DES0033103MA - - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 20. April 1953 Bekanntgemacht am 29. November 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

Die Erfindung bezieht sich auf eine gekühlte Einspritzdüse für Brennstoffventile von Brennkraftmaschinen mit einem von einem Kühlmantel umgebenen. Düsenkörper, welcher in einem ungeteilten Stück die Führung der Ventilnadel, die dichtende Sitzfläche für die Nadelspitze und die zum Einspritzen dienenden Düsenlöcher vereinigt, und in welchem, von außen eindringend und nach außen hin durch den Kühlmantel abgedeckt, eine ringsum durchlaufende Ringnut zur Kühlung des dem Verbrennungsraum zugewandten Endes der Einspritzdüse vorgesehen ist.

Die Erfindungsaufga.be besteht darin, die Düse so· zu gestalten, daß dem Brennstoff entstammende Ablagerungen in, der Brennkraftmaschine bis auf eine unschädliche Menge vermindert werden. Solche Ablagerungen, vermögen nicht nur an der Düsetispitze selbst oder in deren, näherer Umgebung zu entstehen, sondern auch an weiter entfernten Stellen, des Verbrennungsraumes der Maschine, und zu ihrer Entstehung tragen vielseitige Einflüsse bei. Auf diese Zusammenhänge wird noch an Hand der Zeichnung ausführlich eingegangen werden. Jedenfalls reicht es zur Lösung der Erfi11d.ungsaufga.be keineswegs aus, nur einzelne dieser Einflüsse zu berücksichtigen, wie solches bei bekannten. Einspritzdüsen unter Vernachlässigung oder sogar zum Schaden anderer dieser beitragenden Einflüsse geschehen ist.

Die Erfindung ist in langwierigen Großmotorversuchen entstanden, bei denen nicht weniger als etwa dreißig Einspritzventile verschiedener Konstruktion und Kühlmittelführungen systematisch durchgearbeitet worden sind.

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Sie besteht darin, daß mit den eingangs erwähnten Merkmalen des Gattungsbegriffs die nachstehenden kennzeichnenden Merkmale kombiniert: werden: Daß die Sitzfläche derart nahe an die Düsenlöcher herangerückt und hierbei der bei geschlossener Nadelspitze zwischen der Sitzfläche und den Düsenlöchern verbleibende Brennstoffraum derart klein gemacht ist, daß derselbe höchstens das o,6fache des Inhalts eines über dem

ίο größten Kreis der Sitzfläche mit dem Spitzenr winkel der Nadelspitze errichteten geometrischen Kegels beträgt; daß ferner die Ringnut derart tief in den der Sitzfläche und den Düsenlöchern, benachbarten Werkstoff des Düsenkörpers eindringt, daß der kleinste Abstand der kühlenden Fläche der Ringnut von Hen Düsenlöchern höchstens gleich ist dem Durchmesser des größten, Kreises der Sitzfläche; und daß schließlich das Verhältnis zwischen der Länge und dem Durchmesser eines Düsenloches kleiner als vier ist.

Auf die Zusammenhänge und auf das Zusammenwirken dieser Merkmale mit den Merkmalen des Gattungsbegriffs wird ebenfalls noch an Hand der Zeichnung eingegangen werden.

Bei den bekannten Düsen sind einzelne dieser Merkmale schon verfolgt, dafür aber andere vernachlässigt worden. So wurde z. B. schon auf eine weitgehende Verkleinerung des zwischen der Sitzfläche und den Düsenlöchern verbleibenden. Brenn-Stoffraumes hingearbeitet, dafür aber die Kühlung der Düsenspitze vernachlässigt. Auch umgekehrt ist z. B. auf intensive Kühlung der Düsenspitze und zum Teil auch, auf Verkleinerung des Brennstoffraumes abgezielt worden, dafür aber wurde es unterlassen, die Führung der Ventilnadel und die dichtende Sitzfläche für die Nadelspitze, wie solches zur Gewährleistung der Dichtheit notwendig ist, in ein. ungeteiltes Stück zu legen.
Andere bekannte Vorschläge zeigen ein nicht hinreichend tiefes Eindringen einer Ringnut, so daß eine ausreichende Kühlung der Düsenspitze nicht gewährleistet ist, ferner an. Stelle einer ringsum durchlaufenden, und daher achsensymmetrischen Ringnut Kühlkanäle, welche nicht achsensymmetrisch, sind und daher unter dem Einfluß der Wärmeströrnungen eine Verformung des Nadelsitzes und ein Undichtwerden, desselben verursachen können.

Dlie Erfmdungsaufgabe kann aber nur durch Be-

50, rücksichtigung aller Einflüsse in ihrer Gesamtheit, wie solches gemäß der Erfindung geschieht, gelöst werden.

Dem Brennstoff raum kann eine Form gegeben werden, wie sie sich bei Herstellung mittels eines Kegelsenkers mit abgerundeter Spitze ergeben würde, dessen Durchmesser dem kleinsten, Durchmesser der Sitzfläche gleich ist, und welcher höchstens den gleichen Spitzenwinkel wie die Nadelspitze, vorzugsweise aber einen noch etwas kleineren aufweist.

Es empfiehlt sich, den bei geschlossener Nadelspitze zwischen der Sitzfläche und den Düsenlöchern verbleibenden Brennstoff raum derart klein zu machen, daß derselbe gleich oder kleiner ist als das o,4fache des Inhalts eines über dem größten Kreis der Sitzfläche mit dem Spitzenwinkel der Nadelspitze errichteten geometrischen Kegels.

An Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels der Einspritzdüse sei das Wesen der Erfindung noch näher erläutert.

Fig. ι zeigt einen Längsschnitt der Einspritzdüse;

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt der Einspritzdüse.

Der Längsschnitt nach. Fig. 1 ist nach der ' Schnittlinie II-II der Fig. 2 gelegt. Der Querschnitt nach. Fig. 2 ist nach der Schnittlinie I-I der Fig. i- gelegt;

Fig. 3 zeigt in einem gegenüber den. Fig. 1 und 2 vergrößerten Maßstab einen Längsschnitt durch das dem Verbrennungsraum zugekehrte Ende der Einspritzdüse;

Fig. 4 zeigt einen Schnitt nach der Schnittlinie III-III der Fig. 3.

Der Düsenkörper 1 der, Einspritzdüse ist von einem Kühlmantel 2 umgeben und vereinigt in einem ungeteilten Stück die Führung 3 der Ventilnadel 4, die dichtende Sitzfläche 5 für die Nadelspitze 6 und die zum Einspritzen dienenden Düsenlöcher 7. Im Düsenkörper 1 ist, von außen eindringend und nach außen hin durch den Kühlmantel 2 abgedeckt, eine Ringnut 8 zur Kühlung des dem Verbrennungsraum zugewandten Endes der Einspritzdüse vorgesehen!. Die Ringnut 8 wird von einem Kühlmittel durchflossen, welches ihr durch den einen, der Kanäle 9 zugeführt wird und welches durch den anderen, der Kanäle 9 wieder abfließt. Die Bohrungen 10 verbinden, den Raum 11 mit dem die Brennstoffeinspritzung regelnden Leitungssystem.

Die Sitzfläche 5 ist derart nahe an die Düsenlöcher 7 herangerückt und hierbei ist der bei geschlossener Nadelspitze6 zwischen der Sitzfläche 5 und den Düsenlöchern 7 verbleibende Brennstoffraum 12 derart klein gemacht, daß derselbe höchstens das o,6fache, zweckmäßig jedoch, gleich ■ oder kleiner als das o,4fache des Inhalts eines über dem größten Kreis der Sitzfläche 5, dessen Durchmesser mit D bezeichnet ist, mit dem Spitzenwinkel der Nadelspitze 6 errichteten geometrischen Kegels beträgt. Um zu erzielen, daß der Inhalt dieses Brennstoffraumes 12 möglichst klein ausfällt, ist in der Zeichnung diesem Raum 12 eine Form gegeben, wie sie mittels eines Kegelsenkers mit abgerundeter Spitze hergestellt werden, kann, welcher den gleichen Spitzenwinkel besitzt wie die Nadelspitze 6 und dessen Durchmesser dem kleinsten DurchmesserD¹ der Sitz-, fläche gleicht. Der Inhalt des. auf diese Weise entstehenden Raums 12 gemäß der Zeichnung beträgt nur etwa, das 0,25fache des Inhalts des über dem größten Kreis der Sitzfläche 5 mit dem Spitzenwinkel der Nadelspitze 6 errichteten geometrischen Kegels. Eine weitere, noch über dieses Maß hinausgehende Verkleinerung des Raumes 12 läßt sich erzielen, wenn beachtet wird, daß zwar an den Düsenlöchern 7 der Abstand der inneren Ober-

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fläche des Düsenkörpers ι von der äußeren Oberfläche der Nadelspitze 6 hinreichend groß sein muß, so· daß bei geöffneter Nadel die Einströmung des Brennstoffs in die Düsenlöcher nicht merkbar gestört wird, daß aber dieser Abstand in der Nähe der Sitzfläche relativ klein sein darf. Aus diesem Grunde darf der Spitzenwinkel des Kegelsenkers zugunsten eines möglichst kleinen Brennstoffraumes 12 auch kleiner gewählt werden als

ίο der Spitzenwinkel der Nadelspitze.

Durch diese auf möglichst weitgehende Verkleinerung des Brennstoffraumes 12 hinzielenden Maßnahmen wird eine Reihe zur Entstehung schädlicher Ablagerungen beitragender Einflüsse vermindert, und zwar insbesondere ein Teil derjenigen Einflüsse, auf welche das sogenannte Nachtropfen der Düse zurückgeht. Unter Nachtropfen wird verstanden ein Austreten von Brennstoff aus den Düsenlöchern zu einer Zeit, in welcher die Düsennadel schon geschlossen hat, die Einspritzung also beendet sein sollte. Ein Nachtropfen kann entstehen durch Ausdehnung des im Brennstoffraum 12 verbliebenen Brennstoffes, sei es infolge der während' des Expansionsvorganges der Brennkraftmaschine stattfindenden Drucksenkung, sei es infolge von Temperaturerhöhung, eventuell sogar Verdampfung des Brennstoffes während seines Aufenthaltes im Brennstoffraum 12. Ferner kann. Nachtropfen dadurch entstehen,, daß aus irgendeinem Grunde während der Einspritzung die Strömungsenergie nicht in allen Düsenlöchern, genau die gleiche war und daß daher beim plötzlichen Schließen der Düsennadel die Strömung nicht in. alle«' Düsenilöchern gleichzeitig zum Stillstand kommt, vielmehr in einigen Düsenlöchern, noch, nachtropfend nachläuft, wodurch, aus anderen, Düsenlöchern Brennstoff zurückgesaugt wird. Hierbei können, sogar Gasblasen aus dem Verbrennungsraum in. den Brennstoffraum 12 eintreten,, welche dann, während des Expansionsvorganges der Brennkraftmaschine sich, auf ein, Mehrfaches ihres Volumens ausdehnen und dann ein Nachtropfen eines beträchtlichen Teils des im Brennstoffraum 12 vorhandenen Brennstoffs verursachen können. Ähnliches kann, sich auch infolge von Gasströmungen und Druckwellen im Verbrennungsraum ereignen, die an den, Düsenlöchern Druckunterschiede erzeugen.

Ein Nachtropfen entsteht aber auch, wenn, die Temperaturen benachbart zur Sitzfläche 5 nicht achsensymmetrisch im Düsenkörper 1 verteilt sind. Die Sitzfläche! 5 wird, dann unrund und daher undicht, und ein auf diesen Einfluß zurückgehendes Nachtropfen kann im Gegensatz zu den vorher beschriebenen, Einflüssen nicht durch die erwähnten, auf Verkleinerung des Brennstoffraumes 12 hinzielenden Maßnahmen vermindert werden. Hierzu bedarf es vielmehr weiterer Maßnahmen, und diese bestehen darin, daß die von einem Kühlmittel durchflo'Ssene, ringsum durchlaufende Ringnut S, wie besonders aus Fig. 3 ersichtlich ist, so angeordnet ist, daß sie derart tief in den der Sitzfläche 5 und den Düsenlöchern 7 benachbarten Werkstoff des Düsenkörpers 1 eindringt, daß der kleinste Abstand^ der kühlenden Fläche der Ringnut 8 von den Düsen!öehern 7 höchstens gleich ist dem Durchmesser D des größten. Kreises der Sitzfläche 5. Durch diese Maßnahme wird nicht nur die vom Kühlmittel bespülte kühlende Fläche der Ringnut 8 sowohl an die Düsenlöcher 7 als insbesondere auch an die Sitzfläche 5 nahe herangebracht und sowohl eine gleichmäßige Verteilung als auch eine Herabsetzung der Temperaturen erzielt, sondern, es entsteht, wie aus Fig. 3 ersiehtlieh ist, als Folge dieser Maßnahme außerdem der Flansch, 13, welcher auf seiner der Ringnut 8 zugekehrten Fläche vom Kühlmittel bespült wird und dadtirch gegen Temperaturdeformation geschützt ist und welcher somit befähigt ist, den die Sitzfläche 5 enthaltenden Teil des Düsenkörpers wirksam vor Deformationen zu bewahren und. auch, hierdurch, ein auf Unrundwerden der Sitzfläche 5 zurückgehendes Nachtropfen zu verhüten.

Diese Maßnahme wirkt ferner zurück auf die vorher erwähnten Einflüsse. So wird durch, sie die Temperaturausdehnung des im Brennstoffraum 12 verbliebenen Brennstoffes 'vermindert. So wird ferner eine Verdampfung dieses Brennstoffes verhütet.

Insbesondere aber wird, da, durch sie auch die Dosenlocher wirksam gekühlt werden, verhütet, daß Einflüsse, die durch die beschriebenen Maßnahmen an sich, weitgehend vermindert sind, trotzdem noch, und zwar durch Akkumulierung, schädliche Ausmaße annehmen können. Eine solche, Akkumulierung ist insbesondere am Rande der Düsenlöcher 7 zu fürchten, wo sich in einem bestimmten, relativ hoch liegenden Temperaturbereich, festhaftende Koksansätze bilden können, die sich durch Akkumulierung mit der Zeit zu beträchtlich großen trompetenförmigen Gebilden auswachsen, welche die Verbrennungsgüte der Maschine wesentlich zu beeinträchtigen vermögen.

Schädliche Ablagerungen können aber nicht nur an der Düsenspitze selbst, sondern auch an, weiter entfernt liegenden Stellen des Verbrennungsraumes der Maschine entstehen,. Dort werden sie nur zu, einem Teil durch ein, Nachtropfen verursacht und können daher nur in diesem Teil mittels der vorstehend beschriebenen Maßnahmen vermindert werden. Zu einem anderen Teil können sie entstehen, wenn die Durchschlagskraft der aus den Düsenlöchern 7 austretenden Brennstoff strahlen zu groß ist und dann noch unverbrannter Brennstoff auf eine Stelle der Verbrennungsraumwand auftrifft. In diesem anderen Teil werden zu ihrer Verminderung weitere Maßnahmen angewendet, welche darin bestehen, daß das Verhältnis zwischen der Länge L und dem Durchmesser d (s. Fig. 3) des Düsenloehes 7 kleiner als vier gewählt ist. Hierdurch wird eine hinreichend feine Zerstäubung und ein hinreichend großer Divergenzwinkel β des aus dem Düsenloch 7 austretenden Brennstoffstrahls erzielt, um es zu ver-

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hüten, daß Brennstoff in noch unverbranntem Zustand, auf die Verbrennungsraumwand auftrifft.

Auch, diese Maßnahme wirkt wiederum auf andere schon beschriebene Einflüsse und Maßnahmen zurück. Würde man. z. B. einseitig vorgehen und die Kühlung der Düsenlöcher noch weiter zu verstärken, suchen, SO' würde man, wie das schon vorgeschlagen wurde, Kühlbohrungen sogar zwischen den einzelnen Düsenlöchern 7 und, diese überkreuzend, in dem dort (s. Fig. 4) liegenden- Werkstoff des Düsenkörpefs 1 anordnen können. Da jedoch eine Kühlbohrung, damit sie sich im praktischen Betrieb nicht schon in. kurzer Zeit verstopft, einen wesentlich größeren Durchmesser besitzen muß als ein Düseriloch, so müßte hierzu der äußere Durchmesser des in Fig. 4 dargestellten Querschnitts wesentlich, vergrößert werden,, was aber zur Folge hätte, daß dann, die Länge L (s. Fig. 3) des Düsenloches wesentlich größer ausfallen, würde: als das Vierfache seines Durchmessers <i, was, wie oben gezeigt wurde, zum Schaden, der Feinheit.der Zerstäubung sein und zu Ablagerungen an, weiter entfernten. Stellen der Verbrennungsraum wand, führen würde.

Auch hier zeigt sich, daß erst eine Berücksichtigung der Einflüsse in, ihrer Gesamtheit, wie: solches gemäß der Erfindung geschieht, die Erfindungsaüfgabe zu lösen, vermag. Die Erfindung ist daher erst dann vollständig, wenn, bei einer Einspritzdüse gemäß dem Gattungsbegriff des Hauptanspruches alle kennzeichnenden. Merkmale zugleich und vollständig vorhanden, sind,.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   I. Gekühlte; Einspritzdüse für Brennstoffventile von. Brennkraftmaschinen, mit einem von einem Kühlmantel umgebenen. Düsenkörper, welcher in einem ungeteilten, Stück die Führung der Ventilnadel, die dichtende Sitzfläche für die Nadelspitze und die zum Einspritzen dienenden Düsenlöcher vereinigt und in. welchem, von außen, eindringend und nach außen, hin durch den. Kühlmantel abgedeckt, eine ringsum durchlaufende Ringnut zur Kühlung des dem Verbrennungsraum zugewandten Endes der Einspritzdüse vorgesehen, ist, dadurch, gekennzeichnet, daß die Sitzfläche (5) derart nahe; an die Düsenlöcher (7) herangerückt und hierbei der bei geschlossener Nadelspitze zwischen der Sitzfläche und den Düsenlöchern verbleibende Brennstoffraum (12) derart klein, gemacht ist, das derselbe höchtens, das o,6fache des Inhalts eines über dem großen Kreis der Sitzfläche mit dem Spitzenwinkel der Nadelspitze errichteten geometrischen Kegels beträgt, daß ferner die Ringnut (8) derart tief in den. der Sitzfläche und den Düsenlöchern benachbarten. Werkstoff des Düsenkörpers (1) eindringt,, daß der kleinste Abstand, (A) der kühlenden Fläche, der Ringnut von. den Düsenlöchern, höchstens gleich ist dem Durchmesser (D) des größten Kreises der Sitzfläche, und daß schließlich das Verhältnis zwischen der Länge (L) und dem Durchmesser (d) eines Düsenloches kleiner als vier ist.
2. 2. Gekühlte Einspritzdüse nach, Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Brennstoffraum (12) eine Form gegeben, ist, wie sie sich bei Herstellung mittels eines Kegelsenkers mit abgerundeter Spitze ergeben würde, dessen Durchmesser dem kleinsten Durchmesser (D¹) der Sitzfläche gleich ist und, welcher höchstens den gleichen, Spitzenwinkel wie die Nadelspitze, vorzugsweise aber einen noch etwas kleineren, aufweist.
3. 3. Gekühlte Einspritzdüse nach. Anspruch, 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bei geschlossener Nadelspitze zwischen, der Sitzfläche und den Düsenlöchern verbleibende Brennstoffraum (12) derart klein gemacht ist, daß derselbe gleich oder kleiner ist als das 0,4-fache des Inhalts eines über dem größten. Kreis der Sitzfläche mit dem Spitzenwinkel der Nadelspitze errichteten geometrischen Kegels.

   In Betracht gezogene Druckschriften:

   Deutsche Patentschriften Nr. 499218, 510890, 876, _7²i753;

   österreichische Patentschrift Nr. 168507;

   schweizerische Patentschrift Nr. 184379, 217, 227 224;

   britische Patentschrift Nr. 565 299.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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