DE3234829C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritz­ vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei Dieselmotoren wird der Kraftstoff unter hohem Druck in den Brennraum eingespritzt, in welchem sich die zuvor verdichtete und dadurch hocherhitzte Luftladung befindet. Zur guten Vermischung des Kraftstoffes mit der Luft erfolgt die Einspritzung durch Ein- oder Mehr­ lochdüsen. Die Gemischbildung kann durch zusätzliche Luftbewegung unterstützt werden, die durch besondere Formgebung des Brennraumes erzielt wird. Dabei hat sich gezeigt, daß am Impuls- und Stoffaustausch zwischen Luft und Kraftstoff hauptsächlich die Strahlspitze des Kraftstoffstrahles beteiligt ist. Dies hat zur Folge, daß die Durchmischung nicht durch einfache Steigerung des Einspritzdruckes verbessert werden kann. Versuche haben ergeben, daß eine Erhöhung des Einspritzdruckes sogar zu einer Verminderung der Strahlspitzengeschwin­ digkeit führen kann.

Bei den bekannten, üblicherweise verwendeten Einspritz­ einrichtungen für direkteinspritzende Dieselmotoren erfolgt durch plötzliches Einspritzen des Brennstoff­ strahles in die im Brennraum befindliche hocherhitzte und unter Druck stehende Luft z. T. ein schlagartiges Abbrennen mit der Folge eines steilen Druckanstiegs mit hohem Spitzendruck und hoher NO _x -Emission. Nachteilig ist ferner, daß die Einspritzbohrung sich direkt im Brennraum befindet und daß sich infolge der unvoll­ ständigen Verbrennung Ablagerungen am Spritzloch ab­ setzen.

Ferner tritt beim Schließen der Düsennadel häufig Nach­ tropfen auf, d. h. es bleiben unverbrannte Kraftstoff­ tropfen in dem Sackloch und der Einspritzbohrung. Dies führt zu einer unvollständigen Verbrennung und einer verstärkten Ablagerung an der Einspritzbohrung.

Bei einer weiteren, gemäß den Fig. 1 und 2 der FR-PS 5 10 028 bekannten, dem Oberbegriff zugrunde­ liegenden Kraftstoffeinspritzvorrichtung ist unmittel­ bar hinter dem zum Zweck einer Vergrößerung der Strahl­ oberfläche mit einem Spritzrillen aufweisenden Einsatz versehenen Spritzloch koaxial zu diesem ein Vorraum und ein von diesem abgehender Mischkanal angeordnet. Ge­ gebenenfalls können auch mehrere solcher Vorräume mit ihren davon abgehenden Mischkanälen koaxial zu- und hintereinander angeordnet sein, wobei sich in Spritz­ richtung gesehen die Vorräume und Mischkanäle stufen­ weise vergrößern und letztere außerdem in Spritzrich­ tung erweitern. Ferner sind der bzw. die einzelnen Vor­ räume über jeweils eine seitlich einmündende Luftkanal­ verbindung an den Brennraum angeschlossen und so ausge­ bildet, daß der oder die Vorräume und ihre Mischkanäle - zusammen mit dem Spritzloch im übrigen in der Wand des Zylinderbodens ausgebildet - unmittelbar eine Brennkammer bilden, in der der Kraftstoffstrahl mit der zutretenden Luft vermischt wird und sich auch ent­ zündet.

Nachteilig ist bei dieser Wandanordnung der bauliche Aufwand und die Verwendbarkeit nur eines in einer Richtung spritzenden Spritzlochs.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit vorteilhafter Vermischung des Kraftstoffstrahls mit aus dem Brennraum zugeführter Luft gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1 die Anordnung von Vorraum, Mischkanal und Luftkanalverbindung baulich einfacher zu gestalten so­ wie die Ausbildung von mehreren, in verschiedene Richtungen spritzenden Spritzlöchern zu ermöglichen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Patent­ anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Nach der Erfindung wird der Mischkanal in baulich einfacher Weise von einem Misch­ düsenvorsatz begrenzt, der am vorderen Ende des Düsen­ körpers befestigt ist. Damit ist es möglich, unter Beibehaltung einer Brennraumform zu erreichen, daß z. B. bei gewählter direkter Einspritzung, bei der es üblich ist, den Brennraum hauptsächlich im Kolbenboden unterzu­ bringen, der ein­ gespritzte Kraftstoff mit großem Impuls tief in den Brennraum eindringt, wobei gleichzeitig Luft aus dem Zylinderraum angesaugt wird. Der Einspritzstrahl reißt die Luft bis zum Boden des Brennraums mit, wodurch der aus der Einspritzbohrung austretende Kraftstoffstrahl laufend mit Frischluft angereichert wird und eine gute Durchmischung entsteht. Das Gemisch wird nicht im Mischkanal zur Entzündung gebracht, sondern in dem sich daran anschließenden Brennraum.

Vorteilhaft ist, daß sich dabei im gesamten Kraftstoffstrahl ein Zweiphasengemisch ausbildet. Dadurch wird erreicht, daß nicht nur die Strahlspitze an der Gemischbildung beteiligt ist, sondern im wesentlichen die gesamte Länge des Kraftstoffstrahles. Durch die kontinuierliche Anlagerung von Luft mit kleiner Relativgeschwindigkeit zum Kraftstoffstrahl wird ein zündfähiges Gemisch auf­ bereitet, bei dem ein schlagartiges Abbrennen vermieden wird. Dadurch wird eine kontinuierliche, schnellere und bessere Vermischung erreicht.

Durch die kontinuierliche Gemischaufbereitung während des Einspritzvorganges entstehen sanfte Druckanstiege und niedrige Spitzendrücke. Die NO _x -Bildung wird ver­ mindert, wodurch rückstandsärmere Abgase und geringere Ablagerungen an den Wänden des Brennraumes entstehen. Der Lauf des Dieselmotors wird geräuschärmer. Mit der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzeinrichtung läßt sich somit bei einem Dieselmotor mit direkter Einspritzung die Verbrennung und der Motorlauf ähnlich weich ge­ stalten wie bei einem Dieselmotor mit Vorkammer, ohne jedoch dessen Nachteile, wie z. B. höheren Kraftstoff­ verbrauch, in Kauf nehmen zu müssen.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß während des Einspritzvorganges das Spritzloch durch den Vorraum mit Mischkanal als reinen Mischdüsenvorsatz, d. h. ohne daß hier wie bei der Einspritzvorrichtung nach der FR-PS 5 10 028 in diesem der Kraftstoff bereits gezündet wird, von dem Brennraum abgeschirmt ist. Dies hat zur Folge, daß die Einspritzbohrung für die Dauer des Einspritzvorganges von der Saugluft umströmt wird, so daß ein Verkoken der Strahldüse vermieden wird. Weiterhin wird beim schlagartigen Schließen der Düsennadel durch die noch vorhandene Sogwirkung der Luft erreicht, daß im Sackloch sowie im Spritzloch verbleibende Restkraftstoffe herausgesogen werden und noch während des Verbrennungsvorganges in den Brennraum gelangen.

Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung läßt wegen der Möglichkeit, die Spritzlöcher und Misch­ kanäle in unterschiedliche Richtungen auszurichten, beliebige Spritzrichtungen zu, so daß in Abhängigkeit von der wählbaren Form des Brennraumes die jeweils günstigste Anordnung und Anzahl von Spritzstrahlen erreicht werden kann. So kann auch eine Mehrlochdüse mit verschieden gerichteten Spritzlöchern verwendet werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeich­ nungen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Einspritz­ vorrichtung mit einem einzigen Spritzloch und

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Einspritz­ vorrichtung mit mehreren Spritzlöchern.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist ein Düsen­ körper 10 vorgesehen, der sich zu seinem vorderen Ende hin verjüngt und an diesem vorderen Ende ein Spritzloch 11 aufweist. In dem Düsenkörper 10 befindet sich die in Längsrichtung verschiebbare Düsennadel 12, deren vordere Spitze 13 im Schließzustand gegen einen Ventil­ sitz 14 am Sackloch 15′ des Kraftstoffkanals 15 drückt und hierdurch das Sackloch 15′ verschließt. Der Kraft­ stoffkanal 15 weist einen rückwärtigen Abschnitt 15′′ auf, der seitlich neben der Bohrung für die Düsennadel 12 verläuft und bei zurückgezogener Düsennadel 12 mit dem Sackloch 15′ in Verbindung steht.

Auf ein Außengewinde des Düsenkörpers 10 ist eine mit Innengewinde versehene Buchse 16 eines Mischdüsen­ vorsatzes 17 aufgeschraubt. Der Mischdüsenvorsatz 17 weist eine Haube 18 auf, die das vordere Ende des Düsenkörpers 10 mit dem Spritzloch 11 abschirmend um­ gibt. In dieser Haube 18 befindet sich ein hohler Vor­ raum 19, dessen Wände sich im Abstand von dem vorderen Teil des Düsenkörpers 10 befinden. Von dem Vorraum 19 führt der Mischkanal 20 in Verlängerung der Längsachse des Spritzloches 11 in den Brennraum 21.

In den Vorraum 19 führen etwa auf gleicher Höhe mit der Mündung des Spritzloches 11 seitliche Luftkanäle 22 hinein, die schlitzförmig ausgebildet sind. Im Anschluß an die Mündungen der Luftkanäle 22 befindet sich am Anfang des Mischkanals 20 dessen größte Verengung, so daß dieser Bereich als Fangdüse 23 für den Gemisch­ strahl ausgebildet ist. Der an die Fangdüse 23 an­ schließende Bereich des Mischkanals 20 ist als Diffusor 24 mit sich stetig erweiterndem Querschnitt aus­ gebildet. Der Diffusor 24 mündet in den Brennraum 21. Die Einlaßöffnungen der Luftkanäle 22 stehen ebenfalls mit dem Brennraum 21 in Verbindung. Die obere Wand des Brennraumes 21 schließt abdichtend mit der Buchse 16 des Mischdüsenvorsatzes 17 ab.

Aus dem Spritzloch 11 tritt der Einspritzstrahl aus. Dabei saugt der Einspritzstrahl aus den Luftkanälen 22 hochverdichtete Luft an. Infolge der Sogwirkung des Einspritzstrahles wird die angesaugte Luft beschleunigt und mit hoher Geschwindigkeit zusammen mit dem Kraft­ stoff durch die Fangdüse 23 und den Diffusor 24 in den Brennraum 21 geleitet.

Bei einem freien Gasanteil von nur 2‰ im Volumen des Kraftstoffes kann die Strömung bereits nicht mehr als Flüssigkeitsströmung mit einer Schallgeschwindig­ keit a < 1000 m/s betrachtet werden, sondern es gelten die Gesetzmäßigkeiten für eine Zweiphasenströmung mit einer Schallgeschwindigkeit a < 1000 m/s. Das Spritzloch 11 kann erforderlichenfalls mit einer Lavalerweiterung 11′ versehen und als Überschalldüse betrieben werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 sind diejenigen Elemente, die die gleiche Funktion haben wie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 mit denselben Bezugs­ zeichen versehen wie in Fig. 1. Die Einspritz­ vorrichtung nach Fig. 2 unterscheidet sich von der­ jenigen der Fig. 1 in erster Linie dadurch, daß an­ stelle eines einzigen Spritzloches 11 mehrere Spritz­ löcher 11 vorgesehen sind und daß der Mischdüsenvorsatz demgemäß auch mehrere gegeneinander abgeschirmte Vor­ räume 19 und davon abgehende Mischkanäle 20 aufweist. Jeder Mischkanal 20 besteht auch hier aus einer Fang­ düse und einem Diffusor. Die einzelnen Spritzlöcher 11 gehen von dem hinter der Spitze der Düsennadel 12 liegenden Sackloch 15′ des Kraftstoffkanals 15 nach unterschiedlichen Richtungen ab. Die Mischkanäle 20 sind jeweils axial zu dem zugehörigen Spritzloch 11 ausgerichtet.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat der Mischdüsenvorsatz 17 die Form einer Kugelkalotte, deren rückwärtige Stirnwand 25 flächig gegen einen Ringkragen 26 des Düsenkörpers 10 gesetzt ist. Der Mischdüsen­ vorsatz 17 ist mit dem Düsenkörper 10 durch Schweißung fest verbunden. Diese Verbindung könnte auch auf andere Weise, z. B. durch Schrauben, erfolgen.

Um eine exakte Ausrichtung des Mischdüsenvorsatzes 17 in bezug auf den z. B. durch Schweißung mit diesem verbundenen Düsenkörper 10 zu erreichen, ist ein Führungselement in Form eines Paßstiftes 27 vorgesehen, das in entsprechende Paßbohrungen in der Stirnwand 25 und dem Ringkragen 26 hineinragt. Hierdurch wird bei der Fertigung und Montage des Mischdüsenvorsatzes 17 erreicht, daß die Achsen der Spritzlöcher 11 und der Mischkanäle 20 exakt miteinander übereinstimmen.

Durch die Luftkanäle 22 hindurch wird von den Kraft­ stoffstrahlen hochverdichtete Luft aus dem Brennraum 21 angesaugt und über die Vorräume 19 den Mischkanälen 20 zugeführt. In den Fangdüsen der Mischkanäle wird die angesaugte Luft von den Kraftstoffstrahlen beschleu­ nigt, um durch die Diffusoren zusammen mit dem Kraft­ stoff wieder in den Brennraum 21 einzutreten.

Claims (3)

1. Kraftstoffeinspritzvorrichtung für eine Diesel- Brennkraftmaschine, insbesondere mit direkter Ein­ spritzung, mit einer über eine Druckleitung an eine Einspritzpumpe angeschlossenen Spritzloch­ verbindung zum Brennraum der Brennkraftmaschine hin sowie mit wenigstens einem der Spritzloch­ verbindung jeweils unter Zwischenschaltung eines Vorraums, der mit einer seitlich einmündenden Luftkanalverbindung zum Brennraum hin versehen ist, axial in Richtung des austretenden Kraft­ stoffs nachgeordneten und vom Einspritzkraftstoff durchströmten Mischkanal, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffeinspritzvorrichtung aus einer Einspritzdüse besteht, welche mit einer entgegen der Kraftstoffströmungsrichtung und gegen eine Rückstellkraft von einem Ventilsitz (14) in einem Düsenkörper (10) abhebenden und hierbei dem Ein­ spritzkraftstoff den Zugang zu einem oder mehre­ ren, unter frei mit Bezug zur Düsenlängsachse wählbaren Winkeln im Düsenkörper angeordneten Spritzlöchern (11) steuernden Düsennadel (12) versehen ist, und daß spritzlochaustrittsseitig am Düsenkörper (10) ein Mischdüsenvorsatz (17) be­ festigt ist, in dem jedem Spritzloch (11) ein zu diesem koaxial angeordneter Mischkanal (20) mit einem separaten, jeweils über einen oder mehrere Luftkanäle (22) mit dem Brennraum (21) in Ver­ bindung stehenden Vorraum (19) zugeordnet ist.

2. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der am Düsenkörper (10) angeschraubte oder angeschweißte Misch­ düsenvorsatz (17) kugelkalottenförmig ausgebildet ist.

3. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Misch­ düsenvorsatz (17) mit Hilfe einer achsparallel zur Düsenlängsachse angeordneten Zentriervorrichtung (Stift 27) in Umfangsrichtung am Düsenkörper (10) festgelegt ist.