Kraftstoff-Einspritzdüse für Brennkraftmaschinen

Abstract

 Kraftstoff-Einspritzdüsen der gattungsmäßigen Art haben den Vorteil, daß in mittleren und höheren Lastbereichen der Einspritzvorgang in eine Voreinspritzphase und eine Haupteinspritzphase gegliedert ist und die Haupteinspritzmenge erst in die Brennkammer gelangt, wenn dort die Zündung des voreingespritzten Kraftstoffs bereits eingelei­tet ist. Im oberen Drehzahlbereich ist es jedoch wegen des steilen Anstiegs des Kraftstoffeinspritzdrucks schwierig, die erwünschte Zweistufigkeit des Einspritzverlaufes aufrecht zu erhalten.
Zur Behebung dieses Mangels wird erfindungsgemäß die Anordnung eines vom Kraftstoffeinspritzdruck beaufschlagten Zusatzkolbens (48, 78) vorgeschlagen, der in höheren Drehzahlbereichen durch Zusammen­drücken mindestens einer der Schließfedern (20, 22 bzw. 52, 54) die aus der Zwischenstellung herausführende Bewegung der Ventilnadel (18) verzögert.
Bevorzugtes Anwendungsgebiet sind Dieselmotoren mit Direktein­spritzung.

Beschreibung

Stand der Technik

[0001] Die Erfindung geht aus von einer Kraftstoff-Einspritzdüse nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei Einspritzdüsen dieser Gattung ist der zweite Wert des Kraftstoffeinspritzdrucks, bei welchem sich die Ventilnadel aus der Zwischenstellung weiterbewegt, so bemessen und unveränderlich festgelegt, daß die Ventilnadel im Leerlauf und im unteren Teillastbereich nur bis in die Zwischenstellung gelangt, so daß der Kraftstoff jeweils über einen genügend langen Zeitraum in der geforderten Form bzw. Zerstäubungsgüte eingespritzt wird. Im oberen Teillastbereich und bei Vollast setzt sich die Ventilnadelbe­wegung nach dem Anhalten in der Zwischenstellung fort, so daß sich im Zusammenhang mit dem abgestuften Öffnungsdruckverlauf eine Vor- und eine Haupteinspritzphase ergibt und die Haupteinspritzmenge des Kraftstoffs erst in den Brennraum der Maschine gelangt, wenn die Zündung des voreingespritzten Kraftstoffs bereits eingeleitet ist. Dabei kann es jedoch im oberen Drehzahlbereich vorkommen, daß der Kraftstoffeinspritzdruck so schnell ansteigt, daß die Ventilnadel die Zwischenstellung ohne Halt überfährt, so daß ein großer Teil der Haupteinspritzmenge bereits vor der Zündung in den Brennraum ge­langt, wo es sich auf die Geräuschentwicklung nachteilig auswirkt.

Vorteile der Erfindung

[0002] Die erfindungsgemäße Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß der zweite Wert des Kraftstoffeinspritzdrucks, bei welchem die Ventilnadel aus der Zwi­schenstellung weiterbewegt wird, nicht mehr konstant ist, sondern sich bei Überschreiten eines vorgegebenen Druckes so erhöht, daß auch danach die Ventilnadel in der Zwischenstellung definiert ange­halten und/oder aus dieser heraus verzögert gegen die Hubendstellung weiterbewegt wird. Dadurch wird auch bei hohen Drehzahlen der Ein­spritzvorgang in eine Vor- und eine Haupteinspritzphase gestreckt.

[0003] Durch die in den Unteransprüchen enthaltenen Merkmale sind vorteil­hafte Weiterbildungen der Anordnung gemäß Hauptanspruch möglich.

[0004] Eine bei bekannten Einspritzdüsen mit zwei Schließfedern und kon­stanter Öffnungsdruckstufe bewährte Ausführung ergibt sich, wenn die erste Schließfeder zunächst allein auf die Ventilnadel einwirkt und die zweite Schließfeder nach Erreichen der Zwischenstellung der Ven­tilnadel zur Wirkung kommt und der Zusatzkolben die zweite Schließ­feder beeinflußt.

[0005] Besonders vorteilhaft ist es, wenn die erste Schließfeder zwischen der Ventilnadel und der zweiten Schließfeder angeordnet und von ei­nem Ringkörper umgeben ist, über den sich das der Ventilnadel zuge­kehrte Ende der zweiten Schließfeder bis zum Erreichen der Zwischen­stellung der Ventilnadel an einer gehäusefesten Schulter abstützt und wenn ferner das von der Ventilnadel abgekehrte Ende der ersten Schließfeder an einem mit dem Ringkörper bewegten Stützglied anliegt (Figur 1). Dadurch ist erreicht, daß der Zusatzkolben allein auf die zweite Schließfeder einwirkt, so daß bereits während des Vorhubes der Ventilnadel der Zusatzkolben aktiviert wird, so daß auch bei der größtmöglichen Drehzahl der Maschine ein zweistufiger Hubverlauf der Ventilnadel sichergestellt ist.

[0006] Die gewünschte Steigerung des zweiten Wertes des Düsenöffnungs­druckes im höheren Drehzahlbereich läßt sich mit einem besonders kleinen Hub des Zusatzkolbens realisieren, wenn dieser gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung auf beide Schließfedern einwirkt.

[0007] Weitere vorteilhafte Konstruktionsmerkmale gehen aus der nachfol­genden Beschreibung hervor.

Zeichnung

[0008] Vier Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung darge­stellt und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Die Figuren 1 - 4 zeigen je einen Teil-Längsschnitt durch eines der Ausführungs­beispiele.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

[0009] Die Einspritzdüse nach Figur 1 hat einen Düsenkörper 10, der zusam­men mit einer Zwischenscheibe 12 durch eine Überwurfmutter 14 an ei­nem Düsenhalter 16 festgespannt ist. Im Düsenkörper 10 ist ein nicht mehr dargestellter Ventilsitz gebildet und eine Ventilnadel 18 ver­schiebbar gelagert, die von zwei im Düsenhalter 16 angeordneten, un­terschiedlich vorgespannten Schließfedern 20, 22 in der nachstehend noch näher beschriebenen Weise beaufschlagt ist. Im Düsenkörper 10 ist ein die Ventilnadel 18 umgebender Druckraum gebildet, der zu­laufseitig über eine Kanalverbindung 24 in den Teilen mit einem Kraftstoff-Anschlußstutzen 26 am Düsenhalter 16 verbunden ist. Im Bereich des Druckraums ist die Ventilnadel 18 mit einer Druckschul­ter am Übergang zu einem im Durchmesser schwächeren Nadelabschnitt versehen, der mit der Führungsbohrung im Düsenkörper 10 einen vom Druckraum zum Ventilsitz führenden Ringkanal begrenzt. An der Druck­schulter greift der Kraftstoffeinspritzdruck im Öffnungssinn an der Ventilnadel 18 an.

[0010] Die schwächere Schließfeder 20 wirkt über ein Druckstück 28 auf die Ventilnadel 18 ein, welches in einer Buchse 30 geführt ist, die ihrerseits verschiebbar in der Zwischenscheibe 12 gelagert ist. Auf der Buchse 30 sitzt ein die Schließfeder 20 umgebender Ringkörper 32 auf, dessen oberer Stirnrand von der stärkeren Schließfeder 22 über eine die Schließfeder 20 abstützende, mit einem Nabenansatz 33 ver­sehene Druckscheibe 34 beaufschlagt ist. Die Schließfeder 22 stützt sich über eine Stützscheibe 35 an einer gehäusefesten Schulter 36 des Düsenhalters 16 ab und drückt in Schließstellung der Ventilnadel 18 die Buchse 30 über den Ringkörper 32 an die obere Stirnseite 37 des Düsenkörpers 10 an. Die Buchse 30 ist mit zwei Anschlagschultern 38 und 40 versehen, von denen die eine, 38, mit einer Ringschulter an der Ventilnadel 18 einen Vorhub h_v und die andere, 40, mit ei­ner inneren Schulter der Zwischenscheibe 12 den Gesamthub h_g der Ventilnadel 18 begrenzt.

[0011] Im Düsenhalter 16 ist stromauf der Schließfeder 22 eine Zylinderboh­rung 42 vorgesehen, die an die den Einspritzkraftstoff führende Ka­nalverbindung 24 angeschlossen ist und an einer Ringschulter 44 in eine engere Bohrung 46 übergeht, die in die Schließfederkammer des Düsenhalters 16 führt. In der Zylinderbohrung 42 ist ein Zusatzkol­ben 48 verschiebbar geführt, der mit einem Ansatz 49 durch die Boh­rung 46 ragt und von einer Feder 50 beaufschlagt ist, welche ihn ge­gen die Stützscheibe 35 drückt. Der vom Einspritzkraftstoff beauf­ schlagte Querschnitt des Zusatzkolbens 48 ist so bemessen, daß die von ihm auf die Stützscheibe 35 ausgeübte Kraft die Stützkraft der Schließfeder 22 überwindet, wenn die Drehzahl der Maschine und der davon abhängige Kraftstoffeinspritzdruck einen vorgegebenen Wert übersteigen.

[0012] Die Einspritzdüse nach Figur 1 arbeitet wie folgt:

[0013] Im Leerlauf und im unteren Lastbereich steigt der Kraftstoffein­spritzdruck nur soweit an, daß er lediglich die Kraft der schwäche­ren Schließfeder 20 zu überwinden vermag. Dabei führt die Ventilna­del 18 jeweils einen Hub aus, der durch die Anschlagschulter 38 an der Buchse 30 begrenzt ist und daher in seiner Größe dem Vorhub h_v entspricht. Mit zunehmender Drehzahl der Maschine und/oder zuneh­mender Belastung steigt auch der Kraftstoffeinspritzdruck an, bis er schließlich die Kraft der zweiten, stärkeren Schließfeder 22 über­windet. Dabei ergibt sich ein abgestufter Einspritzverlauf mit einer Vor- und einer Haupteinspritzphase, bei welchem die Ventilnadel 18 in einer durch den Vorhub h_v vorgegebenen Zwischenstellung kurz verharrt und sich danach in bzw. gegen ihre Hubendstellung weiterbe­wegt.

[0014] Im oberen Drehzahlbereich wird durch den einen vorgegebenen Wert übersteigenden Kraftstoffeinspritzdruck auch der Zusatzkolben 48 aktiviert und um einen Hub h_k verschoben, wobei die stärkere Schließfeder 22 zusammengedrückt und deren Kraft weiter erhöht wird. Dadurch ist erreicht, daß auch in diesem Bereich des Betriebskenn­feldes die Ventilnadel 18 in der Zwischenstellung kurz angehalten bzw. aus dieser heraus verlangsamt in die Hubendstellung geführt und dadurch die Haupteinspritzmenge mit der gewünschten Verzögerung ein­gespritzt wird. Weil der Zusatzkolben 48 nur auf die zweite Schließ­ feder 22 einwirkt, steht für seine Aktivierung auch im Grenzfall noch eine genügend große Zeit zur Verfügung, um die gewünschte Wir­kung zu erzielen.

[0015] Die Einspritzdüse nach Figur 2 hat den gleichen grundsätzlichen Auf­bau wie jene nach Figur 1, so daß gleiche bzw. gleichwirkende Teile mit der gleichen Bezugszahl versehen sind. Unterschiedlich ist, daß eine erste, die Ventilnadel 18 ständig beaufschlagende Schließfeder 52 stromauf einer zweiten, erst nach dem Vorhub zur Einwirkung kom­menden stärkeren Schließfeder 54 angeordnet ist. Die erste Schließ­feder 52 ist von einer Hülse 56 umgeben und wirkt über eine in der Buchse 30 geführte Druckstange 58 auf die Ventilnadel 18 ein, wobei sich die Schließfeder 52 am Boden der Hülse 56 abstützt und diese gegen eine gehäusefeste Schulter 60 des Düsenhalters 16 drückt. Die zweite Schließfeder 54 stützt sich über eine die Druckstange 58 ebenfalls führende Scheibe 62 und die Hülse 56 ebenfalls an der ge­häusefesten Schulter 60 ab und greift über ein auf der Druckstange 58 geführtes Druckstück 64 an der Buchse 30 an, die auch bei dieser Ausführung den Vorhub der Ventilnadel 18 bestimmt und deren Gesamt­hub begrenzt.

[0016] Wie beim ersten Ausführungsbeispiel ist ein vom Kraftstoffeinspritz­druck beaufschlagter Zusatzkolben 48 vorgesehen, der hier jedoch über die Hülse 56 auf beide Schließfedern 52, 54 einwirkt. Dadurch ist erreicht, daß die Erhöhung der Öffnungsdruckstufe im hohen Dreh­zahlbereich durch einen kleineren Hub h_k des Zusatzkolbens 48 er­reicht wird als beim ersten Ausführungsbeispiel.

[0017] Die Einspritzdüse nach Figur 3 unterscheidet sich von jener nach Figur 2 dadurch, daß der Zusatzkolben 48 in zeitlicher Aufeinander­folge auf die beiden Schließfedern 52 und 54 einwirkt. Zu diesem Zweck ist ein vom Zusatzkolben 48 beeinflußtes Druckstück 66 vorge­sehen, das verschiebbar in einer Hülse 68 angeordnet ist, über welches sich beide Schließfedern 52, 54 an der gehäusefesten Schul­ter 60 abstützen. Die Hülse 68 hat eine erste Druckschulter 70, an der sich die erste Schließfeder 52 über das Druckstück 66 abstützt. Ferner ist an der Hülse 68 eine zweite Druckschulter 72 gebildet, an welcher das Druckstück 66 unter der Einwirkung des Zusatzkolbens 48 zur Anlage kommt, wenn dieser nach Aktivierung einen Teilhub h_t seines möglichen Gesamthubes h_k zurückgelegt hat.

[0018] Im höheren Drehzahlbereich wird die Öffnungsdruckstufe bzw. der zweite Öffnungsdruck, welcher die Ventilnadel aus der Zwischenstel­lung weiterbewegt, in zwei Stufen erhöht, so daß eine noch diffe­renziertere Anpassung an den jeweiligen Anwendungsfall möglich ist.

[0019] Bei der Einspritzdüse nach Figur 4 wirkt ein Zusatzkolben 78 allein auf die erste Schließfeder 52 ein, die wie bei den Ausführungsbei­spielen nach den Figuren 2 und 3 die Ventilnadel ständig beauf­schlagt und den ersten Wert des Öffnungsdrucks bestimmt. Die Schließfeder 52 stützt sich über den Boden einer Hülse 80 und den Zusatzkolben 78 an einem Ventilsitz 82 in einem Düsenhalter 84 ab, der eine im Durchmesser kleinere Zulaufbohrung 86 in die Zylinder­kammer des Zusatzkolbens 78 umgibt und durch den Zusatzkolben 78 bis zum Erreichen des vorgegebenen erhöhten Wertes des Kraftstoffein­spritzdrucks verschlossen ist. Der Hub h_k des Zusatzkolbens 78 wird durch die Hülse 80 im Zusammenwirken mit einem inneren Ringbund 88 des Düsenhalters 84 bestimmt, an welchem sich auch die vom Zu­satzkolben 78 nicht beeinflußte zweite Schließfeder 54 abstützt. Die Ausbildung des Zusatzkolbens 78 als Ventilkörper wirkt sich vorteil­haft auf den Schließvorgang aus. Selbstverständlich könnten auch die Zusatzkolben 48 der anderen Ausführungen als zweistufige Ventilkol­ben gemäß Figur 4 ausgebildet sein.

Ansprüche

1. Kraftstoff-Einspritzdüse für Brennkraftmaschinen, mit einem Dü­senkörper, in welchem ein Ventilsitz gebildet und eine Ventilnadel verschiebbar gelagert ist, die vom Kraftstoffeinspritzdruck in Öff­nungsrichtung und entgegengesetzt dazu von zwei Schließfedern beauf­schlagt ist, die zum Zweck eines abgestuften Einspritzverlaufs (Vor- und Haupteinspritzung) zu unterschiedlichen Zeiten wirksam sind bzw. zur Wirkung kommen und die Ventilnadel nach einem Vorhub in einer Zwischenstellung festhalten, bis der Kraftstoffeinspritz­druck von einem vorgegebenen ersten Wert, bei welchem die Ventilna­del vom Ventilsitz abhebt, auf einen vorgegebenen zweiten Wert ange­stiegen ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der beiden Schließfedern (20, 22 bzw. 52, 54) an ihrem von der Ventilnadel (18) abgekehrten Ende von einem vom Kraftstoffeinspritzdruck beauf­schlagten Zusatzkolben (48 bzw. 78) beeinflußt ist, welcher die aus der Zwischenstellung herausführende Weiterbewegung der Ventilnadel (18) durch Zusammendrücken dieser mindestens einen Schließfeder (20, 22 bzw. 52, 54) verzögert, wenn der Kraftstoffeinspritzdruck bzw. dessen Anstiegsgeschwindigkeit einen vorgegebenen Wert übersteigt.

2. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schließfeder (20 bzw. 52) wie bekannt zunächst allein auf die Ventilnadel (18) einwirkt und die zweite Schließfeder (22 bzw. 54) wie bekannt erst nach Erreichen der Zwischenstellung der Ventilnadel (18) zur Wirkung kommt, und daß der Zusatzkolben (48 bzw. 78) die zweite Schließfeder (22 bzw. 54) beeinflußt (Figuren 1 - 3).

3. Einspritzdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schließfeder (20) zwischen der Ventilnadel (18) und der zwei­ten Schließfeder (22) angeordnet und von einem Ringkörper (32) umge­ben ist, über den sich das der Ventilnadel (18) zugekehrte Ende der zweiten Schließfeder (22) bis zum Erreichen der Zwischenstellung der Ventilnadel (18) an einer gehäusefesten Schulter (37) abstützt, und daß das von der Ventilnadel (18) abgekehrte Ende der ersten Schließ­feder (20) an einem mit dem Ringkörper (32) bewegten Stützglied (34) anliegt (Figur 1).

4. Einspritzdüse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützglied (34) eine von der zweiten Schließfeder (22) gegen die zu­gekehrte Stirnseite des Ringkörpers (32) gedrückte Scheibe ist, die vorzugsweise mit einem die zweite Schließfeder (22) zentrierenden Nabenansatz (33) versehen ist.

5. Einspritzdüse nach Anspruch 3 oder 4, deren Düsenkörper über eine den Gesamthub der Ventilnadel begrenzende Zwischenscheibe an einem Düsenhalter festgespannt ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich der die erste Schließfeder (20) umgebende Ringkörper (32) über eine in der Zwischenscheibe (12) geführte Buchse (30) am Düsenkörper (10) abstützt, die mit einer einen Vorhuh (h_v) der Ventilnadel (18) be­grenzenden ersten Schulter (38) und einer deren Gesamthub (h_g) be­grenzenden zweiten Schulter (40) versehen ist.

6. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzkolben (48) beide Schließfedern (52, 54) beeinflußt (Figuren 2 und 3).

7. Einspritzdüse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schließfeder (54) zwischen der Ventilnadel (18) und der er­sten Schließfeder (52) angeordnet und an einer gehäusefesten Schul­ter (60) über eine Hülse (56 bzw. 68) abgestützt ist, welche die er­ste Schließfeder (52) umgibt und abstützt und an welcher der Zusatz­kolben (48) angreift (Figuren 2 und 3).

8. Einspritzdüse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die erste Schließfeder (52) an einer ersten Druckschulter (70) der Hülse (68) über ein Druckstück (66) abstützt, das verschiebbar in der Hülse (68) angeordnet ist, daß ferner der Zusatzkolben (48) ent­gegengesetzt zur ersten Schließfeder (52) auf das Druckstück (66) einwirkt und daß die Hülse (68) eine zweite Druckschulter (72) hat, gegen welche das Druckstück (66) unter Einwirkung des Zusatzkolbens (48) nach Zurücklegung eines Teilhubes (h_t) seines möglichen Ge­samthubes (h_k) gegenüber der Hülse (68) zur Anlage kommt (Figur 3).

Zeichnung