-
Einspritzdüse für Dieselmotoren
-
Die Erfindung betrifft eine Einspritzdüse für insbesondere Dieselmotoren
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
-
Bekannte Einspritzdüsen von Dieselmotoren weisen in ihrem Körper einen
Kegelsitz auf, in welchen eine Nadel mit kugelförmigem Ende durch eine Feder angedrückt
wird. Im Unterteil des Düsenkörpers sind die Spritzöffnungen ausgebildet. Der Nadelnennhub,
der den maximalen Durchflußquerschnitt bestimmt, ist durch Auflage der abgesetzten
Oberstirnfläche der Nadel auf den Anschlag der Brennstoffdüse gegeben. Der Durchflußquerschnitt
ändert sich im Verlauf der Nadelöffnung
und -schließung von Null
bis zum Nennwert. Der Durchflußquerschnitt der Spritzöffnung ist konstant. Die Querschnittscharakteristik
dieser Düse im Sitzbereich und an den Spritzöffnungen bei Nadelnennhub sowie die
Geschwindigkeiten des Brennstoffs in den einzelnen typischen Querschnitten bei einem
Druckgefälle von 100 MPa ist in Fig. 1 dargestellt.
-
Aus der Querschnittscharakteristik, die die Größe der einzelnen geometrischen
Durchflußquerschnitte bestimmt, ist die schroffe Querschnittsänderung am Sitzeintritt,
der minimale Durchflußquerschnitt des Sitzes, die folgende Vergrößerung auf den
Kanalquerschnitt unterhalb des Sitzes und weitere schroffe Querschnittsänderungen
im Einströmbereich der Spritzöffnungen erkennbar. Diese Querschnittsänderungen rufen
schroffe Änderungen der Brennstoffgeschwindigkeitenin der Düse hervor, die eine
Ursache für die großen ungünstigen örtlichen Druckverluste bilden. Es wurde festgestellt,
daß die größten Verluste in der Querschnittsaufweitung unterhalb des Sitzes und
in der schroffen Querschnittsverringerung am Eintritt in die Spritzöffnungen entstehen.
Die Summe der einzelnen örtlichen Verluste bestimmt den gesamten Druckverlust der
Düse, der durch den Düsenausflußkoeffizienten /ut ausgedrückt wird, welcher aus
dem experimentell bestimmten Durchflußquerschnitt der Einspritzdüse /Uf mittels
des geometrischen Querschnitts der Spritzöffnungen f0 nach der folgenden Beziehung
bestimmt wird: /Ut = /Uf Weiter gilt eine Beziehung, mit deren Hilfe der gesamte
Düsendruckverlust pz bei dem gegebenen Druckgefälle Ap
auf der Düse
für einen bestimmten Wert des Düsenausflußkoeffizienten /ut ermittelbar ist: pz
= /1 - /u2t/- z p Für die Einspritzdüsen mit den Werten des Ausflußkoeffizienten
/ut = 0,6 bis 0,7 beträgt der gesamte Düsendruckverlust p = 64 bis 51 MPa bei einem
Druckgefälle der Düse von dp = 100 MPa.
-
Nach dieser Analyse ergeben sich bei den bekannten Düsen mit scharfen
Änderungen der Durchflußquerschnitte im Bereich des Sitzes und der Spritzöffnungen
beträchtliche Druckverluste, die ca. 50 % des gesamten Druckgefälles der Düse erreichen,
das durch die Einspritzpumpe erzeugt wird. Das bedeutet, daß ungefähr eine Hälfte
des Druckgefälles, das in der Düse zur Verfügung steht, vernichtet und nur eine
Hälfte in die Ausflußgeschwindigkeit des Brennstoffs aus den Ausspritzöffnungen
umgewandelt wird, die die Flugweite, den Zerstäubungswinkel der Brennstoffstrahlen
und die Zerstäubungsfeinheit der Brennstofftropfen im Verbrennungsraum bestimmt.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, die inneren Druckverluste einer Einspritzdüse
zu verringern.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der maximale
geometrische Düsendurchflußquerschnitt F max zwischen dem minimalen geometrischen
Querschnitt Es min des Sitzes und dem Eintritt in die Spritzöffnungen bei Nennhub
der Nadel dem 0,8 bis 1,2fachen des minimalen geometrischen Querschnitts Bs min
des Sitzes gleich ist.
-
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Einspritzdüse liegt in ihrer ausgeglichenen
Querschnittscharakteristik mit der allmählichen Verringerung des Durchflußquerschnitts
in Richtung zu den Spritzöffnungen. Damit werden schroffe Geschwindigkeitsänderungen
des Brennstoffstroms vermieden, die örtlichen Druckverluste verkleinert und der
Wert des Düsenausflußkoeffizienten pt steigt. Die Verringerung der örtlichen Druckverluste
beeinflußt die Verkürzung der Brennstoffeinspritzlänge günstig. Die erfindungsgemäße
Düse sichert einen kürzeren und intensiveren Verlauf der Brennstoffeinspritzung
und eine bessere Brennstoffzerstäubung im Verbrennungsraum bei einem niederen Pegel
von den maximalen Einspritzdrücken.
-
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Mehrloch-Einspritzdüse
wird anhand der Zeichnung ausführlicher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 einen Teilschnitt
einer bekannten Düse mit einem Diagramm der Größe der Durchflußquerschnitte und
des Verlaufs der Geschwindigkeiten des strömenden Brennstoffs; Fig. 2 einen Teilschnitt
durch eine erfindungsgemäße Düse mit dem kegelförmigen Nadelabschluß und mit einem
Diagramm der Querschnitte und Geschwindigkeiten; Fig. 3 eine alternative Düsenausfuhrung
mit einem walzenförmigen Abschluß und mit dem entsprechenden Diagramm der Querschnitte
und Geschwindigkeiten;
Fig. 4 eine Düsenausführung mit einem konischen
walzenförmigen Abschluß, dessen Querschnitt sich zum Nadelende leicht kegelförmig
erweitert, und mit dem Diagramm der Querschnitte und Geschwindigkeiten.
-
In dem Düsenkörper 1 der bekannten Mehrloch-Einspritzdüse gemäß Fig.
1 ist eine Nadel 2 gleitend gelagert, die mit ihrem Kegelende 3 in einem Kegelsitz
4 im Düsenkörper 1 aufsitzt.
-
Oberhalb des Kegelsitzes 4 ist im Düsenkörper 1 eine Kammer 5 und
unterhalb des Kegelsitzes 4 ein senkrechter zylindrischer Kanal 6 ausgebildet, von
dem die Spritzöffnungen ausgehen. In geschlossener Position ist die Nadel 2 mit
ihrem Kegelende 3 durch die oberhalb der Nadel 2 angeordnete Druckfeder in den Kegelsitz
4 gepreßt. Im Verlauf einer Einspritzung wird durch den Brennstoffdruck aus der
Einspritzpumpe die Nadel 2 angehoben und der Brennstoff strömt durch den Kegelsitz
4 in den Kanal 6 und durch die Spritzöffnungen 7 in den Verbrennungsraum im Zylinder.
Die Querschnittscharakteristik dieser Düse ergibt sich aus dem Diagramm der Durchflußquerschnitte
in der Düse und der entsprechenden Brennstoffgeschwindigkeiten gemäß der rechten
Hälfte in Fig. 1. Aus dem Diagramm sind die schroffen Querschnitts-und Geschwindigkeitsänderungen
unter dem Sitz ersichtlich, die den Düsendruckverlust hervorrufen.
-
Bei der erfindungsgemäßen Mehrloch-Einspritzdüse nach Fig. 2 sitzt
im durchgehenden Kegelsitz 4 des Düsenkörpers 1 die Nadel 2 mit einem Kegelende
3 auf, das in einen stumpferen Kegel 8 übergeht. Wenn der maximale geometrische
Durchflußquerschnitt Fmax dem 0,8 bis 1,2fachen des minimalen geometrischen Sitzquerschnitts
F5 min beim Nennhub der Nadel 2 entspricht und der maximale Querschnitt Fmax das
1 bis
1,8fache des geometrischen Querschnitts F0 aller Ausspritzöffnungen
7 beträgt, dann zeigt die Querschnittscharakteristik dieser Düse im Diagramm nach
Fig. 2, daß kleinere Änderungen der Durchflußquerschnitte und -geschwindigkeiten
und damit auch geringere Druckverluste in der Düse auftreten.
-
Bei der erfindungsgemäßen Ausführung nach Fig. 3 geht das Kegelende
3 der Nadel 2 in einen Zylinderansatz 9 über. Solange der Verhältniswert des maximalen
Querschnitts Fmax' des minimalen Querschnitts F5 min des Kegelsitzes 4 und des Querschnitts
Fo aller Spritzöffnungen 7 wie bei der Düse nach Fig. 2 eingehalten wird, ergeben
sich aus der Querschnittscharakteristik dieser Düse gemäß dem Diagramm ebenfalls
kleinere Änderungen der Durchflußquerschnitte und -geschwindigkeiten sowie geringere
Druckverluste in der Düse.
-
Bei der alternativen Einspritzdüse nach Fig. 4 geht das Kegelende
3 der Nadel 2 in eine leicht kegelförmige Walze 10 über, die sich zum Ende der Nadel
2 erweitert. Wenn bei dieser Düse die Verhältniswerte des maximalen Düsenquerschnitts
Fmax des minimalen Querschnitts F5 min des Kegelsitzes 4 und des Querschnitts Fo
aller Spritzöffnungen 7 wie bei den vorhergehenden Düsen nach Fig. 2 und 3 eingehalten
werden, dann ergibt die Querschnittscharakteristik dieser Düse gemäß dem Diagramm
noch kleinere Änderungen der Durchflußquerschnitte und -geschwindigkeiten und daher
auch kleinere Druckverluste in der Düse.
-
Das Ende der Nadel 2 ist bei den beiden Ausführungen nach Fig.2 und
3 so ausgeführt, daß die Nadelunterkante 11 beim Nadelnennhub unter die Eintrittsquerschnitte
der Ausspritz öffnungen 7 reicht.
-
Bei der Ausführung nach Fig. 2 hat der durchgehende Kegelsitz 4 eine
Höhe, die etwa der Gesamthöhe der beiden Kegel 3 der Nadel 2 entspricht. Da die
Innenflächen des Kegelsitzes 4 keine Absätze aufweisen, ergibt sich im Bereich des
unteren stumpferen Kegels 8 eine Erweiterung des zwischen Kegel 8 und Wand des Sitzes
4 gebildeten Ringkanals.
-
Die Neigung des oberen Kegels 3 entspricht in etwa der Neigung des
Kegelsitzes 4. Am Nadelende können auch mehrere Kegelabschnitte mit nach unten hin
zunehmendem Kegelwinkel sowie auch eine ballige Spitze vorgesehen sein.
-
Bei den Ausführungen nach Fig. 3, 4 sind die etwa gleichen Höhen der
Kegelabschnitte 3 der Nadel 2 und der Kegelsitze 4 kleiner als bei der Düse nach
Fig. 2.Der zylindrische Kanal 6 im Düsenkörper 1 ist entsprechend dem zylindrischen
(Fig. 3) bzw. kegelförmigen (Fig. 4) Ansatz 9 bzw. 10 erweitert und bildet mit diesem
einen Ringkanal, dessen Durchflußquerschnitt bei Fig. 3 etwa konstant ist und gemäß
Fig. 4 zu den Spritzöffnungen 7 kleiner wird.