DE3918887A1 - Brennstoff-einspritzduese fuer einen zylinder einer verbrennungsmaschine - Google Patents
Brennstoff-einspritzduese fuer einen zylinder einer verbrennungsmaschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffeinspritzdüse
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Eigenschaften der Strahlen der aus einer Düse in
eine Verbrennungskammer gesprühten Brennstofftröpfchen
haben einen erheblichen Einfluß auf die Wirksamkeit der
Verbrennung des Brennstoffs, welche ihrerseits die Stabi
lität des Betriebs der Maschine, den Brennstoffverbrauch
und die Zusammensetzung der Abgase beeinflußt. Um diesen
Einfluß zu optimieren, insbesondere bei einer funkenge
zündeten Maschine, stellen die wünschenswerten Eigen
schaften des Sprühmusters des aus der Düse austretenden
Brennstoffs eine geringe Tropfengröße des Brennstoffs,
ein gesteuertes Eindringen der Brennstoffstrahlen in die
Kammer und, wenigstens bei niedrigen Maschinenlasten,
eine relativ begrenzte und zündbare Wolke von Brennstoff
tröpfchen in der Nähe der Zündkerze dar.
Einige bekannte Einspritzdüsen, die für die Zuführung
von Brennstoff direkt in die Verbrennungskammer einer
Maschine verwendet werden, sind vom Tellerventil-Typ, aus
denen der Brennstoff in Form eines divergenten konischen
Sprühmusters austritt.
Die Form des Sprühmusters des Brennstoffs hängt von
einer Anzahl Faktoren ab, die die Geometrie der Aus
trittsöffnung und des Ventils, die die Düse bilden, ein
schließen, insbesondere die Geometrie der Oberflächen
der Öffnung und des Ventils unmittelbar außerhalb des
Sitzes, an dem die Öffnung und das Ventil sich bei ge
schlossener Düse dichtend berühren. Wenn eine Düsengeo
metrie einmal festgelegt wurde, um das erforderliche Be
triebsverhalten zu erzielen, können bereits geringfügige
Abweichungen von dieser Geometrie dieses Betriebsverhal
ten wesentlich verschlechtern. Insbesondere das Anhaften
oder Ansammeln von festen Verbrennungsprodukten oder an
deren Ablagerungen auf Oberflächen, über die der Brenn
stoff fließt, kann schädlich für die korrekte Arbeits
weise der Düse sein.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Brennstoffeinspritzdüse, mit der Brennstoff in
eine Verbrennungskammer einer Maschine eingespritzt
wird, zu schaffen, die zu einer Verminderung der An
sammlung von Ablagerungen im Weg des der Verbrennungs
kammer zugeführten Brennstoffs beiträgt.
Diese Aufgabe wird erfindunggemäß gelöst durch die im
kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merk
male. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemä
ßen Brennstoffeinspritzdüse ergeben sich aus den Unter
ansprüchen.
Es ist somit eine Brennstoffeinspritzdüse für einen Zy
linder einer Verbrennungsmaschine mit einem Körper mit
einem sich zu einem Ende von diesem erstreckenden Brenn
stoffdurchlaß, mit einer Öffnung in dem Körperende zur
Verbindung des Brennstoffdurchlasses mit der Verbren
nungskammer der Maschine, die einen ringförmigen Sitz
enthält, mit einem Ventilelement mit einem ringförmigen
Sitz, der mit dem ringförmigen Sitz in der Öffnung zur
Steuerung des Brennstoffflusses zusammenwirkt, und mit
einer ringförmigen, die Fließrichtung bestimmenden Ober
fläche in der Öffnung, die sich von dem Sitz in dieser
nach unten zu einer Endfläche des Körpers erstreckt,
vorgesehen. Diese die Fließrichtung bestimmende Oberflä
che verläuft derart, daß sie glatt in den Sitz in der
Öffnung übergeht. Das Ventilelement besitzt eine die
Fließrichtung bestimmende Oberfläche, die der die Fließ
richtung bestimmenden Oberfläche in der Öffnung gegen
überliegt, und besitzt ebenfalls einen derartigen Ver
lauf, daß sie glatt in den zugeordneten Sitz des Ventil
elements übergeht.
Die Endfläche des Körpers ist zweckmäßig so ausgebildet,
daß ein querverlaufender, ringförmiger Steg am Schnitt
punkt mit der die Fließrichtung bestimmenden Öberfläche
der Öffnung gebildet wird, und sie erstreckt sich vor
zugsweise von der Außenkante des ringförmigen Stegs rück
wärts nach außen.
Die Endfläche und die die Fließrichtung bestimmende
Oberfläche der Öffnung sollen sich im wesentlichen senk
recht schneiden.
Wenn ein Steg als Teil der Endfläche des Körpers vorge
sehen ist, soll dessen Breite bis zu 0,25 mm betragen
bzw. im Bereich von 0,06 bis 0,25 mm liegen, vorzugs
weise bei etwa 0,15 mm. Bei geöffneter Stellung des Ven
tils liegen die Endkanten der die Fließrichtung bestim
menden Oberflächen der Öffnung und des Ventilelements
vorteilhaft in einer Ebene.
Die Endfläche des Körpers kann unmittelbar außerhalb des
ringförmigen Stegs gegenüber dessen Ebene zurücktreten.
Die Endfläche des Körpers außerhalb des Stegs kann in
einer Ebene liegen, die parallel zu, aber zurückgesetzt
gegenüber dem Steg ist, mit einem bogenförmigen oder
glockenförmigen Abschnitt, der eine konkave Verbindung
zwischen dem Steg und dem restlichen Teil der Endfläche
des Körpers bildet.
Die Endfläche des Körpers kann alternativ eine flache
kegelstumpfförmige Form aufweisen, die sich von der
Schnittstelle der die Fließrichtung bestimmenden Oberflä
che der Öffnung mit der Endfläche des Körpers rückwärts
nach außen erstreckt. Vorzugsweise ist der Winkel des
Kegels derart, daß die Endfläche im wesentlichen recht
winklig zur die Fließrichtung des Brennstoffs bestimmen
den Oberfläche der Öffnung an deren Schnittpunkt verläuft.
Der vom Kegel eingeschlossene Winkel kann bis zu 180°
betragen, vorzugsweise liegt er im Bereich von 140° bis
160°. Ein kleiner Steg, normalerweise mit einer Breite
im Bereich von 0,1 mm, kann vorgesehen sein, um die Kante
wegzunehmen, die andererseits durch das Zusammenlaufen
der kegelstumpfförmigen konischen Endfläche und der die
Fließrichtung bestimmenden Oberfläche gebildet würde.
Die Ausbildung eines glatten Überganges vom Sitz in der
Öffnung zu der die Fließrichtung bestimmenden Öberfläche
trägt dazu bei, daß die Haftung des Brennstoffs an der
die Fließrichtung bestimmenden Oberfläche erhalten
bleibt, wenn dieser zur Verbrennungskammer strömt, da
die Trennung zwischen diesen der Ansammlung von Kohlen
stoff in dem Bereich, der nicht in Kontakt mit dem Brenn
stoff ist, förderlich ist. Zweckmäßig enthält die die
Fließrichtung bestimmende Oberfläche in der Öffnung
einen bogenförmigen Abschnitt, der glatt in den Ventil
sitz und in den restlichen Bereich der die Fließrichtung
bestimmenden Oberfläche der Öffnung übergeht, der zweck
mäßig eine kegelstumpfförmige konische Form aufweisen
kann.
Vorzugsweise geht auch die die Fließrichtung bestimmende
Oberfläche des Ventilelements glatt in dessen Sitzfläche
über, um das Anhaften des Brennstoffs auch an der die
Fließrichtung bestimmenden Oberfläche des Ventilelements
zu begünstigen und eine etwaige Ansammlung von Kohlen
stoff auf dem Ventilelement zu reduzieren.
Die vorliegende Brennstoffeinspritzdüse ist besonders
vorteilhaft für die Verwendung in einem Brennstoffein
spritzsystem, bei dem ein von einem Gas wie Luft mitge
nommener flüssiger Brennstoff einer Verbrennungskammer
zugeführt wird. Die Aufrechterhaltung des Kontakts mit
der die Fließrichtung bestimmenden Oberfläche ist von be
sonderer Bedeutung für die Steuerung des Sprühmusters
einer aus der Einspritzdüse austretenden Mischung aus
zwei fließfähigen Medien.
Weiterhin ist es vorteilhaft für die Aufrechterhaltung
des Kontakts zwischen dem Brennstoff und den die Fließ
richtung bestimmenden Oberflächen sowohl der Öffnung als
auch des Ventilelements, wenn das Ventilelement in der
Offenstellung ist, daß die Enden dieser die Fließrich
tung bestimmenden Oberflächen in einer gemeinsamen
Ebene liegen, so daß keine von ihnen in Fließrichtung
des Brennstoffs über die andere hinausragt. Für den Fall,
daß eine der die Fließrichtung bestimmenden Oberflächen
über die andere hinausragt, besteht eine Neigung des
Brennstoffs, sich von dieser überstehenden Oberfläche
wegzubewegen, insbesondere bei einem Brennstoff aus zwei
Fluiden oder einem gasförmigen Brennstoff, infolge der
Expansion, die stattfinden kann; wenn sich der Brenn
stoff von der einen die Fließrichtung bestimmenden Ober
fläche löst, verringert sich die Geschwindigkeit entlang
der weiter vorstehenden Oberfläche, wodurch die Gefahr
der Ansammlung von Ablagerungen auf dieser Oberfläche
und die Beeinträchtigung der Geometrie des Sprühmusters
erhöht wird.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren
dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht des Düsenteils einer
Brennstoffeinspritzvorrichtung,
Fig. 2 eine Schnittdarstellung ähnlich der Fig. 1
einer anderen Ausbildung der Brennstoffein
spritzdüse,
Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht des Öffnungsbereichs
des Düsenkörpers nach Fig. 1, und
Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht des Ventilkopfbe
reichs des Düsenventils nach Fig. 1.
Die in den Fig. 1 und 2 gezeigten und nachfolgend be
schriebenen Einspritzdüsen können in einem weiten Be
reich von Brennstoffeinspritzvorrichtungen eingesetzt
werden, die zur direkten Einspeisung von Brennstoff in
die Verbrennungskammer einer Maschine verwendet werden.
Typische Formen von Einspritzvorrichtungen, in die die
vorliegende Düse eingesetzt werden kann, sind in der
DE-OS 38 08 671 und in der Patentanmeldung PCT/AU
88/00 096 offenbart.
Gemäß Fig. 1 besitzt der Körper 10 einer Brennstoffein
spritzdüse eine im wesentlichen zylindrische Gestalt
mit einem Zapfenabschnitt 11, der zur Aufnahme in einer
Bohrung dient, die in einem zusammenwirkenden Bereich
der gesamten Brennstoffeinspritzeinheit vorgesehen ist.
Ein Ventil 13 weist einen Ventilkopf 14 und einen Ven
tilschaft 15 auf. Der Ventilschaft 15 besitzt einen
Führungabschnitt 18, der axial in der Bohrung 12 des
Körpers 10 gleitet. Der Ventilschaft 15 ist hohl, so daß
der Brennstoff durch ihn hindurch passieren kann, und
Öffnungen 16 sind in der Wand des Ventilschafts 15 aus
gebildet, so daß der Brennstoff aus dem Inneren des Ven
tilschafts 15 in die Bohrung 12 austreten kann.
Der Ventilkopf 14 ist in einer Öffnung 17 aufgenommen,
die im Ende des Körpers 10 vorgesehen ist und mit der
Bohrung 12 in Verbindung steht. Wie näher in Fig. 3 zu
sehen ist, ist die Wand der Öffnung 17 durch einen inne
ren konischen Abschnitt 20 mit einem eingeschlossenen
Winkel von 90°, einen äußeren konischen Abschnitt 21
mit einem eingeschlossenen Winkel zwischen 0° und 60°,
zweckmäßig 20° bis 60°, und einen bogenförmigen Abschnitt
22, der einen glatten Übergang zwischen den konischen
Abschnitten 21, 22 herstellt, gebildet.
Gemäß Fig. 4 besitzt der Ventilkopf 14 eine äußere Ober
fläche, die durch einen inneren bogenförmigen Abschnitt
25, einen äußeren konischen Abschnitt 26 mit einem ein
geschlossenen Winkel bis 60°, zweckmäßig 0° bis 40°,
und einen kleinen bogenförmigen Abschnitt 27, der einen
glatten Übergang zwischen dem bogenförmigen Abschnitt 25
und dem konischen Abschnitt 26 herstellt, gebildet wird.
Der innere bogenförmige Abschnitt 25 den Ventilkopfes
14 wirkt mit dem inneren konischen Abschnitt 20 der
Öffnung 17 zusammen, um die erforderliche Abdichtung
zwischen dem Ventilkopf und der Öffnung in der geschlos
senen Stellung des Ventilkopfes zu schaffen. Die Ausbil
dung von zusammenwirkenden konischen und bogenförmigen
Oberflächen erleichtertdie Herstellung und gewährleistet
eine wirksame Abdichtung zwischen der Öffnung und dem
Ventilkopf. Die Berührungslinie zwischen dem Ventilkopf
und der Öffnung ist durch die Punkte 30 in Fig. 1 ange
deutet.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist ein relativ schmaler
Steg 31 um die Umfangskante der Öffnung 17, wo der koni
sche Abschnitt 22 der Öffnung und die Endfläche 33
des Körpers sich schneiden, vorgesehen. Der Steg 31 kann
eine Breite im Bereich von 0,16 bis 0,25 haben. Außer
halb des Stegs 31 ist die Endfläche des Körpers in einem
Bogen 34 zurückgesetzt und geht über in einen angrenzen
den radialen Abschnitt 35.
Es kann anhand der Fig. 1 und 4 gesehen werden, daß der
Steg 31 den heißen Gasen in der Verbrennungskammer der
Maschine ausgesetzt ist und eine relativ kleine Quer
schnittsfläche besitzt. Als Folge hiervon wird der Steg
31 auf eine wesentlich höhere Temperatur gebracht als
die anderen Teile des Körpers 10, die den heißen Gasen
über die Oberflächen 34 und 35 ausgesetzt sind. Diese
höhere Arbeitstemperatur des Stegs 31 begünstigt die
Verbrennung jeglicher Teilchen, die sich darauf absetzen,
wodurch die Ansammlung von Ablagerungen auf dem Steg 31
und dem äußeren konischen Abschnitt 21 der Öffnung ver
mindert wird. Die Erzeugung der vorgenannten hohen Tem
peraturen ist besonders von Bedeutung bei einer Maschine
mit einer hohen Arbeitstemperatur, wie einer luftgekühl
ten Maschine.
Weiterhin begünstigt der glatte Verlauf der inneren Ober
fläche der Öffnung 17 und der äußeren Oberfläche des
Ventilkopfs 14 die Aufrechterhaltung der Brennstoffbe
netzung an diesen Oberflächen während der Zuführung von
Brennstoff durch die Öffnung 17. Dies trägt dazu bei,
daß eine Kohlenstoffansammlung an diesen Oberflächen
vermieden wird, da der Kraftstoff auf den Flächen, über
die er fließt, eine Spülwirkung auswirkt, insbesondere
wenn man die hohe Geschwindigkeit des Brennstoffs be
trachtet. Diese Spülwirkung verhindert auch die Ausbil
dung von Ablagerungen harziger Rückstände aus dem Brenn
stoff auf den betreffenden Oberflächen. Es wird ange
nommen, daß diese harzigen Rückstände die Kohlenstoff
ansammlung begünstigen.
Der in Fig. 1 gezeigte Ventilkopf 14 ragt in geschlossener
Stellung etwas über die Endfläche 33 hinaus. Wenn der Ventil
kopf 14 nach unten versetzt wird, um die Öffnung 17 freizu
geben, entfernt sich die Endfläche des Ventilkopfes 14 weiter
von der Endfläche 33 des Körpers 10. Dies kann die Trennung
des Brennstoffs von dem vorspringenden Teil des äußeren
konischen Abschnitts 26 des Ventilkopfes 14 fördern, wenn
der Brennstoff durch die Öffnung 17 zugeführt wird, wodurch
die Ablagerung von Harz- und Kohlenstoffteilchen auf dem
freiliegenden Teil der Oberfläche des Ventilkopfes 14 begün
stigt werden kann.
Um dieses Problem zu verringern, insbesondere für zwei Fluid
einspritzdüsen, besitzt der Ventilkopf 44 gemäß Fig. 2 eine
solche axiale Länge, daß, wenn das Ventil geöffnet ist, die
Endfläche 40 des Ventilkopfes 44 im wesentlichen in einer
Ebene mit der Endfläche 33 des Körpers 10 liegt. Diese Be
ziehung unterstützt den Kontakt des zugeführten Brennstoffs
mit den äußeren konischen Abschnitten 21 und 26 des Körpers
und des Ventilkopfes.
Da der Hauptteil der Komponenten und Merkmale der Düsenaus
bildung nach Fig. 2 denen in Fig. 1 entspricht, wird die Be
schreibung von Fig. 2 auf die Darstellung der Unterschiede
beschränkt, und die übereinstimmenden Komponenten erhalten
die gleichen Bezugszeichen.
Wie auch aus Fig. 2 ersichtlich ist, bildet der Teil der End
fläche des Körpers, der sich von dem Steg 31 nach außen er
streckt, einen flachen kegelstumpfförmigen konischen Abschnitt
39 im Gegensatz zu der tiefen bogenförmigen Ausbildung gemäß
Fig. 1. Dieser kegelstumpfförmige Abschnitt 39 der Endfläche
des Körpers schließt einen Winkel ein, der so gewählt ist,
daß seine konische Oberfläche etwa senkrecht zur äußeren ko
nischen Oberfläche 21 der Öffnung 17 steht. Diese Ausbildung
bewirkt, daß der aus der Öffnung 17 heraustretende Brennstoff
fluß im wesentlichen im rechten Winkel zur Oberfläche des ko
nischen Abschnitts 39 verläuft und so im rechten Winkel auf
jede etwaige Kohlenstoffansammlung trifft, die sich in den
Brennstoffstrom hinein aufbaut, wodurch eine maximale Kraft
zum Abbrechen oder Ablösen jeder sich in den Weg des aus der
Öffnung 17 austretenden Brennstoffs erstreckenden Kohlen
stoffansammlung bereitgestellt wird.
Die Düse gemäß Fig. 2 wird bevorzugt für Maschinen mit nied
rigen Arbeitstemperaturen, wie wassergekühlten Maschinen. Die
im Vergleich mit den Abschnitten 34 und 35 reduzierte Fläche
des Abschnitts 39 setzt die Temperatur des Düsenkörpers herab,
wo er der Verbrennungskammer der Maschine ausgesetzt ist.
Claims (8)
1. Brennstoffeinspritzdüse für einen Zylinder einer Ver
brennungsmaschine mit einem Körper mit einem sich zu
einem Ende von diesem erstreckenden Brennstoffdurchlaß,
einer Öffnung in dem Körperende zur Verbindung des Brenn
stoffdurchlasses mit der Verbrennungskammer der Maschine,
die einen ringförmigen Sitz enthält, einem Ventilele
ment mit einem ringförmigen Sitz, der mit dem ringför
migen Sitz in der Öffnung zur Steuerung des Brennstoff
flusses zusammenwirkt, und einer ringförmigen, die
Fließrichtung bestimmenden Oberfläche, die sich von den
Sitzen jeweils nach unten erstreckt, dadurch ge
kennzeichnet, daß die die Fließrichtung be
stimmenden Oberflächen jeweils so verlaufen, daß sie
glatt in den jeweiligen Sitz übergehen.
2. Brennstoffeinspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Endfläche (33) des Körpers (10) so
ausgebildet ist, daß ein querverlaufender ringförmiger
Steg (31) am Schnittpunkt mit der die Schließrichtung
bestimmenden Oberfläche der Öffnung (17) gebildet ist.
3. Brennstoffeinspritzdüse nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Endfläche (33) sich von der Außenkante
des ringförmigen Stegs (31) nach außen zurückgehend er
streckt.
4. Brennstoffeinspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, daß die Endfläche (33) und
die die Fließrichtung bestimmende Oberfläche der Öff
nung (17) sich im wesentlichen senkrecht schneiden.
5. Brennstoffeinspritzdüse nach einem der Ansprüche 2 bis
4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steg (31) eine Breite
von etwa 0,06 bis 0,25 mm hat.
6. Brennstoffeinspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Sitze des Ventilelements
(14) und der Öffnung (17) so angeordnet sind, daß bei ge
öffneter Stellung des Ventilelements (44) die Endkanten
jeder die Schließrichtung bestimmenden Oberfläche im we
sentlichen in einer Ebene liegen.
7. Brennstoffeinspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Endfläche (33) des Kör
pers (10) im wesentlichen konisch mit einem eingeschlos
senen Winkel bis 180° verläuft und ein Steg (31) mit
einer Breite von etwa 0,1 mm am Schnittpunkt dieser End
fläche (33) mit der die Fließrichtung bestimmenden Ober
fläche gebildet ist.
8. Brennstoffeinspritzdüse nach Anspruch 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß der eingeschlossene Winkel zwischen
140° und 160° beträgt.
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