DE3918887A1 - Brennstoff-einspritzduese fuer einen zylinder einer verbrennungsmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffeinspritzdüse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Eigenschaften der Strahlen der aus einer Düse in eine Verbrennungskammer gesprühten Brennstofftröpfchen haben einen erheblichen Einfluß auf die Wirksamkeit der Verbrennung des Brennstoffs, welche ihrerseits die Stabi­ lität des Betriebs der Maschine, den Brennstoffverbrauch und die Zusammensetzung der Abgase beeinflußt. Um diesen Einfluß zu optimieren, insbesondere bei einer funkenge­ zündeten Maschine, stellen die wünschenswerten Eigen­ schaften des Sprühmusters des aus der Düse austretenden Brennstoffs eine geringe Tropfengröße des Brennstoffs, ein gesteuertes Eindringen der Brennstoffstrahlen in die Kammer und, wenigstens bei niedrigen Maschinenlasten, eine relativ begrenzte und zündbare Wolke von Brennstoff­ tröpfchen in der Nähe der Zündkerze dar.

Einige bekannte Einspritzdüsen, die für die Zuführung von Brennstoff direkt in die Verbrennungskammer einer Maschine verwendet werden, sind vom Tellerventil-Typ, aus denen der Brennstoff in Form eines divergenten konischen Sprühmusters austritt.

Die Form des Sprühmusters des Brennstoffs hängt von einer Anzahl Faktoren ab, die die Geometrie der Aus­ trittsöffnung und des Ventils, die die Düse bilden, ein­ schließen, insbesondere die Geometrie der Oberflächen der Öffnung und des Ventils unmittelbar außerhalb des Sitzes, an dem die Öffnung und das Ventil sich bei ge­ schlossener Düse dichtend berühren. Wenn eine Düsengeo­ metrie einmal festgelegt wurde, um das erforderliche Be­ triebsverhalten zu erzielen, können bereits geringfügige Abweichungen von dieser Geometrie dieses Betriebsverhal­ ten wesentlich verschlechtern. Insbesondere das Anhaften oder Ansammeln von festen Verbrennungsprodukten oder an­ deren Ablagerungen auf Oberflächen, über die der Brenn­ stoff fließt, kann schädlich für die korrekte Arbeits­ weise der Düse sein.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffeinspritzdüse, mit der Brennstoff in eine Verbrennungskammer einer Maschine eingespritzt wird, zu schaffen, die zu einer Verminderung der An­ sammlung von Ablagerungen im Weg des der Verbrennungs­ kammer zugeführten Brennstoffs beiträgt.

Diese Aufgabe wird erfindunggemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merk­ male. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemä­ ßen Brennstoffeinspritzdüse ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen.

Es ist somit eine Brennstoffeinspritzdüse für einen Zy­ linder einer Verbrennungsmaschine mit einem Körper mit einem sich zu einem Ende von diesem erstreckenden Brenn­ stoffdurchlaß, mit einer Öffnung in dem Körperende zur Verbindung des Brennstoffdurchlasses mit der Verbren­ nungskammer der Maschine, die einen ringförmigen Sitz enthält, mit einem Ventilelement mit einem ringförmigen Sitz, der mit dem ringförmigen Sitz in der Öffnung zur Steuerung des Brennstoffflusses zusammenwirkt, und mit einer ringförmigen, die Fließrichtung bestimmenden Ober­ fläche in der Öffnung, die sich von dem Sitz in dieser nach unten zu einer Endfläche des Körpers erstreckt, vorgesehen. Diese die Fließrichtung bestimmende Oberflä­ che verläuft derart, daß sie glatt in den Sitz in der Öffnung übergeht. Das Ventilelement besitzt eine die Fließrichtung bestimmende Oberfläche, die der die Fließ­ richtung bestimmenden Oberfläche in der Öffnung gegen­ überliegt, und besitzt ebenfalls einen derartigen Ver­ lauf, daß sie glatt in den zugeordneten Sitz des Ventil­ elements übergeht.

Die Endfläche des Körpers ist zweckmäßig so ausgebildet, daß ein querverlaufender, ringförmiger Steg am Schnitt­ punkt mit der die Fließrichtung bestimmenden Öberfläche der Öffnung gebildet wird, und sie erstreckt sich vor­ zugsweise von der Außenkante des ringförmigen Stegs rück­ wärts nach außen.

Die Endfläche und die die Fließrichtung bestimmende Oberfläche der Öffnung sollen sich im wesentlichen senk­ recht schneiden.

Wenn ein Steg als Teil der Endfläche des Körpers vorge­ sehen ist, soll dessen Breite bis zu 0,25 mm betragen bzw. im Bereich von 0,06 bis 0,25 mm liegen, vorzugs­ weise bei etwa 0,15 mm. Bei geöffneter Stellung des Ven­ tils liegen die Endkanten der die Fließrichtung bestim­ menden Oberflächen der Öffnung und des Ventilelements vorteilhaft in einer Ebene.

Die Endfläche des Körpers kann unmittelbar außerhalb des ringförmigen Stegs gegenüber dessen Ebene zurücktreten. Die Endfläche des Körpers außerhalb des Stegs kann in einer Ebene liegen, die parallel zu, aber zurückgesetzt gegenüber dem Steg ist, mit einem bogenförmigen oder glockenförmigen Abschnitt, der eine konkave Verbindung zwischen dem Steg und dem restlichen Teil der Endfläche des Körpers bildet.

Die Endfläche des Körpers kann alternativ eine flache kegelstumpfförmige Form aufweisen, die sich von der Schnittstelle der die Fließrichtung bestimmenden Oberflä­ che der Öffnung mit der Endfläche des Körpers rückwärts nach außen erstreckt. Vorzugsweise ist der Winkel des Kegels derart, daß die Endfläche im wesentlichen recht­ winklig zur die Fließrichtung des Brennstoffs bestimmen­ den Oberfläche der Öffnung an deren Schnittpunkt verläuft. Der vom Kegel eingeschlossene Winkel kann bis zu 180° betragen, vorzugsweise liegt er im Bereich von 140° bis 160°. Ein kleiner Steg, normalerweise mit einer Breite im Bereich von 0,1 mm, kann vorgesehen sein, um die Kante wegzunehmen, die andererseits durch das Zusammenlaufen der kegelstumpfförmigen konischen Endfläche und der die Fließrichtung bestimmenden Oberfläche gebildet würde.

Die Ausbildung eines glatten Überganges vom Sitz in der Öffnung zu der die Fließrichtung bestimmenden Öberfläche trägt dazu bei, daß die Haftung des Brennstoffs an der die Fließrichtung bestimmenden Oberfläche erhalten bleibt, wenn dieser zur Verbrennungskammer strömt, da die Trennung zwischen diesen der Ansammlung von Kohlen­ stoff in dem Bereich, der nicht in Kontakt mit dem Brenn­ stoff ist, förderlich ist. Zweckmäßig enthält die die Fließrichtung bestimmende Oberfläche in der Öffnung einen bogenförmigen Abschnitt, der glatt in den Ventil­ sitz und in den restlichen Bereich der die Fließrichtung bestimmenden Oberfläche der Öffnung übergeht, der zweck­ mäßig eine kegelstumpfförmige konische Form aufweisen kann.

Vorzugsweise geht auch die die Fließrichtung bestimmende Oberfläche des Ventilelements glatt in dessen Sitzfläche über, um das Anhaften des Brennstoffs auch an der die Fließrichtung bestimmenden Oberfläche des Ventilelements zu begünstigen und eine etwaige Ansammlung von Kohlen­ stoff auf dem Ventilelement zu reduzieren.

Die vorliegende Brennstoffeinspritzdüse ist besonders vorteilhaft für die Verwendung in einem Brennstoffein­ spritzsystem, bei dem ein von einem Gas wie Luft mitge­ nommener flüssiger Brennstoff einer Verbrennungskammer zugeführt wird. Die Aufrechterhaltung des Kontakts mit der die Fließrichtung bestimmenden Oberfläche ist von be­ sonderer Bedeutung für die Steuerung des Sprühmusters einer aus der Einspritzdüse austretenden Mischung aus zwei fließfähigen Medien.

Weiterhin ist es vorteilhaft für die Aufrechterhaltung des Kontakts zwischen dem Brennstoff und den die Fließ­ richtung bestimmenden Oberflächen sowohl der Öffnung als auch des Ventilelements, wenn das Ventilelement in der Offenstellung ist, daß die Enden dieser die Fließrich­ tung bestimmenden Oberflächen in einer gemeinsamen Ebene liegen, so daß keine von ihnen in Fließrichtung des Brennstoffs über die andere hinausragt. Für den Fall, daß eine der die Fließrichtung bestimmenden Oberflächen über die andere hinausragt, besteht eine Neigung des Brennstoffs, sich von dieser überstehenden Oberfläche wegzubewegen, insbesondere bei einem Brennstoff aus zwei Fluiden oder einem gasförmigen Brennstoff, infolge der Expansion, die stattfinden kann; wenn sich der Brenn­ stoff von der einen die Fließrichtung bestimmenden Ober­ fläche löst, verringert sich die Geschwindigkeit entlang der weiter vorstehenden Oberfläche, wodurch die Gefahr der Ansammlung von Ablagerungen auf dieser Oberfläche und die Beeinträchtigung der Geometrie des Sprühmusters erhöht wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht des Düsenteils einer Brennstoffeinspritzvorrichtung,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung ähnlich der Fig. 1 einer anderen Ausbildung der Brennstoffein­ spritzdüse,

Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht des Öffnungsbereichs des Düsenkörpers nach Fig. 1, und

Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht des Ventilkopfbe­ reichs des Düsenventils nach Fig. 1.

Die in den Fig. 1 und 2 gezeigten und nachfolgend be­ schriebenen Einspritzdüsen können in einem weiten Be­ reich von Brennstoffeinspritzvorrichtungen eingesetzt werden, die zur direkten Einspeisung von Brennstoff in die Verbrennungskammer einer Maschine verwendet werden. Typische Formen von Einspritzvorrichtungen, in die die vorliegende Düse eingesetzt werden kann, sind in der DE-OS 38 08 671 und in der Patentanmeldung PCT/AU 88/00 096 offenbart.

Gemäß Fig. 1 besitzt der Körper 10 einer Brennstoffein­ spritzdüse eine im wesentlichen zylindrische Gestalt mit einem Zapfenabschnitt 11, der zur Aufnahme in einer Bohrung dient, die in einem zusammenwirkenden Bereich der gesamten Brennstoffeinspritzeinheit vorgesehen ist. Ein Ventil 13 weist einen Ventilkopf 14 und einen Ven­ tilschaft 15 auf. Der Ventilschaft 15 besitzt einen Führungabschnitt 18, der axial in der Bohrung 12 des Körpers 10 gleitet. Der Ventilschaft 15 ist hohl, so daß der Brennstoff durch ihn hindurch passieren kann, und Öffnungen 16 sind in der Wand des Ventilschafts 15 aus­ gebildet, so daß der Brennstoff aus dem Inneren des Ven­ tilschafts 15 in die Bohrung 12 austreten kann.

Der Ventilkopf 14 ist in einer Öffnung 17 aufgenommen, die im Ende des Körpers 10 vorgesehen ist und mit der Bohrung 12 in Verbindung steht. Wie näher in Fig. 3 zu sehen ist, ist die Wand der Öffnung 17 durch einen inne­ ren konischen Abschnitt 20 mit einem eingeschlossenen Winkel von 90°, einen äußeren konischen Abschnitt 21 mit einem eingeschlossenen Winkel zwischen 0° und 60°, zweckmäßig 20° bis 60°, und einen bogenförmigen Abschnitt 22, der einen glatten Übergang zwischen den konischen Abschnitten 21, 22 herstellt, gebildet.

Gemäß Fig. 4 besitzt der Ventilkopf 14 eine äußere Ober­ fläche, die durch einen inneren bogenförmigen Abschnitt 25, einen äußeren konischen Abschnitt 26 mit einem ein­ geschlossenen Winkel bis 60°, zweckmäßig 0° bis 40°, und einen kleinen bogenförmigen Abschnitt 27, der einen glatten Übergang zwischen dem bogenförmigen Abschnitt 25 und dem konischen Abschnitt 26 herstellt, gebildet wird. Der innere bogenförmige Abschnitt 25 den Ventilkopfes 14 wirkt mit dem inneren konischen Abschnitt 20 der Öffnung 17 zusammen, um die erforderliche Abdichtung zwischen dem Ventilkopf und der Öffnung in der geschlos­ senen Stellung des Ventilkopfes zu schaffen. Die Ausbil­ dung von zusammenwirkenden konischen und bogenförmigen Oberflächen erleichtertdie Herstellung und gewährleistet eine wirksame Abdichtung zwischen der Öffnung und dem Ventilkopf. Die Berührungslinie zwischen dem Ventilkopf und der Öffnung ist durch die Punkte 30 in Fig. 1 ange­ deutet.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist ein relativ schmaler Steg 31 um die Umfangskante der Öffnung 17, wo der koni­ sche Abschnitt 22 der Öffnung und die Endfläche 33 des Körpers sich schneiden, vorgesehen. Der Steg 31 kann eine Breite im Bereich von 0,16 bis 0,25 haben. Außer­ halb des Stegs 31 ist die Endfläche des Körpers in einem Bogen 34 zurückgesetzt und geht über in einen angrenzen­ den radialen Abschnitt 35.

Es kann anhand der Fig. 1 und 4 gesehen werden, daß der Steg 31 den heißen Gasen in der Verbrennungskammer der Maschine ausgesetzt ist und eine relativ kleine Quer­ schnittsfläche besitzt. Als Folge hiervon wird der Steg 31 auf eine wesentlich höhere Temperatur gebracht als die anderen Teile des Körpers 10, die den heißen Gasen über die Oberflächen 34 und 35 ausgesetzt sind. Diese höhere Arbeitstemperatur des Stegs 31 begünstigt die Verbrennung jeglicher Teilchen, die sich darauf absetzen, wodurch die Ansammlung von Ablagerungen auf dem Steg 31 und dem äußeren konischen Abschnitt 21 der Öffnung ver­ mindert wird. Die Erzeugung der vorgenannten hohen Tem­ peraturen ist besonders von Bedeutung bei einer Maschine mit einer hohen Arbeitstemperatur, wie einer luftgekühl­ ten Maschine.

Weiterhin begünstigt der glatte Verlauf der inneren Ober­ fläche der Öffnung 17 und der äußeren Oberfläche des Ventilkopfs 14 die Aufrechterhaltung der Brennstoffbe­ netzung an diesen Oberflächen während der Zuführung von Brennstoff durch die Öffnung 17. Dies trägt dazu bei, daß eine Kohlenstoffansammlung an diesen Oberflächen vermieden wird, da der Kraftstoff auf den Flächen, über die er fließt, eine Spülwirkung auswirkt, insbesondere wenn man die hohe Geschwindigkeit des Brennstoffs be­ trachtet. Diese Spülwirkung verhindert auch die Ausbil­ dung von Ablagerungen harziger Rückstände aus dem Brenn­ stoff auf den betreffenden Oberflächen. Es wird ange­ nommen, daß diese harzigen Rückstände die Kohlenstoff­ ansammlung begünstigen.

Der in Fig. 1 gezeigte Ventilkopf 14 ragt in geschlossener Stellung etwas über die Endfläche 33 hinaus. Wenn der Ventil­ kopf 14 nach unten versetzt wird, um die Öffnung 17 freizu­ geben, entfernt sich die Endfläche des Ventilkopfes 14 weiter von der Endfläche 33 des Körpers 10. Dies kann die Trennung des Brennstoffs von dem vorspringenden Teil des äußeren konischen Abschnitts 26 des Ventilkopfes 14 fördern, wenn der Brennstoff durch die Öffnung 17 zugeführt wird, wodurch die Ablagerung von Harz- und Kohlenstoffteilchen auf dem freiliegenden Teil der Oberfläche des Ventilkopfes 14 begün­ stigt werden kann.

Um dieses Problem zu verringern, insbesondere für zwei Fluid­ einspritzdüsen, besitzt der Ventilkopf 44 gemäß Fig. 2 eine solche axiale Länge, daß, wenn das Ventil geöffnet ist, die Endfläche 40 des Ventilkopfes 44 im wesentlichen in einer Ebene mit der Endfläche 33 des Körpers 10 liegt. Diese Be­ ziehung unterstützt den Kontakt des zugeführten Brennstoffs mit den äußeren konischen Abschnitten 21 und 26 des Körpers und des Ventilkopfes.

Da der Hauptteil der Komponenten und Merkmale der Düsenaus­ bildung nach Fig. 2 denen in Fig. 1 entspricht, wird die Be­ schreibung von Fig. 2 auf die Darstellung der Unterschiede beschränkt, und die übereinstimmenden Komponenten erhalten die gleichen Bezugszeichen.

Wie auch aus Fig. 2 ersichtlich ist, bildet der Teil der End­ fläche des Körpers, der sich von dem Steg 31 nach außen er­ streckt, einen flachen kegelstumpfförmigen konischen Abschnitt 39 im Gegensatz zu der tiefen bogenförmigen Ausbildung gemäß Fig. 1. Dieser kegelstumpfförmige Abschnitt 39 der Endfläche des Körpers schließt einen Winkel ein, der so gewählt ist, daß seine konische Oberfläche etwa senkrecht zur äußeren ko­ nischen Oberfläche 21 der Öffnung 17 steht. Diese Ausbildung bewirkt, daß der aus der Öffnung 17 heraustretende Brennstoff­ fluß im wesentlichen im rechten Winkel zur Oberfläche des ko­ nischen Abschnitts 39 verläuft und so im rechten Winkel auf jede etwaige Kohlenstoffansammlung trifft, die sich in den Brennstoffstrom hinein aufbaut, wodurch eine maximale Kraft zum Abbrechen oder Ablösen jeder sich in den Weg des aus der Öffnung 17 austretenden Brennstoffs erstreckenden Kohlen­ stoffansammlung bereitgestellt wird.

Die Düse gemäß Fig. 2 wird bevorzugt für Maschinen mit nied­ rigen Arbeitstemperaturen, wie wassergekühlten Maschinen. Die im Vergleich mit den Abschnitten 34 und 35 reduzierte Fläche des Abschnitts 39 setzt die Temperatur des Düsenkörpers herab, wo er der Verbrennungskammer der Maschine ausgesetzt ist.

Claims (8)

1. Brennstoffeinspritzdüse für einen Zylinder einer Ver­ brennungsmaschine mit einem Körper mit einem sich zu einem Ende von diesem erstreckenden Brennstoffdurchlaß, einer Öffnung in dem Körperende zur Verbindung des Brenn­ stoffdurchlasses mit der Verbrennungskammer der Maschine, die einen ringförmigen Sitz enthält, einem Ventilele­ ment mit einem ringförmigen Sitz, der mit dem ringför­ migen Sitz in der Öffnung zur Steuerung des Brennstoff­ flusses zusammenwirkt, und einer ringförmigen, die Fließrichtung bestimmenden Oberfläche, die sich von den Sitzen jeweils nach unten erstreckt, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die die Fließrichtung be­ stimmenden Oberflächen jeweils so verlaufen, daß sie glatt in den jeweiligen Sitz übergehen.

2. Brennstoffeinspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Endfläche (33) des Körpers (10) so ausgebildet ist, daß ein querverlaufender ringförmiger Steg (31) am Schnittpunkt mit der die Schließrichtung bestimmenden Oberfläche der Öffnung (17) gebildet ist.

3. Brennstoffeinspritzdüse nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Endfläche (33) sich von der Außenkante des ringförmigen Stegs (31) nach außen zurückgehend er­ streckt.

4. Brennstoffeinspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Endfläche (33) und die die Fließrichtung bestimmende Oberfläche der Öff­ nung (17) sich im wesentlichen senkrecht schneiden.

5. Brennstoffeinspritzdüse nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steg (31) eine Breite von etwa 0,06 bis 0,25 mm hat.

6. Brennstoffeinspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sitze des Ventilelements (14) und der Öffnung (17) so angeordnet sind, daß bei ge­ öffneter Stellung des Ventilelements (44) die Endkanten jeder die Schließrichtung bestimmenden Oberfläche im we­ sentlichen in einer Ebene liegen.

7. Brennstoffeinspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Endfläche (33) des Kör­ pers (10) im wesentlichen konisch mit einem eingeschlos­ senen Winkel bis 180° verläuft und ein Steg (31) mit einer Breite von etwa 0,1 mm am Schnittpunkt dieser End­ fläche (33) mit der die Fließrichtung bestimmenden Ober­ fläche gebildet ist.

8. Brennstoffeinspritzdüse nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der eingeschlossene Winkel zwischen 140° und 160° beträgt.