EP0575887B1 - Einspritzeinrichtung - Google Patents

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EP0575887B1
EP0575887B1 EP93109661A EP93109661A EP0575887B1 EP 0575887 B1 EP0575887 B1 EP 0575887B1 EP 93109661 A EP93109661 A EP 93109661A EP 93109661 A EP93109661 A EP 93109661A EP 0575887 B1 EP0575887 B1 EP 0575887B1
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EP
European Patent Office
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nozzle
injection
piston
nozzle needle
fuel
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EP93109661A
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Reinhard Häfner
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Caterpillar Motoren GmbH and Co KG
Original Assignee
Krupp Mak Maschinenbau GmbH
MaK Motoren GmbH and Co KG
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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
    • F02M43/00—Fuel-injection apparatus operating simultaneously on two or more fuels, or on a liquid fuel and another liquid, e.g. the other liquid being an anti-knock additive
    • F02M43/04—Injectors peculiar thereto
    • 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
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/44—Valves, e.g. injectors, with valve bodies arranged side-by-side

Definitions

  • the invention relates to an injection device for internal combustion engines, in particular diesel engines with injection valves for fuel or ignition oil and highly compressed fuel gas.
  • EP-A-237071 which forms the closest prior art, discloses an injection device with two injection nozzles of the generic type, in which the first and second nozzle needles are loaded via a spring.
  • the problem here is, in addition to the large design by the spring, to control short periods of time in a reliable manner.
  • the object of the invention is to provide an injection device for engines with which a particularly favorable injection behavior can be achieved and where a first and a second injection valve are to be accommodated in a small space.
  • the main advantages achieved with the invention are that the two injection nozzles are combined in one holder and thus an efficient injection system for fuel gas and fuel or ignition oil is achieved with little space requirement. This is essentially achieved by using a hydraulic load on the first and second nozzle needles instead of the large steel springs.
  • the diameter of the nozzle needles and the diameter of the first and second pistons can be managed with one and the same hydraulic closing pressure by suitable selection.
  • the fuel to be ignited is always injected in the direction in which the ignition source produces the ignition source. This contributes significantly to the good mixing of fuel and air.
  • the wish described in this way can hardly be accepted two different injection nozzles and so far only very difficult to represent with double nozzles or multiple nozzles.
  • the jet positions of gas nozzles and pre-injection nozzles which in turn can also be the main nozzle in pure diesel operation, are so directed that the jets meet spatially in a common plane and a circular line or distance line lying thereon.
  • the two injection nozzles are arranged side by side in a common nozzle holder which is combined with a segment having the double piston device and the corresponding pressure bores and channels via a threaded sleeve which is connected to a connecting element in which the supply channels are arranged.
  • the injection device essentially comprises, in a holder 1, two injection valves 2 and 3, which comprise nozzle needles 4 and 5 and open or close spray holes 36, 37 in nozzle element 35 and 34.
  • One injection valve 2 is designed for supplying fuel or ignition oil and the other injection valve 3 is designed for supplying fuel gas into the cylinder.
  • the holder 1 is connected to a segment 8 via a threaded sleeve 9 with a connecting element 10.
  • this channel 11 and 12 are provided for the supply of a closing pressure S and a control pressure Z in the segment 8, in which the channels are continued.
  • the injection valve 3 has a double-piston device D, which is arranged coaxially to the nozzle needle 5 and can be acted upon by a closing pressure S via the channel 11 and a control pressure Z via the channel 12.
  • the device D comprises a first piston 30 with a larger diameter and a piston 31 with a smaller diameter, which rests on the nozzle needle 5.
  • the channel 12 enters the control pressure Z, the channel 11 opening into a space 13 at the end of the larger piston 30.
  • Further channels 14 are used for supplying fuel gas to the valve 3, which enter an annular space 16 below the nozzle needle 5.
  • the further valve 2 for supplying fuel or pilot oil in the holder 1 comprises the nozzle needle 4, the head 17 of which dips into a space 18 which is connected to a channel 19, via which the nozzle needle 4 can be acted upon by a closing pressure S from the channel 11 .
  • a transverse channel 20 is e.g. in the parting plane between the connecting element 10 and the segment 8. a milling is provided.
  • the fuel or ignition oil is supplied to valve 2 in an annular space 21 via a further channel 23.
  • the fuel gas which is prestressed under high pressure, flows through the two gas channels 14 into the annular space 16 of the nozzle 5 together with the nozzle needle and acts there on the shoulder 5a of the nozzle needle 5 with the aim of lifting it up.
  • the small piston 31, pressed by the larger piston 30, acts opposite the exhaust gas pressure G against the needle 5 under the closing pressure S supplied via the channel 11.
  • the space 18 above the nozzle needle 4 is connected to the closing pressure channel 11 e.g. through the transverse channel 20 connected to the channel 19 so that the needle 4 is held tightly against its seat 32 against the gas pressure of the cylinder. If the quantity of ignition oil or also the normal quantity of diesel is pumped through the channel 23 under the shoulder 4a of the nozzle needle 4, the pressure rising there will move the nozzle needle upwards and the ignition oil injection process or the diesel fuel injection process takes place.
  • the ignition oil nozzles 34 and the gas nozzle 35 have spray holes 36 and 37 which are directed in a defined manner and are each arranged largely uniformly distributed.
  • the gas jets 38 emerging from the spray holes 36 and the fuel jets 39 emerging from the spray holes 37 therefore meet in a common plane E on a circular line K in an area or at a point.
  • the center of the circle M lies between the two nozzle needles 4 and 5, so that the jets meet at approximately the same distance from this center M.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Einspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren mit Einspritzventilen für Kraftstoff bzw. Zündöl und hochverdichtetem Brenngas.
  • Es sind Ausführungen sowohl bei Zweitakt- als auch bei Viertaktmotoren bekannt, in denen hochverdichtetes Brenngas nahe dem Zünd-OT-Punkt durch Düsen eingespritzt wird, um von einem Zündölstrahl aus einer anderen Düse bzw. einem anderen Düsenteil gezündet zu werden.
  • In der EP-A-237071, die den nächstkommenden Stand de Technik bildet, ist eine Einspritzeinrichtung mit zwei Einspritzdüsen der gattunggemäßen Art bekannt, bei denen über eine Feder die erste und zweite Düsennadel belastet wird. Das Problem hierbei ist es, neben der großen Bauweise durch die Feder, betriebssicher kurze Zeitabschnitte entsprechend zu steuern.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einspritzeinrichtung für Motoren zu schaffen, mit dem ein besonders günstiges Einspritzverhalten erzielbar ist und wobei ein erstes und ein zweites Einspritzventile auf kleinem Raum unterzubringen sind.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weiter vorteilhafte Merkmale beinhalten die Unteransprüche.
  • Die mit der Erfindung hauptsächlich erzielten Vorteile bestehen darin, daß die beiden Einspritzdüsen in einem Halter zusammengefaßt sind und somit bei wenig Raumbeanspruchung ein leistungsfähiges Einspritzsystem für Brenngas und Kraftstoff bzw. Zündöl erzielt wird. Dies wird im wesentlichen dadurch erreicht, daß statt der großbauenden Stahlfedern eine hydraulische Belastung der ersten und zweiten Düsennadeln verwendet wird.
  • Das Problem, betriebssicher den sehr kurzen Zeitquerschnitt zu öffnen, den man braucht, um die richtige Gasmenge ausströmen zu lassen, wird dadurch gelöst, daß mit Hilfe einer gängigen, mit Steuerkanten behafteten Einspritzpumpe den hydraulischen Druck, der auf das Einspritzventil für den Gasbetrieb wirkt, durch ein Doppelkolbensystem abzubauen. Je nach notwendiger Steuerdauer wird der größere der beiden Doppelkolben, entsprechend der in dieser Zeit geförderten Steuermenge mehr oder weniger stark abgehoben, um dann bei Förderende der Steuerpumpe wieder zurückzufallen, um das Steuernadelventil der Gasdüse zu verschließen.
  • Um ein möglichst einfaches System für die hydraulische Belastung der ersten und zweiten Düsennadeln zu finden, ist durch geeignete Auswahl der Durchmesser der Düsennadeln und der Durchmesser der ersten und zweiten Kolben mit ein und demselben hydraulischen Schließdruck auszukommen.
  • Es hat sich weiterhin herausgestellt, daß es vorteilhaft ist, daß der zu entzündende Kraftstoff immer in die Richtung gespritzt wird, wo durch den Zündkraftstoff der Zündherd entsteht. Es trägt dies ganz wesentlich zur guten Vermischung von Kraftstoff und Luft bei. Der so geschilderte Wunsch kann in der Regel kaum mit zwei unterschiedlichen Einspritzdüsen und bisher nur sehr schwierig mit Doppeldüsen oder Mehrfachdüsen dargestellt werden. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, daß die Strahllagen von Gasdüsen und Voreinspritzdüsen, die ihrerseits auch im reinen Dieselbetrieb Hauptdüse sein kann, so gelenkt werden, daß sich die Strahlen räumlich in einer gemeinsamen Ebene und einer darauf liegenden Kreislinie bzw. Abstandslinie treffen.
  • Die beiden Einspritzdüsen sind nebeneinander in einem gemeinsamen Düsenhalter angeordnet, der mit einem die Doppelkolbeneinrichtung sowie die entsprechenden Druckbohrungen und Kanäle aufweisendes Segment über eine Gewindehülse zusammengefaßt ist, die mit einem Anschlußelement, in dem die Zuführungskanäle angeordnet sind, verbunden ist.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
    • Fig. 1
    einen Längsschnitt durch einen Halter mit dem ersten und zweiten Einspritzventilen,
    Fig. 2
    einen Querschnitt nach der Linie II-II der Fig. 1,
    Fig. 3
    einen Querschnitt nach der Linie III-III der Fig. 2,
    Fig. 4
    eine Draufsicht auf ein Strahlbild der Brenngase und der Kraftstoffe bzw. Zündöle u n d
    Fig. 5
    eine Vorderansicht des Strahlbildes mit in der Ebene auftreffenden Strahlen.
  • Die Einspritzeinrichtung umfaßt im wesentlichen in einem Halter 1 zusammengefaßt zwei Einspritzventile 2 und 3, die Düsennadeln 4 und 5 umfassen und Spritzlöcher 36, 37 im Düsenelement 35 und 34 freigeben bzw. schließen.
  • Das eine Einspritzventil 2 ist zur Zuführung von Brennkraftstoff bzw. Zündöl und das weitere Einspritzventil 3 ist zur Zuführung von Brenngas in den Zylinder ausgelegt.
  • Der Halter 1 ist mit einem Segment 8 über eine Gewindehülse 9 mit einem Anschlußelement 10 verbunden. In diesem sind Kanäle 11 und 12 für die Zuführung von einem Schließdruck S und einem Steuerdruck Z in das Segment 8 vorgesehen, in dem die Kanäle weitergeführt sind.
  • Das Einspritzventil 3 weist eine Doppelkolbeneinrichtung D auf, die koaxial zur Düsennadel 5 angeordnet ist und einerseits über den Kanal 11 mit einem Schließdruck S und andererseits über den Kanal 12 mit einem Steuerdruck Z beaufschlagbar ist.
  • Die Einrichtung D umfaßt einen im Durchmesser größeren ersten Kolben 30 und einen im Durchmesser kleineren Kolben 31, der sich an der Düsennadel 5 anliegt.
  • In dem Raum R zwischen den beiden Kolben 30 und 31 tritt der Kanal 12 für den Steuerdruck Z ein, wobei der Kanal 11 endseitig des größeren Kolbens 30 in einen Raum 13 einmündet. Weitere Kanäle 14 dienen zur Brenngaszuführung in das Ventil 3, welche in einen Ringraum 16 unterhalb der Düsennadel 5 eintreten.
  • Das weitere Ventil 2 zur Kraftstoff- bzw. Zündölzuführung im Halter 1 umfaßt die Düsennadel 4, deren Kopf 17 in einen Raum 18 eintaucht, der mit einem Kanal 19 verbunden ist, über den die Düsennadel 4 mit einem Schließdruck S aus dem Kanal 11 beaufschlagbar ist. Zur Verbindung dieser beiden Kanäle 11 und 19 ist in der Trennebene zwischen dem Anschlußelement 10 und dem Segment 8 ein Querkanal 20 z.B. eine Fräsung vorgesehen. Die Zuführung des Brennkraftstoffes bzw. Zündöls zum Ventil 2 erfolgt in einem Ringraum 21 über einen weiteren Kanal 23.
  • Im Halter 1 sind zwei Düsennadeln 4 und 5 dargestellt. Durch die zwei Gaskanäle 14 strömt das, unter hohem Druck vorgespannte Brenngas in den Ringraum 16 der Düse 5 samt Düsennadel und wirkt dort auf die Schulter 5a der Düsennadel 5 mit dem Ziel, diese hochzuheben. Im Zwischensegment 8 wirkt der kleine Kolben 31, gepreßt vom größeren Kolben 30, unter dem über den Kanal 11 zugeführten Schließdruck S dem Abgasdruck G entgegengesetzt auf die Nadel 5.
  • Wird nun von einer Steuerpumpe P aus eine Menge von Steueröl über den Kanal 12 und den anschließenden Kanal 12a dem Doppelkolbenzwischenraum R zugeführt, so wird beim Ansteigen des dortigen Druckes sich der größere Kolben 30 vom kleineren Kolben 31 wegbewegen, so daß auf die Düsennadel 5 nur noch eine relativ kleine Kraft wirkt, die aus dem Steueröldruck und der Stirnfläche des kleinen Kolbens 31 entsteht. Es kann dann der anstehende Gasdruck G über die vorgenannte Schulter 5a die Nadel 5 hochheben. Wenn die Steuerpumpe P dann Förderende hat, wird der große Kolben 30 sofort wieder durch den Schließdruck aus der Leitung 11 nach unten gedrückt und die Nadel 5 schließt sich, womit die Gaszufuhr aus der Leitung 14 gestoppt wird.
  • Der Raum 18 über der Düsennadel 4 ist mit dem Schließdruckkanal 11 z.B. durch den Querkanal 20 mit dem Kanal 19 verbunden, so daß die Nadel 4 gegenüber dem Gasdruck des Zylinders, dicht auf ihrem Sitz 32 gehalten wird. Wird nun die Zündölmenge oder auch die normale Dieselmenge durch den Kanal 23 unter die Schulter 4a der Düsennadel 4 gepumpt, so wird der dort ansteigende Druck die Düsennadel nach oben bewegen und der Zündöleinspritzvorgang oder der Dieselkraftstoffeinspritzvorgang erfolgt.
  • Wie die Figuren 4 und 5 näher zeigen, weisen die Zündöldüsen 34 sowie die Gasdüse 35 definiert gerichtete Spritzlöcher 36 und 37 auf, die jeweils weitgehend gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Die aus den Spritzlöchern 36 austretenden Gasstrahlen 38 sowie die aus den Spritzlöchern 37 austretenden Kraftstoffstrahlen 39 treffen deshalb in einer gemeinsamen Ebene E auf einer Kreislinie K in einem Bereich bzw. in einem Punkt zusammen. Der Kreismittelpunkt M liegt zwischen den beiden Düsennadeln 4 und 5, so daß die Strahlen sich in einem etwa gleichen Abstand von diesem Mittelpunkt M treffen.

Claims (8)

  1. Einspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren mit Einspritzventilen (2,3) für Kraftstoff bzw. Zündöl und hochverdichtetem Brenngas, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Düsennadel (4) eines ersten Einspritzventils (2) und eine zweite Düsennadel (5) eines zweiten Einspritzventils (3) von einem gemeinsamen hydraulischen Schließdruck (S) beaufschlagbar sind, welcher einerseits über eine Doppelkolbeneinrichtung (D) mit einem ersten Kolben (30) und einem zweiten Kolben (31) auf die zweite Düsennadel (5) in der einen Einspritzdüse (35) für Brenngas und andererseits unmittelbar auf die erste Düsennadel (4) in der weiteren Einspritzdüse (34) für Kraftstoff bzw. Zündöl einwirkt und daß die beiden Kolben (30, 31) der Doppelkolbeneinrichtung (D) einem definierten Steuerdruck (Z) ausgesetzt sind, der dem Schließdruck (S) und dem Brenngasdruck (G) während des Einspritzvorgangs überlagert ist und daß über den Steuerdruck (Z) eine Öffnungs- und Schließstellung der zweiten Düsennadel (5) einleitbar ist, wobei die erste Düsennadel (4) zum Öffnen entgegen dem Schließdruck (S) vom über einen Kanal (23) zugeführten Kraftstoff bzw. Zündöl beaufschlagbar ist.
  2. Einspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppelkolbeneinrichtung (D) einen im Durchmesser größeren ersten Kolben (30) aufweist, der mit einem im Durchmesser kleineren zweiten Kolben (31) zusammenwirkt, in der Weise, daß der erste Kolben (30) entgegengesetzt des Schließdruckes (S) bewegbar ist und an der zweiten Düsennadel (5) anliegt und bei Brenngasbeaufschlagung entgegen dem Steuerdruck (Z) zur Erzielung einer Öffnungsstellung der zweiten Düsennadel (5) verschiebbar ist.
  3. Einspritzeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß ein den Schließdruck (S) zum ersten Kolben (30) der Doppelkolbeneinrichtung (D) des zweiten Einspritzventils (3) führender erster Zuführkanal (11) über einen Querkanal (20) mit einem weiteren Kanal (19) verbunden ist, der zu dem ersten Einspritzventil (2) führt.
  4. Einspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Düsenhalter (1) zwei Düsennadeln (4, 5) als der ersten und der zweiten Düsennadeln (4, 5) nebeneinander angeordnet sind, wobei die zweite Düsennadel (5) zur Gaszuführung und die erste Düsennadel (4) zur Kraftstoff- bzw. Zündölzuführung ausgeführt ist.
  5. Einspritzeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenhalter (1) mit einem die Doppelkolbeneinrichtung (D) sowie einen zweiten Zuführkanal (12) und den weiteren Kanal (1) für den Schließ- und Steuerdruck aufweisenden Segment (8) über eine Gewindehülse (9) zusammengehalten ist, die einen Flansch des Düsenhalters (1) hintergreift und mit einem Anschlußelement (10) verbunden ist, das die Zuführkanäle (11, 12) des Schließ- und Steuerdruckes aufweist.
  6. Einspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß konzentrisch um die zweite Düsennadel (5) mehrere erste Düsennadeln (4) für den Kraftstoff angeordnet sind.
  7. Einspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Spritzlöcher (36, 37) in den beiden Einspritzdüsen (35, 34) jeweils gleichmäßig verteilt angeordnet sind und sich die austretenden Strahlen (38, 39) aus der einen Einspritzdüse (35) und der weiteren Einspritzdüse (34) in einer gemeinsamen Ebene (E) und auf einer gleichen Kreislinie (K) treffen und der Kreis seinen Mittelpunkt (M) zwischen den beiden Einspritzdüsen (34, 35) aufweist.
  8. Einspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Raum zwischen dem hinteren Ende der zweiten Düsennadel (5) und dem zweiten Kolben (31) der Doppelkolbeneinrichtung (D) mit einer Leckbohrung (33) verbunden ist.
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