EP0612374B1 - Fuel injection nozzle with additive injection for diesel engines - Google Patents

Abstract

A fuel injection nozzle for internal combustion engines is designed to inject an amount of additive between a preliminary amount and a main amount of injected fuel, so as to favourably influence the smoothness of operation and the course of the combustion. In order to ensure a reproducible separation of the amount of additive from both the preliminary and main amounts of fuel injected, the injection nozzle is provided with an intermediate chamber (26) for the liquid additive arranged in a nozzle body (1) between a pressure chamber (21) and a prechamber (25) for the main fuel. Throttling slots (28, 31) separate the intermediate chamber (26) from the prechamber (25) and from the pressure chamber (21) in the closing position of the valve needle (1), in which an amount of additive is fed into the intermediate chamber, displacing the main fuel into the pressure chamber (21). The additive is fed into the intermediate chamber (26) through an axial supply channel (36) and through radial bores (35) arranged in the nozzle needle (11).

Description

Translated fromGerman

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftstoff-Einspritzdüse mitAdditiveinspritzung für Dieselmotoren nach dem Oberbegriff des Anspruchs1. Um den Verbrennungsverlauf bei Dieselmotoren so zu beeinflussen,daß die Gangruhe erhöht und die Emmission von Stickoxidenvermindert wird, ist es aus der DE 925 139 C bekannt, den Kraftstoffin zwei zeitlich getrennten Zeiträumen und dazwischen dasAdditiv, beispielsweise Wasser, in den Brennraum einzuspritzen. Diezum Durchführen dieses Verfahrens bekannte Einspritzdüse hat einenVorraum zum Abteilen der Voreinspritzmenge und einen Druckraum, inden der Zulaufkanal für den Kraftstoff und der Zulaufkanal für dasAdditiv münden (Figur 4), bzw. einen Ringkanal, der die Additiv-Zulaufbohrungmit der Kraftstoff-Zulaufbohrung verbindet (Figur 3).Während der Einspritzpause wird eine Additivmenge in die Druckkammerbzw. in die Zulaufbohrung gedrückt und dort zwischengelagert.Während der Einspritzphase wird dann die zwischengelagerte Additivmengevom mit Hochdruck geförderten Kraftstoff nach Verdrängenund Einspritzen der Voreinspritzmenge in den Brennraum vor dem Einspritzender Hauptkraftstoffmenge eingespritzt.The invention relates to a fuel injectorAdditive injection for diesel engines according to the preamble of theclaim1. In order to influence the course of combustion in diesel engines in this way,that the gait increases and the emission of nitrogen oxidesis reduced, it is known from DE 925 139 C, the fuelin two separate periods and in between thatInject additive, for example water, into the combustion chamber. Theknown for performing this method has an injectorAntechamber for dividing the pre-injection quantity and a pressure chamber, inthe the inlet channel for the fuel and the inlet channel for theAdditive open (Figure 4), or an annular channel that the additive inlet boreconnects to the fuel inlet bore (Figure 3).During the injection break, an amount of additive is added to the pressure chamberor pressed into the inlet bore and temporarily stored there.During the injection phase, the intermediate amount of additive is thenof the high-pressure fuel after displacementand injecting the pre-injection quantity into the combustion chamber before the injectionof the main amount of fuel injected.

Dabei ist es wesentlich, daß die Trennung zwischen dem Einspritzender die Zündung einleitenden Voreinspritzmenge, des Additivs und derHauptkraftstoffmenge reproduzierbar ist.It is essential that the separation between the injectionthe pilot injection quantity initiating the ignition, the additive and theMain amount of fuel is reproducible.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzdüse mit denMerkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß die erforderlicheAdditivmenge bei jedem Arbeitstakt in richtiger Schichtung eingelagertund eingespritzt wird. Ferner ist ihr Aufbau und ihr Betriebsehr einfach.The fuel injector according to the invention with theFeatures ofclaim 1 has the advantage that the requiredAdditive quantity stored in the correct stratification with every work cycleand is injected. Furthermore, their structure and operationvery easy.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafteWeiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Einspritzdüsenmöglich. Insbesondere ermöglicht die Ausbildung nach Anspruch 2 einegezielte Zuführung und konzentrierte Zwischenlagerung des Additivsim Zwischenraum. Eine einfache Herstellung des Vorraums und desZwischenraums ist durch die Ausbildung nach Anspruch 4 gegeben.The measures specified in the subclaims are advantageousDevelopments of the injection nozzles specified inclaim 1possible. In particular, the training according to claim 2 enablestargeted supply and concentrated intermediate storage of the additivein the space. A simple manufacture of the vestibule and theGap is given by the training according to claim 4.

Zeichnungdrawing

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestelltund wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen die Figur1 die brennraumseitige Hälfte einer Einspritzdüse im Axialschnitt,Figur 2 den brennraumseitigen Teil des Düsenkörpers und der Ventilnadelder Einspritzdüse nach Figur 1 im Axialschnitt in vergrößertemMaßstab und Figur 3 und 4 eine Abwicklung eines Teils der Düselnadelnach Figur 1 und 2 im Bereich der Mündung des Zulaufkanals.An embodiment of the invention is shown in the drawingand is described in more detail below. It shows the figure1 the combustion chamber side half of an injection nozzle in axial section,Figure 2 shows the part of the nozzle body and the valve needle on the combustion chamber sidethe injection nozzle of Figure 1 in axial section in an enlargedScale and Figures 3 and 4 a development of part of thenozzle needle1 and 2 in the area of the mouth of the inlet channel.

Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment

Ein Düsenkörper 1 ist mit einer Überwurfmutter 2 unter Zwischenlageeiner Zwischenscheibe 3 an einem Düsenhalter 4 (nur teilweise dargestellt)festgespannt, in dem in einer Federkammer 5 eine Schließfeder6 angeordnet ist. Im Düsenhalter 4, in der Zwischenscheibe 3und im Düsenkörper 1 verlaufen ein Zulaufkanal 7 für Hauptkraftstoffund ein Zulaufkanal 8 für ein flüssiges Additiv. In einer Längsbohrung9 des Düsenkörpers 1 ist eine Ventilnadel 11 verschiebbar,die nahe dem brennraumseitigen Ende einen Schließkonus 12, stromaufdavon eine Druckschulter 13 und daran anschließend einen Führungsabschnitt14 hat, und von der Schließfeder 6 über einen Druckbolzen 15und einem Druckzapfen 16 mit dem Schließkonus 12 gegen einen konischenVentilsitz 17 am brennraumseitigen Ende des Düsenkörpers 1gedrückt wird. Zum Brennraum hin folgt eine Drosselbohrung 18, dieein Drosselzapfen 19 der Ventilnadel 11 durchsetzt. Die Druckschulter13 der Düsennadel 11 ist von einem ringförmigen Druckraum21 im Düsenkörper 1 umgeben, in den die Zulaufbohrung 7 für denHauptkraftstoff mündet. Stromab des Druckraums 21 schließt sich zumVentilsitz 17 hin ein Verlängerungsabschnitt 22 der Längsbohrung 9und daran eine Kegelbohrung 23 an, deren der Drosselbohrung 18 naherAbschnitt den Ventilsitz 17 bildet.Anozzle body 1 is interposed with a union nut 2anintermediate disk 3 on a nozzle holder 4 (only partially shown)clamped in a spring 5 in aclosing spring6 is arranged. In the nozzle holder 4, in theintermediate disc 3and aninlet channel 7 for main fuel runs in thenozzle body 1and aninlet channel 8 for a liquid additive. In alongitudinal hole9 of thenozzle body 1, avalve needle 11 is displaceable,which near the end of the combustion chamber has aclosing cone 12, upstreamthereof apressure shoulder 13 and then aguide section14, and from theclosing spring 6 via apressure pin 15and apressure pin 16 with thelocking cone 12 against aconicalValve seat 17 at the combustion chamber end of thenozzle body 1is pressed. Athrottle bore 18 follows the combustion chamberathrottle pin 19 passes through thevalve needle 11. Thepressure shoulder13 of thenozzle needle 11 is from anannular pressure chamber21 surrounded in thenozzle body 1, in which the inlet bore 7 for theMain fuel flows out. Downstream of thepressure chamber 21 closesValveseat 17 towards anextension section 22 of thelongitudinal bore 9and thereupon aconical bore 23, of which the throttle bore 18 closerSection forms thevalve seat 17.

Stromauf des mit dem Ventilsitz 17 zusammenwirkenden Schließkonus 12der Ventilnadel 11 ist ein Vorlagerungs- oder Vorraum 25 angeordnet,der von einer ringförmigen Ausnehmung 24 in der konischen Düsennadelspitze gebildet und radial außen von der Kegelbohrung 23 begrenztist. Zwischen dem Vorraum 25 und dem Druckraum 21 ist einZwischenraum 26 vorgesehen, der radial innen von einer Einschnürung27 in der Ventilnadel 11 und außen von dem Verlängerungsabschnitt 22der Längsbohrung 9 des Düsenkörpers 1 begrenzt wird. In Schließstellungder Ventilnadel 11 ist der Zwischenraum 26 zum Druckraum 21 über einen ringförmigen Drosselspalt 28 verbunden, dervon dem dem Druckraum 21 nahen Endteil 29 des Verlängerungsabschnitts22 und von dem der Einschnürung 27 nahen Teil 30 desSchaftes der Ventilnadel 11 begrenzt ist. Zudem verbindet einDrosselspalt 31 den Zwischenraum 26 mit dem Vorraum 25, wobei derDrosselspalt 31 einerseits vom Übergang 32 des Verlängerungsabschnitts22 in die Kegelbohrung 23 und andererseits von einem Bund33 zwischen der Einschnürung 27 und der Ausnehmung 24 in der Ventilnadel11 gebildet ist. Die beiden Drosselspalte 28 und 31 sind imwesentlichen nur in Schließstellung der Ventilnadel 11 wirksam. BeimAbheben der Ventilnadel 11 vom Ventilsitz 17 verschieben sich diedie Drosselspalte 28 und 31 bildenden Flächen relativ zueinander,wobei sich die Drosselwirkung zwischen den einzelnen Räumen 21, 26und 25 zunehmend aufhebt.Upstream of theclosing cone 12 interacting with thevalve seat 17thevalve needle 11 is arranged a preliminary storage orantechamber 25,that of anannular recess 24 in the conical nozzle needleformed tip and delimited radially outside by thetapered bore 23is. Between theantechamber 25 and thepressure chamber 21 is aSpace 26 is provided, the radially inside of aconstriction27 in thevalve needle 11 and outside of theextension section 22thelongitudinal bore 9 of thenozzle body 1 is limited. In the closed positionthevalve needle 11 is thespace 26 toPressure chamber 21 connected via anannular throttle gap 28, thefrom theend part 29 of the extension section close to thepressure chamber 2122 and of thepart 30 of theconstriction 27 of theShank of thevalve needle 11 is limited. It also connectsThrottlegap 31, thespace 26 with thevestibule 25, theThrottle gap 31 on the one hand from thetransition 32 of theextension section22 in thetapered bore 23 and on the other hand by acollar33 between theconstriction 27 and therecess 24 in thevalve needle11 is formed. The twothrottle gaps 28 and 31 are in theonly effective in the closed position of thevalve needle 11. At theLifting thevalve needle 11 from thevalve seat 17 move thesurfaces forming thechoke gaps 28 and 31 relative to one another,the throttling effect between theindividual rooms 21, 26and 25 is increasingly picking up.

In den Zwischenraum 26 münden auf dem Umfang gleichmäßig verteiltmehrere, vorzugsweise vier Radialbohrungen 35, die von einer axialenSackbohrung 36 im Schaft 20 der Ventilnadel 11 ausgehen. Die axialeBohrung 36 steht über Querbohrungen 37 mit einer Ausnehmung 38 imDüsenkörper 1 in Verbindung, in die der Zulaufkanal 8 mündet. ImZulaufkanal 8 sperrt ein Rückschlagventil 39 den Rückfluß vonAdditiv. Der erste Zulaufkanal 7 ist über eine Druckleitung 41 undein Entlastungsventil 42 mit einer Einspritzpumpe 43 für den Hauptkraftstoff,beispielsweise Dieselöl, und der zweite Zulaufkanal 8durch eine Zulaufleitung 44 mit einer Niederdruckpumpe 45 für dasAdditiv, beispielsweise Wasser, verbunden.In thespace 26 open evenly distributed on the circumferencea plurality, preferably four,radial bores 35 which are axialBlind bore 36 in the stem 20 of thevalve needle 11 go out. The axialBore 36 is abouttransverse bores 37 with arecess 38 inNozzle body 1 in connection, in which theinlet channel 8 opens. in theInletchannel 8 blocks acheck valve 39 the backflow ofAdditive. Thefirst inlet channel 7 is via a pressure line 41 andarelief valve 42 with an injection pump 43 for the main fuel,for example diesel oil, and thesecond inlet channel 8through aninlet line 44 with alow pressure pump 45 for theAdditive, for example water.

Die beschriebene Einspritzdüse wirkt folgendermaßen:
Nach jeder Einspritzphase, wenn sich die Ventilnadel 11 wieder inSchließstellung befindet, sind der Druckraum 21, der Zwischenraum 26und der Vorraum 25 mit Hauptkraftstoff gefüllt. Damit ist die Voreinspritzmengedurch das Volumen des Vorraumes 25 festgelegt, dasden verbrennungstechnischen Anforderungen des jeweiligen Motors angepaßtist. Jeweils zwischen zwei Einspritzphasen wird eine kleinevorbestimmte Menge flüssigen Additivs von der Niederdruckpumpe 45abgemessen und durch den Zulaufkanal 8, die axiale Bohrung 36 unddie Radialbohrungen 35 in den Zwischenraum 26 gefördert. Dabeiverdrängt die einströmende Menge von Additiv den von der vorhergehendenEinspritzphase dort noch verbliebenen Hauptkraftstoff entgegender Strömungsrichtung in den Druckraum 21. Dabei unterstütztder Drosselspalt 31 das getrennte Verbleiben einer Kraftstoff-Vorlagerungsmenge,die als Zündmenge nötig ist, im Vorraum 25 und derDrosselspalt 28 begünstigt eine umfangverteilte Einlagerung derzugemessenen Menge an Additiv (Figur 2). Das Zurückdrängen desHauptkraftstoffs wird durch das Entlastungsventil 42 ermöglicht.Beim anschließenden Aufbau des erforderlichen Einspritzdruckes füreine neue Einspritzphase durch die Einspritzpumpe 43 wirkt derDrosselspalt 28 auch auf die entstehende Kompressionsströmung, indemzunächst eine bessere Verteilung des Hauptkraftstoffes im Druckraum21 erfolgt, bevor der Öffnungsdruck erreicht wird. Beim Abheben derVentilnadel 11 vom Ventilsitz 17 verlieren die beiden Drosselspalte28 und 31 ihre Wirkung, so daß eine unbehinderte Spülströmung zunächstdie im Vorraum 25 vorgelagerte Voreinspritzmenge und daraufdie im Zwischenraum 26 zwischengelagerte Additivmenge in den Verbrennungsbereichdes Motors gespritzt wird, bevor die Einspritzungder Hauptkraftstoffmenge einsetzt.The described injector works as follows:
After each injection phase, when thevalve needle 11 is again in the closed position, thepressure chamber 21, theintermediate space 26 and theantechamber 25 are filled with main fuel. The pre-injection quantity is thus determined by the volume of theantechamber 25, which is adapted to the combustion requirements of the respective engine. In each case between two injection phases, a small predetermined amount of liquid additive is measured by the low-pressure pump 45 and conveyed through theinlet channel 8, theaxial bore 36 and theradial bores 35 into theintermediate space 26. The inflowing amount of additive displaces the main fuel remaining there from the previous injection phase against the direction of flow into thepressure chamber 21. Thethrottle gap 31 supports the separate remaining of a fuel storage quantity, which is necessary as an ignition quantity, in theantechamber 25 and thethrottle gap 28 favors extensive distribution of the metered amount of additive (FIG. 2). The main fuel is forced back by therelief valve 42. When the required injection pressure for a new injection phase is subsequently built up by the injection pump 43, thethrottle gap 28 also acts on the resulting compression flow by first of all a better distribution of the main fuel in thepressure chamber 21 before the opening pressure is reached. When thevalve needle 11 is lifted off thevalve seat 17, the twothrottle gaps 28 and 31 lose their effect, so that an unobstructed flushing flow firstly the pre-injection quantity upstream in theantechamber 25 and then the additive quantity stored in theintermediate space 26 is injected into the combustion area of the engine before the injection of the Main amount of fuel used.

Wie die Figuren 3 und 4 zeigen, kann durch die Anordnung einer mehroder minder großen Anzahl von in den Druckraum 26 mündenden Radialbohrungen35, wobei der Abstand der einzelnen Radialbohrungen 35zueinander beeinflußt wird, durch die das Additiv in den Zwischenraum26 strömt, eine rundum geschlossene Zwischenschicht aus Addititvgebildet werden (Figur 3), oder es können auch vereinzelteKleinmengen in den Hauptkraftstoff eingelagert werden (Figur 4). Imletzten Falle entsteht im Zwischenraum 26 ein Gemenge aus Additivund Kraftstoff, das sich beim Einspritzen intensiv vermischt. Jenach Bedarf des Motors wird die eine oder andere Ausgestaltung ausgewählt.As FIGS. 3 and 4 show, by arranging one moreor a smaller number of radial bores opening into thepressure chamber 2635, the distance between the individualradial bores 35is influenced by each other, through which the additive in thespace26 flows, a completely closed intermediate layer made of additivesbe formed (Figure 3), or it can also be isolatedSmall amounts can be stored in the main fuel (Figure 4). in thein the latter case, a mixture of additive is formed in theintermediate space 26and fuel that mixes intensively when injected. Eachone or the other configuration is selected as required by the engine.

Die Erfindung ist an einer sogenannten Drosselzapfen-Einspritzdüseerläutert, bei der in das Spritzloch ein Zapfen an der Ventilnadelragt. Sie kann auch bei sogenannten Lochdüsen angewendet werden, beidenen Spritzstrahlen in Spritzlöchern mit geringem Querschnitt geformtwerden.The invention is based on a so-called throttle pin injection nozzleexplained in which a pin on the valve needle in the spray holeprotrudes. It can also be used with so-called perforated nozzleswhich spray jets are formed in spray holes with a small cross-sectionwill.

Claims (4)

1. Fuel injection nozzle for internal combustionengines having additional injection of an additivebetween pre-injection and main injection of the fuel,with a nozzle body (1), in which a valve seat (17) isformed in the end portion located on the combustion-spaceside and a pressure space (21) is formed downstreamthereof, with a valve needle (11) which is mounteddisplaceably in the nozzle body (1) and is loaded in theclosing direction and which has a sealing seat (12)cooperating with the valve seat (17) and, level with thepressure space (21), a pressure shoulder (13), with apre-space (25), arranged between the valve seat (17) andthe pressure space (21), for the pre-storage of a pre-injectionquantity, and with a fuel inflow duct (7)leading to the pressure space (21) as well as with anadditive inflow duct (8) for the intermediate storage ofan additive quantity between the pre-injection quantityand the main injection quantity, characterized in thatthere is arranged between the pressure space (21) and thepre-space (25) an interspace (26) which is delimitedradially by the valve needle (11) and by a lengtheningportion (22) of a longitudinal bore (9) of the nozzlebody (1), the said longitudinal bore axially guiding thevalve needle (11), the additive inflow duct (8) openinginto the said longitudinal bore which can be connectedvia openable throttle points (28, 31) to the pressurespace (21) and to the pre-space (25) for the throughflowof the main injection quantity, whilst, in the closingposition of the valve needle (11), with the connection of the interspace (26) to the pressure space (21) and to thepre-space (25) being throttled, the inflowing quantity ofadditive displaces the residual fuel located in theinterspace (26) into the pressure space (21), and whilst,when the valve needle (11) lifts off from the valve seat(17), the throttle effect between the interspace (26) andthe pressure space (21) as well as the interspace (26)and the pre-space (25) is cancelled.
2. Fuel injection nozzle according to Claim 1,characterized in that the additive inflow duct (8) isarranged partially in the valve needle (11) and opensinto the interspace (26) through radial bores (35).
3. Fuel injection nozzle according to one of Claims1 and 2, characterized in that the pre-space (25) and theinterspace (26) are formed by annular recesses (27, 24)in the circumference of the nozzle needle (11) and areseparated from one another by a collar (33), thecircumference of which delimits one throttle point (31).
4. Fuel injection nozzle according to Claim 3,characterized in that the radial bores (35) in the nozzleneedle (11) open into the interspace (26) at a point nearthe collar (33).

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