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Selbsttätige Nadeldüse Bei selbsttätigen Nadeldüsen für Einspritzmotoren,
deren Nadel dadurch in der dem Brennraum der Kraftmaschine entgegengesetzten Richtung
bewegt wird, daß der Pumpendruck unter einem mit ihr verbundenen Kolben wirksam
wird, während derselbe über diesem Kolben entfernt wird, sammelt sich über dem Kolben
stets etwas Lecköl, zu dessen Wegleitung aus dem Raum über dem Nadelkolben eine
besondere Leitung notwendig ist.
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Die Feder, welche die Nadel auf ihren Sitz drückt, muß so stark sein,
daß sie ,erst bei einem bestimmten, oft recht hohen Öffnungsdruck zusammengedrückt
wird. Ihre so bestimmte Belastung drückt, wenn der Pumpendruck: aufhört, die Nadel
auf den verhältnismäßig kleinen Sitz.
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Ferner sind die Nadeldüsen durch die verschiedensten Maßnahmen, z.
B. durch Anbringung einer dauernd offenen Spritzöffnung in der Düsenkappe, so gebaut
worden, daß sie vor der die eigentliche Einspritzung ergebenden Betätigung der Düsennadel
die Voreinspritzung einer kleinen Brennstoffmenge herbeiführen.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, auf die völlige Entlastung
der Oberseite des Nadelkolbens und damit auf die Leckölleitung zu verzichten und
andererseits eine wesentlich schwächere Belastungsfeder zu verwenden, während gleichzeitig
die Aufgabe der Voreinspritzung in besonders vorteilhafter Art gelöst wird.
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Dies wird dadurch erreicht, daß der Raum über dem Nadelkolben gegen
die Brennstoffleitung, welche den Pumpendruck enthält, zwar abgesperrt, mit demselben
aber durch eine stark drosselnde Öffnung verbunden ist, und daß andererseits, am
besten durch die Nadel hindurch, eine an der Nadelspitze mündende, ebenfalls sehr
enge Verbindung mit dem Verbrennungsraum hergestellt ist. In diesem abgesperrten
Raum befindet sich dann
die gegenüber den gebräuchlichen wesentlich
kleinere Belastungsfeder der Nadel.
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Die wirkungsweise ist null folgende. Sobald der Pumpendruck entsteht,
strömt der Brennstofft durch die drosselnde Öffnung in den Raum über dem Nadelkolben,
durch die Nadel und durch die feine Bohrung an ihrer Spitze in den Verbrennungsraum.
Diese feine Bohrung ist so bemessen, daß nur ein Bruchteil, z. B. etwa % des gesamten
Brennstoffes, durch sie wie durch eine offene Düse eingespritzt -wird.
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Sobald die Bewegung des Brennstoffes durch die beiden drosselnden
Öffnungen stattfindet, entsteht an beiden Stellen ein Druckabfall. Bei der Einspritzöffnung
in den Verbrennungsraum hinein sinkt aber der Druck bis auf denjenigen des Gegendruckes
im Verbrennungsraum, wobei die gesamte Energie in Geschwindigkeit umgewandelt wird.
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Bei der drosselnden Öffnung von der Druckleitung nach dem Raum über
dem Nadelkolben kann der Druckabfall durch das Verhältnis zu der Bohrung in der
Nadelspitze so bestimmt werden, daß er einen bestimmten Bruchteil des Pumpendrucks
ausmacht, z. B. bei einem Pumpendruck von 16o Atm. etwa 2o Atm. beträgt. Die Drucke
werden sich an einem bestimmten Zeitpunkt also ungefähr so verhalten, wie dies in
Abb. i dargestellt ist. Bis zu der drosselnden Öffnung zwischen Druckleitung und
dein Raum über dein Nadelkolben herrscht der volle bzw. um die Drosselung in der
Druckleitung v erininderte Pulnpendruck P, Hier wird er auf P._ heruntergedrosselt,
so daß von dieser drosselnden Öffnung bis zti der Einspritzöffnung an der Nadelspitze
der Druck P. herrscht, welcher dann beim Einspritzen auf P9, etwa den Druck im Verbrennungsraum,
herabfällt.
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Sobald nun die Druclcdifferenz Pl-P. so groß geworden ist, daß die
Federbelastung kleiner wird als der auf den unteren Ringquerschnitt des Nadelkolbens
ausgeübte Überdruck, öffnet die Nadel und schließt ebenso wieder, sobald der Druck
im Druckraum heruntergeht. Bevor die Nadel öffnet, wird eine kurze Zeit lang nur
der Einspritzstrahl aus der feinen Öffnung der Nadelspitze eViigespritzt werden
und ergibt so die gewünschte Voreinspritzung.
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Beim Schließen der Nadel -wird der Druck über dein Nadelkolben auf
jeden Fall rascher abfallen als der Pumpendruck, da der .durch die Feder heruntergedrückte
Nadelkolben saugend wirkt. So ergeben sich nun folgende Vorteile dieser Anordnung.
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i. Gegenüber einer offenen Düse besteht die Gefahr eines Verkokens
durch die Voreinspritzung (Vortropfen) nicht, da etwa vor der eigentlichen Einspritzung
heraustretendeTropfen durch den später vorbeisirörnenden V ollstrahl der Nadeldüse
weggenommen werden, während die Wirkung des Nachtropfens dadurch beseitigt ist,
daß in dem Raum über dein Nadelkolben der Druck rascher sinkt als in der Druckleitung,
also auch die Einspritzung durch die feine Öffnung an der Nadelspitze rascher aufhört
als die Einspritzung durch den Nadelsitz.
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2. Gegenüber der normalen _\adeldüse ist vorteilhaft der Wegfall der
Leckölleitung. Das durchdringende Lecköl wird einfach dem durch die drosselnde Öffnung
eintretenden zugezählt.
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3. Die Feder kann ganz erheblich viel kleiner und schwächer gemacht
werden, z. B.
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so stark wie bei der normalen. Dadurch wird das starke Hämmern der
Nadel auf ihren sehr schmalen Sitz und die Verschleißwirkung desselben vermindert.
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.t. Durch die feine Bohrung in der Nadelspitze wird der Brennstoffstrahl
schon etwas vor der eigentlichen Nadelöffnung eingespritzt und damit die meistens
sehr erwünschte Vorzündung zur Verkürzung des Zündverzugs der Haupteinspritzung
erreicht.
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j. Bei Vorkammermotoren mit einem der Einspritzöffnung gegenüberliegenden
Kanal zum Arbeitsraum ist es möglich, dadurch, daß dieser feine Strahl besonders
gut geführt wird (z. B. wenn die Länge der feinen Bohrung = 4 d beträgt), ein Durchschlagen
desselben bis in den Arbeitsraum zu erreichen. Dieses wird besonders dann, wenn
die Luftgeschwindigkeit in diesem Kanal so Beinessen ist, daß sie bei der Anlaßtourenzahl
nicht so hoch ist, daß der Strahl zurückgeblasen wird. für die Anlaßzündungen von
Wert sein.
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Die Druckdifferenz P,-P. wird sich mit der Brennstoffgeschwindigkeit
in der Druckleitung, also z. B. mit der Tourenzahl, ändern, und es kann erwünscht
sein, diese Größe und damit den Öffnungsdruck konstant zu erhalten.
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Dieses ist ohne weiteres möglich, wenn man die drosselnde Öffnung
durch ein federbelastetes Rückschlagventil abschließt, dessen Federbelastung genau
so bemessen ist, daß beim Durchströmen des Brennstoffes der Druck unter und über
dein. Ventil gerade das gewünschte, nunmehr konstante P,-P. beträgt, gleichgültig,
wie P1 schwankt.
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Der Unterschied in der Wirkungsweise bei Anwendung einer Drosselöffnung
von konstantem Ouerschnitt oder einer solchen mit federbelastetem Drosselventil
ist der folgende.
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Der Öffnungsdruck wird im ersten Falle bei höherer Drehzahl schneller
erreicht als der Drehzahlerhöhung entspricht. Der Unterschied zwischen dem Druck
über und unter der Drosselstelle ist veränderlich. Im zweiten
Falle
wird die durch die Bohrung im wesentlichen konstante Drosselung durch entsprechende
Bewegung des Rückschlagventils veränderlich, so daß bei entsprechender Feder-Belastung
des Rückschlagventils der Unterschied zwischen den Drücken über und unter der Drosselstelle
konstant erhalten werden kann.
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Beim-Schließen der Nadel wird im ersten Falle der gesamte Druck aus
der Druckleitung, vorausgesetzt, daß diese nicht durch ein Rückschlagv entil abgeschlossen
ist, verschwinden, während im zweiten Falle ein Druck von der durch die Belastung
des Dtosselventils bestimmten Höhe in der Druckleitung verbleiben kann.
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-In -Abb. a ist eine Düse nach dem ersten Falle, d. h. mit konstanter
Drosselöffnung dargestellt. In dem Gehäuse A, welches von der Verschraubung B auf
seinen Sitz gedrückt wird, 'sitzt die Nadelführung C mit der Lochplatte F. Beide
werden von der hberwurfmutter,la auf das GehäuseA gedrückt.
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@DieNadelführung C enthält die eingeschliffene und durchbohrte Nadel
F; welche, von der Feder G belastet wird.
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` Diese stützt sich gegen den in die Nadelfiihrung C eingeschraubten
und durchbohrten Deckel H, dessen Bohrung mit der feinen kalibrierten Drosselöffnung
T endet, @ während die Durchbohrung der Nadel nach dem Verbindtingsraum -h'in in
der feinen kalibrierten Einspritzöffnung K -endet. So wird also der Raum-über dem
Nadelkolben mit der Druckleiteng durch- die feine Drosselbohrung I und mit dem Verbrennungsraum
durch die feine - Einspritzbohrung K- verbunden.
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Die'Wirkungsweise ist die folgende. Sobald in der Druckleitung -der
Pumpendruck--entsteht, fließt -Brennstoff durch T in den Räum über dem Nadelkolben
und vbn da durch.- die hohle Nadel; und spritzt durch die feine Bohrung K in-den
Verbrennungsraum.
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Der Raum unter dem Nadelkolben, mit Ausnahme des vom Sitz umschlossenen
Kreises, erhält den vollen Pumpendruck, während der Raum über dem Nadelkolben einen
durch den Ouerschnitt der Bohrungen 1-und K bestimmten, niedrigeren Druck erhält.
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Diese Druckdifferenz wirkt in der Öffnungsrichtung auf die Nadel und
überwindet schließlich ihre Belastung durch die Feder G. Dadurch wird die Nadel
gehoben, und zwar entweder bis zu einer Hubbegrenzung, oder bis das Gleichgewicht
mit der belastenden Federspannung hergestellt ist.
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Nun tritt der volle Brennstoffstrahl entweder als solider Strahl oder
als Mantelstrahl in den Verbrennungsraum, wobei als Kern in jedem Falle der weiter
eingespritzte Strahl aus der Öffnung K Sinkt der Druck der Pumpe, so wird auch die
Druckdifferenz geringer, und bei einem bestimmten Punkt ist die Feder G stark genug,
die Nadel wieder zu schließen. Wird hierbei der Druckabfall in der Leitung durch
eine Entlastungsvorrichtung beschleunigt, so wird beim Aufsetzen der :!Tadel kein
Druck mehr in der Leitung sein und deshalb auch durch die Nadelbohrung K kein Brennstoff
mehr austreten.
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In Abb:3 ist eine Ausführungsform dargestellt, welche sich der üblichen
Nadeldüse anpaßt: In dem Gehäuse A sitzt die Verschraubung B, welche auch den Druckrohranschluß
trägt.
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-Das GehäuseA enthält die Nadelführung C, welche dichtend auf die
Verschraubung B aufgeschliffen ist und die Nadel F enthält. Diese ist als Zapfennadel
ausgebildet, durchbohrt und in der Mitte des Zapfens mit einer feinen Einspritzbohrung
K versehen, welche den Raum über dem Nadelkolben mit dem Verbrennungsraum verbindet.
Die Belastungsfeder G der Nadel F drückt als oberes Wider-"lager die kleine durchbohrte
Platte R auf ihren Sitz. Diese bildet gleichzeitig. das Widerläger der kleinen Feder
L, welche das kleine Drosselventil H belastet. Die Spannung dieser Feder L ist im
Verhältnis zu dem Sitzquerschnitt des Ventils H so berechnet, daß beim Durchfließen
von Brennstoff aus der Druckleitung in den Raum über dem Nadelkolben eine bestimmte,
praktisch stets konstant bleibende Druckdifferenz entsteht.
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In Abb. 4. ist eine andere Ausführungsform dargestellt, bei welcher
die Nadelführung C in das Gehäuse A eingeschraubt ist und über dem Nadelsitz eine
Einspritzbrause besitzt, von deren Einspritzlöchern eins in der Mitte und die anderen
außerhalb derselben gebohrt sind.
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Auch hier ist die feine Einspritzbohrung K der Nadel F in der Mitte
des Nadelendes angeordnet und spritzt durch das mittlere Loch der Brause hindurch.
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Die Führung des kleinen Drosselventils H ist hier in den oberen Teil
der hohlen Nadel F verlegt, der auch die !.leine Feder L enthält.
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Der Sitz des kleinen Drosselventils H befindet sich in dem Deckel
über der Nadelführung C.
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Die Wirkungsweise der beiden Ausführungsformen nach Abb.3 und ,I ist
von der ersten nur dadurch unterschieden, daß hier beim Beginn des Pumpendrucks
noch kein Brennstoff in den Raum -über dem Nadelkolben strömt, sondern erst, nachdem
der Druck so hoch gestiegen ist, daß er außer dem Verbrennungsdruck noch den Druck
der Feder des Drosselventils überwindet. Sobald er dies tut, 'beginnt das Durchströmen
des Br enristoffes
durch die Nadel und ihre Bohrung K, und sobald
nun der Pumpendruck so groß wird, daß die Differenz zwischen ihm und dem Druck über
dem Nadelkolben genügt, um den Druck der Belastungsfeder zu überwinden, öffnet die
Nadel.
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Beim Nachlassen des Pumpendrucks wird sich sehr bald das Drosselventil
H schließen und das Durchströmen der Ventilöffnung und der Nadelbohrung h möglicherweise
noch vor dem endgültigen Nadelschlu$ aufhören.
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Es ist ferner möglich, beide Wirkungen, nämlich diejenige der Drosselung
durch einen konstanten Ouerschnitt und diejenige durch ein federbelastetes Ventil
zusammenzusetzen, indem unter dem Ventil eine feine Drosselöffnung angebracht wird.
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In diesem Fall erfolgt die Öffnung des Drosselventils und damit der
Beginn des Durchströmens, sobald die Druckdifferenz erreicht ist. Dann aber wird
der Ventilquerschnitt größer als die Drosselöffnung, und letztere für die Drosselwirkung
maßgebend.
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Selbstverständlich kann, lediglich um ein Zurückschlagen der Verbrennungsgase
in die Druckleitung zu verhindern, bei ,dem Fall nach Abb. 2 auch ein Rückschlagventil
in die Druckleitung eingebaut werden.