DE4218943A1 - Kraftstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Kraftstoffeinspritzdüse für Brenn­ kraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es ist bekannt, daß mit sogenannten Dralldüsen eine sehr gute Aufbereitung des Kraftstoff-Luftgemisches bei geringer Eindringtiefe erzielt werden kann. Bei einer gattungsgemäßen, aus der DE-OS 24 60 111 bekannten Einspritzdüse wird der Kraftstoff durch tangentiales Einleiten in eine Drallkammer in Rotation versetzt, so daß der aus der Düsenöff­ nung aus tretende Strahl sich kegelförmig aufweitet und fein ver­ teilt. Da bei dieser Art der Gemischaufbereitung die Kraftstoff­ tröpfchen noch relativ groß sind, ist es erstrebenswert, die Größe der Tröpfchen noch weiter herabzusetzen. Vorteile der Erfindung.

Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzdüse mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß der in die Drall­ kammer eingespritzte Kraftstoff mit der in dieser angesaugten heißen Luft bzw. Gas eine Drallströmung erzeugt, in der sich Luft, Kraft­ stoffdampf und -Tröpfchen in Form einer Zweiphasen-Strömung schich­ ten, so daß beim Ausstoßen durch die Düsenöffnung in den Brennraum eine intensive Zerstäubung und Vermischung mit der Luft im Brennraum auftritt. Bei selbstzündenden Kraftstoffen ergibt sich insgesamt ein hinsichtlich Verbrennungsgeräusch, No_x - und Rußbildung günstiger Einspritzverlauf, indem bei Spritzbeginn ein höherer Dampfanteil, d. h. eine geringere Kraftstoffmasse in den Brennraum gelangt, als am Spritzende.

Der hohe Kraftstoffdruck wird mehr in Zerstäubungsqualität und weniger in Eindringtiefe des Strahls umgesetzt als bei konventio­ nellen Loch- oder Schirmstrahldüsen, was insbesondere bei kleinen Brennraumabmessungen (PKW- oder Zweitaktmotoren) vorteilhaft ist. Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Anordnung möglich.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 die brennraumseitige Hälfte einer Einspritzdüse in vergrößertem Maßstab im Längsschnitt, Fig. 2 die Einspritzdüse im Querschnitt in der Ebene II-II der Fig. 1 und Fig. 3 und 4 den brennraumseitigen Teil der Einspritzdüse nach den Fig. 1 und 2 in zwei anderen Arbeitsstellungen im Längsschnitt in vergrößertem Maß­ stab.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die Einspritzdüse hat einen Düsenkörper 10, der zusammen mit einer Zwischenscheibe 11 mit einer Überwurfmutter 12 an einem Düsenhalter 13 festgespannt ist. Im Düsenkörper 10 sind eine Düsenöffnung 15 und davor ein konischer Ventilsitz 16 gebildet, der stufenlos in eine mit gleicher Konizität ausgeführte Schulterfläche 17 übergeht. Im Düsenkörper 10 ist in einem Führungsbereich 18 eine Ventilnadel 20 verschiebbar gelagert, die im Bereich eines Druckraumes 21 eine Druckschulter 22 am Übergang zu einem im Durchmesser kleineren Schaft 23 hat. Das brennraumseitige Stirnende des Schaftes 23 ist als Dichtkegel 24 ausgebildet, der mit dem Ventilsitz 16 ein der Düsenöffnung 15 vorgelagertes Ventil bildet. Vorzugsweise ist der Kegelwinkel des Dichtkegels 24 etwas stumpfer als der des Ventil­ sitzes 16, so daß sich ein kreislinienförmiger Dichtsitz ergibt.

Am nicht dargestellten oberen Ende des Düsenhalters 13 ist ein An­ schlußstutzen für eine Kraftstoff-Zuleitung vorgesehen, von welcher ein Kanal 26 im Düsenhalter 13, in der Zwischenscheibe 12 und im Düsenkörper 10 zum Druckraum 21 führt. Der Druck des zugeführten Kraftstoffs übt im Druckraum 21 an der Druckschulter 22 eine Kraft auf die Ventilnadel 20 aus, welche die Ventilnadel 20 vom Ventilsitz 16 weg nach oben zu verschieben sucht.

Am oberen, dem Dichtkegel 16 gegenüberliegenden Stirnende hat die Ventilnadel 20 einen Zapfen 31, der mit Spiel durch eine Bohrung 32 in der Zwischenscheibe 11 hindurchtritt. Die am Übergang zum Zapfen 31 gebildete Ringschulter 33 der Ventilnadel 20 begrenzt im Zu­ sammenwirken mit der unteren Stirnseite der Zwischenscheibe 12 den Öffnungshub der Ventilnadel 20. Die Bohrung 32 führt in eine im Durchmesser größere Bohrung 34, die in ein Sackloch 35 im Düsen­ halter 13 mündet, welches mit der Bohrung 34 eine Kammer 36 zur Auf­ nahme einer Schließfeder 37 bildet. Diese Schließfeder 37 wirkt über ein in der Bohrung 34 angeordnetes Druckstück 38 im Schließsinn auf die Ventilnadel 20 ein.

Stromabwärts des Druckraumes 21 ist in einer vom Ventilsitz 16 und der Schulterfläche 17 begrenzten Sackbohrung 40 des Düsenkörpers 10 eine erste Hülse 41 mittels eines Preßsitzes unverrückbar eingesetzt, die den Schaft 23 der Ventilnadel 20 einen Ringspalt 42 belassend umgibt. Die erste Hülse 41 hält stromabwärts eine zweite Hülse 43, in der der Endabschnitt 25 des Schaftes 23 der Ventilnadel abge­ dichtet verschiebbar geführt ist, axial dicht gegen die Schulter­ fläche 17 neben den Ventilsitz 16 gepreßt, wobei die aneinander an­ liegenden Stirnseiten der beiden Hülsen 41, 43 versetzt gegeneinan­ der abgestuft sind und einen Verbindungsspalt 44 vom Ringspalt 42 zu einem die zweite Hülse 43 umgebenden Ringspalt 45 belassen, der vor der Schulterfläche 17 zu einem ringförmigen Zwischenraum 46 erwei­ tert ist. Die erste Hülse 41, die im Düsenkörper 10 eingepreßt ist, dient als Niederhalter für die zweite Hülse 43 und hindert diese außerdem am Verdrehen.

In Höhe des Zwischenraumes 46 im Düsenkörper 10 ist die zweite Hülse 43 von vorzugsweise zwei symmetrisch angeordneten Zuströmöffnungen 47 durchsetzt, die als Schlitze ausgebildet sind und tangential in der Innenbohrung der Hülse 43 münden, welche bei vom Ventilsitz 16 zurückgezogener Ventilnadel 20 eine Drallkammer 50 bildet (Fig. 4). Der untere, der Schulterfläche 17 nahe Rand der Zuströmöffnungen 47 hat zu dem Schnittkreis der Innenbohrung der Hülse 43 mit der Schul­ terfläche 17 bzw. dem Ventilsitz 16 einen bestimmten Abstand a (Fig. 3), so daß die Ventilnadel 20 in Schließstellung die Mündung der Durchströmöffnungen 47 um dieses Maß a überdeckt. Der Quer­ schnitt der Zuströmöffnungen 47, die zum Ausbilden von Spritz­ strahlen dienen, ist auf eine bestimmte Einspritzrate ausgelegt. Die Zuströmöffnungen 47 können einen kreisrunden, ovalen oder langge­ streckten Querschnitt haben. Ergänzend wird bemerkt, daß die zweite Hülse 43 anstelle der ersten Fixier-Hülse 41 auch mit einer Feder in Anlage mit der Schulterfläche 17 gehalten werden kann.

An der brennraumseitigen Stirnseite des Düsenkörpers 10 schließt sich an die Düsenöffnung 15 eine kegelige Erweiterung 51 an, deren Kegelwinkel stumpfer sein kann als der des Ventilsitzes 16. Zudem kann die kegelige Erweiterung 51 in eine zylindrische Aussparung 52 übergehen.

Die oben beschriebene Einspritzdüse wirkt wir folgt:

Beim Zufördern einer Kraftstoffmenge und Aufbau des Druckes in der Druckkammer 21 wird die Ventilnadel 20 entgegen der Kraft der Schließfeder 37 vom Ventilsitz 16 abgehoben. Beim Durchlaufen eines Vorhubs, der gleich dem Deckungsmaß a ist, saugt der wie ein Kolben wirkende Endabschnitt 25 der Ventilnadel 20 Luft bzw. Gas aus dem Brennraum durch die Düsenöffnung 15 in die Drallkammer 50. Beim weiteren Zurückziehen der Ventilnadel 20 vom Ventilsitz 16 wird weiterhin Luft aus dem Brennraum in die sich ausbildende Drallkammer 50 eingesaugt. Gleichzeitig strömt aus der Druckkammer 21 durch den Ringspalt 42, den Verbindungsspalt 44 und den Ringspalt 45 in den Zwischenraum 46 geförderter Kraftstoff durch die beiden Zuströmöff­ nungen 47 unter der Wirkung des Einspritzdruckes mit hoher Geschwin­ digkeit tangential in die Drallkammer 50. Durch die definierte Aus­ bildung der Zuströmöffnungen 47 wird der hohe Druck des Kraftstoffes in Geschwindigkeit umgesetzt, so daß die in die Drallkammer 50 ein­ gespritzten Kraftstoffstrahlen eine Drallströmung erzeugen. Luft bzw. Gas und Kraftstoff werden durch diese Drallströmung intensiv vermischt, wobei sich die vorwiegend flüssigen Kraftstoffanteile in einer wulstförmigen Strömung am Drallkammerrand befinden. Dabei kommt es zu einer feinen Aufbereitungsqualität infolge einer Zwei­ phasen-Strömung an der Düsenöffnung 15. Beim Abfall des Förder­ druckes des Kraftstoffes und dem damit verbundenen Schließen der Ventilnadel 20 erzeugt diese in der Drallkammer 50 ein relativ hohes Druckgefälle, durch welches das Kraftstoff-Gasgemisch aus der Drallkammer 50 durch die Düsenöffnung 15 in den Brennraum verdrängt wird. Gegen Ende der Schließbewegung, wenn die Zuströmöffnungen 47 wieder zugesteuert sind, wird zwar der Drall zerstört, dafür ent­ steht jedoch eine konische Quetschströmung mit gleichfalls hoher Aufbereitungsqualität. Vorzugsweise ist die Düse so ausgelegt, daß der Kegel am Austritt der Düsenöffnung 15 einen größeren Winkel hat als der als Zulauf dienende Sitzwinkel des Ventilsitzes 16. Das Ver­ hältnis der Querschnitte der Zuströmöffnungen 47 zu dem Querschnitt der Düsenöffnung 15 ist so abgestimmt, daß in der Drallkammer 50 Überdrücke gebildet werden, die gegenüber denen im Brennraum um etwa 20 bar höher sind. Hinzuweisen ist noch darauf, daß die Öffnungsbe­ wegung der Ventilnadel 20 so schnell erfolgt, daß bei Hubende we­ niger als die halbe Vollastmenge in die Drallkammer 50 gespritzt ist. Dadurch wird eine Drallströmung verursacht, mit der eine Schichtung in der Drallkammer 50 gebildet wird, die von innen nach außen besteht aus Kraftstoffdampf und Gas, Luft und Gas, Nebel und Flüssigkeit wie Kraftstoffteilchen und Flüssigkeit jeweils in zwei Phasen. Dadurch wird beim Schließen der Nadel, wenn die Zwei­ phasen-Mischung in den Brennraum verdrängt wird, eine gute Ver­ mischung bei der Entspannung in der Düsenöffnung 15 und eine gute Zerstäubung erzielt. Die Einspritzdüse ragt so weit in den Brennraum hinein, daß einerseits hohe Temperaturen an der Düsennadel ent­ stehen, welche die Aufbereitung in der Dralldüse unterstützen, außerdem aber die Temperaturen in einem beherrschbaren Bereich bleiben. Die Einspritzdüse wird vorzugsweise von einer magnetventil­ gesteuerten Hochdruckstempelpumpe mit Kraftstoff versorgt.

Claims (4)

1. Kraftstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen mit einem Düsen­ körper, in welchem ein Ventilsitz und stromab zu diesem eine Düsen­ öffnung gebildet sind, mit einer mit dem Ventilsitz taktweise zu­ sammenwirkenden Ventilnadel, die im Düsenkörper verschiebbar gela­ gert ist und die von einer Schließfeder und entgegengesetzt dazu vom Kraftstoffdruck belastet wird, mit einer den kolbenartigen Endab­ schnitt der Düsennadel umgebenden und eine Drallkammer begrenzenden Wand, durch die Kraftstoff-Zuströmöffnungen tangential in die Drall­ kammer münden, dadurch gekennzeichnet, daß der Endabschnitt (25) der Ventilnadel (20) in deren Schließstellung die Drallkammer (50) aus­ füllt und die Kraftstoff-Zuströmöffnungen (47) überdeckt, daß beim Öffnungshub der Ventilnadel, während deren Vorhub a die Kraft­ stoff-Zuführöffnungen überdeckt bleiben, Gas aus dem Brennraum durch die Düsenöffnung (15) in die sich ausbildende Drallkammer (50) ein­ gesaugt wird, daß bei zunehmendem Öffnungshub der Ventilnadel (20) außer Gas aus dem Brennraum auch Kraftstoff unter Druck durch die Kraftstoff-Zuströmöffnungen (47) in die Drallkammer (50) strömt, wo­ bei in dieser ein Zweiphasen-Gemisch gebildet wird, und daß das Zweiphasen-Gemisch beim Schließhub der Ventilnadel (20) unter hohem Druck in den Brennraum verdrängt wird.

2. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Kraftstoff-Zuströmöffnungen (47) im Ver­ hältnis zu dem Querschnitt der Düsenöffnung (15) so abgestimmt ist, daß in der Drallkammer (50) Überdrücke entstehen, die gegenüber de­ nen im Brennraum höher als 20 bar sind.

3. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der die Düsenöffnung (15) umgebende Ventilsitz (16) die Form eines sich zur Düsenöffnung hin verjüngenden Kegels hat.

4. Kraftstoffeinspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine die radiale Umfangswand der Drallkammer (50) bildende Hülse (43) an einer koaxial angeordneten Hülse (41) fixiert ist, welche in einer Bohrung (49) des Düsenkörpers (10) ein­ gepreßt ist.