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Kraftstoffeinspritzdüsen für Brennkraftmaschinen Zur Kraftstoffzufuhr
in die Zylinder von Einspritzbrennkraftniaschinen werden vielfach geschlossene Kraftstoffeinspritzdüsen
verwendet, bei denen die Einspritzöffnung durch eine federbelastete Düsennadel abgedichtet
und durch Anheben der Düsennadel unter der Wirkung des Kraftstoffdruckes eröffnet
wird. Dabei sitzt die Düsennadel gewöhnlich mit ihrer ebenen Stirnfläche abdichtend
auf dem die Einspritzbohrung enthaltenden Düsenplättchen auf. Bei solchen Einspritzdüsen
ist es aber schwierig, die für eine einwandfreie Dichtung, also einen zuverlässigen
Abschluß der Einspritzbohrung erforderliche Auflage der ganzen Düsennadelstirnfläche
auf ihrer Gegenfläche zu erreichen. Man ist daher dazu übergegangen, in dem auf
dem Düsenplättchen aufsitzenden Ende der Düsennadel eine kalottenartige :lusiielimung
einzuschleifen, derart, daß am Rand der Nadel eine schmale Ringzone als Dichtfläche
verbleibt. Nach anderen Vorschlägen hat man auch in die Stirnfläche der Düsennadel
eine ringförmige Ausnehmung eingedreht und das Düsenplättchen mit einer entsprechenden
Vertiefung versehen, so daß auch hier als Dichtfläche ein verhältnismäßig schmaler
Ring verbleibt. Durch diese :Maßnahmen läßt sich zwar ein guter Sitz mit hohem spezifischen
Flächendruck erreichen, so daß sich am Anfang eine zuverlässige Abdichtung des Kraftstoffraumes
der Einspritzdüse gegen den Einspritzraum (Motorzylinder) ergibt. Es besteht jedoch
bei einer solchen Ausführung der Nachteil darin, daß vom Einspritzraum her während
der Dauer des Verbrennungsvorganges heiße Gase in die Ausnehmungen des Düsennadelendes
eintreten. Da der von diesen Ausnehmungen gebildete Hohlraum
am
Ende der Einspritzung nie vollkommen entleert wird, verkoken die in ihm verbliebenen
Kraftstoffreste unter der Wirkung der heißen Verbrennungsgase, und es bildet sich
allmählich eine feste Kokskruste. Wenn nach einer bestimmten Betriebszeit diese
Kokskruste eine genügende. Dicke erreicht hat, verhindert sie das einwandfreie Aufsetzen
der metallischen Dichtfläche der Düsennadel auf die entsprechende Gegenfläche des
Düsenplättchens, und die Düsennadel sitzt mit ihrer Kokskruste auf. Hierdurch wird
aber nicht nur die Abdichtung vefschlechtert, sondern es wird auch das Verhältnis
zwischen Düsennadeldurchmesser und Sitzdurchmesser und damit auch der Abspritzdruck
der Düse, d. h. jener Kraftstoffdruck, bei welchem die Düsennadel angehoben wird
und die Einspritzung beginnt, verändert. Diese Veränderung kann bisweilen so weit
gehen, daß der auf das Anheben der Düsennadel hinwirkende Restdruck in der Kraftstoffzuleitung
am Ende der Einspritzung zusammen mit dem im gleichen Sinne wirkenden Verbrennungsdruck
im Zylinder die Schließkraft der Belastungsfeder für die Düsennadel überwiegt, so
daß Verbrennungsgase in die Düse eintreten, wo sie einerseits Verbrennungserscheinungen
und andererseits ein Zurückblasen des Kraftstoffes in die Zuleitung bewirken können.
Es kommt hinzu, daß das Düsennadelende mit dem Düsennadelsitz durch die heißen Gase
übermäßig erwärmt wird, was wiederum die Koksbildung begünstigt. Durch die Ausnehmungen
des Düsennadelendes ist nämlich die von heißen Verbrennungsgasen bespülte Oberfläche
der Düsennadel und des Düsennadelsitzes am Düsenplättchen erheblich größer als in
dem Falle, bei welchem das ebene Ende der Düsennadel auf der ebenen, die Düsenbohrung
enthaltenden Dichtfläche des Düsenplättchens aufsitzt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die vorher erwähnten Mängel bekannter
Kraftstoffeinspritzdüsen zu beseitigen und eine Einrichtung zu schaffen, bei welcher
eine zuverlässige Abdichtung erzielt wird ohne Inkaufnahme von für den Betrieb nachteiligen
Erscheinungen. Dies wird bei einer Kraftstoffeinspritzdüse mit einer unter der Wirkung
des Kraftstoffeinspritzdruckes nach innen öffnenden Düsennadel gemäß der Erfindung
dadurch erreicht, daß die Düsennadel an ihrem der Einspritzöffnung zugekehrten Ende
ein federbelastetes Ventil trägt, dessen beweglicher Teil in der Schließlage der
Düsennadel nachgiebig und abdichtend gegen den Rand der Einspritzbohrung anliegt.
Das federbelastete Ventil kann in einer Ausnehmung des freien, auf dem Düsenplättchen
aufsitzenden Endes der Düsennadel untergebracht sein, und der als Dichtkörper ausgebildete
bewegliche Teil des Ventils kann vorteilhaft eine Kugel sein. Dabei wird zweckmäßig
der Rand der das Ventil enthaltenden Ausnehmung der Düsennadel durch Einziehen oder
durch Anordnung von mindestens drei über seinen Umfang verteilten, nach innen gehenden
Vorsprüngen als Auflager für den beweglichen Teil des Ventils bei angehobener Düsennadel
ausgebildet. Die Belastungsfeder des Ventils kann eine kreisförmige oder kreisringförmige
Plattenfeder sein. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Abdichtung
gegen den Einspritzraum (Motorzylinder) durch ein Federplattenventil mit gewölbter
Federplatte, die sich mit ihrem Rand gegen die Bodenfläche der Ausnehmung der Düsennadel
abstützt und mit ihrer konvexen Außenfläche dichtend auf dem Rand der Einspritzbohrung
aufliegt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Weg gezeigt, auf
welchem der bei Einspritzdüsen der in Frage stehenden ,Art als störend empfundene
beträchtliche Unterschied zwischen Schließdruck und Öffnungsdruck des Kraftstoffes
vermieden werden kann. Dieser Unterschied entsteht dadurch, daß der Kraftstoffdruck
für den Öffnungsvorgang als Angriffsfläche nur die Querschnittsfläche der Düsennadel
vermindert um die durch den Sitz bestimmte Stirnfläche liet. Beim Schließvorgang
dagegen wirkt der Kraftstoffdruck auf die gesamte Querschnittsfläche der Düsennadel.
Der Durchmesser des Düsennadelsitzes kann aber nicht beliebig verkleinert werden,
damit der spezifische Anpreßdruck der Düsennadel auf ihrem Sitz nicht zu groß wird.
Aus diesen Verhältnissen ergibt sich, daß der Kraftstoffdruck, der das Anheben der
Düsennadel (Eröffnung der Düse) zu bewirken vermag, erheblich höher ist als der
Kraftstoffdruck, der bei der Schließbewegung der Düsennadel von ihrer Belastungsfeder
überwunden werden kann. Daraus ergibt sich, daß die Schließbewegung der Düsennadel
erst einsetzen kann, nachdem der Kraftstoffdruck am Ende der Einspritzperiode weit
genug abgesunken ist. Dies aber führt zu Urizuträglichkeiten am Ende der Einspritzung:
ungenügender Zerstäubung, Nachtropfen von Kraftstoff und damit mangelhafter Verbrennung.
Diese Unzuträglichkeiten können gemäß der weiteren Ausgestaltung der Erfindung dadurch
vermieden werden, daß die das Ventil enthaltende Ausnehmung der Düsennadel durch
einen die Düsennadel durchsetzenden Kanal mit dem Kraftstoffraum in Verbindung steht.
' In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht.
Es zeigt Fig. i einen Teilmittellängsschnitt einer Kraftstoffeinspritzdüse nach
der Erfindung in starker Vergrößerung; Fig. 2 einen ähnlichen Teilmittellängsschnitt
einer anderen Ausführungsform; Fig. 3 einen Teilmittellängsschnitt einer Ausführungsform
ähnlich derjenigen nach Fig. i. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. i ist in dem
Düsenkörper i eine Düsennadel 2 in axialer Richtung beweglich geführt, und sie wird
unter der Wirkung einer nicht dargestellten Belastungsfeder mit ihrem freien Ende
gegen ein am Düsenkörper i unnachgiebig festgelegtes Düsenplättchen 3 angedrückt.
Im Düsenkörper i ist ein Kanal 4 eingebohrt, welcher mit der von der Kraftstoffeinspritzpumpe
kommenden Kraftstoffleitung in Verbindung steht und in einen von Teilflächen des
Düsenkörpers i, der Düsennadel 2 und des Düsenplättchens 3 begrenzten Ringraum 5
(Kraftstoffraum) einmündet.
Die Düsennadel 2 ist an ihrem dem Düsenplättchen
; zugekehrten Ende mit einer mittigen Ausnehmung 6 versehen, in welcher eine als
Dichtkörper dienende Kugel 7 untergebracht ist, die unter der @t'irkung einer kreisförmigen
oder kreisringförmigen Plattenfeder 8 bei auf dem Düsenplättchen 3 aufsitzender
Düsennadel 2 die Öffnung der im Düsenplättchen 3 angeordneten Einspritzbohrung io
dichtend abschließt. An Stelle einer Kugel 7 könnte auch ein anderer Dichtkörper
mit ebener oder kegeliger Dichtfläche Anwendung finden, und an Stelle des eingezogenen
Randes 6 könnten am Rand der zylinderischen Ausnehmung 6 mindestens drei nach innen
gehende Vorsprünge angeordnet sein. Bei der dargestellten Anordnung wird die Abdichtung
nach dem vom Kraftstoff erfüllten Ringraum 5 hin durch eine Ringfläche i i am unteren
Düsennadelende gebildet, die auf einer entsprechenden Fläche des Düsennadelplättch.ens
3 aufliegt. Es wird also die Abdichtung nach dem Ringraum 5 (Kraftstoffraum) hin
und die. Abdichtung nach dem Einspritzraum 12 (Motorzylinder) hin an getrennten
Stellen durchgeführt, die auf dem Wege des einzuspritzenden Kraftstoffes hintereinanderliegen,
und es werden getrennte Dichtkörper verwendet. Die Verhältnisse sind dabei so gewählt,
daß in der Offenstellung (angehobene Lage der Düsennadel 2) die Abdichtkugel7 von
ihrem Sitz am Rand der Einspritzbohrung io abgehoben ist, wie in Fig. i punktiert
angedeutet ist. Sie sitzt in dieser Betriebsstellung auf dem eingezogenen Rand 9
der Ausnehmung 6 auf. Die Feder 8 ist so bemessen, daß der von ihr auf die Kugel
7 ausgeübte Druck, mit dem diese in der Schließstellung der Düsennadel 2 auf dem
Rand der Einspritzöffnung io aufliegt, größer ist als die vom maximalen Druck im
Einspritzraum 12 (Verbrennungsdruck) herrührende Kraft, so daß in jedem Augenblick
außerhalb der Einspritzperiode ein dichter Abschluß des Einspritzraumes 12 durch
die Kugel 7 gewährleistet ist. Es können daher keine heißen Brenngase in die Ausnehmung
6 eintreten und an die Dichtfläche i i der Düsennadel 2 und die entsprechende Fläche
des Düsenplättchens 3 gelangen, und es kann also an diesen Stellen keine Verkokung
von Kraftstoffresten eintreten.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist der am Rand der Einspritzbohrung
io anliegende Dichtkörper eine gewölbte Plattenfeder 14, die in einer Ausnehmung
15 des unteren Endes der Düsennadel 2 untergebracht ist. Die Plattenfeder 14 stützt
sich mit ihrem Rand 16 gegen die Bodenfläche 17 der Ausnehmung 15 und mit ihrer
konvexen Außenfläche gegen den Rand der Einspritzbohrung io ab.
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Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von
derjenigen nach Fig. i dadurch, claß die Ausnehmung 6 der Düsennadel 2, in welcher
,der Abdichtkörper (Kugel 7) und seine Belastungsfeder 8 untergebracht sind, durch
einen Kanal 18 in dauernder Verbindung mit dem Ringraum 5 steht, so daß in der Ausnehmung
6 zu jeder Zeit der jeweilige Kraftstoffdruck in gleicher Höhe wie in dem Ringraum
5 wirksam ist. Dieser Druck unterstützt die Wirkung der Ventilfeder 8 und preßt
zusammen mit dieser den Verschlußkörper des Ventils (Kugel 7) gegen den Rand
der Einspritzbohrung io an. Das Eröffnen der Einspritzdüse (Anheben der Düsennadel
2) geht wie folgt vor sich: Wenn der Kraftstoffdruck im Ringraum 5 und in der Ausnehmung
6 einen bestimmten Wert erreicht hat, wird die Düsennadel von ihrer Sitzfläche i9
angehoben. Der Dichtkörper des Ventils (Kugel 7) bleibt zunächst in seiner Abdichtlage
auf dem Rand der Einspritzöffnung io, und zwar so lange, bis er von dem eingezogenen
Rand 9 erfaßt und bei der weiteren Aufwärtsbewegung der Düsennadel 2 aufgehoben
wird und damit die Einspritzöffnung io freilegt.
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Bei einer solchen Ausführung ist die Angriffsfläche des Kraftstoffdruckes
an der geschlossenen Düsennadel nur unwesentlich, nämlich um die ringförmige Fläche
am Nadelsitz i9, kleiner als bei angehobener Düsennadel. Mithin unterscheiden sich
auch Öffnungs- und Schließdruck nur unerheblich, so daß am Ende der Einspritzperiode
scholl bei geringfügigem Nachlassen des Kraftdruckes die Belastungsfeder der Düsennadel
2 deren Schließbewegung einleiten kann.