Brennstoffeinspritzdüse und Verfahren zu deren Herstellung Die Erfindung betrifft eine Brennstoffeinspritzdüse für Brennstoffventile von Brennkraftmaschinen mit mindestens einem vom Brennstoffraum im Innern des Ventilkörpers nach aussen führenden, zum Einsprit zen des Brennstoffes dienenden Düsenkanal und ein Verfahren zu deren Herstellung.
Aufgabe einer Brennstoffeinspritzdüse ist es, zu Beginn jeden Arbeitstaktes einer Brennkraftmaschine eine bestimmte Menge Brennstoff im Verbrennungs raum zu verteilen.
Der Idealfall einer solchen Verteilung wäre eine möglichst feine Zerstäubung des Brennstoffes in Form eines Aerosols von homogener Dichte. Je gleichmässiger und vollständiger die Verteilung des Brennstoffes im Verbrennungsraum erfolgt, desto gleichmässiger und vollständiger vollzieht sich die anschliessende Verbrennung desselben.
Wie weitgehend man diesen Idealfall der Vertei lung verwirklichen kann, hängt in starkem Masse von der Funktion der Einspritzdüse ab, und hierbei spielt die Form des Düsenkanals wiederum eine wichtige Rolle.
Der aus dem Düsenkanal austretende Brennstoff muss eine gewisse Durchschlagskraft und Geschwindig keit besitzen, um möglichst fein zerstäubt bis in die Tiefe des Verbrennungsraumes zu gelangen.
Es kann nun vorkommen, dass die Durchschlags kraft des aus dem Düsenkanal austretenden Brenn stoffstrahls so gross ist, dass ein Teil desselben un- verbrannt auf eine Stelle der Verbrennungswand auftrifft. Hierdurch entstehen dann einerseits die bekannten schädlichen Ablagerungen an der Ver brennungswand, und ausserdem wird die Verbrennung nachteilig beeinflusst, da im Verbrennungsraum neben Zonen zu hoher Kraftstoffdichte Zonen zu geringer Kraftstoffdichte vorhanden sind, mithin also vorwie gend für die Verbrennung ungünstige Mengenver- hältnisse zwischen Luft und Brennstoff bestehen,
wäh rend nur in einem verhältnismässig kleinen Teil des Verbrennungsraumes das richtige Verhältnis zustande kommt.
Es kann aber auch der umgekehrte Fall eintreten, dass nämlich der Brennstoffstrahl eine zu geringe Aus trittsgeschwindigkeit und Durchschlagskraft besitzt, so dass der Brennstoff in der Nähe der Austrittsstelle in einer relativ dichten Wolke verteilt wird, während entferntere Teile des Verbrennungsraumes keinen oder zu wenig Brennstoff enthalten. Auch in diesem Fall verläuft die Verbrennung unregelmässig und zum Teil unvollständig.
Neben einer Leistungseinbusse tritt dann als unmittelbare Folge der unvollständigen Ver brennung eine starke Russbildung im Verbrennungs raum ein, welche bekanntlich zu unerwünschten Ab lagerungen und - je nach der Menge derselben gegebenenfalls zu Betriebsstörungen führt.
Man weiss, dass neben andern Einflüssen wie bei spielsweise dem Einspritzdruck, die Form des Düsen kanals für die angestrebte homogene Feinverteilung des Brennstoffes im Verbrennungsraum von Wichtig keit ist.
Bei den bekannten Einspritzdüsen bestehen solche Kanäle im allgemeinen aus feinen Bohrungen von Zylinderform. Man hat bei solchen Bohrungen durch Einhaltung eines bestimmten Verhältnisses vom Durchmesser zur Länge versucht, eine ausreichende Verteilung und einen genügend grossen Divergenz- winkel des austretenden Kraftstoffstrahls zu erreichen. Dieses gelingt jedoch oft nur unvollständig. Denn die Schwierigkeit liegt darin, dass ein zylinderförmiger Austrittskanal mit glatter Wand für die Zerstäubung einer Flüssigkeit an und für sich wenig günstig, ja geradezu ungeeignet ist.
Aus herstellungstechnischen Gründen war man jedoch bisher an diese Formgebung gebunden. Diese Schwierigkeiten werden durch die Erfindung behoben. Die Erfindung besteht darin, dass der Düsenkanal eine vom Kreiszylinder abweichende Form besitzt. Die Herstellung eines Düsenkanals dieser Form geschieht erfindungsgemäss durch Elektro erosion.
Der Düsenkanal kann vorteilhaft gekrümmt sein. Man kann auch die Massnahme ergreifen, den Düsenkanal schraubenlinienförmig um eine gedachte Mittelachse herumzuwinden.
Es ist dabei von Vorteil, wenn der Düsenkanal einen von der Kreisform abweichenden Querschnitt besitzt.
Zweckmässig wird man einen Querschnitt von der Form eines Polygons wählen, beispielsweise von der Form eines Dreiecks, Vierecks, Sechsecks usw.
Man kann auch die Massnahme ergreifen, dass ein solcher Düsenkanal einen Drall aufweist.
Nach der Erfindung hergestellte Einspritzdüsen sind zur Verteilung des Brennstoffes sehr viel besser geeignet als bekannte Einspritzdüsen mit Einspritz- kanälen von zylinderförmiger Gestaltung. Dieser Fortschritt wird erzielt durch drei Faktoren: 1. Der Zerstäubungsvorgang eines Flüssigkeits volumens vollzieht sich durch Aufspaltung desselben in eine Vielzahl kleine oder kleinster Volumteile unter Vergrösserung der relativen Oberfläche der Flüs sigkeit.
Ein aus einem Zerstäuberkanal austretendes Flüssigkeitsteil besitzt - wenn es Zylinderform hat nach der Kugel die kleinste relative Oberfläche. Die Zerstäubungsenergie, welche notwendig ist, um einen bestimmten Zerstäubungsgrad zu erreichen, muss also relativ hoch sein. Dagegen wird sich bei spielsweise ein sternförmig profilierter Flüssigkeits teil gleichen Volumens beim Austritt aus einem Zer- stäuberkanal relativ leichter, das heisst mit geringerer Zerstäubungsenergie auf einen bestimmten Zerstäu- bungsgrad verteilen lassen.
Der Grund hierfür liegt darin, dass der sternförmig profilierte Flüssigkeitsteil gegenüber einem solchen mit kreisförmigem Profil eine relativ grosse Oberfläche besitzt.
2. Die Krümmung bzw. der schraubenlinige Ver lauf oder auch der Drall des Kanals wirken darüber hinaus in an sich bekannter Weise ebenfalls im Sinne einer besseren Zerstäubung. Zerstäubungsdüsen, welche unter Ausnutzung einer auf die Flüssigkeit wir kenden Zentrifugalkraft arbeiten, beispielsweise so genannte Dralldüsen, sind aus der Technik bekannt. Man wendet sie beispielsweise bei Berieselungsanlagen oder bei der Zerstäubungstrocknung an.
Dadurch, dass man der austretenden Flüssigkeit einen Drall verleiht, hat man es in der Hand, den Divergenzwinkel zu erweitern, was zur Lösung der erfindungsgemässen Aufgabe ebenfalls von Wichtigkeit ist.
3. Die Herstellung des Düsenkanals durch Elek troerosion ist - abgesehen von fertigungstechnischen Gründen - auch deswegen von Vorteil, weil der Kanal dadurch eine bestimmte Wandrauhigkeit erhält, die durch die Eigentümlichkeit des Verfahrens an und für sich bedingt ist. Gerade diese Wandrauhigkeit ist aber für eine Zerstäuberdüse wichtig, denn sie be günstigt die Wirbel- und Turbulenzbildung in der Grenzschicht der Strömung. Ein mindestens teil weise mit turbulenter Strömung austretender Flüssig keitsstrahl hat aber viel eher die Neigung zu zer stäuben als ein mit im wesentlichen laminarer Strö mung austretender Strahl.
In der Zeichnung sind einige Beispiele der Er findung vereinfacht wiedergegeben.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Ein spritzdüse 1, mit den Düsenkanälen 2 und 3 im Schnitt. Der Kanal 2 besitzt kreisförmigen Querschnitt 2' und ist in seiner Länge um den Mittelpunkt M mit dem Radius R gekrümmt.
Ein Düsenkanal von dieser Form lässt sich nur mit Hilfe des Verfahrens der elektroerosiven Metall bearbeitung herstellen, indem die Elektrode beim Be arbeiten des Werkstückes um den Mittelpunkt M ge schwenkt wird, so dass ein Kanal in Form eines Teils eines Kreisbogens entsteht.
Der Düsenkanal 3 beispielsweise besitzt vier eckigen Querschnitt 3' bzw. sternförmigen Querschnitt 3" und weist einen Drall auf, der dadurch entsteht, dass die Erosionselektrode beim Vorschub eine Dreh bewegung ausführt. Kanal 4 in Fig. 2 hat beispiels weise sternförmigen Querschnitt 4', ist aber in sich gerade und ohne Drall ausgeführt. Durch diesen sternförmigen Querschnitt ergeben sich die für den Zerstäubungsvorgang des Brennstoffstrahls bereits er wähnten günstigen Bedingungen.
Fig. 2 zeigt einen weiteren Kanal 5 von kreis förmigem Querschnitt 5' bzw. von dreieckigem Quer schnitt 5", welcher eine schraubenlinienförmige Win dung um die Achse X-Y aufweist.
Die dargestellten und beschriebenen Düsenkanäle sind nur einige wenige Beispiele der möglichen Aus bildung einer Düse nach der Erfindung. Es sind jedoch noch eine Reihe weiterer Ausführungsformen denkbar und fallen unter die Erfindung, sofern sie die folgenden Merkmale aufweisen:
The invention relates to a fuel injection nozzle for fuel valves of internal combustion engines with at least one nozzle channel leading from the fuel chamber inside the valve body to the outside and serving to inject the fuel, and a method for producing it.
The task of a fuel injector is to distribute a certain amount of fuel in the combustion chamber at the beginning of each work cycle of an internal combustion engine.
The ideal case of such a distribution would be the finest possible atomization of the fuel in the form of an aerosol of homogeneous density. The more evenly and completely the distribution of the fuel in the combustion chamber, the more evenly and completely the subsequent combustion of the same takes place.
The extent to which this ideal case of distribution can be achieved depends to a large extent on the function of the injection nozzle, and the shape of the nozzle channel plays an important role here.
The fuel emerging from the nozzle channel must have a certain penetrating power and speed in order to reach the depths of the combustion chamber as finely atomized as possible.
It can now happen that the penetration force of the fuel jet emerging from the nozzle channel is so great that part of it hits a point on the combustion wall without being burned. This then creates the known harmful deposits on the combustion wall on the one hand, and the combustion is also adversely affected, since in the combustion chamber, in addition to zones with too high a fuel density, there are zones with too low a fuel density, i.e. predominantly air and fuel ratios that are unfavorable for combustion Fuel,
while the correct ratio is only achieved in a relatively small part of the combustion chamber.
However, the opposite case can also occur, namely that the fuel jet has too low an exit speed and penetrating power, so that the fuel is distributed in a relatively dense cloud near the exit point, while more distant parts of the combustion chamber contain no or too little fuel . In this case too, the combustion is irregular and sometimes incomplete.
In addition to a loss of performance, the immediate consequence of incomplete combustion is a strong build-up of soot in the combustion chamber, which, as is well known, leads to undesirable deposits and - depending on the amount of the same, possibly to operational disruptions.
It is known that, in addition to other influences such as the injection pressure, the shape of the nozzle channel is important for the desired homogeneous fine distribution of the fuel in the combustion chamber.
In the known injection nozzles, such channels generally consist of fine bores of cylindrical shape. Attempts have been made in such bores by maintaining a certain ratio of diameter to length to achieve a sufficient distribution and a sufficiently large divergence angle of the exiting fuel jet. However, this is often only partially successful. Because the difficulty lies in the fact that a cylindrical outlet channel with a smooth wall for the atomization of a liquid is in and of itself not very favorable, indeed is downright unsuitable.
For manufacturing reasons, however, one was previously bound to this shape. These difficulties are overcome by the invention. The invention consists in that the nozzle channel has a shape that differs from the circular cylinder. The production of a nozzle channel of this shape is done according to the invention by electro erosion.
The nozzle channel can advantageously be curved. The measure can also be taken to wind the nozzle channel helically around an imaginary central axis.
It is advantageous if the nozzle channel has a cross-section that differs from the circular shape.
It is expedient to choose a cross section in the shape of a polygon, for example in the shape of a triangle, square, hexagon, etc.
One can also take the measure that such a nozzle channel has a swirl.
Injection nozzles produced according to the invention are much better suited for distributing the fuel than known injection nozzles with injection channels of cylindrical design. This progress is achieved by three factors: 1. The atomization process of a volume of liquid takes place by splitting it into a large number of small or very small parts of the volume with an increase in the relative surface of the liquid.
A liquid part exiting from an atomizer channel has the smallest relative surface area after the sphere if it is cylindrical. The atomization energy, which is necessary to achieve a certain degree of atomization, must therefore be relatively high. On the other hand, for example, a star-shaped profiled liquid part of the same volume will be relatively easier to distribute to a certain degree of atomization when it emerges from an atomizer channel, that is to say with less atomization energy.
The reason for this is that the star-shaped profiled liquid part has a relatively large surface compared to one with a circular profile.
2. The curvature or the helical Ver run or the swirl of the channel also act in a manner known per se in the sense of better atomization. Atomizing nozzles which work using a centrifugal force acting on the liquid, for example so-called swirl nozzles, are known from the art. They are used, for example, in sprinkler systems or in spray drying.
By giving the exiting liquid a twist, it is possible to widen the divergence angle, which is also important for solving the problem according to the invention.
3. The production of the nozzle channel by electroerosion is - apart from manufacturing reasons - also advantageous because the channel thereby receives a certain wall roughness, which is due to the peculiarity of the process in and of itself. However, it is precisely this wall roughness that is important for an atomizer nozzle because it favors the formation of eddies and turbulence in the boundary layer of the flow. An at least partially exiting liquid jet with a turbulent flow, however, has a much greater tendency to dust than a jet exiting with an essentially laminar flow.
In the drawing, some examples of the invention are reproduced in simplified form.
Fig. 1 shows a cross section through an injection nozzle 1, with the nozzle channels 2 and 3 in section. The channel 2 has a circular cross-section 2 'and is curved in its length around the center point M with the radius R.
A nozzle channel of this shape can only be produced using the process of electrical discharge machining, in that the electrode is pivoted around the center M while working on the workpiece, so that a channel in the form of part of a circular arc is created.
The nozzle channel 3, for example, has a four-cornered cross-section 3 'or star-shaped cross-section 3 "and has a twist that is created by the erosion electrode executing a rotary movement during advancement. Channel 4 in FIG. 2, for example, has a star-shaped cross-section 4', However, this star-shaped cross section results in the favorable conditions already mentioned for the atomization process of the fuel jet.
Fig. 2 shows another channel 5 of circular cross-section 5 'or of triangular cross-section 5 ", which has a helical Win extension about the axis X-Y.
The nozzle channels shown and described are just a few examples of the possible formation of a nozzle according to the invention. However, a number of other embodiments are also conceivable and fall under the invention provided they have the following features: