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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach
dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Insbesondere
ist die Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach der Erfindung dazu geeignet,
zerstäubte
Kraftstoffpartikel in eine Verbrennungskammer einzuspritzen, um
sowohl den Wirkungsgrad der Verbrennung bezogen auf das Volumen
zu verbessern, als auch das Entstehen von unverbrannten Gasen einzuschränken und
dadurch die Verschmutzung der Luft zu verringern.
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Beispiele
für Maschinen
zum Verbrennen von flüssigen
Kraftstoffen zur Erzeugung von kinetischer Energie und/oder von
Wärmeenergie
sind Verbrennungskraftmaschinen wie Dieselmotoren und Benzinmotoren
sowie weiterhin Brennkessel zu Industriezwecken und zur Wärmeerzeugung,
welche Wasser erhitzen, um Warmwasser oder Dampf zu erzeugen.
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Einspritzdüsen für Verbrennungskraftmaschinen
spritzen ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff unter einem hohen Druck
in eine Verbrennungskammer ein.
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Wird
in einem Einspritzvorgang der Kraftstoff nicht ausreichend weit
in der Verbrennungskammer verteilt, so folgt hieraus eine unvollständige Verbrennung
und ein verschlechterter Wirkungsgrad der Verbrennung, der eine
Einflußgröße für die Luftverschmutzung
ist. Um diesem Problem abzuhelfen, wurde eine Technik vorgeschlagen,
bei der Luft unter einem hohen Druck eingespritzt und der eingespritzte
Kraftstoff in der Verbrennungskammer verwirbelt wird.
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Da
herkömmliche
Kraftstoffeinspritzvorrichtungen in der Regel auf das Einspritzen
von Kraftstoff unter hohen Drücken
beschränkt
sind, bestehen Einschränkungen
beim Zerstäuben
der Kraftstoffpartikeln. Bei herkömmlichen Kraftstoffeinspritzvorrichtungen
ist daher die Verbesserung des Wirkungsgrads der Verbrennung wegen
des geringen Leistungsvermögens
in Bezug auf die Kraftstoffzerstäubung
problematisch.
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Aus
der
JP 57157060 A ist
eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung der eingangs genannten Art bekannt.
Die bekannte Kraftstoffeinspritzvorrichtung ist in ein Einspritzaggregat
integriert. Für den
einströmenden
Kraftstoff sind Spiralnuten vorgesehen. Der Drall der einströmenden Luft
wird hingegen über
angewinkelte Lufteinlasskanäle
im Gehäuse
bzw. Grundkörper
erzielt.
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Weiterhin
wird in der
JP 55164776
A eine Kraftstoffeinspritzdüse offenbart, an deren Außenseite
Spiralnuten für
die Zufuhr von Luft vorgesehen sind.
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In
der
DE 40 35 312 A1 wird
ein als Drallelement bezeichneter Zerstäubervorsatz beschrieben, der
an einem Einspritzaggregat angebracht ist. Über diesen wird lediglich die
Luft mit Drall beaufschlagt. Das Drallelement weist einen Grundkörper auf,
der an einem Einspritzaggregat befestigt wird. In diesem Grundkörper sitzt
ein Schaufelrad, dass zwischen dem Grundkörper und dem Einspritzaggregat
gehalten ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Krafteinspritzvorrichtung
mit separater Luft- und Kraftstoffzufuhr
im Hinblick auf die Montage zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit den Merkmalen
von Patentanspruch 1 gelöst.
Insbesondere zeichnet sich die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung
dadurch aus, dass die Spiralwelle und das Spiralrohr in dem Grundkörper festgelegt
sind und mit diesem eine vormontierbare Baueinheit bilden, die über den
Grundkörper
am Einspritzaggregat befestigbar ist.
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Durch
ein Einspritzaggregat abgegebener Kraftstoff wird in Spiralnuten
an einer Spiralwelle eines Injektors eingebracht, um in dem Kraftstoff
eine Wirbelströmung
zu erzeugen, wobei der Querschnitt der Spiralnuten kontinuierlich
abnimmt, um die Durchströmgeschwindigkeit
und die Zerstäubung von
Kraftstoffpartikeln durch Kollisionen zwischen den Kraftstoffpartikeln
zu erhöhen,
so daß der
Kraftstoff in einer Verbrennungskammer weit zerstreut wird, um das
Entstehen von unverbrannten Gasen einzuschränken und um eine feine Zerstäubung zu bewirken
und den Wirkungsgrad der Verbrennung zu verbessern. Das Spiralrohr
umgibt die Spiralwelle und weist an seiner Außenumfangsfläche eine
Vielzahl eingeformter Spiralnuten auf, um Luft zusammen mit dem
Kraftstoff in die Verbrennungskammer einzuspritzen, wobei die Strömung der
Luft in eine Wirbelströmung
verwandelt wird, während
diese durch die Spiralnuten des Spiralrohrs strömt. Der Grundkörper koppelt
beide, das Spiralrohr und die Spiralwelle an das Einspritzaggregat.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den Patentansprüchen 2, 3 angegeben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
obengenannten und weiteren Ziele, Merkmale und zusätzliche
Vorteile der vorliegenden Erfindung lassen sich anhand der nachfolgenden
detailierten Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen
besser verstehen, in denen in:
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1 eine
Explosionsdarstellung einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach
der Erfindung zeigt,
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2 eine
Längsschnittansicht
einer Spiralwelle und eines Spiralrohrs der Kraftstoffeinspritzvorrichtung
nach der Erfindung zeigt,
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3 eine
Querschnittsansicht der Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach der
vorliegenden Erfindung in einem Zusammenbauzustand zeigt,
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4 eine
perspektivische Ansicht der Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach
der vorliegenden Erfindung im zusammengebauten Zustand zeigt,
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5 eine
Längsschnittansicht
der Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung
im zusammengebauten Zustand zeigt,
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6 eine
Querschnittsansicht der Kraftstoffeinspritzvorrichtung der nach
der vorliegenden Erfindung zeigt, und
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7 eine
Längsschnittansicht
der Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung
im angekoppelten Zustand an ein Einspritzaggregat für einen
Dieselmotor zeigt.
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Detaillierte Beschreibung des bevorzugten
Ausführungsbeispiels
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Die
nachfolgende detaillierte Beschreibung bezieht sich auf ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel der
Erfindung, das in den beigefügten
Zeichnungen dargestellt ist.
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1 zeigt
eine Explosionsdarstellung einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung
nach der Erfindung. 2 zeigt eine Längsschnittansicht
einer Spiralwelle 1 und eines Spiralrohrs 3 der
Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.
Die Einspritzvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung umfaßt einen
zylindrischen Grundkörper 5,
der an einer Düse 18 an
einem unteren Ende eines Einspritzaggregats 17 angebracht
ist.
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Der
Grundkörper 5 weist
vorzugsweise an seiner Innenumfangsfläche ein Innengewinde auf und
ist damit an das Einspritzaggregat angeschraubt.
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Eine
Spiralwelle 1 und ein Spiralrohr 3 sind in dem
Grundkörper 5 angeordnet,
der an seinem oberen und unteren Ende offen ist. Drei bis sechs
Spiralnuten 2 bzw. 4 sind jeweils radial in die
Außenumfangsflächen der
Spiralwelle 1 und des Spiralrohrs 3 eingeformt.
Die Spiralnuten 2 der Spiralwelle 1 wirkenden
als Durchgangskanäle
für von
dem Einspritzaggregat eingespritzten Kraftstoff, wohingegen die Spiralnuten 4 des
Spiralrohrs 3 einen Durchgang für Luft oder Wasser bilden.
In dem Spiralrohr 3 ist eine sich in Längsrichtung erstreckende Durchgangsöffnung ausgebildet.
Die Spiralwelle 1 ist in diese Durchgangsöffnung eingesetzt.
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Die
Spiralnuten 2 und 4 verjüngen sich von ihrer Einlaßseite zu
ihrer Auslaßseite
kontinuierlich in ihrer Breite, wodurch die Durchströmgeschwindigkeit des
Kraftstoffs erhöht
wird. Dabei nimmt die Strömungsgeschwindigkeit
der Kraftstoffpartikel beim Hindurchtreten durch die Spiralnuten 2 der
Spiralwelle 1 in der Durchgangsöffnung des Spiralrohrs 3 zu. Diese
werden in Form einer Wirbelströmung
in eine Verbrennungskammer eingespritzt. Folge hiervon ist eine
breite Zerstreuung der Kraftstoffpartikel in der Verbrennungskammer,
wodurch das Entstehen von unverbrannten Gasen eingeschränkt wird.
Die Erhöhung
der Durchströmgeschwindigkeit
führt zu
einer Zunahme von Kollisionen zwischen den Kraftstoffpartikeln und
fördert
deren Zerstäubung,
wodurch der Wirkungsgrad der Verbrennung verbessert wird.
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Luft
oder Wasser wird in Form einer Wirbelströmung über die Nuten 4 des
Spiralrohrs 3 eingespritzt. Die Luft oder das Wasser werden
gemeinsam mit den Kraftstoffpartikeln eingespritzt, um die Feinverteilung
bzw. Diffusion der Kraftstoffpartikel zu erhöhen.
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Der
Grundkörper 5 umfaßt einen
Düsenkopf 7 zur
Abstützung
des Spiralrohrs 3 an der Unterseite des Grundkörpers 5.
Der Grundkörper 5 nimmt
weiterhin das Spiralrohr 3 auf, sowie eine Spiralrohrhülse 9 zur
Lagerung des Spiralrohrs 3, eine untere Halteplatte 10 zur
Festlegung der Spiralrohrhülse 9,
eine Spiralwellenhülse 12 zur
Lagerung der Spiralwelle 1 und eine obere Halteplatte 14 zur
Festlegung der Spiralwellenhülse 12,
die in dieser Reihenfolge auf dem Düsenkopf 7 in dem Grundkörper 5 aufeinander
gestapelt sind. Die untere Halteplatte 10 und die obere Halteplatte 14 weisen
jeweils ein Außengewinde
zum Verschrauben mit dem Innengewinde in dem Grundkörper 5 auf.
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Die
untere und obere Halteplatte 10 bzw. 14 weisen
jeweils entsprechend einen oberen und einen unteren Luftkanal 11 bzw. 15 auf,
während
die Spiralwellenhülse 12 einen
mittleren Luftkanal 13 aufweist. Die Luftkanäle 11, 13 und 15 dienen
dazu, Luft in die Spiralnuten 4 einzuleiten.
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Der
Grundkörper 5 ist
an einem seitlichen Abschnitt mit einem Lufteinlaß 6 versehen,
der mit den Luftkanälen 11, 13 und 15 kommuniziert.
Die Halteplatte 14 besitzt in ihrer Mitte einen Einlaß 16 für das Einspritzaggregat 17,
die mit der Düse 18 an dem
unteren Ende des Einspritzaggregats 17 verbunden ist, um
Kraftstoff zu der Spiralwelle 1 zu fördern. Das bisher nicht erwähnte Bezugszeichen 8 kennzeichnet
eine Feder, welche die Spiralwelle 1 gegen den Einspritzaggregat-Einlaß 16 drückt, um den
Einspritzaggregat-Einlaß 16 zu
verschließen, wenn
kein Kraftstoff eingespritzt wird.
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Bei
der oben erläuterten
Einspritzvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung wird Kraftstoff
von dem Einspritzaggregat über
den Einspritzaggregat-Einlaß 16 in
Richtung der Spiralwelle 1 eingespritzt. Die Vielzahl der
Spiralnuten 2 den ist an der Außenumfangfläche der Spiralwelle 1 derart
ausgebildet, daß die
Durchflußgeschwindigkeit
des Kraftstoffs erhöht
und dadurch beim Einspritzen von Kraftstoff in die Verbrennungskammer
eine Wirbelströmung
erzeugt wird. Infolgedessen wird der Kraftstoff in der Verbrennungskammer
weit zerstäubt
und verteilt.
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Die
Spiralnuten 2 nehmen von der Einlaßseite zu der Auslaßseite in
ihrer Breite kontinuierlich ab, um die Durchströmgeschwindigkeit zu erhöhen und den
Kraftstoff zu komprimieren, so daß die Kraftstoffpartikel aktiv
miteinander zusammenstoßen
und die Zerstäubung
des Kraftstoffs beschleunigt wird. Hieraus resultiert eine Erhöhung der
Effizienz der Verbrennung des in die Verbrennungskammer eingespritzten
Kraftstoffs.
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Die
Einspritzvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung wird wie folgt
zusammengebaut.
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Zunächst wird
der Düsenkopf 7 in
den Grundkörper 5 eingesetzt.
Der Düsenkopf 7 besteht aus
einem Material, das hohen Temperaturen widersteht, da dieser der
Verbrennungskammer ausgesetzt ist. Das Spiralrohr 3 und
die Spiralrohrhülse 9 werden
ineinander in den Grundkörper 5 eingeführt, die
Spiralwelle 1 in die Durchgangsöffnung des Spiralrohrs 3 eingesetzt,
und die Feder 8 um die Spiralwelle 1 angeordnet.
Anschließend
wird die untere Halteplatte 10 in das Innengewinde des
Grundkörpers 5 eingeschraubt,
um die Spiralrohrhülse 9 mit dem
Spiralrohr 3 zu fixieren.
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Die
Spiralwellenhülse 12 wird
um die Spiralwelle 1 angeordnet. Die obere Halteplatte 14 wird
in das Innengewinde des Grundkörpers 5 auf
die Spiralwellenhülse 12 geschraubt,
um den Zusammenbau der Einspritzvorrichtung nach der vorliegenden
Erfindung zu vervollständigen.
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Selbstverständlich werden
die Luftkanäle 11, 13 und 15 in
der unteren Halteplatte 10, der Spiralwellenhülse 12 und
der oberen Halteplatte 14 bei dem Zusammenbau der Einspritzvorrichtung
nach der vorliegenden Erfindung so ausgerichtet, daß diese
mit den Spiralnuten 4 des Spiralrohres 3 kommunizieren.
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Nach
der Beendigung des Zusammenbaus wird die obere Halteplatte 14 unter
dem Lufteinlaß 6, der
in einem Seitenabschnitt des Grundkörpers 5 ausgebildet
ist, plaziert, so daß Wasser
oder Luft über
die Luftkanäle 11, 13 und 15 in
das Spiralrohr 3 eingebracht werden kann.
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7 zeigt
eine Längsschnittansicht
der Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung
in Ankopplung an ein Einspritzaggregat 17 für einen
Dieselmotor. Die Einspritzvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung
kann an dem Einspritzaggregat 17 zusammengebaut oder integral
an diesem montiert werden.
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Das
Einspritzaggregat weist an einem unteren Ende desselben eine Düse 18 zum
Einspritzen von Kraftstoff und an einem oberen Abschnitt desselben
einen Kraftstoffeinlaß 20 auf.
Eine Nadel 19 zum Öffnen
und Schließen
der Düse 14 ist
innerhalb des Einspritzaggregats 17 angeordnet. Ein Solenoid 21 zur
Steuerung der Nadel 19 befindet sich in einem oberen Abschnitt
des Einspritzaggregats 17. Außengewinde um das untere Ende
des Einspritzaggregats 17 dienen zum Verschrauben mit dem
Innengewinde des Grundkörpers 5,
um das Einspritzaggregat 17 mit der Kraftstoffeinspritzvorrichtung
nach der vorliegenden Erfindung zu koppeln.
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Nach
Herstellung einer Kopplung zwischen dem nach der vorliegenden Erfindung
ausgebildeten Grundkörper 5 und
dem Einspritzaggregat 17 ist die Düse 18 mit dem Einspritzaggregat-Einlaß 16 in
der oberen Halteplatte 14 des Grundkörpers 5 verbunden,
so daß Kraftstoff
in die Spiralwelle 1 eingespeist werden kann.
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Das
Einspritzaggregat arbeitet bei einem Kraftstoffeinspritzvorgang
an einem Dieselmotor wie folgt: wird Kraftstoff durch den Kraftstoffeinlaß 20 in das
Einspritzaggregat 17 eingeleitet und das Solenoid 21 gleichzeitig
betätigt,
so wird die Nadel 19 nach oben geschoben, um die Düse 18 zu öffnen, worauf Kraftstoff
durch den Einspritzaggregat-Einlaß 16 zu der Spiralwelle 1 gefördert wird.
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Kraftstoff,
der die Spiralwelle 1 erreicht, wird dort beim Durchströmen der
Spiralnuten 2 mit einer Wirbelströmung beaufschlagt. Folglich
wird beim Einspritzen in die Verbrennungskammer die Strömungsgeschwindigkeit
des Kraftstoffs erhöht
und dieser weit verteilt und zerstreut, wodurch die Entstehung von
unverbrannten Abgasen vermindert wird.
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Die
Spiralnuten 2 sind von der Einlaßseite zu der Auslaßseite verjüngt, so
daß die
Zerstäubung von
Kraftstoff infolge des Ansteigens der Durchflußgeschwindigkeit des Kraftstoffs
und wegen der Kollisionen zwischen den Partikeln zunimmt. Hieraus
resultiert eine Verbesserung des Wirkungsgrads der Verbrennung.
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Luft,
welche durch das Spiralrohr 3 entlang des Lufteinlasses 6 und
der Luftkanäle 15, 13 und 11 geführt wird,
gelangt entlang der Spiralnuten 4 des Spiralrohrs 3 in
die Verbrennungskammer, wo die Luft mit dem Kraftstoff verbrennt.
Nachdem Hindurchtreten durch die Spiralnuten 4 weist die
Luft beim Eintritt in die Verbrennungskammer eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit
auf und ist zudem in eine Wirbelströmung gewandelt. Dies fördert die
Zerstäubung
und Diffusion des Kraftstoffs, wodurch das Entstehen von unverbrannten
Abgasen in vorteilhafter Weise vermindert wird.
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Nach
der vorliegenden Erfindung, die vorstehend erläutert wurde, wird an Kraftstoff,
der über
das Einspritzaggregat in die Verbrennungskammer eingespritzt wird,
beim Durchströmen
der Spiralnuten die Strömungsgeschwindigkeit
und die Verwirbelung erhöht,
so daß die
Feinverteilung des Kraftstoffes das Entstehen von unverbrannten
Abgasen in vorteilhafter Weise vermindert. Die Spiralnuten sind
von der Einlaßseite
zu der Auslaßseite
in ihrer Breite verjüngt,
um sowohl die Durchströmgeschwindigkeit
zu verbessern als auch die Kollisionen von Kraftstoffpartikeln zu
erhöhen,
wodurch der Wirkungsgrad der Verbrennung aufgrund der Zerstäubung der
Kraftstoffpartikel verbessert wird.
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Die
vorliegende Erfindung läßt sich
sowohl an auf Verbrennungskraftmaschinen als auch auf Industrie-
und Heizkessel anwenden. Das Ausführungsbeispiel wurde zwar im
Zusammenhang mit einer Verbrennungskraftmaschine in Form eines Dieselmotors
erläutert,
es ist jedoch festzuhalten, daß die
vorliegende Erfindung nicht auf das obige Ausführungsbeispiel beschränkt ist,
sondern auch bei Industrie- und Heizkesseln oder Benzinmotoren anwendbar
ist.