EP1395745B1 - Kraftstoffinjektor mit düsennadeldämpfung - Google Patents

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EP1395745B1
EP1395745B1 EP02745091A EP02745091A EP1395745B1 EP 1395745 B1 EP1395745 B1 EP 1395745B1 EP 02745091 A EP02745091 A EP 02745091A EP 02745091 A EP02745091 A EP 02745091A EP 1395745 B1 EP1395745 B1 EP 1395745B1
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EP
European Patent Office
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nozzle needle
injector
nozzle
control
injector according
Prior art date
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EP02745091A
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French (fr)
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EP1395745A1 (de
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Hubert Greif
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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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

  • injection systems which include a high-pressure common rail, over which the individual injectors for injecting fuel into the combustion chambers of Internal combustion engine to be fueled.
  • Injection start and injection quantity be set with the electrically controllable fuel injector.
  • the Injectors can be with the help of Spannpratzen in the cylinder head part of the internal combustion engine attach and can either with seat hole or blind hole injection nozzles be equipped. With the fuel injectors, the course of injection can be formed and on adjust the course of combustion in the combustion chamber.
  • the accuracy of the injection duration and the amount of fuel injected into the combustion chamber is determined inter alia by the nozzle needle opening or closing speed.
  • the fuel injectors still inject at relatively low pressures of about 250 bar, compared to the system pressure of about 1300 bar inject, on the other hand with the fuel injectors smallest pilot injection amounts from about 0.5 to 1.0 mm 3 / stroke at high pressures be represented by about 1600 bar.
  • 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 characteristic of the nozzle needle of the fuel injector and the nozzle needle speed is adjusted by a corresponding design of inlet and outlet throttles.
  • a fuel injection valve is known. This will be particular used in diesel engines for the injection of fuel, especially diesel fuel, wherein the diesel fuel through a fuel inlet into the fuel injection valve arrives.
  • This includes a counter in a guide bore of a valve body the force of a closing spring axially displaceable valve member, which at least during the opening stroke a spray hole in the valve body releases, through which the fuel into the combustion chamber can be injected.
  • a fuel injection valve that the same advantages as a 2-spring holder supplies, which nevertheless simple and inexpensive can be made, is counteracting the damping stroke of the valve member Damping volume via a throttle with the fuel inlet in conjunction.
  • An injector according to the preamble of claim 1 is EP 740068 A2 known.
  • the solution proposed according to the invention enables nozzle needle damping, which is effective only when opening the nozzle needle on the nozzle seat and the substantially allows two opening speeds of the nozzle.
  • the invention proposed Solution ensures that the nozzle initially with high opening speed within a Vorhubes opens, whereby the stroke, which within the Vorhubes is returned, is presettable.
  • the inventively proposed damping of the nozzle needle allows an insensitive Design of the drain or inlet throttles from or to the control chamber of the nozzle needle in the housing of the fuel injector.
  • the outlet throttle can be compared to known Design variants are designed much larger than before. determining Parameters for the pre-injection quantity are above all the variables pre-stroke and leakage gap.
  • a larger-sized outlet throttle is an uncritical opening behavior at Small pressure level in the high-pressure collecting space (common rail) possible. this in turn leads to small copy controls in the mass production of high-pressure injection systems.
  • FIG. 1 is the hydraulic circuit diagram of an inventively designed Injector for injecting fuel into the combustion chambers of an internal combustion engine refer to.
  • a high-pressure line extends in the direction of an injection nozzle 2 of the injector for injecting fuel into the combustion chambers of an internal combustion engine. Branching from the extending between the high-pressure accumulator 1 and the injection nozzle 2 High-pressure line is an inlet throttle 3 is provided, via which a control room 4 is pressurized with high pressure fuel.
  • the control room 4 on the one hand by a boundary wall 5 of the injector housing, not shown here limited; On the other hand, the high-pressure fuel is acted upon Control chamber 4 from a nozzle needle 6, i. whose front cone 7 limited. A pressure relief of the control chamber 4 via a schematically indicated control edge.
  • control edge 8 with resulting leakage oil gap in the injector is subordinate.
  • the control of the under high pressure fuel acted upon Control chamber 4 takes place for example via a solenoid valve 10, which a Closed position 10.1 and can accept an open position 10.2.
  • a solenoid valve 10 which a Closed position 10.1 and can accept an open position 10.2.
  • About the solenoid valve is, if this is switched to its open position 10.2, the standing with high pressure Fuel acted upon control room 4 connected to a leak oil outlet 11, so that the control volume can flow to the fuel reservoir of the Kratistoffeinspritzsystems.
  • solenoid valve 10 can for pressure relief of the control room also a piezoelectric actuator or a magnetic-hydraulic whilr be used.
  • FIG. 2 shows an injector consisting of several components for injecting Fuel in the combustion chambers of an internal combustion engine shown in longitudinal section.
  • an injector body 20 extends an inlet bore 21, which in the region of Nozzle needle 6 of the injector in a surrounding the nozzle needle 6 in the region of a pressure stage Nozzle space 25 opens.
  • the nozzle needle 6 extends to Nozzle needle tip 26, depending on the vertical stroke movement of the nozzle needle 6 in the injector 20 an injection port 27 in the region of an injection cone releases or closes.
  • Via the injection opening 27 of the injection nozzle 2 passes through the opening or closing movement of the nozzle needle 6 corresponding to certain fuel volume combustion progress into the combustion chamber of an internal combustion engine.
  • a nozzle needle pin 24 formed on the nozzle needle 6, which is surrounded by a spring element. Below the nozzle needle pin 24 of the nozzle needle 6 extends through a portion of the Injector housing a hole that receives the outlet throttle 9 and in the leak oil drain 11 opens.
  • the area of the nozzle needle head is on an enlarged scale of the injector as shown in Figure 2 in more detail.
  • FIG. Z reproducing the detail Z according to Figure 2 shows that the injector body 20 is constructed in several parts and in the direction of the nozzle space, not shown in Figure 2.1 25 is crossed by a high-pressure bore 21.
  • the high pressure bore 21st is the pressure chamber 4 in the interior of the injector body 20 with the control chamber 4 in connection.
  • a closing spring element 45 is accommodated, which For example, can be configured as a coil spring.
  • the closing element 45 is supported on the one hand to a nozzle needle head 34 of the nozzle needle 6 and on the other hand to a in the Control chamber 4 recorded shim 23 from. That preferably as a spiral spring trained closing element 45 is penetrated by the nozzle needle pin 24 of the nozzle needle 6; the total stroke, the nozzle needle 6 with appropriate pressure relief of the control room 4 executes, is designated by reference numeral 29.
  • the locking element 45 accommodated in the control chamber 4 of the injector body 20 is supported at the head portion 34 of the nozzle needle 6 from.
  • the head portion 34 of the nozzle needle 6 in the embodiment as shown in Figure 2.1 is in a nozzle needle head diameter 36 formed, which exceeds the diameter of the nozzle needle 6.
  • On the circumference of the Nozzle needle head 34 open spaces 35 are formed, which in the axial direction of the nozzle needle tip 26 extending are limited by a control edge 28.
  • At the extent of the nozzle needle head 34 may be formed a plurality of free surfaces 35, so for Example three open spaces 35, offset by 120 ° to each other at the periphery of the nozzle needle head 34 are formed.
  • the nozzle needle 6 is set so that the respective Control edges 28 of the free surfaces 35 above a housing-side control edge in the injector 20 stand. This position corresponds to the closed position of the nozzle needle 6, whose Nozzle needle tip 26 is placed in the nozzle seat, so that the nozzle needle still the entire Hubweg 29 can ascend.
  • FIG. 2.2 gives an illustration of a detail according to FIG. 2.1 on an enlarged scale again.
  • the nozzle needle 6 completes the nozzle needle and the nozzle needle head 34 received thereon has a lifting movement in the direction of the im Control chamber 4 provided shim 23 to, until the control edge 28, the housing side The edge formed in the injector housing 20 is covered.
  • the leakage gap between the nozzle needle 6 and the Injector 20 is not in use and the nozzle needle 6 can open freely.
  • the control edge 28 is on the housing side on the injector body 20 provided paragraph. Until reaching the Vorhubes 31 can therefore from Control chamber 4 along the free surfaces 35 on the nozzle needle head 34, the nozzle needle head diameter 36 is formed, unimpeded fuel along the control edge 28 in the here not shown outlet throttle 9 and thus reach the leak oil drain 11.
  • the nozzle needle 6 has in the nozzle needle head diameter 36 trained nozzle needle head 34 in an upper stop emotional.
  • the force acting on the front side of the nozzle needle head 34 force memory 45th is corresponding to the total stroke 29 - compare illustration according to Figure 2.1 - compressed.
  • the free surface 35 on the nozzle needle head 34 limiting control edge 28 has the corresponding, formed on the injector body 20 control edge in a length a leakage gap 33 defining length covered.
  • the speed of the nozzle needle 6 in the opening direction is now considerably through the existing in the control room 4 Brazed volume, whereby the nozzle needle 6 at a further Auffahrschul reduced Speed is imposed until it has reached the top stop.
  • FIG. 3 shows a further embodiment variant of the nozzle needle damping provided on the injector side.
  • the head region of the nozzle needle 6 as shown is formed in Figure 3 as a head portion 38 which in to the nozzle needle. 6 corresponding diameter 37 is formed.
  • the integrated nozzle needle 38 of the Nozzle needle 6 as shown in Figure 3 forms a contact surface for a preferred designed as a spiral spring closing element 45, while the opposite end of the Closing element 45 on a recessed in the control chamber 4 of the injector body 20 shim 23 is present.
  • the control chamber 4, in FIG which the closing element 45 is received by an inlet throttle 3 via the Zulaufbohrung 21 to apply pressure, which the injector body 20 substantially runs through parallel to the nozzle needle 6.
  • the inflow surfaces 39 can, for example, to 180 ° offset at the periphery of the integrated head portion 38 of the nozzle needle 6 may be provided.
  • the closing element 45 is preferably configured as a spiral spring - of the boundary wall of the control chamber 4 outside and one supported on the nozzle needle 6 nozzle needle pin 24 so that no kinking can occur.
  • Figure 3.1 shows the formation of a leakage gap 33 during the Auffahrschul the Nozzle needle 6 in a pressure-relieved control chamber.
  • the damping of the opening movement of the nozzle needle 6 to the effect that only when opening the nozzle needle damping is effective, so that two ⁇ fmungs technicallyen set according to the total stroke 29 of the nozzles, allows a less sensitive Design of inlet throttle 3 to the control chamber 4 and its outlet throttle 9.
  • the outlet throttle 9 can be much larger according to the proposed invention be designed so far, as the representable with the inventively configured injector Pre-injection quantities mainly by the sizes 2 to 31 and the leakage gap 33 are set.
  • a larger-sized outlet throttle 9 is a less critical Opening behavior at low pressures in the high-pressure accumulator 1 possible; In particular, this makes it possible to achieve a smaller copy spread in mass production.
  • the stroke profile 41 of the nozzle needle 6 is denoted by reference numerals 41, during the entire duration of a drive cycle 'with reference numerals 42 is marked.
  • the closing of the nozzle needle 6, be it with executed in enlarged diameter 36 Nozzle needle head 34 or formed with an integrated head 38 with inflow surfaces, so the closing movement is mainly due to the size of the inlet throttle 3 to the control room 4 determined within the injector body and substantially independent of the leakage gap 32 between the nozzle needle 6 and the injector body 20.
  • the less sensitive Design of inlet throttle 3 to the control chamber 4 and this downstream outlet throttle 9 can completely decouple the closing behavior from this design characteristic be so that with respect to the opening of the nozzle needle 6 reaches minimum opening pressures and also at high pressures, the quantity steepness of the in the combustion chamber of a Internal combustion engine to be injected amount of fuel can be significantly reduced can and in particular advantageously realize small pilot injection quantities to let.

Landscapes

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Description

Technisches Gebiet
Bei luftverdichtenden Verbrennungskraftmaschinen kommen zunehmend Hochdruckeinspritzsysteme zum Einsatz, die einen Hochdrucksammelraum (Common Rail) umfassen, über den die einzelnen Injektoren zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennräume der Verbrennungskraftmaschine 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 Verbrennungskraftmaschinen 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 Düsennadelöffnungs- 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 mm3/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 Öfmungscharakteristik der Düsennadel des Kraftstoffinjektors und die Düsennadelgeschwindigkeit durch eine entsprechende Auslegung von Zulauf- und Ablaufdrosseln eingestellt.
Um den geschilderten Einspritzbedingungen hinsichtlich der Drosselauslegung Rechnung zu tragen, 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 Injektorauslegung ist es daher, daß den beiden geschilderten Anforderungen Rechnung getragen werden kann.
    • Aus DE 199 30 832 A1 ist ein Kraftstoffeinspritzventil bekannt. Dieses wird insbesondere bei Dieselmotoren zur Einspritzung von Kraftstoff, insbesondere Dieselkraftstoff eingesetzt, wobei der Dieselkraftstoff durch einen Kraftstoffzulauf in das Kraftstoffeinspritzventil 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 kostengünstig hergestellt werden kann, steht ein dem Dämpfungshub des Ventilgliedes entgegenwirkendes Dämpfungsvolumen über eine Drossel mit dem Kraftstoffzulauf in Verbindung.
    Ein Injektor laut Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus EP 740068 A2 bekannt.
    Darstellung der Erfindung
    Die Vorteile der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung sind vor allem darin zu erblikken, daß die erfindungsgemäß 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 erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung wird sichergestellt, daß die Düse zunächst mit hoher Öffnungsgeschwindigkeit 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 Düsennadel umgebenden Gehäuseteil ein Leckagespalt, so daß in einem Federraum innerhalb des Injektorkörpers aufgenommenes Dämpfungsvolumen dämpfend auf die Öffnungsgeschwindigkeit 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 Öffungsgeschwindigkeiten der Düsennadel im Gehäuse des Kraftstoffinjektors geprägt ist, wird das Schließverhalten der Düsennadel jedoch nicht beeinflußt. Wegen der reduzierten Geschwindigkeit ist das Integral unter der Düsennadelkurve bei konstanter Länge des Ansteuersignals wesentlich geringer als ohne Düsennadeldämpfung. Es können somit deutlich geringere Einspritzmengen dargestellt werden, ohne die prinzipiellen Auslegungsgrößen wie minimaler Öffnungsdruck 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 Verbrennungskraftmaschine eingespritzt werden können.
    Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Dämpfung der Düsennadel erlaubt eine unempfindliche Auslegung der Ablauf- bzw. der Zulaufdrosseln vom bzw. zum Steuerraum der Düsennadel im Gehäuse des Kraftstoffinjektors. Die Ablaufdrossel kann im Vergleich zu bekannten 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 Hochdrucksammelraum (Common Rail) möglich. Dies wiederum führt zu kleinen Exemplarsteuerungen bei der Serienproduktion von Hochdruckeinspritzsystemen.
    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 injektorseitige 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 nicht näher dargestellten Hochdrucksammelraum (Common Rail) 1 erstreckt sich eine Hochdruckleitung in Richtung einer Einspritzdüse 2 des Injektors zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennräume einer Verbrennungskraftmaschine. Abzweigend von der sich zwischen Hochdrucksammelraum 1 und der Einspritzdüse 2 erstreckenden 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 Injektorgehäuses begrenzt; andererseits wird der mit hohem Druck stehende Kraftstoff beaufschlagbare Steuerraum 4 von einer Düsennadel 6, d.h. deren Stirnkegel 7 begrenzt. Eine Druckentlastung 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 Kratistoffeinspritzsystems 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 umgebenden 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 Öffnungs- 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 Düsennadelzapfen 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 11 mündet.
    Aus der Darstellung gemäß Figur 2.1 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 Verbindung. 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 ausführt, 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 Ausführungsvariante gemäß der Darstellung in Figur 2.1 ist in einen Düsennadelkopfdurchmesser 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 gemäß Figur 2.1 ist die Düsennadel 6 so gestellt, daß die jeweiligen Steuerkanten 28 der Freiflächen 35 oberhalb einer gehäuseseitigen Steuerkante im Injektorgehäuse 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 Hubweg 29 auffahren kann.
    Figur 2.2 gibt eine Darstellung eines Details gemäß 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 gehäuseseitig im Injektorgehäuse 20 ausgebildete Kante überdeckt. Im ersten Augenblick des Öffnens der Düsennadel 6 ist daher der Leckagespalt zwischen der Düsennadel 6 und dem Injektorkörper 20 nicht im Einsatz und die Düsennadel 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 Düsennadelkopfdurchmesser 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 Düsennadelhubbewegung dargestellt.
    Bei der in Figur 2.3 wiedergegebenen Darstellung hat sich die Düsennadel 6 mit im Düsennadelkopfsdurchmesser 36 ausgebildeten Düsennadelkopf 34 in einen oberen Anschlag bewegt. Der die Stirnseite des Düsennadelkopfes 34 beaufschlagende Kraftspeicher 45 ist entsprechend des Gesamthubes 29 - vergleiche Darstellung gemäß Figur 2.1 - zusammengedrückt. 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 verminderte 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 Ansteuersignals wesentlich geringer als ohne Düsendämpfung. Damit lassen sich deutlich geringere Einspritzmengen darstellen, ohne die prinzipiellen Auslegungsgrößen 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 Ausführungsvariante der injektorseitig vorgesehenen Düsennadeldämpfung.
    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 Düsennadel 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 Ausführungsvariante der Düsennadel 6 gemäß der Darstellung in Figur 3 am integrierten Kopfbereich 38 der Düsennadel 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 Gesamthubweg 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 übereinanderliegen, 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 Düsennadel 6 aus ihrem Sitz erfolgt das Öffnen der Düsennadel 6 mit einer ersten nicht gedämpften Öffnungsgeschwindigkeit. Bedecken bei weiterer Einfahrbewegung 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 Öfmungsgeschwindigkeiten entsprechend des Gesamthubweges 29 der Düsen einstellen, erlaubt eine unempfindlichere 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 unkritischeres Öffnungsverhalten bei kleinen Drücken im Hochdrucksammelraum 1 möglich; insbesondere läßt sich dadurch eine kleinere Exemplarstreuung in der Großserie erzielen.
    Aus der Darstellung der Figur 4 sind die Verläufe der Düsennadelöffhungsgeschwindigkeit 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 fährt 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 Düsennadelöffnungscharakteristik 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 wesentlich ungünstigeres, da ungenaueres Einspritzvolumen in den Brennraum einer 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 Ablaufdrossel 9 kann das Schließverhalten von dieser Auslegungscharakteristik völlig entkoppelt werden, so daß hinsichtlich der Öffnung der Düsennadel 6 kleinste Öffnungsdrücke erreicht und außerdem bei höchsten Drücken die Mengensteilheit der in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine 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 kleinste Voreinspritzmengen bei Einspritzphasen je nach Anwendung, sei es in Verbrennungskraftmaschinen zum Einsatz von Nutzfahrzeugen, Schienenfahrzeugen oder Personenkraftwagen von besonderer Bedeutung.

    Claims (9)

    1. Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennräume einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Injektorgehäuse (20) und einer Düsennadel (6) zum Öffnen und Verschließen von Einspritzöffnungen (27), wobei das von den Einspritzöffnungen (27) abgewandte Ende der Düsennadel (6) in einen Steuerraum (4) mündet, in dem ein Federelement (45) aufgenommen ist, der Steuerraum (4) über eine Zulaufdrossel (3) mit einer Hochdruckleitung (21) und über eine Ablaufdrossel (9) mit dem Leckölablauf (11) verbunden ist, und wobei die Düsennadel (6) von einem über die Hochdruckleitung (21) beaufschlagten Düsenraum (25) umgeben ist, welcher in einem Düsengehäuse ausgebildet ist, welches von einem Spannelement (22) umschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Kopfbereich (34, 38) der Düsennadel (6) Steuerkanten (28) ausgebildet sind, die bei Hubbewegungen (29) der Düsennadel (6) in den Steuerraum (4) einen Leckagespalt (33) durch Überdeckung der Steuerkanten (28) mit einer gehäuseseitigen Steuerkante in axialer Richtung bilden.
    2. Injektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsennadel (6) auf der dem Steuerraum (4) zuweisenden Seite mit einem Düsennadelzapfen (24) versehen ist, der von einem Schließelement (45) umschlossen ist.
    3. 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.
    4. Injektor gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Umfang des Kopfbereiches (34) der Düsennadel (6) mindestens zwei Strömungsfreiflächen (35) ausgebildet sind, die von der Steuerkante (28) begrenzt sind.
    5. Injektor gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Kopfbereich (34) der Düsennadel (6) drei am Umfang um 120° versetzte Teilflächen (35) ausgebildet sind.
    6. Injektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsennadel (6) einen integrierten Kopfbereich (38) umfaßt, in welchen Zuströmungsfreiflächen (39) integriert sind.
    7. Injektor gemäß Anspruch 6, 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.
    8. Injektor gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Freiflächen (35) am Umfang der Düsennadel (6) um 120° zueinander versetzt ausgebildet sind.
    9. 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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