DE3133388C2

DE3133388C2 - Zapfendüse für die direkte Einspritzung in den Brennraum einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3133388C2
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: 1983-05-19
Also published as: CS239325B1; GB2084249B; GB2084249A; FR2490278A1; FR2490278B1; DE3133388A1; CS638781A1; DD153167A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Zapfendüse für die direkte Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einer entgegen der Spritzrichtung gegen Federkraft von ihrem Sitz abhebenden Ventilnadel, die einen den Kraftstoffdurchtritt durch ein koaxial zur VentÜnadelachse im Düsenkörper ausgebildetes Spritzloch zum Teil unter Sperrung des Kraftstoffdurchtritts steuernden und in Schließlage der Ventilnadel brennraumseitig über das Spritzloch hinausragenden Steuerzapfen aufweist und die außerdem den Kraftstoffzutritt zu einem wetteren, zur VentÜnadelachse geneigt im Düsenkörper angeordneten Spritzloch steuert, wobei die Verteilung der Ober das jeweilige Spritzloch eingespritzten Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von der Kraftstoffördergeschwindigkeit Ober den Nadelhub erfolgt

Derartige Zapfendüsen finden vorrangig Anwendung in Dieselbrennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung sowie einer Gemischbildung und einem Verbrennungsablauf unter Einwirkung einer rotierenden Luftladung. Eine Zapfendüse der vorbeschriebenen Art ist aus der

ίο DE-PS 9 26 050 bekannt Bei dieser Düse erfolgt, über das koaxial zur Ventilnadelachse angeordnete Spritzloch mit dem Steuerzapfen die Haupteinspritzung und über das von einem in Kraftstoffströmungsrichtung unmittelbar hinter dem Nadelsitz gelegenen Raum zur Ventilnadelachse geneigt abgehende Spritzloch die Filfseinspritzung. In Schließstellung und zu Beginn des Öffnungshubes der Ventilnadel ist der Steuerzapfen so im Spritzloch geführt, daß der Kraftstoffdurchtritt gesperrt ist und Kraftstoff nur über die Hilfseinspritz bohrung eingespritzt werden kann.

Im übrigen ist die Aufteilung der über die jeweiligen Spritzlöcher austretenden Kraftstoffeinspritzmenge so, daß bei hoher Fördergeschwindigkeit des Kraftstoffes die aus dem zentralen Spritzloch für die Haupteinsprit zung austretende Kraftstoffmenge bei entsprechender Bemessung viermal so groß wie die über das Hilfseinspritzloch abgegebene Menge. Nachteilig ist bei dieser Düse der relativ hohe Anteil von Kraftstoff, der über das Hilfseinspritzloch auch noch bei hoher Fördergeschwindigkeit abgegeben wird und die starke Verkokungsneigung dieses Spritzlochs.

Vorbekannt ist weiterhin eine Zapfendüsenausführung gemäß der FR-PS 9 77 818, die als Mehrstrahldüse ausführbar ist In Abhängigkeit von der Förderge schwindigkeit stellt sich unterschiedlicher Düsennadel- hub ein, wodurch entweder verschiedene Spritzlöcher einer Lochdüse alternativ durch einen in einer Sacklochbohrung geführten Steuerzapfen an der Ventilnadel oder z. B. ein Spritzloch im Steuerzapfen einer Zapfendüse alternativ zu dem vom Steuerzapfen erst im Verlauf des Nadelhubs freigegeben und koaxial zu diesem angeordneten Spritzloch freigegeben werden. Dabei ergibt sich auch eine gegenläufige Mengenverteilung der Einspritzmengen für diese Spritzlöcher.

Nachteilig ist hierbei jedoch, daß die Steuerung der Kraftstoffverteilung auf die jeweiligen Spritzlöcher über Ringkanäle sowie Längs- und Querbohrungen in der Düsennadel erfolgt, die fertigungstechnisch ungünstig herstellbar sind.

so Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Zapfendüse der eingangs beschriebenen Art ohne größeren fertigungstechnischen Aufwand die Einspritzung der Kraftstoffmengen so vorzunehmen, daß unter funktioneller Umkehrung von Haupt- und Hilfsein spritzloch sowohl im unteren als auch im hohen Drehzahl- und Lastbereich im wesentlichen jeweils nur ein Einspritzstrahl austritt

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Steuerzapfen eine Kontur aufweist, mit deren

eo Hilfe der wirksame Ausflußquerschnitt im koaxial zur VentÜnadelachse angeordneten Spritzloch nach dem Abheben der Ventilnadel von ihrem Sitz nach anfänglicher Zunahme oberhalb eines Nadelhubes von 30 bis 50% wieder abnimmt und beim maximalen Hub der Ventilnadel nahezu Null ist, und daß das zur VentÜnadelachse geneigt angeordnete Spritzloch, im Ventilnadelsitz mündend, in Schließstellung der Nadel von dieser abgedeckt und bezüglich seines wirksamen

Ausflußquerscbnittes für eine dem oberen Last- und Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine bis einschließlich Vollast entsprechende Einspritzmenge ausgelegt ist.

Mit dieser Lösung wird gewährleistet, daß bei niedriger Fördergeschwindigkeit und kleinerer Einspritzmenge durch den kleinen Spritzquerschnitt am Steuerzapfen eine gute Kraftstoffzerstäubung und damit Gemischbildung vorliegt, während bei hoher Fördergeschwindigkeit und großer Einspritzmenge das Spritzloch mit dem Steuerzapfen nur noch unbedeutend to Kraftstoff abgibt und fast die gesamte Krafistoffmenge über das seitliche Spritzloch eingespritzt wird.

Hiermit ist eine gute Anpassung der Einspritzung an die motorischen Erfordernisse von Direkteinspritz-Dieselmotoren mit einer Gemischbildung im wandnahen is 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.

Im Zusammenhang mit der Steuerung des Spritzlochquerschnitts mit Hilfe eines Steuerzapiens ist eine Zapfendüse bekannt (DE-PS 846 183 Abb. 3), bei der das einzige koaxial zur Ventilnadelachse angeordnete Spritzloch von einem Steuerzapfen durchdrungen wird, welcher bei zunehmendem Düsennadelhub den Spritzquerschnitt verkleinert Erzielt werden soll bei dieser Lösung jedoch ein sauberes Abspritzen während des gesamten Einspritzvorganges. Ein Steuern im Sinne eines Verschließens dieses Spritzlochs liegt hier nicht vor. Schließlich ist es aus der US-PS 18 33 080 noch bekannt ein Spritzloch unmittelbar im Nadelsitz münden zu lassen.

Als vorteilhaft ist es anzusehen, wenn bei etwa 40 bis 50% des Hubes der Ventilnadel der wirksame Ausflußquerschnitt im koaxial zur Ventilnadelachse angeordneten Spritzloch dem wirksamen Ausflußquerschnitt im zur Ventilnadelachse geneigt angeordneten Spritzloch entspricht Ferner ist es zweckmäßig, wenn der wirksame Ausflußquerschnitt im koaxial zur Ventilnadelachse angeordneten Spritzloch maximal 30 bis 50% des größten wirksamen Ausflußquerschnitts im zur Ventilnadelachse geneigt angeordneten Spritzloch « beträgt

Schließlich sollte in vorteilhafter Weise der wirksame Ausflußquerschnitt im koaxial zur Ventilnadelachse angeordneten Spritzloch bereits ab einem Ventilnadelhub von 70 bis 80% nahezu Null sein. so

Ein Ausführungsbsispiel der Erfindung wird anhand von Zeichnungen und Diagrammen nachfolgend beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Teilschnitt durch den Zylinderkopf einer Diesel-Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, aus dem die Anordnung der Einspritzdüse und die Lage der Einspritzstrahlen im Brennraum erkennbar ist

F i g. 2 einen Teillängsschnitt durch eine erfindungsgemäße Einspritzdüse,

Fig.3 ein Diagramm über die in % angegebenen wirksamen Ausflußquerschnitte des koaxial und des zur Ventilnadelachse geneigt angeordneten Spritzlochs sowie des wirksamen Gesamtausflußquerschnitts dieser Spritzlöcher in Abhängigkeit vom in % angegebenen Ventilnadelhub,

Fig.4a—c schematische Diagramme über den Ventilnadelhub bei verschiedenen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine.

In Fig, 1 ist die Anordnung einer Zapfendüse 1 in einem Dieselmotor mit Direkteinspriteung gezeigt. Die Kraftstoffstrahlen St 14? St 15 aus dem zur Ventilnadelachse geneigt im Düsenkörper 12 angeordneten Spritzioch 14 und dem koaxial zur Ventilnadelachse im Düsenkörper angeordneten Spritzloch 15 werden in unterschiedlichen Richtungen in den rotationssymmetrischen Brennraum 2 im Kolben 3 der Brennkraftmaschine gerichtet Es ist erkennbar, daß der Strahl Sf 15 des Spritzloches 15 bedeutend stärker zum Zentrum des Brennraumes 2 gerichtet ist, was überwiegend zu luftverteiltem Kraftstoff führt Hingegen verläuft der Strahl Sf 14 des Spritzlochs 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 Dralls gleichmäßig verbrannt

In Fig.2 ist der wesentliche Ausschnitt der Zapfendüse sichtbar. Im Düsenkörper 12 ist eine übliche Ventilnadel 10 geführt Diese Ventilnadel 10 weist eine Sitzfläche 11 auf, dem ein Sitz ¹"i im Düsenkörper 12 zugeordnet ist Ein großes Spritzioch 14, das den Hauptstrahl bei normalen Betriebsbedingungen erbringt mündet im Sitz 13 im Düsenkörper 12 und wird bei der tiefsten Stellung der Ventilnadel 10 von der Sitzfläche 11 abgedeckt

Durch das koaxial zur Ventilnadelachse im Düsenkörper 12 angeordnete Spritzloch 15 erstreckt sich ein Steuerzapfen 16 der Ventilnadel 10. Der Steuerzapfen 16 ragt wenn die Ventilnadel 10 auf dem Sitz 13 im Düsenkörper 12 ruht aus diesem heraus. Das Ende des Steuerzapfens 16 weist außerdem eine Kontur c/16 auf, die bei größerem Hub der Ventilnadel 10 teilweise und bei maximalem Hub vollkommen in das Spritzloch 15 eintaucht und damit dessen Querschnitt zunehmend und später nahezu vollkommen absperrt; siehe F i g. 3 Kurve μ/« I₅. Die Bemessung des Spritzlochs 14 in seinem Durchmesser dl4 erfolgt so, daß der wirksame Ausflußquerschnitt bei 40 bis 50% des Hubes der Ventilnadel etwa dem wirksamen Querschnitt im Spritzloch 15 entspricht und bei maximalem Hub die Vollastmenge gewährleistet; siehe F i g. 3 Kurve \kf_s, 14. 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 ο 14 des Spritzlochs 14 andererseits wieder optimal für den Hauptarbeitsbereich einschl. Vollast des Motors ohne Rücksichtnahme auf die untersten Drehzahlen angepaßt werden kann.

In der Darstellung der F i g. 4 ist der Ventilnadelhub bei verschiedenen Betriebszuständen gezeigt Es bedeutet:

max. Hub = 100%

may. wirksamer Hub für das Spritzloch 15

erreichter Hub

E^;nspritzdauer des Kraftstoffaustritts aus

dem Spritzloch 14

Eir.üpritzdauer des Kraftstoffaustritts aus

dem Spritzloch 15

Gesamteinspritzdauer oled μ und «ed 15.

tX-EDga. -

Das Diagramm 4a zeigt die Verhältnisse bei Leerlauf. Es wird lediglich ein geringer Ventilnadelhub b erreicht so daß das SpriUloch 15 voll wirksam ist und das Spritzloch 14 nur unbedeutend beaufschlagt wird.

Vergleiche hierzu Fig.3, Ventilnadelhub im Bereich von 10 bis 30%.

F i g. 4b stellt die Verhältnisse bei niedriger Drehzahl und geringen Einspritzmengen dar. Der Ventilnadelhub h erreicht nicht das Maximum, das Spritzloch 14 ist mit wirksam, und das Spritzloch 15 wird von der Kontur </16 des Steuerzapfens 16 über einen Teil des Bereiches annähernd geschlossen.

Vergleiche F i g. 3, Ventilnadelhub etwa 70... 80%. Bei hoher Last und Drehzahl stellen sich Verhältnisse

nach F i g. 4c ein. Der Ventilnadelhub Λ erreicht über einen großen Winkelbereich das Maximum — 100% —, womit fast ausschließlich das Spritzloch 14 wirksam ist. Auch ist es erkennbar, daß bei Erhöhung von Last und Drehzahl die Bereiche mit Ventilnadelhub-Veränderungen Λ£οΐ5 im zeitlichen Anteil abnehmen und z. B. in Fig.4c über einen hohen Zeitanteil «edm der volle Ventilnadelhub vorliegt. Dies bedeutet eine fast ausschlieBliche Wirksamkeit des Spritzlochs 14 für die Kraftstoffeinspritzung.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Zapfendüse for die direkte Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einer entgegen der Spritzrichtung gegen Federkraft von ihrem Sitz abhebenden Ventilnadel, die einen den Kraftstoffdurchtritt durch ein koaxial zur Ventilnadelachse im Düsenkörper ausgebildetes Spritzloch zum Teil unter Sperrung des Kraftstoffdurchtritts steuernden und in Schließlage der Ventilnadel brennraumseitig Ober das Spritzloch hinausragenden Steuerzapfen aufweist und die außerdem den Kraftstoffzutritt zu einem weiteren, zur Ventilnadelachse geneigt im Düsenkörper angeordneten Spritzloch steuert, wobei die Verteilung der fiber das jeweilige Spritzloch eingespritzten Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von der Kraftstofffördergeschwindigkeit über den Nadelhub erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerzapfen (16) eine Kontur (d 16) aufweist, mit deren Hilfe der «-irksame Ausflußquerschnitt im koaxial zur Ventilnadelachse angeordneten Spritzloch (15) nach dem Abheben der Ventilnadel (10) von ihrem Sitz (13) nach anfänglicher Zunahme oberhalb eines Nadelhubes (h) von 30 bis 50% wieder abnimmt und beim maximalen Hub der Ventilnadel nahezu Null ist, und daß das zur Ventilnadelachse geneigt angeordnete Spritzloch (14), im Ventilnadelsitz (13) mündend, in Schließstellung der Nadel von dieser abgedeckt und bezüglich seines wirksamen Ausflußquerschnittes für eine dem oberen Last- und Drehzahlbere'ch der Brennkraftmaschine bis einschließlich Vollast entsprechende Einspritzmenge ausgelegt ist

2. Zapfendüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei etwa 40 bis 5v% des Hubes der Ventilnadel (10) der wirksame Ausflußquerschnitt im koaxial zur Ventilnadelachse angeordneten Spritzloch (15) dem wirksamen Ausflußquerschnitt im zur Ventilnadelachse geneigt angeordneten Spritzloch (14) entspricht

3. Zapfendüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wirksame Ausflußquerschnitt im koaxial zur Ventilnadelachse angeordneten Spritzloch (15) maximal 30 bis 50% des größten wirksamen Ausflußquerschnitts im zur Ventilnadelachse geneigt angeordneten Spritzloch (14) beträgt.

4. Zapfendüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wirksame Ausflußquerschnitt im koaxial zur Ventilnadelachse angeordneten Spritzloch (15) bereits ab einem Ventilnadelhub von 70 bis 80% nahezu Null ist.