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Kraftstoff-Einspritzdüse für Brennkraftmaschinen Die Erfindung betrifft
eine Kraftstoff-Einspritzdüse für Brennkraftmaschinen, deren Düsennadel bei der
Einspritzung durch den Kraftstoff von einer etwa kegelförmiger. Sitzfläche des Düsenkörpers
entgegen der Richtung der Kraftstoffdurchströmung unter Cberwindung einer Federkraft
angehoben wird.
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Solche Einspritzdüsen mit genau kegelförmiger Sitzfläche des Düsenkörpers
und ebenfalls genau kegelförmiger Dichtfläche der Düsennadel weisen den Nachteil
auf, daß sich ihr Durchflußquerschnitt nach den austrittsseitigen Kegelspitzen hin
erheblich verkleinert. Die Ouerschnittsverkleinerung zieht wiederum eine entsprechend
starke Drosselung des Kraftstoffdurchflusses und entsprechend große hydraulische
Verluste nach sich.
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Man hat dem vorgenannten Mangel schon dadurch zu begegnen gesucht,
daß man den Nadelhub entsprechend vergrößert hat, so daß zumindest bei ganz geöffneter
Düse noch ein ausreichender Mindestdurchflußquerschnitt gesichert bleibt. Mit dieser
Hubvergrößerung ist jedoch der andere Nachteil verbunden, daß die Düsennadel durch
die meist sehr kräftig ausgeführte Feder, die in der Regel als eine in ihrer Vorspannung
einstellbare Schraubenfeder ausgebildet ist, sehr heftig gegen die Sitzfläche zurückgestoßen
wird, was wiederum die Lebensdauer solcher Düsen empfindlich beeinträchtigt.
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Ein anderer bekannter Vorschlag zur Vermeidung des genannten Mangels
besteht darin, die Kegelspitze der Düsennadel als Doppelkegel mit zwei verschiedenen
Kegelwinkeln auszubilden. Aber auch bei einer solchen Einspritzdüse ergibt sich
an den verschiedenen Stellen der Kegelsitzfläche des Düsenkörpers noch ein stark
unterschiedlicher Durchflußquerschnitt, weshalb auch solche Düsenkonstruktionen
den Mangel nicht hinreichend beheben können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannten Einspritzdüsen
weiter zu vervollkommnen, so daß die vorgenannten Mängel vermieden und insbesondere
eine volle Öffnung der Düse mit einem minimalen Düsenhub erzielt werden kann.
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Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Dichtfläche der Düsennadel und die Sitzfläche des Düsenkörpers einander durch eine
wenigstens angenähert hyperbelförmig gekrümmte Formgebung der Erzeugenden mindestens
einer der beiden zusammenwirkenden Sitzflächen im Sinne der Bildung eines über den
ganzen Zusammenwirkungsbereich beider Flächen etwa gleich großen Durchströmungsquerschnitts
der ganz geöffneten Düse angepaßt sind.
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Bei einer solchen Ausbildung der zusammenwirkenden Sitzflächen der
Einspritzdüse ergeben sich ungleiche Durchflußquerschnitte lediglich noch jeweils
zu Beginn des Öffnungshubes und gegen Ende des Schließhubes der Düsennadel, was
aber praktisch ohne eine nachteilige Bedeutung ist. Auf Grund einfacher Berechnungen
läßt sich leicht eine solche hyperbelförmige Erzeugende einer oder beider zusammenwirkenden
Sitzflächen bestimmen, bei der sich bei ganz geöffneter Düse im ganzen Zusammenwirkungsbereich
der Flächen ein völlig gleichbleibender Durchströmungsquerschnitt ergibt.
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Gemäß konstruktiven Ausgestaltungen der Erfindung kann für eine der
beiden zusammenwirkenden Sitzflächen die übliche Kegelform beibehalten bleiben,
wenn lediglich die zugehörige andere Sitz- bzw. Dichtfläche in der erfindungsgemäßen
Weise geformt wird. Außerdem läßt sich eine konstruktive Vereinfachung ohne eine
nennenswerte Beeinträchtigung der angestrebten Wirkung dadurch erzielen, daß man
die Erzeugende durch einen oder mehrere an die Hyperbelform angenäherte Kreisbogen
bildet.
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Gegenstand eines älteren deutschen Patents ist bereits eine Brennstoffeinspritzdüse
mit in Strömungsrichtung öffnendem federbelastetem Rückschlagventil, dessen Schließkörper
sich hinter seinem größten Durchmesser wieder verjüngt. Bei dieser Einspritzdüse
ist der Kegelwinkel des Fortsatzes am Ventilschließkörper größer als derjenige des
Mündungsvorraumes, und die beiden Kegelspritzen sind derart axial versetzt, daß
die Größe des kreisringförmigen Strömungsquerschnittes von dem Ventilsitz bis zu
der
Einmündung der Einspritzbohrung (en) sich möglichst wenig verändert.
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Die Einspritzdüse nach der Erfindung unterscheidet sich von dem Gegenstand
des älteren Patents zunächst durch die grundsätzliche Bauweise, indem das Nadelventil
nach der Erfindung entgegen der Strömungsrichtung, beim Gegenstand des älteren Patents
jedoch in der Strömungsrichtung öffnet. Hiervon abgesehen, kann man durch zwei Kegelflächen,
wie sie beim Gegenstand des älteren Patents vorhanden sind, keine konstanten Durchströmquerschnitte
erreichen.
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Dasselbe gilt für eine bekannte Düsennadel mit halbkugeligem Ende,
welche mit einer kegeligen Sitzfläche zusammenwirkt. Hierbei liegt der Mittelpunkt
der Kugelform in der Nadelachse, während der bzw. die Kreisbogen, die erfindungsgemäß
die Hyperbelform ersetzen können, den Mittelpunkt erheblich außerhalb der \Tadelachse
haben.
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In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht;
es zeigt Fig. 1 eine bisher übliche Kegelsitzdüse in einem die zusammenwirkenden
Sitzflächen zeigenden axialen Teillängsschnitt, Fig.2 die zusammenwirkenden Sitzflächen
einer erfindungsgemäß ausgebildeten Einspritzdüse, deren Düsennadel an ihrer Spitze
eine angenähert hyperbolische Form aufweist (in einem gegenüber Fig. 1 vergrößert
dargestellten axialen Teilschnitt), Fig. 3 eine ebenfalls erfindungsgemäß ausgebildete
Einspritzdüse, deren Sitzfläche des Düsenkörpers eine hyperbolische Form aufweist
(in einem der Fig.2 entsprechenden Teilausschnitt), Fig. 4 eine weitere erfindungsgemäße
Einspritzdüse, bei der beide zusammenwirkenden Sitzflächen jeweils entsprechend
schwächer hyperbolisch geformt sind (ebenfalls in einem der Fig.2 entsprechenden
Teilausschnitt), Fig.5 die Sitzflächen der in Fig. 1 dargestellten, ganz geöffneten
Kegelsitzdüse in einem den Fig. 2 bis 4 entsprechenden Teilausschnitt, Fig. 6 ein
Diagramm, in welchem für alle Einspritzdüsen gemäß den Fig.1 bis 5 der Durchflußquerschnitt
über dem mittleren Abstand der zusammenwirkenden Sitzflächenteile von der Düsenachse
bei ganz geöffneter Düse aufgetragen ist, Fig. 7 ein gleiches Diagramm, in welchem
derselbe Zusammenhang für eine Anzahl verschieden großer Hübe der Düsennadel einer
Kegeldüse dargestellt ist, Fig.8 ein der Fig.7 entsprechendes Diagramm, welches
dieselben Zusammenhänge einer erfindungsgemäßen Düse wiedergibt.
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Die in Fig. 1 und 5 dargestellte Kraftstoff-Einspritzdüse ist als
eine bisher übliche sogenannte Kegelsitzdüse ausgebildet, von der sowohl die Spitze
der Düsennadel 1 als auch die mit dieser Spitze zusammenwirkende Sitzfläche des
Düsenkörpers 2 gleichartige Kegelmantelflächen bilden, .die bei geschlossener Düse
entlang der ganzen Kegelsitzfläche aufeinander aufliegen. Die Düse weist (gemäß
Fig. 1) unmittelbar oberhalb ihrer Kegelsitzflächen eine Kraftstoffkammer 4 auf,
in die der Kraftstoff durch einen den Düsenkörper 2 in dessen Längsrichtung durchsetzenden
Zuführungskanal 3 gelangen kann. Der Schaft der Düsennadel l ist gegenüber der die
kegelförmige Dichtfläche bildenden Düsenspitze innerhalb der Kraftstoffkammer 4
auf einen größeren Durchmesser abgesetzt, wodurch sich- innerhalb der Kraftstoffkammer
4 noch eine Schulter 5 der Düsennadel ergibt. Austrittsseitig der Kegelsitzfläche
des Düsenkörpers 2 schließt noch eine kleinere Austrittskammer an, von der mehrere
lochförmige Düsenöffnungen 6 schräg nach außen führen.
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Solange durch die in den Fig. 1 und 5 dargestellte Einspritzdüse kein
Kraftstoff eingespritzt wird, wird die Düsennadel 1 durch eine (nicht dargestellte)
verhältnismäßig kräftige Schraubenfeder axial gegen die Kegelsitzfläche des Düsenkörpers
2 gepreßt. Eine Einspritzung von Kraftstoff ist daher nur möglich, wenn innerhalb
der Kraftstoffkammer 4 ein so großer - vorherbestimmter - Kraftstoffdruck erzeugt
wird, daß dadurch die Düsennadel 1 durch den entlang der Schulter 5 angreifenden
Kraftstoffdruck entgegen der Durchströmungsrichtung der Düse in ihre öffnungsstellung
(vgl. Fig. 5) verschoben wird.
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Für den in Fig.5 dargestellten maximalen Öffnungshub z der Düsennadel
ist in Fig. 6 der Durchfiußquerschnitt a im Bereich der zusammenwirkenden S itzflächen
in Abhängigkeit vom mittleren Achsabstand bzw. Radius x der jeweiligen Querschnittsfläche
dargestellt. Die Ordinate dieses Diagramms ist mit f bezeichnet, was lediglich allgemein
auf eine entsprechende Flächendimension hinweist. Das Diagramm gemäß Fig. 6 zeigt,
daß die durch die Kurve a wiedergegebene Querschnittsfläche nach der Düsenachse
hin ganz erheblich abnimmt, so daß der entlang den zusammenwirkenden Sitzflächen
ausströmende Kraftstoff selbst bei ganz -geöffneter Einspritzdüse nach den zusammenwirkenden
Kegelspitzen hin entsprechend gedrosselt wird.
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Während Fig. 6 diese Verhältnisse lediglich für eine ganz geöffnete
Kegelsitzdüse wiedergibt, zeigt Fig. 7 dieselben Querschnittsverhältnisse für verschieden
große Öffnungshübe der Düsennadel, wobei die Kurve ganz geöffneter Düse entsprechend
dem Hub z der Fig.5 hier mit z bezeichnet ist (die Kurve z der Fig.
7 entspricht also etwa der Kurve a der Fig. 6). Wenn das Diagramm gemäß Fig. 7 auch
zeigt, daß die Querschnittsänderungen entlang den zusammenwirkenden Sitzflächen
mit kleiner werdendem Nadelhub kleiner werden, so ist doch der Nutzen dieses Verlaufes
praktisch bedeutungslos. Entscheidend für die auftretenden Drosselverluste bleiben
stets .die Verhältnisse bei ganz geöffneter Düse, weil auch die wesentliche Kraftstoffmenge
jeder Einspritzung bei ganz geöffneter Düse eingespritzt wird.
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Zur Vermeidung der vorgenannten Mängel ist nach den Fig. 2 bis 4 mindestens
eine der Erzeugenden der beiden zusammenwirkenden Sitzflächen wenigstens angenähert
hyp.erbelförmig gekrümmt. Gemäß Fig.2 ist zwar die übliche Kegelform der Sitzfläche
des Düsenkörpers 2 beibehalten; dagegen weist die Erzeugende der Dichtfläche der
Düsennadel l angenähert die Form eines Astes eines mit seinem Scheitel die Düsenachse
kreuzenden Hyperbelzweiges auf. Die Annäherung bestellt dabei darin, daß die Kurvenform
durch einen Kreisbogen angenähert ist, weshalb an der Düsenspitze ähnlich üblichen
Kegelsitzdüsen eine Spitze gebildet ist. Die dadurch entstehende Ungenauigkeit ist
jedoch nur sehr gering, weil die Düsennadel gerade an ihrer Spitze - wegen der dort
anschließenden Austrittskammer der Düse - nicht mehr mit der ILegelsitzfläche .des
Düsenkörpers 2 zusammenwirken kann.
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Gemäß Fig. 3 ist die genaue Kegelform an der Dichtfläche der Düsennadel
1 beibehalten, wogegen nunmehr die Erzeugende der Sitzfläche des Düsenkörpers 2
angenähert die Form eines Astes eines mit seinem Scheitel achsparallel und zugleich
an der engsten Stelle der an der Sitzfläche befindlichen Durchflußöffnung
des
Düsenkörpers 2 liegenden Hyperbelzweiges aufweist.
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In Fig.4 sind die zusammenwirkenden Sitzflächen einer Einspritzdüse
dargestellt, die beide schwach hyperbolisch geformt sind. Dabei weist sowohl die
Erzeugende der Dichtfläche der Düsennadel 1 als auch die Erzeugende der Sitzfläche
des Düsenkörpers 2 eine der entsprechenden Hyperbelform angenäherte Kreisbogenform
auf.
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Alle zusammenwirkenden Sitzflächen der Düsen nach den Fig. 2 bis 4
sind so berechnet und geformt, daß sich bei ganz geöffneter Düse über den ganzen
Zusammenwirkungsbereich der beiden Sitzflächen überall ein etwa gleich großer Durchströmungsquerschnitt
für den Kraftstoff ergibt, wie es in Fig.6 durch die Gerade b zum Ausdruck kommt.
Wird eine der Düsen nach den Fig. 2 bis 4 nur teilweise geöffnet, so ergeben sich
für die einzelnen Teilhübe (von beispielsweise drei Vierteln, der Hälfte, einem
Viertel des maximalen Öffnungshubes z sowie von z=0) Zusammenhänge, wie sie - analog
der einer üblichen Kegelsitzdüse zugeordneten Fig. 7 - in Fig. 8 dargestellt sind.
Mit abnehmendem Öffnungshub der Düsennadel 1 verkleinert sich dabei der weiter außen
gelegene Durchströmungsquerschnitt etwas, was jedoch auf die Eignung der Düse praktisch
ohne Einfluß bleibt, weil die Düsennadel - zumindest bei üblichen Einspritzmengen
- während der Einspritzung größtenteils ganz von der Sitzfläche des Düsenkörpers
2 abgehoben ist.
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Die in Fig.2 bis 4 dargestellte Formgebung der zusammenwirkenden Sitzflächen
der Düse bringt den großen Vorteil mit sich, daß der maximale Öffnungshub der Düsennadel
gegenüber dem Öffnungshub einer vergleichbaren üblichen Kegelsitzdüse erheblich
verkleinert werden kann, wodurch die Düse wesentlich weniger als bisher beansprucht
und die Lebensdauer der Düse erhöht wird, weil die Düsennadel infolge ihres kleineren
öffnungshubes.von der (nicht dargestellten) Schraubenfeder her nur noch mit wesentlich
geringerer Wucht gegen die Sitzfläche des Düsenkörpers 2 in ihre Schließstellung
zurückgestoßen wird.
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Die Erfindung ist nicht an die Einzelheiten der beschriebenen Ausführungsbeispiele
gebunden. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Düse an der Austrittsstelle des
Kraftstoffes beliebig - beispielsweise als Ein- oder Mehrlochdüse oder auch als
Zapfendüse - ausgebildet sein, ohne daß dadurch der Schutzbereich der in den nachstehenden
Ansprüchen niedergelegten Erfindung verlassen wird.