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Einspritzdüse für Brennkraftmaschinen mit Selbstzündung Die Erfindung
betrifft eine Einspritzdüse für Brennkraftmaschinen mit Selbstzündung, deren Nadel
sich entgegen einer an ihr angreifenden Schließkraft durch den an ihrer zwischen
ihrem Führungsschaft und ihrer Sitzfläche gebildeten Öffnungsschulter angreifenden
Brennstoffdruck von ihrem Sitz abhebt und dabei mindestens während eines ersten
Teils ihres Öffnungshubes durch einen in eine entsprechende Aussparung im Düsenkörper
eintauchenden zapfenartigen Ansatz zusammen mit dem Düsenkörper einen Drosselspalt
bildet, dessen Querschnitt kleiner ist als der bei diesem Hubteil freigelegte Sitzquerschnitt
und überhaupt den engsten Querschnitt im Durchflußweg darstellt.
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Diese Düsenart ist vielfach bekannt unter der Bezeichnung »flüssigkeitsgesteuerte
Zapfendüse«. Der meist hinter dem Sitz am Nadelende angeordnete, in den Düsenkörper
mit mehr oder weniger Spiel über den ganzen oder nur über einen Teil des Nadelhubs
geführte Zapfen, ist bei solchen Düsen schon aus verschiedenen Gründen vorgesehen
worden.
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Dort wo der Führungsspalt des Zapfens zugleich den Düsenaustrittsquerschnitt
bildet, ist die Ausbildung des Zapfens maßgebend für die Führung und Auflösung des
Brennstoffs und damit für die Gestalt des Strahlbildes.
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Es ist auch schon vorgeschlagen worden, einen . zylindrischen Zapfenansatz
an der Nadel ganz kurz auszubilden und ihn mit größtmöglicher Genauigkeit in seine
ebenfalls zylindrische Führung einzupassen. In diesem Fall soll der schon nach einem
kleinen Teil des Nadelöffnungshubes aus seiner Führung auftauchende Zapfen lediglich
als zusätzliches Abdichtglied dienen.
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Außerdem ist am inneren Nadelende auch vielfach deshalb ein Zapfen
angeordnet worden, weil er durch seine Bewegungen ein Verkrusten der Düsenmündung
verhindert.
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Nach einem weiteren bekannten Vorschlag soll der den engsten Düsenquerschnitt
bestimmende Spalt zwischen dem Zapfen und der Führung so ausgebildet sein, daß sich
der freie Düsenquerschnitt beim Öffnungshub des Ventils nur allmählich erweitert.
Auf diese Weise sollte erreicht werden, daß die beim Beginn der Ventilöffnung einspritzende
Brennstoffmenge möglichst klein ausfällt. Diesem bekannten Vorschlag liegt die Erkenntnis
zugrunde, daß die meisten Düsen schon gleich zu Beginn der Öffnung ihres Ventils
einen viel zu großen Anteil der bei einem Einspritzvorgang in den Brennraum einzuführenden
Brennstoffmenge ganz plötzlich durchlassen, so daß diese große Teilmenge bei ihrer
Selbstentzündung explosionsartige Drucksteigerungen hervorruft, die einen harten
Gang des Motors verursachen. Mit dieser Düse sollte besonders bei niederen Drehzahlen,
z. B. im Leerlauf, der vielfach recht harte Gang beseitigt werden, indem man die
über den Anfang der Einspritzzeit in den Brennraum gelangende Brennstoffmenge möglichst
klein hält. Die Praxis hat gezeigt, daß dies mit einer solchen Düse nicht möglich
ist.
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Der Grund, weshalb der bekannte Vorschlag nicht zum Ziel führte, ist
wohl darin zu suchen, daß die Zeit, in der sich der über einen Teil des Eröffnungshubes
beabsichtigte Spritzvorgang
abspielt, bei der dabei verwendeten
Düse ebenso wie bei den anderen bekannten Zapfen-, düsen viel zu kurz ist, um eine
merklicke:_ Besserung des abzustellenden Mangels herlxpi#`#:t : zuführen.
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Die sehr kurze Dauer des Vorgangs nun darauf zurückzuführen, daß die
Düsennadel, sobald sie sich anzuheben beginnt, mit viel zu großer Beschleunigung
bis in ihre Eröffnungsstellung fliegt, so daß gewissermaßen schlagartig ein großer
Ausspritzquerschnitt aufgerissen wird und demzufolge entgegen den beabsichtigten
Bestrebungen unmittelbar nach dem Spritzbeginn eine große Brennstoffmenge aus der
Düse austritt. Zu diesem blitzartigen Öffnungsvorgang trägt gerade der Zapfen viel
bei. Sobald nämlich die Nadel sich von ihrem Sitz abzuheben beginnt, gelangt der
hochgespannte Brennstoff, der infolge des zwischen dem Zapfen und seiner Führung
bestehenden Drosselspalts sich zunächst nicht wesentlich entspannt, unter die Ringfläche
zwischen Zapfen und Ventilsitzkante und greift an dieser Zusatzschulter im Öffnungssinn
an. Diese Kraft ist es, welche das Öffnen der Nadel bei den bekannten Zapfendüsen
so übermäßig beschleunigt, daß damit die angestrebte, mit flachem Anstieg beginnende
Spritzcharakteristik bisher nicht erreicht wurde.
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Diese Erkenntnis zusammen mit der Überlegung, daß es zum Beseitigen
der harten Zündschläge ganz wesentlich beitragen muß, wenn man die am Anfang flach
ansteigende Spritzcharakteristik bis zum Ablauf des Zündverzugs hinzieht, haben
zu der Erfindung geführt. Es handelt sich hier also darum, über die Dauer des Zündverzugs
oder über einen großen Teil dieses Verzugs jeweils nur so viel Brennstoff aus der
Zapfendüse entweichen zu lassen, als beim Entzünden ohne harte Zündschläge verbrennen
kann. Dies kann man erreichen, indem man die Beschleunigung der Düsennadel mindestens
über den Anfangsteil ihres Öffnungshubes, wo ihr Zapfen den Brennstoffaustritt noch
bedeutend stärker drosselt als beim restlichen Hubteil, ganz wesentlich herabmindert.
Wird die Beschleunigung der Öffnungsbewegung so vermindert, daß über den ersten
Hubteil eine Zeit verstreicht, die etwa der Dauer des Zündverzuges entspricht, so
ist das angestrebte Ziel erreicht.
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Gemäß der Erfindung ist dies möglich, indem man eine Schließfeder
verwendet, deren Steifigkeit .22 bis 35 kg auf i mm Federweg beträgt und den Zapfen
der Düsennadel- so ausbildet, daß die Projektion der Öffnungsschulter zur Projektion
der Zusatzschulter sich verhält wie 7: i bis 3,5: i, wobei der erste Nadelhubteil
etwa 1J3 bis 2I3 gegenüber dem Gesamthub vöri i bis o,6 mm beträgt.
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Auf der Zeichnung sind vier Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
darge-,stellt.
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Abb. i zeigt eine Zapfendüse samt Halter iatürlicher Größe im Längsschnitt,
b. 2 stellt einen Längsschnitt durch den °üiileren Teil der Düse nach dem ersten
Aus-'führungsbeispiel in etwa iofacher Vergrößerung in der Schlußstellung der Nadel
dar.
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Abb. 3 zeigt in gleicher Vergrößerung einen Ausschnitt aus Abb.2,
jedoch mit teilweise angehobener Nadel, während in Abb. q. die Nadel ganz angehoben
dargestellt ist.
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Abb. 5 zeigt das zweite Ausführungsbeispiel in gleicher Darstellungsart
wie in Abb. 3 und 4, die Nadel ruht hier aber auf ihrem Sitz.
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In Abb.6 ist wiederum im Längsschnitt und etwa iofacher Vergrößerung
das dritte Beispiel angegeben, und Abb. 7 zeigt das vierte Ausführungsbeispiel in
gleicher Darstellungsart.
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Die Düsennadel b ist mit ihrem Schaft c dichtend in einer Bohrung
im Düsenkörper a geführt. Die obere Stirnfläche des Düsenkörpers wird durch eine
Überwurfmutter d fest und dicht gegen die untere Schaftstirn eines Düsenhalters
e gepresst. Der Halterschaft besitzt eine Längsbohrung f, in welcher eine Druckstange
g angeordnet ist, deren unteres Ende auf dem oberen, gegen den Führungsschaft abgesetzten,
ein kleines Stück weit in die Längsbohrung f hineinragenden Ansatz
h
der Düsennadel aufsitzt. Die Längsbohrung f hat am unteren Ende eine Verengung,
deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser des Düsenschaftes, so daß sich
eine ringförmige Schulter.i über die Führungsbohrung der Düsennadel legt, die den
Öffnungshub der Nadel auf das eingetragene Maß x begrenzt, das etwa o,6 bis i,o
mm beträgt.
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Eine erweiterte Ausnehmung k im Kopf des Düsenhalters nimmt die sehr
steife Schließfeder m auf, die sich unten gegen einen auf dem oberen Ende der Druckstange
g aufsitzenden Federteller n und oben gegen einen Federteller o abstützt. Der obere
Federteller umgreift das Ende einer Verstellschraube P, die in den Boden einer den
Federraum k abschließenden Kappe q eingeschraubt ist.
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Die Brennstoffzufuhr zur Düse erfolgt durch das Ahschlußstück y über
Bohrungen s, t im Düsenhalter e und einen Kanal u im Düsenkörper a.
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Vom Kanal u gelangt der Brennstoff in einen Ringraum v im Düsenkörper,
der durch Absetzen der Nadel gegen ihren Schaft gebildet wird. Der abgesetzte Nadelansatz
w trägt die Nadelsitzfläche y.
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Beim Ausführungsbeispiel nach den Abb. 2 bis q. ist der Ansatz w unterhalb
der Sitzfläche y noch einmal abgestuft. Der so gebildete
Zapfen
z reicht in das auf seinem letzten Teil zylindrisch ausgebildete Mündungsloch der
Düse mit ganz geringem Spiel hinein. Der untere Zapfenteil ist zur Führung des Brennstoffstrahls
kegelstumpfförmig ausgebildet, und zwar derart, daß der Kegelstumpf mit seinem größeren
Durchmesser das untere Nadelende bildet.
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Der in den Ringraum v geförderte Brennstoff drückt gegen die zwischen
der Nadelführung c und dem Ansatz w befindlichen Ringschulter und hebt, wenn der
Druck genügend ist, die Nadel entgegen dem Druck ihrer Schließfeder m an. Über den
ersten Nadelhubteil, dessen Ende in Abb.3 dargestellt ist, wird der Austrittsspalt
für den Brennstoff durch den sehr engen Ringquerschnitt gebildet, der zwischen dem
zylindrischen Teil des Zapfens z und der Mündungsbohrung besteht. Dieser Ringquerschnitt
läßt nur wenig Brennstoff ausspritzen. Damit dieser erste Teil des Nadeleröffnungshubes
sich nicht zu rasch abspielt, ist eine verhältnismäßig recht steife Schließfeder
vorgesehen, und überdies ist die zwischen dem Nadelschaft c und dem Ansatz w vorhandene
Ringschulter (Öffnungsschulter) im Verhältnis zu der zwischen Ansatz w und Zapfen
z vorhandenen Ringschulter (Zusatzschulter) recht groß bemessen; viel größer als
dies bisher bei Zapfendüsen üblich war. Die Wirkung der Zusatzschulter, an welcher
der ,Brennstoffdruck im Öffnungssinn angreift, sobald die Nadel von ihrem Sitz angehoben
wird, und dadurch den Nadelhub zu beschleunigen bestrebt ist, wird schon durch diese
Abstimmung der Ringflächen gemildert. Durch die steife Feder m wird die Wirkung
der zusätzlichen Beschleunigungskräfte noch weiterhin herabgedrückt, so daß der
Nadelanhub sich über einen langen Teil der Einspritzzeit erstreckt. Der erste Teil
des Nadelanhubes, wo die Zylinderfläche des Zapfens den Brennstoffausfluß stark
drosselt, wird so bemessen, daß dieser Hubteil der Zündverzugszeit angepaßt ist,
dadurch erreicht man, daß in diesem ersten Teil des Einspritzvorgangs wenig Brennstoff
in den Brennraum gelangt.
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Sobald der zylindrische Teil des Zapfens z aus seiner Führung im Boden
des Düsenkörpers heraustaucht, wird ein. wesentlich größerer Ausspritzquerschnitt
freigelegt. Die in der Zeiteinheit ausspritzende Brennstoffmenge steigt dann entsprechend
an.
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Recht brauchbare Verhältnisse ergeben sich, wenn man das Verhältnis
der beiden Nadelringflächen etwa wie 5,5: x gestaltet, den ersten Teil des etwa
o,7 mm betragenden Gesamtnadelhubes auf ungefähr 0,4 mm bemißt und die Steifigkeit
der Feder auf etwa 30 kg für den Millimeter Federweg. Eine Schraubenfeder'
aus 4 mm Rundstahldraht von 16 mm Außendurchmesser mit etwa 4,5 Gängen ergibt ungefähr
diese Steifigkeit.
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Das zweite Ausführungsbeispiel nach Abb. 5 unterscheidet sich vom
ersten nur durch eine unwesentliche Änderung des Nadelzapfens z, dessen unteres
Ende hier zylindrisch abgesetzt ist. Diese Düse ergibt einen sehr engen Schnurstrahl,
während die Düse nach Abb. x einen mehr kegelförmigen Strahl erzeugt.
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Das dritte Ausführungsbeispiel - zeigt eine sogenannte Lochdüse mit
zwei Spritzlöchern A. Die Länge des Zapfens z ist hier der Größe des ersten Nadelhubteils
angepaßt. Die durch den Ringspalt zwischen dem Zapfen und seiner Führung hervorgerufene
Drosselung ist natürlich stärker zu bemessen als die Drosselung durch die Spritzlöcher.
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Das gleiche gilt auch für die in Abb. 7 dargestellte Lochdüse, wo
das untere Ende des Nadelansatzes w gleichzeitig den die Drosselung über den ersten
Nadelhubteil bewirkenden Zapfen bildet.
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In den Abb. 5 bis 7 ist die höchste Nadelstellung jeweils punktiert
eingezeichnet.