EP0575887B1

EP0575887B1 - Injection device

Info

Publication number: EP0575887B1
Application number: EP93109661A
Authority: EP
Inventors: Reinhard Häfner
Original assignee: Krupp Mak Maschinenbau GmbH; MaK Motoren GmbH and Co KG
Current assignee: Caterpillar Motoren GmbH and Co KG
Priority date: 1992-06-24
Filing date: 1993-06-17
Publication date: 1997-03-05
Anticipated expiration: 2013-06-17
Also published as: FI104013B; DE59305564D1; DE4220619A1; FI932941A0; FI932941A; FI104013B1; EP0575887A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren mit Einspritzventilen für Kraftstoff bzw. Zündöl und hochverdichtetem Brenngas.The invention relates to an injection device for internal combustion engines, in particular diesel engines with injection valves for fuel or ignition oil and highly compressed fuel gas.

Es sind Ausführungen sowohl bei Zweitakt- als auch bei Viertaktmotoren bekannt, in denen hochverdichtetes Brenngas nahe dem Zünd-OT-Punkt durch Düsen eingespritzt wird, um von einem Zündölstrahl aus einer anderen Düse bzw. einem anderen Düsenteil gezündet zu werden.Designs are known for both two-stroke and four-stroke engines, in which highly compressed fuel gas is injected through nozzles near the ignition TDC point in order to be ignited by a jet of pilot oil from another nozzle or another part of the nozzle.

In der EP-A-237071, die den nächstkommenden Stand de Technik bildet, ist eine Einspritzeinrichtung mit zwei Einspritzdüsen der gattunggemäßen Art bekannt, bei denen über eine Feder die erste und zweite Düsennadel belastet wird. Das Problem hierbei ist es, neben der großen Bauweise durch die Feder, betriebssicher kurze Zeitabschnitte entsprechend zu steuern.EP-A-237071, which forms the closest prior art, discloses an injection device with two injection nozzles of the generic type, in which the first and second nozzle needles are loaded via a spring. The problem here is, in addition to the large design by the spring, to control short periods of time in a reliable manner.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einspritzeinrichtung für Motoren zu schaffen, mit dem ein besonders günstiges Einspritzverhalten erzielbar ist und wobei ein erstes und ein zweites Einspritzventile auf kleinem Raum unterzubringen sind.The object of the invention is to provide an injection device for engines with which a particularly favorable injection behavior can be achieved and where a first and a second injection valve are to be accommodated in a small space.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weiter vorteilhafte Merkmale beinhalten die Unteransprüche.This object is achieved by the features of claim 1. Further advantageous features include the subclaims.

Die mit der Erfindung hauptsächlich erzielten Vorteile bestehen darin, daß die beiden Einspritzdüsen in einem Halter zusammengefaßt sind und somit bei wenig Raumbeanspruchung ein leistungsfähiges Einspritzsystem für Brenngas und Kraftstoff bzw. Zündöl erzielt wird. Dies wird im wesentlichen dadurch erreicht, daß statt der großbauenden Stahlfedern eine hydraulische Belastung der ersten und zweiten Düsennadeln verwendet wird.The main advantages achieved with the invention are that the two injection nozzles are combined in one holder and thus an efficient injection system for fuel gas and fuel or ignition oil is achieved with little space requirement. This is essentially achieved by using a hydraulic load on the first and second nozzle needles instead of the large steel springs.

Das Problem, betriebssicher den sehr kurzen Zeitquerschnitt zu öffnen, den man braucht, um die richtige Gasmenge ausströmen zu lassen, wird dadurch gelöst, daß mit Hilfe einer gängigen, mit Steuerkanten behafteten Einspritzpumpe den hydraulischen Druck, der auf das Einspritzventil für den Gasbetrieb wirkt, durch ein Doppelkolbensystem abzubauen. Je nach notwendiger Steuerdauer wird der größere der beiden Doppelkolben, entsprechend der in dieser Zeit geförderten Steuermenge mehr oder weniger stark abgehoben, um dann bei Förderende der Steuerpumpe wieder zurückzufallen, um das Steuernadelventil der Gasdüse zu verschließen.The problem of reliably opening the very short time cross section that is required to allow the correct amount of gas to flow out is solved by using a common injection pump with control edges to reduce the hydraulic pressure acting on the injection valve for gas operation. dismantled by a double piston system. Depending on the necessary control period, the larger of the two double pistons is more or less lifted off in accordance with the control quantity delivered during this time, in order then to fall back again at the end of the delivery of the control pump in order to close the control needle valve of the gas nozzle.

Um ein möglichst einfaches System für die hydraulische Belastung der ersten und zweiten Düsennadeln zu finden, ist durch geeignete Auswahl der Durchmesser der Düsennadeln und der Durchmesser der ersten und zweiten Kolben mit ein und demselben hydraulischen Schließdruck auszukommen.In order to find a system for the hydraulic loading of the first and second nozzle needles that is as simple as possible, the diameter of the nozzle needles and the diameter of the first and second pistons can be managed with one and the same hydraulic closing pressure by suitable selection.

Es hat sich weiterhin herausgestellt, daß es vorteilhaft ist, daß der zu entzündende Kraftstoff immer in die Richtung gespritzt wird, wo durch den Zündkraftstoff der Zündherd entsteht. Es trägt dies ganz wesentlich zur guten Vermischung von Kraftstoff und Luft bei. Der so geschilderte Wunsch kann in der Regel kaum mit zwei unterschiedlichen Einspritzdüsen und bisher nur sehr schwierig mit Doppeldüsen oder Mehrfachdüsen dargestellt werden. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, daß die Strahllagen von Gasdüsen und Voreinspritzdüsen, die ihrerseits auch im reinen Dieselbetrieb Hauptdüse sein kann, so gelenkt werden, daß sich die Strahlen räumlich in einer gemeinsamen Ebene und einer darauf liegenden Kreislinie bzw. Abstandslinie treffen.It has also been found that it is advantageous that the fuel to be ignited is always injected in the direction in which the ignition source produces the ignition source. This contributes significantly to the good mixing of fuel and air. The wish described in this way can hardly be accepted two different injection nozzles and so far only very difficult to represent with double nozzles or multiple nozzles. According to the invention it is therefore proposed that the jet positions of gas nozzles and pre-injection nozzles, which in turn can also be the main nozzle in pure diesel operation, are so directed that the jets meet spatially in a common plane and a circular line or distance line lying thereon.

Die beiden Einspritzdüsen sind nebeneinander in einem gemeinsamen Düsenhalter angeordnet, der mit einem die Doppelkolbeneinrichtung sowie die entsprechenden Druckbohrungen und Kanäle aufweisendes Segment über eine Gewindehülse zusammengefaßt ist, die mit einem Anschlußelement, in dem die Zuführungskanäle angeordnet sind, verbunden ist.The two injection nozzles are arranged side by side in a common nozzle holder which is combined with a segment having the double piston device and the corresponding pressure bores and channels via a threaded sleeve which is connected to a connecting element in which the supply channels are arranged.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1: einen Längsschnitt durch einen Halter mit dem ersten und zweiten Einspritzventilen,
Fig. 2: einen Querschnitt nach der Linie II-II der Fig. 1,
Fig. 3: einen Querschnitt nach der Linie III-III der Fig. 2,
Fig. 4: eine Draufsicht auf ein Strahlbild der Brenngase und der Kraftstoffe bzw. Zündöle u n d
Fig. 5: eine Vorderansicht des Strahlbildes mit in der Ebene auftreffenden Strahlen.

An embodiment of the invention is shown in the drawing and will be described in more detail below. Show it:

Fig. 1: 2 shows a longitudinal section through a holder with the first and second injection valves,
Fig. 2: 2 shows a cross section along the line II-II of FIG. 1,
Fig. 3: 3 shows a cross section along the line III-III of FIG. 2,
Fig. 4: a plan view of a spray pattern of the fuel gases and the fuels or ignition oils and
Fig. 5: a front view of the beam image with rays hitting the plane.

Die Einspritzeinrichtung umfaßt im wesentlichen in einem Halter 1 zusammengefaßt zwei Einspritzventile 2 und 3, die Düsennadeln 4 und 5 umfassen und Spritzlöcher 36, 37 im Düsenelement 35 und 34 freigeben bzw. schließen.The injection device essentially comprises, in a holder 1, two injection valves 2 and 3, which comprise nozzle needles 4 and 5 and open or close spray holes 36, 37 in nozzle element 35 and 34.

Das eine Einspritzventil 2 ist zur Zuführung von Brennkraftstoff bzw. Zündöl und das weitere Einspritzventil 3 ist zur Zuführung von Brenngas in den Zylinder ausgelegt.One injection valve 2 is designed for supplying fuel or ignition oil and the other injection valve 3 is designed for supplying fuel gas into the cylinder.

Der Halter 1 ist mit einem Segment 8 über eine Gewindehülse 9 mit einem Anschlußelement 10 verbunden. In diesem sind Kanäle 11 und 12 für die Zuführung von einem Schließdruck S und einem Steuerdruck Z in das Segment 8 vorgesehen, in dem die Kanäle weitergeführt sind.The holder 1 is connected to a segment 8 via a threaded sleeve 9 with a connecting element 10. In this channel 11 and 12 are provided for the supply of a closing pressure S and a control pressure Z in the segment 8, in which the channels are continued.

Das Einspritzventil 3 weist eine Doppelkolbeneinrichtung D auf, die koaxial zur Düsennadel 5 angeordnet ist und einerseits über den Kanal 11 mit einem Schließdruck S und andererseits über den Kanal 12 mit einem Steuerdruck Z beaufschlagbar ist.The injection valve 3 has a double-piston device D, which is arranged coaxially to the nozzle needle 5 and can be acted upon by a closing pressure S via the channel 11 and a control pressure Z via the channel 12.

Die Einrichtung D umfaßt einen im Durchmesser größeren ersten Kolben 30 und einen im Durchmesser kleineren Kolben 31, der sich an der Düsennadel 5 anliegt.The device D comprises a first piston 30 with a larger diameter and a piston 31 with a smaller diameter, which rests on the nozzle needle 5.

In dem Raum R zwischen den beiden Kolben 30 und 31 tritt der Kanal 12 für den Steuerdruck Z ein, wobei der Kanal 11 endseitig des größeren Kolbens 30 in einen Raum 13 einmündet. Weitere Kanäle 14 dienen zur Brenngaszuführung in das Ventil 3, welche in einen Ringraum 16 unterhalb der Düsennadel 5 eintreten.In the space R between the two pistons 30 and 31, the channel 12 enters the control pressure Z, the channel 11 opening into a space 13 at the end of the larger piston 30. Further channels 14 are used for supplying fuel gas to the valve 3, which enter an annular space 16 below the nozzle needle 5.

Das weitere Ventil 2 zur Kraftstoff- bzw. Zündölzuführung im Halter 1 umfaßt die Düsennadel 4, deren Kopf 17 in einen Raum 18 eintaucht, der mit einem Kanal 19 verbunden ist, über den die Düsennadel 4 mit einem Schließdruck S aus dem Kanal 11 beaufschlagbar ist. Zur Verbindung dieser beiden Kanäle 11 und 19 ist in der Trennebene zwischen dem Anschlußelement 10 und dem Segment 8 ein Querkanal 20 z.B. eine Fräsung vorgesehen. Die Zuführung des Brennkraftstoffes bzw. Zündöls zum Ventil 2 erfolgt in einem Ringraum 21 über einen weiteren Kanal 23.The further valve 2 for supplying fuel or pilot oil in the holder 1 comprises the nozzle needle 4, the head 17 of which dips into a space 18 which is connected to a channel 19, via which the nozzle needle 4 can be acted upon by a closing pressure S from the channel 11 . To connect these two channels 11 and 19, a transverse channel 20 is e.g. in the parting plane between the connecting element 10 and the segment 8. a milling is provided. The fuel or ignition oil is supplied to valve 2 in an annular space 21 via a further channel 23.

Im Halter 1 sind zwei Düsennadeln 4 und 5 dargestellt. Durch die zwei Gaskanäle 14 strömt das, unter hohem Druck vorgespannte Brenngas in den Ringraum 16 der Düse 5 samt Düsennadel und wirkt dort auf die Schulter 5a der Düsennadel 5 mit dem Ziel, diese hochzuheben. Im Zwischensegment 8 wirkt der kleine Kolben 31, gepreßt vom größeren Kolben 30, unter dem über den Kanal 11 zugeführten Schließdruck S dem Abgasdruck G entgegengesetzt auf die Nadel 5.In the holder 1, two nozzle needles 4 and 5 are shown. The fuel gas, which is prestressed under high pressure, flows through the two gas channels 14 into the annular space 16 of the nozzle 5 together with the nozzle needle and acts there on the shoulder 5a of the nozzle needle 5 with the aim of lifting it up. In the intermediate segment 8, the small piston 31, pressed by the larger piston 30, acts opposite the exhaust gas pressure G against the needle 5 under the closing pressure S supplied via the channel 11.

Wird nun von einer Steuerpumpe P aus eine Menge von Steueröl über den Kanal 12 und den anschließenden Kanal 12a dem Doppelkolbenzwischenraum R zugeführt, so wird beim Ansteigen des dortigen Druckes sich der größere Kolben 30 vom kleineren Kolben 31 wegbewegen, so daß auf die Düsennadel 5 nur noch eine relativ kleine Kraft wirkt, die aus dem Steueröldruck und der Stirnfläche des kleinen Kolbens 31 entsteht. Es kann dann der anstehende Gasdruck G über die vorgenannte Schulter 5a die Nadel 5 hochheben. Wenn die Steuerpumpe P dann Förderende hat, wird der große Kolben 30 sofort wieder durch den Schließdruck aus der Leitung 11 nach unten gedrückt und die Nadel 5 schließt sich, womit die Gaszufuhr aus der Leitung 14 gestoppt wird.If a quantity of control oil is now supplied from a control pump P to the double-piston space R via the channel 12 and the subsequent channel 12a, the larger piston 30 will move away from the smaller piston 31 when the pressure there increases, so that only the needle 5 still acts a relatively small force, which arises from the control oil pressure and the end face of the small piston 31. The gas pressure G present can then lift the needle 5 over the aforementioned shoulder 5a. When the control pump P then has the end of delivery, the large piston 30 is immediately pressed down again by the closing pressure from the line 11 and the needle 5 closes, thus stopping the gas supply from the line 14.

Der Raum 18 über der Düsennadel 4 ist mit dem Schließdruckkanal 11 z.B. durch den Querkanal 20 mit dem Kanal 19 verbunden, so daß die Nadel 4 gegenüber dem Gasdruck des Zylinders, dicht auf ihrem Sitz 32 gehalten wird. Wird nun die Zündölmenge oder auch die normale Dieselmenge durch den Kanal 23 unter die Schulter 4a der Düsennadel 4 gepumpt, so wird der dort ansteigende Druck die Düsennadel nach oben bewegen und der Zündöleinspritzvorgang oder der Dieselkraftstoffeinspritzvorgang erfolgt.The space 18 above the nozzle needle 4 is connected to the closing pressure channel 11 e.g. through the transverse channel 20 connected to the channel 19 so that the needle 4 is held tightly against its seat 32 against the gas pressure of the cylinder. If the quantity of ignition oil or also the normal quantity of diesel is pumped through the channel 23 under the shoulder 4a of the nozzle needle 4, the pressure rising there will move the nozzle needle upwards and the ignition oil injection process or the diesel fuel injection process takes place.

Wie die Figuren 4 und 5 näher zeigen, weisen die Zündöldüsen 34 sowie die Gasdüse 35 definiert gerichtete Spritzlöcher 36 und 37 auf, die jeweils weitgehend gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Die aus den Spritzlöchern 36 austretenden Gasstrahlen 38 sowie die aus den Spritzlöchern 37 austretenden Kraftstoffstrahlen 39 treffen deshalb in einer gemeinsamen Ebene E auf einer Kreislinie K in einem Bereich bzw. in einem Punkt zusammen. Der Kreismittelpunkt M liegt zwischen den beiden Düsennadeln 4 und 5, so daß die Strahlen sich in einem etwa gleichen Abstand von diesem Mittelpunkt M treffen.As FIGS. 4 and 5 show in more detail, the ignition oil nozzles 34 and the gas nozzle 35 have spray holes 36 and 37 which are directed in a defined manner and are each arranged largely uniformly distributed. The gas jets 38 emerging from the spray holes 36 and the fuel jets 39 emerging from the spray holes 37 therefore meet in a common plane E on a circular line K in an area or at a point. The center of the circle M lies between the two nozzle needles 4 and 5, so that the jets meet at approximately the same distance from this center M.

Claims

Injection device for combustion engines, particularly diesel engines with injection valves (2, 3) for fuel or ignition oil and highly compressed fuel gas, characterised in that a first nozzle needle (4) of a first injection valve (2) and a second nozzle needle (5) of a second injection valve (3) can be acted on by a common hydraulic closing pressure (S) which on the one hand acts by way of a double-piston arrangement (D) with a first piston (30) and a second piston (31) on the second nozzle needle (5) in one injection nozzle (35) for fuel gas and on the other hand acts directly on the first nozzle needle (4) in the further injection nozzle (34) for fuel or ignition oil, and that the two pistons (30, 31) of the double-piston arrangement (D) are subjected to a defined control pressure (Z) which is superimposed on the closing pressure (S) and on the fuel gas pressure (G) during the injection operation, and that an open and closed position of the second nozzle needle (5) can be induced by way of the control pressure (Z), wherein for opening against the closing pressure (S) the first nozzle needle (4) can be acted upon by fuel or ignition oil delivered by way of a channel (23).
Injection device according to Claim 1, characterised in that the double-piston arrangement (D) has a first piston (30) which is larger in diameter and co-operates with a second piston (31) which is smaller in diameter in such a way that the first piston (30) is movable in opposition to the closing pressure (S) and adjoins the second nozzle needle (5) and when acted upon by fuel gas it is displaceable against the control pressure (Z) in order to achieve an open position of the second nozzle needle (5).
Injection device according to Claim 2, characterised in that a first supply channel (11) which guides the closing pressure (S) to the first piston (30) of the double-piston arrangement (D) of the second injection valve (3) is connected by way of a transverse channel (20) to a further channel (19) which leads to the first injection valve (2).
Injection device according to one of Claims 1 to 3, characterised in that two nozzle needles (4, 5) are disposed adjacent to one another as the first and the second nozzle needles (4, 5) in a nozzle holder (1), the second nozzle needle (5) being designed for supplying gas and the first nozzle needle (4) for supplying fuel or ignition oil.
Injection device according to Claim 4, characterised in that the nozzle holder (1) and a segment (8) having the double-piston arrangement (D) as well as a second supply channel (12) and the further channel (19) for the closing and control pressure are held together by way of a threaded sleeve (9) which engages behind a flange of the nozzle holder (1) and is connected to a connecting element (10) which has the supply channels (11, 12) for the closing and control pressure.
Injection device according to one of Claims 1 to 5, characterised in that a plurality of first nozzle needles (4) for the fuel are disposed concentrically about the second nozzle needle (5).
Injection device according to one of Claims 1 to 6, characterised in that a plurality of injection orifices (36, 37) are disposed in regular distribution in each of the two injection nozzles (35, 34) and the emerging jets (38, 39) from one injection nozzle (35) and from the further injection nozzle (34) meet in a common plane (E) and on the same circular line (K), the centre point (M) of the circle being between the two injection nozzles (34, 35).
Injection device according to one of Claims 1 to 7, characterised in that a space between the rear end of the second nozzle needle (5) and the second piston (31) of the double-piston arrangement (D) is connected to a leakage bore (33).