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Fliissigkeitsgestellerte Einspritzlliise für selhstziindende Brelmkraftmasehinen.
Die Erfindung betrifft eine Einspritzdüse, deren Nadel durch den an ihr angreifenden Brennstoffdruck entgegen der Kraft einer vorgespannten Schliessfeder von ihrem Sitz abgehoben wird und dabei mindestens während eines ersten Teils ihres Öffnungshubes zusammen mit dem Düsenkörper einen Drosselspalt bildet, dessen Querschnitt kleiner ist als der bei diesem Hubteil freigelegte Sitzquerselnitt und überhaupt den engsten Querschnitt im Durchflussweg darstellt.
Diese Düsenart ist vielfach bekannt unter der Bezeichnung.. flüssigkeitsgesteuerte Zapfendüse".
Der meist hinter dem Sitz am Nadelende angeordnete. in den Düsenkörper mit mehr oder weniger Spiel über den ganzen oder nur über einen Teil des Nadelhubs geführte Zapfen ist bei solchen Düsen schon aus verschiedenen Gründen vorgesehen worden.
Dort, wo der Führungsspalt des Zapfens zugleich den Diisenaustrittsquersehnitt bildet, ist die Ausbildung des Zapfens massgebend für die Führung und Auflösung des Brennstoffs und damit für die Gestalt des Strahlbildes.
Es ist auch schon vorgeschlagen worden, einen zylindrischen Zapfenansatz an der Nadel ganz kurz auszubilden und ihn mit grösstmöglicher Genauigkeit in seine ebenfalls zylindrische Führung einzupassen. In diesem Fall soll der schon nach einem kleinen Teil des Nadelöffnungshubes aus seiner Führung auftauchende Zapfen lediglich als zusätzliches Abdichtglied dienen.
Ausserdem ist am inneren Nadelende auch vielfach deshalb ein Zapfen angeordnet worden, weil er durch seine Bewegungen ein Verkrusten der Düsenmündung verhindert.
Nach einem weiteren bekannten Vorschlag soll der den engsten Düsenquerschnitt bestimmende Spalt zwischen dem Zapfen und der Führung so ausgebildet sein. dass sich der freie Düsenquerschnitt beim Öffnungshub des Ventils nur allmählich erweitert. Auf diese Weise sollte erreicht werden, dass die beim Beginn der Ventilöffnung einspritzende Brennstoffmenge möglichst klein ausfällt. Diesem bekannten Vorschlag liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die meisten Düsen schon gleich zu Beginn der Öffnung ihres Ventils einen viel zu grossen Anteil der bei einem Einspritzvorgang in den Brennraum einzuführenden Brennstoffmenge ganz plötzlich durehlassen, so dass diese grosse Teilmenge bei ihrer Selbstentzündung explosionsartige Drucksteigerungen hervorruft, die einen harten Gang der Maschine verursachen.
Obwohl der 1 ! rheber dieses bekannten Vorschlages ganz richtig erkannt hatte, dass man den besonders bei niederen Drehzahlen (z. B. im Leerlauf) vielfach recht harten Gang beseitigen könnte, indem man die über den Anfang der Einspritzzeit in den Brennraum gelangende Brennstoffmenge möglichst
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geblieben ist.
Der Grund, weshalb der bekannte Vorschlag nicht zum Ziel führte, ist wohl darin zu suchen, dass die Zeit, in der sich der über einen Teil des Eröffnungshubes beabsichtigte Spritzvorgang abspielt, bei der dabei verwendeten Düse ebenso wie bei den andern bekannten Zapfendiisen viel zu kurz ist, um eine merkliche Besserung des abzustellende Mangels herbeizuführen.
Die sehr kurze Dauer des Vorgangs ist, wie sieh jetzt herausgestellt hat, darauf zurückzuführen, dass die Düsennadel, sobald sie sieh anzuheben beginnt, mit viel zu grosser Beschleunigung bis in ihre Eröffnungsstellung fliegt, so dass gewissermassen schlagartig ein grosser Ausspritzquerschnitt aufgerissen wird und demzufolge entgegen den beabsichtigten Bestrebungen unmittelbar nach dem Spritzbeginn
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eine grosse Brennstoffmenge aus der Düse auftritt. Zu diesem blitzartigen Öffnungsvorgang trägt gerade der Zapfen viel bei.
Sobald nämlich die Nadel sich von ihrem Sitz abzuheben beginnt, gelangt der hoch gespannte Brennstoff. der infolge des zwischen dem Zapfen und seiner Führung bestehenden Drosselspalts sich zunächst nicht wesentlich entspannt, unter die Fläche zwischen Zapfen und Ventilsitzkante und greift an dieser Zusatziläche im Öffnungssinn an. Diese Kraft ist es. welche das Öffnen der Nadel bei den bekannten Zapfendüsen so übermässig beschleunigt, dass damit die angestrebte, mit flachem Anstieg beginnende Spritzcharakteristik bisher nicht erreicht wurde.
Diese Erkenntnis zusammen mit der Überlegung, dass es zum Beseitigen der harten Zündschläge
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zum Ablauf des Zündverzugs hinzieht, haben zu der Erfindung geführt. Es handelt sich hier also darum. über die Dauer des Zündverzugs oder über einen grossen Teil dieses Verzugs jeweils nur so viel Brennstoff aus der Zapfendüse entweichen zu lassen, als beim Entziinden ohne harte Zündschläge verbrennen kann.
Dies kann man erreichen, indem die Beschleunigung der Düsennadel mindestens über den Anfangsteil ihres Öffnungshubes. wo ihr Zapfen den Brennstoffaustritt noch bedeutend stärker drosselt als heim restlichen Hubteil. ganz wesentlich herabmindert. Wird die Beschleunigung der Öffnungsbewegung so vermindert. dass über den ersten Hubteil eine Zeit verstreicht. die etwa der Dauer des Ziindverzug entspricht. so ist das angestrebte Ziel erreicht.
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welche die Nadel bei der Eröffnung zu beschleunigen versucht.
Praktisch gut brauchbare Werte für die Federsteifigkeit sind etwa 22-40 kg Belastung auf 1 mm Federweg. In diesem Rahmen lassen sieh Schraubenfedern aus Stahldraht in annehmbarer Grösse her-
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flächen für den Brennstoffdruck geschickt gegeneinander abstufen.
Auf der Zeichnung sind sechs Ausführugnsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
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blick des Einspritzbeginns gezeichnet. a ist der Düsenkörper. b die Diisennadel. die mit ihrem Schaft c dichtend in einer Bohrung im Düsenkörper geführt ist. Die obere Stirnfläche des Düsenkörpers wird durch eine Überwurfmutter d fest und dicht gegen die untere Sehaftstirn eines Düsenhalters e gepresst. Der Halterschaft ist längs durchbohrt.
Durch diese Längsbohrung z sticht eine Dr ckstange g. deren unteres Ende auf dem oberen. gegen den Führungsschaft abgestützten, ein kleines Stück weit in die Längsbohrung f hineinragenden Ansatz li der Düsennadel aufsitzt. Die Längsbohrung/hat am unteren Ende eine Verengung. deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser des Düsenschaftes. so dass sich eine ringförmige Schulter i über die Führungsbohrung der Düsennadel legt. die der Öffnungshub der Nadel auf das eingetragene Mass x begrenzt, das etwa 0#6-0#8 mm beträgt.
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halter e und einen Kanal u im Diisenkörper a.
Vom Kanal it gelangt der Brennstoff in einen Ringraum c im Düsenkörper. der durch Absetzen der Nadel gegen ihren Schaft gebildet wird. Der abgesetzte Nadelansatz w trägt die Nadelsitzfläehe//.
Beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 2-4 ist der Ansatz w unterhalb der Sitzfläche y noch
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Durchmesser das untere Nadelende bildet.
Der in den Ringraum @ geförderte Brennstoff greift an der zwischen der Nadelführung c und dem Ansatz w befindlichen Ringschulter an und hebt. nachdem er genügend gespannt ist. die Nadel entgegen dem Druck ihrer Schliessfeder H ; an. Über den ersten Nadelhubteil. dessen Ende in Fig. 3 dargestellt
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handenen Ringschulter recht gross bemessen, viel grösser, als dies bisher bei Zapfendüsen üblich war.
Die Zusatzwirkung der Ringfläche zwischen Ansatz 'und Zapfen. ?. an welcher der Brennstoffdruek im Öffnungssinn angreift. sobald die Nadel von ihrem Sitz angehoben wird und dadurch den Nadelhub zu beschleunigen bestrebt ist. wird schon durch diese Abstimmung der Ringflächen gemildert. Durch die steife Feder in wird die Wirkung der zusätzlichen Beschleunigungskräfte noch weiterhin herab- gedrückt. so dass der Nadelanhub sich über einen langen Teil der Einspritzzeit erstreckt. Dadurch erreicht man. dass in diesem ersten Teil des Einspritzvorgangs wenig Brennstoff in den Brennraum gelangt.
Sobald der zylindrische Teil des Zapfens : aus seiner Führung im Boden des Düsenkörpers heraus-
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einen engen Schnurstrahl, während die Düse nach Fig. 1 ein mehr kegelförmiges Strahlbild erzeugt.
Das dritte Ausführugnsbeispiel (Fig. 6) zeigt eine sogenannte Lochdüse mit zwei Spritzlöchern A.
Die Länge des Zapfens" ist hier der Grösse des ersten Nadelhubteils angepasst. Die durch den Ringspalt
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gleichzeitig den die Drosselung über den ersten Nadelhubteil bewirkenden Zapfen bildet.
In den Fig. 5-7 ist die höchste Nadelstellung jewels punktier eingezeichnet.
Das in Fig. 2 angedeutete Strahlbild lässt erkennen, dass gerade über den ersten Hubteil der Nadel, also bei Einspritzbeginn, der Brennstoff nicht auf die Oberfläche des kegeligen Zapfenendes auftrifft.
Erst nach einem beträchtlichen Nadelhub prallt der Strahl gegen den Kegelmantel des Zapfenendes.
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der Einspritzpumpe unmittelbar von der Motordrehzahl abhängig ist. Die ungenügende Zerstäubung beim Einspritzbeginn kann dann unregelmässigen Zündbeginn und unvollständige Verbrennung verursachen.
Das Vorbeispritzen des Strahls an der am Zapfenende vorgesehenen kegeligen Prallfläche ist hauptsächlich darauf zurückzuführen, dass bei der Düse nach Fig. 2 der am Anfang des Nadelhubes sehr enge Mündungsspalt auf ein verhältnismässig enges Stück zylindrisch ist, so dass der am Anfang des Nadelhubes ausspritzende Strahl am kegeligen Zapfenende vorbeigeführt wird. ohne darauf aufzuprallen.
Um den Strahl schon vom Einspritzbeginn an gegen die Oberfläche des kegeligen Zapfenendes
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entsprechend ausgebildet. was am besten dadurch geschieht, dass man den betreffenden Teil des Zapfens gegen die Einschnürung hin verjüngt.
Bei dem Beispiel nach Fig. 8--10 ist der obere Teil des Zapfens s zylindrisch und sticht bei geschlossener Nadel (Fig. 8) mit sehr geringem Spiel ein kleines Stück weit in das ebenfalls zylindrische
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unmittelbare Nähe der Mündungskante 70 am Düsenkörper. Dann ist er bei 11 scharf eingeschnürt. Von der Stelle der stärksten Einschnürung an bis zu seinem freien Ende nimmt die Zapfenstärke kegelig zu bis auf einen Durchmesser. der nicht ganz so gross ist wie der Durchmesser des zylindrischen Zapfenteils. Die Mantelfläche des am freien Zapfenende gebildeten Kegelstumpfansatzes 12 dient über den ganzen Nadelhub als Prallfläche für den aus dem Mündungsspalt herausspritzenden Brennstoffstrahl.
Die Länge des Zapfens ist so bemessen dass sein freies Ende noch etwas aus dem Mündungsloch herausragt, wenn die Nadel ihren vollen Öffnungshub zurückgelegt hat. In" Fig. 10 ist diese Nadelstellung gezeichnet.
Im ersten Teil des Nadelhubes drosselt zuerst der zylindrische Zapfenteil und dann der leicht sich verjüngende dZapfenteil 13 den Durchtritt des Brennstoffs stark ab. Wenn dann im weiteren Verlauf
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des Öffnungshubes die Einschnürung so weit in das lündungsloeh hineingezogen worden ist, dass die Weite des Austrittsspalts erheblich grösser geworden ist, kann die Brennstoffmenge rascher abfliessen.
Der punktiert eingezeichnete Strahlverlauf lässt deutlich erkennen, dass der Brennstoff in allen Stellungen der Düsennadel infolge der schwachen Verjüngung des Zapfenteils 13 gegen die Mantel- fläche des Zapfenkegels 12 geleitet und beim Aufprall auf diese Fläche gut aufgelöst wird.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 11 unterscheidet sich vom vorhergehenden nur dadurch, dass, hier der sich verjüngende Zapfenteil ohne Absatz in die Einschnürung 11 übergeht. Die durch den Zapfen hervorgerufene Drosselung im ersten Teil des Nadelhubes nimmt hier natürlich schneller ab als beim Beispiel nach den Fig. 8-10.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Einspritzdüse, deren Nadel durch den an ihr angreifenden Brennstoffdruck entgegen der Kraft der vorgespannten Sehliessfeder von ihrem Sitz abgehoben wird und dabei mindestens während eines ersten Teils ihres Öffnungshubes zusammen mit dem Düsenkörper einen Drosselspalt bildet, dessen Querschnitt kleiner ist als der bei diesem Hubteir freigelegte Sitzquerschnitt und überhaupt den engsten Querschnitt im Durchflussweg darstellt, gekennzeichnet durch eine derartige Bemessung (Steifigkeit) der Schliessfeder, dass ihre Kraftzunahme über den Teilhub, den die Nadel bis zum wesentlichen Vergrössern des Drosselspalts vollführt, grösser ist als diejenige Kraft, welche die Nadel bei der Eröffnung zu beschleunigen versucht,
so dass die über diesen ersten Teil des Eröffnungshubes mindestens bei niederen Drehzahlen (z. B. Leerlauf) verstreichende Zeit einen wesentlichen Teil der Einspritzzeit beträgt.