DE4134891A1 - Einspritzduese - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einspritzdüse mit einer Düsennadel, die bei Einspritzbeginn einen Ringspalt von einigen µm Weite freigibt, so daß durch die Scherkräfte im Spalt zwischen Düsenkörper und Düsennadel Flüssigkeitstropfen vorgegebener Größe entstehen, wobei sich die Spaltweite entsprechend dem Flüssigkeitsdurchsatz einstellt und der Spritzwinkel durch die Form des Düsennadelkopfes und des Düsennadelkegelwinkels vorgesehen ist.

Bei Einspritzdüsen der heute üblichen Bauarten bleibt der Austrittsquerschnitt während des Einspritzvorganges unabhängig vom Durchsatz konstant, wie zum Beispiel bei Lochdüsen, oder er wird stufenweise verändert, wie zum Beispiel bei Zapfendüsen. Bei geringen Durchsatzmengen wird deshalb wegen der geringen Durchströmgeschwindigkeit die Zerstäubung schlecht, was sich negativ auf die Verbrennung auswirkt. Die relativ großen Austrittsquerschnitte führen zu kompakteren Strahlen, die bei ihrem Aufreißen zu Tropfen in einem weiten Größenspektrum führen. Dabei kommt es zu einer außerordentlich unterschiedlichen Kraftstoffkonzentration im Brennraum. Die Folge davon ist die Entstehung von Ruß.

Aus neueren Untersuchungen ist bekannt, daß, um Rußentstehung zu vermeiden, der Kraftstoff in feinst verteilter Form in den Brennraum eingebracht werden muß. Dazu sind bei den üblichen Düsenbauarten sehr hohe Drücke erforderlich, die bei Lochdüsen bei über 2000 bar liegen, wenn man Rußentstehung im Einspritzstrahl vermeiden will. Mit den meisten Einspritzsystemen lassen sich solch Drücke nicht erreichen. Eine weitere Ursache für die Entstehung von Ruß ist das Auftreffen des Einspritzstrahls auf die Brennraumwand. Dieses Problem tritt besonders bei kleinen Motoren mit geringen Abmessungen des Brennraums auf. Ein weiteres Problem ist auch das Nachtropfen von Kraftstoff nach Einspritzende. Dann tritt Kraftstoff, der sich noch im Sackloch befindet, in unzerstäubter Form in den Brennraum aus, wo er nicht restlos verbrennt und es an der Düse zur Koksbildung kommt.

Die Mängel, die den bisherigen Einspritzdüsen anhaften, werden bei der neuen Ringspaltdüse auf folgende Weise beseitigt: Der Austrittsquerschnitt hat die Form eines Ringspaltes, dessen Querschnitt sich entsprechend dem Durchsatz, das heißt dem Einspritzdruck anpaßt. Damit wird eine annähernd gleiche Geschwindigkeit der Flüssigkeit im Ringspalt bei allen Durchsatzmengen erreicht. Da der engste Querschnitt am Austritt liegt, besitzt diese Düse kein Sacklock, aus dem nach Ende der Einspritzung Kraftstoff austreten kann. Durch die Form der Düsennadel, die Gestaltung des Düsennadelsitzes und die Begrenzung des Düsennadelhubes wird die Spaltweite auf wenige µm begrenzt. Damit wird erreicht, daß sehr kleine Tropfen entstehen, die zwar über den Brennraum verteilt werden, die aber nicht auf die Brennraumwand aufschlagen. Das alles wird erreicht mit Einspritzdrücken, die weit unter denen bei Höchstdruckeinspritzung liegen. Um die gewünschte Verteilung des Kraftstoffs im Brennraum zu erzielen, ist das Ende der Düsennadel entsprechend gestaltet. Soll der Kraftstoff gleichmäßig über den gesamten Brennraum verteilt werden, so ist an dem aus der Düsenaustrittsöffnung herausragenden Kopf der Düsennadel ein Ablenker angebracht, der so gestaltet ist, daß ein vorgegebener Spritzwinkel erreicht wird.

Bei einer Modifikation ist der Querschnitt der Düsennadel oder des Düsenkörpers zum Beispiel durch Anordnung feiner Vertiefungen so gestaltet, daß eine vorgegebene Kraftstoffverteilung über dem Umfang des Austrittsquerschnitts erreicht wird. Durch spiralig angebrachte Nuten läßt sich der Flüssigkeit auch ein Drall verleihen. Eine weitere Modifikation ist bei dem Ablenker möglich. Durch Anordnung von Vertiefungen und Erhöhungen oder durch schräge Anordnung des Ablenkers läßt sich ebenfalls die Kraftstoffverteilung beeinflussen.

Durch den im Verhältnis zur Düsennadelsitzlänge kleinen Spalt werden durch die hohen Strömungsgeschwindigkeiten und die Wandreibung große Scherkräfte erzeugt, die das Aufreißen des Strahls in sehr feine Tropfen bewirken. Auch der Ablenker verbessert die Zerstäubung. Der an der Düsennadel entlangströmende Kraftstoff führt dabei zu einer intensiven Kühlung des Düsennadelkopfes, so daß keine Beschädigung des im Brennraum liegenden Düsennadelkopfes durch die heißen Verbrennungsgase zu befürchten ist.

Der innere Strömungsquerschnitt der Düse kann sich bis zum Düsennadelsitz kontinuierlich, stufenweise oder sprungartig verändern. Anhand der Zeichnungen wird die Konzeption beispielsweise erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Ringspaltdüse mit einem Düsenkörper 1, dessen innerer Querschnitt sich stufenlos bis zum Düsennadelsitz 2 verengt. Die Düsennadel 3 ist durch einen kleinen Sitzwinkel gekennzeichnet. Die Flüssigkeit 4 tritt durch einen Ringspalt aus.

Fig. 2 zeigt eine ähnliche Ausführung. Jedoch ändert sich der Strömungsquerschnitt innerhalb der Düse beim Übergang zum Düsennadelsitz sprungartig. Außerdem ist am Düsennadelkopf ein Ablenker 5 angebracht, bei dem die Ausbildung der Prallfläche und der Winkel dieser Fläche sich nach dem geforderten Einspritzwinkel richten.

Fig. 3 zeigt eine Düse, bei der in die Düsennadel Vertiefungen 6 eingearbeitet sind, um gezielt eine unsymmetrische Kraftstoffverteilung im Brennraum zu erreichen.

Fig. 4 zeigt eine ähnliche Ausführung wie Fig. 3. Jedoch sind hier die Vertiefungen 7 in dem Düsenkörper angebracht.

Fig. 5 stellt den Düsennadelkopf mit eingearbeiteten Kanälen 8 dar, mit deren Hilfe ebenfalls die Kraftstoffverteilung beeinflußt wird. Solche Kanäle können auch am Düsennadelzapfen angebracht sein.

Fig. 6 zeigt einen Düsennadelkopf mit zur Düsennadelachse geneigtem Ablenker 9, der besonders bei schräg zur Zylinderachse angeordneter Düse eingesetzt wird, wobei eine besondere Einrichtung ein Drehen der Düsennadel während des Betriebes verhindert wird.

Claims (10)

1. Ringspalteinspritzdüse dadurch gekennzeichnet, daß sich der Spaltquerschnitt entsprechend dem Durchsatz einstellt und durch Begrenzung der Spaltweite auf wenige µm in Verbindung mit einer relativ großen Spaltlänge eine sehr feine Zerstäubung des Kraftstoffs erreicht wird infolge der großen Scherkräfte in der Flüssigkeit.

2. Ringspalteinspritzdüse nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Anordnung eines Ablenkers am Zapfen des Düsenkopfes.

3. Ringspalteinspritzdüse nach Anspruch 1 und nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Düsennadel oberhalb des Düsennadelsitzes Vertiefungen eingearbeitet sind.

4. Ringspalteinspritzdüse nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Düsenkörper oberhalb des Düsennadelsitzes Vertiefungen eingearbeitet sind.

5. Ringspalteinspritzdüse nach Anspruch 1 und Anspruch 2, bei der die in Anspruch 3 und in Anspruch 4 beschriebenen Vertiefungen spiralförmig ausgeführt sind.

6. Ringspalteinspritzdüse nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl in der Düsennadel als auch im Düsenkörper Vertiefungen angebracht sind.

7. Ringspalteinspritzdüse nach Anspruch 1 und Anspruch 2 sowie 3, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß Kanäle in die Prallfläche eingearbeitet sind, die radial angeordnet sind.

8. Ringspalteinspritzdüse nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle auf der Prallfläche des Ablenkers tangential angeordnet sind.

9. Ringspalteinspritzdüse nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß Vertiefungen im Düsennadelzapfen oberhalb der Prallfläche eingearbeitet sind.

10. Ringspalteinspritzdüse nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der Prallfläche des Ablenkers zur Düsennadelachse geneigt ist.