DE3134476A1

DE3134476A1 - "einspritzduese"

Info

Publication number: DE3134476A1
Application number: DE19813134476
Authority: DE
Inventors: Iwata Oyama Tochigi Masatoshi
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1980-09-04
Filing date: 1981-09-01
Publication date: 1982-04-15
Also published as: US4394963A; JPS5749567U; GB2085075A; JPS6033339Y2; GB2085075B

Description

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BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Einspritzdüse für Diesel-Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs ο

Einige ältere Diesel-Brennkraftmaschinen verfügten über ein Einspritzsystem, bei dem der Kraftstoff mit Hilfe von Druckluft in einen Zylinder der Brennkraftmaschine versprüht wurde. Obwohl dieses System unbestreitbar eine einwandfreie rauchfreie Verbrennung des Kraftstoffes gewährleistete, hatte es den Nachteil, daß zur Erzeugung der Druckluft teure mehrstufige Kompressoren und Zwischenkühler erforderlich waren, die zudem viel Platz beanspruchten. Nach der Entwicklung von Einspritzdüsen, die den Kraftstoff allein mit Hilfe des Kraftstoffdruckes ausreichend zerstäubten, haben sich daher ohne Druckluft arbeitende Einspritzsysteme bei Brennkraftmaschinen mit Verdichtungszündung weitgehend durchgesetzt.

In jüngerer Zeit wurden jedoch Anstrengungen unternommen, den Kraftstoff mit Drücken in der Größenordnung von 1000 kp/cm² in die Zylinder von Diesel-Brennkraftmaschinen einzuspritzen, um auf diese Weise den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu erhöhen und die Schadstoffemission zu verringern. Bei derartig hohen Drücken gewährleisten herkömmliche druckluftfreie Einspritzsysteme nicht unbedingt eine gute Kraftstoff-Verbrennung.

Die Erfindung ist auf die Schaffung einer Einspritzdüse gerichtet, mit der ein Kraftstoff-Luftgemisch xn den Zylinder der Brennkraftmaschine eingespritzt wird und die eine feine Zerstäubung des Kraftstoffes und eine gründliche Vermischung von Kraftstoff und Luft gewährleistet, so daß eine optimale Verbrennung erreicht wird, ohne daß hierzu teure'^; und großvolumige Vorrichtungen zur Erzeugung der Druckluft erforderlich sind.

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

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Eine erfindungsgemäße Einspritzdüse umfaßt einen in einem Gehäuse hin- und hergehend verschiebbaren Kolben, der mit dem Gehäuse eine Vormischkammer bildet, die über wenigstens eine Einspritzöffnung mit einer Brennkammer eines Zylinders der Brennkraftmaschine in Verbindung steht. Ein Ventilkörper ist mit einem Ende verschiebbar in einer Bohrung des Kolbens angebracht und ragt mit dem anderen Ende aus. dem Kolben heraus. Die Einspritzöffnungen sind mit Hilfe des aus dem Kolben herausragenden Endes des Ventilkörpers verschließbar. Der Ventilkörper ist mit Hilfe einer Feder in bezug auf den Kolben derart vorgespannt, daß er die Einspritzöffnungen normalerweise verschließt.

In einer ersten Endposition des Kolbens können Kraftstoff und Luft durch entsprechende Einlasse in die Vormischkammer eintreten. Bei einer Bewegung des Kolbens in Richtung auf seine zweite Endposition werden diese Einlasse verschlossen, so daß das hierdurch in der Vormischkammer eingeschlossene Kraftstoff-Luftgemisch verdichtet wird. Das verdichtete Kraftstoff-Luftgemisch beaufschlagt den Ventilkörper, der sich hierdurch bei einem ausreichend hohen Druck gegen die Kraft der Feder verschiebt und dabei die Einspritzöffnungen freigibt, so daß das verdichtete Kraftstoff-Luftgemisch in die Brennkammer eingespritzt wird, in der es durch auf eine hohe Temperatur verdichtete Luft entzündet wird.

Somit wird das Kraftstoff-Luftgemisch vor dem Einspritzen in die Brennkammer der Brennkraftmaschine in der Vormischkammer verdichtet. Der Kraftstoff wird hierdurch fein zerstäubt, gründlich mit der Luft vermischt und durch die bei der Verdichtung entstehende Wärme teilweise verdampft.

Die den Ventilkörper vorspannende Feder ist bevorzugt eine in der Bohrung des Kolbens angebrachte Druckfeder. Da diese Druckfeder nach der vollständigen Einspritzung des Kraftstoff-

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Luftgemisches in die Brennkammer durch den in seiner zweiten Extremposition befindlichen Kolben am stärksten komprimiert ist, übt diese eine maximale Kraft auf den Ventilkörper aus, so daß die Einspritzoffnungen zuverlässig verschlossen werden. Dies hat den Vorteil, daß durch das zuverlässige und rechtzeitige Verschließen der Einspritzoffnungen eine unvollständige Verbrennung vermieden wird, die anderenfalls, insbesondere bei unter geringer Last laufender Brennkraftmaschine, durch eine verlängerte Einspritzzeit verursacht würde.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
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Fig. 1 ist ein Längsschnitt einer erfindungs

gemäßen Einspritzdüse;

Fig. 2 ist ein Schnitt ähnlich Figur 1,

und zeigt die Einspritzdüse in einer

anderen Betriebsphase;

Fig. 3 zeigt eine Einspritzdruck-Kenn

linie.

In Figuren 1 und 2 ist eine bevorzugte Ausfuhrungsform der erfindungsgemäßen Einspritzdüse in zwei verschiedenen Betriebsphasen dargestellt. Die insgesamt mit 10 bezeichnete Düse ist zusammen mit einem Betätigungsmechanismus 14 an einem Zylinder 12 einer Diesel-Brennkraftmaschine angebracht. Die Düse 10 umfaßt ein hohlzylindrisches Gehäuse 16, das an seinem oberen Ende offen ist und an seinem unteren Ende eine konische Spitze 18 aufweist. Am oberen Ende ist das Gehäuse 16 durch eine eingeschraubte, mit einem Flansch versehene Kappe 20 verschlossen. Die konische Spitze 18 weist wenigstens

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zwei radiale Einspritzöffnungen 22 auf. Das Gehäuse 16 und die Kappe 20 sind zur Erleichterung der Herstellung der vollständigen Einspritzeinrichtung als getrennte Bauteile ausgeführt. Bei der folgenden Betrachtung der wesentlichen Merkmale der vorliegenden Erfindung können sie jedoch als ein einstückiges Bauteil angesehen werden.

Ein Kolben 24 ist in dem Gehäuse 16 auf und ab verschiebbar angebracht und bildet mit diesem eine druckdichte Vormischkammer 26 zum Mischen und Verdichten des einzuspritzenden Kraftstoff-Luftgemisches. Der Kolben 24 weist einen einstückig angeformten Schaft 28 auf, der nach oben durch eine Bohrung 30 in der Kappe 20 ragt. Der Schaft 28 weist am seinem oberen Ende außerhalb des Gehäuses 16 einen Flansch 32 auf. Zwischen der Kappe 20 und dem Flansch 32 des Schaftes 28 ist eine Schraubendruckfeder 34 angebracht, die den Kolben 24 nach oben in die in Figur 1 dargestellte Position vorspannt, in der ein oberer Rand 36 des Kolbens an einer Unterseite 38 der Kappe 20 anschlägt.

Das Gehäuse 16 weist einen Kraftstoffeinlaß 40 und einen Lufteinlaß 42 auf, die über Rückschlagventile 44,46 mit einer nicht gezeigten Diesel-Kraftstoffpumpe bzw. einer Quelle für schwach verdichtete Luft verbunden sind. Die Einlasse 40, 42 sind mit Kanälen 48,50 verbunden, die unmittelbar unterhalb des Kolbens 24 in dessen in Figur 1 dargestellter angehobener Position in die Vormischkammer 26 münden. Wenn der Kolben 24 angehoben ist, nimmt die Vormischkammer 26 Kraftstoff und Luft auf. Sobald sich der Kolben 24 abwärts in Richtung auf eine zweite, in Figur 2 dargestellte Position bewegt, ist das Kraftstoff-Luftgemisch in der Vormischkammer 26 eingeschlossen.

Der Kolben 24 weist eine nach unten geöffnete Axialbohrung auf, die ein Ende eines Nadelventils 54 aufnimmt. Das ab-

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wärts aus der Bohrung 52 herausragende Nadelventil 54 weist an seinem unteren Ende eine konische Spitze 56 zum öffnen oder Verschließen der Einspritzöffnungen 22 in der Düsenspitze 18 auf. In der Bohrung 52 des Kolbens ist eine zweite Schraubendruckfeder 58 angebracht, die das Nadelventil 54 in bezug auf den Kolben 24 nach unten vorspannt, so daß das Nadelventil normalerweise die Einspritzöffnungen 22 verschließt.

Der Betätigungsmechanismus 14 umfaßt eine von einer nicht gezeigten Kurbelwelle betätigte Druckstange 60 und einen Kipphebel 62, der an einem Ende mit der Druckstange verbunden ist und mit dem anderen Ende auf dem Flansch 32 des Schaftes 28 des Kolbens aufliegt. Der Kipphebel 62 ist an einer mit 64 bezeichneten Position schwenkbar aufgehängt und führt eine hin- und hergehende Kippbewegung entsprechend einer hin- und hergehenden Längsverschiebung der Druckstange 60 aus. Bei jeder in Figur 1 im gegen den Uhrzeigersinn erfolgenden Kippbewegung drückt der Kipphebel den Kolben 24 gegen die Kraft der Druckfedern 34 und 58 nieder.

Die erfindungsgemäße Einspritzdüse 10 ist an einer Diesel-Brennkraftmaschine montiert, von der in Figur 1 ein Zylinderkopf 66 dargestellt ist, der in dem Zylinder 12 einen hin- und hergehend beweglichen Kolben 68 aufnimmt, der mit dem Zylinderkopf 66 eine Verbrennungskammer 70 bildet. Die Einspritzöffnungen 22 der Einspritzdüse 10 münden in diese Verbrennungskammer .

Bei der folgenden Beschreibung der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Einspritzdüse wird zunächst angenommen, daß sich die Einspritzdüse 10 in dem in Figur 1 dargestellten Zustand befindet, in dem sich der Kolben 24 in seiner angehobenen und das Nadelventil 54 in seiner abgesenkten Position befindet,

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und daß sich der Kolben 68 in dem Zylinder 12 in seinem unteren Totpunkt, unmittelbar vor dem Verdichtungshub befindet/ wie ebenfalls in Figur 1 dargestellt ist. Da in dieser Stellung der Kraftstoffeinlaß 40 und der Lufteinlaß 42 mit der Vormischkammer 26 in Fluidverbindung stehen, werden Kraftstoff und unter geringem Druck stehende Luft in die Vormischkammer 26 eingelassen, während die Einspritzöffnungen 22 durch das Nadelventil 54 verschlossen sind. Gegen Ende des Kompressionshubes des Kolbens 68 in dem Zylinder 12 wirkt der Betätigungsmechanismus 14 auf den Flansch 32 des Schaftes des Kolbens 24 und drückt den Kolben gegen die Kraft der Druckfedern 34 und 58 nieder. Der Kolben 24 verschließt sofort bei dem Beginn seiner Abwärtsbewegung die Einlasse 40,42, so daß der Kraftstoff und die Luft in der Vormischkammer 26 eingeschlossen, verdichtet und miteinander vermischt werden.

Bei der weiteren Abwärtsbewegung des Kolbens 24 nimmt der Verdichtungsgrad des Kraftstoff-Luftgemisches zu, bis der Druck dieses Gemisches schließlich die konische Spitze 56 des Nadelventils 54 gegen die Kraft der Druckfeder 58 nach oben verschiebt. Durch die auf diese Weise freigelegten Einspritzöffnungen 22 wird das verdichtete Kraftstoff-Luftgemisch in die Brennkammer 70 des Zylinders 12 eingespritzt und dort durch die durch Kompression hoch erhitzte Luft entzündet.

Figur 2 zeigt die Kraftstoffeinspritzung 10 während einer Phase, in der sich der Kolben 24 in seiner tiefsten Stellung befindet. In dieser Position hat der Kolben 24 die gesamte Menge des anfangs in der Vormischkammer 26 enthaltenen Kraftstoff-Luftgemisches in die Brennkammer 70 verdrängt, so daß das durch die Druckfeder 58 vorgespannte Nadelventil 54 die Einspritzöffnungen 22 wieder verschließt. Die Druckfeder 58 ist bei der abgesenkten Stellung des Kolbens 24 am stärksten

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vorgespannt, so daß zur Überwindung des Gegendrucks beim Verschließen der Einspritzöffnungen 22 eine größstmögliche Kraft zur Verfügung steht. Auf diese Weise wird der Einspritzvorgang des Kraftstoff-Luftgemisches zuverlässig beendet.

In der in Figur 3 gezeigten Graphik geben die Kurven a und b den Druck des Kraftstoff-Luftgemisches in der Vormischkammer 26 in Abhängigkeit von dem Weg des Kolbens 24 bei seiner Abwärtsbewegung an. Die Kurve a bezieht sich auf den Fall, daß sich in der Vormischkammer 26 eine große Kraftstoffmenge befindet, während die Kurve b die Verhältnisse bei einer geringeren Kraftstoffmenge beschreibt. Die Kurve c gibt die Kraft der Druckfeder 58 in Abhängigkeit von dem Weg des Kolbens 24 an. Somit öffnet das Nadelventil 54 die Einspritzöffnungen 52 bei d, bzw. bei e. Wie anhand dieser Graphik erkennbar ist, ist die durch die Druckfeder 58 auf das Nadelventil 54 ausgeübte Kraft, die das Verschließen der Einspritzöffnungen 22 bewirkt/dann besonders groß, wenn die eingespritzte Kraftstoffmenge gering ist, d.h. wenn die Brennkraftmaschine unter geringer Last läuft. Ein derartiger hoher Ventil-Schließdruck trägt dazu bei, eine unvollständige Verbrennung aufgrund verlängerter Kraftstoffeinspritzung zu verhindern.

Die oben beschriebene Ausführungsform der Einspritzdüse stellt lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dar. Die Einzelheiten der Konstruktion und der Anordnung der Einspritzdüse in bezug auf andere Bauteile der Brennkraftmaschine kann im Rahmen der Erfindung auf zahlreiche Weise abgewandelt werden.

Claims

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PATENTANWÄLTE

TER MEER - MÜLLER - STEINMEISTER

Beim Europalachen Patentamt zugelassene Vertreter Prof. Representatives before the European Patent Office - Mandatalre« agrees pres !Office europeen dos brevets

Dipl.-ChenvDr. N. ter Meer Dipl.-lng. H. Steinmeister Dipl.-ing. F. E. Müller _. .

Triftstrasse 4, S.ekerwall 7,

D-8000 MÜNCHEN 22 D-4800 BIELEFELD 1

St/Wi/ko

FP 81-26-Ger. '1. Sep. 1981

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

EINSPRITZDÜSE

PRIORITÄT: 4. September 1980, Japan, No. 125,045/80

PATENTANSPRÜCHE

Einspritzdüse zur Einspritzung von mit Luft vermischtem Kraftstoff in eine Brennkammer eines Zylinders einer Brennkraftmaschine, welche Einspritzdüse einen in einem Gehäuse hin- und hergehend verschiebbaren Kolben umfaßt, der mit dem Gehäuse eine Vormischkammer hu-ldet, die über wenigstens eine Einspritzöffnung mit der Brennkammer der Brennkraftmaschine in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (16) Kraftstoff- und Lufteinlässe (40,42) angebracht sind, die mit der Vormischkammer (26) in Fluidverbindung stehen, wenn sich der Kolben (24) in einer ersten Endposition befindet, und durch eine Bewegung des Kolbens (24) verschließbar sind, daß der Kolben (24) eine Axialbohrung (52) aufweist, in die ein Ende eines Ventilkörpers (54) längsverschiebbar einge-

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paßt ist, der durch eine Feder (58) derart in bezug auf den Kolben (24) vorgespannt ist, daß er mit einem.aus dem Kolben (24)herausragenden Ende die Einspritzöffnung (22) verschließt, und daß der Ventilkörper (54) zum öffnen der Einspritzöffnung (22) durch den Druck des bei der Abwärtsbewegung des Kolbens (24) komprimierten Kraftstoff-Luftgemisches gegen die Kraft der Feder (58) verschiebbar ist.
2. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -

zeichnet, daß die Feder (58) eine Druckfeder ist und in der Axialbohrung (52) des Kolbens (24) angebracht ist.
3. Einspritzdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η η zeichnet, daß der Ventilkörper (54) eine Ventilnadel einer konischen Spitze zum Öffnen und Schließen der Einspritzöffnungen (22) ist.
4. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, g e kennzeichnet durch eine weitere Feder (34) , die den Kolben (24) in seine erste Endposition vorspannt.
5. Einspritzdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (24) einen einstückig angeformten Schaft (28) aufweist, der an einem aus dem Gehäuse (16) herausragenden Ende einen Flansch (32) aufweist, und daß die zweite Feder (34) eine zwischen dem Flansch (32) und dem Ende des Gehäuses (16) angebrachte Druckfeder ist.
6. Einspritzdüse nach Anspruch 5, in Verbindung mit einer

Betätigungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungseinrichtung (14) zur Verschiebung des Kolbens (24) in eine zweite Endposition gegen die Kraft der Feder (34) den Flansch (32) des Schaftes (28) beaufschlagt.