DE3133388A1

DE3133388A1 - "mehrstrahlzapfenduese fuer direkteinspritzung bei verbrennungsmotoren"

Info

Publication number: DE3133388A1
Application number: DE19813133388
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Ing. DDR 9091 Karl-Marx-Stadt Gärtner
Original assignee: KARL MARX STADT AUTOMOBILBAU
Current assignee: KARL MARX STADT AUTOMOBILBAU
Priority date: 1980-09-12
Filing date: 1981-08-24
Publication date: 1982-09-23
Also published as: CS239325B1; FR2490278A1; FR2490278B1; GB2084249A; DE3133388C2; CS638781A1; DD153167A1; GB2084249B

Description

Titel der Erfindung:

Mehrstrahl-Zapfendüse für Direlrteinspritzung bei Verbrennungsmotoren

Anwendungsgebiet der Erfindung:

Die Erfindung betrifft eine Mehrstrahl-Zapfendüse für Einspritzung bei Verbrennungsmotoren mit fördergeschwindigkeitsabhängiger Strahlverteilungs-Oharakteristik, die : ein zentrales Spritzloch und ein gegen die Spritzrichtung öffnendes federbelastetes Ventilelement mit Steuerzapfen aufweist, wobei mindestens eine weitere über den Durchflußquerschnitt am Sitz des Ventilelementes beaufschlagte seitliche Spritzbohrung vorhanden ist« \

Derartige Zapfendüsen finden vorrangig Anwendung in Dieselverbrennungsmotoren mit Direkt einspritzung und einer Gemisch«- bildung sowie einem Verbrennungsablauf unter Einwirkung , einer rotierenden Luftladung· i

Charakteristik des bekannten Standes der Technik:

Vorbekannt ist eine Mehrstrahl-Zapfendüse vorbeschriebener Gattung durch die DE-PS 926 050· Bei dieser Ausführung stellt das zentrale Spritzloch mit dem Steuerzapfen die Haupteinspritzbohrung und die nach dem Sitz des Ventilelementes mündende Spritzbohrung die Hilfseinspritzbohrung dar·

Bei hoher Pördergeschwindigkeit des Kraftstoffes ist die aus dem zentralen Spritzloch austretende Kraftstoff menge bei entsprechender Bemessung viermal so groß wie die von der weiteren Spritzbohrung abgegebene Menge· Nachteilig ist bei dieser Ausführung der relativ hohe Anteil von Kraftstoff der weiteren Spritzbohrung auch bei hoher Fördergeschwindigkeit und die starke Verkokungsneigung dieser Bohrung*

Vorbekannt ist weiterhin eine Zapfendüsenausführung gemäß der Ffi-PS 977 818, die als Mehrstrahldüse ausführbar ist bzw· unterschiedliche Strahlcharafcteristik erzielt. In Abhängigkeit von der Pördergeschwindigkeit stellt sich mvterschiedlicher Düsennadelhub ein, wodurch entweder verschiedene Spritzbohrungen oder z· B. ein Spritzloch im Steuerzapfen alternativ oder mit Übergängen wirksam werden· Dabei ergibt sich auch eine gegenläufige Mengenverteilung der Einspritzmengen zwischen den Spritzöffnungen· Nachteilig ist, daß die Kraftstoffverteilung über Ringkanäle sowie Längs- und Querbohrungen in der Düsennadel erfolgt, die fertigungstechnisch ungünstig herstellbar sind·

Auch sind Zapfendüsen durch die DE-PS 846 183 Abb. 3 bekannt, bei denen das zentrale Spritzloch von einem Steuerzapfen durchdrungen wird, welcher bei zunehmendem Düsennadelhub den Spritzquerschnitt verkleinert· Erzielt werden soll bei dieser Lösung ein sauberes Abspritzen während des gesamten Einspritzvorganges·

Ziel der Erfindung:

Bei einer Einspritzdüse der eingangs beschriebenen Gattung sollen die Nachteile der vorbekannten Lösung behoben werden, d· h. es soll eine weitgehend alternative Wirksamkeit der in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und Einspritzmenge spritzenden Spritzöffnungen mit entsprechender. Mengenverteilungs-Oharakteristik erzielt werden·

Darlegung zum Wesen der Erfindung:

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die in Bede stehende Einspritzdüsenbauart eine geeignete Anordnung von Spritzbohrungen und Spritzöffnungen zu finden, die sowohl im Leerlauf und unteren Teillastgebiet als auch bei höherer Last im wesentlichen jeweils nur einen Einspritzstrahl aufweist, was erfordert, daß die zentrale Spritzöffnung des bei niedriger Fördergeschwindigkeit wirksamen Einspritzstrahls bei hoher Fördergeschwindigkeit nicht mehr wirksam ist* Außerdem soll eine funktioneile Umkehrung von Haupt*- und Hilf seinspritzbohrung gegenüber der eingangs beschriebenen Düsengattung erreicht werden· Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in an sich bekannter Weise der Steuerzapfen an seinem äußeren Ende eine das zentrale Spritzloch oberhalb des halben Hubes des Ventilelementes zunehmend absperrende Kontur und zusätzlich bei vollem Hub verschließende Kontur aufweist und daß eine an sich bekannte, im Sitz des Ventilelementes mündende seitliche Spritzbohrung für den oberen Last- und Drehzahlbereich vorhanden ist« Vorteilhaft ist deren Durchmesser so bemessen, daß der wirksame Querschnitt bei 40 bis 50 % des Hubes vom Ventilelement etwa dem wirksamen Querschnitt im zentralen Spritzloch entspricht und bei maximalem Hub die Vollastmenge gewährleistet.

Zweckmäßig weist der wirksame Querschnitt im zentralen Spritzloch 30 bis 50 % des wirksamen Querschnittes der Spritzbohrung auf, wobei der maximale wirksame Querschnitt im zentralen Spritzloch im Bereich von 30 bis 50 % des Hubes des Ventilelementes vorhanden ist« Weiterhin sollte der Querschnitt im zentralen Spritzloch oberhalb von 70 bis 60 % des Hubes des Ventilelementes annähernd geschlossen sein* Hit dieser Lösung wird gewährleistet, daß bei niedriger Fördergeschwindigkeit und -menge durch den kleinen Spritzquerschnitt des Steuerzapfens eine gute Kraftstoffzer-

(j

stäubung und damit Gemischbildung vorliegt, während bei hoher Fördergeschwindigkeit und -menge das Spritzloch mit dem Steuerzapfen nur noch unbedeutend Kraftstoff abgibt und fast die gesamte Kraftstoffmenge über die seitliche Spritzbohrung eingespritzt wird.

Somit ist eine gute Anpassung der Einspritzung an die motorischen Erfordernisse von Direkteinspritz-Dieselmotoren mit einer Gemischbildung im wandnahen Bereich möglich, was einen Betrieb mit niedriger Abgasemission im gesamten Drehzahl- und Lastbereich realisierbar macht. Gleichzeitig ergibt sich für diese Zapfendüsenbauart eine günstige Einbaulage hinsichtlich der Einordnung in den Zylinderkopf von Direkteinspritz-Dieselmotoren, insbesondere mit Dralleinlaßkanälen.

Ausführungsbeispiel:

Anhand von Zeichnungen und Diagrammen soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung nachfolgend beschrieben werden, es zeigt:

Fig. 1 einen Teilschnitt durch den Zylinderkopf eines Dieselmotors mit Direkteinspritzung, aus dem die Anordnung der Einspritzdüse und die Lage der Einspritz strahlen im Brennraum erkennbar sind,

lig. 2 einen Teillängsschnitt durch eine erfindungsgemäße Einspritzdüse,

Pig. 3 ein Diagramm über die effektiven Düsenöffnungsquerschnitte der Haupt- und Hilfsspritzbohrung sowie des Gesamtquerschnittes in Abhängigkeit vom Ventilelementhub,

Fig. 4a-c schematische Diagramme über den Ventilelementverlauf bei verschiedenen Betriebszuständen.

In Fig. 1 ist die Anordnung einer erfindungsgemäßen Mehrstrahl-Zapfendüse in einem Dieselmotor mit Direkteinspritzung gezeigt. Die Kraftstoffstrahlen St14; St15 aus der Spritz-

bohrung 14 und dem Spritzloch 15 werden in unterschiedlichen Richtungen in den rotationssyimaetrischen Brennraum 2 im Kolben 3 des Motors gerichtet· Es ist erkennbar, daß der Strahl St 15 des Spritzloches 15 bedeutend stärker zum Zentrum des Brennraumes 2 gerichtet ist, was überwiegend zu luftverteiltem Kraftstoff führt. Hingegen verläuft der Strahl St14 der Spritzbohrung 14 in Wandnähe des Brennraumes 2, wobei er vorzugsweise senkrecht zur Blockdrallströmung 4 oder leicht schräg gegen diese bzw· mit dieser gerichtet ist· Der Kraftstoff wird in der Nähe der Wand aufbereitet und nachfolgend unter Wirkung des Dralles gleichmäßig verbrannt.

In Jig· 2 ist der wesentliche Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Mehrstrahl-Zapfendüse sichtbar· Im Düsenkörper 12 ist ein übliches Ventilelement 10 geführt gelagert. Dieses Ventilelement 10 weist eine Sitzfläche 11 auf, dem ein Sitz 13 im Düsenkörper 12 zugeordnet ist· Eine große Spritzbohrung 14, die den Hauptstrahl bei normalen Betriebsbedingungen erbringt, mündet im Sitz 13 im Düsenkörper 12 und wird bei der tiefsten Stellung des Ventilelementes 10 von der Sitz-' fläche 11 abgedeckt·

Der Düsenkörper 12 weist ein zentrales Spritzloch 15 auf, durch welches sich in bekannter Weise ein Steuerzapfen 16 des Ventilelementes 10 erstreckt· Der Steuerzapfen 16 ragt, wenn das Ventilelement 10 auf dem Sitz 13 im Düsenkörper 12 ruht, aus diesem heraus. Das Ende des Steuerzapfens 16 weist eine Kontur d16 auf, die bei größerem Hub des Ventilelementes 10 teilweise und bei maximalem Hub vollkommen im Spritzloch 15 eintaucht und damit dessen Querschnitt zunehmend und später vollkommen absperrt; siehe Fig. 3 Kurve/Uf ^ ^c. Die Bemessung der Spritzbohrung 14 in ihrem Durchmesser d14 erfolgt so, daß der wirksame Querschnitt bei 40 bis 50 % des Hubes vom Ventilelement etwa dem wirksamen Querschnitt im Spritzloch entspricht und bei maximalem Hub die Vollastmenge gewährleistet; siehe Pig. 3 Kurve p£₃^ ^· Die Bemessung des freien Querschnittes des Spritzloches 15 kann einerseits optimal für den Leerlauf und die unterste

Arbeitsdrehzahl des Motors vorgenommen werden, während der Durchmesser d14 der Bohrung 14 andererseits wieder optimal für den Hauptarbeitsbereich einschl. Vollast des Motors ohne Bücksichtnahme auf die untersten Drehzahlen angepaßt werden kann·

In der Darstellung der Jig· 4 ist der Ventilelementhub bei verschiedenen Betriebszuständen gezeigt. Es bedeutet:

k"eff15 ⁼ max· wirksamer Hub für Spritzloch 15 h ss erreichter Hub
o6 ED14 = Einspritzdauer des Kraftstoffaustrittes aus

Spritzbohrung 14

ac EDI5 = Einspritzdauer des Kraftstoffaustrittes aus Spritzloch 15

Das Diagramm 4a zeigt die Verhältnisse bei Leerlauf· Es wird lediglich ein geringer Ventilelementhub erreicht, so daß das Spritzloch 15 voll wirksam ist und die Spritzbohrung 14 nur unbedeutend beaufschlagt wird. Vergleiche hierzu Pig· 3, Ventilelementhub im Bereich von 10 bis 30 %·

Fig. 4b stellt die Verhältnisse bei niedriger Drehzahl und geringen Einspritzmengen dar· Der Ventilelementhub erreicht nicht das Maximum, die Spritzbohrung 14 ist mit wirksam und das Spritzloch 15 wird von der Kontur d16 des Steuerzapfens 16 über einen Teil des Bereiches annähernd geschlossen. Vergl. Pig. 3, Ventilelementhub etwa 70 ... 80 %. Die Einspritzmengen sind annähernd gleich· Bei hoher Last und Drehzahl stellen sich Verhältnisse nach Fig· 4c ein. Der Ventilelementhub erreicht über einen großen Winkelbereich das Maximum - 100 % -, womit fast ausschließlich die Spritzbohrung 14 wirksam ist· Auch ist es erkennbar, daß bei Erhöhung von Last und Drehzahl die Bereiche mit Ventilelementhub-Veränderungen o^Tjnyic im zeitlichen Anteil abnehmen und z. B· in Fig. 4c über einen hohen Zeitanteil^-g^^ der volle Ventilelementhub vorliegt· Dies bedeutet eine fast ausschließliche Wirksamkeit der Spritzbohrung 14 für die Kraftstoffeinspritzung·

-7-

Bezugszeiohenaufstellung

1	Einspritzdüse
10	Ventilelement
11	Sitzfläche
12	Diisenkörper
13	Sitz im Düsenkörper
14	Spritzbohrung
15	Spritzloch
16	Steuerzapfen
2	Brennraum
3	Kolben
4	Drallrichtung
d 14	Spritzlochdurchmesser
d 16	Kontur
St 14	Strahl aus 14
St 15 '	•t t. ₁₅

40
Leerseite

Claims

Erf indungsanspruc α:

1· ) Mehrstrahl-Zapf endüse für Einspritzung bei Verbrennungsmotoren mit fördergeschwindigkeitsabhängiger Strahlverteilungs-Charakteristik, die ein zentrales Spritzloch und ein gegen die Spritzrichtung öffenendes federbelastetes Ventilelement mit Steuerzapfen aufweist, wobei mindestens eine weitere über den Durchflußquerschnitt am Sitz des Ventilelementes beaufschlagte Spritzbohrung vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet,

daß in an sich bekannter Weise der Steuerzapfen (16) an seinem äußeren Ende eine das zentrale Spritzloch (15) oberhalb des halben Hubes des Ventilelementes (10) zunehmend absperrende Kontur und zusätzlich bei vollem Hub verschließende Kontur (d16) aufweist und daß eine an sich bekannte, im Sitz (13) des Ventilelementes (10) mündende Spritzbohrung (14) für den oberen Last- und Drehzahlbereich vorhanden ist.
2. Mehrstrahlzapfendüse nach Funkt 1, gekennzeichnet dadurch,

daß der Durchmesser (d14) der Spritzbohrung (14) so bemessen ist, daß der wirksame Querschnitt bei 40 bis 50 % des Hubes vom Ventilelement (10) etwa dem wirksamen Querschnitt im Spritzloch (15) entspricht und bei maximalem Hub die Vollastmenge gewährleistet.
3· Mehrstrahlzapfendüse nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch,

daß der wirksame Querschnitt im Spritzloch (15) maximal 30 bis 50 % des wirksamen Querschnittes der Spritzbohrung (14) aufweist·
4. Mehrstrahlzapfendüse nach Punkt 3, gekennzeichnet dadurch,

daß der maximale wirksame Querschnitt im Spritzloch (15) im Bereich von 30 bis 50 % des Hubes des Ventilelementes

(10) vorhanden ist·

5· Mehrstrahlzapfendüse nach. Punkt 3» gekennzeichnet dadurch., daß der wirksame Querschnitt im Spritzloch. (15) oberhalb von 70 bis 80 % des Hubes des Yentilelementes (10) annähernd geschlossen ist.