EP1395745A1 - Kraftstoffinjektor mit düsennadeldämpfung - Google Patents

Kraftstoffinjektor mit düsennadeldämpfung

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EP1395745A1
EP1395745A1 EP02745091A EP02745091A EP1395745A1 EP 1395745 A1 EP1395745 A1 EP 1395745A1 EP 02745091 A EP02745091 A EP 02745091A EP 02745091 A EP02745091 A EP 02745091A EP 1395745 A1 EP1395745 A1 EP 1395745A1
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EP
European Patent Office
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nozzle needle
injector
nozzle
injector according
control
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EP02745091A
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EP1395745B1 (de
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Hubert Greif
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Publication of EP1395745B1 publication Critical patent/EP1395745B1/de
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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
    • F02M47/00—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M47/02—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure of accumulator-injector type, i.e. having fuel pressure of accumulator tending to open, and fuel pressure in other chamber tending to close, injection valves and having means for periodically releasing that closing pressure
    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
    • 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
    • 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
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/04—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00 having valves, e.g. having a plurality of valves in series
    • F02M61/042—The valves being provided with fuel passages

Definitions

  • high-pressure injection systems which comprise a high-pressure accumulation chamber (common rail), via which the individual injectors are supplied with fuel for injecting fuel into the combustion chambers of the internal combustion engine.
  • the start of injection and the injection quantity are set with the electrically controllable fuel injector.
  • the injectors can be fastened in the cylinder head part of the internal combustion engine with the aid of clamping claws and can be equipped with either seat hole or blind hole injection nozzles. With the fuel injectors, the course of the injection can be shaped and adapted to the course of the combustion in the combustion chamber.
  • the accuracy of the injection duration and the amount of fuel injected into the combustion chamber is, among other things, determined by the nozzle needle opening or closing speed.
  • the fuel injectors still have to inject at relatively low pressures of approx. 250 bar, compared to the system pressure of approx. 1300 bar, on the other hand, with the fuel injectors, the smallest pilot injection quantities of approx. 0.5 to 1.0 mm / stroke at the highest pressures of approx. 1600 bar can be displayed.
  • These requirements for the fuel injectors represent the conditions under which the nozzle needle opens and closes the injection opening on the combustion chamber. So far, the opening characteristics of the nozzle needle of the fuel injector and the nozzle needle speed have been set by an appropriate design of inlet and outlet throttles.
  • the outlet throttle In order to achieve the lowest opening pressures, the outlet throttle should be selected as large as possible, while the outlet throttle should be designed as small as possible to achieve the smallest pre-injection quantities at the highest pressures.
  • the aim of every injector design is therefore that the two requirements described can be taken into account.
  • a fuel injection valve is known from DE 199 30 832 AI. This is used in particular in diesel engines for the injection of fuel, in particular diesel fuel, the diesel fuel reaching the fuel injection valve through a fuel inlet.
  • This comprises a valve member which is axially displaceable in a guide bore of a valve body against the force of a closing spring and which opens at least one spray hole in the valve body during the opening stroke, through which the fuel can be injected into the combustion chamber.
  • a damping volume counteracting the damping stroke of the valve member is connected to the fuel supply via a throttle.
  • the solution proposed according to the invention enables nozzle needle damping, which is only effective when the nozzle needle is opened at the nozzle seat and which essentially permits two opening speeds of the nozzle.
  • the solution proposed according to the invention ensures that the nozzle initially opens at a high opening speed within a forward stroke, the stroke distance covered within the preliminary stroke being presettable.
  • the covering of a control edge of the nozzle needle or of the nozzle needle head creates a leakage gap with a housing part surrounding the nozzle needle, so that the damping volume absorbed in a spring chamber within the injector body has a damping effect on the opening speed of the nozzle needle and the latter Damping opening speed within a partial stroke of the total stroke, ie reduced.
  • the opening characteristic which is essentially characterized by two different opening speeds of the nozzle needle in the housing of the fuel injector, the closing behavior of the nozzle needle is not affected. Because of the reduced speed, the integral under the nozzle needle curve with a constant length of the control signal is significantly lower than without nozzle needle damping.
  • the damping of the nozzle needle proposed according to the invention permits an insensitive design of the outlet or inlet throttles from or to the control chamber of the nozzle needle in the housing of the fuel injector.
  • the discharge throttle can be designed much larger than before.
  • the main parameters for the pre-injection quantity are the pre-stroke and leakage gap sizes.
  • a larger discharge throttle enables uncritical opening behavior at a low pressure level in the high-pressure accumulation chamber (common rail). This in turn leads to small copy controls in the series production of high-pressure injection systems.
  • FIG. 1 shows the hydraulic circuit diagram of an injector designed according to the invention for injecting fuel
  • FIG. 2 shows an injector in longitudinal section
  • FIG. 2.1 an injector needle bearing on the injector side
  • FIG. 2.2 shows an illustration of a detail according to FIG. 2.1 on an enlarged scale
  • FIG. 2.3 the leakage gap which arises at the upper needle needle bearing
  • FIG. 3 shows a further embodiment variant of an injector needle bearing on the injector side
  • Figure 3.1 the emerging leakage gap and Figure 4 shows the course of the nozzle needle opening speed with and without damping a control cycle.
  • FIG 1 shows the hydraulic circuit diagram of an injector designed according to the invention for injecting fuel into the combustion chambers of an internal combustion engine.
  • a high-pressure line extends in the direction of an injection nozzle 2 of the injector for injecting fuel into the combustion chambers of a combustion engine. Branching off from the high-pressure line extending between the high-pressure collection chamber 1 and the injection nozzle 2, an inlet throttle 3 is provided, via which a control chamber 4 is subjected to fuel under high pressure.
  • the control chamber 4 is delimited on the one hand by a boundary wall 5 of the injector housing (not shown here); on the other hand, the control chamber 4 which can be subjected to high pressure fuel is actuated by a nozzle needle 6, i.e. the front cone 7 limited.
  • a pressure relief of the control chamber 4 takes place via a control edge 8 schematically indicated here and a resulting leakage oil gap which assumes a variable size and an outlet throttle 9 which is arranged downstream of the control edge 8 with a resulting leakage oil gap in the injector housing.
  • the control chamber 4, which is under high pressure fuel, is activated, for example, by a solenoid valve 10, which can assume a closed position 10.1 and an open position 10.2. If the solenoid valve is switched to its open position 10.2, the control chamber 4, which is pressurized with high pressure fuel, is connected to a leakage oil drain 11, so that the control volume can flow to the fuel reservoir of the fuel injection system.
  • a piezo actuator or a magnetic-hydraulic actuator can also be used to relieve the pressure in the control chamber.
  • an injector consisting of several components for injecting fuel into the combustion chambers of an internal combustion engine is shown in longitudinal section.
  • An inlet bore 21 extends through an injector body 20 and, in the area of the nozzle needle 6 of the injector, extends into a nozzle hole 6 in the area of a pressure stage u.
  • the nozzle chamber 25 opens.
  • the nozzle needle 6 extends from the nozzle chamber 25 to the nozzle needle tip 26 which, depending on the vertical stroke movement of the nozzle needle 6 in the injector housing 20, opens or closes an injection opening 27 in the region of an injection cone. Via the injection opening 27 of the injection nozzle 2, a fuel volume determined by the opening or closing movement of the nozzle needle 6 enters the combustion chamber of an internal combustion engine in accordance with the progress of the combustion.
  • a nozzle needle pin 24 is formed on the nozzle needle 6, which is surrounded by a spring element. Below the nozzle needle pin 24 of the nozzle needle 6, a bore extends through part of the injector housing, which receives the outlet throttle 9 and opens into the leakage oil outlet " ßq 1.
  • the area of the nozzle needle head of the injector as shown in FIG. 2 is shown in greater detail from the illustration in FIG. 2.
  • FIG. 2.1 which shows the detail Z according to FIG. 2, shows that the injector body 20 is constructed in several parts and is penetrated by a high-pressure bore 21 in the direction of the nozzle chamber 25, which is not shown in FIG. 2.1.
  • the pressure chamber 4 in the interior of the injector body 20 is connected to the control chamber 4 via the high-pressure bore 21.
  • a closing spring element 45 is accommodated in the interior of the control chamber 4, which can be configured, for example, as a spiral spring.
  • the closing element 45 is supported on the one hand on a nozzle needle head 34 of the nozzle needle 6 and on the other hand on a shim 23 accommodated in the control chamber 4.
  • the closing element 45 which is preferably designed as a spiral spring, is penetrated by the nozzle needle pin 24 of the nozzle needle 6; the total stroke distance that the nozzle needle 6 executes when the pressure in the control chamber 4 is relieved of the pressure is designated by reference numeral 29.
  • the closing element 45 received in the control chamber 4 of the injector body 20 is supported on the head region 34 of the nozzle needle 6.
  • the head region 34 of the nozzle needle 6 in the embodiment variant as shown in FIG. 2.1 is formed into a nozzle needle head diameter 36 which exceeds the diameter of the nozzle needle 6.
  • Open areas 35 are formed on the circumference of the nozzle needle head 34 and are delimited by a control edge 28 extending in the axial direction towards the nozzle needle tip 26.
  • a plurality of free areas 35 can be formed on the circumference of the nozzle needle head 34, for example three free areas 35 which are formed offset from one another by 120 ° on the circumference of the nozzle needle head 34.
  • the nozzle needle 6 is set so that the respective control edges 28 of the free surfaces 35 above a control edge on the housing side in the injection door housing 20 stand. This position corresponds to the closed position of the nozzle needle 6, the nozzle needle tip 26 is placed in the nozzle seat, so that the nozzle needle can still travel 29 the entire stroke.
  • Figure 2.2 shows an illustration of a detail according to Figure 2.1 on an enlarged scale.
  • the nozzle needle 6 At the first moment the nozzle needle 6 is opened, the nozzle needle and the nozzle needle head 34 attached to it perform a lifting movement in the direction of the compensating disk 23 provided in the control chamber 4 until the control edge 28 covers the edge formed on the housing side in the injector housing 20.
  • the leakage gap between the nozzle needle 6 and the injector body 20 is therefore not in use and the nozzle needle 6 can open unhindered. Only after the forward stroke 31 has been completed does the control edge 28 project above the shoulder provided on the injector body 20.
  • the representation according to FIG. 2.3 shows the leakage gap which forms when the nozzle needle is moved further.
  • the nozzle needle 6 with the nozzle needle head 34 formed in the nozzle needle head diameter 36 has moved into an upper stop 32.
  • the energy accumulator 45 which acts on the end face of the nozzle needle head 34, is compressed in accordance with the overall stroke 29 - see illustration in FIG. 2.1.
  • the control edge 28 delimiting the free area 35 on the nozzle needle head 34 has covered the corresponding control edge formed on the injector body 20 in a length determining the length of a leakage gap 33.
  • the speed of the nozzle needle 6 in the opening direction is now braked considerably by the volume present in the control chamber 4, as a result of which the nozzle needle 6 is subjected to a reduced speed as it moves upward until it has reached the upper stop.
  • the integral under the nozzle needle curve is substantially lower than with no nozzle damping given a constant length of the control signal. This means that significantly lower injection quantities can be produced without disregarding the basic design parameters such as minimum opening pressure and the smallest pre-injection quantities.
  • a different number of free areas 35 can be formed on the nozzle needle 6 in the region of the nozzle needle head 34, terminated by a control edge 28.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the nozzle needle damping provided on the injector side.
  • the head region of the nozzle needle 6, as shown in FIG. 3, is designed as a head region 38 which is formed in the diameter 37 corresponding to the nozzle needle 6.
  • the integrated nozzle needle head 38 of the nozzle needle 6 according to the illustration in FIG. 3 forms a contact surface for a closing element 45, which is preferably designed as a spiral spring, while the opposite end face of the closing element 45 bears against a compensating disk 23 let into the control chamber 4 of the injector body 20.
  • the control chamber 4, in which the closing element 45 is accommodated is to be pressurized by an inlet throttle 3 via the inlet bore 21, which passes through the injector body 20 essentially parallel to the nozzle needle 6.
  • inflow surfaces 39 are formed on the embodiment variant of the nozzle needle 6 according to the illustration in FIG. 3 on the integrated head region 38 of the nozzle needle.
  • the inflow surfaces 39 can be provided, for example, offset by 180 ° on the circumference of the integrated head region 38 of the nozzle needle 6.
  • free areas 35 are accommodated on the circumference of the nozzle needle, each of which is delimited by a control edge 28.
  • three free surfaces 35 can be accommodated on the nozzle needle 6, offset by 120 ° relative to one another, which are each delimited by a control edge 28 on the nozzle needle 6.
  • the closing element 45 - preferably configured as a spiral spring - is supported on the outside by the boundary wall of the control chamber 4 and by a nozzle needle pin 24 provided on the nozzle needle 6, so that no kinking can occur.
  • Figure 3.1 shows the formation of a leakage gap 33 during the ascending movement of the nozzle needle 6 in a pressure-relieved control room.
  • the nozzle needle 6 is first opened in the direction of the control chamber 4.
  • the free surfaces 35 and the control edges 28 delimiting them move in the direction of a control edge provided on the housing side in the injector body 20.
  • the control edge 28 and the control edge provided on the housing side in the injector body 20 do not lie one above the other, an unimpeded outflow of the fuel via the inflow surface 39 and the free surfaces 35 via the annular outlet channel 40 in the direction of the outlet throttle 9 and further into the leakage oil outlet 11 (not shown here).
  • the opening of the nozzle needle 6 takes place at a first undamped opening speed. If the control needle 28 covers the control edge 28 provided on the injector body 20 when the nozzle needle 6 moves further into the control chamber 4, the opening speed of the nozzle needle 6 is considerably slowed down by the control volume locked in the control chamber 4, so that the nozzle needle 6 moves further according to its total stroke 29 moved at a reduced speed to its upper stop.
  • the flow restrictor 9 can, according to the proposed invention, be designed to be substantially larger than previously, since the pre-injection quantities which can be represented with the injector configured according to the invention are set primarily by means of the sizes 2 to 31 and the leakage gap 33.
  • a larger dimensioned flow restrictor 9 enables a less critical opening behavior at low pressures in the high-pressure collecting chamber 1; in particular, this enables a smaller number of copies to be scattered in large series.
  • the stroke profile 41 of the nozzle needle 6 is designated by reference number 41, while the entire duration of a control cycle is identified by reference number 42. If the nozzle needle 6 opens in the direction of the compensating disk 3 accommodated in the control chamber 4 against the action of the closing spring element 45 and moves it open in accordance with the preliminary stroke path 31, a higher nozzle needle opening speed can be achieved. If, contrary to the damping effect of the control volume received in the control chamber 4, braking, ie damping of the nozzle needle opening movement from its nozzle seat in the region of the nozzle needle tip 26 on the nozzle clamping nut 22, the nozzle needle 6 opens in accordance with the course of the curve 44.
  • a nozzle needle opening characteristic is without damping by the Course of the curve 43 reproduced.
  • the longer stroke distance that a nozzle needle would take without damping through a locked control volume can be clearly seen.
  • a nozzle needle movement damping according to the curve 44 proposed according to the invention significantly smaller injection quantities can be realized, so that both the requirement of the smallest pre-injection quantities of approximately 0.5 to 1.0 mm 3 / stroke of the nozzle needle at the highest pressures of approximately 1600 bar as even injections at the lowest pressures of approx. 250 bar can be taken into account.
  • the closing behavior can be completely decoupled from this design characteristic, so that, with regard to the opening of the nozzle needle 6, the smallest opening pressures are reached and also at the highest pressures, the steepness of quantity of the fuel quantity to be injected into the combustion chamber of a combustion engine can be considerably reduced and, in particular, small pilot injection quantities can be realized in an advantageous manner.

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Abstract

Die Erfindung bezeieht sich auf einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennräume einer Verbrennungskraftmaschine. Es ist ein Injektorkörper (20) mit einem Steuerraum (4) vorgesehen, in welchem ein Federelement (45) aufgenommen ist. Eine Düsennadel (6) ist von einem Düsenraum (25) umschlossen, der über eine Hochdruckleitung (21) mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagt ist. Im Kopfbereich (34, 38) der Düsennadel (6) sind Steuerkanten (28) ausgebildet, die bei Hubbewegung (29, 31) der Düsennadel (6) in den Steuerraum (4) einen Leckagespalt (33) bestimmen.

Description

Kraftstoffinjektor mit Düsennadeldämpfung
Technisches Gebiet
Bei luftverdichtenden Verbrennungskraftmaschinen kommen zunehmend Hochdruckeinspritzsysteme zum Einsatz, die einen Hochdrucksammeiraum (Common Rail) umfassen, über den die einzelnen Injektoren zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennräume der Verbrennungslσaftmaschine mit Kraftstoff versorgt werden. Einspritzbeginn und Einspritzmenge werden mit dem elektrisch ansteuerbaren Kraftstoffinjektor eingestellt. Die Injektoren lassen sich mit Hilfe von Spannpratzen im Zylinderkopfteil der Verbrennungskraftmaschine befestigen und können entweder mit Sitzloch-, oder Sacklocheinspritzdüsen ausgestattet sein. Mit den Kraftstoffinjektoren läßt sich der Einspritzverlauf formen und an den Verlauf der Verbrennung im Brennraum anpassen.
Stand der Technik
Die Anforderungen an die Schadstoffemissionen von Verbrennungslcraftmaschinen werden stetig verschärft; die anstehende Novellierung der Abgasgesetzgebung ist in Gestalt der Abgasnorm EURO 4 zu erwarten. Dadurch werden die Anforderungen an moderne Verbrennungskraftmaschinen ständig erhöht, so daß deren Kraftstoffeinspritzsysteme höchst flexibel auszulegen sind.
Die Genauigkeit der Einspritzdauer und der in den Brennraum eingespritzten Kraftstoffmenge wird u.a. durch die Düse nadelöffhungs- bzw. Schließgeschwindigkeit bestimmt. Einerseits müssen die Kraftstoffinjektoren noch bei relativ niedrigen Drücken von ca. 250 bar, im Vergleich zum Systemdruck von etwa 1300 bar, einspritzen, andererseits sollen mit den Kraftstoffinjektoren kleinste Voreinspritzmengen von ca. 0,5 bis 1,0 mm /Hub bei höchsten Drücken von ca. 1600 bar darstellbar sein. Diese Anforderungen an die Kraftstoffinjektoren stellen die Bedingungen dar, unter denen die Düsennadel die Einspritzöffnung am Brennraum öffnet und verschließt. Bisher wird die Öffhungscharalcteristik der Dusennadel des Kraftstoffinjektors und die Düsennadelgeschwindigkeit durch eine entsprechende Auslegung von Zulauf- und Ablaufdrosseln eingestellt.
Um den geschilderten Einspritzbedingungen hinsichtlich der Drosselauslegung Rechnung zutragen, ergibt sich folgende Auslegungsproblematik: Um geringste Öffnungsdrücke zu erreichen, ist die Ablaufdrossel möglichst groß zu wählen, während die Ablaufdrossel zur Erzielung kleinster Voreinspritzmengen bei höchsten Drücken möglichst klein auszulegen ist. Ziel jeder Injektor auslegung ist es daher, daß den beiden geschilderten Anforderungen Rechnung getragen werden kann.
Aus DE 199 30 832 AI ist ein Kraftstoffeinspritzventil bekannt. Dieses wird insbesondere bei Dieselmotoren zur Einspritzung von Kraftstoff, insbesondere Dieselkraftstoff eingesetzt, wobei der Dieselkraftstoff durch einen Kraftstoffzulauf in das Kraftstoffeinspritz- ventil gelangt. Dieses umfaßt ein in einer Führungsbohrung eines Ventilkörpers entgegen der Kraft einer Schließfeder axial verschiebbares Ventilglied, das beim Öffnungshub mindestens ein Spritzloch in den Ventilkörper freigibt, durch das der Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt werden kann. Um ein Kraftstoffeinspritzventil bereitzustellen, das die gleichen Vorteile wie ein 2-Feder-Halter liefert, welches trotzdem einfach und kostengün- stig hergestellt werden kann, steht ein dem Dämpfungshub des Ventilgliedes entgegenwirkendes Dämpfungsvolumen über eine Drossel mit dem Kraftstoffzulauf in Verbindung.
Darstellung der Erfindung
Die Vorteile der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung sind vor allem darin zu erblik- ken, daß die erfmdungsgemäß vorgeschlagene Lösung eine Düsennadeldämpfung ermöglicht, die nur beim Öffnen der Düsennadel am Düsensitz wirksam ist und die im wesentlichen zwei Öffnungsgeschwindigkeiten der Düse zuläßt. Mit der erfmdungsgemäß vorge- schlagenen Lösung wird sichergestellt, daß die Düse zunächst mit hoher Öffnungsge- schwindigkeit innerhalb eines Vorhubes öffnet, wobei der Hubweg, der innerhalb des Vorhubes zurückgelegt wird, voreinstellbar ist.
Beim weiteren Öffnen der Einspritzdüse aus ihrem Sitz entsteht durch die Überdeckung einer Steuerkante der Düsennadel oder des Düsennadelkopfes ein mit einem die Dusennadel umgebenden Gehäuseteil ein Leckagespalt, so daß in einem Federraum innerhalb des Injektorkörpers aufgenommenes Dämpfungsvolumen dämpfend auf die Öffnungsge- schwindigkeit der Düsennadel einwirkt und deren Öffnungsgeschwindigkeit innerhalb eines Teilhubes des Gesamthubes dämpft, d.h. verringert. Von dieser Öffnungscharakteristik, die im wesentlichen durch zwei voneinander verschiedene Öffhungsgeschwindigkeiten der Düsennadel im Gehäuse des Kraftstoffinjektors geprägt ist, wird das Schließ verhalten der Düsennadel jedoch nicht beeinflußt. Wegen der reduzierten Geschwindigkeit ist das Integral unter der Düsennadelkurve bei konstanter Länge des Ansteuersignais wesentlich geringer als ohne Düsennadeldämpfung. Es können somit deutlich geringere Einspritzmengen dargestellt werden, ohne die prinzipiellen Auslegungsgrößen wie minimaler Öffnuiigsdruck und kleinste Voreinspritzmengen zu verletzten. Daraus ergibt sich, daß sowohl kleinste Öffnungsdrücke zu erreichen und außerdem bei hohen Drücken die Mengensteilheit erheblich verringert werden kann, so daß kleinste Voreinspritzmengen in die Brennräume einer Verbrennungsl raftmaschine eingespritzt werden können.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Dämpfung der Düsennadel erlaubt eine unempfindliche Auslegung der Ablauf- bzw. der Zulaufdrosseln vom bzw. zum Steuerraum der Dusennadel im Gehäuse des Kraftstoffinjektors. Die Ablaufdrossel kann im Vergleich zu be- kannten Auslegungsvarianten wesentlich größer als bisher ausgelegt werden. Bestimmende Parameter für die Voreinspritzmenge sind vor allem die Größen Vorhub und Leckagespalt. Durch eine größer dimensionierte Ablaufdrossel ist ein unkritisches Öffnungsverhalten bei kleinem Druckniveau im Hochdrucksammeiraum (Common Rail) möglich. Dies wiederum führt zu kleinen Exemplarsteuerungen bei der Serienproduktion von Hochdruckeinspritzsy- stemen.
Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend detaillierter erläutert.
Es zeigt:
Figur 1 das hydraulische Schaltbild eines erfindungsgemäß gestalteten Injektors zum Einspritzen von Kraftstoff,
Figur 2 einen Injektor im Längsschnitt,
Figur 2.1 eine inj ektorseitige Düsennadellagerung,
Figur 2.2 eine Darstellung eines Details gemäß Figur 2.1 in vergrößertem Maßstab,
Figur 2.3 den sich einstellenden Leckagespalt am oberen Düsennadellager,
Figur 3 eine weitere Ausführungsvariante einer injektorseitigen Düsennadellagerung,
Figur 3.1 den sich einstellenden Leckagespalt und Figur 4 den Verlauf der Düsennadelöffnungsgeschwindigkeit mit und ohne Dämpfung eines Ansteuerzyklus.
Ausführungsvarianten
Der Darstellung gemäß Figur 1 ist das hydraulische Schaltbild eines erfindungsgemäß gestalteten Injektors zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennräume einer Verbrennungskraftmaschine zu entnehmen.
Ausgehend von einem hier nich* näher dargestellten Hochdrucksammeiraum (Common Rail) 1 erstreckt sich eine Hochdruckleitung in Richtung einer Einspritzdüse 2 des Injektors zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brenmäume einer Verbrennungsl raftmaschine. Abzweigend von der sich zwischen Hochdrucksammeiraum 1 und der Einspritzdüse 2 er- streckenden Hochdruckleitung ist eine Zulaufdrossel 3 vorgesehen, über welche ein Steuerraum 4 mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagt wird. Der Steuerraum 4 wird einerseits von einer Begrenzungswandung 5 des hier nicht dargestellten Iηjektorge- häuses begrenzt; andererseits wird der mit hohem Druck stehende Kraftstoff beaufschlagbare Steuerraum 4 von einer Düsennadel 6, d.h. deren Stirnkegel 7 begrenzt. Eine Druck- entlastung des Steuerraumes 4 erfolgt über eine hier schematisch angedeutete Steuerkante 8 und einem sich ergebenden, eine variable Größe annehmenden Leckölspalt und eine Ablaufdrossel 9, die der Steuerkante 8 mit sich ergebendem Leckölspalt im Injektorgehäuse nachgeordnet ist. Die Aufsteuerung des mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagten Steuerraums 4 erfolgt zum Beispiel über ein Magnetventil 10, welches eine Schließstellung 10.1 und eine Offenstellung 10.2 annehmen kann. Über das Magnetventil wird, falls dieses in seine Offenstellung 10.2 geschaltet ist, der mit unter hohem Druck stehende Kraftstoff beaufschlagte Steuerraum 4 mit einem Leckölablauf 11 verbunden, so daß das Steuervolumen zum Kraftstoffreservoir des Kraftstoffeinspritzsystems abfließen kann.
Neben der in Figur 1 schematisch wiedergegebenen Ausführung mit Magnetventil 10 kann zur Druckentlastung des Steuerraums auch ein Piezoaktor oder ein magnetischhydraulischer Steller eingesetzt werden.
In Figur 2 ist ein aus mehreren Baukomponenten bestehender Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennräume einer Verbrennungskraftmaschine im Längsschnitt dargestellt.
Durch einen Injektorkörper 20 erstreckt sich eine Zulaufbohrung 21, die im Bereich der Düsennadel 6 des Injektors in einen die Düsennadel 6 im Bereich einer Druckstufe u ge- benden Düsenraum 25 mündet. Vom Düsenraum 25 erstreckt sich die Düsennadel 6 zur Düsennadelspitze 26, die je nach vertikaler Hubbewegung der Düsennadel 6 im Injektorgehäuse 20 eine Einspritzöffnung 27 im Bereich eines Einspritzkegels freigibt oder verschließt. Über die Einspritzöffnung 27 der Einspritzdüse 2 gelangt ein durch die Öff- nungs- bzw. Schließbewegung der Düsennadel 6 bestimmtes Kraftstoffvolumen entsprechend des Verbrennungsfortschrittes in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine. Im der Düsennadelspitze 26 abgewandten Bereich der Düsennadel 6 ist ein Düsennadelzap- fen 24 an der Düsennadel 6 ausgebildet, welcher von einem Federelement umgeben ist. Unterhalb des Düsennadelzapfens 24 der Düsennadel 6 erstreckt sich durch einen Teil des Injektorgehäuses eine Bohrung, die die Ablaufdrossel 9 aufnimmt und in den Leckölablauf "ßq 1 mündet.
Aus der Darstellung gemäß Figur 2 geht in vergrößertem Maßstab der Bereich des Düsennadelkopfes des Injektors gemäß der Darstellung in Figur 2 näher hervor.
Die die Einzelheit Z gemäß Figur 2 wiedergebende Figur 2.1 zeigt, daß der Injektorkörper 20 mehrteilig aufgebaut ist und in Richtung auf den in Figur 2.1 nicht dargestellten Düsenraum 25 von einer Hochdruckbohrung 21 durchzogen ist. Über die Hochdruckbohrung 21 steht der Druckraum 4 im Inneren des Injektorkörpers 20 mit dem Steuerraum 4 in Verbin- düng. Im Inneren des Steuerraums 4 ist ein Schließfederelement 45 aufgenommen, welches zum Beispiel als eine Spiralfeder ausgestaltet sein kann. Das Schließelement 45 stützt sich einerseits an einem Düsennadelkopf 34 der Düsennadel 6 und andererseits an einer im Steuerraum 4 aufgenommenen Ausgleichscheibe 23 ab. Das vorzugsweise als Spiralfeder ausgebildete Schließelement 45 ist vom Düsennadelzapfen 24 der Düsennadel 6 durchsetzt; der Gesamthubweg, den die Düsennadel 6 bei entsprechender Druckentlastung des Steuerraums 4 ausfuhrt, ist mit Bezugszeichen 29 bezeichnet.
Das im Steuerraum 4 des Injektorkörpers 20 aufgenommene Schließelement 45 stützt sich am Kopfbereich 34 der Düsennadel 6 ab. Der Kopfbereich 34 der Düsennadel 6 in der Aus- führungs Variante gemäß der Darstellung in Figur 2.1 ist in einen Düsennadelkopfdurch- messer 36 ausgebildet, der den Durchmesser der Düsennadel 6 übersteigt. Am Umfang des Düsennadelkopfes 34 sind Freiflächen 35 ausgebildet, die in axiale Richtung auf die Düsennadelspitze 26 sich hin erstreckend durch eine Steuerkante 28 begrenzt sind. Am Umfang des Düsennadelkopfes 34 können mehrere Freiflächen 35 ausgebildet sein, so zum Beispiel drei Freiflächen 35, die zueinander um 120° versetzt am Umfang des Düsennadelkopfes 34 ausgebildet sind.
In der Darstellung gem > Figur 2.1 ist die Dusennadel 6 so gestellt, daß die jeweiligen Steuerkanten 28 der Freiflächen 35 oberhalb einer gehäuseseitigen Steuerkante im Injek- torgehäuse 20 stehen. Diese Position entspricht der Schließstellung der Düsennadel 6, deren Düsennadelspitze 26 in den Düsensitz gestellt ist, so daß die Düsennadel noch den gesamten Hub weg 29 auffahren kann.
Figur 2.2 gibt eine Darstellung eines Details gemäli Figur 2.1 in vergrößertem Maßstab wieder. Im ersten Augenblick des Öffnens der Düsennadel 6 vollzieht die Düsennadel und der daran aufgenommene Düsennadelkopf 34 eine Hubbewegung in Richtung auf die im Steuerraum 4 vorgesehene Ausgleichsscheibe 23 zu, bis die Steuerkante 28 die gehäuse- seitig im Injektorgehäuse 20 ausgebildete Kante überdeckt. Im ersten Augenblick des Öff- nens der Düsennadel 6 ist daher der Leckagespalt zwischen der Düsennadel 6 und dem Injektorkörper 20 nicht im Einsatz und -die Dusennadel 6 kann ungehindert öffnen. Erst nach Vollendung des Vorhubs 31 steht die Steuerkante 28 über dem gehäuseseitig am Injektorkörper 20 vorgesehenen Absatz. Bis zum Erreichen des Vorhubes 31 kann daher vom Steuerraum 4 entlang der Freiflächen 35 am Düsennadelkopf 34, der im Düsennadelkopf- durchmesser 36 ausgebildet ist, ungehindert Kraftstoff entlang der Steuerkante 28 in die hier nicht näher dargestellte Ablaufdrossel 9 und damit zum Leckölablauf 11 gelangen.
Der Darstellung gemäß Figur 2.3 ist der sich ausbildende Leckagespalt bei weiterer Düsen- nadelhubbewegung dargestellt.
Bei der in Figur 2.3 wiedergegebenen Darstellung hat sich die Düsennadel 6 mit im Dü- sennadelkopfsdurchmesser 36 ausgebildeten Düsennadelkopf 34 in einen oberen Anschlag 32 bewegt. Der die Stirnseite des Düsennadelkopfes 34 beaufschlagende Kraftspeicher 45 ist entsprechend des Gesamthubes 29 - vergleiche Darstellung gemäß Figur 2.1 - zusam- mengedrückt. Die die Freifläche 35 am Düsennadelkopf 34 begrenzende Steuerkante 28 hat die korrespondierende, am Injektorkörper 20 ausgebildete Steuerkante in einer die Länge eines Leckagespaltes 33 bestimmenden Länge überdeckt. Die Geschwindigkeit der Düsennadel 6 in Öffnungsrichtung wird nun erheblich durch das im Steuerraum 4 vorhandene Volumen gebremst, wodurch der Düsennadel 6 bei weiterer Auffahrbewegung eine ver- minderte Geschwindigkeit aufgeprägt wird, bis sie den oberen Anschlag erreicht hat. Aufgrund der im zweiten Hubabschnitt des Gesamthubes 29 sich einstellenden geringeren Düsenöffnungsgeschwindigkeit ist das Integral unter der Düsennadelkurve bei konstanter Länge des Ansteuersignais wesentlich geringer als ohne Düsendämpfung. Damit lassen sich deutlich geringere Einspritzmengen darstellen, ohne die prinzipiellen Auslegungsgrö- ßen wie minimalen Öffnungsdruck und kleinste Voreinspritzmengen zu mißachten.
Je nach Einsatzvariante können an der Düsennadel 6 im Bereich des Düsennadelkopfes 34 eine unterschiedliche Anzahl von Freiflächen 35 mit Abschluß durch eine Steuerkante 28 ausgebildet sein. In den Darstellungen gemäß der Figuren 2.1, 2.2 und 2.3 lassen sich zum Beispiel am Umfang des Düsennadelkopfes 34 der Düsennadel 6 drei um je 120° zueinander versetzte Freiflächen 35 mit Abschluß durch eine Steuerkante 28 ausbilden.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausfülirungs Variante der injektorseitig vorgesehenen Düsenna- deldämpfung.
Aus dieser Darstellung geht hervor, daß der Kopfbereich der Düsennadel 6 gemäß der Darstellung in Figur 3 als ein Kopfbereich 38 ausgebildet ist, welcher im zur Dusennadel 6 korrespondierenden Durchmesser 37 ausgebildet ist. Der integrierte Düsennadelkopf 38 der Düsennadel 6 gemäß der Darstellung in Figur 3 bildet eine Anlagefläche für ein bevorzugt als Spiralfeder gestaltetes Schließelement 45, während die gegenüberliegende Stirnseite des Schließelementes 45 an einer im Steuerraum 4 des Injektorkörpers 20 eingelassene Ausgleichsscheibe 23 anliegt. Analog zur Darstellung gemäß Figur 3 ist der Steuerraum 4, in welchem das Schließelement 45 aufgenommen ist, durch eine Zulaufdrossel 3 über die Zulaufbohrung 21 mit Druck zu beaufschlagen, welche den Injektorkörper 20 im wesentlich parallel zur Düsennadel 6 durchzieht.
Im Unterschied zur Darstellung gemäß Figur 2.1 sind an der Ausfuhrungsvariante der Düsennadel 6 gemäß der Darstellung in Figur 3 am integrierten Kopfbereich 38 der Düsenna- del Zuströmflächen 39 ausgebildet. Die Zuströmflächen 39 können beispielsweise zu 180° versetzt am Umfang des integrierten Kopfbereiches 38 der Düsennadel 6 vorgesehen sein. In Strömungsrichtung des Kraftstoffs vom Steuerraum 4 gesehen, sind hinter dem integrierten Kopfbereich 38 der Düsennadel 6 am Umfang der Düsennadel Freiflächen 35 aufgenommen, die jeweils von einer Steuerkante 28 begrenzt sind. Beispielsweise können in diesem Bereich an der Düsennadel 6 drei um 120° zueinander versetzt am Umfang aufgenommene Freiflächen 35 aufgenommen sein, welche jeweils von einer Steuerkante 28 an der Düsennadel 6 begrenzt sind. Über die Zuströmflächen 39 bzw. die Freiflächen 35 strömt beim Auffahren der Düsennadel 6 in den Steuerraum 4 Kraftstoff über die zur Ablaufdrossel 9 führende Bohrung in den Leckölablauf 11 ab, so daß die Düsennadel 6 über ihren Gesamthub weg 29 in den druckentlasteten Steuerraum 4 einfahren kann.
Analog zur Darstellung gemäß Figur 2.1 ist das Schließelement 45 - bevorzugt ausgestaltet als eine Spiralfeder - von der Begrenzungswand des Steuerraumes 4 außen und von einem an der Düsennadel 6 vorgesehenen Düsennadelzapfen 24 gestützt, so daß kein Knicken auftreten kann.
Figur 3.1 zeigt die Ausbildung eines Leckagespaltes 33 während der Auffahrbewegung der Düsennadel 6 in einen druckentlasteten Steuerraum. Bei einer Druckentlastung des Steuerraumes 4 über die Ablaufdrossel 9 erfolgt zunächst ein Auffahren der Düsennadel 6 in Richtung auf den Steuerraum 4 hinein. Dadurch bewegen sich die Freiflächen 35 und die sie begrenzenden Steuerkanten 28 in Richtung auf eine gehäuseseitig vorgesehene Steuerkante im Injektorkörper 20 zu. Solange die Steuerkante 28 und die gehäuseseitig im Injektorkörper 20 vorgesehene Steuerkante nicht übereinan- derliegen, kann ein ungehindertes Abströmen des Kraftstoffs über die Zuströmfläche 39 und die Freiflächen 35 über den ringförmigen Ablaufkanal 40 in Richtung auf die Ablaufdrossel 9 und weiter von dieser in den Leckölablauf 11 (hier nicht dargestellt) erfolgen. Während dieser einem Vorhub 31 entsprechenden Öffnungsbewegung der Dusennadel 6 aus ihrem Sitz erfolgt das Öffnen der Düsennadel 6 mit einer ersten nicht gedämpften Öffnungsgeschwindigkeit. Bedecken bei weiterscvEinfahrbewegung der Düsennadel 6 in den Steuerraum 4 die Steuerkanten 28 die am Injektorkörper 20 vorgesehene gehäuseseitige Steuerkante, so wird die Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel 6 erheblich durch das im Steuerraum 4 eingesperrte Steuervolumen gebremst, so daß sich die Düsennadel 6 bei weiterer Bewegung entsprechend ihres Gesamthubweges 29 mit verminderter Geschwindigkeit bis in ihren oberen Anschlag bewegt. Je nach Länge des sich einstellenden Leckagespaltes 33 zwischen den Steuerkanten 28 der Freiflächen 35 am Umfang der Düsennadel 6 und der im Injektorgehäuse 20 vorgesehenen gehäuseseitigen Steuerkante, ergibt sich ein in unterschiedlicher Länge ausgebildeter Leckagespalt 33, der den Zulauf zum Ablaufkanal 40 und von dort zur Ablaufdrossel 9 drosselt.
Die Dämpfung der Öffnungsbewegung der Düsennadel 6 dahingehend, daß nur beim Öffnen der Düsennadel eine Dämpfung wirksam ist, so daß sich zwei Öffhungsgeschwindig- keiten entsprechend des Gesamthubweges 29 der Düsen einstellen, erlaubt eine unemp- findlichere Auslegung von Zulaufdrossel 3 zum Steuerraum 4 und von dessen Ablaufdrossel 9. Die Ablaufdrossel 9 kann gemäß der vorgeschlagenen Erfindung wesentlich größer als bisher ausgelegt werden, da die mit dem erfindungsgemäß konfigurierten Injektor darstellbaren Voreinspritzmengen vor allem durch die Größen 2 bis 31 und den Leckagespalt 33 eingestellt werden. Durch eine größere dimensionierte Ablaufdrossel 9 ist ein unkriti- scheres Öffnungsverhalten bei kleinen Drücken im Hochdrucksammeiraum 1 möglich; insbesondere läßt sich dadurch eine kleinere Exemplarstreuung in der Großserie erzielen.
Aus der Darstellung der Figur 4 sind die Verläufe der Düsennadelöff ungsgeschwindigkeit mit und ohne Dämpfung zu ersehen.
Gemäß des Diagramms in Figur 4 ist der Hubverlauf 41 der Düsennadel 6 mit Bezugszeichen 41 bezeichnet, während die gesamte Dauer eines Ansteuerzyklus' mit Bezugszeichen 42 gekennzeichnet ist. Öffnet die Düsennadel 6 in Richtung auf die im Steuerraum 4 aufgenommene Ausgleichsscheibe 3 entgegen der Wirkung des Schließfederelementes 45 und fahrt sie entsprechend des Vorhubweges 31 auf, so läßt sich eine höhere Düsennadelöffnungsgeschwindigkeit erzielen. Erfolgt entgegen der Dämpfungswirkung des im Steuerraum 4 aufgenommenen Steuervolumens eine Bremsung, d.h. eine Dämpfung der Düsennadelöffnungsbewegung aus ihrem Düsensitz im Bereich der Düsennadelspitze 26 an der Düsenspannmutter 22, öffnet die Düsennadel 6 entsprechend des Verlaufs der Kurve 44. Demgegenüber ist eine Düsemiadelöffnungscharakteristik ohne Dämpfung durch den Verlauf des Kurvenzuges 43 wiedergegeben. Deutlich ist der größere Hubweg abzulesen, den eine Düsennadel ohne Dämpfung durch ein eingesperrtes Steuervolumen einnehmen würde. Dadurch stellt sich ein wesentteεh ungünstigeres, da ungenaueres Einspritzvolumen in den Brermraumςginer Verbrennungskraftmaschine ein. Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ausführungsvariante einer Düsennadelbewegungsdämpfung gemäß des Kurvenzuges 44 lassen sich deutlich geringere Einspritzmengen realisieren, so daß sowohl dem Erfordernis kleinster Voreinspritzmengen von ca. 0,5 bis 1,0 mm3/Hub der Düsennadel bei höchsten Drücken von ca. 1600 bar als auch Einspritzungen bei geringsten Drücken von ca. 250 bar Rechnung getragen werden kann.
Das Schließen der Düsennadel 6, sei sie mit in vergrößertem Durchmesser 36 ausgeführten Düsennadelkopf 34 oder mit einem integrierten Kopf 38 mit Zuströmflächen ausgebildet, so ist die Schließbewegung vor allem durch die Größe der Zulaufdrossel 3 zum Steuerraum 4 innerhalb des Injektorkörpers bestimmt und im wesentlichen unabhängig vom Leckagespalt 32 zwischen Düsennadel 6 und Injektorkörper 20. Angesichts der unempfindlicheren Auslegung von Zulaufdrossel 3 zum Steuerraum 4 und der diesem nachgeordneten Ablauf- drossel 9 kann das Schließverhalten von dieser Auslegungscharakteristik völlig entkoppelt werden, so daß hinsichtlich der Öffnung der Dusennadel 6 kleinste Öffhungsdrücke erreicht und außerdem bei höchsten Drücken die Mengensteilheit der in den Brennraum einer Verbrermungskraftmaschine einzuspritzenden Kraftstoffmenge erheblich verringert werden kann und sich insbesondere auf vorteilhafte Weise kleine Voreinspritzmengen realisieren lassen. In bezug auf die Formung des Verbrennungsverlaufes und hinsichtlich des sich einstellenden Zündverzugs bei einem Ausbreiten der Flammenfront innerhalb des Zylinders, sind ldeinste Voreinspritzmengen bei Einspritzphasen je nach Anwendung, sei es in Verbrennungskraftmaschinen zum Einsatz von Nutzfahrzeugen, Schienenfahrzeugen oder Personenkraftwagen von besonderer Bedeutung.

Claims

Patentansprüche
1. Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennräume einer Verbrennungskraft- maschine mit einem Injektorgehäuse (20) und einem Steuerraum (4), in dem ein Federelement (45) aufgenommen ist und eine Düsennadel (6), die von einem über eine Hochdruckleitung beaufschlagten Düsenraum (25) umgeben von einem Spannelement (22) umschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Kopfbereich (34, 38) der Düsennadel Steuerkanten (28) ausgeführt sind, die bei Hubbewegungen (29) der Düsen- nadel (6) in den Steuerraum (4) einen Leckagespalt (33) bestimmen.
2. Injektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerraum (4) über eine Zulaufdrossel (3) mit der Hochdruckleitung (21) verbunden und über eine Ablaufdrossel (9) mit dem Leckölablauf (11) verbunden ist.
3. Injektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsennadel (6) auf der dem Steuerraum (4) zuweisenden Seite mit einem Düsennadelzapfen (24) versehen ist, er von einem Schließelement (45) umschlossen ist.
4. Injektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopfbereich (34) der Düsennadel (6) in einem dem Durchmesser der Düsennadel (6) übersteigenden Durchmesser (36) ausgeführt ist.
5. Injektor gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Umfang des Kopfberei- ches (34) der Düsennadel (6) mindestens zwei Strömungsfreiflächen (35) ausgebildet sind, die von der Steuerkante (28) begrenzt sind.
6. Injektor gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Kopfbereich (34) der Düsennadel (6) drei am Umfang um 120° versetzte Teilflächen (35) ausgebildet sind.
7. Injektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsennadel (6) einen integrierten Kopfbereich (38) umfaßt, in welchen Zuströmungsfreiflächen (39) integriert sind.
8. Injektor gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an der Düsennadel (6) in Strömungsrichtung des Kraftstoffes gesehen den Zuströmfreiflächen (39) nachgeordnet Freiflächen (35) nachgeschaltet sind, die von Steuerkanten (28) begrenzt sind.
9. Injektor gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Freiflächen (35) am Umfang der Düsennadel (6) um 120° zueinander versetzt ausgebildet sind.
10. Injektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Leckagespalt (33) in einer vom Hubweg (29, 31) der Düsennadel (6) im Injektorgehäuse (20) abhängigen
Länge einstellt.
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