DE259065C

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Publication number: DE259065C
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Description

KAISERLICHES

PATENTAMT

PATENTSCHRIFT

— JVl 259065 -KLASSE 46 c. GRUPPE

HERMANN FREITAG in CHARLOTTENBURG.

Einspritzdüse für Dieselmaschinen, Patentiert im Deutschen Reiche vom 1. November 1910 ab.

Die Erfindung bezieht sich auf Dieselmaschinen, bei denen der flüssige Brennstoff mit Hilfe von Druckluft durch eine Düse in den

. ,· Zylinder der Maschine eingespritzt und die Brennstoffzufuhr zu einer als Absperrorgan für die Düse dienenden Brennstoffnadel nach Maßgabe der. Belastung und Umdrehungszahl der Maschine geregelt wird. . .

Zur Erzielung der durch eine Dieselmaschine

ίο gegenüber einer Explosionskraftmaschine erreichbaren Vorteile muß bekanntlich der Brennstoff in die bis zu dessen Entzündungstemperatur erhitzte, durch den. Arbeitskolben ver-

- dichtete Luft - allmählich unter Luftüberschuß derart eingeführt werden, daß die Verbrennung bei Beginn des Krafthubes des Kolbens anfängt

und während des ersten Teiles des Kolbenhubes bei nahezu unveränderlichem Druck verläuft.

Bei den bisher gebräuchlichen.Dieselmaschinen hatte man zu diesem Zweck zwei verschiedene Mittel angewendet· Das eine Mittel bestand in dem oberhalb des Brennstoffnadelsitzes angeordneten sogenannten Zerstäuber, ^: der einerseits die Aufgabe hat,, den Brennstoff vor seinem Eintritt in den Zylinder innig mit Luft zu mischen, andererseits dazu dient, beim Einspritzen des Brennstoffs, durch die Einblaseluft auf den Brennstoffstrom, eine Hemmwirkung auszuüben und gegen Schluß der Brennstoffnadel ein Nachlaufen von Brennstoff zu ermöglichen. Ein zweites Mittel fand man darin, daß man der Düsenöffnung einen zu der einzuspritzenden Brennstoffmenge in einem ganz bestimmten Verhältnis stehenden Durchgangsquerschnitt gab. Dieser Querschnitt muß so bemessen sein, daß einerseits die für die gewünschte. Leistung und Umdrehungszahl der Maschine erforderliche Brennstoffmenge während einer bestimmten Zeit auch wirklich in den Zylinder gelangt, da sonst die Verbrennung schleichend erfolgt und die Maschine zu rußen anfängt, und daß andererseits durch eine Drosselung des Brennstoffstromes beim Durchtritt durch die Düse eine bestimmte, die Wirkung des Zerstäubers unterstützende Hemmwirkung auf den Brennstoffstrom ausgeübt wird, um diesen in den Zylinder so einzuführen, daß die Verbrennung,bei Beginn des Krafthubes anfängt und bei unverändertem Druck vor sich geht. Die Verhältnisse des Zerstäubers und der Düsenöffnung sind natürlich so gewählt, daß die Maschine bei normaler Belastung (Höchstbelastung) und Umdrehungszahl zufriedenstellend arbeitet.

Eine Dieselmaschine mit einer solchen Zerstäubungsvorrichtuhg hat infolge der Abhängigkeit der Düsenöffnung von der Brennstoffmenge den Nachteil, daß bei einer Änderung der Belastung oder der Umdrehungszahl der Maschine die Verbrennung nicht mehr ordnungsmäßig erfolgt. Bei kleinen Belastungen der Maschine beispielsweise wird die dem geringeren Kraftbedarf entsprechende kleinere Brennstoffmenge durch die für die normale Brennstoffmenge bemessene Düsenöffnung einerseits zu schnell in den Zylinder gedrückt, andererseits ist die öffnungsweite des Streukegels und damit die Zone des heißen Verbrennungsraumes und des heißen Kolbenbodens, welche von dem Streukegel bestrichen wird, bedeutend kleiner als bei normaler Belastung und Umdrehungszahl der Maschine. Einen je Heineren Bruchteil, der

Öffnungsdauer des Nadelventils die Einströmzeit des Brennstoffs darstellt, desto größer wird die Einströmzeit der nach dem Brennstoff in den Zylinder eintretenden kalten Einblaseluft. Diese durch dieselbe Düsenöffnung eingeführte Luftmenge prallt unmittelbar auf den in den Zylinder zuvor eingeführten Brennstoff auf. Die schnelle Einführung des Brennstoffs bei einer verhältnismäßig kleinen Berührungsfläche mit dem heißen Verbrennungsraum und das Auftreffen der kalter! Einblaseluft während einer verhältnismäßig langen Zeit auf den Brennstoff hat zur Folge, daß dieser erst eine gewisse, mit abnehmender Belastung und Umdrehungszahl wachsende Zeit nach Beginn des Krafthubes des Kolbens auf seine Entzündungstemperatur kommt. Die Verbrennung erfolgt daher explosionsartig, heftige Stöße treten in der Maschine auf und häufig setzt die Verbrennung vollkommen aus, da bei sehr kleinen Belastungen oder Umdrehungszahlen oft die Entzündungstemperatur des Brennstoffs überhaupt nicht wieder erreicht wird.

Um bei einer Änderung der Belastung oder Umdrehungszahl ein einwandfreies Arbeiten der Maschine zu ermöglichen, hat man sich bisher damit geholfen, eine besondere auswechselbare Düsenplatte anzuordnen, deren öffnung der gegebenen Belastung und Umdrehungszahl angepaßt ist. Die Auswechselung dieser Düsenplatte ist mit einer Betriebsstörung und großem Zeitaufwand verbunden, da die Maschine zu diesem Zweck infolge der Lage der Düsenplatte im Zylinderdeckel unterhalb des gesteu- erten Nadelventils teilweise auseinandergenommen werden muß. Bei manchen Verwendungszwecken der Dieselmaschinen, z. B. zum Antrieb von Schiffen, besteht ferner eine an den Antrieb gestellte Bedingung darin, daß die Maschine ohne Betriebsunterbrechung bei verschiedenen Belastungen und Umdrehungszahlen zufriedenstellend arbeitet, so daß die bisher gebräuchlichen Dieselmaschinen für diese Zwecke nicht vorteilhaft verwendbar sind.

Nach der Erfindung wird unter Fortfall des Zerstäubers und der Düsenplatte eine bei jeder Belastung und Umdrehungszahl einwandfrei arbeitende Dieselmaschine dadurch geschaffen, daß die an die Brennstoffzuleitung angeschlossene Einspritzöffnung der Düse durch Kanäle mit seitlich angeordneten Einspritzöffnungen in Verbindung steht, durch die bei Überschreitung der der mittleren Einspritzöffnung entsprechenden Belastung und Umdrehungszahl Brennstoff außerhalb des Bereichs des Streukegels der mittleren Einspritzöffnung in den Verbrennungsraum eingespritzt wird. Der Durchgangsquerschnitt der mittleren Einspritzöffnung wird gewöhnlich so bemessen, daß die für die kleinste Belastung (Leerlauf) und die niedrigste Geschwindigkeit erforderliche Brennstoffmenge mit der günstigsten Geschwindigkeit in den Zylinder der Maschine eingespritzt wird, während die Durchgangsquerschnitte der seitlichen Einspritzöffnungen so groß sind, daß durch diese zusammen mit der mittleren öffnung die bei der höchsten Belastung und Geschwindigkeit einzuspritzende Brennstoffmenge in den Zylinder ordnungsgemäß eingeführt werden kann.

Infolge dieser Ausbildung der Einspritzdüse wird bei Ideinen Belastungen und Umdrehungszahlen der Brennstoff ausschließlich durch die mittlere Düsenöffnung eingespritzt, wobei die Öffnungsweite des Streukegels verhältnismäßig groß und die Eintrittsdauer der nachfolgenden kalten Einblaseluft verhältnismäßig klein ist. Außerdem tritt jedoch der größte Teil der überschüssigen Einblaseluft durch die seitlichen Öffnungen in solche Zonen des Verdichtungsraumes ein, die außerhalb des Bereichs des Streu- kegeis der mittleren öffnung liegen und wird auf diese Weise unschädlich gemacht. Der Brennstoff kommt daher auch bei kleinen Belastungen und Umdrehungszahlen der Maschine durch Wärmeaufnahme aus dem ihn umgebenden heißen Verbrennungsraum unmittelbar nach seiner Einführung in den Zylinder auf die Entzündungstemperatur, und die Einführung des Brennstoffes erfolgt allmählich, wodurch der Beginn der Verbrennung am Anfänge des Krafthubes und eine allmähliche Verbrennung während des ersten Teiles dieses Hubes gewährleistet ist.

Bei wachsender Belastung oder Umdrehungszahl der Maschine tritt infolge der zunehmenden Brennstoffmenge an der mittleren Einspritzöffnung eine in entsprechendem Maße wachsende Stauung ein, so daß ein Teil des Brennstoffes unter dem Druck der Einblaseluft durch die seitlichen Einspritzöffnungen in den Verbrennungsraum eingeführt wird. Da sich dieser seitlich abgelenkte Teil des Brennstoffes ebenfalls nach Maßgabe der Belastung und Umdrehungszahl ändert, so nimmt auch die öffnung der aus den seitlichen Einspritzöffnungen austretenden Streukegel entsprechend zu und der wirksame Verbrennungsraum ändert demgemäß selbsttätig seine Größe.

Infolge der gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffes in dem Verbrennungsraum bei höheren Belastungen und Umdrehungszahlen wird der Brennstoff mit der Luft so gut durchmischt, daß trotz des Fortfalls des Zerstäubers gegenüber den bisher gebräuchlichen Dieselmaschinen eine Ersparnis an Brennstoff und Einblaseluft erzielt wird.

Ein weiterer Vorteil der gleichmäßigen Ausbreitung des Brennstoffes im Zylinder besteht darin, daß der Kolbenboden gleichmäßiger erwärmt und infolgedessen nicht so leicht zerstört wird.

Auch der Vorzug des bekannten Zerstäubers,

ein Nachlaufen des Brennstoffes zu ermöglichen, wird bei der Einspritzdüse nach der Erfindung dadurch erreicht, daß der neben der mittleren Öffnung in den zu den seitlichen

Öffnungen führenden Kanälen angestaute Brennstoff bei der gegen Schluß des Nadelventils eintretenden starken Drosselung der Einblaseluft unter der Wirkung seiner eigenen Schwere in den Zylinder nachläuft.

ίο Werden die seitlichen Einspritzöffnungen oberhalb der mittleren Einspritzöffnung angeordnet/ so muß der angestaute Brennstoff entgegen seiner Schwerewirkung in den Verbindungskanälen hochgetrieben werden, bevor er in den Verbrennungsraum eintritt. Dadurch wird eine für die Verbrennung bei unverändertem Druck günstige Verzögerung bei der Einspritzung des Brennstoffs erzielt. Läßt man die Einspritzdüse in den Verbrennungsraum der Maschine hineinragen und richtet die seitlichen Einspritzöffnungen nach dem Zylinderumfang hin, so wird einerseits bei kleinen Belastungen oder Umdrehungszahlen die völlige ^; Ablenkung der aus den seitlichen Öffnungen austretenden Einblaseluft von dem Streukegel der mittleren Einspritzöffnung gewährleistet, während anderseits bei höheren Belastungen oder Umdrehungszahlen ein Bestreichen des

: ganzen Verbrennungsraumes durch den aus den seitlichen Öffnungen austretenden Brennstoff ermöglicht ist.

Die Reinigung der Düse erfolgt selbsttätig einerseits durch den hindurchtretenden Brennstoff- und Luftstrom, andererseits dadurch, daß beim Verdichtungshube des Arbeitskolbens Luft durch die Kanäle hindurchgetrieben wird. Um jedoch im Bedarfsfalle die Düse leicht reinigen zu können, wird sie zweckmäßig aus einem mit der mittleren und den seitlichen Einspritzöffnungen versehenen Hohlkegel und einem in diesen eingesetzten vollen Kegel zusammengesetzt, in welchem ein Zuführungskanal zu einem zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Kegelmänteln belassenen, bis zu den seitlichen Öffnungen reichenden Ringkanal vorgesehen ist.

Auf der Zeichnung ist eine Ausführungsform der Einspritzdüse nach der Erfindung dargestellt.

Fig. ι zeigt einen senkrechten Längsschnitt durch den oberen Teil des Zylinders und des Kolbens bei Beginn des Krafthubes sowie durch den unteren Teil des mit der Einspritzdüse versehenen Zylinderkopfes einer stehenden Dieselmaschine bei niedriger Belastung oder Umdrehungszahl.

Fig. 2 veranschaulicht die Wirkungsweise der Düse bei höherer Belastung oder Umdrehungszahl.

In dem Zylinderkopf 1 der Dieselmaschine ist z. B. in bekannter Weise in der Mittelachse des Zylinders 2 ein Einsatzkörper 3 vorgesehen, in dessen mittlerem Längskanal 4 das als Absperrorgan für die Einspritzdüse dienende Nadelventil 5 spielt. Dieses Ventil wird in der üblichen Weise kurz vor Beendigung des Verdichtungshubes des Kolbens 6 durch eine nicht dargestellte Steuerung von seinem Sitze 7 abgehoben und eine gewisse Zeit nach dem Beginn des Krafthubes wieder geschlossen. In dem Einsatzkörper 3 ist beispielsweise auch der Zuführungskanal 8 für den flüssigen Brennstoff vorgesehen, der in den Längskanal 4 oberhalb des Sitzes 7 des Nadelventils 5 mündet. Diesem Kanal wird der Brennstoff, etwa durch eine Pumpe, so zugeführt, daß vor jederöffnung des Nadelventils 5 in den Längskanal 4 eine der Belastung und der Umdrehungszahl der Maschine entsprechende Brennstoffmenge einfließt. Der Längskanal 4 steht in bekannter Weise in ständiger Verbindung mit der Druckleitung der Vorrichtung, welche zur Erzeugung der Emblaseluft dient.

Unter dem Einsatzkörper 3 ist an dem Zylinderkopf ι die Einspritzdüse gelagert, welche zum größten Teil in das Zylinderinnere hineinragt. Die Düse besteht bei der dargestellten Ausführungsform aus einem Hohlkegel 9, der mit einem Flansch 10 und einerseits an der Kegelpsitze mit einer mittleren, in der Längsrichtung des Zylinders 2 liegenden Einspritzöffnung 11 versehen ist, andererseits nahe der Grundfläche im Mantel auf dessen Umfläche gleichmäßig verteilte Einspritzöffnungen 12 (z. B. vier) besitzt, die senkrecht zur Richtung der Erzeugenden des Mantels, also nach dem Umfange des Zylinders 2 hin gerichtet sind.

Der Durchgangsquerschnitt der mittleren Einspritzöffnung 11 ist so bemessen, daß die für den Leerlauf der Maschine erforderliche Brennstoffmenge ordnungsmäßig in den Zylinder ein- :■ gespritzt wird, während die Querschnitte der seitlichen Öffnungen 12 so gewählt sind, daß sie in Verbindung mit der mittleren Öffnung für die bei der höchsten Belastung und Umdrehungszähl einzuspritzende Brennstoffmenge genügen.

In den Hohlkegel 9 ist ein voller Kegel 13 dicht eingesetzt, der sich mit einem Flansch 14 auf den Flansch 10 des Hohlkegels 9 legt und mit einem mittleren Längskanal 15 versehen ist. Dieser Kanal steht bei geöffnetem Nadelventil 5 mit dem Längskanal 4 des Einsatzkörpers 3 in Verbindung und mündet an seinem unteren Ende in einen Ringraum 16, der von der mittleren Einspritzöffnung 11 bis zu den seitlichen Einspritzöffnungen 12 reicht und durch eine entsprechend kleinere Bemessung des vollen Kegels 13 hergestellt ist. ■

Die Wirkungsweise der Einspritzdüse ist folgende:

Der in bekannter Weise durch den Kanal 8

in den Längskanal.4 des.Einsatzkörpers eingeführte flüssige Brennstoff wird beim Öffnen des Nadelventils 5 durch die Einblaseluft in den Kanal 15 des Vollkegels 13 und aus diesem durch den Ringraum 16 hindurch in den Zylinder 2 eingespritzt.

Beim Leerlauf der Maschine ist der Widerstand, den der Brennstoff beim Durchtritt durch die mittlere Öffnung 11 findet, so gering, daß

ίο der Brennstoff allmählich in den Zylinder eintritt, daß sich jedoch im Ringraum entweder überhaupt keine oder nur eine so geringe Stauung ergibt, daß kein Brennstoff durch die seitlichen Öffnungen 12 in den Zylinder strömt.

Ist die dem Leerlauf der Maschine entsprechende Brennstoffmenge eingespritzt, wobei die von dem Streukegel bestrichene Zone des Verbrennungsraumes dem Teil des Kolbenbodens 6 entspricht, dessen Durchmesser in Fig. ι mit χ bezeichnet ist, so folgt die überschüssige kalte Einblaseluft dem Brennstoffe nur zum Teil durch die mittlere öffnung 11, während ein anderer Teil durch die seitlichen Öffnungen 12 nach dem Umfange des Zylinders 2 hin so weit abgelenkt wird, daß die den eingespritzten Brennstoff unmittelbar umgebende Zone des Verbrennungsraumes heiß bleibt und daher der Brennstoff durch Wärmeaufnahme aus dem heißen Verbrennungsräume rechtzeitig auf seine Entzündungstemperatur ; kommt.

Gegen Schluß des Nadelventils 5 sinkt der in dem Ringraum 16 hochgetriebene Brennstoff unter dem Einflüsse seiner Schwere durch die mittlere Öffnung 11 in .den Zylinder, wodurch die allmähliche Einführung des Brennstoffes begünstigt wird. Dabei haben die aus der öffnung 11 austretenden Brennstofftropfen die Gestalt eines mit der Spitze nach unten gerichteten Hohlkegels und daher eine große, die schnelle Wärmeaufnahme fördernde Oberfläche. Die Entzündung des Brennstoffes bei Beginn des Krafthubes des Kolbens 6 und dessen allmähliche vollkommene Verbrennung ist hierdurch auch bei Leerlauf der Maschine völlig gesichert. Dies ist insbesondere für die Verwendung der Maschine als Schiffsmaschine von Bedeutung, da bekanntlich bei diesen Maschinen die Belastung infolge des oft wechseln-

50' den W⁷asserwiderstandes stark schwankt und bei hohem Seegang oft durch den Austritt der Schraube aus dem Wasser die Maschine plötzlich entlastet wird.

Bei Belastung der Maschine wächst entsprechend der zunehmenden Brennstoffmenge die Stauung im Ringkanal 16, bis bei einer bestimmten Belastung und Umdrehungszahl der Brennstoff auch durch die seitlichen öffnungen 12 in den Zylinder 2 eingespritzt wird, wie Fig. 2 erkennen läßt. Durch die aus den seitlichen Öffnungen 12 austretenden Streukegel des Brennstoffes wird eine in einem gewissen Abstand von dem mittleren Streukegel befindliche Ringzone des Verbrennungsraumes bestrichen, deren Breite entsprechend der Stauung des Brennstoffes in dem Ringkanal 16, also nach Maßgabe der Belastung oder Umdrehungszahl der Maschine .größer wird, und welche schließlich bei der höchsten Belastung und Umdrehungszahl der in Fig. 2 mit u bezeichneten Breite der Ringfläche des Kolbenbodens entspricht.

Es wird also bei Zunahme der Brennstoffmenge eine sich entsprechend vergrößernde Zone des Verbrennungsraumes zur Mischung des Brennstoffes mit der hoch verdichteten heißen Luft herangezogen und dabei eine innige Durchmischung dieser beiden Stoffe erzielt, so daß bei jeder Belastung und Umdrehungszahl die Zündung des Brennstoffes bei Beginn des Krafthubes des Kolbens 6 und die allmähliche Einführung des Brennstoffes gewährleistet ist.

Da ferner bei höheren Belastungen und Umdrehungszahlen der Maschine der Boden des Kolbens 6 nicht nur auf der die Mitte des Kolbenbodens einnehmenden, Kreisfläche von dem Durchmesser x, sondern auch auf der Ringfläche von der Breite u von dem. Brennstoff bestrichen wird, so wird der Kolbenboden gleichmäßiger erwärmt und dadurch vermieden, daß in dem Kolbenboden Risse entstehen.

Die gute Durchmischung des Brennstoffes mit der Luft des Verbrennungsraumes wird bei der dargestellten Ausführungsform der Einspritzdüse infolge der Richtung der seitlichen Einspritzöffnungen 12 nach dem Zylinderum- " : fang hin dadurch noch begünstigt, daß die aus den Öffnungen 12 austretenden Brennstoffstrahlen auf den Kolbenboden unter einem spitzen Winkel auftreffen und ein Teil des Brennstoffes in den Verbrennungsraum zurückgeschleudert wird.

Die Einspritzdüse kann natürlich auch aus einem einzigen Stück bestehen und die mittlere Einspritzöffnung mit den seitlichen Einspritzöffnungen durch voneinander getrennte Kanäle verbunden sein. Auch können in den Verbindungskanälen der Düse Stauflächen oder Lenkflächen vorgesehen sein, um beispielsweise bei Verwendung der Düse für liegende Dieselmaschinen dem Brennstoff auf dem unten liegenden Teil der Düse den gleichen Widerstand entgegenzusetzen wie auf dem oberen Teil und dem Brennstoff strahl eine kreisende Bewegung zu erteilen. Ferner können die.Einspritzöffnungen jede beliebige Gestalt erhalten, z. B. oval oder schlitzförmig sein.

Claims

Patent-Ansprüche:

i. Einspritzdüse für Dieselmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß die der größten

Brennstoffladung angepaßte Brennstoffzuleitung (15) zu einer mittleren Einspritzöffnung (11) führt, welche nur die Einführung einer kleineren Brennstoffmenge zuläßt, und daß diese mittlere Einspritzöffnung (11) mit seitlich angeordneten Einspritzöffnungen (12) in Verbindung steht, durch die bei Überschreitung der der mittleren Einspritzöffnung entsprechenden Belastung und Umdrehungszahl der überschüssige Brennstoff außerhalb des Streukegels der mittleren Einspritzöffnung in den Verbrennungsraum eingespritzt wird.
2. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen Einspritzöffnungen (12) oberhalb der mittleren Einspritzöffnung (11) angeordnet sind.
3. Einspritzdüse nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen Einspritzöffnungen (12) schräg nach außen gerichtet sind, so daß eine sichere Ablenkung der aus den Seitenöffnungen austretenden Stoffe von dem Streukegel der mittleren öffnung gewährleistet ist.
4. Einspritzdüse nach Anspruch 1,2 und 3, gekennzeichnet durch einen mit der mittleren und den seitlichen Einspritzöffnungen (11 bzw. 12) versehenen Hohlkegel (9) und einen in diesen eingesetzten vollen Kegel (13), in welchem die Brennstoffzuleitung (15) angeordnet ist, die in einen von den beiden einander gegenüberliegenden Kegelmänteln gebildeten, bis zu den seitlichen öffnungen (12) reichenden Ringraum (i6) mündet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.