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Brennstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen Gegenstand der Erfindung
ist eine Brennstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen.
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Zur Erzielung eines möglichst weichen Verbrennungsahlaufes, insbesondere
im Leerlauf und im n.ic,deren Drehzahlbereich, sowie zur Erzielung eines guten Anlaßverhaltens
auch bei niederer Außentemperatur und demzufolge besonders niederer Anlaßdrehza'hl
verwendet man Brennstoffeinspritzdüsen mit zwei getrennten Einspritzöffnungen verschiedenen
Ouerschnittes. Durch die kleinere Einspritzöffnung erfolgt die Voreinspritzung,
durch die kleinere und die größere Öffnung die Haupteinspritzung. Die beiden Einspritzöffnungen
werden über je eine Zuleitung, die von einer gemeinsamen Zuflußleitung ungesteuert
abzweigt, gespeist. In .den beiden getrennten Zuleitungen sind unterschiedlich federbelastete
Rückschlagventile vorgesehen, die bei Ansteigen des Druckes in der von der Einspritzpumpe
kommenden Druckleitung nacheinander öffnen und so eine Aufteilung der gesamten Einspritzung
in Vor- und Haupteinspritzung bewirken.
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Bei den bekannten Einspritzdüsen dieser Art strebt man einen bei niedrigster
und bei höchster Drehzahl gleichen Druck vor der Einspritzöffnung an. Dadurch erreicht
man, daß die Zerstäubung des Brennstoffes beim Anlassen und bei niedriger Drehzahl
genau so gut wie bei höchster Drehzahl ist und daß außerdem nicht durch übermäßiges
Ansteigen des Druckes bei hoher Drehzahl eine unerwünschte Vergrößerung des Spritzwinkels
auftritt. Es ist bekannt, zu diesem Zweck die Ouersc'hnitte der beiden Einspritzöffnungen
so zu bemessen, daß bei kleinster Drehzahl mit allein geöffneter Voreinspritzbohrung
und bei höchster Drehzahl mit gleichzeitig geöffneter Vor- und Haupteinspritzbohrung
vor den Einspritzbohrungen der gleiche Druck herrscht.
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Zu dieser Abstimmung dient folgender Berechnungsgang: Das Ausflußgesetz
einer Düse lautet
O_ = Durchflußmenge in der Zeiteinheit, ir = Einschnürungsfaktor, F = Düsenquerschnitt,
k = Konstante, p = Druckdifferenz.
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Die Fördermenge einer üblichen Einspritzpumpe ist etwa proportional
der Pumpen- und damit der Motordrehzahl. Es ist also Qi=aaa. Q1 = Fördermenge der
Pumpe in der Zeiteinheit, a = Konstante, za = Motordrehzahl. Da 01 = O ist, kann
man schreiben
Wenn nun bei kleinster und größter Motordrehzahl derselbe Druck vor den beiden Einspritzöffnungen
herrschen soll, wird p in der Formel eine: Konstante, und es verhält sich
Die nach der bekannten Vorschrift und damit nach der vorstehenden Formel bemessenen
Düsen haben folgenden Nachteil: Neuzeitliche Motoren, insbesondere Fahrzeugmotoren,
haben einen sehr großen Drehzahlbereich. Es ist z. B. ein Fahrzeug-Dieselmotor mit
einer niedrigsten Anlaßdrehzahl von unter 100 U/min und einer Höchstdrehzahl von
2200 U/min keine Seltenheit. Weiter ist bei neuzeitlichen, vielzylindrigen Motoren
das Zylindervolumen und damit auch die Einspritzmenge pro Hub sehr gering, und von
dieser schon kleinen Einspritzmenge pro Hub macht die Voreinspritzmenge wiederum
nur einen Bruchteil aus. Bei Einspritzdüsen, deren Einspritzöffnungen der obergenannten
Bemessungsvorschrift entsprechen, fällt daher der Voreinspritzquerschnntt derart
gering aus, daß die entsprechenden Bonrungen nur sehr schwierig herzustellen sind
und im Betrieb häufig durch kleinste, vom Brennstoffilter durchgelassene Premd'körper
verstopft werden. Mit dem Querschnitt der Haupteinspritzöffnung kann man jedoch
einen bestimmten Maximalwert nicht überschreiten, da sonst nicht im gesamten Drehzahl-
und
Belastungsbereich des Motors ein genügend hoher Zerstäubungsdruck
gewährleistet ist. Man kann daher nicht durch gleichzeitige Vergrößerung der Vor-
und Haupteinspritzöffnung unter Einhaltung des vorgeschriebenen Verhältnisses eine
genügend große Voreinspritzöffnung erhalten. Die nach der bekannten Bemessungsvorschrift
hergestellten Düsen haben lzeiiie genügende Betriebssicherheit.
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Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, durch besondere
Bemessung der Einspritzöffnungen und der Rückschlagventile eine Einspritzdüse zu
schaffen, die allen eingangs geschilderten Anforderungen entspricht, jedoch nicht
die Mängel der bekannten Düsen aufweist.
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Bei der erfindungsgemäßen Einspritzdüse wird das Verhältnis des Querschnittes
der größeren Einspritzöffnung zum Querschnitt der kleineren Einspritzöffnung kleiner,
vorzugsweise halb so groß gewählt «-ic das Verhältnis der Motorhöchstdrehzahl zu
der kleinsten Drehzahl. Die kleinste Motordrehzahl ist bei Dieselmotoren meistens
die Anlaßdrehzahl bei kaltem Motor. Bei einer solchen Bemessung wird der Querschnitt
der kleineren Einspritzöffnung bei gleichgehaltenem Querschnitt der größeren Einspritzöffnung
grö ßer als bei den nach der bekannten Bemessungsvorschrift hergestellten Einspritzdüsen.
Die erfindungsgemäße Einspritzdüse ist daher leichter herzustellen und weniger empfindlich
gegen Verunreinigungen des Brennstoffes.
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Für die vorzugsweise Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einspritzdüse
gilt also die Bernes-el orschrift:
Nach. der Ausflußformel
ist das zv erhältnis der Zerstäubungsdrücke bei kleinster und größter Drehzahl
nämlich gleich dem Quadrat des Faktors, um den das Ouerschnittsverhältnis gegenüber
dem Drehzahlverhältnis verkleinert ist.
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Der beim Anlassen zur Verfügung stehende Druck vor der Einspritzöffnung
erreicht also nur ein Viertel des Druckes vor beiden Einspritzöffnungen bei Höchstdrehzahl.
Wie sich gezeigt hat, reicht dieser Druck für eine gutes Anlassen aus, wenn man
den heute üblichen hohen 7erstäubungsdruck bek Höchstdrehzahl zugrunde legt. Es
muß aber unbedingt dafür gesorgt werden, daß dieser Druck beim Anlassen auch mit
Sicherheit erreicht wird. Hierzu muß der Druck in der Druckleitung beim Anlassen
um so viel über dem ZErstäubungsdruck vor der Voreinspritzbohrung liegen, wie der
Druckverlust in dem Rückschlaggventil der -'oreinspritzzuleitung beträgt. Dieser
Druckverlust ist bei üblichen Rückschlagventilen etwa gleich dem Öffnungsdruck des
Ventils. Man wird daher den Öffnungsdrueh des Voreinspritzventils so niedrig wie
möglich wählen; er muß aber doch hoch genug liegen, um ein unbeabsichtigtes Öffnen
des Voreinspritz-,:"ntils durch in der Einspritzleitung hin- und herlaufende Druckwellen
zu verhindern. Man muß atißürd°m den Öffnungsdruck des Hauptei.nspritz--: @ntils
so viel höher lesen als den des Vore,insp.ritz-:-entils, daß es bei dem vorerwähnten
Druck, der sich leim Anlassen in der Einspritzleitung einstellt, noch nicht öffnet.
Hierauf beruht die mit der ersten untrennbar verbundene weitere erfindungsgemäße
Bemessungsvorschrift, daß die Differenz der Öffnungsdrücke der beiden Rückschlagventile
mindestens gleich ist dem Produkt aus dem Zerstäubungsdruck vor der größeren Einspritzöffnung
bei Höchstdrehzahl und dem Quadrat des Faktors, um den das Querschnittsverhältnis
der beiden Einspritzöffnungen geringer ist als das Drehzahlverhältnis. Dieser Faktor
ist bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung i/2; die Differenz der Öffnungsdrücke
muß daher mindestens gleich einem Viertel des maximalen Zerstäubungsdruckes vor
der größeren Einspritzöffnung sein. So konnten mit einer Einspritzdüse für einen
Motor, dessen kleinste Anlaßdrehzahl 100 U/min und dessen Höchstdrehzahl 2200 U/min
beträgt, mit einem Ouerschnittsverhältnis von 11,5:1 und einem Öffnungsdruck von
35 bis 40 kg/cm2 für das Voreinspritzventil und 90 bis 100 kg/cm2 für das Haupteinspritzv
entil bei einem maximalen Einspritzdruck von 300 kg/cni2 vor den beiden Ventilen
sehr gute Ergebnisse erzielt werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Einspritzdüse wird beim Anlassen und je
nach der Abstimmung auch im Leerlauf und im niederen Drehzahlbereich bei kleiner
Füllung nur die kleinere, im niedrigen Drehzahlbereich bei großer Füllung und im
hohen Drehzahlbereich auch die größere Einspritzöffnung geöffnet. Sie arbeitet daher
sowohl als Registerdüse als auch als Voreinspritzdüse und ergibt einerseits ein
gutes Anlaßverhalten, andererseits eine gute Gangruhe im gesamten Betriebsbereich.
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Einspritzdüsen werden gewöhnlich in ein Gewinde des Zylinderkopfes
.der Brennkraftmaschine eingeschraubt oder in eine Paßflädhe eingesetzt, ohne daß
besondere Vorkehrungen getroffen sind, damit die eingeschraubte Düse eine bestimmte
Drehstellung bekommt. Solche Vorkehrungen wären ziemlich umständlich. Bei Einspritzdüsen
mit Vor- und Haupteinspritzung, die aus zwei oder mehreren Einspritzöffnungen erfolgt,
müssen daher mindestens eine, gegebenenfalls auch mehrere Einspritzöffnungen exzentrisch
zu der Düsenmittellinie liegen. Es bestimmt daher die Drehstellung der eingeschraubten
Einspritzdüse den Auftreffpunkt des aus der exzentrisch liegenden, Einspritzöffnung
austretenden Brennstoffstrahles auf die Brennkammerwandung. Der Au.ftreffpunkt,
dessen günstigste Lage durch umfangreiche Versuchsreihen ermittelt werden muß, kann
aber nicht wesentlich verändert werden, ohne eine beträchtliche Leistungseinbuße
und Steigerung des Brennstoffverbrauches in Kauf nehmen zu müssen. Die- beiden Einspritzöffnungen
werden daher bei der erfindungsgemäßen Einspritzdüse zueinander und. zu der Düsenmittellinie
parallel sowie in möglichst geringem Abstand voneinander und von der Mittellinie
der Einspritzdise angeordnet. Hierdurch wird der Einfluß der Drehstellung der eingesetzten
Einspritzdüse am geringsten.
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Diese Anordnung läßt sich mit einer besonderen Form der Einspritzdüse
besonders gut erreichen, die auch eine sehr einfache Fertigung ermöglicht. Es werden
bei dieser Einspritzdüse nämlich die Einspritzöffnungen geradlinig und zueinander
parallel aus den hinter dem Schließkörper der Rückschlagventile hefindlichen Räumen
in die Brennkammer geführt und exzentrisch aus den Achsen der Rückschdagventile
auf die Mittellinie des Einschraubgewindes bzw. der Aufnahme-Paßfläche zu versetzt
angeordnet.
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Eine solche Ausführung bietet weiterhin die vorteilhafte Möglichkeit,
den Düsenschließkörper in bekaänter
Weise selbst als Hubbegrenzungsanschlag
auszubilden, in dem er mit der gegenüberliegenden U'andung des hinter dem Rückschlagventil
befindliehen Raumes zusammenarbeitet. Hierzu erhält der übliche kugelförmige Schiließkörpereinen
Fortsatz in Form eines Kegelstumpfes, dessen größere Grundfläche an einer beliebigen
Abschnittsfläche der Kugel anschließt und dessen kleinere Grundfläche sich bei voll
geöffnetem Ventil gegen die Wand des hinter dem Schließkörper befindlichen Raumes
abstützt. Dieser Raum wird, um ein möglichst geringes Volumen zu erhalten. ebenfalls
k°gelstumpfförmig ausgebildet. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung mündet nun
die zur Ventilachse exzentrische Einspritzöffnung in das ausflußseitige Ende des
Kegelmantels dieses Raumes. Der geöffnete Ventilschließkörper deckt daher die Einspritzöffnung
nicht ab, und es sind keine radialem Einfräsungen an der Rückseite des Schließkörpers
für den Durchtritt des Brennstoffes erforderlich. Die Einspritzöffnungen sind auf
ihrer gesamten Länge gerade und liegen senkrecht zu den Beegrenzungsflächen der
Düsenplatte, so daß ihre Herstellung sehr einfach ist.
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Es kann auch vorteilhaft eine Mehrlochdüse mit einem solchen Rückschlag-ventil
Anwendung finden. In diesem Fall führen die verschiedenen Einspritzöffnungen, die
zueinander nicht mehr parallel sind, unmittelbar aus dem Raum hinter dem Rückschlagventil
in den Brennraum. S° münden ebenfalls in das ausflußseitige Kegelman.telende des
hinter dem Rückschlagventil befindlichen Raumes, so daß sie von dem Ansatz am Ventilschließkörper
bei geöffnetem Ventil nicht abgedeckt werden. Eine solche Düse weist sehr viel weniger
Umlenkungen und Ouerschnittsveränderungen als eine Mehrloc'hdüse üblicher Bauart
auf und hat daher einen günstigeren Widerstandsbeiwert. Auch lassen sich die einzelnen
Einspritzöffnungen vom Innern des kegelstumpfförmigen Raumes, in den sie einmünden,
leicht entgraten.
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Bei den erfindungsgemäßem Einspritzdüsen ist der Miudestöffnungsdruck
.des der größeren Einspritzöffnung vorgeschalteten Riickschlagventils durch die
eingangs angegebene Bemessungsvorschrift festgelegt. Dieser Öffnungsdruck liegt
höher als bei normalen Einspritzdüsen mit nur einer durch ein Rückschlagventil gesteuerten
Einspritzöffnung. Hinter dem Rückschlagventil und vor der größeren Einspritzöffnung
stellt sich nur ein Zerstäubungsdruck ein, der mindestens um den Öffnungsdruck des
zugehörigen Rückschlagventils niedriger als der Druck in. der Einspritzleitun,g
ist. In Ausgestaltung der Erfindung sind Maßnahmen vorgesehen, um wenigstens den
noch zusätzlich zwischen dem Ventilsitz und der Mündung der Einspritzöffnung auftretenden
Strömungsverlust möglichst klein zu halten, Diese Maßnahmen bestehen darin, daß
der Kegelwinkel des kegelstumpfförmigen Ansatzes des Ventilschließkörpers größer
gewählt wird als der Kegelwinkel des hinter -dien Ventilschlie#ßkörper befindlichen
Raumes. Außerdem wird die Kegelspitze des Ansatzes des bis zum Anschlag geöffneten
Ventilschließkörpers gegenüber der Kegelspitze des genannten Raumes axial versetzt
angeordnet, und zwar derart, daß die Größe des kreisringförmigen Strömungsquerschnittes
vom Ventilsitz bis zu. der Einmündung im die Einspritzöffnung sich: möglichst wenig
verändert. Hierdurch werden die Strömungsverluste in dem Rückschlagventil sehr viel
geringer als bei der üblichen Ausführung eines Rückschlagventil.s, bei der meistens
hinter dem Ventilsitz eine plötzliche, starke Ouerschnittsvergrößerung und an der
Mündung in die Einspritzöffnung wieder eine plötzliche Querschnittsverringeru.ng
erfolgt.
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Eine weitere Verringerung des Druckverlustes in dem Ventil kann man
in Weiterbildung der Erfindung in sehr einfacher Weise dadurch bewirken, daß der
kugelig,. Schließkörper des Rückschlagventils in den kegeligen Ventilsitz schwach
eingeschliffen wird. Hierdurch erhält das Ventil eine Druckstufebekanntzr Art, jedoch
in stetiger Form, und es ergibt sich eine Herabsetzung des Schließdruckes gegenüber
dem Öffnungsdruck und damit eine Verringerung des Druckverlustes im Sitz des Rückschlagventils.
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Diese letztere Wirkung ist, wie weiter oben dargelegt, besonders für
das der größeren Einspritzöffnung vorgeschaltete Rückschlagvemtil sehr wichtig,
da jede Verringerung des Druckverlustes im Ventil eine Erhöhung des Zerstäubungsdruckes
vor der größeren Einspritzöffnung und damit eine bessere Zerstäubung des durch diese
größere Öffnung eingespritzten großen Brennstoffanteiles gibt.
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Gerade bei Einspritzdüsen der der Erfindung zugrunde liegenden Art,
die sowohl als Register- als auch als Voreinspritzdüse arbeiten sollen, ist unter
allen Umständen eine besonders genaue Einhaltung der Öffnungsdrücke der beiden Rückschlagventile
erforderlich, da sonst ein ordnungsgemäßes Arbeiten der Einspritzdüse unmöglich
ist. Bei ursprünglich genau eingestellter Vorspan.nung der Schließfedern der beiden
Rückschlagventile kann der Öffnungsdruck sehr stark beeinflußt werden durch die
veränderliche Reibung in der Führung eines Ventils, die wiederum von einer eventuell
exzentrisch wirkenden Schließfederkraft und der Temperatur der Einspritzdüse abhängt.
Aus diesem Grund werden die Rückschlagventile der erfindungsgemäßen Einspritzdüse
in an sich bekannter Weise urgeführt ausgebildet und in ihren Federtellern kardanisch
aufgehängt. Beide Maßnahmen sind bisher nur an normalem Einfachdüsen bekannt. In
Verbindung mit den erfindungsgemäßen Voreinspritzdüsen werden zwar keine neuen Wirkungen
erzielt; es wird jedoch der bei diesen Düsen auftretenden Forderung eines absolut
konstant bleibenden Öffnungsdruckes Rechnung getragen. Die Konstanthaltung des Öffnungsdruckes
wird auch durch die Einschaltung eines Hubbegremzungsanschlages unterstützt., da
durch diesen eine Verformung der Ventilfedern über die Elastizitätsgrenze hinaus
verhindert wird.
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Die Erfindung wird an Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
näher erläutert und beschrieben.
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Abb. 1 zeigt eine komplette Düse im Längsschnitt nach der Linie A-B
in Abb, 2; Abb.2 zeigt vergrößert im Längsschnitt nach der Linie C-D in Abb. 1 das
brennraumseitige Düsenende. In dem Düsengehäuse 1 befindet sich eine Düsenplatte
2 mit den Einspritzöffnungen. 3 und 4, eine Ventil,sitzplatte 5, ein zweifach durchbohrtes
Zwischenstück 6, ein einfach durchbohrtes Zwischenstück 7 und ein Sinterfilter B.
Alle .diese Teile werden durch einen D'ruckrohrstutzen 9 im Düsengehäuse 1 fe@stgehalten.
Der Druckrohrstutzen 9 ist in dies Gehäuisel eingeschraubt und mit einer Kontermutter
10 gesichert. Das Zwischenstück 7 enthält eine gemeinsame Zuflußleitung 11, die
sich innerhalb des brennraumseitigen Endes dieses Einsatzstückes und des zweifach
durchhohrten Zwischenstückes 6 in zwei Zuleitungen 12 und 13 zu den Einspritzöffnungen
3 und' 4 gabelt. Die Querschnitte der beiden Einspritzöffnungen 3 und 4 sind nach
der schon geschilderten Bemessungsvor:
clil-iit abgestimmt. In die
Zuleitungen 12 und 13 sind z«c i Rüclcschlagventile 14 und 15 eingeschaltet, die
mit untersclii-edlich vorgespannten und gegebenenfalls auch unterschiedlich starken
Federn 16 und 17 1>el;i@tct sind. Die Öffnungsdrücke der beiden Ventile sind »acir
der ebenfalls aufgeführten Bemessungsvorcl)-ifL gewählt. Die beiden Einspritzöffmtngen3
und 4 laufen zueinander und zu der Mittellinie 18 der L)iise parallel und hab,-n
einen möglichst geringen Abstand -" Gneinander und von der Düsenmittellinie 18.
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Die Schlie11körper 19 und 20 der Rückschlagventile 14 und 15 sind
kugelig ausgebildet und arbeiten mit hegeligen Sitzen 21 bzw. 22 in der Ventilsitzplatte
5 zusatnrnen. Die Räume 23 und 24 hinter den beiden Riichsciilagventilen haben die
Form eines Kegelstumpfes. Die Einspritzöffnungen 3 und 4 münden in das abflußseitige
Ende des Kegelmantels dieser Räume °in und verlaufen geradlinig bis in den Brennraum
dz-- Motors. Jedes der beiden Rückschlagventilebesitzt auf seiner Rücksuite einen
Fortsatz 25 bzw. 26, die ebenfalls die Form eines Kegelstumpfes haben.. Die kleinere
Grundfläch° 27 bzw. 28 dieser Ansätze arl,eit@t als Hubb°greiizungsanschlag mit
der rückwärtigen Wandungsfläche 29 bzw. 30 der Räume 23 und 24 zusammen. Der Kegelwinkel
der Ansätze 25 und 26 ist größer als der der Räume 23 und 24. Die Kegelspitze d°r
Ansätze 25 und 26 ist bei bis zum Anschlag geöffnetem Ventilschließkörper gegenüber
den Kegelspitzen der Räume 23 und 24 in Richtung auf die Zuflußseite der Düse axial
so versetzt, daß der Ouerschnitt des Ringspaltes zwischen den Ansätzen und den Kegelmantelflächen
der Räume, 23 und 24 sich möglichst wenig verändert.
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Die Rückschlagventile 14 und 15 sind nicht geführt und sind in ihren
Federtellern 31 und 32 in an sich 1:alsannter 'Ureise kardanisch aufgehängt. Ihre
Schließkörper 19 und 20 sind in den kegeligen Sitzflächen 21 und 22 leicht eingeschliffen.
Die Ventilfedern 16 und 17 stützen sich mit ihren den Federtellern abgewandt°ti
Enden auf die Ventilsitzplatte 5 ab.
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Die Herstellung sämtlicher Teile der erfindungsgemäP)en Düse ist sehr
einfach. Die Trennebene zwischn der Düsenplatte 2 und der '#lentilsitzplatte 5 liegt
2t-,va in der Höhe der 1-littelpunkta der beiden kugligen 'Tentilsehließkörper 19
und 20. In beiden Teilen brauchen daher lediglich kegelige Vertiefungen h:rg.stellt
zu werden. Auch die Herstellung der Einspritzöffnungen 3 und 4 ist verhältnismäßig
einfach. ,-la diese auf ihrer gesamten Länge geradlinig verlaufen und außerdem zu
den beiden Begrenzungsfi:icil-#n 33 und 34 der Düsemplatte2 senkrecht verlauf@n,
so daß deren Aufnahme bei der Bearbeitung erleichtert ist. Sämtliche sonstigen Teile
der Düse lzönn°n ebenfalls einfach durch Bohren und Drehen ln_rgest@alt werden.