DE4117910A1 - Einspritzduese fuer brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einspritzdüse für Brennkraft­ maschinen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angege­ benen Gattung.

Aus der DE-PS 9 32 209 ist eine Düse mit einem Zerstäuber für eine Brennkraftmaschine bekannt, die einen sich in Kraftstoff-Flußrichtung verjüngenden kegeligen Hohlraum enthält, an den sich ein koaxialer zylindrischer Hohlraum anschließt, der über Düsenbohrungen mit der jeweiligen Brennkammer verbunden ist. Im Gehäuse ist eine achszen­ trierte Düsennadel axial verschiebbar angeordnet, an der eine erste und eine zweite Kegelfläche ausgebildet sind. Eine Schließkante tritt mit der den kegeligen Hohlraum be­ grenzenden Innenfläche des Gehäuses in Wechselwirkung. Der Scheitelwinkel der ersten Kegelfläche der Nadel ist um 10 bis 20° kleiner als der Scheitelwinkel des kegeligen Hohl­ raumes, während der Scheitelwinkel der zweiten Kegelfläche der Nadel um 0,5 bis 4° größer als der Winkel des kegeli­ gen Hohlraumes des Gehäuses ist. Durch dieses Winkelver­ hältnis der Kegelflächen der Nadel und des kegeligen Hohl­ raumes erfüllt die zweite untere Kegelfläche der Nadel zwei Funktionen, nämlich einmal eine Drosselung des Kraft­ stoff-Flusses und zum anderen das Absperren des Kraft­ stoffstromes. Dieser Nadelabschnitt wirkt somit als Drossel und als Sperrglied. Durch die Axialbewegungen der Düsennadel und das häufige Aufsetzen auf die Gehäusefläche kann sich die Lage der Schließkante in Kraftstoff-Fluß­ richtung bei einer Verringerung des Durchmessers des tat­ sächlichen Schließkreises verschieben. Solch eine Erschei­ nung führt zu teilweise verschlissenen Kegelflächen und zu einer Druckabnahme bei Einspritzbeginn zu einer verminder­ ten Einspritzintensität sowie zu Leckagen bzw. zum Nach­ tröpfeln der Düse.

Aus der SU-A-10 86 204 ist eine Einspritzdüse für Brenn­ kraftmaschinen bekannt, die einen kegeligen Hohlraum und einen über Düsenbohrungen mit der Brennkammer verbundenen zylindrischen Hohlraum sowie eine im Gehäuse axial beweg­ bare Nadel enthält. Am Ende der Nadel sind eine erste Ke­ gelfläche, deren Scheitelwinkel kleiner als der Scheitel­ winkel des kegeligen Hohlraumes ist, und eine zweite Ke­ gelfläche ausgebildet, die relativ zu der den kegeligen Hohlraum begrenzenden und mit der im Anschlußbereich der ersten und der zweiten Kegelfläche der Nadel liegenden Schließkante in Wechselwirkung tretenden Innenfläche des Gehäuses unter Belassen eines zur Drosselung des Kraft­ stoffstromes dienenden Ringspaltes angeordnet ist.

Der Durchmesser des Schließkreises bleibt bis zum Er­ reichen eines bestimmten Verschleißgrades der schließenden Kegelflächen des Gehäuses und der Nadel praktisch kon­ stant, weil sich die Schließkante im Anschlußbereich zweier Kegelflächen der Nadel befindet und die zweite Kegelfläche einen kleineren Durchmesser der Basis als der Durchmesser der Schließkante sowie einen dem Scheitelwin­ kel des kegeligen Hohlraumes des Gehäuses ungefähr glei­ chen Scheitelwinkel hat. Die erste in Kraftstoff-Flußrich­ tung liegende Kegelfläche der Nadel mit dem kleineren Scheitelwinkel als der Scheitelwinkel des kegeligen Hohl­ raumes bewirkt den Schließvorgang. Der die erste und die zweite Kegelfläche der Nadel trennende Stufenübergang ver­ hindert den Einlauf der zweiten Kegelfläche der Nadel in den kegeligen Hohlraum des Gehäuses, wodurch das Absperren des Kraftstoffes an der ursprünglichen Kante erfolgt. Der stabile Zustand des Schließkreises bleibt so lange erhal­ ten, bis sich durch Verschleiß der Innenfläche des kegeli­ gen Hohlraums und der ersten Kegelfläche der Nadel diese Flächen kontaktieren, wodurch die tatsächliche Schließkan­ te auf die zweite Kegelfläche der Nadel verschoben wird, was zu ungenügenden Einspritzvorgängen führt.

Eine Vergrößerung der Höhe des Stufenüberganges (des Luft­ spaltes) zwischen der ersten und der zweiten Kegelfläche der Nadel bei dieser Einspritzdüse verlängert zwar die Le­ bensdauer, vermindert aber die Intensität der Zerstäubung erheblich, so daß die Höhe des Stufenüberganges minimal bemessen sein soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einspritz­ düse für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, die bei einer verlängerten Lebensdauer eine gleichbleibend inten­ sive Einspritz- und Zerstäubungswirkung ohne Nachtröpfeln gewährleistet.

Diese Aufgabe wird bei einer Einspritzdüse für Brennkraft­ maschinen, deren Gehäuse einen sich in Kraftstoff-Fluß­ richtung verjüngenden kegeligen Hohlraum und einen über Düsenbohrungen mit der Brennkammer verbundenen zylindri­ schen Hohlraum aufweist sowie eine fluchtend im Gehäuse hin- und hergehend bewegbar angeordnete Nadel enthält, die an ihrem Ende in Kraftstoff-Flußrichtung liegende und zusammenarbeitende Kegelflächen besitzt, wobei eine erste Kegelfläche einen kleineren Scheitelwinkel als der Scheitelwinkel des kegeligen Hohlraumes hat und eine zwei­ te Kegelfläche, relativ zu, der den kegeligen Hohlraum begrenzenden und mit der im Anschlußbereich der ersten und der zweiten Kegelfläche der Nadel liegenden Schließkante in Wechselwirkung tretende Innenfläche des Gehäuses unter Belassen eines zur Drosselung des Kraftstoffstromes be­ stimmten Ringspaltes gelegen ist, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an der zweiten Kegelfläche der Nadel im An­ schlußbereich mit der ersten Kegelfläche der Nadel eine Ringeindrehung vorgesehen ist, bei der die Oberfläche bei der Kreuzung mit der zweiten Kegelfläche der Nadel eine Drosselkante bildet, deren Durchmesser größer als der Durchmesser des zylindrischen Hohlraumes ist und ausgehend von dem Verhältnis wie folgt ermittelt wird:

worin:
d₁ = Durchmesser der größeren Grundfläche des kegeligen Hohlraumes,
d₂ = Durchmesser des zylindrischen Hohlraumes,
d₃ = Durchmesser der Schließkante,
d₄ = Durchmesser der Drosselkante
bedeuten.

Weitere Besonderheiten und Vorzüge der Erfindung lassen sich der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Be­ zugnahme auf die Zeichnung entnehmen, in welcher der Zer­ stäuberteil einer Einspritzdüse im Axialschnitt darge­ stellt ist.

In einem hohlzylindrischen Gehäuse 1 sind ein sich in Kraftstoff-Flußrichtung verjüngender kegeliger Hohlraum 2 und ein unterer zylindrischer Hohlraum 3 vorgesehen, die gleichachsig untereinander angeordnet sind. Der kegelige Hohlraum 2 ist von einer Innenfläche 4 begrenzt und hat eine größere Grundfläche vom Durchmesser d₁. Der zylindri­ sche Hohlraum 3 ist über Düsenbohrungen 5 mit einer nicht dargestellten Brennkammer verbunden und hat einen Durch­ messer d₂. Im Gehäuse 1 ist eine Düsennadel 6 achs­ zentriert angeordnet, an deren Ende der Nadel 6 eine erste Kegelfläche 7 und eine zweite Kegelfläche 8 ausgebildet sind. Der Scheitelwinkel α der ersten Kegelfläche 7 ist kleiner als der Scheitelwinkel β des kegeligen Hohlraumes 2. Am Übergang der oberen Kegelfläche 7 der Nadel 6 und einer Radialfläche zur zweiten Kegelfläche 8 befindet sich eine Schließkante 9 vom Durchmesser d₃, welche mit der konischen Innenfläche 4 des Gehäuses 1 in Wechselwirkung tritt. Die zweite Kegelfläche 8 der Nadel 6 bildet mit der Innenfläche 4 einen Ringspalt 10 zur Drosselung des Kraft­ stoffstromes.

Zwischen der unteren Kegelfläche 8 der Nadel 6 und der er­ sten Kegelfläche 7 ist eine Ringeindrehung vorgesehen, de­ ren vorzugsweise konische Oberfläche 11 am Übergang zur unteren Kegelfläche 8 eine Drosselkante 12 bildet. Der Durchmesser d₄ dieser Drosselkante 12 ist größer als der Durchmesser d₂ des zylindrischen Hohlraumes 3 und wird durch folgende Beziehung bestimmt:

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein Selbstausgleich des Verschleißes der an den Schließ­ vorgängen beteiligten Oberflächen erzielt wird, wobei der Ringspalt zwischen der Innenfläche 4 und der zweiten Ke­ gelfläche 8 automatisch aufrechterhalten bleibt, was die Betriebsfähigkeit des Zerstäubers auf einem praktisch kon­ stanten Niveau unabhängig von der Senkung der Nadel 5 ge­ währleistet.

Der Selbstausgleich des Verschleißes der schließenden Oberflächen wird auf folgende Weise verwirklicht.

Bei einer Absenkbewegung der Nadel 6 verkleinert sich der Ringspalt 10 zwischen der zweiten Kegelfläche 8 der Nadel und der Innenfläche 4 des Gehäuses 1, wobei die obere Ke­ gelfläche 7 der Nadel 6 in den kegeligen Hohlraum 2 des Gehäuses 1 eindringt. Mit dem schlagartigen Aufsetzen der Nadel 6 auf der Innenfläche 4 erfolgt eine elastische Ver­ formung der Nadel 6 in der Kontaktzone ihrer ersten Kegel­ fläche 7, was zu einer zusätzlichen Absenkung der Nadel 6 und einer entsprechenden Verkleinerung des Ringspaltes 10 führt. Demzufolge ist der Ringspalt 10 zwischen der zwei­ ten Kegelfläche 8 und der Innenfläche 4 des Gehäuses 1 stets kleiner, als im statischen Zustand der ersten Kegel­ fläche 7 der Nadel 6 an der Innenfläche 4 des Gehäuses 1.

Da mit der Betriebsdauer der Einspritzdüse die Größe der Absenkung der Nadel 6 zunimmt, kann eine Situation eintre­ ten, bei welcher der Ringspalt 10 im Augenblick des Auf­ setzens der Nadel 6 auf die Innenfläche 4 völlig beseitigt wird und die zweite Kegelfläche 8 die Innenfläche 4 kon­ taktiert. Im statischen Zustand des Zerstäubers wird je­ doch der Ringspalt 10 mit einer bestimmten Größe beibehal­ ten.

Bei der gleichzeitigen mechanischen Zusammenwirkung der ersten Kegelfläche 7 der Nadel 6 und ihrer zweiten Kegel­ fläche 8 mit der Innenfläche 4 in deren Kontaktzonen wer­ den diese Oberflächen (in der Regel vor allem die Innen­ fläche 4) einem Verschleiß ausgesetzt. Der in der Kontakt­ zone der ersten Kegelfläche 7 der Nadel 6 mit der Innen­ fläche 4 stattfindende Verschleiß ist ein "negativer" Fak­ tor, der die Lebensdauer des Zerstäubers verkürzen kann, während der in der Kontaktzone der zweiten Kegelfläche 8 der Nadel 6 mit der Innenfläche 4 erfolgende Verschleiß eine direkt entgegengesetzte Wirkung hat.

Bekanntlich ist die Verschleißgröße von Kontaktspannungen abhängig und bei gleichen Bedingungen dem Flächeninhalt der in Wechselwirkung tretenden Oberflächen umgekehrt pro­ portional.

Die Kontaktfläche der ersten Kegelfläche 7 mit der Innen­ fläche 4 ist durch die Linie der Schließkante 9 mit dem Durchmesser d₃ und die größere Grundfläche des kegeligen Hohlraumes mit dem Durchmesser d₁ für die zweite Verbin­ dung begrenzt. Entsprechend wird die Kontaktfläche der zweiten Kegelfläche 8 mit der Innenfläche 4 durch die Linie der Drosselkante 12 mit dem Durchmesser d₄ und die Übergangslinie des kegeligen Hohlraumes 2 in den zylindri­ schen Hohlraum 3 mit dem Durchmesser d₃ begrenzt. Die Ein­ laufoberfläche der zweiten Kegelfläche 8 mit der Innen­ fläche 4 hat einen kleineren Flächeninhalt als die Ein­ laufoberfläche der ersten Kegelfläche 7 mit der Innen­ fläche 4, weil die Drosselkante 12 mit einem Durchmesser d₄ ausgeführt wird, der in einem dem genannten Verhältnis der Flächeninhalte entsprechenden Bereich wie folgt liegt:

Aus diesem Grund wird der Verschleiß in der Kontaktzone der zweiten Kegelfläche 8 der Nadel 6 mit der Innenfläche 4 größer als derjenige in der Kontaktzone der ersten Kegelfläche 7 der Nadel 6 mit der Innenfläche 4. Dadurch wird bei jedem Aufsetzen der Nadel 6 auf die Innenfläche 4 der Verschleißprozeß an der zweiten Kegelfläche 8 der Na­ del 6 und der Innenfläche 4 des Gehäuses 1 mit einer Vor­ teilung gegenüber dem zwischen der ersten Kegelfläche 7 der Nadel 6 und der Innenfläche 4 des Gehäuses 1 stattfin­ denden Verschleiß vor sich gehen. Im Ergebnis wird trotz des Verschleißes des Zerstäubers der funktionell notwen­ dige Ringspalt 10 zwischen der zweiten Kegelfläche 8 der Nadel 6 und der Innenfläche 4 des Gehäuses 1 im statischen Zustand automatisch aufrechterhalten, wodurch sich die Sollbetriebszeit des Zerstäubers und damit der Einspritz­ düse verlängert.

Claims (2)

1. Einspritzdüse für eine Brennkraftmaschine mit einem Gehäuse (1), in dessen Endteil ein kegelförmiger Hohlraum (2) und ein mit der Brennkammer verbundener zylindrischer Hohlraum (3) ausgebildet sind und mit einer im Gehäuse (1) axial verschiebbaren Düsennadel (6), an deren unterem End­ teil eine erste Kegelfläche (7), deren Scheitelwinkel (α) kleiner als der Scheitelwinkel (β) des kegelförmigen Hohl­ raumes (2) ist, und eine zweite Kegelfläche (8) ausgebil­ det sind, die mit der Innenfläche (4) des kegelförmigen Hohlraums (2) einen ringförmigen Drosselspalt (10) be­ grenzt, wobei am unteren Ende der ersten oberen Kegelflä­ che (7) eine Schließkante (9) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Kegelflächen (7 und 8) der Düsen­ nadel (6) eine Ringeindrehung vorgesehen ist, deren Man­ telfläche (11) im Übergang zur unteren zweiten Kegelfläche (8) eine Drosselkante (12) bildet, deren Durchmesser (d₄) größer als der Durchmesser (d₂) des zylindrischen Hohlrau­ mes (3) ist und nach der Beziehung ermittelt wird: worin:
d₁ = Durchmesser der größeren Grundfläche des kegelförmigen Hohlraumes (2),
d₂ = Durchmesser des zylindrischen Hohlraumes (3),
d₃ = Durchmesser der Schließkante (9),
d₄ = Durchmesser der Drosselkante (12)
bedeuten.

2. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindrehung eine kegelförmige Mantelfläche (11) und eine obere die Schließkante (9) bildende Radialfläche auf­ weist.