DE3123395A1

DE3123395A1 - "einspritzduese fuer dieselmotoren"

Info

Publication number: DE3123395A1
Application number: DE19813123395
Authority: DE
Inventors: Ippei Horino; Masatoshi Oyama Tochigi Iwata; Yuzo Tsumura
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1980-06-12
Filing date: 1981-06-12
Publication date: 1982-05-13
Also published as: US4406404A; JPS575546A; GB2079851B; GB2079851A

Description

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BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Einspritzdüse für Dieselmotoren gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einer Einspritzdüse in geschlossener Ausführung, mit der eine abgemessene Kraftstoffmenge zerstäubt und mit Druckluft vermischt in eine Brennkammer eines Zylinders eines Dieselmotors eingespritzt wird.

Bei einigen früheren Ausfühungen von Dieselmotoren wurde eine Einspritzung verwendet, bei der der Kraftstoff durch Druckluft zerstäubt und in den Zylinder eingespritzt wurde. Durch dieses System wurde zwar eine weitgehend rückstandsfreie Verbrennung erreicht, doch waren hierzu verhältnismäßig großvolumige Kompressoren und Zwischenkühler zur Erzeugung der Druckluft erforderlich. Seit Einspritzdüsen verfügbar sind, bei denen eine ausreichende Zerstäubung des Kraftstoffes allein durch den Druck der Kraftstoff-Flüssigkeit erreicht wird, haben sich daher ohne Druckluft arbeitende Kraftstoffeinspritzungen für Brennkraftmaschinen mit Verdichtungszündung weitgehend durchgesetzt. In jüngerer Zeit wird jedoch erwogen, zur Steigerung des Wirkungsgrads und zur Verminderung der Schadstoffemission von Dieselmotoren den Kraftstoff mit einem Druck in der Größenordnung von 1000 kp/cm² einzuspritzen. Bei derartig hohen Einspritzdrücken wird durch herkömmliche ohne Druckluft arbeitende Kraftstoffeinspritzungen nicht ohne weiteres eine ausreichende Verbrennung des Kraftstoffs gewährleistet.

Die vorliegende Erfindung ist auf die Schaffung einer mit Druckluft arbeitenden Einspritzdüse für Dieselmotoren gerichtet, die den Kraftstoff fein zerstäubt, verdampft und gründlich mit Luft vermischt und dadurch eine weitgehend rückstandsfreie Verbrennung in den Zylindern des Motors gewährleistet.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, die bisher zur Er-

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zeugung der Druckluft erforderlichen großvolumigen Aggregate überflüssig zu machen.

Die Erfindung ergibt sich im einzelnen aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs.

Die erfindungsgemäße Einspritzdüse umfaßt einen in einem Gehäuse der Düse auf und ab verschiebbaren Kolben, der in dem Gehäuse eine Luftkammer zur Aufnahme komprimierter Luft aus einer Brennkammer eines Zylinders des Dieselmotors begrenzt. Ferner ist in dem Gehäuse eine zusammen mit dem Kolben auf und ab verschiebbare Ventilspindel angebracht, die mit dem Gehäuse eine Oelkammer zur Aufnahme des in die Brennkammer einzuspritzenden Kraftstoffes bildet. Sowohl die Luftkammer als auch die Oelkammer sind durch Kanäle oder öffnungen mit einer Mischkammer verbunden, die mit einer Einspritzöffnung in die Brennkammer des Zylinders mündet.

Während des Kompressionshubs eines Kolbens in dem Zylinder des Motors strömt komprimierte Luft aus der Brennkammer durch die Mischkammer in die Luftkammer. Gleichzeitig wird durch eine Oelzuführung OeI unter verhältnismäßig niedrigem Druck in die Oelkammer eingeleitet. Wenn der Kolben unter Verringerung des Volumens der Luftkammer und der Oelkammer abwärts gedrückt wird, drängt die Ventilspindel die in der Oelkammer befindliche Kraftstoffmenge in die Mischkammer. Durch in der Luftkammer hoch verdichtete und mit hoher Geschwindigkeit in die Mischkammer eintretende Luft wird der Kraftstoff zerstäubt und mit Luft vermischt. Der auf diese Weise mit Druckluft vermischte Kraftstoff wird fein zerstäubt in die Brennkammer eingespritzt und dort durch die hoch verdichtete Luft entzündet.

im wesentlichen bildet die Mischkammer einen Strömungskanal,

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durch den in der Luftkammer hochverdichtete Luft in die Brennkammer zurückströmt und in den Kraftstoff aus der OeI-kammer durch verengte Kanäle oder öffnungen eintritt. Der Kraftstoff wird daher fein zerstäubt, teilweise verdampft und, während er aus der Mischkammer in die Brennkammer mitgerissen wird, gründlich mit der Druckluft vermischt. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß zur Zerstäubung und Verdampfung des Kraftstoffs vor dem Eintritt in die Brennkammer die bereits in der Brennkammer vorverdichtete Druckluft benutzt wird und daß daher keine zusätzliche Druckluftversorgung erforderlich ist.

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Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert .

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen

Zylinderkopf eines Dieselmotors und ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einspritzdüse;

Fig. 2 ist ein Teilschnitt eines weiteren

Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einspritzdüse;

Fig. 3 zeigt eine Ansicht eines ring-

förmigen Bauteils der in Fig.

dargestellten Einspritzdüse;

Fig. 4 ist ein Längsschnitt eines weiteren

Ausführungsbeispiels der Erfindung.

In Figur 1 ist eine im Ganzen mit 10 bezeichnete erfindungsgemäße Einspritzdüse dargestellt, die an einem Zylinder 12 eines Dieselmotors angebracht ist. Die Düse 10 umfaßt ein im wesentlichen röhrenförmiges oder zylindrisches Gehäuse 14, eine gegen eine Bodenfläche 18 des Gehäuses 14 angedrückte Kappe 16 und eine die Kappe 16 aufnehmende Düsenspitze 20. Das Gehäuse 14, die Kappe 16 und die Düsenspitze 20 werden durch eine in einen nicht gezeigten Düsenhalter eingeschraubte Befestigungsmutter 22 in ihrer Lage gehalten und an dem Düsenhalter befestigt. Das Gehäuse 14 und die Kappe 16, die in Figur 1 als getrennte Elemente dargestellt sind, können auch in einem Stück ausgebildet sein.

Das Gehäuse 14 weist eine axiale Bohrung 24 auf, die einen aufwärts und abwärts verschiebbaren Kolben 26 aufnimmt. An

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den Kolben 26 ist ein Nadelventil 28 mit vermindertem Druchmesser angeformt, das nach unten aus dem Kolben 26 hervorgeht und mit diesem einen Absatz 30 bildet. Zwischen diesem Absatz 30 und einer gegenüberliegenden Oberfläche der Kappe 16 ist eine Luftkammer 34 gebildet, die komprimierte Luft aus einer Brennkammer 36 des Zylinders 12 des Dieselmotors aufnimmt. Das Nadelventil 28 ist verschiebbar in eine Bohrung 38 der Kappe 16 eingepaßt und bildet mit dieser eine Oelkammer 40, die durch einen Kanal 42 und einen Einlaß 44 mit einer nicht gezeigten Zuführung für Dieselkraftstoff verbunden ist. Der Kraftstoff kann unter verhältnismäßig niedrigem Druck in die Oelkammer eingeleitet werden.

Der Kolben 26 wird normalerweise durch eine nicht gezeigte Feder zusammen mit dem Nadelventil 28 in der in Figur 1 dargestellten angehobenen Position gehalten. Kolben 26 und Nadelventil 28 sind durch einen Betätigungsmechanismus,der beispielsweise einen Kipphebel, eine Druckstange und eine Nockenwelle des Motors umfassen kann, gegen die Kraft der nicht gezeigten Feder absenkbar. Der Betätigungsmechanismus ist als solcher bekannt und daher in Figur 1 ebenfalls nicht dargestellt.

Die Düsenspitze 20 bildet zusammen mit der Kappe 16 eine im wesentlichen trichterförmige Mischkammer 46. In dieser Mischkammer wird Kraftstoff aus der Oelkammer 40 vor der Einspritzung in die Brennkammer 36 durch komprimierte Luft aus der Luftkammer 34 fein zerstäubt und mit dieser Luft vermischt. Die Luftkammer 46 steht über eine Vielzahl auf einer Kreislinie verteilter paralleler Luftkanäle 48 mit der Luftkammer 34 in Verbindung und ist durch mehrere öffnungen 50 mit geringem Druchmesser mit der Oelkammer verbunden. Eine Einspritzöffnung 52 in der Düsenspitze verbindet die Mischkammer 46 mit der Brennkammer 36. Die

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öffnungen 50, durch die das. OeI in die Mischkammer 46 eintritt, liegen in bezug auf die Luftströmung stromabwärts des Lufteintritts in.die Luftkammer 46 und stromaufwärts der Einspritzöffnung 52.
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Die Bezugsziffer 54 bezeichnet einen Motorblock des Dieselmotors. Der Zylinder 12 ist in dem Motorblock 54 ausgebildet und nimmt einen auf und ab verschiebbaren Kolben auf, der die Brennkammer 36 nach unten begrenzt.

Zur Beschreibung der Wirkungsweise der Einspritzdüse 10 wird zunächst von der in .Figur 1 dargestellten Situation ausgegangen, bei der sich der Kolben 26 mit dem Nadelventil 28 in seiner angehobenen Position und der Kolben 5 6 in dem Zylinder 12 des Motors vor dem Verdichtungstakt in seinem unteren Totpunkt befindet .. Der Dieselkraftstoff wird unter verhältnismäßig niedrigem Druck durch die nicht gezeigte Zuführung, den Einlaß 44 und den Kanal 42 in die Oe!kammer 40 geleitet und dort gespeichert, solange der Kolben 26 in seiner angehobenen Stellung verbleibt. Während des Kompressionshubs des Kolbens 5 6 dringt komprimierte Luft aus der Brennkammer 3 6 durch die Einspritzöffnung 52, die Mischkammer 46 und die Luftkanäle 48 in die Luftkammer 34 ein.

Am Ende des Verdichtungstaktes wird der Kolben 26 durch den nicht gezeigten Betätigungsmechanismus abwärts gedrückt. Mit dem Kolben 26 bewegt sich auch das Nadelventil 28 nach unten und drängt den Dieselkraftstoff aus der Oelkammer 40 durch die Öffnungen 50 in die Mischkammer 46. Gleichzeitig verdrängt der Kolben 2 6 die komprimierte Luft aus der Luftkammer 34. Die Luft strömt daher durch die Luftkanäle 48 und tritt mit hoher Geschwindigkeit in die Mischkammer 46 ein. Durch diese Strömung wird der durch die öffnungen 50 in die Mischkammer 46 eintretende Kraftstoff zerstäubt und

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gründlich mit Luft vermischt. Das Kraftstoff- Luftgemisch tritt durch die Einspritzöffnung 52 in die Brennkammer 36 des Zylinders 12 ein und wird dort durch die auf eine hohe Temperatur verdichtete Luft entzündet.-5

Die oben beschriebene Einspritzdüse bietet den Vorteil, daß die in der Luftkammer 34 komprimierte Luft durch die Abwärtsbewegung des Kolbens 26 weiter verdichtet wird und folglich mit erhöhter Temperatur in die . Mischkammer 46 eintritt. Die hohe Temperatur der Luft begünstigt die Verdampfung des Kraftstoffs in der Mischkammer. Ferner ist die Geschwindigkeit der aus der Luftkammer 34 in die Mischkammer 46 eintretenden Luftströme so groß, daß das OeI dadurch gründlich mit der Luft vermischt wird und fein zerstäubt in die Brennkammer eintritt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß zur Erzeugung des hohen Luftdrucks und der großen Strömungsgeschwindigkeiten außer der eigentlichen Brennkraftmaschine keine zusätzlichen Vorrichtungen erforderlich sind.

Figur 2 zeigt eine veränderte Ausführung 10a einer erfindungsgemäßen Einspritzdüse, die einen in der Düsenspritze 20 angebrachten Ring 60 aufweist, der einen Abschnitt einer Kappe 16a umgibt, die eine gegenüber der Kappe 16 des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels leicht veränderte Form besitzt. Wie am besten in Figur 3 zu erkennen ist, sind in dem Ring 60 spiralförmige Kanäle 62 ausgebildet, die in der Kappe 16a ausgesparte Luftkanäle 48a mit der Mischkammer 46 verbinden. Die übrigen Einzelheiten der Einspritzdüse 10a können im wesentlichen mit denen der in Figur 1 dargestellten Einspritzdüse 10 übereinstimmen.

Wenn der Kolben der Einspritzdüse 10a nach einem Verdichtungstakt abwärts bewegt wird, wird die aus der Luftkammer 34 in die Mischkammer 46 strömende Luft durch die Kanäle 62

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! in dem Ring 60 spiralförmig umgelenkt. Durch die spiralförmige Luftströmung wird der Kraftstoff in der Mischkammer 46 spiralförmig verwirbelt. Zudem erhöht sich die ■ j Relativgeschwindigkeit der Luftströmung in bezug auf den

eintretenden Kraftstoff. Daher wird das OeI noch gründlicher mit der Luft vermischt und noch feiner zerstäubt, bevor es in die Brennkammer eintritt.

Figur 4 zeigt ein weiters Ausführungsbeispiel 10b der erfindungsgemäßen Einspritzdüse, die sich von der in Figur dargestellten Einspritzdüse 10 durch einen im Bereich der öffnungen 50 auf der Innenfläche der Düsenspitze 20 gebildeten

. j ringförmigen Wulst 64 unterscheidet. Dieser ringförmige

Wulst 64 erzeugt eine Engstelle 66 in der Mischkammer 46, die durch den Venturieffekt die Strömungsgeschwindigkeit

erhöht und dadurch eine günstigere Einspritzung des Kraftstoff- Luftgemisches in die Brennkammer bewirkt.

Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, und es sind zahlreiche Abwandlungen der erfindungsgemäßen Einspritzdüse denkbar. Beispielsweise können die in den Figuren 2 und 3 dargestellten spiralförmigen Luftkanäle mit der in Figur 4 dargestellten Engstelle in der Luftkammer kombiniert werden. 25

Claims

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PATENTANWÄLTE

TER MEER - MÜLLER - STEINMEISTER

Beim Europäischen Patentamt zugelassene Vertreter Prol. Representatives before the European Patent Office - Mandatalres agrees pres !'Office europeen des brevets

Dipl.-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl.-lng. H. Steinmeister

Dipl.-lng. F. E. Müller _o. ,

Triftstrasse 4, Siekerwall 7,

D-8000 MÖNCHEN 22 D-4800 BIELEFELD 1

FP 81-23-Ger.

st/wi/os _{1 2}

KABUSHIKI KAISHA KOMATSU SEISAKUSKO 3-6, 2-chome Akasaka, Minato-ku TOKYO, Japan

EINSPRITZDÜSE FÜR DIESELMOTOREN

PRIORITÄT: 12. Juni 1980, Japan, MO. 78341/80 PATENTANSPRÜCHE

1/ Einspritzdüse zur Einspritzung von mit Druckluft vermischtemKraftstoff in eine Brennkammer eines Zylinders eines Dieselmotors, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (14), in dem ein Kolben (26) aufwärts und ab-5" wärts verschiebbar ist, der in dem Gehäuse eine Luftkammer (34) zur Aufnahme komprimierter Luft aus der Brennkammer (36) des Dieselmotors begrenzt, eine gemeinsam mit dem Kolben (26) verschiebbare Ventilspindel (28), die mit dem Gehäuse (14) eine Oelkammer (40) zur Aufnahme des ein-0 zuspritzenden Kraftstoffes bildet,und eine mit der Oelkammer (40) und der Luftkammer (34) verbundene, in die Brennkammer (36) des Dieselmotors geöffnete Mischkammer (46) zur Zerstäubung und Vermischung des Kraftstoffs mit Druckluft aus

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der Luftkammer (34) .
2. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer (46) im wesentlichen trichterförmig ausgebildet ist.
3. Einspritzdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e kennzeichnet, daß die Oelkammer (40) durch eine Vielzahl kleiner öffnungen (50) mit der Mischkammer (46) verbunden ist.
4. Einspritzdüse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen (50) in bezug auf die Luftströmung stromabwärts des Lufteintritts in die Mischkammer (46) und stromaufwärts der in die Brennkammer (36) mündenden Einspritzöffnung (52) in die Mischkammer (46) eintreten.
5. Einspritzdüse nach einem der .vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilspindel (28) als axial an den Kolben (26) angeformtes Nadelventil ausgeführt ist.
6. Einspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (60,62) zur spiralförmigen Umlenkung der aus der Luftkammer (34) in die Mischkammer (46) eintretenden Luftströmung.
7. Einspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Engstelle (66) in der Mischkammer (46) zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Kraftstoff- Luftgemisches.
8. Einspritzdüse nach Anspruch 7, dadurch g e k e η η zeichnet, daß zur Erzeugung der Engstelle (66) ein

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ringförmiger Wulst (64) in der Nähe der öffnungen (50) an einer Wand der Mischkainmer (46) ausgebildet ist.