Flüssigkeitsgestearerte Einspritzdüse für selbstzündende Brennkraftmaschinen. Die Erfindung betrifft eine flüssigkeits- gesteuerte Einspritzdüse für selbstzündende Brennkraftmaschinen, deren Nadel durch den auf eine Schulter zwischen dem Führungs schaft und der Sitzfläche der Nadel wirken clen Brennstoffdruck entgegen der Kraft einer vorgespannten Schliessfeder von ihrem Sitz abgehoben wird und dabei mindestens wäh rend eines ersten Teils ihres 'Öffnungshubes mit dem Düsenkörper einen Drosselspalt bil det,
dessen Querschnitt kleiner ist als der bei diesem Hubteil freigelegte Sitzquerschnitt lind den engsten Querschnitt im Durchfluss- -eg darstellt.
Diese Düsenart ist bekannt unter der Be zeichnung "flüssigkeitsgesteuerte Zapfen düse". Der meist hinter dem Sitz am Nadel ende angeordnete, in den Düsenkörper wäh rend des ganzen oder nur während eines Teils des Nadelhubes mit mehr oder weniger Spiel hineinragende Zapfen ist bei solchen Düsen aus verschiedenen Gründen vorgesehen wor den. Wenn der Führungsspalt des Zapfens zu gleich den Düsenaustrittsquerschnitt bildet, ist die Ausbildung des Zapfens massgebend für die Führung und Auflösung des Brenn stoffes und damit für die Gestalt des Strahls.
Es ist auch schon vorgeschlagen worden, einen ganz kurzen zylindrischen Zapfen an Jer Nadel mit grösstmöglicher Genauigkeit in eine zylindrische Bohrung des Düsenkörpers einzupassen. In diesem Fall soll der schon nach einem kleinen Teil des Nadelöffnungs- hubes aus dem Düsenkörper auftauchende Zapfen lediglich die Abdichtung verbessern.
Ausserdem ist am innern Nadelende auch vielfach ein Zapfen angeordnet worden, weil er durch seine Bewegungen ein Verkrusten der Düsenmündung verhindert.
Nach einem weiteren bekannten Vorschlag soll der den engsten Düsenquerschnitt be stimmende Drosselspalt zwischen dem Zapfen und dem Düsenkörper so ausgebildet sein, dass der freie Düsenquerschnitt beim Öff nungshub des Ventils nur allmählich zu- nimmt. Auf diese Weise sollte die beim Be- inn der Ventilöffnung einspritzende Brenn stoffmenge beschränkt werden.
Diesem Vor schlag liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die meisten Düsen schon gleich zu Beginn der Öffnung ihres Ventils einen viel zu gro ssen Teil der bei einem Einspritzvorgang in den Brennraum einzuführenden Brennstoff menge ganz plötzlich durchlassen, so dass diese grosse Brennstoffmenge bei ihrer Selbst entzündung explosionsartige Drucksteigerun gen hervorruft, die einen harten Gang des Motors verursachen.
Der Urheber dieses bekannten Vorschla ges hatte ganz richtig erkannt, dass man den besonders bei niederen Drehzahlen, (z. B. im Leerlauf) vielfach recht harten Gang einer Einspritzbrennkraftmaschine beseitigen könnte, indem man die am Anfang der Ein- spritzzeit in den Brennraum gelangende Brennstoffmenge möglichst klein hält; es ist ihm aber nicht gelungen, eine Lösung für diese Aufgabe zu finden. Darauf mag es zu rückzuführen sein, dass sein Vorschlag in der Praxis unberücksichtigt geblieben ist.
Der Grund, weshalb der bekannte Vor schlag nicht zum Ziel führte, ist darin zu suchen, dass die Zeit, während welcher der Drosselspalt wirkt, bei der dabei verwendeten Düse und ebenso bei den andern bekannten Zapfendüsen viel zu kurz ist.
Die sehr kurze Dauer der Drosselspalt wirkung ist, wie sich jetzt herausgestellt hat, darauf zurückzuführen, da.ss die Düsennadel beim Anheben sofort mit viel zu grosser Be schleunigung bis in ihre Eröffnungsstellung fliegt, so dass gewissermassen schlagartig ein grosser Ausspritzquerschnitt aufgerissen wird und demzufolge entgegen dem Vorschlag un mittelbar nach dem Spritzbeginn eine grosse Brennstoffmenge aus der Düse austritt.
Zu diesem blitzartigen Öffnungsvorgang trägt gerade der Zapfen viel bei. Sobald nämlich die Nadel sich von ihrem Sitz abzuheben be ginnt, gelangt der hochgespannte Brennstoff ohne sich dabei zunächst wesentlich zu ent spannen, unter die Nadelsitzfläche und wirkt auch auf diese "Zusatzfläche" im Öffnungs- sinn. Diese Kraft ist es, welche das Öffnen der Nadel bei den bekannten Zapfendüsen so übermässig beschleunigt, dass .die angestrebte, mit flachem Anstieg beginnende Einspritz- charakteristik nicht erreicht wurde.
Eine solche Einspritzcharakteristik lässt sich mit Düsen der im ersten Absatz beschrie benen Bauart erreichen, indem man gemäss der Erfindung die Steifigkeit der Schliess feder, das heisst die von der Schliessfedervor- spannung unabhängige Kraftzunahme der Feder auf den Millimeter Federweg, derart bemisst, dass mindestens solange die Nadel mit dein Düsenkörper den Drosselspalt bildet, die Kraftzunahme dieser Feder grösser ist als diejenige Kraft, welche beim Öffnen der Na del dadurch entsteht, dass der Brennstoff druck auf weitere Teile der Nadeloberfläche einzuwirken beginnt, so da.ss diese Zusatz kraft,
welche die Nadel im Öffnungssinn zu beschleunigen versucht, während des betref fenden Teils .des Nadelhubes ohne Wirkung ist. Dadurch wird erreicht, dass sich die Na del nicht, wie bei den bekannten Zapfen düsen, schlagartig öffnet, sondern viel lang samer, so dass, solange der Drosselspalt wirkt, zweckmässig während eines verhältnismässig grossen Teils der gesamten Einspritzzeit der Durchflussquerschnitt stark gedrosselt ist und nur ein verhältnismässig kleiner Teil der ge samten Brennstoffladung aus der Düse aus spritzen kann.
Vorteilhaft ist bei langsamem Lauf der Maschine (Leerlauf) die Zeit der starken Drosselung infolge entsprechend starker Be messung der Schliessfedersteifigkeit gleich der Zündverzugszeit des Motors, für den .die Düse bestimmt ist.
Praktisch gut brauchbare Werte für die Federsteifigkeit sind etwa 22 bis 40 kg Be lastung auf 1 mm Federweg. In diesem Rah men lassen sich Schraubenfedern aus Stahl draht in annehmbarer Grösse herstellen und der Nadelhub in den üblichen Grenzen halten, ohne die Angriffsflächen für den Brennstoff druck an der Nadel unzweckmässig zu be schränken. Auf der Zeichnung sind sechs Ausfüh rungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine Zapfendüse samt Halter im Längsschnitt; Fig. 2 stellt einen Längsschnitt durch den untern Teil der Düse in etwa zehnfach grö sserem Massstab in der Schlussstellung der Nadel dar; in Fig. 3 ist die Nadel teilweise und in Fig. 4 ganz angehoben; Fig. 5 betrifft das zweite Ausführungs beispiel und entspricht Fig. 2; Fig. 6 und 7 zeigen wiederum im Längs schnitt das dritte und vierte Beispiel; die Fig. 8, 9 und 1.0 stellen das fünfte Aus führungsbeispiel ebenfalls im Längsschnitt mit drei verschiedenen Stellungen der Nadel dar;
Fig. 11 zeigt das sechste Ausführungs beispiel in gleicher Darstellungsart. Die Na del ist dabei in ihrer Stellung beim Ein spritzbeginn gezeichnet.
In Fig. 1 bis 4 ist a der Düsenkörper, b die Düsennadel, die an einem abgesetzten Ansatz<I>w</I> mit der Sitzfläche y den Zapfen z trägt und mit ihrem Schaft c dicht in einer Bohrung im Düsenkörper geführt ist. Der Düsenkörper wird durch eine Überwurfmut- ter d mit der äussern Stirnfläche fest und dicht gegen die innere Stirnfläche eines Dü senhalters e gepresst.
Der Düsenhalter besitzt eine Längsbohrung<I>f</I> für eine Druckstange y, clie innen auf dem ein kleines Stück weit in die Längsbohrung f hineinragenden Ansatz 1a cl er Düsennadel aufsitzt. Die Längsbohrung f hat am innern Ende eine Verengung, deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser des Düsenschaftes c, so dass sie ausserhalb der Führungsbohrung der Düsennadel eine Schul ter i. bildet, die den Öffnungshub der Nadel auf das Mass x begrenzt, das zweckmässig etwa 0,6 bis 0,8 mm beträgt.
Eine Ausnehmung k im Kopf des Düsen halters nimmt die sehr steife Schliessfeder in auf, die auf einen auf dem äussern Ende der Druckstange g sitzenden Federteller n drückt und sich aussen auf einen Federteller o stützt; der mittelst einer Verstellschraube p im Bo den einer den Federraum 1c abschliessenden Kappe q verstellbar ist.
Die Brennstoffzufuhr zur Düse erfolgt durch das Rohr r über Bohrungen s, t im Düsenhalter e und einen Kanal u im Düsen körper a.
Vom Kanal u gelangt der Brennstoff in Einen Ringraum v im Düsenkörper. Der Zap fen z ragt bei geschlossener Düse mit einem zylindrischen Teil mit ganz geringem Spiel in das zylindrische Mündungsloch der Düse und ist am freien Ende zur Führung des Brennstoffstrahls kegelstumpfförmig ausge bildet, und zwar derart, dass der Kegelstumpf mit seinem grösseren Durchmesser das Zap fenende bildet.
Der in den Ringraum v geförderte Brenn stoff drückt beim Einspritzen auf die zwi schen dem Schaft e und .dem Ansatz w be findliche Schulter und hebt die Nadel ent gegen dem Druck ihrer Schliessfeder m an. Während des ersten Teils des Nadelhubes; dessen Ende in Fig. 3 dargestellt ist, wird der Austrittsspalt für den Brennstoff durch den sehr engen Ringquerschnitt zwischen dem zylindrischen Teil des Zapfens z und dem Mündungsloch der Düse gebildet. Dieser Ringquerschnitt lässt nur wenig Brennstoff ausspritzen.
Die Schulter zwischen dem Na delschaft c und dem Ansatz w ist gegenüber der Ringfläche zwischen dem Ansatz w und dem Zapfen<B>z</B> recht gross, viel grösser als dies bisher bei Zapfendüsen üblich war. Im Mo ment, wo die Nadel von ihrem Sitz angeho ben wird, wirkt der Brennstoffdruck auch auf die Ringfläche zwischen dem Ansatz w und dem Zapfen z und sucht die Nadel zu be schleunigen.
Die Wirkung dieser Zusatz kraft wird schon infolge jenes Verhältnisses der beiden Ringflächen gemildert und durch die Steifigkeit der Feder 7n vollständig auf gehoben, so dass der erste Teil des Nadel hubes, wo der zylindrische Teil des Zapfens den Brennstoffausfluss stark drosselt, sich über einen verhältnismässig langen Teil der Einspritzzeit erstreckt. Dieser erste Teil der Einspritzzeit ist zweckmässig so gross, dass er bei kleiner Drehzahl etwa der Zündverzugs- zeit des Motors entspricht.
Dadurch wird er reich, dass vor der Zündung wenig Brenn stoff in den Brennraum gelangt, so dass beim Einsetzen der Verbrennung keine harten Schläge auftreten.
Sobald der zylindrische Teil des Zapfens j aus dem Mündungsloch des Düsenkörpers herauskommt, wird ein wesentlich grösserer Ausspritzquerschnitt freigelegt. Die in der Zeiteinheit ausspritzende Brennstoffmenge steigt dann entsprechend an.
Recht brauchbare Verhältnisse ergeben sich, wenn das Verhältnis der beiden Nadel ringflächen etwa wie 5,5 :1 ist, der erste Teil des etwa 0,7 mm betragenden Gesamt na.delhubes ungefähr 0,4 mm und die Stei- figkeit der Feder etwa 80 kg für den Milli meter Federweg beträgt. Eine Schrauben feder aus .1 mm Rundstahldraht von 16 mm Aussendurchmesser mit etwa 4,5 Gängen hat ungefähr diese Steifigkeit.
Das zweite Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 unterscheidet sich vom ersten nur im Nadelzapfen z, der hier innen zylindrisch ab gesetzt ist. Diese Düse ergibt einen Strahl, der sich nicht stark ausbreitet, während die Düse nach Fig. 1 einen Strahl erzeugt, der sich kegelförmig erweitert.
Fig. 6 zeigt eine sogenannte Lochdüse mit zwei Spritzlöchern A. Die Länge des Zap fens z entspricht der Grösse des ersten Nadel hubteils. Die Drosselung im Ringspalt zwi schen dem Zapfen und seiner Führung ist natürlich stärker als die Drosselung in den Spritzlöchern.
Das gleiche gilt auch für die in Fig. 7 dargestellte Einlochdüse, wo das innere Ende des Nadelansatzes av unmittelbar vor der Sitzfläche J während des ersten Teils des Nadelhubes die Drosselung bewirkt.
In den Fig. 5 bis 7 ist die höchste Nadel stellung jeweils punktiert eingezeichnet. Fig. 2 zeigt, dass bei der Düse gemäss Fig. 1 bis 4 der Brennstoff während des er sten Teils des Nadelhubes, also bei Einspritz beginn, nicht auf das kegelige Zapfenende auftrifft. Erst nachher prallt der Strahl gegen den Kegel des Zapfenendes. Die der Auflösung des Brennstoffes sehr förderliche Wirkung dieser Prallfläche fehlt hier also während des ersten Teils der Einspritzung, so dass die Zerstäubung des zuerst eingespritz ten, die Einleitung der Zündung herbeifüh renden Teils der Brennstoffladung nicht gut ist.
Dieser Mangel macht .sich insbesondere bei langsamer Drehzahl des Motors bemerk bar, wenn die Fördergeschwindigkeit der Ein spritzpumpe von der Motordrehzahl abhängig ist. Die ungenügende Zerstäubung beim Ein- spritzbeginn kann dann unregelmässigen Zündbeginn und unvollständige Verbrennung verursachen.
Das Vorbeispritzen des Strahls an der am Zapfenende vorgesehenen kegeligen Prall fläcUe ist hauptsächlich darauf zurückzufüh ren, da,ss bei der Düse nach Fig. 1 bis 4 der am Anfang des Nadelhubes sehr enge Dros selspalt auf ein verhältnismässig langes Stück zylindrisch ist, so dass der am Anfang des Nadelhubes ausspritzende Strahl am kegeli- gen Zapfenende vorbeigeführt wird, ohne dar- nur aufzuprallen.
Um den Strahl schon vom Einspritz- beginn an gegen die Oberfläche des kege- ligen Zapfenendes zu leiten und ihn dadurch von Anfang an gut aufzulösen, ist bei der Düsenach Fig. 8 bis 10 der Zapfen z an der Wurzel zylindrisch und ragt mit diesem Teil bei geschlossener Nadel (Fig. 8) mit sehr geringem Spiel nur ein kleines Stück weit in das ebenfalls zylindrische Mündungsloch im Düsenkörper a hinein.
Dann verjüngt sich der Zapfen ganz allmählich bis zur gante 11, die bei geschlossener Düse der Mündungs kante 10 des Düsenloches gegenübersteht. Bei der Kante 11 ist er scharf eingeschnürt. Von der Stelle der stärksten Einschnürung an bis zu seinem freien Ende nimmt die Zapfen stärke kegelig zu bis auf einen Durchmesser, der nicht ganz so gross ist wie der Durchmes ser des zylindrischen Zapfenteils.
Die Man telfläche des am freien Zapfenende gebildeten Kegelstumpfansatzes 12 dient über den gan zen Nadelhub als Prallfläche für den aus dem Mündungsspalt herausspritzenden Brenn- stoffstra.hl. Die Länge des Zapfens ist so bemessen, da.ss er bei ganz offener Düse noch etwas aus dem Mündungsloch herausragt (Fig. 1o).
Im ersten Teil des Nadelhubes drosselt zuerst der zylindrische Zapfenteil und dann der leicht sich verjüngende Zapfenteil 13 den Durchtritt des Brennstoffes stark ab. Wenn nachher die Einschnürung so weit in das Mündungsloch hineingezogen worden ist, dass die Weite des Austrittsspaltes erheblich grö sser geworden ist, kann die Brennstoffmenge rascher abfliessen.
Der punktiert eingezeichnete Strahlver- lauf lässt deutlich erkennen, dass der Brenn stoff in allen Stellungen der Düsennadel in folge der schwachen Verjüngung des Zapfen teils 13 gegen die Mantelfläche des Zapfen kegels 12 geleitet und beim Aufprall auf diese Fläche gut zerstäubt wird.
Bei der Düse nach Fig. 11 geht der sich verjüngende Zapfenteil 13 ohne Absatz in die Einschnürung 11 über. Die durch den Zap fen hervorgerufene Drosselung im ersten Teil des Nadelhubes nimmt hier natürlich schnel ler ab als bei der Düse nach den Fig. 8 bis 10.