Querschnittgesteuerte Mehrstrahl-Einspritzdüse

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine querschnittgesteuerte Mehrstrahl-Einspritzdüse entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

[0002] Durch GB-A 21 11 124 ist es bekannt, die Düsennadel in Richtung des Brennraumes zu öffnen. Der Dichtsitz ist dabei kegelig ausgebildet und stellt gleichzeitig die Austrittsöffnung dar, wobei die Austrittsöffnung den Brennstoff-Austrittsquerschnitt bildet. Die Düsennadel wird durch eine Schließfeder in Ausgangsstellung gehalten. Eine zweite Feder ist der Schließfeder in Reihe geschaltet und gestattet es die Düsennadel um einen geringen Betrag anzuheben. Erst wenn ein die zweite Feder betätigender Kolben gegen eine Hubbegrenzung anschlägt und der Brennstoffdruck weiter ansteigt wird die Düsennadel durch direkte Einwirkung des Brennstoffdruckes entgegen der Kraft der Schließfeder in die volle Öffnungsstellung gebracht. Eine derartige Einspritzdüse erlaubt zwar eine stufenweise Erhöhung der Einspritzmenge, jedoch ist es mit dieser Einspritzdüse nicht möglich den Brennstoffdruck über den gesamten Betriebsbereich konstant hoch zu halten. Weil der austretende Hohlkegelstrahl nicht unterteilt ist, leidet die Gemischbildung, da der große Umfang des Ringspaltes in einem sehr ungünstigen Verhältnis zum Spritzquerschnitt steht, wodurch die Kraftstoffaufbereitung und die Gemischbildung negativ beeinflußt werden.

[0003] Ausgehend von einer Einspritzdüse gemäß dem Oberbegriff liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die eingespritzte Brennstoffmenge in mehrere Strahlen mit einem günstigen Verhältnis von Spritzquerschnitt zu Umfang des durchströmten Querschnitts zu zerteilen und gleichzeitig den Einspritzdruck vor den Einspritzkanälen über den gesamten Kennfeldbereich näherungsweise konstant zu halten.

[0004] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

[0005] Durch die besondere Formgebung der Dichtfläche der Steuernadel lassen sich die Öffnungsquerschnitte der Steuernadel variieren, so daß sich in allen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine stets ein genügend hoher Brennstoffdruck vor den Einspritzkanälen einstellt, der dafür sorgt, daß bei luftverteilter Einspritzung eine hohe Zerstäubungsfeinheit für eine optimale Gemischbildung zu erreichen ist. In erster Näherung wird dabei im unteren Drehzahl- und Lastbereich der maximale Einspritzdruck so hoch wie im oberen Drehzahl- und Lastbereich sein.

[0006] Eine vorteilhafte Ausbildung der Regeleinrichtung ist durch die Merkmale des Anspruches 2 gekennzeichnet.

[0007] Auf einfache Weise kann eine Selbstregulierung des Brennstoffdruckes mit Hilfe entsprechend abgestimmter Federn erfolgen, die bei steigendem Druck einen größeren Austrittsquerschnitt freigeben und umgekehrt. Zum Ausgleich der bei Düsenöffnung hinzukommenden wirksamen Druckfläche wird die zweite Druckfeder vorgesehen. Die erste Druckfeder gibt einen Austrittsquerschnitt für den Motorleerlauf bzw. für den unteren Drehzahl- und Lastbereich frei, während durch Überwindung der parallel geschalteten zweiten Druckfeder der Austrittsquerschnitt sich der steigenden Drehzahl und Last anpaßt. Die Begrenzung des Spritzquerschnittes bei Vollast und Nenndrehzahl wird durch den Festanschlag bewerkstelligt.

[0008] Eine Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich durch die Merkmale des Anspruches 3 aus.

[0009] Die Regelung des Hubes der Steuernadel wird durch Ansteuerung mittels einer kennfeldgesteuerten Elektronik bewerkstelligt. Als geeignetes mechanische Stellglied für die Begrenzung des Steuernadelhubes kann ein Keilstück dienen, welches durch die Elektronik direkt oder indirekt angesteuert wird und so den Hub derselben stufenlos einstellbar begrenzt.

[0010] Weitere vorteilhafte Merkmale zeichnen sich durch den Anspruch 4 aus.

[0011] Die Hohlnadel gewährleistet eine zur Keilverzahnung zusätzliche Abdichtung, so daß ein Nachtropfen von Brennstoff vermieden wird, wenn die Keilverzahnung nicht absolut dicht sein sollte.

[0012] Ausführungsbeispiele der Einspritzdüse sind in Zeichnungen dargestellt. Es zeigt:

Figur 1

einen Längsschnitt durch eine Einspritzdüse

Figur 2

eine Detailansicht im Längsschnitt am brennraumseitigen Ende der Einspritzdüse

Figur 3

einen Schnitt III-III aus Figur 2

Figur 4

einen Längsschnitt durch die Einspritzdüse im Bereich der Steuerung

Figur 5

einen Längsschnitt durch eine Einspritzdüse mit einer zu einer Steuernadel koaxial angeordneten Hohlnadel

Figur 6

eine Detailansicht aus Figur 5 im Längsschnitt am brennraumseitigen Ende der Einspritzdüse

[0013] Die Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch eine Einspritzdüse. Diese besteht im wesentlichen aus einem Düsenhalter 1, einem Düsenkörper 2 und einer im Düsenkörper 2 axial beweglich geführten Steuernadel 3. Die Steuernadel 3 weist an ihrem brennraumseitigen Ende eine kegelige Dichtfläche 4 auf, welche erfindungsgemäß als eine Keilverzahnung 5 ausgeführt ist. Die Steuernadel 3 wird an ihrem brennraumabgewandten Ende durch eine vorgespannte erste Druckfeder 6 in Schließstellung gehalten. Die erste Druckfeder 6 stützt sich dabei einerseits gegen den Düsenhalter 1 und andererseits gegen einen mit der Steuernadel 3 verbundenen Anschlag 7 ab.

[0014] Zur Begrenzung der Hubbewegung der Steuernadel 3 ist ein Ringanschlag 8 vorgesehen, welcher mit dem Anschlag 7 zusammenwirkt. Dieser Anschlag 8 wird mittels einer zweiten vorgespannten Druckfeder 9 in Ausgangslage gehalten, wobei sich der Ringanschlag 8 gegen den Düsenhalter 1 abstützt. Zwischen dem Anschlag 7 und dem Ringanschlag 8 ist ein Spalt mit der Dicke h1 vorgesehen. Die zweite Druckfeder 9 ist koaxial zur Steuernadel 3 und der diese umgebenden ersten Druckfeder 6 angeordnet.

[0015] Einem Druckraum 9a der Einspritzdüse wird über eine Zulaufbohrung 10 von einer Einspritzpumpe Brennstoff zugeführt. Unter dem Druck des Brennstoffes öffnet die Steuernadel 3 in Richtung auf einen Brennraum hin, indem die Kraft der vorgespannten ersten Druckfeder 6 überwunden wird. Der Brennstoff wird dann über mehrere Strahlen entsprechend der Gestaltung der in den Figuren 2 und 3 näher beschriebenen Keilverzahnung 5 in den Brennraum abgespritzt. Der Spritzquerschnitt kann durch den Hub der Steuernadel 3 abgestuft werden.

[0016] Im Leerlauf oder im unteren Drehzahl- und Lastbereich einer Brennkraftmaschine wird der Hub der Steuernadel 3 zunächst durch den Ringanschlag 8 begrenzt, wenn der Hub den Weg h1 ausgeschöpft hat.

[0017] Bei zunehmender Last wird bereits durch den relativ gesehen leicht ansteigenden Brennstoffdruck der Hub der Steuernadel 3 durch Überwindung der Kraft der zur ersten Druckfeder 6 parallel geschalteten zweiten Druckfeder 9 vergrößert, bis der maximale Hub der Steuernadel 3 bei Vollast nach Ausschöpfung eines Hubes h2 durch einen Festanschlag 11 begrenzt wird, gegen den der Ringanschlag 8 anfährt. Die Federkonstante der zweiten Druckfeder 9 ist dabei wesentlich kleiner zu wählen als die der ersten Druckfeder 6. Der Festanschlag 11 ist als eine Ringfläche im Düsenhalter 1 ausgeführt. Zur Abführung von Leckage ist eine Bohrung 10a vorgesehen.

[0018] Eine Detailansicht der Einspritzdüse im Längsschnitt am brennraumseitigen Ende zeigt Figur 2. Die linke Hälfte stellt die Einspritzdüse im geschlossenen Zustand dar, während die rechte Hälfte diese im geöffneten Zustand wiedergibt.

[0019] Die Steuernadel 3 weist die axial und radial gerichtete Keilverzahnung 5 auf, welche sich in eine kegelige Dichtfläche 4 und Nutenflanken 13 gliedert. Der Dichtfläche 4 der Düsennadel 3 steht eine Dichtsitzfläche 4a gegenüber, welche in den Düsenkörper 2 eingearbeitet ist.

[0020] Die Einspritzung von Brennstoff wird - wie in der rechten Hälfte dargestellt - dadurch eingeleitet, daß durch die Wirkung des Brennstoffdruckes auf die Querschnittsdifferenz der größeren ersten Fläche 14 und der kleineren zweiten Fläche 15 die Steuernadel 3 in Richtung des Brennraumes öffnet, wie es die rechte Hälfte der Figur 2 darstellt. Der Brennstoff wird der Keilverzahnung 5 über eine Nut 17 und einen Ringraum 18 zugeführt. Einer der Spritzquerschnitte 16, wie er sich beim Öffnen der Steuernadel 3 ergibt, ist herausgezeichnet dargestellt.

[0021] Ein Schnitt III-III aus Figur 2 ist in Figur 3 dargestellt. Der Brennstoff gelangt zunächst über die Nut 17 der Steuernadel 3 vor die aus Figur 2 ersichtliche Dichtfläche 4, welche entsprechend dem dargestellten Beispiel kegelig ausgeführt ist. Nach dem Öffnen der Steuernadel 3 wird der Brennstoff über die Spritzquerschnitte 16 abgespritzt. Der Spritzquerschnitt 16 wird durch die kegelige Dichtfläche 4 (Figur 2) und die Nutenflanken 13 begrenzt. Die Spritzquerschnitte 16 können unterschiedliche Größe aufweisen. Ein Sektor 19 ist in Figur 3 in der Ansicht, also nicht im Schnitt dargestellt.

[0022] Eine zu Figur 1 alternative Lösung der Regelung der Steuernadel 3 kann aus Figur 4 ersehen werden. Der Hub der Steuernadel 3 wird durch ein Keilstück 20 begrenzt, welches in der durch Pfeilrichtung angegebenen Bewegung mit einem Endanschlag 21 korrespondiert, so daß die Hubbewegung der Steuernadel 3 entsprechend einem Spiel h stufenlos begrenzbar ist. Das Keilstück 20 wird von einem Stellglied 22 betätigt, wobei dieses von einer kennfeldgesteuerten Elektronik beaufschlagbar ist.

[0023] Eine Variation der Einspritzdüse wie sie in Figure 1 dargestellt ist, zeigt Figure 5. Abweichend von der Ausführung nach Figur 1 wird der Steuernadel 3 eine gegenüber dieser koaxial bewegliche Hohlnadel 23 parallel geschaltet. Die Hohlnadel 23 wird durch eine vorgespannte dritte Druckfeder 24 in der Ausgangsstellung gehalten und dichtet die Keilverzahnung 5 mittels einer vorgeschalteten Kegelfläche 25 zusätzlich gegen den Druckraum 9a ab. Wenn der Brennstoff von der Einspritzpumpe her über die Zulaufbohrung 10 und den Druckraum 9a unter Druck gesetzt wird öffnet zunächst die Hohlnadel 23 gegen die Kraft der dritten Druckfeder 24. Als wirksame Druckfläche fungiert die Differenz der Flächen einer Druckschulter 26 und der dem Flüssigkeitsdruck in Schließstellung nicht ausgesetzten Kegelfläche 25. Nach dem Öffnen der Hohlnadel 23 gelangt der Brennstoff über Nuten 17 in den Ringraum 18 und öffnet anschließend - wie unter Figur 1 beschrieben - die Steuernadel 3. Der Vorteil einer solchen Ausführung ist darin zu sehen, daß die Keilverzahnung 5 von der alleinigen Dichtfunktion entlastet wird.

[0024] Figur 6 zeigt im Detail das brennraumseitige Ende der Einspritzdüse in der Version nach Figur 5. Die Steuernadel 3 wird von der Hohlnadel 23 umgeben, welche durch die Kegelfläche 25 die Keilverzahnung 5 zusätzlich gegen den Druckraum 9a (Figur 5) abdichtet, wie es in der linken Figurenhälfte dargestellt ist. Durch Erhöhung des Brennstoffdruckes hebt zunächst die Hohlnadel 23 von der Kegelfläche 25 ab, wie in der rechten Figurenhälfte dargestellt ist. Der unter Druck stehende Brennstoff strömt an-anschließend über die Nuten 17 in den Ringraum 18 vor der Keilverzahnung 5. Entgegen der Kraft der Druckfedern 6 und 9 öffnet die Steuernadel 3 wie unter Figur 1 beschrieben.

[0025] Nachfolgend sei nochmals kurz auf die Arbeitsweise eingegangen. Bei Beginn der Einspritzung öffnet zunächst nach den Figuren 5 und 6 die Hohlnadel 23, bzw. nach den Figuren 1 und 2 unmittelbar die Steuernadel 3 und gibt den erforderlichen Spritzquerschnitt 16 frei. Die Steuerung des Spritzquerschnittes kann mit Hilfe des Kraftstoffdruckes und entsprechenden Wirkflächen in bekannter Weise in Verbindung mit abgestuften Druckfedern 6, 9, 24 oder durch eine kennfeldabhängig, vorzugsweise elektronisch, angesteuerte Hubbegrenzungseinrichtung (Figur 4) erfolgen. Einspritzdruck und Einspritzdauer können so optimal aufeinander abgestimmt werden.

[0026] Am Ende des Einspritzvorganges werden nach dem Schließen der Hohlnadel 23 die Spritzkanäle durch Zurückfahren der Steuernadel 3 geschlossen. Dabei wird der in den Spritzkanälen noch vorhandene Kraftstoff unter Druck ausgepreßt und Tröpfchenbildung am Ende der Einspritzung vermieden. Außerdem kann das der Hohlnadel bereits nachgelagerte Kraftstoffvolumen nicht unkontrolliert in den Brennraum fließen. Die dauernde Axialbewegung der Steuernadel 3 mit je nach Motorbetrieb wechselnden Hubhöhen sorgt dafür, daß trotz der Neigung zum Verkoken der dem Feuer ausgesetzten Verzahnung die vorschlagsgemäße Spritzquerschnittssteuerung erhalten bleibt.

Ansprüche

1. Querschnittgesteuerte Mehrstrahl-Einspritzdüse für luftverteilte Einspritzung bei luftverdichtenden Brennkraftmaschinen, bei der die Einspritzdüse im wesentlichen aus einem Düsenkörper (2) und einer darin axial beweglichen Steuernadel (3) besteht, wobei die Steuernadel (3) in Richtung auf einen Brennraum hin öffnet und an ihrem, dem Brennraum abgewandten Ende eine Regeleinrichtung aufweist, sowie die Steuernadel (3) an ihrem brennraumseitigen Ende mit einer kegeligen Dichtfläche (4) versehen ist, die mit einer ebenfalls kegeligen Dichtsitzfläche (4a) des Düsenkörpers (2) zusammenwirkt und bei geöffneter Steuernadel (3) ein Spalt zwischen der Dichtfläche (4) und der Dichtsitzfläche (4a) einen Austrittsquerschnitt für den Brennstoff darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die kegelige Dichtfläche (4) als eine Keilverzahnung (5) ausgebildet ist, daß diese Keilverzahnung (5) radial gerichtete Rippen (5a) aufweist, welche in gleichgeformten Nuten (5b) des Düsenkörpers (2) axial beweglich geführt sind.

2. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung aus mindestens zwei den Hub der Steuernadel (3) begrenzenden Anschlägen (8, 11) gebildet wird, wobei die Öffnungsbewegung der Steuernadel (3) in mindestens zwei Hubhöhen h1 und h2 unterteilbar ist, daß dabei die Hubhöhe h1 durch den Anschlag eines Absatzes (7) der Steuernadel (3) an einem Ringanschlag (8) begrenzt wird, wobei der Ringanschlag (8) durch eine zweite, zur ersten Druckfeder (6) parallel geschalteten Druckfeder (9) in Ausgangslage gehalten wird, und daß die Hubhöhe h2 der Steuernadel (3) nach Überwindung der rückstellenden Kraft der zweiten Druckfeder (9) und der dazu parallel geschalteten ersten Druckfeder (6) durch Anfahren des Ringanschlages (8) gegen einen Festanschlag (11) in einem Düsenhalter (1) begrenzbar ist.

3. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung als ein Keilstück (20) ausgebildet ist, welches senkrecht zur Steuernadel (3) bewegbar, durch einen Endanschlag (21) die Steuernadel (3) in ihrem Hub stufenlos, oder in Stufen einstellbar begrenzt, und daß das Keilstück (20) durch ein Stellglied (22) betätigbar ist, welches von einer kennfeldgesteuerten Elektronik ansteuerbar ist.

4. Einspritzdüse nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuernadel (3) eine diese koaxial umgebende Hohlnadel (23) parallel geschaltet ist, und daß die Hohlnadel (23) durch eine dritte Druckfeder (24) gegen eine dem kegeligen Dichtsitz (4) der Steuernadel (3) vorgeschaltete Kegelfläche (25) gepreßt wird.

Claims

1. A cross-section-controlled multi-jet injection nozzle for air-distributed injection in air-compression internal-combustion engines, in which the injection nozzle essentially comprises a nozzle body (2) and a control needle (3) axially movable therein, the control needle (3) opening in the direction towards a combustion chamber and having a regulating device at the end thereof remote from the combustion chamber, and the control needle (3) being provided at the end thereof towards the combustion chamber with a conical sealing face (4) which cooperates with a similarly conical sealing-seat face (4a) of the nozzle body (2), and when the control needle (3) is opened a gap between the sealing face (4) and the sealing-seat face (4) constitutes an outlet cross-section for the fuel, characterized in that the conical sealing face (4) is formed as a spline (5), [and] the said spline (5) has radially orientated ribs (5a) axially slidable in similarly shaped grooves (5b) in the nozzle body (2).

2. An injection nozzle according to Claim 1, characterized in that the regulating device is formed by at least two stops (8, 11) defining the stroke of the control needle (3), the opening movement of the control needle (3) being sub-divisible into at least two stroke heights h1 and h2, the stroke height h1 being defined by the stop of a shoulder (7) of the control needle (3) on an annular stop (8), and the annular stop (8) being held in its starting position by a second compression spring (9) arranged parallel to the first compression spring (6), and the stroke height h2 of the control needle (3) is definable by bringing up the annular stop (8) against a fixed stop (11) in a nozzle holder (1) after overcoming the restoring force of the second compression spring (9) and the first compression spring (6) arranged parallel thereto.

3. An injection nozzle according to Claim 1, characterized in that the regulating device is constructed as a wedge member (20) movable at right angles to the control needle (3) and defining the stroke of the control needle (3) by an end stop (21) continuously or adjustably in steps, and the wedge member (20) is actuable by an adjustment member (22) actuable by an electronic means controlled in its characteristic pattern.

4. An injection nozzle according to Claims 1 to 3, characterized in that a hollow needle (23) coaxially surrounding the control needle (3) is connected parallel thereto, and the hollow needle (23) is pressed by a third compression spring (24) against a conical face (25) positioned in front of the conical sealing seat (4) of the control needle (3).

Revendications

1. Injecteur à plusieurs jets d'injection et avec commande en section transversale pour injection répartie dans l'air dans des moteurs à combustion interne avec compression d'air, cet injecteur étant essentiellement constitué d'un corps d'injecteur (2) et d'un pointeau de commande (3) mobile axialement dans ce corps, ce pointeau de commande (3) ouvrant en direction d'une chambre de combustion et comportant à son extrémité opposée à la chambre de combustion un dispositif de réglage, tandis que ce pointeau de commande (3) est muni, à son extrémité côté chambre de combustion, d'une surface d'étanchéité conique (4) qui coopère avec une surface d'étanchéité (4a), également conique, de siège du corps d'injecteur (2), et lorsque le pointeau de commande (3) est ouvert, un interstice entre la surface d'étanchéité (4) et la surface de siège (4a) constitue une section transversale de sortie pour le carburant, injecteur caractérisé en ce que la surface d'étanchéité conique (4) revêt la forme d'une denture en coin (5), et en ce que cette denture en coin (5) comporte des nervures (5a) orientées radialement et qui sont guidées en déplacement axial dans des gorges de même forme (5b) du corps d'injecteur (2).

2. Injecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de réglage est constitué d'au moins deux butées (8, 11) limitant la course du pointeau de commande (3), tandis que le mouvement d'ouverture du pointeau de commande (3) est susceptible d'être subdivisé en au moins deux hauteurs de course h1 et h2, en ce qu'alors la hauteur de course h1 est limitée par l'arrivée d'un épaulement (7) du pointeau de commande (3) contre une butée annulaire (8), cette butée annulaire (8) étant maintenue dans la position de sortie par un second ressort de pression (9) monté en parallèle avec un premier ressort de pression (6), et en ce que la hauteur de course h2 du pointeau de commande (3), après qu'ait été surmontée la force de retenue du second ressort de pression (9) et du premier ressort de pression (6) montée en parallèle, est susceptible d'être limitée par l'arrivée de la butée annulaire (8) contre une butée fixe (11) sur un porte-injecteur (1).

3. Injecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de réglage est constitué d'une partie en coin (20) qui, en étant susceptible d'être déplacée perpendiculairement au pointeau de commande (3), limite, grâce à une butée terminale (21), le pointeau de commande dans sa course continue, ou susceptible d'être réglée par échelons, et en ce que la partie en coin (20) est susceptible d'être actionnée par un organe de réglage (22), lui-même commandé par une électronique que contrôle un champ caractéristique.

4. Injecteur selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'une aiguille creuse (23) entourant coaxialement le pointeau de commande (3) est montée en parallèle avec celui-ci, et en ce que cette aiguille creuse (23) est pressée par un troisième ressort de pression (24) contre une surface conique (25) disposée en amont de la surface d'étanchéité conique (4) du pointeau de commande.

Zeichnung