Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen mit einem Düsenkörper, in dem je eine von einer Schliessfeder belastete Hohlnadel und eine in deren Innerem geführte Innennadel angeordnet sind, welche beide mit konischen Sitzflächen des Düsenkörpers zusammenwirken, wobei der Hohlnadel und der Innennadel je eine Anzahl von Spritzbohrungen zugeordnet sind, und wobei im Düsenkörper eine Steuervorrichtung vorgesehen ist, die unabhängig vom momentanen Einspritzdruck, aber in Abhängigkeit von der Lage des Betriebspunktes im Motorkennfeld den Bewegungsablauf der Düsennadeln beeinflusst.
Eine derartige Einspritzdüse ist aus der DE-PS 2 711 393 bekannt. Sie ist jedoch nur hinsichtlich Vor- und Haupteinspritzung steuerbar; mit anderen Worten: Beide Nadeln werden bei jeder Einspritzung der Reihe nach geöffnet. Bei dieser ist eine sehr lange Innennadel mit einem über der Schliessfeder für die Hohlnadel angeordneten Steuerkolben in axialer Richtung formschlüssig gekoppelt, wobei an dem Steuerkolben eine weitere Schliessfeder angreift. Der Raum unter dem Steuerkolben ist mit einer Quelle geregelten Druckes verbunden, der entgegen der Schliessrichtung auf den Steuerkolben und in Schliessrichtung auf die Innennadel und die Hohlnadel wirkt. Bei Zunahme des Steuerdruckes nimmt der \ffnungsdruck der Innennadel ab. Dadurch öffnet die Innennadel bei Wegfall des Steuerdruckes, etwa bei Defekt des Steuersystemes oder bei plötzlicher Laständerung, zu spät oder gar nicht.
Die Folge davon ist, dass der Druck in der Düse so stark ansteigt, dass diese zerstört werden kann.
Ausserdem nachteilig ist an dieser Anordnung, dass die Steuerung durch Verstellung der Federvorspannung erfolgt, was eine grosse Steuerflüssigkeitsmenge mit hohem Druck erfordert und die Umsteuerzeit verlängert. Weiterhin ist die Bauhöhe einer solchen Düse durch die Federanordnung und die lange Innennadel erheblich und der Einbau in eine Pumpendüse nicht möglich. Der obere Anschlag für die Innennadel schliesslich ist durch die lange Innennadel sehr weit entfernt und seine Lage ist wegen der langen Toleranzkette nicht genau definierbar.
Eine weitere derartige Einspritzdüse ist aus der DE-OS 4 115 457 bekannt. Bei dieser stützt sich die Innennadel über eine zweite Schliessfeder an der Hohlnadel oder an einem mit dieser zusammenwirkenden Anschlag ab. Die Verstellvorrichtung wirkt auf einen Anschlag, der den Hub einer der beiden Nadeln begrenzt. Die Innennadel weist einen Absatz auf, der mit Spiel mit einer Schulter der Hohlnadel zusammenwirkt.
Durch den Ansatz wird die Innennadel hart und zwangsläufig nach einem bestimmten Weg der Hohlnadel mitgerissen. Durch das Spiel zwischen Absatz und Schulter ist der Hub der Hohlnadel ohne Mitnahme der Innennadel begrenzt. Diese Zwangsläufe schränken die Verstellmöglichkeiten ein, vor allem wenn nebst dem Spritzquerschnitt auch die Strahlform beeinflusst werden soll, wodurch eine Anpassung an die Erfordernisse des ganzen Motorkennfeldes nicht möglich ist.
Weitere, bei Düsen für höchste Einspritzdrücke vorkommende, dynamische und hydrodynamische Probleme werden durch die Bauart mit zwei konzentrischen Düsennadeln noch grösser und erfordern daher zusätzliche Massnahmen. Hohe Einspritzdrücke bedeuten starke Schliessfedern. Diese erzeugen durch das Zusammenbrechen des Einspritzdruckes bei Förderende harte metallische Schläge beim Schliessen, was die Lebensdauer beeinträchtigt. Besonders schädlich ist es bei Hohlnadeln mit ihrer relativ geringen Aufstandsfläche, ungedämpft auf dem Sitz aufzuschlagen. Durch die geringe Aufstandsfläche ist die Dämpfung durch den darunter befindlichen Brennstoff nur sehr gering. Aber auch die Dämpfung durch den zwischen den aufeinanderschlagenden Flächen befindlichen Brennstoff verursacht Probleme.
Beim Aufschlag von Düsennadeln auf ihrem Sitz entsteht eine Quetschströmung, deren Geschwindigkeit mit Annäherung der beiden Sitzflächen explosionsartig zunimmt. In deren Nachlauf entsteht ein Unterdruck, der zu ausgeprägter Kavitation führt. Bei Reflexion kann sich dieser Effekt sogar wiederholen. Wenn die Kavitation dann auch noch an Flächen nagt, deren Grösse den \ffnungs- oder Schliessdruck bestimmt, geht zusätzlich zum Verschleiss frühzeitig die Funktionsgenauigkeit der Düse verloren.
Funktionsgenauigkeit und deren Aufrechterhaltung über die gesamte Lebensdauer einer Düse ist aber im Hinblick auf Schadstoffemissionen von grösster Bedeutung. Die Minimierung der Emission, vor allem von Partikeln und Kohlenwasserstoffen, in allen Betriebszuständen ist das vorrangige Entwicklungsziel der heutigen Dieseleinspritztechnik. Nach den zukünftigen Emissionsvorschriften werden Grenzwerte auch noch nach einer bestimmten Lebensdauer einzuhalten sein. Mit voller Geschwindigkeit angefahrene verstellbare Anschläge, Kavitation und lange Toleranzketten beeinträchtigen die Funktionsgenauigkeit, besonders nach einer gewissen Betriebszeit.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemässe Einspritzdüse zu schaffen, die eine Anpassung des zeitlichen Verlaufes der Spritzbohrungsquerschnitte an alle Betriebszustände und damit die genaueste Steuerung von Einspritzverlauf und Strahlform gestattet, wobei höchste und dauerhafte Funktionsgenauigkeit mit möglichst geringem konstruktivem Aufwand zu erzielen sind.
Erfindungsgemäss wird das durch das Zusammenwirken der im ersten Anspruch angeführten kennzeichnenden Merkmale erreicht.
Dadurch, dass in der Hohlnadel über der Innennadel ein Steuerkolben vorgesehen ist, der eine mit dem oberen Ende der Innennadel zusammenwirkende erste Anschlagfläche und eine mit der Hohlnadel zusammenwirkende zweite Anschlagfläche aufweist, wird zunächst einmal ein sehr kompaktes Ensemble mit kleinen Abmessungen, geringen Massen und kleinen bewegungsrelevanten Toleranzen geschaffen. Wenn die Hohlnadel geöffnet ist, wird zwar der zeitweise als Anschlag wirkende Steuerkolben, nicht aber die Ventilnadel selbst durch die zweite Anschlagfläche zwangsläufig mitgenommen; die Innennadel wird dann nur durch den variablen Steuerdruck niedergehalten, der in der den ersten Anschlag umgebenden Kammer herrscht. Mit dem Druck in dieser Kammer wird die auf die Ventilnadel wirkende Schliesskraft eingestellt. Ausserdem wirkt die in der Kammer befindliche Steuerflüssigkeit dämpfend.
Im Zusamenwirken mit der sehr schmalen Druckschulter am Übergang zwischen dem konischen Ende und dem zylindrischen Teil wird erreicht, dass ein sehr geringer Steuerdruck (grössenordnungsmässig weniger als ein Zehntel des Einspritzdruckes) ausreicht. Das verbessert die Regelgüte, verringert die Steuerflüssigkeitsleckmenge und ermöglicht eine einfache Zufuhr des Steuermediums zur Düse. Das ist bei Einspritzdüsen für mit Schweröl betriebene grosse bis sehr grosse Motoren mit flachem Brennraum auch ein besonderer wirtschaftlicher Vorteil.
Der Nutzen für die Regelgüte besteht nicht nur in den geringeren Kräften und deren leichterer Steuerbarkeit in einem weiteren Bereich, sondern auch darin, dass die Innennadel auch dann öffnen kann, wenn der Druck in der Kammer etwa noch für kleine Last hoch ist, aber die Einspritzpumpe bereits auf volle Leistung und somit höchsten Einspritzdruck gestellt ist. Dadurch ist keine Zerstörung der Düse zu fürchten und die Parameter der Steuerung können für höchste Genauigkeit gewählt werden. Die sehr schmale Druckschulter am Übergang zwischen konischem Ende und zylindrischem Teil der Innennadel stellt letzten Endes auch einen wirksamen Schutz der Düse bei Versagen der Steuerung dar.
Dadurch, dass die mit der Steuerflüssigkeit beaufschlagte Kammer in der Hohlnadel in der Höhe der ersten Anschlagfläche ausgebildet ist, haben weder die Bewegungen von Hohlnadel und Innennadel noch die Pulsationen des Einspritzdruckverlaufes eine nennenswerte Rückwirkung auf den Druck in der Kammer, vor allem bei niederem Steuerdruck, also grosser Last. Auch das wirkt sich vorteilhaft auf das Steuerverhalten aus.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Steuerkolben einen Kopf grösseren Durchmesser auf, dessen Unterseite die zweite Anschlagfläche bildet, die mit dem oberen Rand der Hohlnadel zusammenwirkt, wobei an dem Kopf von oben eine zweite Schliessfeder angreift (Anspruch 2). Das hat konstruktive Vorteile hinsichtlich der Bauhöhe und gestattet wegen der kurzen Toleranzkette eine besonders genaue Einstellung der Anschläge.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung besteht zwischen der zweiten Anschlagfläche und dem oberen Rand der Hohlnadel ein kleines Spiel, wenn Hohlnadel, Innennadel und Steuerkolben sich in Ruhestellung befinden (Anspruch 3). Die Wirkung des Spieles ist eine zweifache: Beim \ffnen der Hohlnadel genügt zuerst die Kraft auf die schmale Druckschulter der Hohlnadel, um die Kraft der Schliessfeder zu überwinden. Wenn das Spiel aufgebraucht ist, wirkt der Einspritzdruck auch auf die untere Kegelstumpffläche der Hohlnadel, dann aber auch entgegen der zweiten Schliessfeder. Durch die geringere Kraft der beim \ffnen zuerst allein wirkenden Schliessfeder der Hohlnadel ist aber auch der metallische Schlag beim Schliessen abgeschwächt.
Weiterhin wirkt das Spiel der Ausbildung von Kavitation, besonders an der Innennadel, entgegen. Es sichert bei entsprechend ausgelegten Federn einen genau definierten Schliessverlauf, wobei immer zuerst die Innennadel schliesst. Dabei ist die Quetschströmung aus dem Sitz der Innennadel in die Sitzzone der Hohlnadel gerichtet, wenn diese noch nicht ganz geschlossen ist. Das verzögert diese Quetschströmung, und gegebenenfalls auch eine durch Reflektion entstehende Rückströmung, so stark, dass in deren Nachlauf keine Kavitation mehr auftritt.
Im Rahmen der Erfindung können die Spritzbohrungen sehr verschieden bemessen und angeordnet sein. Wesentlich ist, dass in allen Betriebspunkten Anzahl und Querschnitt der freigelegten Spritzbohrungen die erforderliche Menge durchlassen und die erwünschte Strahlform erzeugen. So wird beispielsweise im Leerlauf und bei Teillast nur die Hohlnadel geöffnet, die Innennadel bleibt sitzen, bei hoher Last bis Vollast beide Nadeln, wobei der \ffnungsdruck der Innennadel vom Steuerdruck abhängt. Dabei kann durch die erfindungsgemäss geschaffende hydraulische Steuerung der Zeitablauf jeder Einspritzung genau und reproduzierbar eingestellt werden. Dadurch ist die Erfindung auch für Motoren aller Brennraumformen und Grössen, vom grossen Motor mit flachem Brennraum bis zum schnelllaufenden Motor mit Brennraummulde im Kolben, bestens geeignet.
In einer für Motoren mit flachem Brennraum grossen Durchmessers bevorzugten Ausführungsform ist der Querschnitt der der Hohlnadel zugeordneten Spritzbohrungen kleiner als der der Innennadel zugeordneten Spritzbohrungen, und die der Hohlnadel zugeordneten Spritzbohrungen gehen von einem Ringraum zwischen dem Sitz von Hohlnadel und Innennadel aus (Anspruch 4). Wegen des Zylinderdurchmessers und der deshalb erforderlichen Reichweite der Spritzstrahlen sind bei solchen Motoren sitzgebohrte Spritzbohrungen unüblich. Die der Hohlnadel zugeordneten Spritzbohrungen sind vom Druckraum her mit geringen Druckverlusten erreichbar, was eine bessere Anströmung der oberen Spritzbohrungen und eine grössere Reichweite der Einspritzstrahlen bei für diese Brennraumform ausreichender Zerstäubung gestattet.
Bis zu den der Innennadel zugeordneten Spritzbohrungen ist der Weg länger und daher sind die Drosselverluste grösser, was durch die grösseren Spritzbohrungen kompensiert werden kann. Ausserdem werden diese ja nur bei hoher Last freigegeben. Sonst sind sie geschlossen, dadurch können an ihnen keine Verkokungen auftreten. Schliesslich trägt der Ringraum mit der verminderten Anzahl in den Verbrennungsraum offener Bohrungen auch noch zur Aufschlagdämpfung der Hohlnadel bei.
In einer für Motoren mit Brennraummulde im Kolben vorteilhaften Ausführungsform sind die der Hohlnadel zugeordneten Spritzbohrungen sitzgebohrt und die Schliessfedern so bemessen, dass die Hohlnadel in der Stellung, in der das Spiel aufgebraucht ist, innehält (Anspruch 5). So kann im Zusammenwirken mit dem Spiel gemäss Anspruch 3 durch Dimensionierung der Federn die Einspritzung aus den der Hohlnadel zugeordneten Bohrungen moduliert werden, wie es etwa im EP-Patent 413 173 beschrieben ist. Solange das Spiel reicht, wird die Hohlnadel nur gegen die Kraft der eigenen Schliessfeder angehoben. Durch den geringen Abstand der konischen Dichtflächen entstehen in dieser ersten Hubphase extrem stark zerstäubte und aufgefächerte Einspritzstrahlen.
Erst bei weiterem Ansteigen des Einspritzdruckes hebt sich die Hohlnadel weiter, gegen die Kraft beider Schliessfedern, das ist die zweite Hubphase. Daran kann dann bei hoher Last und gesteuert durch den Steuerdruck das \ffnen der Innennadel anschliessen.
Die Verteilung der Spritzbohrungen auf zwei Ebenen hat bei modulierter Einspritzung noch den zusätzlichen Vorteil, dass weniger Spritzbohrungen über den Umfang verteilt sind, wodurch die buschigen Strahlen der ersten Hubphase einander nicht überschneiden können, was zu erhöhten Kohlenwasserstoffemissionen führen würde.
In weiterer Verfeinerung der Erfindung kann der Anschlag, an dem sich die Schliessfeder der Hohlnadel im Düsenkörper abstützt, noch verstellbar ausgeführt sein (Anspruch 6). Durch diese Verstellmöglichkeit kann beim Zusammenbau der Düse eine Eichung vorgenommen werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben und erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemässe Düse in geschlossener Stellung,
Fig. 2 Detail A der Fig. 1, vergrössert in einer ersten Ausführungsform,
Fig. 3 Detail A der Fig. 1, vergrössert in einer zweiten Ausführungsform,
Fig. 4 wie Fig. 1, jedoch in einer ersten Arbeitsstellung,
Fig. 5 wie Fig. 1, jedoch in einer zweiten Arbeitsstellung,
Fig. 6 wie Fig. 1, jedoch in einer dritten Arbeitsstellung.
Die in Fig. 1 teilweise dargestellte Einspritzdüse, sie könnte auch Teil einer Pumpendüse sein, ist der Düsenhalter mit 1 und der Düsenkörper mit 2 bezeichnet, beide werden von einer Überwurfmutter 3 zusammengehalten. Im Düsenkörper 2 führt eine Bohrung als Hochdruckleitung 4 zu einem Druckraum 5. Durch die Hochdruckleitung 4 wird der Brennstoff von einer nicht dargestellten Einspritzpumpe aus zugeführt. Der unterste Teil des Düsenkörpers 2 bildet eine Düsenkuppe 6, in deren Innerem ein oder mehrere Sitzkegel 7 vorgesehen sind. Von diesem gehen obere Spritzbohrungen 8 und untere Spritzbohrungen 9, in Fig. 1 nur durch deren Mittellinien dargestellt, aus.
Im Inneren des Düsenkörpers 2 ist eine Hohlnadel 10 axial beweglich und dicht geführt. Die Hohlnadel 10 ist im Druckraum mit einer Druckschulter 11 versehen, an der der Einspritzdruck angreift. Im Inneren der Hohlnadel 10 ist eine Innennadel 12 dichtend und längsverschieblich geführt, über ihr ein Steuerkolben 13, der aus Fertigungsgründen den gleichen Durchmesser aufweisen kann. Am unteren Ende des Steuerkolbens 13 ist eine Anschlagfläche 14 ausgebildet, die mit einem Zapfen 15 zusammenwirkt, der hier das obere Ende der Innennadel 12 ist. Ebensogut könnte der Zapfen 15 Teil des Steuerkolbens 13 und die Anschlagfläche 14 am oberen Ende der Innennadel 12 ausgebildet sein.
Zwischen dem Zapfen 15, dessen Durchmesser kleiner als der der Innennadel ist, und der Innenwand der Hohlnadel 10 ist eine Kammer 16 ausgebildet, die durch eine Querbohrung 17 der Hohlnadel hindurch mit einem Steuerkanal 18 in Verbindung steht, der von einer nicht dargestellten und separat steuerbaren Steuerdruckquelle mit variablem Druck beaufschlagbar ist.
Am oberen Ende des Steuerkolbens 13 ist ein Kopf 22 grösseren Durchmessers ausgebildet. Dieser weist an seiner Unterseite eine erste Anschlagschulter 23 auf, die mit dem oberen Rand 24 der Hohlnadel 10 zusammenwirkt. Auf dem oberen Rand 24 der Hohlnadel 10 stützt sich auch ein erstes Druckstück 25 mit einem Teil seiner Bodenfläche 26 auf. Auf dieses wirkt eine erste Schliessfeder 27 über einen Zentrierring 28. Der Hub des ersten Druckstückes 25 ist durch eine zweite Anschlagschulter 29 des Düsenhalters 1 begrenzt. Zwischen dem oberen Rand 24 der Hohlnadel 10 und der ersten Anschlagschulter 23 des Kopfes 22 besteht bei geschlossenen Düsennadeln 10, 12 ein kleines Spiel 30 von beispielsweise 15% des Hubes der Hohlnadel, auf dessen Wirkung später eingegangen wird.
Auf die Oberseite des Kopfes 22 wirkt über ein das erste Druckstück durchsetzendes zweites Druckstück 31 eine zweite Schliessfeder 32. Der Hub des zweiten Druckstückes 31 ist durch einen zweiten Anschlag 33 begrenzt, dessen obere Querplatte 34 sich an einer Stützschulter 35 des Düsenhalters abstützt. Die erste Schliessfeder 27 stemmt sich oben über einen Stützring 36 gegen den Düsenhalter 1. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist dieser Stützring 36 beispielsweise mittels nur angedeuteter Verstellschrauben 37 einstellbar. Diese Einstellmöglichkeit ist nur für das Justieren der Düse bei der Herstellung gedacht. Die Schliessfedern sind in Fig. 1 aus Gründen der Darstellung nur verkürzt eingezeichnet.
In Fig. 2 ist die Düsenkuppe 6 in einer Ausführungsform für Motoren mit einem flachen Brennraum grossen Durchmessers vergrössert dargestellt. Die Hohlnadel 10 endet unten in einem Kegelstumpf 40, der in Ruhe auf den Sitzkegel 7 gepresst wird. An den Kegelstumpf 40 schliesst sich eine achsnormale Abschlussfläche 41 an. Der Sitzkegel 7 ist in der Nähe der Abschlussfläche 41 durch eine Eindrehung 42 unterbrochen, die mit der Abschlussfläche 41 der Hohlnadel 10 und der Innennadel 12 eine Ringkammer 43 begrenzt. Von dieser gehen die oberen Spritzbohrungen 8 aus. Die Innennadel 12 ist in der Ringkammer 43 mit einer Schmalschulter 46 versehen, deren Durchmessersprung grössenordnungsmässig ein Zehntel des Durchmessers der Innennadel 12 ausmacht. Daran schliesst sich dann eine Kegelspitze 45 an, die in Ruhe ebenfalls auf den Sitzkegel 7 gepresst wird.
Die unteren Spritzbohrungen 9 sind sitzgebohrt und gehen von der Sitzfläche der Kegelspitze 45 des Sitzkegels 7 aus. Der kleine Sack an der Spitze des Sitzkegels 7 ist bearbeitungsbedingt. Einbuchtungen 47 an der Aussenseite der Spritzbohrungen 8, 9 gewährleisten einen sauberen Austritt des Strahles und ermöglichen eine Bemessung der Düsenkuppe 6 für besonders hohe Festigkeit.
Die Ausführungsform der Fig. 3 für Motoren mit einer Brennraummulde im Kolben unterscheidet sich davon nur dadurch, dass keine Ringkammer ausgebildet ist und dass die oberen Spritzbohrungen 8 min ebenfalls sitzgebohrt sind, also bei geschlossener Hohlnadel unter deren Kegelstumpffläche 40 min enden. Das gestattet die Modulierung der durch diese Spritzbohrungen 8 min austretenden Strahlen.
Die Arbeitsweise der erfindungsgemässen Düse wird im Folgenden beschrieben, wobei die jeweiligen Stellungen durch Indizes voneinander unterschieden sind:
Wenn, ausgehend von Fig. 1, die beide Düsennadeln 10, 12 in Ruhestellung zeigt, der Einspritzdruck ansteigt, hebt sich zuerst die Hohlnadel 10 gegen den Druck nur der ersten Schliessfeder 27, bis das Spiel 30 aufgebraucht ist. Die Innennadel 12 wird von der zweiten Schliessfeder 32 über das zweite Druckstück 31 und den Steuerkolben 13, der auf ihr aufsitzt, niedergehalten. Ob und wann sie angehoben wird, hängt von dem in der Kammer 16 herrschenden Steuerdruck ab. Ist dieser sehr hoch, etwa bei Leerlauf, wird ihr \ffnungsdruck überhaupt nicht erreicht und sie bleibt während der gesamten Einspritzung geschlossen. Ist der Steuerdruck sehr nieder, bei Vollast, ist ihr \ffnungsdruck nur von der zweiten Schliessfeder 32 bestimmt. Zwischen diesen beiden Extremen wird der Steuerdruck je nach Betriebspunkt variiert.
Im Folgenden wird der Ablauf für einen mittleren Steuerdruck entsprechend Teillast beschrieben.
In der in Fig. 4 gezeigten Stellung ist die Hohlnadel 10 etwas geöffnet und das Spiel 30 ist aufgebraucht. Soll die Hohlnadel 10 weiter öffnen, so muss nun auch die Kraft der zweiten Schliessfeder 32 überwunden werden. Es wirkt jedoch auch eine grössere Kraft auf die Hohlnadel 10, da der Einspritzdruck jetzt auch auf deren Kegelstumpffläche 40 (Fig. 2 bzw. Fig. 3) wirkt.
Es hängt somit von der Abstimmung der beiden Schliessfedern 27, 32 ab, wie lange die Hohlnadel 10 in dieser Stellung bleibt. Bleibt sie lange genug, und ist durch Wahl des Steuerdruckes sichergestellt, dass sich die Innennadel noch nicht hebt, so ist damit auch die Dauer einer ersten Phase bei modulierter Einspritzung festgelegt.
In Fig. 4 ist zu erkennen, dass die Hohlnadel 10 mit ihrem Druckstück 24 ihren Hub dann noch fortsetzen kann, bis ihr Druckstück 25 die zweite Anschlagschulter 29 erreicht. Die Innennadel 12 beginnt zu öffnen, sobald der auf die Schmalschulter 46 wirkende Einspritzdruck den in der Kammer 16 eingestellten Steuerdruck überwindet, was von der Bewegung der Hohlnadel vollkommen unabhängig ist.
Wenn diese beiden Bewegungen stattgefunden haben, ist die in Fig. 5 gezeigte vollkommen geöffnete Stellung erreicht. In dieser ist der Hub der Hohlnadel durch die zweite Anschlagschulter 29 begrenzt. Die Innennadel 12 hat die Anschlagfläche 14 erreicht, dann aber (bei sehr geringem Steuerdruck) noch den Steuerkolben 13 und das zweite Druckstück 31 weiter bis in die gezeigte Stellung 312 geschoben, in der der Anschlag 33 erreicht ist.
Wenn nun der Einspritzdruck zusammenbricht, beginnt das Schliessen der beiden Nadeln, das durch den eingestellten Steuerdruck in der Kammer 16 nicht behindert wird. Die Innennadel senkt sich unter dem Druck der zweiten Schliessfeder 32, bis der Kopf 22 mit seiner Anschlagschulter 23 den oberen Rand 24 der Hohlnadel 10 erreicht hat. Ab dieser in Fig. 6 gezeigten Stellung kann die Hohlnadel 10 die Innennadel 12 nicht mehr überholen. Dadurch ist sichergestellt, dass Letztere zuerst und nur durch die Kraft der zweiten Schliessfeder 32 den Sitz 7 erreicht. Der Aufschlag ist dadurch relativ sanft und wird ausserdem noch durch den Brennstoff zwischen dem Kegel 45 und dem Sitz 7 gedämpft. Im Moment des Aufschlages befindet sich die Hohlnadel 10 in dem durch das Spiel 30 bestimmten Abstand vom Sitz 7.
In den so gebildeten Spalt wird der verdrängte Brennstoff geschleudert und verliert so seine Geschwindigkeit, wodurch die Kavitationsgefahr in seinem Nachlauf gebannt ist. Aber auch der Aufschlag der Hohlnadel am Sitz 7 ist gedämpft: Die Hohlnadel wird nur von einer Feder (der ersten Schliessfeder 27), also mit weniger Kraft, abwärts gedrückt. Weiterhin wird sie auch durch das Brennstoffpolster abgebremst, wobei insbesondere bei Vorhandensein der Ringkammer 43 durch die reduzierte Anzahl Spritzbohrungen, die von ihr ausgehen, noch eine zusätzliche Bremswirkung erzielt wird.
Es ist zu erkennen, dass durch die erfindungsgemässe Gestaltung einerseits ein sanfter und doch präzise reproduzierbarer Bewegungsablauf und andererseits ein sehr breiter Steuerbereich auf niederem Druckniveau erzielt wird, der eine Anpassung an das gesamte Motorkennfeld erlaubt.
The invention relates to a fuel injection nozzle for internal combustion engines with a nozzle body, in each of which a hollow needle loaded by a closing spring and an inner needle guided in the interior thereof are arranged, both of which interact with conical seat surfaces of the nozzle body, the hollow needle and the inner needle each having a number of spray holes are assigned, and wherein a control device is provided in the nozzle body, which influences the movement of the nozzle needles independently of the instantaneous injection pressure, but depending on the position of the operating point in the engine map.
Such an injector is known from DE-PS 2 711 393. However, it can only be controlled with regard to pre-injection and main injection; in other words, both needles are opened in sequence with each injection. In this case, a very long inner needle is positively coupled in the axial direction to a control piston arranged above the closing spring for the hollow needle, a further closing spring acting on the control piston. The space under the control piston is connected to a source of controlled pressure which acts on the control piston against the closing direction and on the inner needle and the hollow needle in the closing direction. As the control pressure increases, the opening pressure of the inner needle decreases. As a result, the inner needle opens too late or not at all if the control pressure is lost, for example if the control system is defective or if the load changes suddenly.
The consequence of this is that the pressure in the nozzle rises so much that it can be destroyed.
Another disadvantage of this arrangement is that the control is carried out by adjusting the spring preload, which requires a large amount of control fluid at high pressure and extends the changeover time. Furthermore, the height of such a nozzle is considerable due to the spring arrangement and the long inner needle, and installation in a pump nozzle is not possible. Finally, the upper stop for the inner needle is very far away due to the long inner needle and its position cannot be precisely defined due to the long tolerance chain.
Another such injection nozzle is known from DE-OS 4 115 457. In this case, the inner needle is supported by a second closing spring on the hollow needle or on a stop cooperating with it. The adjusting device acts on a stop that limits the stroke of one of the two needles. The inner needle has a shoulder that cooperates with a shoulder of the hollow needle with play.
Due to the approach, the inner needle is hard and inevitably entrained along a certain path of the hollow needle. The clearance between shoulder and shoulder limits the stroke of the hollow needle without taking the inner needle with it. These forced runs restrict the adjustment options, especially if, in addition to the spray cross-section, the jet shape is also to be influenced, which means that it is not possible to adapt to the requirements of the entire engine map.
Other dynamic and hydrodynamic problems that occur with nozzles for the highest injection pressures are made even greater by the design with two concentric nozzle needles and therefore require additional measures. High injection pressures mean strong closing springs. By collapsing the injection pressure at the end of delivery, these produce hard metallic impacts when closing, which affects the service life. For hollow needles with their relatively small contact area, it is particularly harmful to hit the seat undamped. Due to the small footprint, the damping from the fuel underneath is only very low. But the damping caused by the fuel between the hitting surfaces also causes problems.
When nozzle needles hit their seat, a squeezing flow occurs, the speed of which increases explosively as the two seat surfaces approach. In their wake, a negative pressure develops, which leads to pronounced cavitation. With reflection, this effect can even be repeated. If the cavitation then gnaws on surfaces whose size determines the opening or closing pressure, the nozzle's functional accuracy is lost at an early stage in addition to wear.
Functional accuracy and its maintenance over the entire service life of a nozzle is of the utmost importance with regard to pollutant emissions. Minimizing emissions, especially of particles and hydrocarbons, in all operating conditions is the primary development goal of today's diesel injection technology. According to future emission regulations, limit values will also have to be adhered to after a certain service life. Adjustable stops approached at full speed, cavitation and long tolerance chains impair the functional accuracy, especially after a certain operating time.
It is therefore the object of the invention to provide a generic injection nozzle which allows the timing of the injection bore cross sections to be adapted to all operating states and thus the most precise control of the injection profile and jet shape, with the highest and long-term functional accuracy being achieved with the least possible design effort.
According to the invention this is achieved by the interaction of the characterizing features stated in the first claim.
Because a control piston is provided in the hollow needle above the inner needle, which has a first stop surface interacting with the upper end of the inner needle and a second stop surface interacting with the hollow needle, a very compact ensemble with small dimensions, small masses and small dimensions becomes first of all movement-relevant tolerances created. When the hollow needle is open, the control piston, which sometimes acts as a stop, is inevitably carried along by the second stop surface, but not the valve needle itself; the inner needle is then held down only by the variable control pressure that prevails in the chamber surrounding the first stop. The pressure in this chamber adjusts the closing force on the valve needle. In addition, the control liquid in the chamber has a damping effect.
In cooperation with the very narrow pressure shoulder at the transition between the conical end and the cylindrical part, it is achieved that a very low control pressure (in the order of magnitude less than a tenth of the injection pressure) is sufficient. This improves the control quality, reduces the control fluid leakage and enables the control medium to be easily supplied to the nozzle. This is also a particular economic advantage for fuel injectors for large to very large engines with a flat combustion chamber operated with heavy oil.
The benefit for the control quality lies not only in the lower forces and their easier controllability in a wider range, but also in the fact that the inner needle can open even when the pressure in the chamber is still high for small loads, but the injection pump is already set to full power and thus the highest injection pressure. As a result, there is no fear of the nozzle being destroyed and the control parameters can be selected for maximum accuracy. The very narrow pressure shoulder at the transition between the conical end and the cylindrical part of the inner needle ultimately also provides effective protection for the nozzle in the event of control failure.
Because the chamber to which the control fluid is applied is formed in the hollow needle at the height of the first stop surface, neither the movements of the hollow needle and the inner needle nor the pulsations in the injection pressure curve have any appreciable effect on the pressure in the chamber, especially when the control pressure is low, so great burden. This also has an advantageous effect on tax behavior.
In an advantageous development of the invention, the control piston has a head of larger diameter, the underside of which forms the second stop surface, which interacts with the upper edge of the hollow needle, a second closing spring acting on the head from above (claim 2). This has constructive advantages with regard to the overall height and, due to the short tolerance chain, allows the stops to be set particularly precisely.
In a particularly advantageous development, there is a small play between the second stop surface and the upper edge of the hollow needle when the hollow needle, inner needle and control piston are in the rest position (claim 3). The effect of the game is twofold: When opening the hollow needle, the force on the narrow pressure shoulder of the hollow needle is sufficient to overcome the force of the closing spring. When the game is used up, the injection pressure also acts on the lower truncated cone surface of the hollow needle, but then also against the second closing spring. Due to the lower force of the closing spring of the hollow needle, which initially acts alone when opened, the metallic impact when closing is also weakened.
Furthermore, the game counteracts the formation of cavitation, especially on the inner needle. With appropriately designed springs, it ensures a precisely defined closing process, whereby the inner needle always closes first. The squeezing flow is directed from the seat of the inner needle into the seat zone of the hollow needle if it is not yet completely closed. This delays this squeezing flow, and possibly also a backflow caused by reflection, so much that no cavitation occurs in its wake.
In the context of the invention, the spray bores can be dimensioned and arranged in very different ways. It is essential that the number and cross-section of the exposed spray holes allow the required amount to pass through and generate the desired jet shape at all operating points. For example, only the hollow needle is opened at idle and at partial load, the inner needle remains seated, both needles under high load to full load, the opening pressure of the inner needle depending on the control pressure. The timing of each injection can be set precisely and reproducibly by the hydraulic control according to the invention. As a result, the invention is also ideally suited for engines of all combustion chamber shapes and sizes, from the large engine with a flat combustion chamber to the high-speed engine with a combustion chamber trough in the piston.
In a preferred embodiment for engines with a flat combustion chamber of large diameter, the cross section of the spray bores assigned to the hollow needle is smaller than the spray bores assigned to the inner needle, and the spray bores assigned to the hollow needle assume an annular space between the seat of the hollow needle and the inner needle (claim 4). Due to the cylinder diameter and the required range of the spray jets, seat-drilled spray bores are unusual in such engines. The spray bores assigned to the hollow needle can be reached from the pressure chamber with low pressure losses, which allows a better flow to the upper spray bores and a greater range of the injection jets with atomization sufficient for this combustion chamber shape.
The distance to the spray holes assigned to the inner needle is longer and therefore the throttling losses are greater, which can be compensated for by the larger spray holes. In addition, these are only released under high loads. Otherwise they are closed, so that no coking can occur on them. Finally, the annular space with the reduced number of holes that are open in the combustion chamber also contributes to the impact absorption of the hollow needle.
In an embodiment which is advantageous for engines with a combustion chamber trough in the piston, the injection bores assigned to the hollow needle are drilled and the closing springs are dimensioned such that the hollow needle pauses in the position in which the play is used up (claim 5). In cooperation with the game according to claim 3, the injection from the holes assigned to the hollow needle can be modulated by dimensioning the springs, as is described, for example, in EP patent 413 173. As long as the game lasts, the hollow needle is only raised against the force of its own closing spring. The small distance between the conical sealing surfaces creates extremely strongly atomized and fanned out injection jets in this first stroke phase.
Only when the injection pressure rises further does the hollow needle continue to rise, against the force of both closing springs, which is the second stroke phase. This can then be followed by the opening of the inner needle under high load and controlled by the control pressure.
The distribution of the spray holes on two levels with modulated injection has the additional advantage that fewer spray holes are distributed over the circumference, so that the bushy jets of the first stroke phase cannot overlap, which would lead to increased hydrocarbon emissions.
In a further refinement of the invention, the stop on which the closing spring of the hollow needle is supported in the nozzle body can be made adjustable (claim 6). This adjustment option allows calibration to be carried out when assembling the nozzle.
The invention is described and explained below with reference to the drawing. Show it:
1 shows a longitudinal section through a nozzle according to the invention in the closed position,
2 detail A of FIG. 1, enlarged in a first embodiment,
3 detail A of FIG. 1, enlarged in a second embodiment,
4 like FIG. 1, but in a first working position,
5 like FIG. 1, but in a second working position,
Fig. 6 as Fig. 1, but in a third working position.
The injection nozzle partially shown in FIG. 1, it could also be part of a pump nozzle, the nozzle holder is denoted by 1 and the nozzle body by 2, both of which are held together by a union nut 3. A bore in the nozzle body 2 leads as a high-pressure line 4 to a pressure chamber 5. The fuel is supplied from an injection pump (not shown) through the high-pressure line 4. The lowermost part of the nozzle body 2 forms a nozzle tip 6, inside which one or more seat cones 7 are provided. Upper spray bores 8 and lower spray bores 9, shown in FIG. 1 only by their center lines, emanate from this.
In the interior of the nozzle body 2, a hollow needle 10 is axially movable and tightly guided. The hollow needle 10 is provided in the pressure chamber with a pressure shoulder 11 on which the injection pressure acts. Inside the hollow needle 10, an inner needle 12 is sealingly and longitudinally displaceable, above it a control piston 13, which can have the same diameter for manufacturing reasons. At the lower end of the control piston 13, a stop surface 14 is formed which cooperates with a pin 15, which here is the upper end of the inner needle 12. The pin 15 could also be part of the control piston 13 and the stop surface 14 at the upper end of the inner needle 12.
Between the pin 15, the diameter of which is smaller than that of the inner needle, and the inner wall of the hollow needle 10, a chamber 16 is formed, which is connected through a transverse bore 17 of the hollow needle to a control channel 18, which is controlled by a not shown and separately controllable Control pressure source with variable pressure can be applied.
A head 22 of larger diameter is formed at the upper end of the control piston 13. This has a first stop shoulder 23 on its underside, which interacts with the upper edge 24 of the hollow needle 10. A first pressure piece 25 with a part of its bottom surface 26 is also supported on the upper edge 24 of the hollow needle 10. A first closing spring 27 acts on this via a centering ring 28. The stroke of the first pressure piece 25 is limited by a second stop shoulder 29 of the nozzle holder 1. Between the upper edge 24 of the hollow needle 10 and the first stop shoulder 23 of the head 22, when the nozzle needles 10, 12 are closed, there is a small play 30 of, for example, 15% of the stroke of the hollow needle, the effect of which will be discussed later.
A second closing spring 32 acts on the top of the head 22 via a second pressure piece 31 passing through the first pressure piece. The stroke of the second pressure piece 31 is limited by a second stop 33, the upper cross plate 34 of which is supported on a support shoulder 35 of the nozzle holder. The first closing spring 27 braces against the nozzle holder 1 at the top via a support ring 36. In the exemplary embodiment shown, this support ring 36 can be adjusted, for example, by means of adjusting screws 37 which are only indicated. This setting option is only intended for adjusting the nozzle during manufacture. The closing springs are only shown in abbreviated form in FIG. 1 for the sake of illustration.
2, the nozzle tip 6 is shown enlarged in an embodiment for engines with a flat combustion chamber of large diameter. The hollow needle 10 ends at the bottom in a truncated cone 40, which is pressed onto the seat cone 7 at rest. An axially normal end face 41 adjoins the truncated cone 40. The seat cone 7 is interrupted in the vicinity of the end face 41 by an indentation 42 which delimits an annular chamber 43 with the end face 41 of the hollow needle 10 and the inner needle 12. The upper spray bores 8 emanate from this. The inner needle 12 is provided in the annular chamber 43 with a narrow shoulder 46, the diameter jump of which is of the order of magnitude one tenth of the diameter of the inner needle 12. This is followed by a cone tip 45, which is also pressed onto the seat cone 7 at rest.
The lower spray bores 9 are seat drilled and extend from the seat surface of the cone tip 45 of the seat cone 7. The small sack at the top of the seat cone 7 is due to processing. Indentations 47 on the outside of the spray bores 8, 9 ensure a clean exit of the jet and allow the nozzle tip 6 to be dimensioned for particularly high strength.
The embodiment of FIG. 3 for engines with a combustion chamber trough in the piston differs from it only in that no annular chamber is formed and in that the upper spray bores are also seat-drilled for 8 minutes, that is to say 40 minutes under the frustoconical surface of the hollow needle. This allows the rays emerging through these spray holes to be modulated for 8 minutes.
The method of operation of the nozzle according to the invention is described below, the respective positions being distinguished from one another by indices:
If, starting from FIG. 1, which shows both nozzle needles 10, 12 in the rest position, the injection pressure rises, the hollow needle 10 first rises against the pressure of only the first closing spring 27 until the game 30 is used up. The inner needle 12 is held down by the second closing spring 32 via the second pressure piece 31 and the control piston 13 which rests on it. Whether and when it is raised depends on the control pressure prevailing in the chamber 16. If this is very high, for example when idling, its opening pressure is not reached at all and it remains closed during the entire injection. If the control pressure is very low, at full load, its opening pressure is only determined by the second closing spring 32. Between these two extremes, the control pressure is varied depending on the operating point.
The procedure for an average control pressure corresponding to part load is described below.
In the position shown in Fig. 4, the hollow needle 10 is slightly open and the game 30 is used up. If the hollow needle 10 is to open further, the force of the second closing spring 32 must now also be overcome. However, a greater force also acts on the hollow needle 10, since the injection pressure now also acts on its truncated cone surface 40 (FIGS. 2 and 3).
It therefore depends on the coordination of the two closing springs 27, 32 how long the hollow needle 10 remains in this position. If it stays long enough and if the control pressure is selected to ensure that the inner needle is not yet raised, then the duration of a first phase with modulated injection is also determined.
In FIG. 4 it can be seen that the hollow needle 10 can then continue its stroke with its pressure piece 24 until its pressure piece 25 reaches the second stop shoulder 29. The inner needle 12 begins to open as soon as the injection pressure acting on the narrow shoulder 46 overcomes the control pressure set in the chamber 16, which is completely independent of the movement of the hollow needle.
When these two movements have taken place, the fully open position shown in FIG. 5 is reached. In this, the stroke of the hollow needle is limited by the second stop shoulder 29. The inner needle 12 has reached the stop surface 14, but then (with a very low control pressure) pushed the control piston 13 and the second pressure piece 31 further into the position 312 shown, in which the stop 33 has been reached.
When the injection pressure collapses, the two needles begin to close, which is not hindered by the set control pressure in the chamber 16. The inner needle lowers under the pressure of the second closing spring 32 until the head 22 with its stop shoulder 23 has reached the upper edge 24 of the hollow needle 10. From this position shown in FIG. 6, the hollow needle 10 can no longer overtake the inner needle 12. This ensures that the latter reaches the seat 7 first and only by the force of the second closing spring 32. The impact is therefore relatively gentle and is also dampened by the fuel between the cone 45 and the seat 7. At the moment of the impact, the hollow needle 10 is at a distance from the seat 7 determined by the game 30.
The displaced fuel is thrown into the gap formed in this way and thus loses its speed, as a result of which the risk of cavitation is eliminated in its wake. But the impact of the hollow needle on seat 7 is also damped: the hollow needle is only pressed down by one spring (the first closing spring 27), that is to say with less force. Furthermore, it is also braked by the fuel cushion, with an additional braking effect being achieved in particular if the annular chamber 43 is present due to the reduced number of spray bores that emanate from it.
It can be seen that the design according to the invention on the one hand achieves a smooth and yet precisely reproducible movement sequence and on the other hand a very wide control range at a low pressure level, which allows adaptation to the entire engine map.