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Flüssigkeitsgesteuerte Brennstoffeinspritzdüse für schnellaufende
Dieselmaschinen mit luftloser Einspritzung Gegenstand der Erfindung ist eine durch
den Einspritzdruck selbst gesteuerte Einspritzdüse, insbesondere bestimmt für schnelllaufende
Fahrzeugdieselmotoren mit unmittelbarer Einspritzung (ohne Vorkammer). Diese kennzeichnet
sich gegenüber bekannten Düsen dieser Art hauptsächlich dadurch, daß der Düsenausflußquerschnitt
sich weitgehend der jeweiligen Drehzahl und Belastung anpaßt.
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Fahrzeugmotoren müssen mit großen Delastungs- und Drehzahlschwankungen
arbeiten; dies erfordert unter Verwendung der üblichen entsprechend der Motordrehzahl
angetriebenen Einspritzpumpen mit veränderlicher Einspritzwinkelgeschwindigkeit,
daß der Düsenausflußquerschnitt sich ändert, damit einerseits bei allen Betriebsverhältnissen
eine genügende Zerstäubung des Brennstoffes erreicht wird, von der wiederum ein
niedriger Brennstoffverbrauch abhängt, und damit andererseits die Einspritzdrücke
bei hohen Drehzahlen nicht unerwünscht groß werden (quadratischer Druckanstieg mit
der Drehzahl), falls der Düsenquerschnitt für niedrige Drehzahlen und gute Zerstäubung
berechnet wurde.
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Damit sehr hohe Drehzahlen erreicht werden, ist es insbesondere nötig,
den Brennstoff in eine möglichst feinkörnige Nebelwolke aufzulösen. Durch zwei Maßnahmen
läßt sich dies bewerkstelligen: Genügend hoher Einspritzdruck und Ausnutzung- der
Rand- oder Kantenwirkung der Düsenmündung. Urn eine gute Zerfaserung des Brennstoffes
durch die scharfkantigen Düsenmündungsränder zu erzielen, darf die Breite des Düsenspaltes
ein gewisses Höchstmaß (etwa o,i mm) nicht überschreiten. Der Hub des entweder nach
innen oder außen sich öffnenden Ventils ist also außerordentlich klein.
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Bei den bisher bekanntgewordenen Düsen kommt meistens Reine Schraubenfeder
zur Anwendung, um den Schluß des Ventils zu erzwingen. Die Schraubenfeder hat bekanntlich
den Nachteil der zu großen Empfindlichkeit gegen die stark wechselnden Einspritzdrücke,
derart nämlich, daß die Feder bereits auf geringe Drucksteigerungen mit einem zu
großen Weg, d. h. Hub des Ventils, reagiert, mit anderen Worten: Die Federspannung
ändert sich nur unwesentlich bei dem in Betracht kommenden geringen Ventilhub. Dies
kommt in Fig. i, Kurve a, zum Ausdruck. Es ist eine Vorspannung des Ventils von
8o Atmosphären angenommen; A sei der Endpunkt des zulässig größten 'Ventilhubes
und liege bei o, i mm. Man erkennt aus dem Verlauf der Kurve a das zu weite Öffnen
des Ventils bei zu hohen Drücken, also .entsprechend hohen Drehzahlen, d. h. kurzen
Einspritzzeiten. Es wird daher zuviel Brennstoff eingespritzt und meist dazu so
plötzlich, daß der zeitliche Verlauf der Verbrennung schwer zu beherrschen ist.
(Der Einspritzwinkel soll bei Vollast etwa 2s° bis 30° betragen.) Der Fehler kann
vermindert, aber nicht beseitigt werden, indem man eine Schraubenfeder mit größerer
Vorspannung verwendet (vgl. Kurve b). Hier
besteht dann aber die
Gefahr, daß bei kleinen Belastungen und niedrigen Drehzahlen, also auch entsprechend
niedrigen Einspritzdrükken, das Ventil sich überhaupt nicht mehr öffnet. Der Brennstoff
wird dann elastisch in der Rohrleitung zur Düse aufgenommen und entweicht teils
durch die Undichtheiten der Pumpe.
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Andererseits könnte man versuchen, die Fördermenge der Einspritzpumpen
zu vermindern, um die gewünschte Brennstoffmenge einzuspritzen. Es zeigt sich dann,
daß die Einstellung der Pumpe für niedrige Drehzahlen nicht stimmt. Dies macht sich
um so störender bemerkbar, je größer der Unterschied von höchster und niedrigster
Drehzahl und Belastung ist. Es besteht eben eine gewisse Abhängigkeit der einzuspritzenden
Brennstoffmenge vom Druck, Düsenquerschnitt und der Zeit, wenn man vom Einfluß der
Ausflußziffer absieht. Da nun bei einer bestimmten Drehzahl und Belastung die Z,inspritzzeit
gegeben ist, so müssen, um die erforderliche Brennstoffmenge einzuspritzen, Druck
und Düsenquerschnitt in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen.
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Ist nun eine Hubbegrenzung (Anschlag) des Einspritzventils vorgesehen,
so ist damit keine Regelung des Düsenausflußquerschnittes im Verhältnis zum jeweiligen
Einspritzdruck erreicht, denn ein Ventil mit der bisherigen Federbelastung öffnet
stets, einerlei ob niedriger oder hoher Druck, sofern dieser überhaupt zur genügenden
Zerstäubung ausreicht, bis zum Anschlag. Im wesentlichen ist es daher bei einem
.einfachen Kegelventil so, als ob nur ein gleichbleibender Ausflußquerschnitt, der
zum Unterschied von der offenen Düse eben abschließbar ist, besteht.
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Die bekannten Zapfendüsen vermeiden die obenerwähnten Nachteile des
zu weiten Eröffnens des Ventils durch einen in der Düsenmündung gleitenden Zapfen,
der den Durchflußquerschnitt in gewissen Grenzen regelt. Solche Düsen erscheinen
nun weniger geeignet, um eine sehr feine Zerstäubung zu erzielen, die für schnellaufende
Motoren angestrebt werden muß, denn der austretende Strahl wird durch den Zapften
geführt und zusammengehalten, seine Durchschlagkraft zwar erhöht, die Bedingungen
für eine Schnellverbrennung werden jedoch ungünstiger; zudem geht ein beträchtlicher
Teil des Einspritzdruckes durch die entstehende Doppeldrosselung verloren: Weiter
sind Düsen bekannt, deren Abschlußorgan trotz verhältnismäßig großen Hubes den Düsenquerschnitt
nur allmählich erweitert, z. B. halbkugelförmige Ventile. Auch hier wird der Brennstoffstrahl
durch die lange Führung an der Ventilwandung zusammengehalten, so daß die für die
Zerfaserung so günstige Wirkung einer scharfkantigen Düsenmündung verlorengeht.
Infolge des breiten Ventilsitzes haben etwaige Fremdkörper im Brennstoff leicht
Gelegenheit, sich im Ventilspalt festzusetzen und .das einwandfreie Arbeiten des
Ventils zu verhindern.
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Des weiteren sind Düsen bekannt, bei denen z. B. die Schraubenfeder
ersetzt wird durch die Elastizität des Ventilschaftes selbst. Durch die schnelle
Folge der Streckungen oder Dehnungen ermüdet der Werkstoff jedoch: sehr bald, so
daß eine bleibende Längenänderung entsteht. Das Ventil schließt dann nicht mehr
vollständig.
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Auch bei Düsen mit elastisch ausgebildeten Düsenlippen ist eine weitgehende
Anpassung des Ausflußquerschnittes an die jeweilige Drehzahl und Belastung des Motors
nicht zu erreichen.
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Die Einspritzdüsen gemäß der vorliegenden Erfindung vermeiden die
oben angegebenen Nachteile, die sich ergeben, wenn die verschiedenartigen bekannten
Düsen zu Einspritzzwecken für Dieselmotoren mit stark wechselnder Drehzahl verwendet
werden sollen, indem die sonst meist übliche Ventilbelastung mit Hilfe einer Schraubenfeder
durch einen Plattenfederblock ersetzt ist. Dieser Federblock unterscheidet sich
von den bisherigen Platten- und Membranfedern dadurch, daß jedes einzelne Federelement
an der Durchbiegung »nacheinander« teilnimmt. Die Anordnung bei den bekannten Plattenfederventilen
war nämlich derart, daß der Ventileröffnungsdruck schon zu Beginn des Anhubes gleichzeitig
auf sämtliche Federelemente übertragen wurde. Die Unterteilung des Blockes in einzelne
Elemente hat dort lediglich den .Zweck, die Elastizität zu erhöhen, wodurch fast
die gleichen unerwünschten Eigenschaften wie beider Schraubenfeder entstehen. Der
neue Plattenfederblock ist dagegen sehr hart federnd, @d, h. ein sehr geringer Ventilhub
entspricht bereits einem starken Anstieg der Federkraft.
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Dies veranschaulichen in Fig. z die stetig verlaufenden Kurven cl
bis cg und zeigen, wie verschiedenartig, je nach Zweckmäßigkeit, die Charakteristik
des Plattenfederblockes gewählt werden kann in Abhängigkeit von dem gewählten Durchbiegungsmaß
jedes einzelnen Federelementes, dem Plattendurchmesser, der Plattenstärke, der Anzahl
der Platten und schließlich noch von der Materialauswahl, wobei keine annähernd
lineare Abhängigkeit des Düsenausflußquerschnittes vom jeweiligen Einspritzdruck
zu bestehen braucht, sondern der Düsenquerschnitt sich z. B. mit steigendem Einspritzdruck
langsamer und langsamer vergrößern kann.
Fig. 2 stellt eine Düse
im Längsschnitt und in Seitenansicht mit nach außen sich öffnendem Kegelventil i
dar; sie ist mit der neuen Fader ausgerüstet, welche durch übereinanderschichten
von Platten 3, die z. B. nach Fig.4 (vergrößert dargestellt) ausgeführt sein können,
entsteht. Es sind kreisförmige Stahlplatten, deren eine Seite plan geschliffen und
deren andere Seite derart geschliffen ist, daß die Randstärke um ein ganz bestimmtes
Maß geringer wird als die Mitte der Scheibe, also entweder konisch oder konvex.
Dieses Untermaß (Durchbiegungsmaß) betrage z. B. o,oi mm. Werden jetzt mehrere dieser
Platten, deren Stärke und dessen Randuntermaß nicht untereinander gleich zu sein
braucht, wechselseitig aufgereiht, angenommen zehn Stück mit je o,oi mm Untermaß,
so entsteht eine Feder, deren Zusammendrückbarkeit sich von o bis o,i mm ändert
in vorherbestimmbarer Abhängigkeit von der Druckkraft, d. h. vom Einspritzdruck.
Infolge der geringen elastischen Beanspruchung der Platten ist eine Ermüdung des
Materials im Dauerbetrieb, die z. B. bei der elastischen Formänderung des obenerwähnten
Ventilschafts eintritt, nicht zu befürchten. Fig.5 zeigt, wie sich eine Platte nach
der anderen bei Druckeinwirkung gegen die benachbarte unter Spannungsäußerung legt.
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Solche Federplatten «-erden nun in der jeweilig erforderlichen Anzahl
auf den Ventilschaft q., Fig. 2, gesteckt, so daß ein Federblock 5 entsteht. Da
das Zerstäuberventil i wie üblich eine Vorspannung erhält, so sind einige Federplatten
mehr erforderlich, als der Eröffnungshub ausmacht. Die Vorspannung wird einreguliert
durch die auf dem Ventilschaftgewinde sitzende Druckplatte 6, welche die erste Federplatte
nur an ihrem äußeren Rande berührt. Die Löcher 7 dienen zum Ansetzen eines Schlüssels.
Die Stellung der Druckplatte wird durch eine Kontermutter 8 gesichert. Die Verschlußschraube
g füllt möglichst den schädlichen Raum io aus.
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Beim Zusammenbau wird die Düse in filtrierten Brennstoff getaucht,
damit sämtliche Hohlräume, insbesondere auch die sehr engen Spalten zwischen den
einzelnen Federelementen 3, mit Flüssigkeit ausgefüllt werden, denn etwaige Luftbläschen
im Düsengehäuse behindern die genaue Einspritzung.
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Da das Ventil, um eine sehr feinkörnige Zerstäubung zu erreichen,
nur einen engen Düsenspalt freilegt, so besteht trotz sorgfältiger Filtration die
Gefahr der gelegentlichen Verstopfung durch Fremdkörper. Damit in diesem Falle die
Düse schnellstens gereinigt und durchspült werden kann, wobei auch etwa vorhandene
Luftbläschen ausgeblasen werden, ist bei der Düse nach Fig. 2 durch die Verschlußschraube
die Druckschraube ii hindurchgeführt, mit deren Hilfe das Ventil aufdrückbar ist.
Um über den normalen Hub (im obigen Beispiel o,i mm) öffnen zu können, sind weitere
Federplatten zusätzlich angeordnet, so daß dann ein Gesamthub von etwa o,2 inin
erreicht wird, der in den meisten Fällen zur Durchspülung genügen dürfte.
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Bei der laufenden Maschine wird im Augenblick der Düsenreinigung diiie
Verdichtung des betreffenden Zylinders vermindert, so daß die Zündung aussetzt,
oder es wird durch die gröbere Zerstäubung von selbst ein heftiger Druckanstieg
im Zylinder vermieden. Das Kugelrückschlagventil 12 verhindert während des Reinigens
ein Zurückdrücken des Brennstoffes und das Eindringen von Luft in die Düse. Nach
erfolgtem Zurückdrehen der Druckschraube i i legt sich der Bund 13 fest gegen seine
Dichtungsfläche.
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Fig. 3 zeigt die Anwendung der Plattenfeder bei einem Nadelventil.
Der Federblock 14. wird unter Vermittlung der Druckplatte 15 hier in entgegengesetzter
Richtung zu der Ventilfeder nach Fig.2 zusammengepreßt. Die Verschlußschraube 16
dient gleichzeitig zur Einregulierung der Vorspannung; die lange Durchbohrung derselben
soll möglichst abdichtend auf den hindurchgeführten Ventilschaft 17 wirken. Der
Brennstoff kann z. B. durch den hohlen Ventilschaft fließen, der mit der Druckleitung
starr verbunden ist, so daß letztere den geringen Hub der Nadel mitmacht. Für eine
leichte Reinigung der Düse ist ebenfalls gesorgt, und zwar durch die Schraube 18,
die die Nadel anhebt.
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Der Ventilsitz ist bei beiden Düsen (Fig. 2 und 3) möglichst schmal;
es geht daher vom Einspritzdruck nur wenig verloren, und Schmutzteilchen haben nicht
so leicht Gelegenheit sich festzusetzen.
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Nun hat bekanntlich ein feinkörniger Brennstoffnebel den Nachteil
einer nur geringen Durchschlagskraft. Es wird daher in an sich bekannter Weise oft
die in Wirbelung versetzte Verbrennungsluft zum Verteilen des Nebels herangezogen.
Da aber bei den winzigen Nebeltröpfchen, die an sich für eine schnelle Entflammung
sehr geeignet wären, der Reibungswiderstand der Luft (daher die geringe Durchschlagskraft)
gegenüber dem Trägheitswiderstand stark hervortritt, so ist die Relativgeschwindigkeit
der Nebelteilchen zur forttragenden Luft nur gering. Die Größe der Relativgeschwindigkeit
beeinflußt jedoch maßgebend die schnelle Wärmeaufnahme des Brennstoffes zur Erreichung
der Zündtemperatur, d. h. sie vermindert den Zündverzug.
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Zwecks Kürzung des Zündverzuges kann
besonders die
Düse nach Fig.2 derart vervollkommnet werden, daß neben dem feinen Brennstoffnebel
auch ein Strahl aus gröberen Tropfen mit größerer Durchschlagskraft, also höherer
Relativgeschwindigkeit, gebildet wird. Dieser Brennstoffstrahl kann zudem vorteilhaft
so gerichtet sein, daß er die heißesten Zonen des Brennraumes durchdringt und an
Glühstellen vorbeistreicht. Es tritt daher trotz des größeren Korndurchmessers eine
Schnellzündung ein, die nicht gleichbedeutend ist mit einer Schnellverbrennung des
Brennstoffstrahles. Darum muß natürlich bei diesem Verfahren Brennstoffstrahl und
-nebel in einem bestimmten Mengenverhältnis stehen. Eine unvollkommene Verbrennung
darf keinesfalls durch Vorhandensein zu zahlreicher gröberer Tropfen herbeigeführt
werden.
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Der Strahl hat also die Aufgabe, die Zündung zu beschleunigen, wobei
er gewissermaßen als Initialzünder wirkt, und die Entflammung fortzutragen, um einen
sanften Druckanstieg im Arbeitszylinder zu erzielen; denn würde die Zündung z. B.
erst nach Beendigung der Einspritzung einsetzen, so wäre die Folge eine explosionsartige
Verbrennung verbunden mit stoßendem Maschinengang.
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Fig.6 zeigt die Mündung des Einspritzventils nach Fig. 2 in Vergrößerung
und die Mittel zur Erreichung einer gröberen Zerstäubung (Strahlbildung) neben der
feinen.
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i. Der feste oder bewegliche Ventilsitz ig wird an einer bestimmten
Stelle mit einem Haarriß (Rille) 2o versehen, wobei sein Mündungsrand 21 ein wenig
abgestumpft ist; der übrige Rand bleibt scharfkantig.
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2. Der Düsenrand wird an einer bestimmten Steile lediglich abgestumpft,
so daß der zerstäubende. Einfiuß der Kanten gemildert ist und der Brennstoff strahlförmig
mit erhöhter Durchschlagskraft austritt. In letzterem Falle kann die Düse als eine
»vollkommen geschlossene Düse« bezeichnet werden, denn der .abdichtende Ventilsitz
bleibt unberührt.
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Wie schon oben erwähnt, soll der Brennstoffstrahl die heißesten Zonen
des Brennraumes durchdringen und an Glühstellen vorbeistreichen; seine Lage und
Austrittsrichtung ist daher bestimmt, und da es sich hier um Düsen für Motoren mit
hoher Drehzahl handelt mit meist sehr kleinen je Hub einzuspritzenden Brennstoffmengen,
so kommt nur eine einzige Strahlbildung in Betracht, damit die Feinstzerstäubung
nicht in Frage gestellt wird.
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Gegenüber bekannten Düsen mit mehreren Rillen im zylindrischen Ventilfortsatz,
durch welche die Vorteile der Mehrlochdüse erreicht werden sollen, ist im vorliegenden
Falle der Zweck der Anordnung nur einer Rille 2o im Ventilsitz ein anderer.
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Allgemein muß die Form des Brennraumes bei schnellaufenden Motoren
mit unmittelbarer Brennstoffeinspritzung dem Strahlenbild der Düse angepaßt sein,
damit die Verbrennungsluft gut erfaßt wird, und damit die Brennstoffteilchen nicht
in Berührung mit den Wandungen kommen. Da die Düsen gemäß der Erfindung ein kegelförmiges
Strahlenbild besitzen und für letzteres eine geeignete Ausbildung des Brennraumes
nicht bei jedem beliebigen Dieselmotor verwirklicht werden kann, oder wo dies möglich
ist, die Maschine wieder zur Erreichung von hohen Drehzahlen ungeeignet erscheint,
so besteht ein gewisser Zusammenhang von vorliegender Düse mit einer bestimmten
Motorbauart, bei der sowohl das eine als auch das andere erreichbar ist, denn die
neue Plattenfederung hat nur Sinn und Zweck bei schnellaufenden Motoren mit stark
wechselnden Drehzahl-und Belastungsschwankungen. Eine Maschine, die obige Anforderungen
erfüllt, ist in dem Patent 114 973 beschrieben. Es handelt sich um einen Viertaktmotor
mit kombiniertem Ein- und Auslaßventil, der demnach nicht zum Gegenstand der vorliegenden
Erfindung gehört.
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Fig. 7 zeigt einen Längsschnitt .durch einen derartigen Motor in Verbindung
mit einer nach Fig. 2 ausgeführten Düse 22, wobei der Beginn der Brennstoffeinspritzung
bei hoher Drehzahl etwa 30° vor dem oberen Totpunkt veranschaulicht wird. Die augenblickliche
Form des Verdichtungsraumes bei dieser Kurbelstellung ist durch Schraffur hervorgehoben,
und man erkennt die Wirbelbildung, die dadurch entsteht, daß der Kolben 23 die Luft
aus dem ringförmigen Raum 24 verdrängt und in die kugelähnliche Brennkammer 25 hineinschiebt.
Das gezeichnete kegelförmige Strahlenbild der Düse, deren Achse etwa senkrecht zu
derjenigen des Motorzylinders steht, wird natürlich durch die Luftwirbel stark verzerrt.
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Der oben beschriebene neben dem Brennstoffschleier ausgespritzte Strahl
aus gröberen Tropfen ist mit 26 bezeichnet (Fig.7); er dringt in den heißen Kern
der halbkugeligen Kolbenbodenhöhlung 27 ein, die durch ein Chromblech 28, welches
im Betriebe des Motors Dunkelrotglut annehmen kann, möglichst vom Kolbenkörper isoliert
ist.
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Bemerkenswert ist noch die Isolation des Düsenkörpers vom Zylinderkopf,
damit eine möglichst gleiche Wärmerdehnung zwischen Ventilspindel und Düsenkörper
aufrechterhalten wird zur Vermeidung von Unterschieden in der Vorspannung des -
Plattenfederblockes.
Auch die hier beschriebenen besonderen Einzelheiten
der@Maschine gehören aber nicht rum Gegenstand vorliegender Erfindung.