DE3614564C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einlochdüse zur Kraftstoffeinsprit­ zung in den Brennraum einer luftverdichtenden Brennkraftma­ schine nach den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angege­ benen Merkmalen.

Aus der DE-PS 4 89 508 ist eine Einspritzdüse bekannt, bei der eine im Düsenkörper abdichtend eingespannte Membran als Ven­ tilschließglied wirkt und durch einen federbelasteten Stempel ein Spritzloch verschließt. Diese Ausführung führt in nachtei­ liger Weise durch die sich aus Stempel und Schraubenfeder er­ gebende hohe Masse zu einem schwingfähigen System, durch das ein definierter Teilhub der Membran kaum beherrschbar ist, da sich aufgrund der hohen Massenkräfte kein Gleichgewichtszustand zwischen Kraftstoffdruck und Schraubenfederkraft einstellen kann. Hier ergeben sich Einspritzungen, bei denen starke Beeinträchtigungen der Zerstäubungsqualität des Kraftstoffes kaum zu vermeiden sind. Außerdem ist die Baulänge dieser Düse wegen der Feder- und Stempelanordnung relativ groß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorerwähnten Nachteile zu beseitigen und durch einfache Maßnahmen eine Einlochdüse mit geringer Bauhöhe zu schaffen, die unabhängig von der jeweiligen Einspritzrate eine Kraftstoffeinspritzung von hoher zerstäubungstechnischer Qualität auch bei kleinen Öffnungshüben ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die im Kennzeichen des Pa­ tentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Die erfindungsgemäße Ausführung ist kostengünstig fertigbar. Durch sie ergibt sich eine niedrig bauende und anschlagfreie Einspritzdüse mit sich selbst einstellendem Abspritzquer­ schnitt. Die Membran dieser Einspritzdüse wirkt aufgrund des als Feder wirkenden Fluids bei auftretenden Öffnungsdrücken gegen ein nahezu schwingungsfreies System mit hohen Dämpfungs­ eigenschaften. Kleine Öffnungshube der Membran sind besser be­ herrschbar und es ergeben sich Einspritzungen mit verbesserter Zerstäubungsgüte, insbesondere auch durch die Anordnung des konischen, mit einem entsprechenden Spritzlochabschnitt zusam­ menwirkenden Spritzzapfens an der Membran, da der engste Durchlaßquerschnitt am brennraumseitigen Ende des Spritzzapfens liegt und maßgebend für die Zerstäubungsgüte ist. Die fein zerstäubten Kraftstofftröpfchen treten ungehindert in den Brennraum. Dagegen findet bei der bekannten Einspritzdüse nach der DE-PS 4 89 508 die Energieumsetzung bei kleinen Öffnungshu­ ben weiter stromaufwärts statt, nämlich am relativ großen Querschnitt zwischen flacher Membran und Spritzlochrand. Hier werden die Tröpfchen zunächst zerstäubt, erhalten danach in radialer Richtung eine Geschwindigkeitskomponente, so daß die feinen Tröpfchen sich in der Spritzlochachse im Membranbereich treffen. Der Kraftstoffstrahl verliert einen Teil seiner Ener­ gie und die Tröpfchen rekombinieren zu größeren Tropfen mit dem Ergebnis einer schlechten Zerstäubung. Ferner arbeitet der Stempel der Einspritzdüse nicht anschlagfrei und neigt daher durch die Art der Hubbegrenzung zu Nachschwingungen.

Aus der AT-PS 1 05 944 ist zwar eine Einspritzdüse mit einer Flüssigkeit versehen, bei der die Elastizität dieser Sperr­ flüssigkeit selbst als Federkraft ausgenutzt wird. Als Ventil­ schließglied ist jedoch eine platzraubende und stark massebe­ haftete Düsennadel mit einem Kolben vorgesehen. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung lassen sich den Unteransprüchen entnehmen.

So ist insbesondere für die erfindungsgemäße Einspritzdüse für das als Schließfeder dienende Fluid entweder eine dilatante Flüssigkeit (Anspruch 2) oder eine (nichtdilatante) Flüssigkeit mit üblichem Viskositätsverhalten, z. B. Kraftstoff mit einem überlagerten Gaspolster vorgesehen (Anspruch 4). Die Membran wird somit derart federnd abgestützt, daß spezielle Federcha­ rakteristiken erzielt werden.

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

Fig. 1 eine Einlochdüse mit einer zwischen einer Membran und einem Gegenhalter als Fluid eingeschlossenen dilatanten Flüssigkeit,

Fig. 2 die Einlochdüse wie in Fig. 1, jedoch mit ver­ stellbarem Druck in dem das Fluid aufnehmenden Druckraum und

Fig. 3 eine weitere Einlochdüse mit einer nichtdilatanten Flüssigkeit und einem Gaspolster im Druckraum.

Eine für luftverdichtende Einspritzbrennkraftmaschinen vorge­ sehene Einspritzdüse 1 in der Ausführung als Einlochdüse be­ steht im wesentlichen aus einem Düsenkörper 2 mit zylindrischer Ausnehmung 3 und einem darin geführten Ventilschließglied 4 in Form einer Membran, die als konische Scheibe ausgebildet ist.

Die Membran 4, die mit ihrem kegelförmigen Ventilsitz 4a auf einer entsprechend ausgebildeten, zu einem Spritzloch 11 hin kegelförmig abfallenden Sitzfläche 2a im Düsenkörper 2 auf­ liegt, ist am Membranrand 4b mit dem Düsenkörper 2 durch Elek­ tronenstrahl oder Laserschweißen abdichtend verbunden. Auf dem Membranrand 4b stützt sich ein in der zylindrischen Ausnehmung 3 des Düsenkörpers mit Spiel eingepaßter und fixierter Gegen­ halter 5 fest ab. Die Membran 4 und der Gegenhalter 5 begrenzen gemeinsam einen Druckraum 6, in der ein Fluid 7 als hydrau­ lische Schließfeder 7 leckagefrei eingeschlossen ist.

Die Kraftstoffzuführung innerhalb des Düsenkörpers 2 besteht aus einem Zuführkanal 8, von dem im Bereich einer den Düsen­ körper 2 brennraumseitig begrenzenden Wand ein Drallkanal 9 abzweigt und in eine in diesem Wandbereich ausgebildete Druck­ kammer 10 tangential einmündet.

Die Druckkammer 10 ist durch eine in die Sitzfläche 2a überge­ hende Ringnut gebildet und wird durch die Fläche der kegelför­ mig ausgebildeten Membran 4 bei Schließstellung abgedeckt. Bei Öffnungsstellung gelangt der Einspritzkraftstoff von der Druckkammer 10 über das Spritzloch 11 am brennraumseitigen Ende des Düsenkörper 2 in den Brennraum der Brennkraftmaschine.

In den Fig. 1 und 2 ist das im Druckraum 6 eingeschlossene Fluid durch eine dilatante Flüssigkeit mit über der Fließge­ schwindigkeit sprunghaft ansteigender Viskosität gebildet.

Der lediglich in den Fig. 1 und 2 als Federkennungskörper ausgebildete Gegenhalter 5 ist membranseitig mit einer kegel­ förmigen Stützfläche 5a versehen, so daß sich in der Längsachse der Einspritzdüse 1 zwischen dem Gegenhalter 5 und der Membran 4 der größte Abstand ergibt. Die durch das Fluid gebildete Fe­ der wirkt somit innen (im Bereich der Längsachse) weicher als außen, d. h., daß bei Anliegen eines Öffnungsdruckes des Ein­ spritzkraftstoffes 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 Dauer­ haltbarkeit der Membran auswirkt.

Damit eine bestimmte Federsteifigkeit eingehalten werden kann, muß der mit dilatanter Flüssigkeit gefüllte Druckraum 6 luftfrei sein. Der Gegenhalter 5 weist daher ein mittig lie­ gendes Loch 12 auf, das nach dem Einbringen der dilatanten Flüssigkeit und nach der Montage des Gegenhalters 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 geht in eine zum Gegenhalter 5 hin kegelför­ mig abfallende Fläche über, die einer entsprechend kegelförmig verlaufenden Fläche 5b auf der Rückseite des Gegenhalters 5 mit Abstand gegenüberliegt, wobei sich zwischen dem Deckel und dem Gegenhalter ebenfalls dilatante Flüssigkeit befindet. Der Dec­ kel 16 wird nun mit Konstantgeschwindigkeit in die zylindrische Ausnehmung 3 eingedrückt. Dabei wird das Plastteil 13 verformt bzw. in das Loch 12 eingepreßt und der Gegenhalter 5 zunächst fest auf Anschlag am Membranrand 4b gedrückt.

Durch die Formgestalt von Gegenhalter 5, Plastteil 13 und Dec­ kel 6 entweicht zunächst sämtliche Luft und anschließend dilatante Flüssigkeit durch einen Spalt 17 zwischen Deckel 16 und Düsenkörper 2 nach oben. Alsbald wird ein sprunghafter Kraftanstieg gemessen, der sich dadurch ergibt, daß aufgrund der hohen Fließgeschwindigkeit im engen Spalt 17 der Viskositäts­ sprung 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 Bördelringnut 15 überträgt den extremen Druck­ sprung im Fluid radial nach außen, die Bördelringnut 15 wird verformt und der Deckel 16 wird an dieser Stelle mit dem Dü­ senkörper 2 dichtend fixiert. Durch Elektronenstrahl oder La­ serschweißen wird das System mittels einer Naht 27 am oberen Ende des Spalts 17 hermetisch verschlossen.

In Fig. 2 ist eine Ausführung mit verstellbarem Membrandruck gezeigt. In dem Deckel 16 ist eine Stellschraube 19 vorgesehen, die beim Verstellen das Plastteil 13 in das Loch 12 weiter hineindrückt, so daß sich der statische Membranstützdruck im Druckraum 6 erhöht.

In Fig. 3 hat der Gegenhalter 5 Tassenform. Der Hohlkörper 20 begrenzt hier gemeinsam mit der Membran 4 den Druckraum 6, in dem als Fluid eine nichtdilatante Flüssigkeit 7′, d. h. eine Flüssigkeit mit üblichem Viskositätsverhalten, z. B. Kraft­ stoff mit einem zwischen der Flüssigkeit und dem Tassenboden 21 überlagerten Gas- oder Luftpolster 22 eingeschlossen ist, wo­ durch eine weichere Federkennung erreicht werden kann. Die Membran 4 ist daher biegesteifer ausgebildet als die von dem dilatanten Fluid abgestützte Membran.

Alle Membranen 4 sind mit einem in das Spritzloch 11 hineinra­ genden Spritzzapfen 25 versehen, der konisch ausgebildet und dem oberen membranseitigen und ebenfalls konischen Abschnitt 11a des Spritzlochs 11 angepaßt ist. An diesen Lochabschnitt 11a schließt sich in Spritzrichtung ein kurzer zylindrischer Lochbereich 11b an, der dann in einen zur brennraumseitigen Mündung 26 reichenden sich erweiternden unteren Lochbereich 11c übergeht.

Die Wirkungsweise der Einspritzdüse

Von einer nicht dargestellten Einspritzpumpe wird der Kraft­ stoff durch den Zuführkanal 8, den Drallkanal 9 zur Druckkammer 10 geleitet. Der statische Druck im Fluid über der Membrane 4 hält zunächst die Druckkammer 10 geschlossen. Ab einem be­ stimmten Druck hebt sich die biegeweiche Membran 4 und der Kraftstoff fließt aufgrund seiner Massenträgheit spiralig auf das Spritzloch 11 zu. Am Spritzzapfen 25 stellt sich ein ring­ förmiger Abspritzquerschnitt ein. Der Kraftstoff tritt in den Brennraum ein und weitet sich aufgrund seiner spiraligen Strö­ mungsrichtung zu einem kegel- bzw. kegelmantelförmigen Strahl auf.

Da diese Vorgänge sehr schnell ablaufen, wirkt z. B. das Fluid zwischen Membran 4 und Gegenhalter 5 wie ein Hook′scher Fest­ körper. Durch den Abstandsverlauf zwischen Membran 4 und Ge­ genhalter 5 wird die Membran 4 in der Mitte weniger gestützt als außen und hebt sich somit in der Mitte stärker ab als au­ ßermittig.

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

Claims (5)

1. Einlochdüse zur Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum einer luftverdichteten Brennkraftmaschine mit einer am ein­ spritzseitigen Ende in einem Düsenkörper abgedichtet befe­ stigten scheibenartigen Membran, wobei sich ein auf der dem Brennraum abgewandten Seite der Membran angeordneter Gegenhal­ ter umfangseitig fest an der Membran abstützt, die brennraum­ seitig an einer Sitzfläche anliegt, welche an einer zugleich das zentral angeordnete Spritzloch aufweisenden, quer zur Dü­ senlängsachse verlaufenden Wand ausgebildet ist, in der kon­ zentrisch zum Spritzloch eine von der Membran begrenzte, vom Druck des Einspritzkraftstoffs einer Kraftstoffeinspritzpumpe beaufschlagbare Druckkammer ausgebildet ist, wobei die Membran durch eine Schließkraft solange in Anlage an der Sitzfläche und somit einer das Spritzloch verschließenden Lage gehalten wird, bis sie aufgrund des in der Druckkammer auf Einspritz­ druck angestiegenen Kraftstoffdrucks das Spritzloch zur Kraft­ stoffeinspritzung in den Brennraum freigibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schließkraft durch ein in einem von der Membran (4) und dem zu dieser hin konkav ausgebildeten Gegenhalter (5) einge­ schlossenen Druckraum (6) unter ständigem Überdruck stehendes Fluid (7; 7′, 22) auf die Membran aufgebracht wird, und daß letztere mit einem konischen Spritzzapfen (25) versehen ist, der in Schließstellung der Membran (4) in einen ebenfalls ko­ nischen, den Abmessungen des Spritzzapfens (25) entsprechenden Abschnitt (11a) am membranseitigen Ende des Spritzlochs (11) eintaucht.

2. Einlochdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid (7) eine dilatante Flüssigkeit mit über der Fließgeschwindigkeit sprunghaft ansteigender Viskosität ist.

3. Einlochdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Druckraum (6) begrenzende, der Abstützung des Fluid dienende Fläche (5a) am Gegenhalter (5) derart kegelför­ mig verläuft, daß der Abstand der Kegelfläche (5a) vom Mem­ branrand (4b) zur Düsenlängsachse hin zunimmt.

4. Einlochdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenhalter (5) eine zur Membran (4) hin offene tassenförmige Gestalt aufweist und das Fluid aus einer unmit­ telbar auf die Membran (4) wirkenden Flüssigkeit 7′ mit üb­ lichem Viskositätsverhalten, z. B. Kraftstoff, mit einem tassenbodenseitig überlagerten Gaspolster (22) besteht.

5. Einlochdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkammer (10) in der Wand am brennraumseitigen Ende des Düsenkörpers (2) in Form einer konzentrisch zum Spritzloch (11) angeordneten Ringnut ausgebildet ist, in die ein von einem Kraftstoffzufuhrkanal (8) abgehender Drallkanal tangential einmündet.