DE3150883A1

DE3150883A1 - "brennstoff-einspritzduese"

Info

Publication number: DE3150883A1
Application number: DE3150883A
Authority: DE
Inventors: Masatoshi Oyama Tochigi Iwata
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1980-12-22
Filing date: 1981-12-22
Publication date: 1982-08-05
Also published as: US4413781A; GB2093113B; GB2093113A

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Brennstoff-Einspritzdüse gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs, und zwar im einzelnen eine derartige Düse zum Zerstäuben und Versprühen zugemessener Brennstoffmengen, die mit Luft vorgemischt sind, in die Brennkammer eines Zylinders einer Brennkraftmaschine, etwa einer Dieselmaschine.

Einige frühe Diesel-Brennkraftmaschinen umfaßten ein Luftinjektionssystem, durch das der Brennstoff in dem Zylinder mit Hilfu von Luftdruck zerstäubt wurde.. Obwohl dieses System anerkanntermaßen zu einer ausgezeichneten, rauchfreien Verbrennung führte, erforderte es teure und sperrige mehrstufige Kompressoren und)Zwischenkühler für die Injektionsluft." Mit der Einführung von Sprühdüsen, die eine ausreichende Zerstäubung des Brennstoffs allein durch den Brennstoffdruck ermöglichen, ist die luftfreie Einspritzung des Brennstoffs in Brennkraftmaschinen allgemein üblich geworden.

In jüngster Zeit ist jedoch erwogen worden, den Brennstoff in Diesel-Zylindern mit Drücken in der Größenordnung von 1000 kg/cm² einzuspritzen, da sich auf diese Weise ein höherer Maschinen-Wirkungsgrad und eine minimale Abgabe von luftverschmutzenden Stoffen erreichen läßt. Die übliche luftfreie Injektionsmethode führt nicht notwendigerweise zu einer guten Verbrennung bei den genannten hohen Drücken.

Die Erfindung ist darauf gerichtet, eine Brennstoff-Einspritzdüse zur Abgabe eines vorgemischten Luft-Brennstoff-Gemisches in die Brennkammer eines Maschinenzylinders zu schaffen, die es ermöglicht, den Brennstoff fein zu zerstäuben und zu verdampfen und innig mit Luft zu vermischen,

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so daß sich eine optimale Verbrennung ergibt. Es soll darüber hinaus nicht erforderlich sein, eine sperrige und teure Ausrüstung für die Luftinjektion zu verwenden, wie es bisher üblich ist. Ferner soll die Injektion jeder Charge des Luft-Brennstoff-Gemisches zwangsweise beendeL werden können, so daß eine unsaubere Verbrennung aufgrund verlängerter Injektion unterbleibt.

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

Eine erfindungsgemäße Brennstoff-Einspritzdüse zur Abgabe von mit Luft vorvermischtem Brennstoff in die Brennkammer eines Zylinders bei einer Brennkraftmaschine umfaßt entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung (a) einen Düsenkörper mit einem axialen Kanal im Inneren und wenigstens einer Sprühöffnung zur Verbindung des axialen Kanals mit der Brennkammer des Maschinenzylinders, (b) einen Kolben, der gleitend in dem Düsenkörper zwischen einer ersten und einer zweiten Position verschiebbar ist und im Inneren des Düsenkörpers eine erste und eine zweite Kammer bildet, (c) einen Brennstoffeinlaß und einen Lufteinlaß an dem Düsenkörper, welcher Brennstoffeinlaß in die zweite Kammer mündet, wenn der Kolben in der ersten Position steht, und in der zweiten Position des Kolbens geschlossen ist, und welcher Lufteinlaß in die erste Kammer mündet, wenn der Kolben in der zweiten Position steht und in der ersten Position des Kolbens geschlossen ist, (d) ein Ventilglied, das fest an dem Kolben angebracht ist und in dem axialen Kanal des Düsenkörpers zwischen einer ersten und einer zweiten Position zur öffnung und Schließung dor Spürhöffnung verschiebbar ist, so daß die Verbindung zwischen der zweiten Kammer und dem axialen Kanal blockiert ist,wenn das Ventilglied zwischen der ersten Position und einer dritten Position zwischen der ersten und zweiten Po-

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sition steht und freigegeben wird, wenn das Ventilglied zwischen der zweiten und dritten Position angeordnet ist, (e) eine Leitung zur Verbindung des Lufteinlasses mit der Brennkammer und. (f) eine Einrichtung innerhalb des Kolbens, die einen Luftstrom von der ersten Kammer in die zweite Kammer ermöglicht, in die Gegenrichtung jedoch blockiert.

Entsprechend einer anderen Ausführungsform weist die Brennstoff-Einspritzdüse folgende Merkmale auf: (a) einen Düsenkörper mit einem axialen Kanal im Inneren und wenigstens einer Sprühöffnung zur Verbindung des axialen Kanals mit der Brennkammer des Maschinenzylinders, (b) einen Kolben, der gleitend in dem Axialkanal des Düsenkörpers hin und her zwischen einer ersten und zweiten Position verschiebbar ist und innerhalb des Düsenkörpers erste und zweite Kammern bildet, (c) einen Brennstoffeinlaß in dem Düsenkörper und einen Lufteinlaß, der in die erste Kammer · mündet, wenn der Kolben in der zweiten Stellung steht, und der geschlossen ist, wenn der Kolben sich in der ersten Stellung befindet, welcher Brennstoffeinlaß mit dem Axialkanal verbunden ist, (d) ein Ventilglied, das fest an dem Kolben angebracht ist und in dem Axialkanal des Düsenkörpers zwischen einer ersten und zweiten Stellung zur Öffnung und Schließung der Sprühöffnung verschiebbar ist, so daß eine Verbindung zwischen der zweiten Kammer und dem axialen Kanal unterbrochen wird, wenn der Ventilkörper zwischen der ersten Position und einer dritten Position steh,t, die zwischen der ersten und zweiten Position liegt, und freigegeben wird, wenn der Ventilkörper zwischen der zweiten und dritten Stellung steht, (e) eine Leitung zur Verbindung des Lufteinlasses mit der Brennkammer und (f) eine Einrichtung innerhalb des Kolbens zur Freigabe eines Luftstroms aus der ersten Kammer in die zweite Kammer, nicht jedoch in Gegenrichtung.

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Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert,

Fig. 1 ist ein Teillängsschnitt einer erfindungsgemäßen Brennstoff-Einspritzdüse zusammen mit einem Be

tätigungsmechanismus und einem Diesel-Zylinder, in den das vorgemischte Luft-Brennstoff-Gemisch durch die Düse eingespritzt wird;

Fig. 2 entspricht Fig. 1, zeigt jedoch die Injektionsstufe;

Fig. 3 entspricht Fig. 1 und zeigt die Düse am Ende

der Injektion;
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Fig. 4 entspricht wiederum Fig. 1 und zeigt eine andere

Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 entspricht Fig. 4, zeigt jedoch die Düse am Ende der Injektion.

Fig. 1 bis 3 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoff-Injektionsdüse in verschiedenen Arbeitsstellungen. Die insgesamt mit 10 bezeichnete Düse befindet sich zusammen mit einem Betätigungsmechanismus 14 am Zylinder 12 einer Dieselmaschine. Die Düse 10 umfaßt einen Düsenkörper 16, eine Kappe 18 mit konischer Spitze 20 am unteren Ende, eine zylindrische Hülse 22 zwischen dem Düsenkörper 16 und der Kappe 18 und ein Gehäuse 24 zur Aufnahme dieser Teile. Eine oder mehrere Sprühöffnungen 26 befinden sich im Mittelpunkt der konischen Spitze 20. Obwohl der Düsenkörper 16, die Kappe 18, die zylindrische Hülse 20 und das Gehäuse 24 zur Erleichterung der Herstellung der gesamten Vorrichtung als einzelne Tei-Ie gezeigt sind, können sie auch zusammenhängend ausge-

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bildet sein.

In der zylindrischen Hülse 22 befindet sich gleitend und mit druckdichter Abdichtung ein auf und ab verschiebbarer Kolben 28, der zusammen mit dem Düsenkörper 16, der Kappe 18 und der Hülse 22 eine Luftkammer 3 0 und eine Brennstoff- oder Vormischkammer 32 zum'Vormischen und Komprimieren von Brennstoff und Luft für den Einspritzvorgang bildet. Der Kolben 28 ist fest auf einem Schaft 34 angebracht, der sich in senkrechter Richtung durch den Kolben erstreckt. Der Schaft 34 ragt aus dem Düsenkörper 16 durch eine Bohrung 36 hinaus und endet in einem Flansch 38 am äußeren Ende. Eine Schraubendruckfeder 40 liegt zwischen dem Düsenkörper 16 und dem Flansch 38 und hält den Kolben 38 normalerweise in einer ersten oder angehobenen Position, die in Fig. 1 gezeigt ist und in der die Oberseite 42 des Kolbens 28 gegen die Bodenfläche 44 des Düsenkörpers 16 anliegt.

Die Kappe 18 weist eine Axialbohrung 46 auf, die an ihrem oberen Ende mit der Vormischkammer 32 und an ihrem unte-• ren Ende mit der Sprühöffnung 26 in Verbindung steht. Die Axialbohrung 46 ist mit einer ringförmigen Stufe 48 im Mittelbereich versehen, die die Axialbohrung in einen oberen Abschnitt 50 mit kleinerem Durchmesser und einen unteren Abschnitt 52 mit größerem Durchmesser unterteilt. Die untere Hälfte des Abschnitts 52 mit größerem Durchmesser ist als kegelförmiger Sitz 54 ausgebildet, der in die Sprühöffnungen 26 mündet.

Von dem unteren Ende des Schafts 34 unterhalb des Kolbens 28 geht eine Ventilnadel 56 aus, die zum öffnen und Schließen der Sprühöffnungen 26 vorgesehen ist. Die Ventilnadel 56 weist einen Kopf 58 auf, der eng in den oberen Abschnitt 50 der Axialbohrung 46 eingepaßt ist und

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in einer konischen Spitze 60 endet, die dem konischen Sitz 54 der Kappe 18 angepaßt ist und zum Schließen der Sprühöffnungen 26 dient.

Der Betätigungsmechanismus 14 umfaßt eine Stößelstange 62, der durch die nichtgezeigte Nockenwelle der Maschine angetrieben wird, und einen Kipphebel 64, der an einem Ende mit der Stößelstange 62 in Verbindung steht und mit dem anderen Ende gegen den Flansch 38 des Schafts 34 anliegt. Der Kipphebel 64 ist in einer Achse 6 6 schwenkbar gelagert und wird mit der geradlinigen, hin- und hergehenden Bewegung der Stößelstange 62 hin- und hergehend gekippt, so daß er den Schaft 34 entgegen der Kraft der Schraubendruckfeder 40 mit jeder Schwenkbewegung in Gegenuhrzeigerrich-

15 tung verschiebt.

Mit 68 ist der Zylinderblock der zugehörigen Dieselmaschine bezeichnet. Der Zylinder 12, der in dem Zylinderblock 68 ausgebildet ist, nimmt einen Kolben 70 auf, der in dom Zylinder verschiebbar ist und in dem Zylinder eine Brennkammer 72 bildet. Die Sprühöffnungen 26 der Düse 10 münden in diese Brennkammer 72.

Die zylindrische Hülse 22 weist einen Brennstoffeinlaß 74 und einen Lufteinlaß 76 auf, die mit einem nicht gezeigten Brennstoffvorrat bzw. der Brennkammer 72 über entsprechende Leitungen 78, 80 verbunden sind. In den Leitungen 78, 80 befinden sich Rückschlagventile 82 und 84. Der Kolben 28 ist mit einer Anzahl von Bohrungen 86 versehen, in denen sich Rückschlagventile 88 befinden, die einen Durchgang von der Luftkammer 3 0 zu der Vormischkammer 32 ermöglichen, einen Gegenstrom jedoch verhindern.

Fig. 3 zeigt die Betriebsstellung der Düse 10 am Ende der Brennstoffeinspritzung. Die Ventilnadel 56 liegt ge-

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gen den konischen Sitz 54 der Kappe 18 an und verschließt die Sprühöffnungen 26. Der Kipphebel 64 hält die Ventilnadel 56 in dieser Position bis zum Ende des Auspuffhubs des Kolbens 70. Während dieses Auspuffhubs tritt ein Teil der komprimierten und warmen Luft und des Brenngasgemisches über das Rückschlagventil 84 in die Luftkammer 30 ein. Am Ende des Auspuffhubs werden die Ventilnadel 56 und der Kolben 28 in die Stellung der Fig. 1 aufgrund der Kraft der Schraubendruckfeder 40 angehoben. Während dieser Aufwärtsbewegung des Kolbens werden Luft und Brenngasgemisch, die sich zeitweilig in der Luftkammer 30 befunden haben, in die Vormischkammer 32 durch die Bohrungen 86 und über die Rückschlagventile 88 überführt.

Während der Kolben 28 in dieser oberen Stellung gemäß Fig. 1 steht, wird Brennstoff mit relativ niedrigem Druck durch die Leitung 78 und über das Rückschlagventil 82 in die Vormischkammer 32 abgegeben, in der eine Vermischung mit der komprimierten, warmen Luft und dem Brenngasge-

20 misch erfolgt.

Der Schaft 34 wird durch den Betätigungsmechanismus 14 am Ende des Kompressionshubs nach unten gedrückt, so daß das Brennstoff-Luft-Gemisch, das sich in der Vormischkammer 32 befindet, weiter komprimiert wird. Die Brennstoffeinspritzung beginnt, wenn der Kopf 58 der Ventilnadel 56 die Stufe 48 der Axialbohrung 46 passiert, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Da das hochkomprimierte Brennstoff-Luft-Gemisch durch den schmalen Spalt zwischen dem Kopf 58 der Ventilnadel 56 und der Wand der Axialbohrung im Abschnitt 52 größeren Durchmessers hindurchgeht, wird durch die entsprechend hohe Strömungsgeschwindigkeit die komprimierte Luft feinverteilt und innig mit dem Brennstoff vermischt. Das Brennstoff-Luft-Gemisch wird anschließend durch die 5 Sprühöffnungen 26 in die Brennkammer 72 des Zylinders 12

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abgegeben und dort mit der komprimierten und erhitzten Luft gezündet.

Es ist zu beachten, daß der Brennstoff mit der komprimierten und erhitzten Luft in der Vormischkammer 32 vermischt wird. Die erhitzte Luft fördert die Verdampfung des Brennstoffs in dieser Vormischkammer 32. Im übrigen hat der Luftstrom, der durch den schmalen Spalt zwischen dem Kopf 58 der Ventilnadel 56 und der Bohrungswand im Abschnitt 52 hindurchgeht, eine so hohe Geschwindigkeit, daß der Brennstoff intensiv mit der Luft gemischt wird und in feiner Verteilung in die Brennkammer 7 2 abgegeben wird. Wegen dieser Vorteile, die sich durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit der unter Druck stehnden Luft ergeben, erfordert die Erfindung keine externe Luftquelle.

Fig. 4 und 5 zeigen eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die mit der ersten Ausführungsform weitgehend übereinstimmt, bei der der Brennstoff jedoch in die Axialbohrung 46 und nicht in die Vormischkammer 32 abgegeben wird. Eine Brennstoffkammer 90 befindet sich in einer zylindrischen Hülse 22', die die Kammern 30 und 32 in ümfangsrichtung umgibt, und nimmt Brennstoff aus der Leitung 78 auf. Die Brennstoffkammer 90 steht mit dem oberen Abschnitt 50 der Axialbohrung 46 über Kanäle 92 und 94 in Verbindung. Ein Rückschlagventil 96 befindet sich in dem Kanal 92.

Fig. 5 zeigt die Betriebsstellung am Ende der Brennstoffeinspritzung. Die Ventilnadel 56 liegt gegen den konischen Sitz 54 der Kappe 18 an und schließt die Sprühöffnungen 26, Der Kipphebel 64 hält die Ventilnadel 56 in dieser Position bis zum Ende des Auspuffhubs des Kolbens 70 fest. Während dieses Auspuffhubs gelangt ein Teil der koinprimierten und erhitzten Luft und der Verbrennungsgase in

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die Luftkammer 30 über das Rückschlagventil 84. Am Ende des Auspuffhubs werden die Ventilnadel· 56 und der Kolben 28 in die Stellung der Fig. 4 durch die Kraft der Schraubendruckfeder 40 angehoben. Während dieser Aufwärtsbewegung des Kolbens 28 gelangen Luft und Verbrennungsgase, die sich zeitweilig in der Luftkammer 30 befunden haben, durch die Bohrungen 86 und über die Rückschlagventiie 88 . in die Vormischkammer 32.

Während der Kolben 28 in der oberen Position gemäß Fig. 4 steht, wird Brennstoff mit relativ niedrigem Druck von einem nicht gezeigten Brennstoffvorrat über die Leitung 78, die Brennstoffkammer 90 und die Kanäle 92 und 94 in die Axiaibohrung 46 eingeleitet.

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Der Schaft 34, der am Ende des Kompressionshubs durch den Betätigungsmechanismus 14 nach unten gedrückt wird, bewirkt eine weitere Kompression der in der Vormischkammer 32 befindlichen Luft. Die Brennstoffeinspritzung beginnt, wenn der Kopf 58 des Nadelventils 56 die Stufe 48 der Axialbohrung 46 passiert. Da die hochkomprimierte Luft durch den schmalen Spalt zwischen dem Kopf 58 der Ventilnadel 56 und der Bohrungswand im Abschnitt 52 mit größerem Durchmesser hindurchgeht, erfolgt eine Zerstäubung und intensive Vermischung mit dem Brennstoff, der sich zeitweilig in der Axialbohrung 4 6 befunden hat. Das Brennstoff-Luft-Gemisch wird anschließend durch die Sprühöffnungen 26 in die Brennkammer 72 des Zylinders 12 abgegeben und dort durch die komprimierte und erhitzte Luft gezündet.

Da bei dieser Ausführungsform der Brennstoff durch die komprimierte und erhitzte Luft in der Vormischkammer 3 2 innerhalb der Brennstoffkammer 90 vorerwärmt werden kann, wird die Verdampfung des Brennstoffs weiter gefördert.

Claims

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1.) Brennstoff-Einspritzdüse zur Abgabe von mit Luft vorvermischtem Brennstoff in die Brennkammer des ZyIinders einer Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch einen Düsenkörper (16, 22, 24, 18) mit einer axialen Bohrung (36, 46), die über wenigstens eine Sprühöffnung (26) in die Brennkammer (72) der Maschine mündet, einen in dem Düsenkörper gleitend zwisehen einer ersten und zweiten Position verschiebbaren Kolben (28) , der mit dem Düsenkörper eine erste und zweite Kammer (30, 32) bildet, einen Brennstoffeinlaß (74) und einen Lufteinlaß (76), welcher Brennstoffeinlaß (74) in die zweite Kammer (32) mündet, wenn sich der Kolben

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(28) in der ersten Position befindet, und geschlossen ist, wenn der Kolben in der zweiten Position steht, und welcher Lufteinlaß in die erste Kammer (30) mündet, wenn der Kolben in_der zweiten Position steht, und geschlossen ist, wenn der Kolben sich in der ersten Position befindet, ein Ventilglied (56, 58) in Verbindung mit dem Kolben (28) innerhalb der axialen Bohrung (36, 46) des Düsenkörpers, welches Ventilglied zusammen mit dem Kolben zwischen einer ersten und zweiten Position zur öffnung und Schließung der Sprühöffnungen (26) beweglich ist und eine Verbindung zwischen der zweiten Kammer (32) und dem weiteren Verlauf der axialen Bohrung in Richtung der Sprühöffnungen (26) blockiert, wenn sich das Ventilglied zwischen der ersten ■. und einer dritten Position befindet, die zwischen der er- ^ten^u-nd-.-zweiten Position liegt, und welches Ventilglied diese ;Vertrindung herstellt, wenn es sich zwischen der zweiten und dritten Position befindet, Leitungen (80, 84) zur Verbindung des Lufteinlasses (76) mit der Brennkammer (72), und JBohrungen (86) in dem Kolben (28), die einen Luftstrom aus ä.er_ersten Kammer (30) in die zweiten Kammer (32) ermöglichen ,_in Gegenrichtung jedoch blockieren.

2. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch

-gekennzeichnet , daß die Axialbohrung (46) einen" ersten Abschnitt (50) kleineren Durchmessers und einen zweiten Abschnitt (52) größeren Durchmessers umfaßt, daß das Ventilglied eine Ventilnadel (56) ist und einen zylindrischen Kopf (58) mit einer konischen Spitze zur öffnung und Schließung der Sprühöffnungen (26) umfaßt, und daß der zylindrische Kopf (58) eng in den ersten Abschnitt (50) der Axialbohrung (46) eingepaßt ist.

3..■ Einspritzdüse nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein Rückschlagventil (84) in der Leitung (80) zwischen der Brennkammer (72) und dem

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Lufteinlaß (76) zur Blockierung eines Rückstroms in Richtung der Brennkammer.

4. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

gekennzeichnet durch eine Feder (40) zur Vorspannung des Kolbens (28) in die erste Position.

5. Einspritzdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Kolben (28) zusammen mit einem Schaft (34) ausgebildet ist, der sich verschiebbar innerhalb eines Düsenkörpers (16) befindet und aus dessen Ende austritt, daß der Schaft (34) einen Flansch (38) an seinem äußeren Ende aufweist, und daß die Feder zwischen dem Flansch (38) und einem Ende des Düsenkörpers (1.6) liegt.

6. Einspritzdüse nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Betätigungsmechanismus (14), der auf den Flansch (38) zur Verschiebung des Kolbens aus der ersten in die zweite Position entgegen der Kraft der Feder (40) einwirkt.

7. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Düsenkörper (16, 22, 24) eine Brennstoffkammer (90) ausgebildet ist, die die Luft- und Brennstoffkammer (30, 32) auf dem Umfang umgibt, mit dem Brennstoffeinlaß (74) verbunden ist und über einen Kanal (92, 94) mit der Axialbohrung (46) im Bereich des Ventilnadelkopfs (58) in Verbindung steht.