.
  • the fuel supply to the pressure chamber 11 is released again via the round notch 12 (FIG. 1), so that pressure builds up again until the opening pressure p0 is reached again in T2.
  • the release cross section A results from the stroke of the nozzle needle according to FIG. 6, the course of which is shown in FIG. 8 over time t.
  • FIG. 9 shows the course of the force F acting on the nozzle needle.
  • the compression spring 5 (FIG. 1) acts, which acts in the closing direction.
  • this spring force is superimposed on the differential pressure force resulting from the diameters d1 to d3 (FIG. 5) until in T1 the force in the opening direction exceeds the force in the closing direction.
  • the force in the opening direction suddenly increases when the diameter d1 is released to the full diameter d2 (jump from point B1 to D1 in FIG. 5).

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Abstract

Efforts to improve the exhaust gas values and the noise behaviour of diesel engines are aimed at controlling the heating behaviour. According to the invention this is achieved in that the nozzle needle (4) of the injection nozzle itself functions as control element for the feeding of fuel to the pressure chamber of the nozzle body, so that the nozzle needle (4) is energised for high frequency opening and closing at short intervals. Together with the high fuel pressure this results in a good droplet spectrum which leads to a homogenous fuel-air mixture. The breakdown of the ignition into small pulses by relatively simple design means leads to an extension of the heating curve which has positive effects on the NOx content. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Gattungs­begriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a method according to the preamble of claim 1.

Durch eine aus DE-OS 22 42 344 bekannte Einspritzdüse wird der Einspritzvorgang allein durch die auf die Düsennadel einwirkenden Kräfte gesteuert. Einerseits wird die Düsennadel durch die Druck­feder in Schließstellung gehalten, andererseits versucht der Druck des von einer Einspritzpumpe kommenden Brennstoffes die Düsennadel gegen die Kraft der Druckfeder anzuheben. Um höhere Einspritzdrücke zu verwirklichen, ohne die Kraft der Druckfeder über ein erträgliches Maß steigern zu müssen, wird sie durch einen in Schließrichtung wirkenden Hilfskolben unterstützt. Wenn der Druck des Brennstoffes die Kraft der Druckfeder überwindet wird durch Freigabe einer Einspritzbohrung Brennstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt, bis durch Abbau des Druckes die Druckfeder und der Hilfskolben die Düsen­nadel zum Schließen veranlaßt. Dieses bekannte Einspritzver­fahren läßt allerdings kein gesteuertes mehrfaches Öffnen und Schließen der Einspritzdüse während eines Arbeitsspieles zu.By an injection nozzle known from DE-OS 22 42 344, the injection process is controlled solely by the forces acting on the nozzle needle. On the one hand the nozzle needle is held in the closed position by the compression spring, on the other hand the pressure of the fuel coming from an injection pump attempts to raise the nozzle needle against the force of the compression spring. In order to achieve higher injection pressures without having to increase the force of the compression spring to a tolerable degree, it is supported by an auxiliary piston acting in the closing direction. When the pressure of the fuel overcomes the force of the compression spring, fuel is injected into the combustion chamber of the internal combustion engine by releasing an injection hole until the pressure spring and the auxiliary piston cause the nozzle needle to close by releasing the pressure. However, this known injection method does not allow controlled multiple opening and closing of the injection nozzle during a work cycle.

Die gestiegenen Anforderungen an eine Verbesserung der Abgas­werte können mit dem konventionellen Arbeitsverfahren der Ein­spritzdüse nicht mehr befriedigt werden. Die Abgase der Diesel-­Brennkraftmaschine sollen in ihrem Gehalt an CH Bestandteilen und in ihrem Gehalt an krebserregenden Rußpartikeln, die den Schwarzrauch verursachen reduziert werden. Gleichzeitig soll auch der Anteil an NOx verringert und das Verbrennungsgeräusch gemindert werden. Dies sind zum Teil konträre Forderungen, die mit dem konventionellen Einspritzverfahren nicht zu meistern sind.The increased requirements for an improvement in exhaust gas values can no longer be satisfied with the conventional working method of the injection nozzle. The exhaust gases of the diesel internal combustion engine should contain CH components and in their content of carcinogenic soot particles, which cause black smoke. At the same time, the proportion of NOx should also be reduced and the combustion noise reduced. These are partly contradictory requirements that cannot be met with the conventional injection process.

Ausgehend von dem bekannten Einspritzverfahren gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Einspritzverfahren derart weiterzubilden, daß der Gemischaufbereitungsprozeß und die davon abhängige Qualität des Verbrennungsablaufes so gesteuert werden kann, daß die Anteile an CH und Ruß reduziert werden, ohne daß der Anteil an NOx erhöht wird und daß dabei zugleich das Verbrennungsgeräusch eine Minimierung erfährt.Based on the known injection method according to the preamble of claim 1, the invention has for its object to further develop the injection method such that the mixture preparation process and the quality of the combustion process dependent on it can be controlled so that the proportions of CH and soot are reduced without the proportion of NOx is increased and at the same time the combustion noise is minimized.

Gelöst wird diese Aufgabe durch das dem Kennzeichen des Patent­anspruches 1 entnehmbare Verfahren.This object is achieved by the method which can be gathered from the characterizing part of patent claim 1.

Dadurch, daß die Düsennadel selbst als Steuerorgan für ein zeitlich periodisches Öffnen und Schließen fungiert, wird die Verbesserung der Gemischaufbereitung mit vergleichsweise ge­ringen konstruktivem Aufwand ermöglicht. Die Folgen einer solchermaßen realisierten Modulation der eingespritzten Kraft­stoffmenge ist ein, von kurzem Zündverzug gekennzeichneter Verbrennungsablauf. Dessen - aus akustischer Sicht willkommene - Verminderung des Körperschall- und damit Luftschallaufkommens ist auf eine Verringerung der Verbrennungsdruck-Anstiegsge­schwindigkeit zurückzuführen bis hin zum Ausbleiben der An­regung von Stehwellenfeldern im Brennnraum. Dies wiederum wirkt sich insofern zusätzlich positiv auf den NOx-Gehalt des Abgases aus, als die sonst in den örtlichen und zeit­lichen Druckmaxima der Eigenformen anzutreffenden, NOx produzierenden, hohen Temperaturspitzen ebenfalls ausbleiben.The fact that the nozzle needle itself acts as a control element for a periodically periodic opening and closing enables the mixture preparation to be improved with comparatively little design effort. The consequence of such a modulation of the injected fuel quantity is a combustion process characterized by a short ignition delay. Its - from an acoustical point of view - welcome reduction in structure-borne noise and thus airborne noise is due to a reduction in the rate of increase in combustion pressure and even the absence of excitation of standing wave fields in the combustion chamber. This in turn has an additional positive effect on the NOx content of the exhaust gas, since the high temperature peaks that otherwise occur in the local and temporal pressure maxima of the eigenmodes are also absent.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­spruch 1 kann dem Kennzeichen des Ansprüches 2 entnommen werden.A device for performing the method according to claim 1 can be found in the characterizing part of claim 2.

Durch die Ringkerbe im Düsennadelschaft kann die Zufuhr des Brennstoffes zum Druckraum durch die Düsennadel selbst ge­steuert werden. Die Düsennadel und die Druckfeder stellen ein Schwingungssystem dar, bei welchem die Düsennadel durch das Öffnen und Schließen der Brennstoffzufuhr zum Druckraum zu hochfrequenten Schwingungen angeregt wird. Der sonst in einem Zug erfolgende oder nur in eine Vor- und Haupteinspritzung unter­teilte Einspritzvorgang wird in viele kleine Schritte unterteilt mit den vorab schon geschilderten Vorteilen.Through the ring notch in the nozzle needle shaft, the supply of fuel to the pressure chamber can be controlled by the nozzle needle itself. The nozzle needle and the compression spring represent a vibration system in which the nozzle needle is excited to high-frequency vibrations by opening and closing the fuel supply to the pressure chamber. The injection process, which otherwise takes place in one train or is only subdivided into a pre-injection and main injection, is divided into many small steps with the advantages already described above.

Die Steuerung der Brennstoffzufuhr zum Druckraum mittels der ersten und zweiten Nut mit der Ringkerbe des Düsennadelschaftes als Steuerorgan stellt eine ohne großen baulichen Aufwand zu realisierende Möglichkeit dar, die Einspritzung in kleine Takte zu zerlegen.The control of the fuel supply to the pressure chamber by means of the first and second groove with the ring notch of the nozzle needle shaft as a control element represents a possibility that can be realized without great constructional effort to break down the injection into small cycles.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung besteht nach An­spruch 3 darin, daß die Kraftquelle als Kolben ausgebildet ist, der mit einer kennfeldgesteuerten Druckquelle beaufschlag­bar ist. Dadurch läßt sich der Öffnungsdruck den jeweils ge­wünschten Anforderungen anpassen.A particularly advantageous development consists in that the power source is designed as a piston which can be acted upon by a map-controlled pressure source. As a result, the opening pressure can be adjusted to the respective requirements.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Vorrichtung kann An­spruch 4 entnommen werden.A further advantageous embodiment of the device can be found in claim 4.

Die Steuerung der Brennstoffzufuhr erfolgt wieder mit der Rund­kerbe und der Nut, die Verbindung von der Rundkerbe zum Druck­raum wird durch mindestens eine Bohrung im Düsennadelschaft selbst hergestellt. Dies stellt eine besonders preiswerte Lösung dar.The fuel supply is again controlled with the round notch and the groove, the connection from the round notch to the pressure chamber is established by at least one hole in the nozzle needle shaft itself. This is a particularly inexpensive solution.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in Zeichnungen dargestellt. Es zeigt:

  • Figur 1 einen Längsschnitt durch ein Einspritzventil mit einem Düsennadelschaft als Steuerorgan
  • Figur 2 einen Querschnitt II-II durch die Einspritzdüse in Höhe einer Rundkerbe einer Düsennadel
  • Figur 3 ein Detail des Düsennadelschaftes mit einer Rundkerbe
  • Figur 4 ein Detail des Düsennadelschaftes mit Rundkerbe und Bohrung zur Verbindung von Rundkerbe und Druckraum
  • Figur 5 eine Funktion der Kräfte an einer Düsennadel, auf­getragen über dem Druck
  • Figur 6 - 9 Funktionen der Bewegungs-Parameter der Düsennadel aufgetragen über der Zeit
Embodiments of the device according to the invention are shown in drawings. It shows:
  • 1 shows a longitudinal section through an injection valve with a nozzle needle shaft as a control member
  • Figure 2 shows a cross section II-II through the injection nozzle at the level of a round notch of a nozzle needle
  • Figure 3 shows a detail of the nozzle needle shaft with a round notch
  • Figure 4 shows a detail of the nozzle needle shaft with a round notch and bore for connecting the round notch and pressure chamber
  • Figure 5 shows a function of the forces on a nozzle needle, plotted against the pressure
  • Figure 6 - 9 functions of the movement parameters of the nozzle needle plotted over time

In Figur 1 ist ein Längsschnitt durch ein Einspritzventil dargestellt. Dieses besteht üblicherweise aus den Haupt­komponenten Düsenhalter 1, einem Düsenkörper 2 und einer Über­wurfmutter 3 welche den Düsenkörper 2 und den Düsenhalter 1 verbindet. Im Düsenkörper 2 ist eine Düsennadel 4 geführt, welche von einer Druckfeder 5 in Schließstellung gehalten wird. Die Brennstoffzufuhr erfolgt über eine druckfeste Ver­schraubung 6 und eine Zulaufbohrung 7. Um hohe Brennstoff­drücke verwirklichen zu können, ohne daß die Nadelspitze 4 einschließlich zugeordnetem Dichtsitz Schaden nimmt, wird die Druckfeder 5 durch einen mit Brennstoffdruck belasteten Hilfskolben 8 entlastet. Der Hilfskolben 8 mit Durchmesser d3 trägt überwiegend zur Schließkraft bei. Der Schließkraft wirkt eine auf eine Druckschulter 9 eines Düsennadelschaftes 10 einwirkende Kraft entgegen. Die wirksame Druckfläche ergibt sich dabei aus der Differenz der Durchmesser d2 des Düsennadelschaftes 10 und dem Durchmesser d1 des Düsennadelsitzes.1 shows a longitudinal section through an injection valve. This usually consists of the main components nozzle holder 1, a nozzle body 2 and a union nut 3 which connects the nozzle body 2 and the nozzle holder 1. A nozzle needle 4 is guided in the nozzle body 2 and is held in the closed position by a compression spring 5. The fuel is supplied via a pressure-resistant screw connection 6 and an inlet bore 7. In order to be able to achieve high fuel pressures without the needle tip 4 including the associated sealing seat being damaged, the compression spring 5 is relieved by an auxiliary piston 8 loaded with fuel pressure. The auxiliary piston 8 with diameter d3 mainly contributes to the closing force. The closing force is counteracted by a force acting on a pressure shoulder 9 of a nozzle needle shaft 10. The effective pressure area results from the difference between the diameter d2 of the nozzle needle shaft 10 and the diameter d1 of the nozzle needle seat.

Erfindungsgemäß ist ein Druckraum 11 nicht ständig über die Zulaufbohrung 7 mit Druck beaufschlagt. Vielmehr kann der Zulauf von Brennstoff zum Druckraum 11 durch den Düsennadel­schaft 10 gesperrt, oder durch eine Rundkerbe 12 freigegeben werden. In der gezeichneten Stellung der Düsennadel 4, also in der Schließstellung gelangt der Brennstoff über die Zu­laufbohrung 7 und eine Verbindungsleitung 13 in eine Nut 14. Über die Rundkerbe 12 kann in der gezeigten Stellung über eine zweite Nut 15 und eine Leitung 16 der Druckraum 11 unter Druck gesetzt werden. Dieser Druck übt auf die Düsennadel 4 eine Kraft aus, die sich aus dem Produkt des hydraulischen Druckes und der wirksamen Kolbenfläche - gebildet aus der Differenz der Durchmesser d1 und d2 - ergibt. Diese Kraft wirkt der Summe der Kräfte aus Federkraft und Kraft des Hilfskolbens 8 entgegen und veranlaßt die Ventilöffnung. Durch die Bewegung der sich öffnenden Düsennadel 4 wandert die Rundkerbe 12 nach oben und der Düsennadelschaft versperrt den Nachschub von Brennstoff, währenddessen sich der Druck im Druckraum 11 durch Einspritzen eines Teilvolumens über Düsenbohrungen 16 soweit abbaut, daß die Düsennadel wieder in Schließstellung zurückfällt und das Spiel von neuem beginnt, solange, bis die Förderung von Brennstoff durch ein nicht dar Pumpenelemeht der Einspritzpumpe aufhört.According to the invention, a pressure chamber 11 is not constantly pressurized via the inlet bore 7. Rather, the supply of fuel to the pressure chamber 11 can be blocked by the nozzle needle shaft 10 or released by a round notch 12. In the drawn position of the nozzle needle 4, that is to say in the closed position, the fuel passes through the inlet bore 7 and a connecting line 13 into a groove 14 Pressure. This pressure exerts a force on the nozzle needle 4 which results from the product of the hydraulic pressure and the effective piston area - formed from the difference between the diameters d1 and d2. This force counteracts the sum of the forces from the spring force and the force of the auxiliary piston 8 and causes the valve to open. Due to the movement of the opening nozzle needle 4, the round notch 12 moves upwards and the nozzle needle shaft blocks the supply of fuel, during which the pressure in the pressure chamber 11 is reduced by injecting a partial volume via nozzle bores 16 to such an extent that the nozzle needle falls back into the closed position and the game begins again until the delivery of fuel by a pump element not present in the injection pump stops.

Die jeweils gerade vorherrschende, sehr hohe, im kHz-Bereich liegende "Hubfrequenz" der Düsennadel ist abhängig von den Parametern: augenblickliche Kraftstofffördergeschwindigkeit des Pumpenelementes der Einspritzpumpe, Masse der Düsennadel, statische und dynamische Eigenschaften der Anpreßfeder und den wellenmecahnischen Eigenschaften des hydraulischen Pfades stromauf- und -abwärts von der Schieberventilfunktion befindlich.The prevailing, very high, stroke frequency of the nozzle needle, which is in the kHz range, is dependent on the parameters: instantaneous fuel delivery speed of the pump element of the injection pump, mass of the nozzle needle, static and dynamic properties of the pressure spring and the wave mechanical properties of the hydraulic path upstream. and located downstream of the slide valve function.

Zur Begrenzung der Oszillationsbewegung der Düsennadel 4 ist noch ein Anschlag 18 vorgesehen, der zwischen den Düsen­körper 2 und dem Düsenhalter 1 eingeschoben ist und mittels der Überwurfmutter 3 fixiert wird.To limit the oscillation movement of the nozzle needle 4, a stop 18 is also provided, which is inserted between the nozzle body 2 and the nozzle holder 1 and is fixed by means of the union nut 3.

Bei Vorhandensein eines, mittels Druckregler versehenen Druck­erzeugers, beispielsweise einer Zahnradpumpe ist es möglich einen Federteller 5a der Druckfeder 5 unmittelbar als Kolben auszubilden und auf die Druckfeder 5 ganz zu verzichten. Der Hilfskolben 8 der vom Druck des Brennstoffes beaufschlagt wird, kann als Führungsstange fungieren, während der Raum der nicht mehr benötigten Druckfeder 5 über eine gestrichelt angedeutete Steuerleitung 5b mit einem regelbaren Drucker­zeuger verbunden wird. Diese Variante ohne Druckfeder 5 läßt eine Variationsmöglichkeit des Öffnungsdruckes zu, indem über die Steuerleitung 5b der als Kolben ausgebildete Federteller 5a mit regelbarem Hydraulikdruck beaufschlagt wird. Der Öffnungs­druck läßt sich in an sich bekannter Weise über eine Kennfeld­steuerung in Abhängigkeit der Motorzustand-Parameter wie Motor­drehzahl und Motorlast beeinflussen.In the presence of a pressure generator provided by a pressure regulator, for example a gear pump, it is possible to design a spring plate 5a of the compression spring 5 directly as a piston and to dispense with the compression spring 5 entirely. The auxiliary piston 8, which is acted upon by the pressure of the fuel, can act as a guide rod, while the space of the compression spring 5, which is no longer required, is connected to a controllable pressure generator via a control line 5b indicated by a broken line. This variant without a compression spring 5 allows the opening pressure to be varied by acting on the control line 5b of the spring plate 5a, which is designed as a piston, with adjustable hydraulic pressure. The opening pressure can be influenced in a manner known per se via a map control depending on the engine state parameters such as engine speed and engine load.

Figur 2 zeigt einen Querschnitt II-II durch die Rundkerbe 12. Die beiden Nuten 14 und 15 erstreckten sich nur über einen Teil des Umfangs, so daß der Weg von der Nut 14 zur zweiten Nut 15 durch den Düsennadelschaft 10 unterbrochen werden kann. Nur die Rundkerbe 12 stellt die Verbindung von der Nut 14 über die zweite Nut 15 zum Druckraum 11 (Figur 1) her.Figure 2 shows a cross section II-II through the round notch 12. The two grooves 14 and 15 only extended over part of the circumference, so that the path from the groove 14 to the second groove 15 can be interrupted by the nozzle needle shaft 10. Only the round notch 12 establishes the connection from the groove 14 via the second groove 15 to the pressure chamber 11 (FIG. 1).

Ein Detail der Rundkerbe 12 ist in Figur 3 dargestellt. Beim Überfahren einer ersten Steuerkante 19 wird die Brennstoff­zufuhr über die Nuten 14 und 15 zum Druckraum 11 (Figur 1) freigegeben. Bei der weiteren Bewegung des Düsennadel­schaftes 10 in der angegebenen Pfeilrichtung wird die Brenn­stoffzufuhr durch die zweite Steuerkante 20 wieder unter­brochen.A detail of the round notch 12 is shown in FIG. 3. When driving over a first control edge 19, the fuel supply is released via the grooves 14 and 15 to the pressure chamber 11 (FIG. 1). When the nozzle needle shaft 10 moves further in the direction indicated by the arrow, the fuel supply is interrupted again by the second control edge 20.

Eine Variante der Unterbrechung der Brennstoffzufuhr zum Druck­raum 11 ist aus Figur 4 zu ersehen. Die Brennstoffzufuhr er­folgt in gewohnter Weise über eine Zulaufbohrung 7 (siehe auch Figur 1). Die Nut ist als umlaufende Ringnut 14 gestaltet. Die Verbindung von der Ringnut 14 über die Rundkerbe 12 zum Druck­raum 11 wird durch mindestens eine den Düsennadelschaft 10 diagonal durchdringende Bohrung 21 bewerkstelligt. Im darge­stellten Beispiel sind drei solcher Bohrungen vorhanden. Darüberhinaus kann mit einer Anschrägung 20a der - der Druck­schulter 9 der Düsennadel zugewandten - zweiten Steuerkante 20 eine zeitliche Vorverlegung des Druckaufbaues im Druckraum 11 erzwungen werden. Bei entsprechender Auslegung der Schräge kann auf diese Weise eine solche Abbremsung der Schließbewegung der Nadel erzwungen werden, daß der Aufsetzvorgang infolge vor­heriger Bewegungsumkehr der Düsennadel völlig ausbleibt. Der, die Düsenlöcher passierende Kraftstoffstrom erfährt dann keine periodische Unterbrechung mehr, sondern nur noch eine periodische Drosselung. Infolge der mit gleicher Frequenz einhergehenden Modulation der Austrittsgeschwindigkeit des das jeweilige Düsenloch verlassenden - Kraftstoffstrahles werden Merkmale des Zerstäubervorganges wie Tröpfchengrößenspektrum, Einhüll­winkel des Strahlkegels und mittlere Tröpfcheneindringtiefe mit gleicher Periodizität zwangsgesteuert, was letztlich zur an­gestrebten Gemischhomogenisierung führt. Die Vorteile einer Modulation des Kraftstoff-Flußes ohne Strahlunterbrechung be­stehen sowohl in einem verringerten Aufkommen von unerwünscht großen Tröpfchendurchmessern innerhalb des Tröpfchenspektrum, als auch in einer vergleichsweise geringeren Häufigkeit von Schlagvorgängen die langfristig zur Verformung an Düsennadel­spitze und Dichtsitz führen.A variant of the interruption of the fuel supply to the pressure chamber 11 can be seen in FIG. 4. The fuel is supplied in the usual way via an inlet bore 7 (see also FIG. 1). The groove is designed as a circumferential annular groove 14. The connection from the annular groove 14 via the round notch 12 to the pressure chamber 11 is accomplished by at least one bore 21 which diagonally penetrates the nozzle needle shaft 10. In the example shown there are three such holes. In addition, a bevel 20a of the second control edge 20, which faces the pressure shoulder 9 of the nozzle needle, can force the pressure build-up in the pressure space 11 to be brought forward. With an appropriate design of the slope, such a braking of the closing movement of the needle can be forced in such a way that the placement process is completely absent due to the previous reversal of the movement of the nozzle needle. The fuel flow passing through the nozzle holes is then no longer periodically interrupted, but only periodically throttled. As a result of the modulation of the exit velocity of the fuel jet leaving the respective nozzle hole, which occurs at the same frequency, characteristics of the atomization process such as droplet size spectrum, envelope angle of the jet cone and mean droplet penetration depth are force-controlled with the same periodicity, which ultimately leads to the desired mixture homogenization. The advantages of modulating the fuel flow without interrupting the jet are both a reduced occurrence of undesirably large droplet diameters within the droplet spectrum and a comparatively lower frequency of impact processes which lead to long-term deformation at the nozzle needle tip and sealing seat.

In Figur 5 sind die an der Düsennadel 4 (Figur 1) angrei­fenden Kräfte als Funktion des Brennstoffdruckes p darge­stellt. Die Gerade A-B1 gibt den Verlauf der Kraft an der in Schließstellung befindlichen Düsennadel 4 wieder, wie er allein aus dem Brennstoffdruck resultiert, wenn er an der Fläche wie sie sich aus der Differenz der Durchmesser d1 und d2 der Düsennadel 4 ergibt, angreift (Figur 1). Diese Kraft wirkt in Öffnungsrichtung.5 shows the forces acting on the nozzle needle 4 (FIG. 1) as a function of the fuel pressure p. The straight line A-B1 gives the course of the force on the in Nozzle needle 4 located again in the closed position, as it results solely from the fuel pressure, if it acts on the surface as it results from the difference between the diameters d1 and d2 of the nozzle needle 4 (FIG. 1). This force acts in the opening direction.

Die Gerade F1-B1 ergibt sich aus der Kraft F1 der vorgespannten Druckfeder 5 (Figur 1) und des Hilfskolbens 8. Diese Kraft wirkt in Schließrichtung. Wenn der Brennstoffdruck Null ist wirkt lediglich die Kraft F1 der Druckfeder 5. Mit zu­nehmendem Druck p erhöht sich die Schließkraft durch die Kraft auf den Hilfskolben 8. Im Punkt B1 erreicht die in Öffnungsrichtung wirkende Kraft aus der Geraden A-B1 den Wert der Schließkraft aus der Geraden F1-81. Das Ventil öffnet beim Druck pöl. Die Beziehung zwischen den am Öffnungsprozeß be­teiligten Größen lautet:

Figure imgb0001
darin bedeutet:
F1 = Kraft der vorgespannten Druckfeder
d2 = Durchmesser des Düsennadelschaftes
d1 = Durchmesser des Dichtsitzes
d3 = Durchmesser des Hilfskolbens
pöl = ÖffnungsdruckThe straight line F1-B1 results from the force F1 of the prestressed compression spring 5 (FIG. 1) and the auxiliary piston 8. This force acts in the closing direction. When the fuel pressure is zero, only the force F1 of the compression spring 5 acts. With increasing pressure p, the closing force increases due to the force on the auxiliary piston 8. At point B1, the force acting in the opening direction from the straight line A-B1 reaches the value of the closing force the straight line F1-81. The valve opens at pressure pöl. The relationship between the quantities involved in the opening process is:
Figure imgb0001
 in it means:
F1 = force of the preloaded compression spring
d2 = diameter of the nozzle needle shaft
d1 = diameter of the sealing seat
d3 = diameter of the auxiliary piston
pöl = opening pressure

Nach Öffnen der Düsennadel 11 erfolgt eine Vergrößerung der, von der Durchmesserdifferenz d₂ - d₁ bestimmten, im Öffnungs­sinne wirkenden Druckfläche auf einen, nur noch von d2 vor­gegebenen Wert. Die Kraft auf die Düsennadel wächst schlagartig auf den Wert D1 = pöl · A, mit

Figure imgb0002
After opening the nozzle needle 11 there is an enlargement of the pressure area determined by the diameter difference d₂-d₁ and acting in the opening direction to a value only given by d2. The force on the nozzle needle suddenly increases to the value D1 = pöl · A
Figure imgb0002

Durch Abspritzen in den Brennraum sinkt der Druck vom Punkt pöl wieder ab, wie es durch die Teilgerade D1-D1′ angedeutet ist. Bei Freigabe der Rundkerbe 12 (Figur 1) beginnt das Spiel der Düsennadel erneut, wobei sich die Wiederhol­frequenz der Düsennadel im Bereich mehrerer kHz bewegt.By spraying into the combustion chamber, the pressure drops from point pöl again, as indicated by the partial straight line D1-D1 '. When the round notch 12 (FIG. 1) is released, the play of the nozzle needle begins again, the repetition frequency of the nozzle needle moving in the range of several kHz.

Die Vorgänge an der Düsennadel sind qualitativ in den Figuren 6 bis 9 dargestellt.The processes at the nozzle needle are shown qualitatively in FIGS. 6 to 9.

Figur 6 stellt eine Funktion des Düsennadelweges über der Zeit t aufgetragen dar. Zum Zeitpunkt T1 beginnt die Düsen­nadel abzuheben und erreicht ihren maximalen Hub. Der Hub wird begrenzt durch den Anschlag des Düsennadelschaftes 10 am Anschlag 18 (Figur 1). Durch Abspritzen des Brennstoffes in den Brennraum fällt der Druck wieder ab, da die Zufuhr weiteren Brennstoffes, wie in der Figur 1 beschrieben, durch den Düsennadelschaft selbst unterbrochen wird. Im Punkt T2 setzt die Düsennadel weich auf, bzw. erfährt kurz vor dem Auf­setzen eine Bewegungsumkehr womit das Spiel von neuem beginnt.FIG. 6 shows a function of the nozzle needle path plotted against time t. At time T1, the nozzle needle begins to lift and reaches its maximum stroke. The stroke is limited by the stop of the nozzle needle shaft 10 against the stop 18 (FIG. 1). By spraying the fuel into the combustion chamber, the pressure drops again, since the supply of further fuel, as described in FIG. 1, is interrupted by the nozzle needle shaft itself. At point T2, the nozzle needle touches down or experiences a reversal of movement shortly before touching down, which starts the game again.

Den Druckverlauf über der Zeit t gibt Figur 7 wieder. Zu­nächst steigt der Druck etwa linear bis zum Öffnungsdruck pö an (siehe Figur 5). Im Zeitpunkt T1 öffnet die Düsennadel, der Leitungsdruck fällt durch Abspritzen des Brennstoffes in den Brennraum ab. Bevor in T2 die Düsennadel aufsetzt wird über die Rundkerbe 12 (Figur 1) die Brennstoffzufuhr zum Druck­raum 11 wieder frei, so daß es zu einem erneuten Druckaufbau kommt, bis in T2 der Öffnungsdruck pö wieder erreicht wird.Figure 7 shows the pressure curve over time t. First, the pressure increases approximately linearly up to the opening pressure pö (see FIG. 5). At time T1, the nozzle needle opens and the line pressure drops into the combustion chamber when the fuel is sprayed out. Before the nozzle needle touches down in T2, the fuel supply to the pressure chamber 11 is released again via the round notch 12 (FIG. 1), so that pressure builds up again until the opening pressure p0 is reached again in T2.

Aus dem Hub der Düsennadel nach Figur 6 ergibt sich der Freigabequerschnitt A, dessen Verlauf über der Zeit t in Figur 8 dargestellt ist.The release cross section A results from the stroke of the nozzle needle according to FIG. 6, the course of which is shown in FIG. 8 over time t.

Die Figur 9 zeigt den Verlauf der auf die Düsennadel wirken­den Kraft F. Zum Zeitpunkt T0 greift nur die Kraft der Druckfeder 5 (Figur 1) an, die in Schließrichtung wirkt. Mit ansteigendem Brennstoffdruck überlagert sich dieser Federkraft die aus den Durchmessern d1 bis d3 resultierende Differenzdruckkraft (Figur 5) bis in T1 die Kraft in Öff­nungsrichtung die Kraft in Schließrichtung übersteigt. Die Kraft in Öffnungsrichtung steigt durch Freigabe des Durch­messers d1 auf den vollen Durchmesser d2 plötzlich an (Sprung vom Punkt B1 auf D1 in Figur 5). Durch Abspritzen in den Brennraum sinkt die Kraft wieder ab, bis im Punkt Ta Kräftegleichgewicht herrscht und anschließend die aus Federkraft und Kraft auf den Hilfskolben zusammengesetzten Kräfte in Schließrichtung die aus dem Druckraum 11 in Öffnungs­richtung auf den Durchmesser d2 wirkende Kraft überwinden, bis die Düsennadel im Zeitpunkt T2 schließt.FIG. 9 shows the course of the force F acting on the nozzle needle. At time T0, only the force of the compression spring 5 (FIG. 1) acts, which acts in the closing direction. With increasing fuel pressure, this spring force is superimposed on the differential pressure force resulting from the diameters d1 to d3 (FIG. 5) until in T1 the force in the opening direction exceeds the force in the closing direction. The force in the opening direction suddenly increases when the diameter d1 is released to the full diameter d2 (jump from point B1 to D1 in FIG. 5). By spraying into the combustion chamber, the force drops again until there is a force equilibrium at point Ta and then the forces composed of spring force and force on the auxiliary piston in the closing direction overcome the force acting from the pressure chamber 11 in the opening direction on the diameter d2 until the nozzle needle in Time T2 closes.

Claims (4)

1. Verfahren zum intermittierenden Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, wobei ein Öffnen und ein Schließen einer Düsennadel einer Einspritz­düse allein durch ein Zusammenwirken, einer in Schließstel­lung wirkenden Kraftquelle und einer durch den Druck eines Brennstoffs auf die Düsennadel hervorgerufenen Druckkraft bewerkstelligt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der auf die Düsennadel (4) in Schließstellung einwirkende Druck des Brennstoffes durch die Bewegung der Düsennadel (4) selbst gesteuert wird und zwar derart, daß bei der Düsen­nadel (4) in Schließstellung der Weg des Brennstoffes von einer Zulaufbohrung (7) zu einem Druckraum (11) eines Düsenkörpers (2) frei ist und dieser Weg nach dem Öffnen der Düsennadel (4) durch diese wieder versperrt wird.1. A method for the intermittent injection of fuel into the combustion chamber of an internal combustion engine, wherein opening and closing of a nozzle needle of an injection nozzle is accomplished solely by interaction, a force source acting in the closed position and a pressure force caused by the pressure of a fuel on the nozzle needle characterized in that the pressure of the fuel acting on the nozzle needle (4) in the closed position is itself controlled by the movement of the nozzle needle (4) in such a way that the path of the fuel in the closed position of the nozzle needle (4) from an inlet bore (7) to a pressure chamber (11) of a nozzle body (2) is free and this path is blocked again after opening the nozzle needle (4). 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei der die Kraftquelle aus einer die Düsennadel in Schließ­richtung belastenden Druckfeder gebildet wird und einen diese Druckfeder unterstützenden Hilfskolben aufweist und die Düsennadel am gegenüberliegenden Ende in einem Druckraum über eine Druckschulter verfügt, welche den Übergang von der Düsennadel zu einem Düsennadelschaft bildet, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Düsennadelschaft (10) eine Rundkerbe (12) aufweist, daß die Rundkerbe (12) den Weg des Brennstoffes von einer über eine Verbindungsleitung (13) mit der Zulauf­bohrung (7) verbindbaren Nut (14) zu einer auf gleicher Ebene liegenden und ebenfalls achsparallel angeordneten zweiten Nut (15) freigibt, bzw. beim Anheben der Düsennadel (4) versperrt, und daß die zweite Nut (15) über eine Leitung (16) mit dem Druckraum (11) im einem Düsenkörper (2) ver­bindbar ist. (Figur 1)2. Apparatus for carrying out the method according to claim 1, wherein the power source is formed from a compression spring loading the nozzle needle in the closing direction and has an auxiliary piston supporting this compression spring and the nozzle needle has a pressure shoulder at the opposite end in a pressure chamber, which has the transition from the nozzle needle forms a nozzle needle shaft, characterized in that the nozzle needle shaft (10) has a round notch (12), that the round notch (12) follows the path of the fuel from a groove (12) which can be connected to the inlet bore (7) via a connecting line (13). 14) to one on the same The second groove (15), which is level and also arranged parallel to the axis, is released or blocked when the nozzle needle (4) is raised, and that the second groove (15) is connected via a line (16) to the pressure chamber (11) in a nozzle body (2). is connectable. (Figure 1) 3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei der die in Schließrichtung wirkende Kraftquelle durch einen ebenfalls in Schließrichtung wirkenden Hilfskolben der Düsennadel unterstützt wird und die Düsennadel am gegenüberliegenden Ende in einem Druckraum über eine Druck­schulter verfügt, welche dem Übergang von der Düsennadel zu einem Düsenschaft bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftquelle aus einem als Kolben ausgebildeten Feder­teller (5a) besteht, daß der Kolben über eine Steuerlei­tung (5b) im Düsenhalter (1) durch einen kennfeldge­steuerten Druckerzeuger beaufschlagbar ist, daß der Düsen­nadelschaft (10) eine Rundkerbe (12) aufweist, daß die Rundkerbe (12) den Weg des Brennstoffes von einer über eine Verbindungsleitung (13) mit der Zulaufbohrung (7) verbindbaren Nut (14) zu einer auf gleicher Ebene liegenden und ebenfalls achsparallel angeordneten zweiten Nut (15) freigibt, bzw. beim Anheben der Düsennadel (4) versperrt, und daß die zweite Nut (15) über eine Leitung (16) mit dem Druckraum (11) in einem Düsenkörper (2) verbindbar ist (Figur 1)3. Apparatus for carrying out the method according to claim 1, in which the force source acting in the closing direction is supported by an auxiliary piston of the nozzle needle also acting in the closing direction and the nozzle needle at the opposite end in a pressure chamber has a pressure shoulder which leads to the transition from the nozzle needle forms a nozzle shaft, characterized in that the power source consists of a spring plate (5a) designed as a piston, that the piston can be acted upon by a map-controlled pressure generator via a control line (5b) in the nozzle holder (1), that the nozzle needle shaft (10) has a round notch (12) that the round notch (12) clears the path of the fuel from a groove (14) which can be connected to the inlet bore (7) via a connecting line (13) to a second groove (15) which is on the same plane and also arranged axially parallel , or blocked when lifting the nozzle needle (4), and d ate the second groove (15) via a line (16) with the pressure chamber (11) in a nozzle body (2) can be connected (Figure 1) 4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Rundkerbe (12) von einer in Schließstellung der Düsennadel (4) auf gleicher Höhe befindlichen Ringnut (14) umgeben ist, daß die Ringnut (14) mit der Zulauflaufung (7) verbunden ist und daß der Düsennadelschaft (10) mindestens eine diagonal verlaufende Bohrung (21) aufweist, welche einerseits in die Rundkerbe (12) und andererseits in die Druckschulter (9) mündet. (Figur 4)4. Device according to claims 2 and 3, characterized in that the circular notch (12) is surrounded by an annular groove (14) located at the same height in the closed position of the nozzle needle (4), that the annular groove (14) with the inlet opening (7 ) is connected and that the nozzle needle shaft (10) has at least one diagonally running bore (21) which on the one hand opens into the round notch (12) and on the other hand into the pressure shoulder (9). (Figure 4)
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