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Einrichtung zur Lufteinblase-Einspritzung des Kraftstoffes bei Einspritzbrennkraftmaschinen
Bei der sogenaniiten Lufteinblase-Einspritzung wird Kraftstoff mit Hilfe von Preßluft
in die in den Arbeitszylinder eingesaugte Luftmenge eingespritzt, und zwar in der
WVeise, daß z. B. in einer nach au(ien öffnenden Nadeldüse der einzuspritzende Kraftstoff
in den Ventilspalt zugeführt und durch die an einer weiter zurückliegenden Stelle
zugeführte Einblasedruckluft in den Zylinder gerissen und zerstäubt «ird. Entgegen
der sonst üblichen Einspritzung des Kraftstoffes unter höherem Druck in der Mitte
des Saughubes, bei der durch .den liolicii Einspritzdruck die notii@eildige feine
Zerstäubung und die überwindung der Strömungsgeschwindigkeit der Luft bzw. die Durchdringung
der eingesaugten Luftstrahlen ermöglicht und eine möglichst gleichmäßige Anreicherung
des ganzen Zylinderinhaltes erzielt wird, wird bei der Lufteinblase-Eiiispritzung
eine lastabhängige Schichtung des Gemisches, d. h. eine stark mit Kraftstoff angereicherte
Gemischwolke in der Nähe der Zündkerze, im übrigen Brennraum dagegen je nach der
Belastung mehr oder weniger reine Frischluft erzielt. Es wird deshalb die Einspritzung
gegen das Ende des Saughubes, unter Umständen auch in
den Druckhub
verschoben, also in einen Zeitpunkt verlegt, der der Zündung rrröglichst nahe liegt
und wo bereits die Lufteinströmung sich beruhigt hat, so daß die gebildete Schichtung
erhalten bleibt. Gleichzeitig sind noch zu hohe Kompressionsdrücke vorhanden, so
daß Tran mit relativ geringen Lufteinblasedrücken ein Mitreißen des Kraftstoffes
durch die Preßluft, eine Art Verwehen in den Zylinder erhält.
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Hierbei ist es notwendig, daß der Kraftstoff nur noch mit geringem
Druck der Luft vorgelagert wird, da die Luftenergie einen unter hohem Druck entstehenden
Kraftstoffstrahl nicht zerreißen würde.
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Man hat für dieses Einspritzverfahren, wie bereits erwähnt, Düsen
verwendet, welche eine nach außen öffnende Ventilnadel aufweisen, wobei außer dem
üblichen Kraftstoffzuführungskanal noch ein Luftzuführungskanal vorgesehen wurde.
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Die beiden Kanalsysteme wurden dabei neben der Nadel im Ventilkörper
angeordnet, so da13 dieser Körper einen wesentlich größeren Durchmesser als üblich
erhielt. Demgegenüber wird gemäß der Erfindung der Kraftstoff durch den hohlen Schaft
der Nadel über im wesentlichen radial verlaufende Bohrungen des Ventilkopfes, die
Luft vorteilhaft über einen zwischen Düsenkörper und Düsenmantel ausgesparten Ringraum
und gegebenenfalls einen dem Ventilkopf vorgelagerten Sammelraum in den Ventilspalt
eingeführt. Die Luftzuleitung zur Düse erfolgt dabei beispielsweise von der Seite
her, während die Kraftstoffzuleitung in Achsrichtung der Düse oder zumindest in
eine axiale Ausnehmung der Düse erfolgt.
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Die Preßluft wird von einem kleinen Kompressor geliefert, der Kraftstoff
wird mit Hilfe von niederdrückenden,d.h, vorlagerüden, beispielsweise also einfachen
Trommelpumpen oder ähnlichen Dosierungspumpen herangebracht. Die Steuerung der Nadel
kann dabei mechanisch erfolgen, wobei die Steuerungsbewegung vorteilhaft von der
Nockenwelle der Maschine mittels eines Stößels abgeleitet werden kann. Gemäß der
Erfindung soll in diesem Fall der Stößel auf einen in der Einspritzdüse ange,-lenkten
Winkelhebel einwirken.
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Die mechanische Steuerung der Nadel bedingt das Vorhandensein einer
Steuerwelle und zusätzlicher Einrichtungen, die Bohrungen durch den Zylinderkopf
zur Durchführung obigen Stößels notwendig machen. Beim Zweitaktmotor ist die Steuerwelle
zumeist nicht vorhanden. Bei dem üblichen Viertaktmotor bedingt außerdem die zusätzliche
Einrichtung einen oft unerwünschten neuen Aufwand. Bei solchen Motoren ist dagegen
eine Einspritzpumpe zur Durchführung des bisher üblichen, eingangs geschilderten
Einspritzverfahrens vorhanden.
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Gemäß der Erfindung wird nun vorgeschlagen, die normale Einspritzpumpe
zur Steuerung der Nadel auch bei der Lufteinblasunig zu verwenden. Eine solche hydraulische
Steuerung könnte an sich als nahelicgend angesehen werden, wird aber normalerweise
einen Umbau der Einspritzpumpe bedingen oder zusätzlich eine Dosierungspumpe erfordern,
da die Aufgabe der Nadelsteuerung hohen Druck erfordert, das Kraftstoffvorlagern
dagegen niederen Vorlagedruck benötigt. Dieser Schwierigkeit wird in einfacher Weise
dadurch begegnet, daß zwischen der Druckangriffsstelle der Nadelsteuerung und der
Mischstelle zwischen Kraftstoff und Luft eine Drosselung des Kraftstoffes erfolgt,
so daß der hohe Steuerdruck auf den notwendigen Vorlagedruck absinkt. Da bei dem
benutzten Einspritzverfahren das Einspritzende kritisch ist, empfiehlt sich die
Verwendung einer Einspritzpumpe, deren Kolbensteuerkante derart ausgebildet ist,
daß mit zunehmender Einspritzmenge der Einspritzbeginn vorverlegt wird, das Einspritzende
für alle Laststufen aber konstant bleibt.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich an Hand der nachstehenden
Beschreibung der Zeichnung, welche in den Abb. i bis 4 einige Ausführungsbeispiele
des Erfindungsgegenstandes zeigt.
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In der Abb. t ist i der Zylinder, 2 der Zylinderkopf, in welchem neben
den angedeuteten Ventilen 3 die Einspritzdüse angeordnet ist. Die Düse ist in dem
dargestellten Ausführungsbeispiel zentral über dem Zylinder i in schräger Lage angebracht.
Selbstverständlich kann die Düse auch in anderer Lage und an einer anderen Stelle
des Zylinders angeordnet werden. Maßgebend hierfür ist lediglich der Umstand, .daß
bei dem hier zur Anwendung gelangenden Einspritzverfahren ein mit Kraftstoff stark
angereichertes Gemisch in Form einer Wolke im Bereich der Zündkerze erreicht werden
soll, wobei eine möglichst zentrale Lage der Wolke im Zylinder besonders erwünscht
ist. Die Schräglage der Düse erbringt noch den besonderen Vorteil, daß die, Kraftstoff-
und Luftzuleitungen außerhalb der Ventilhaube zu liegen kommen.
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Die Düse besteht hier aus dem Düsenkörper 4, in dessen axialer Bohrung
5 die Ventilnadel 6 mit ihrem: mittleren Teil ? dicht geführt ist. Am zylinderartigen
Ende weist die Ventilnadel den Ventilkopf 8 auf. Dieser Kopf kann die -in der Zeichnung
dargestellte Tellerventilform besitzen, so daß beim öffnen desselben ein kreisförmiger
Austrittsspalt 9 freigelegt wird. Unter Berücksichtigung der weiter oben erhobenen
Forderung, daß die Gemischwolke im Bereich der Zündkerze erzeugt werden soll, kann
selbstverständlich auch jede andere Form gewählt werden, welche diese Forderung
erfüllt; so z. B. kann etwa durch unsymmetrische Verteilung im Ventilkopf oder durch
Anordnung einer um den Umfang des Ventilkopfes herumlaufenden, die einzelnen Austrittsbohrungen
verbindenden Ringnut eine abweicheilde Form des Einspritzbildes angestrebt werden.
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An den Führungsteil ? der Ventilnadel schließt sich dann nach dem
Düseninnern hin ein verjüngter Nadelteil i o an, welcher von der Ventilfeder i i
umgeben ist, die in einer Erweiterung 12 des AXia,lkanals 5 der Düse liegt. Die
Feder i i stützt sich einerseits gegen die durch die Erweiterung gebildete Schulter
13 und andererseits gegen den Ventilteller 14 an der Düsennadel. Die Fortsetzung
des Ventilkörpers 4 bildet der Anschlußstutzen 15, an
dessen freiliegrndes,
mit Gewinde versehenes Ende 16 die Kraftstoffzuleitung 17 angeschlossen wird. Die
Eintrittsbohrung 1 8 des Anschlußstutzens 15 liegt bei dem Ausführungsbeispiel nach
Abb.1 neben der Düsenachse und durchsetzt den Anschluf3stutzün 15 in der Längsrichtung
bis in die Nähe der Berührungsstelle mit dem Düsenkörper Vom Ende des Kanals 18
führt eine in bezug auf die Düse radial angeordnete Schrägbohrung 26 zu der bereits
erwähnten, als Ventilkammer dienenden Erweiterung 12 des Axialkanals der Düse.
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Der Düsenkörper ist von einem hülsenförmigen Düsenmantel 19 umgeben,
welcher an zwei Bunden 20, 21 des Düsenkörpers anliegt. Zwischen den beiden Bunden
ist nvischen dem Düsenkörper 4 und dem Düsenmantel 19 ein Ringraum 22 belassen.
An dem Anschlußstutzen 15 ist seitlich ein weiterer ElnlaßStutZen 23 ausgebildet,
dessen axiale Bohrung 24 in einen oder mehrere den Anschlußstutzen 15 neben der
Düsenachse in Längsrichtung durchlaufende Kanäle 25 mündet. Dieser Kanal 25 geht
in eine Ringnut 27 in der dem Düsenkörper 4 zugekehrten Stirnfläche des Anschlußstutzens
15 über, die mit dem Ringraum 22 durch Längsnuten 28 in dem Bund 20 in Verbindung
steht. Von dem Ringraum 22 führen Schrägbohrungen 29 in eine als Sammelraum dienende
Erweiterung 3o des Axialkanals der Düse, die über den Ventilspalt 9 ins Freie bzw.
in den 7sylinderraum mündet. Diese Bohrungen 29 können radial oder tangential angeordnet
werden. Im letzteren Fall wird die Luft in denn Sammelraum 30 eine Drallbewegung
um den Ventilnadelschaft vollführen. Sie wird daher eine stärkere seitliche Verwehung
des Kraftstoffes im Ventilspalt hervorrufen als bei radialer Anordnung der Bohrungen
29. Es wird also die Wahl der Lage dieser Bohrungen etwa abhängig sein von der gewünschten
Verteilungsform des Kraftstoffluftgemisch,es im Zylinder, d. h. also davon, ob z.
B. eine Gemischwolke oder mehrere verschieden liegende Gemischwolken (bei Verwendung
mehrerer Zündkerzen) od. ähnl. erwünscht sind. Die Kanäle 24, 25, der Ringraum 22,
die Kanäle 29 und der Sammelraum 30 führen die zum Einblasen des Kraftstoffes
notwendige Druckluft von einer nicht dargestellten Quelle, z. B. einem kleinen.Verdichter,
zum Ventilspalt 9.
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Die ebenfalls bereits erwähnten Kanäle 18, 26 und die Federkammer
12 dienen dazu, den Kraftstofi, der z. B. von einer Dosierungspumpe über die Leitung
17 zutließt, in die Höhlung 32 der .auf einem Teil ihrer Länge ausgebohrten Ventilnadel
6 zu führen. Den Einlaß in die Höhlung 32 bilden Radialbohrungen 33 an der Übergangsstelle
des Führungsteiles 7 der Ventilnadel in den verjüngten Teil 1o. Die Höhlung32 reicht
bis in den Ventilkopf 8, wo von ihr im wesentlichen radial verlaufende Bohrungen
34 zu der Ventilsitzfläche führen. Diese Bohrungen können, wie bereits eingangs
erwähnt, durch eine um den Ventilkopf verlaufende Ringnut miteinander verbunden
bzw. beliebig symmetrisch oder unsymmetrisch im Ventilkopf verteilt sein. Es ist
ohne weiteres einleuchtend, daß beim Offnen der Ventilnadel der Kraftstoff aus den
Bohrungen 34 in den Ventilspalt 9 eintritt und von der aus dem Sammelraum.3o ausströmenden
Druckluft mitgerissen und gut zerstäubt wird. Selbstverständlich wird in irgendeiner
geeigneten Weise für eine Begrenzung des Öffnungshubes der Nadel gesorgt. Ebenso
wird im Zuge der Antriebsübertragung vom Nocken auf die Ventilnadel eine federnde
Nachgiebigkeit vorgesehen.
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Die in der Abb. t dargestellte Einspritzeinrichtung ist für mechanische
Steuerung eingerichtet. Zu diesem Zweck ist an der üblichen Nockenwelle 35 ein zusätzlicher
Nocken 36 vorgesehen, welcher einen geeignet geführten Stöße137 bewegt. Dieser Stößel
wirkt auf den einen Arm 38 eines Winkelhebels 38, 39, der in einem seitlichen Schlitz
4o der Düse bzw. des Anschlußstutzens 15 aasgelenkt ist. Diese seitliche Steuerung
bietet die Möglichkeit, den Stößel im Kopf zu führen, also eine Durchbrechung und
damit zusammenhängende besondere Abdichtung der Haube an der Durchbrechungsstelle
zu ersparen. Der Arm 39 des Winkelhebels wirkt einerseits über ein den Kraftstoff
abdichtendes kolbenförmiges Zwischenstück 41 auf die Ventilnadel, dessen Kraftstoffpumpwirkung
gleichzeitig ausgenützt werden kann, andererseits ist er dem Einfluß einer Rückholfeder
42 durch Vermittlung eines Zwischenstückes 43 unterworfen. Unter der Wirkung dieser
Rückholfeder und der mittelbaren Einwirkung der Ventilfeder 1 t wird der Stößel
37 in beiden Bewegungsrichtungen gegen Herauskippen gehalten. Von dem die Rüekholfeder
42 enthaltenden Raum führt eine Entlüftungsbohrung 44 in den Schlitz 40 der Düse.
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Die in den Abb. 2 bis 4 dargestellten Düsen unterscheiden sich von
der eben geschilderten Ausführungsform im wesentlichen dadurch, daß sie für Steuerung
durch den Druck des von einer Einspritzpumpe zugeführten Kraftstoffes eingerichtet
sind.
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Gemäß Abb. 2 ist der Anschlußstutzen 15 mit einem in der Düsenachse
liegenden Einlaßkanal 18 versehen. Der Düsenkörper ist so lang ausgeführt, daß der
seitliche Luftzuführungsstutzen 23 bzw. der Lufteinlaßkanal 24 unmittelbar in den
Ringraum 22 zwischen Düsenkörper 4 und den Düsenmantel 19 einmündet.
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Die Bohrungen 33, welche für den Kraftstoffeintritt in die Höhlung
32 der Ventilnadel vorgesehen sind, sind hier aus den eingangs angeführten Gründen
als Drosselstellen ausgebildet.
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Gemäß Abb.3 schließlich ist sowohl der Düsenkörper 4 als auch der
Anschlußstutzen 15 von dem Düsenmantel 19 umgeben. Beide Teile liegen je mit zwei
Bunden 20, 21 bzw. 45, 47 am Düsenmantel an. Es entstehen somit zwei Ringräume 22
bzw. 46 zwisehen den Bunden jedes der beiden Teile. Die einander benachbarten Bunde
20, 47 weisen umfängliche Längsnuten auf, welche die Verbindung zwisZhen den Räumen
22, 45 herstellen und den Luftdurchtritt zum Düsenmund gestatten.
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Der Ventilkörper ist hier ebenso wie die Nadel wesentlich kürzer.
Im übrigen ist die Anordnung gleich der Ausführungsform nach Abb. 2.
Gemäß
@Abb. 4 sind Anschlußstutzen und Düsenmantel in einem Stück hergestellt.