DE3307666A1 - Einrichtung zum einspritzen von kraftstoff in brennraeume, insbesondere in brennkammern von dieselmotoren - Google Patents

Description

• Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in
• Brennräume, insbesondere in Brennkammern von Dleselmotoren Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Einrichtungen dieser Gattung stellen Weiterbildungen jener bekannten Einrichtungen dar, bei welchen Glühkerzen oder -stifte als Starthilfe in den Brennraum der Maschine eingebaut sind. Diese Teile schaffen im Bereich ihrer Spitze günstige Bedingungen für Erwärmung, Verdampfung und Zündung einer Teilmenge des Kraftstoffs, die dann den gesamten Kraftstoffstrahl zündet. Die Glühkerzen und -stifte sind jedoch besondere Teile, deren Einbau in Brennräume einen Eingriff in die empfindlichen Strömungsverhältnisse bedeutet. Der durch die Energieknappheit verstärkte Trend zu Alternativ-Kraftstoffen, wie Alkohole und Pflanzenöle, bringt weitere Erschwernisse bezüglich der Gemischbildung und Zündung bei der Kraftstoffeinspritzung mit sich.
• Ferner ist eine Einrichtung hekannt CDE-OS 27 15 943), bei welcher der Einspritzdüse eine Mischkammer mit einem Zündorgan nachgeschaltet ist, in welcher die Verbrennung eingeleitet wird und deren Kammerwände beheizt sind. Die Mischkammer ist in einer in die Brennraumwand eingeschraubten Buchse gebildet, welche auch die Einspritzdüse trägt. Diese Einrichtung ist verhältnismäßig aufwendig und muß in vielerlei Hinsicht sorgfältig auf den verwendeten Kraftstoff und die jeweiligen Motorverhältnisse abgestimmt werden.
• Die Einrichtungen nach der Gattung des Hauptanspruchs haben demgegenüber den Vorteil, daß sie nur geringe Abwandlungen am Gehäuse einer gebräuchlichen Einspritzdüse erfordern und verhältnismäßig leicht an unterschiedliche Motorbedingungen und Kraftstoffe anpaßbar sind. Der Glühkörper kann an der Einspritzdüse befestigt oder mit dieser zu einer Baueinheit vereinigt sein. Der Glühkörper kann ferner auch zwischen der Einspritzdüse und einer Schulter in der die Einspritzdüse aufnehmenden Zylinderkopfbohrung festgespannt oder unmittelbar am Zylinderkopf befestigt sein. Es wurde bereits vorgeschlagen, den von heizbaren Wänden umgebenen Kanal des Glühkörpers so zu gestalten, daß der aus der Einspritzdüse austretende Kraftstoffstrahl darin keine Umlenkung oder zusätzliche Verformung erfährt und den Glühkörper beim Einspritzvorgang unberührt passiert. Ein solcher Glühkörper ist eine Zündhilfe, welche die Zündfreudigkeit des eingespritzten Kraftstoffs dadurch erhöht, daß die in seinem Kanal zu Beginn der Einspritzung befindliche Luft heier ist als die im Brennraum. Während der Einspritzung wird durch Injektorwirkung weitere Luft aus dem Brennraum in den Kanal des Glühkörpers angesaugt und dabei erhitzt. Durch das Verwirbeln der erhitzten Luft mit dem Kraftstoffstrahl wird der Zündvorgang gefördert. Dies ist besonlders für jene Betriebsbereiche des Motors wichtig, in denen niedere Einspritzdrücke zu schlechter Zerstäubung führen (Start, Hochlauf, niedere Drehzahlen). In der Randzone der Kraftstoffstrahlen jedoch ist in jedem Fall eine für die Zündung erforderliche zerstäubte Kraftstoffmenge vorzufinden. Die Rußbildung beim Start und Hochlauf wird durch die Funktion des Glühkörpers jedoch nicht gemindert.
• Die erfindungsgemäße Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß in allen Bereichen des Betriebskennfeldes der Brennkraftmaschine die Strahlaufbereitung nicht nur in der Randzone, sondern in bedeutenden Teilen des gesamten Kraftstoffstrahls durch Aufprall und Verdampfung verbessert wird.
• Dadurch kann die Rußbildung selbst in den ungünstigten Betriebsbereichen, wie Start und Hochlauf, wesentlich verringert werden. Gleichzeitg fördert der C-lühkörper die Zündung des Kraftstoffs unter ungünstigen Betriebsbedingungen.
• Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Anordnung möglich.
• Mit den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 5 läßt sich die Kraftstoffaufbereitung in weiten Grenzen verbessern und an den jeweiligen Anwendungsfall anpassen. Eine Ausbildung nach Anspruch 5 macht sich den sogenannten Coanda-Effekt zunutze, welcher den Kraftstoffstrahl zum Endbereich des sich erweiternden Innenwandabschnitts des Glühkörpers hin auslenkt.
• In einer erfindungsgemäßen Einrichtung können sowohl Zapfendüsen, Lochdüsen und Düsen mit nach außen öffnender Ventilnadel verwendet werden.
• Eine besonders intensive Verwirbelung des Kraftstoffstrahls und weitgehende Verdampfung läßt sich gemäß Anspruch 6 dadurch erzielen, daß die Einspritzdüse mit Drall erzeugenden Spritzlöchern versehen ist.
• Der Glühkörper kann gemäß Anspruch 7 vorteilhaft aus Keramik bestehen und die Heizelemente können zweckmäßig in Form von Dickschicht-Leiterbahnen auf die innere oder äußere Mantelfläche des Glühkörpers aufgebracht sein. Diese Leiterbahnen können bei gesteuertem Stromdurchgang kontrolliert zum Glühen gebracht werden. Außerdem können mehrere Heizkreise auf den Keramikkörper aufgebracht werden. Es ist dadurch möglich, einzelne Bereiche des Glühkörpers unabhängig von anderen Bereichen aufzuheizen und somit gezielt verschiedene Glühzustände hervorzurufen, um die Strahl-und Zündqualität an die Erfordernisse eines optimalen Betriebs im jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine anzupassen.
• Besonders vorteilhaft ist es, wenn das bzw. die Heizelemente auf den sich erweiternden Innenwandabschnitt des Glühkörpers aufgebracht ist bzw. sind.
• Die Merkmale der Ansprüche 9 bis 11 ergeben eine fertigungsgerechte Ausführung der Einrichtung.
• eichnung Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 einen vergrößerten Teilschnitt durch das erste Ausführungsbeispiel, die Figuren 2 und 3 in schematischer Darstellung je einen Teilschnitt durch das zweite und dritte Ausführungsbeispiel und Figur 4 einen Querschnitt durch eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach Figur 2.
• Beschreibung der Ausführungsbeispiele Die Einrichtung nach Figur 1 hat eine Einspritzdüse mit einem Düsenkörper 10, in welchem eine gegen die Strömung des Kraftstoffs öffnende Ventilnadel 12 verschiebbar gelagert ist. Diese arbeitet mit einem Ventilsitz 14 zusammen, an welchem sich eine zylindrische Spritzöffnung 16 anschließt, in die ein an der Ventilnadel 12 angeformter Drosselzapfen 18 eintaucht. An diesen schließt ein Spritzformungszapfen 20 an, durch welchen - wie dargestellt - der ausgespritzte Kraftstoff die Form eines Hohlkegels 22 mit dem Kegelwinkel a erhält. Der Düsenkörper 10 ist durch eine Überwurfmutter 24 an einem nicht dargestellten Düsenhalter befestigt und die aus diesen Teilen gebildete Baueinheit ist in ein ebenfalls nicht gezeichnetes Motorgehäuse eingeschraubt.
• Stromab der Einspritzdüse ist ein keramischer Glühkörper 30 angeordnet, welcher in seinem Inneren einen Kanal 32 bildet, durch welchen der aus der Spritzöffnung 16 austretende Kraftstoff hindurch in den Brennraum gelangt. Der Glühkörper 30 übergreift ein Stück weit einen im Durchmesser abgesetzten Teil 34 des Düsenkörpers 10 und wird von der Überwurfmutter 24 unter Zwischenlage von nachstehend noch beschrie benen Teilen gegen eine Schulter 36 des Düsenkörpers 10 gedrückt. Stromab des abgesetzten Teils 34 des Düsenkörpers 10 ist im Glühkörper 30 ein erster zylindrischer Abschnitt 38 und daran anschließend ein konisch sich erweiternder Abschnitt 40 des Kanals 32 gebildet.
• Der Abschnitt 40 des Kanals 32 ist an seiner Innenwand mit einer Heizwendel 42 versehen, welche durch eine aufgedruckte bzw. aufgedampfte Metallschicht gebildet ist.
• Die als gestreckte Schicht streifen 44, 46 ausgebildeten Enden der Heizwendel 42 sind an diametral gegenüberliegenden Mantellinien der zylindrischen Innenwand des Glühkörpers 30 nach oben bis zu dessen Stirnfläche 48 geführt. Auf der Stirnfläche 48 sind zwei ringsektorförmige metallische Kontaktschichten 50, 52 auf den Glühkörper 30 aufgebracht, von denen jede mit einem Ende 44 bzw. 46 der Heizwendel 42 verbunden ist. Zwischen den einander zugekehrten Rändern der Kontaktschichten 50, 52 ist der Glühkörper 30 mit zwei Erhöhungen 54 versehen, die sich diametral gegenüber liegen.
• Auf den Kontaktschichten 50, 52 des Glühkörpers 30 liegen ebenfalls ringsektorförmige Kontaktbleche 56, 58 auf, die auf der einen Seite einer ringförmigen Isolierplatte 60 befestigt sind. Diese hat zwei metallische Buchsen 62 und 64, welche mit den Kontaktblechen 56, 58 und mit isoliert durch den Düsenkörper 10 hindurchgeführten Anschlußleitern 66, 68 verbunden sind. Zwischen der Isolierplatte 60 und der Schulter 36 des Düsenkörpers 10 ist eine Tellerfeder 70 vorgesehen, welche die von der Überwurfmutter 24 auf den Glühkörper 30 ausgeübte Spannkraft auf einen rfrert begrenzt, der einen Bruch des keramischen Glühkörpers 30 ausschließt. Gleichzeitig ist für eine sichere Kontaktgabe und einen einwandreien Stromübergang zu der Heizwendel 32 gesorgt.
• Der sich kegelig erweiternde Abschnitt 40 des Kanals 32 hat einen Kegelwinkel b der etwas kleiner als der Kegelwinkel a des Kraftstoffstrahls 22 ist. Der Abschnitt 40 ist in Achsrichtung gesehen so gegenüber dem brennraumseitigen Stirnende des Düsenkörpers 10 angeordnet, daß der Kraftstoff strahl 22 in allen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine auf die beheizte Wand des Abschnitts 40 auftrifft und dort stark verwirbelt und weitgehend verdampft wird. Bei diesem Vogang gelangt auch Verbrennungsluft in den verdampfenden Kraftstoffstrahl, wie in Figur 1 durch die nicht näher bezeichneten Pfeile angedeutet ist. Aus dem Glühkörper 30 tritt ein stark aufgeheiztes und fast in allen Bereichen verdampftes Kraftstoff-Luftgemisch aus, welches sich im Brennraum rasch und vollständig entzündet.
• Durch entsprechende Abstimmung der Kegelwinkel a des Kraftstoffstrahls 22 mit der Gestaltung und Bemessung des Glühkörpers 30, sowie gegebenenfalls der Stärke und der räumlichen Aufteilung der Beheizung des Glühkörpers 30 kann die Kraftstoffaufbereitung dem jeweiligen Anwendungsfall bestmöglich angepaßt werden.
• Beim schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel nach Figur 2 ist als Einspritzdüse eine sogenannte Lochdüse verwendet, bei welcher eine nach innen öffnende Ventilnadel 72 den Kraftstoff in ein Sackloch 74 treten läßt, von wo dieser über einzelne Spritzöffnungen 76 in Form von einzelnen Kraftstoffstrahlen 78 in einen kegelig sich erweiternden Kanalabschnitt 80 eines keramischen Glühkörpers 82 gelangt und dort auf die beheizte Kanalwand auftrifft. Der Spritzwinkel c der einzelnen Kraftstoffstrahlen 78 ist größer als der halbe Kegelwinkel b des Kanalabschnittes 80, so daß sich ähnliche Verhältnisse wie beim Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ergeben.
• Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 3 ist die Anordnung so getroffen, daß der Kegelwinkel b des kegeligen Kanalabschnittes 80 größer als das doppelte des Spritzwinkels c der einzelnen Kraftstoffstrahlen 78 ist. Ferner ist der Kanalabschnitt 80 so gegenüber der Austrittsebene der Spritzöffnungen 76 axial versetzt, daß die Kraftstoffstrahlen 78 auf den Anfangsbereich 84 der beheizten Wand des Kanalabschnittes 80 auftreffen. Dort werden sie infolge des Coanda-Effektes nach außen umgelenkt und etwa parallel zur Wand des Kanalabschnittes 80 ausgerichtet.
• Bei dem abgewandelten Ausführungsbeispiel nach Figur 4 münden die Spritzöffnungen 76 tangential aus einen zentralen Sackloch 86 aus, so daß die einzelnen Kraftstoffstrahlen 78 einen Drall erhalten und sich dadurch auf der glühenden Fläche des Glühkörpers so verteilen, daß ein größerer Kraftstoffanteil verdampft und mit Luft intensiv vermischt wird.
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Claims (11)

1. Ansprüche Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in Brennräume, insbesondere in Brennkammern von Dieselmotoren, mit einer Einspritzdüse und einem nachgeschalteten Glühkörper, der an der brennraumseitigen Stirnseite der Einspritzdüse angeordnet ist und einen von heizbaren Wänden umgebenen Kanal zum Hindurchtreten und teilveisen Verdampfen des Kraftstoffstrahles hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Form und die Lage der den Kanal (40, 80) umgebenden Innenwand des Glühkörpers (30, 82) gegenüber der Düsenachse und die den Kegelwinkel (a) bzw. Spritzwinkel (c) des aus der Einspritzdüse austretenden Kraftstoffstrahls (22, 78) bestimmenden Parameter so aufeinander abgestimmt sind, daß mindestens in einem Teilbereich des Betriebskennfeldes wenigstens ein Teil des Kraftstoffstrahls (22, 78) auf die Innenwand des Glühkörpers (30, 82) auftrifft und verdampft.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Glühkörper (30, 82) mindestens an seinem brennraumseitigen Endabschnitt einen sich kegelig erweiternden Kanalabschnitt (40, 80) hat, und daß die die Geometrie des aus der Einspritzdüse austretenden Kraftstoffstrahls (22, 78) bestimmenden Parameter so gewählt sind, daß mindestens in einem Teilbereich des Betriebskennfeldes wenigstens ein Teil des Kraftstoffstrahles (22, 78) auf die Wand des sich erweiternden Kanalabschnittes (O, 80) auftrifft.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, deren Einspritzdüse eine Ventilnadel mit einem durch die Spritzöfffnung hindurchragenden Spritzformungszapfen hat, durch welchen der ausgespritzte Kraftstoffstrahl die Form eines Hohkegels erhält, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelwinkel (b) des sich erweiternden Kanalabschnittes (40) des Glühkörpers (30) ist.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 2, mit einer Einspritzdüse, die mindestens eine Spritzöffnung hat, welche einen Winkel zur Düsenachse einschließt, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (c) der Spritzöffnung (76) zur Düsenachse größer als der halbe Kegelwinkel (b) des sich erweiternden Kanalabschnittes (80) des Glühkörpers (82) ist.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 2, mit einer Einspritzdüse, die mindestens eine Spritzöffnung hat, welche einen Winkel zur Düsenachse einschließt, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (c) der Spritzöffnung (76) zur Düsenachse geringfügig kleiner als der halbe Kegelwinkel (b) des sich erweiternden Kanalabschnittes (80) ist, und daß dieser Kanal (80) in Achsrichtung so gegenüber der Spritzöffnung (76) versetzt ist, daß mindestens in einem Teilbereich des Betriebskennfeldes der Kraftstoffstrahl tangierend auf den Anfangsbereich (84) des sich erweiterenden Kanalabschnittes (80) auftrifft.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse mit drallerzeugend angeordneten Spritzlöchern (76, Fig. 4) versehen ist.
7. 7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Glühkörper (30, 82) aus Keramik besteht und mindestens ein durch einen auf die keramische Oberfläche aufgebrachten metallischen Schichtbelag gebildetes Heizelement (42) trägt.
8. 8. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (42) auf der Wand des sich erweiternden Kanalabschnittes (40, 80) des Glühkörpers (30, 82) aufgebracht ist.
9. 9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden des das Heizelement (42) bildenden metallischen Schichtbelags auf die dem Düsenkörper (30) zugekehrte Stirnfläche (48) des Glühkörpers (30) hochgezogen sind, und daß der Glühkörper (30) unter Zwischenlage von Kontaktblechen bzw. -schichten (56, 58), einer Isolierplatte (60) und vorzugsweise einer Tellerfeder (70) am Düsenkörper (10) festgespannt ist.
10. 10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktbleche bzw. -schichten (56, 58) an der Isolierplatte (60) befestigt und mit Anschlußdrähten (66, 68) verbunden sind, welche durch die Isolierplatte (60) und durch den Düsenkörper (10) nach außen hindurchgeführt bzw. an den Düsenkörper (10) angeschlossen sind.
11. 11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierplatte (60) zwei kreisringsektorförmige Isolierbleche bzw. -schichten (56, 58) trägt und der Glühkörper (30) auf seiner Stirnseite mit zwei sich diametral gegenüberliegenden Erhöhungen (54) versehen ist, deren Höhe etwa der Dicke der Isolierbleche bzw. -schichten (56, 58) beträgt.