DE3614564A1 - Einspritzduese zur kraftstoffeinspritzung in den brennraum einer luftverdichtenden einspritzbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einspritzdüse zur Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum einer luftver­ dichtenden Einspritzbrennkraftmaschine nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1.

Einspritzdüsen dieser Art sind hinreichend bekannt. Als Ventilschließglieder sind entgegen der Kraftstoffströmungs­ richtung öffnende Düsennadeln vorgesehen, deren Nadel­ öffnungshübe durch Anschläge begrenzt sind. Dadurch er­ gibt sich zumindest im oberen Lastbereich bei unter­ schiedlichen Drehzahlen der Brennkraftmaschine ein konstanter Abspritzquerschnitt. Da bei derartigen Ein­ spritzdüsen Leckage nicht zu vermeiden ist, sind auf­ wendige Kraftstoffrückführungen erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorer­ wähnten Nachteile zu beseitigen und eine von ihrem techni­ schen Aufwand her einfache und geringe Bauhöhe aufweisende Einspritzdüse als Einlochdüse zu schaffen, die neben einem variablen, der Drehzahl der Brennkraftmaschine angepaßten Abspritzquerschnitt auch eine annähernd gleichmäßige zer­ stäubungstechnische Qualität ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die im Kennzeichen des An­ spruchs 1 angegebenen Merkmale vorgeschlagen.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ergibt sich eine kostengünstig fertigbare und leckagefrei arbeitende niedrig bauende Einspritzdüse mit sich selbst einstellen­ dem Abspritzquerschnitt. Für diese Einspritzdüse ist als Schließfeder eine herkömmliche Stahlfeder oder ein Fluid verwendet, nämlich eine dilatante Flüssigkeit oder eine nichtdilante Flüssigkeit mit einem bestimmten Gasanteil. Die Membran der Einspritzdüse kann aber selbst als Schließfeder ausgelegt sein.

Die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen dienen der vorteilhaften und förderlichen Weiterbildung der Er­ findung.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele gezeigt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Einspritzdüse mit einer zwischen einer Membran und einem Federkennungskörper einge­ schlossenen dilatanten Flüssigkeit

Fig. 2 die Einspritzdüse zusätzlich mit einer biege­ steifen perforierten Scheibe

Fig. 3 die Einspritzdüse mit verstellbarem Druck in der die Flüssigkeit aufnehmenden Kammer

Fig. 4 die Einspritzdüse mit einer nichtdilatanten Flüssigkeit und einem Gaspolster in der Kammer

Fig. 5 die Einspritzdüse mit einer Stahlfeder, die sich über einen Druckkörper an der Membran abstützt

Fig. 6 die Einspritzdüse mit einer Membran, die selbst als Schließfeder ausgelegt ist.

Eine für luftverdichtende Einspritzbrennkraftmaschinen vorgesehene Einspritzdüse 1 in der Ausführung als Einloch­ düse besteht im wesentlichen aus einem Düsenkörper 2 mit zylindrischer Ausnehmung 3 und einem darin geführten Ventil­ schließglied 4 als scheibenartig ausgebildete Membran.

Die Membran 4, die mit ihrem kegelförmigen Sitz 4 a auf einer entsprechend ausgebildeten kegelförmigen Ventil­ sitzfläche 2 a im Düsenkörper 2 aufliegt, ist am Membran­ rand 4 b mit dem Düsenkörper 2 durch Elektronenstrahl- oder Laserschweißen abdichtend verbunden. Auf dem Membran­ rand 4 b liegt ein in der zylindrischen Ausnehmung 3 des Düsenkörpers eingepaßter und fixierter Federgegenhalter 5 auf. Die Membran 4 und der Federkennungskörper 5 be­ grenzen eine Kammer 6, in der eine Schließfeder 7 leckage­ frei eingeschlossen ist.

Die Kraftstoffzuführung im Düsenkörper 2 besteht aus einem Zuführkanal 8, von dem ein Drallkanal 9 abzweigt und in eine Druckkammer 10 tangential einmündet.

Die Druckkammer 10 ist durch eine Ringnut in der Ventil­ sitzfläche 2 a gebildet und wird durch die flächige Mem­ bran 4 bei Schließstellung abgedeckt. Bei Öffnungs­ stellung gelangt der Einspritzkraftstoff von der Druck­ kammer 10 über ein Spritzloch 11 im Düsenkörper 2 in den Brennraum der Brennkraftmaschine.

In den Fig. 1, 2 und 3 ist die in der Kammer 6 eingeschlossene Schließfeder durch ein besonderes Fluid gebildet, nämlich durch eine dilatante Flüssigkeit mit über der Fließge­ schwindigkeit sprunghaft ansteigender Viskosität.

Der lediglich in den Fig. 1, 2 und 3 als Federkennungskörper ausgebildete Federgegenhalter 5 ist membranseitig mit einer kegelförmigen Stützseite 5 a versehen, so daß sich in der Längsachse der Einspritzdüse 1 zwischen dem Federkennungs­ körper 5 und der Membran 4 der größte Abstand ergibt. Die durch das Fluid gebildete Feder wirkt somit innen (im Be­ reich der Längsachse) weicher als außen, d.h., daß bei An­ liegen eines Öffnungsdruckes des Einspritzkraftstoffes die Membran 4 in der Mitte weniger gestützt wird als außen, sie hebt also im Spritzlochbereich stärker ab als im Membranrandbereich, was sich vorteilhaft auf die Dauerhalt­ barkeit der Membran auswirkt.

Damit eine bestimmte Federsteifigkeit eingehalten werden kann, muß die mit dilatanter Flüssigkeit gefüllte Kammer 6 luftfrei sein. Der Federkennungskörper 5 weist daher ein mittig liegendes Loch 12 auf das nach dem Einbringen der dilatanten Flüssigkeit und nach der Montage des Feder­ kennungskörpers 5 durch ein Plastteil 13 in Würfel oder Kugelform zunächst abgedeckt wird. Anschließend wird eine Plast- oder haftfähige Gelmasse 14 in eine Bördelringnut 15 eines Deckels 16 eingebracht.

Die Bördelringnut 15 befindet sich in einer kegelförmigen Fläche, die der entsprechend kegelförmigen Fläche 5 b des Federkennungskörpers 5 zugewandt ist. Der Deckel 16 wird nun mit Konstantgeschwindigkeit in die zylindrische Aus­ nehmung 3 eingedrückt. Dabei wird das Plastteil 13 ver­ formt bzw. in das Loch 12 eingepreßt und der Federkennungs­ körper 5 auf Anschlag (Membranrand 4 b) gedrückt.

Durch die Formgestalt von Federkennungskörper 5, Plastteil 13 und Deckel 16 entweicht sämtliche Luft durch einen Spalt 17 zwischen Deckel 16 und Düsenkörper 2 nach oben. Sobald ein sprunghafter Kraftanstieg gemessen wird, ist das System luft­ frei. Der Kraftanstieg ergibt sich dadurch, daß aufgrund der hohen Fließgeschwindigkeit im engen Spalt 17 der Vis­ kositätssprung stattgefunden hat. Nun wird langsam bis zum gewünschten, etwa dem Düsenöffnungsdruck entsprechenden Systeminnendruck weiter gepresst. Nach einem kräftigen Schlag auf den Deckel 16 findet der Viskositätssprung im gesamten eingeschlossenen Fluid statt, es wird hart. Die Plastmasse 14 in der nah am Deckelrand angeordneten Bördel­ ringnut 15 überträgt den extremen Drucksprung im Fluid radial nach außen, die Bördelringnut 15 wird verformt und der Deckel 16 wird an dieser Stelle mit dem Düsenkörper 2 dichtend fixiert. Durch Elektronenstrahl- oder Laser­ schweißen wird das System mittels einer Naht 27 am oberen Ende des Spalts 17 hermetisch verschlossen.

In Fig. 2 ist die vorerwähnte Einspritzdüse 1 zusätzlich mit einer biegesteifen gelochten Scheibe 18 versehen, die zwischen der Membran 4 und dem Federgegenhalter 5 eingespannt ist. Die perforierte Scheibe 18 bewirkt bei Auslenkung der Membrane 4 infolge des Öffnungsdrucks eine verstärkte Bewegung im dilatanten Fluid und damit ein früheres Einsetzen des Viskositätssprunges, so daß der Übergang von flüssig in fest schneller erfolgt.

In Fig. 3 ist eine Ausführung mit verstellbarem Membrandruck gezeigt. In dem Deckel 16 ist eine Stellschraube 19 vorge­ sehen, die beim Verstellen das Plastteil 13 in das Loch 12 weiter hineindrückt, so daß sich der statische Membran­ stützdruck in der Kammer 6 erhöht.

In Fig. 4 hat der Federgegenhalter 5 Tassenform. Der Hohlkörper 20 begrenzt hier gemeinsam mit der Membran 4 die Kammer 6, in der eine nichtdilatante Flüssigkeit 7, z.B. Kraftstoff, oder ein Gel, z.B. Fett, eingeschlossen ist. Ferner befindet sich zwischen der Flüssigkeit und dem Tassenboden 21 ein Gas- oder Luftpolster 22, mit der eine weichere Federkennung erreicht werden kann. Die Stütz­ wirkung der sogenannten Gas-Fluid-Feder auf die Membran 4 ist innen und außen gleich groß. Die Membran 4 ist daher biegesteifer ausgebildet als die von dem dilatanten Fluid abgestützte Membran.

In Fig. 5 erfolgt die Abstützung der Membran 4 durch eine Stahlfeder 23 oder gegebenenfalls durch eine platzsparende Tellerfeder (nicht gezeigt). Bei dieser Einspritzdüse 1 ist der Federgegenhalter 5 auch tassenförmig ausge­ bildet. Die Stahlfeder 23 stützt sich einerseits am Tassen­ boden 21 und andererseits über einen ballig ausgebildeten Druckkörper 24 an der Membran 4 ab. Der Druckkörper 24 liegt bei Schließstellung der Membran im Randbereich der Membran in Höhe der als Ringnut ausgebildeten Druckkammer 10 auf und entfernt sich zunehmend mit einer balligen Fläche 24 a von der Membran 4 in Richtung Spritzloch 11. Durch die ballige Ausbildung des Druckkörpers 24 läßt sich eine be­ stimmte Federcharakteristik erzielen. Außerdem wird die Membran 4 im Einspannbereich geringen Belastungen ausge­ setzt, da der Membranhub an dieser Stelle wesentlich ge­ ringer ausfällt als im Spritzlochbereich. Das gilt auch für alle anderen Ausführungsbeispiele.

Die Membran 4 kann gemäß Fig. 6 aus metallischem Feder­ material bestehen und somit selbst als Schließfeder ausge­ legt sein. Somit wäre keine weitere Federabstützung not­ wendig.

Alle Membranen 4 sind mit einem in das Spritzloch 11 hineinragenden Spritzzapfen 25 versehen, der konisch aus­ gebildet und dem oberen Lochbereich 11 a des Spritzlochs 11 angepaßt ist. An den oberen Lochbereich 11 a schließt sich ein kurzer zylindrischer Lochbereich 11 b an, der dann in einen bis zur brennraumseitigen Mündung 26 reichenden sich erweiternden unteren Lochbereich 11 c übergeht.

Die Wirkungsweise der Einspritzdüse:
Von einer nicht dargestellten Einspritzpumpe wird der Kraft­ stoff durch den Zuführkanal 8, den Drallkanal 9 zur Druck­ kammer 10 geleitet. Der statische Druck im Fluid über der Membrane 4 hält zunächst die Druckkammer 10 geschlossen. Ab einem bestimmten Druck hebt sich die biegeweiche Mem­ bran 4 und der Kraftstoff fließt aufgrund seiner Massen­ trägheit spiralig auf das Spritzloch 11 zu. Am Spritz­ zapfen 25 stellt sich ein ringförmiger Abspritzquerschnitt ein. Der Kraftstoff tritt in den Brennraum ein und weitet sich aufgrund seiner spiraligen Strömungsrichtung zu einem kegel- bzw. kegelmantelförmigen Strahl auf.

Da diese Vorgänge sehr schnell ablaufen, wirkt z.B. das Fluid zwischen Membran 4 und Federkennungskörper 5 wie ein Hook′scher Festkörper. Durch den Abstandsverlauf zwischen Membran 4 und Körper 5 wird die Membran 4 in der Mitte weniger gestützt als außen und hebt sich somit in der Mitte stärker ab als außermittig.

Bei steigender Drehzahl nimmt der Membranhub zu und damit der Durchtrittsquerschnitt zwischen Ventilsitzfläche 2 a und Membran 4.

Bei richtiger Wahl der Kontur des Federkennungskörpers 5 kann erreicht werden, daß dabei die Tangentialkomponente der Strömungsgeschwindigkeit vom Drallkanal 9 zum Spritz­ loch 11 konstant bleibt und damit auch der Winkel des Kegelstrahls.

Claims (14)

1. Einspritzdüse zur Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum einer luftverdichtenden Einspritzbrennkraft­ maschine mit einem im Düsenkörper geführten Ventil­ schließglied, das in Abhängigkeit von dem in einer Druck­ kammer im Düsenkörper herrschenden Druck des Einspritz­ kraftstoffes mit seinem kegelförmigen Sitz von einer ent­ sprechend kegelförmigen Ventilsitzfläche im Düsenkörper entgegen einer Schließfederkraft nach innen abhebt und ein Spritzloch zum Brennraum hin freigibt, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilschließglied durch eine in dem Düsen­ körper (2) abdichtend eingespannte Membran (4) gebildet ist, und daß die Schließfederkraft so wirkt, daß die Membran (4) beim Öffnungsdruck des Einspritzkraftstoffes in Richtung des Spritzloches (11) stärker anhebt.

2. Einspritzdüse nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (4) scheibenartig ausgebildet ist.

3. Einspritzdüse nach den Ansprüchen 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (4) durch einen in einer zylindrischen Ausnehmung (3) im Düsenkörper (2) fest angeordneten und auf dem Membranrand (4 b) aufliegenden Federgegen­ halter (5) fixiert ist.

4. Einspritzdüse nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (4) selbst als die Schließfederkraft auf­ bringende Schließfeder ausgelegt ist.

5. Einspritzdüse nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schließfederkraft durch ein zwischen dem Federgegen­ halter (5) und der Membran (4) leckagefrei einge­ schlossenes Fluid aufgebracht wird.

6. Einspritzdüse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid eine dilatante Flüssigkeit ist.

7. Einspritzdüse nach einem oder mehreren der vorge­ nannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Federgegenhalter (5) ein Federkennungskörper ist und daß die der Membran (4) zugewandte Stützseite (5 a) des Federkennungskörpers (5) kegelförmig ausgebildet, wobei eine durch die Membran (4) und Stützseite (5 a) gebildete und das Fluid enthaltende Kammer (6) in Richtung zum Spritzloch (11) ihre größte Ausdehnung aufweist.

8. Einspritzdüse nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine zwischen der Membran (4) und dem Federkennungs­ körper (5) eingespannte biegesteife perforierte Scheibe (18) vorgesehen ist.

9. Einspritzdüse nach den Ansprüchen 1 bis 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Federgegenhalter (5) tassenförmige Gestalt hat, dessen Hohlkörper (20) ein nichtdilatantes Fluid und ein Gaspolster enthält, die als Gas-Fluid-Feder auf die Membran (4) wirken.

10. Einspritzdüse nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Federgegenhalter (5) tassenförmige Gestalt hat, in dem sich eine Stahlfeder (23) einerseits am Boden (21) des Federgegenhalters (5) und andererseits über einen Druckkörper (24) abstützt.

11. Einspritzdüse nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckkörper (24) so ballig ausgebildet ist, daß die Membran (4) bei Schließstellung im Bereich ihres Randes anliegt, jedoch beim Anliegen eines Öffnungsdrucks sich an der balligen Fläche entgegen der Federkraft abwälzt.

12. Einspritzdüse nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (4) einen Spritzzapfen (25) aufweist, der in das Spritzloch (11) eingetaucht ist.

13. Einspritzdüse nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Spritzzapfen (25) konisch ausgebildet und das Spritzloch (11) in seinem oberen Lochbereich (11 a) der Spritzzapfenform angepaßt ist und daß zumindest ein Teil des unteren Lochbereichs (11 c) sich zur Brennraumseite hin erweitert.

14. Einspritzdüse nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit zugeführtem Einspritzkraftstoff gefüllte Druckkammer durch eine Ringnut (10) gebildet ist, in die ein von einem Zuführkanal (8) ausgehender Drall­ kanal (9) tangential einmündet.