EP0460381A1 - Multi-jet injection nozzle with controlled cross-section - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine querschnittgesteuerte Mehrstrahl-Einspritzdüse entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruches.The invention relates to a cross-section-controlled multi-jet injection nozzle according to the preamble of the claim.
Durch DE-OS 29 49 596 ist es bekannt, die Düsennadel in Richtung des Brennraumes zu öffnen. Der Dichtsitz ist dabei kegelig ausgebildet und stellt gleichzeitig die Austrittsöffnung dar, wobei die Austrittsöffnung den Brennstoff-Austrittsquerschnitt bildet. Durch eine derartige Einspritzdüse ist es nicht möglich den Brennstoffdruck über den gesamten Betriebsbereich konstant hoch zu halten. Weil der austretende Hohlkegelstrahl nicht unterteilt ist, leidet die Gemischbildung, da der große Umfang des Ringspaltes in einem sehr ungünstigen Verhältnis zum Spritzquerschnitt steht, wodurch die Kraftstoffaufbereitung und die Gemischbildung negativ beeinflußt werden.From DE-OS 29 49 596 it is known to open the nozzle needle in the direction of the combustion chamber. The sealing seat is conical and at the same time represents the outlet opening, the outlet opening forming the fuel outlet cross section. Such an injection nozzle makes it impossible to keep the fuel pressure constantly high over the entire operating range. Because the emerging hollow cone jet is not subdivided, the mixture formation suffers, since the large circumference of the annular gap is in a very unfavorable ratio to the spray cross section, as a result of which the fuel preparation and the mixture formation are adversely affected.
Durch DE-OS 27 10 138 ist es ferner bekannt, eine Hohlnadel und eine in dieser koaxial geführte Düsennadel vorzusehen. Die Hohlnadel kann von einer Druckkammer ausgehend über eine Druckschulter mit Brennstoffdruck beaufschlagt werden. Ab einem vorgegebenen Brennstoffdruck öffnet die Hohlnadel gegen die Kraft einer ersten Druckfeder und gibt den Weg des Brennstoffes zur Düsennadel und einer ersten Einspritzbohrung frei. Die Düsennadel öffnet bei höherer Last der Brennkraftmaschine und einem daraus resultierenden höheren Brennstoffdruck von einer Einspritzpumpe her anschließend gegen die Kraft einer zweiten Druckfeder und die Einspritzung von Brennstoff in den Brennraum erfolgt durch zweite Einspritzbohrungen, bis durch Absinken des Brennstoffdruckes die Düsennadel schließt und die Einspritzung beendet. Durch eine derartige Einspritzdüse wird eine Abstufung der eingespritzten Brennstoffmenge nach Richtung und Art und Weise des Brennstoffstrahles erreicht. Nachteilig ist die noch mangelnde Konstanz eines hohen Brennstoffdruckes vor den Einspritzbohrungen über den Kennfeldbereich gesehen. Ein weiterer Nachteil ist in der Verwendung mehrerer Spritzlöcher zu sehen. Wenn im Teillastbereich nur eine Bohrung durchströmt wird verkokt die nicht benutzte zweite Bohrung, welche dem Vollastbereich vorbehalten ist.From DE-OS 27 10 138 it is also known to provide a hollow needle and a nozzle needle guided coaxially therein. The hollow needle can be supplied with fuel pressure from a pressure chamber via a pressure shoulder. From a predetermined fuel pressure, the hollow needle opens against the force of a first compression spring and opens the path of the fuel to the nozzle needle and a first injection hole. The nozzle needle opens when there is a higher load on the engine and one resulting higher fuel pressure from an injection pump then against the force of a second compression spring and the injection of fuel into the combustion chamber takes place through second injection bores until the nozzle needle closes and the injection ends due to a decrease in the fuel pressure. Such an injection nozzle achieves a gradation of the amount of fuel injected according to the direction and manner of the fuel jet. A disadvantage is the still lack of consistency of a high fuel pressure in front of the injection bores across the map area. Another disadvantage is the use of multiple spray holes. If only one hole is flowed through in the partial load range, the unused second hole, which is reserved for the full load range, cokes.
Ausgehend von einer Einspritzdüse gemäß dem Oberbegriff liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die eingespritzte Brennstoffmenge in mehrere Strahlen mit einem günstigen Verhältnis von Spritzquerschnitt zu Umfang des durchströmten Querschnitts zu zerteilen und gleichzeitig den Einspritzdruck vor den Einspritzkanälen über den gesamten Kennfeldbereich näherungsweise konstant zu halten.Starting from an injection nozzle according to the preamble, the invention has for its object to split the amount of fuel injected into several jets with a favorable ratio of spray cross-section to the extent of the cross-section flowed through and at the same time to keep the injection pressure upstream of the injection channels approximately constant over the entire map area.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved by the characterizing features of
Durch die besondere Formgebung der Dichtfläche der Steuernadel lassen sich die Öffnungsquerschnitte der Steuernadel variieren, so daß sich in allen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine stets ein genügend hoher Brennstoffdruck vor den Einspritzkanälen einstellt, der dafür sorgt, daß bei luftverteilter Einspritzung eine hohe Zerstäubungsfeinheit für eine optimale Gemischbildung zu erreichen ist. In erster Näherung wird dabei im unteren Drehzahl- und Lastbereich der maximale Einspritzdruck so hoch wie im oberen Drehzahl- und Lastbereich sein.Due to the special shape of the sealing surface of the control needle, the opening cross-sections of the control needle can be varied, so that in all operating states of the internal combustion engine there is always a sufficiently high fuel pressure in front of the injection channels, which ensures that, with air-distributed injection, a high atomization fineness for optimal mixture formation to achieve. In a first approximation, the maximum injection pressure in the lower speed and load range will be as high as in the upper speed and load range.
Eine vorteilhafte Ausbildung der Regeleinrichtung ist durch die Merkmale des Anspruches 2 gekennzeichnet.An advantageous embodiment of the control device is characterized by the features of
Auf einfache Weise kann eine Selbstregulierung des Brennstoffdruckes mit Hilfe entsprechend abgestimmter Federn erfolgen, die bei steigendem Druck einen größeren Austrittsquerschnitt freigeben und umgekehrt. Zum Ausgleich der bei Düsenöffnung hinzukommenden wirksamen Druckfläche wird die zweite Druckfeder vorgesehen. Die erste Druckfeder gibt einen Austrittsquerschnitt für den Motorleerlauf bzw. für den unteren Drehzahl- und Lastbereich frei, während durch Überwindung der parallel geschalteten zweiten Druckfeder der Austrittsquerschnitt sich der steigenden Drehzahl und Last anpaßt. Die Begrenzung des Spritzquerschnittes bei Vollast und Nenndrehzahl wird durch den Festanschlag bewerkstelligt.Self-regulation of the fuel pressure can be carried out in a simple manner with the aid of appropriately coordinated springs, which release a larger outlet cross section as the pressure increases and vice versa. The second compression spring is provided to compensate for the effective pressure area added when the nozzle is opened. The first compression spring releases an outlet cross section for engine idling or for the lower speed and load range, while by overcoming the second compression spring connected in parallel, the outlet cross section adapts to the increasing speed and load. The limit stop of the spray cross-section at full load and nominal speed is achieved by the fixed stop.
Eine Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich durch die Merkmale des Anspruches 3 aus.A further development of the invention is characterized by the features of
Die Regelung des Hubes der Steuernadel wird durch Ansteuerung mittels einer kennfeldgesteuerten Elektronik bewerkstelligt. Als geeignetes mechanische Stellglied für die Begrenzung des Steuernadelhubes kann ein Keilstück dienen, welches durch die Elektronik direkt oder indirekt angesteuert wird und so den Hub derselben stufenlos einstellbar begrenzt.The control of the stroke of the control needle is accomplished by control by means of map-controlled electronics. A wedge piece can be used as a suitable mechanical actuator for limiting the control needle stroke, which is controlled directly or indirectly by the electronics and thus limits the stroke of the same in an infinitely variable manner.
Weitere vorteilhafte Merkmale zeichnen sich durch den Anspruch 4 aus.Further advantageous features are characterized by claim 4.
Die Hohlnadel gewährleistet eine zur Keilverzahnung zusätzliche Abdichtung, so daß ein Nachtropfen von Brennstoff vermieden wird, wenn die Keilverzahnung nicht absolut dicht sein sollte.The hollow needle ensures an additional seal for the spline, so that dripping of fuel is avoided if the spline should not be absolutely tight.
Ausführungsbeispiele der Einspritzdüse sind in Zeichnungen dargestellt. Es zeigt:
Figur 1- einen Längsschnitt durch eine Einspritzdüse
Figur 2- eine Detailansicht im Längsschnitt am brennraumseitigen Ende der Einspritzdüse
Figur 3- einen Schnitt III-III aus
Figur 2 - Figur 4
- einen Längsschnitt durch die Einspritzdüse im Bereich der Steuerung
Figur 5- einen Längsschnitt durch eine Einspritzdüse mit einer zu einer Steuernadel koaxial angeordneten Hohlnadel
Figur 6- eine Detailansicht aus
Figur 5 im Längsschnitt am brennraumseitigen Ende der Einspritzdüse
- Figure 1
- a longitudinal section through an injection nozzle
- Figure 2
- a detailed view in longitudinal section at the combustion chamber end of the injector
- Figure 3
- a section III-III of Figure 2
- Figure 4
- a longitudinal section through the injection nozzle in the control area
- Figure 5
- a longitudinal section through an injection nozzle with a hollow needle arranged coaxially to a control needle
- Figure 6
- a detailed view of Figure 5 in longitudinal section at the combustion chamber end of the injector
Die Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch eine Einspritzdüse. Diese besteht im wesentlichen aus einem Düsenhalter 1, einem Düsenkörper 2 und einer im Düsenkörper 2 axial beweglich geführten Steuernadel 3. Die Steuernadel 3 weist an ihrem brennraumseitigen Ende eine kegelige Dichtfläche 4 auf, welche erfindungsgemäß als eine Keilverzahnung 5 ausgeführt ist. Die Steuernadel 3 wird an ihrem brennraumabgewandten Ende durch eine vorgespannte erste Druckfeder 6 in Schließstellung gehalten. Die erste Druckfeder 6 stützt sich dabei einerseits gegen den Düsenhalter 1 und andererseits gegen einen mit der Steuernadel 3 verbundenen Anschlag 7 ab.Figure 1 shows a schematic representation of a longitudinal section through an injection nozzle. This essentially consists of a
Zur Begrenzung der Hubbewegung der Steuernadel 3 ist ein Ringanschlag 8 vorgesehen, welcher mit dem Anschlag 7 zusammenwirkt. Dieser Anschlag 8 wird mittels einer zweiten vorgespannten Druckfeder 9 in Ausgangslage gehalten, wobei sich der Ringanschlag 8 gegen den Düsenhalter 1 abstützt. Zwischen dem Anschlag 7 und dem Ringanschlag 8 ist ein Spalt mit der Dicke h1 vorgesehen. Die zweite Druckfeder 9 ist koaxial zur Steuernadel 3 und der diese umgebenden ersten Druckfeder 6 angeordnet.To limit the stroke movement of the
Einem Druckraum 9a der Einspritzdüse wird über eine Zulaufbohrung 10 von einer Einspritzpumpe Brennstoff zugeführt. Unter dem Druck des Brennstoffes öffnet die Steuernadel 3 in Richtung auf einen Brennraum hin, indem die Kraft der vorgespannten ersten Druckfeder 6 überwunden wird. Der Brennstoff wird dann über mehrere Strahlen entsprechend der Gestaltung der in den Figuren 2 und 3 näher beschriebenen Keilverzahnung 5 in den Brennraum abgespritzt. Der Spritzquerschnitt kann durch den Hub der Steuernadel 3 abgestuft werden.Fuel is supplied to a
Im Leerlauf oder im unteren Drehzahl- und Lastbereich einer Brennkraftmaschine wird der Hub der Steuernadel 3 zunächst durch den Ringanschlag 8 begrenzt, wenn der Hub den Weg h1 ausgeschöpft hat.In idling or in the lower speed and load range of an internal combustion engine, the stroke of the
Bei zunehmender Last wird bereits durch den relativ gesehen leicht ansteigenden Brennstoffdruck der Hub der Steuernadel 3 durch Überwindung der Kraft der zur ersten Druckfeder 6 parallel geschalteten zweiten Druckfeder 9 vergrößert, bis der maximale Hub der Steuernadel 3 bei Vollast nach Ausschöpfung eines Hubes h2 durch einen Festanschlag 11 begrenzt wird, gegen den der Ringanschlag 8 anfährt. Die Federkonstante der zweiten Druckfeder 9 ist dabei wesentlich kleiner zu wählen als die der ersten Druckfeder 6. Der Festanschlag 11 ist als eine Ringfläche im Düsenhalter 1 ausgeführt. Zur Abführung von Leckage ist eine Bohrung 10a vorgesehen.With increasing load, the stroke of the
Eine Detailansicht der Einspritzdüse im Längsschnitt am brennraumseitigen Ende zeigt Figur 2. Die linke Hälfte stellt die Einspritzdüse im geschlossenen Zustand dar, während die rechte Hälfte diese im geöffneten Zustand wiedergibt.A detailed view of the injection nozzle in longitudinal section at the end on the combustion chamber side is shown in FIG. 2. The left half represents the injection nozzle in the closed state, while the right half shows it in the open state.
Die Steuernadel 3 weist die axial und radial gerichtete Keilverzahnung 5 auf, welche sich in eine kegelige Dichtfläche 4 und Nutenflanken 13 gliedert.The
Die Einspritzung von Brennstoff wird - wie in der rechten Hälfte dargestellt - dadurch eingeleitet, daß durch die Wirkung des Brennstoffdruckes auf die Querschnittsdifferenz der größeren ersten Fläche 14 und der kleineren zweiten Fläche 15 die Steuernadel 3 in Richtung des Brennraumes öffnet, wie es die rechte Hälfte der Figur 2 darstellt. Der Brennstoff wird der Keilverzahnung 5 über eine Nut 17 und einen Ringraum 18 zugeführt. Einer der Spritzquerschnitte 16, wie er sich beim Öffnen der Steuernadel 3 ergibt, ist herausgezeichnet dargestellt.The injection of fuel is initiated - as shown in the right half - in that the
Ein Schnitt III-III aus Figur 2 ist in Figur 3 dargestellt. Der Brennstoff gelangt zunächst über die Nut 17 der Steuernadel 3 vor die aus Figur 2 ersichtliche Dichtfläche 4, welche entsprechend dem dargestellten Beispiel kegelig ausgeführt ist. Nach dem Öffnen der Steuernadel 3 wird der Brennstoff über die Spritzquerschnitte 16 abgespritzt. Der Spritzquerschnitt 16 wird durch die kegelige Dichtfläche 4 (Figur 2) und die Nutenflanken 13 begrenzt. Die Spritzquerschnitte 16 können unterschiedliche Größe aufweisen. Ein Sektor 19 ist in Figur 3 in der Ansicht, also nicht im Schnitt dargestellt.A section III-III of Figure 2 is shown in Figure 3. The fuel first passes through the
Eine zu Figur 1 alternative Lösung der Regelung der Steuernadel 3 kann aus Figur 4 ersehen werden. Der Hub der Steuernadel 3 wird durch ein Keilstück 20 begrenzt, welches in der durch Pfeilrichtung angegebenen Bewegung mit einem Endanschlag 21 korrespondiert, so daß die Hubbewegung der Steuernadel 3 entsprechend einem Spiel h stufenlos begrenzbar ist. Das Keilstück 20 wird von einem Stellglied 22 betätigt, wobei dieses von einer kennfeldgesteuerten Elektronik beaufschlagbar ist.An alternative solution to the control of the
Eine Variation der Einspritzdüse wie sie in Figur 1 dargestellt ist, zeigt Figur 5. Abweichend von der Ausführung nach Figur 1 wird der Steuernadel 3 eine gegenüber dieser koaxial bewegliche Hohlnadel 23 parallel geschaltet. Die Hohlnadel 23 wird durch eine vorgespannte dritte Druckfeder 24 in der Ausgangsstellung gehalten und dichtet die Keilverzahnung 5 mittels einer vorgeschalteten Kegelfläche 25 zusätzlich gegen den Druckraum 9a ab. Wenn der Brennstoff von der Einspritzpumpe her über die Zulaufbohrung 10 und den Druckraum 9a unter Druck gesetzt wird öffnet zunächst die Hohlnadel 23 gegen die Kraft der dritten Druckfeder 24. Als wirksame Druckfläche fungiert die Differenz der Flächen einer Druckschulter 26 und der dem Flüssigkeitsdruck in Schließstellung nicht ausgesetzten Kegelfläche 25. Nach dem Öffnen der Hohlnadel 23 gelangt der Brennstoff über Nuten 17 in den Ringraum 18 und öffnet anschließend - wie unter Figur 1 beschrieben - die Steuernadel 3. Der Vorteil einer solchen Ausführung ist darin zu sehen, daß die Keilverzahnung 5 von der alleinigen Dichtfunktion entlastet wird.A variation of the injection nozzle as shown in FIG. 1 is shown in FIG. 5. Deviating from the embodiment in FIG. 1 the
Figur 6 zeigt im Detail das brennraumseitige Ende der Einspritzdüse in der Version nach Figur 5. Die Steuernadel 3 wird von der Hohlnadel 23 umgeben, welche durch die Kegelfläche 25 die Keilverzahnung 5 zusätzlich gegen den Druckraum 9a (Figur 5) abdichtet, wie es in der linken Figurenhälfte dargestellt ist. Durch Erhöhung des Brennstoffdruckes hebt zunächst die Hohlnadel 23 von der Kegelfläche 25 ab, wie in der rechten Figurenhälfte dargestellt ist. Der unter Druck stehende Brennstoff strömt ananschließend über die Nuten 17 in den Ringraum 18 vor der Keilverzahnung 5. Entgegen der Kraft der Druckfedern 6 und 9 öffnet die Steuernadel 3 wie unter Figur 1 beschrieben.Figure 6 shows in detail the combustion chamber end of the injection nozzle in the version according to Figure 5. The
Nachfolgend sei nochmals kurz auf die Arbeitsweise eingegangen. Bei Beginn der Einspritzung öffnet zunächst nach den Figuren 5 und 6 die Hohlnadel 23, bzw. nach den Figuren 1 und 2 unmittelbar die Steuernadel 3 und gibt den erforderlichen Spritzquerschnitt 16 frei. Die Steuerung des Spritzquerschnittes kann mit Hilfe des Kraftstoffdruckes und entsprechenden Wirkflächen in bekannter Weise in Verbindung mit abgestuften Druckfedern 6, 9, 24 oder durch eine kennfeldabhängig, vorzugsweise elektronisch, angesteuerte Hubbegrenzungseinrichtung (Figur 4) erfolgen. Einspritzdruck und Einspritzdauer können so optimal aufeinander abgestimmt werden.The mode of operation is briefly discussed below. At the beginning of the injection, the
Am Ende des Einspritzvorganges werden nach dem Schließen der Hohlnadel 23 die Spritzkanäle durch Zurückfahren der Steuernadel 3 geschlossen. Dabei wird der in den Spritzkanälen noch vorhandene Kraftstoff unter Druck ausgepreßt und Tröpfchenbildung am Ende der Einspritzung vermieden. Außerdem kann das der Hohlnadel bereits nachgelagerte Kraftstoffvolumen nicht unkontrolliert in den Brennraum fließen. Die dauernde Axialbewegung der Steuernadel 3 mit je nach Motorbetrieb wechselnden Hubhöhen sorgt dafür, daß trotz der Neigung zum Verkoken der dem Feuer ausgesetzten Verzahnung die vorschlagsgemäße Spritzquerschnittssteuerung erhalten bleibt.At the end of the injection process, after the
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