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DE3004033C2 - Wärmegeschützte Kraftstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen und Verfahren zur Herstellung einer solchen Einspritzdüse - Google Patents

Wärmegeschützte Kraftstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen und Verfahren zur Herstellung einer solchen Einspritzdüse

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DE3004033C2
DE3004033C2 DE3004033A DE3004033A DE3004033C2 DE 3004033 C2 DE3004033 C2 DE 3004033C2 DE 3004033 A DE3004033 A DE 3004033A DE 3004033 A DE3004033 A DE 3004033A DE 3004033 C2 DE3004033 C2 DE 3004033C2
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Germany
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nozzle
cap
injection
nozzle body
injection nozzle
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DE3004033A
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DE3004033A1 (de
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Helmut 5204 Lohmar Busch
Heinz 5210 Troisdorf Küpper
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Kloeckner Humboldt Deutz AG
Original Assignee
Kloeckner Humboldt Deutz AG
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Kuehlen von Einspritzduesenspritzloechern, die in einem Duesenkoerper angeordnet sind und zum Einspritzen von fluessigen Brennstoffen in den Brennraum einer Brennkraftmaschine dienen sowie auf ein Verfahren zum Kuehlen von Einspritzduesenspritzloechern. Ueber den Duesenkoerper ist eine Kappe gestuelpt, die in der axialen Verlaengerung der Spritzloecher Spritzoeffnungen aufweist. Zwischen der Kappe und dem Duesenkoerper ist ein umlaufender Spalt bis nahe an den Kappenrandbereich vorhanden. Der Spalt ist zumindest im Bereich der Spritzloecher durch Einbringen von waermeisolierendem Material verschlossen. Der Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass allein durch diese Anordnung bei Gasoel die Temperatur an der Duesenspitze um ueber 40 % gegenueber derjenigen ohne Kappe gesenkt werden kann. Ein Verfahren zum Kuehlen von Einspritzduesenspritzloechern ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kappe mit einer giessfaehigen, waermeisolierenden und aushaertbaren Paste in ihrem Bodenbereich ausgefuellt wird, anschliessend ueber den Duesenkoerper gestuelpt und an diesen befestigt wird, dass das waermeisolierende Material evtl. durch Zufuegen von Waerme ausgehaertet und dass anschliessend in an sich bekannter Weise die Spritzloecher bzw. Spritzoeffnungen auf den geforderten Durchmesser geoeffnet werden. ...U.S.W

Description

Iochs (6) und jeder Durchspritzöffnung (7) durch Einbringen von wärmeisolierenden Material ausgefüllt ist.
2. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kappe (3) aus hochlegiertem Stahl besteht und im Bereich der Durchspritzöffnung (7) eine Wandstärke von 0,4 bis maximal 2,0 mm aufweist
3. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (5) eine Starke von 0,2 bis 1,0 mm aufweist.
4. Kraftstofreinspritzduse nacrn einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kappe (3) an ihrem der Einspritzseite aogewandten Randbereich mit dem Düsenkörper (1) verklebt ist.
5. Kraftstoffeinspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeisolierende Füllmaterial im Spalt (5) zumindest einen hohen Rußanteil aufweist oder ganz aus Ruß besteht.
6. Verfahren zum Herstellen einer Kraftstoffeinspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder nach Anspruch 5 mit einem einen hohen Rußanteil aufweisenden Füllmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst in den Bodenbereich der Kappe (3) ein gießfähiges, aushärtbares Material geringer Wärmeleitfähigkeit eingefüllt wird, daß anschließend die Kappe (3) über den Düsenkörper (1) gestülpt und an diesem verdrehsicher befestigt wird, und daß im Anschluß an das Aushärten des den Spalt (5) je nach eingefüllter Menge ausfüllenden Materials geringer Wärmeleitfähigkeit die Durchspritzöffnung(en) (7, 7.1, 7.2) in der Kappe (3) mit ihrem zugehörigen Spritzloch (6, 6.1, 6.2) im Düsenkörper (1) gefertigt werden.
7. Verfahren zum Herstellen einer Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 5 mit einem ganz aus Ruß bestehenden Füllmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß die Kappe (3) über den Düsenkörper (1) gestülpt und an diesem verdrehsicher befestigt wird, wobei jede Durchspritzöffnung (7,7.1,7.2) in der Kappe (3) und das zugehörige Spritzloch (6,6.1,6.2) im Düsenkörper (1) entweder vor oder erst nach dieser Befestigung gefertigt werden, daß ferner während einer Einlaufphase der Kraftstoffeinspritzdüse in einer Brennkraftmaschine der Spalt (5) zumindest um den Mündungsbereich jedes Spritzlochs (6, 6.1, 6.2) und jeder Durchspritzöffnung (7, 7.1, 7.2) bei gleichzeitiger Verringerung des Kraftstoffdurchtrittsquerschnitts von Spritzloch und Durchspritzöffnung zurußt und daß anschließend jedes Spritzloch (6, 6.1, 6.2) und jede Durchspritzöffnung (7, 7.1, 7.2) wieder auf ihren ursprünglichen Durchmesser geöffnet werden.
Die Erfindung betrifft eine wärmegeschützte Kraftstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen mit einem Düsenkörper, einer entgegen der Kraftstoffströmungsrkhtung von ihrem Sitz abhebenden und innerhalb des Düsenkörpers angeordneten Düsennadel und einer verdrehsicher über den Düsenkörper gestülpten Kappe, wobei im Düsenkörper zumindest ein von der Düsennadel beherrschtes Spritzloch und in der Kappe für jedes Spritzloch eine axial zu diesem im Durchmesser größere
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Es ist allgemein bekannt, daß Einspritzdüsen für Brennkraftmaschinen, insbesondere für direkteinspritzende Brennkraftmaschinen, an ihrer Düsenspitze nicht heißer als ca. 2200C werden dürfen, wenn als Kraftstoff Gasöl verwendet wird. Ein Oberschreiten, dieser Temperatur verursacht u. z.. ein Zukoken der Spritzlöcher, so daß die für den ordnungsgemäßen Verbrennungsablauf erforderliche Kraftstoffmenge nicht mehr in den Brennraum eingespritzt werden kann.
Eine gattungsgemäße Kraftstoffeinspritzdüse ist aus der US-PS 20 68 678 bekannt. Die dicht auf dem Düsenkörper aufliegende Kappe besteht hier aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit, damit die Kraftstoffeinspritzdüse durch die in den Zylinder der Brennkraftmaschine einströmende Frischluft gekühlt werden kann. Es hat sich jedoch gezeigt, daß eine derartige Kappe aus gut wärmeleitendem Material die während der Brennphase u. a. erzeugte Wärme besonders put an den Einspritzdüsenkörper weiterleitet, wodurch sich die Kraftstoffeinspritzdüse bzw. der Düsenkörper nachteilig aufheizt und die Gefahr eines Zukokens der Spritzlöcher besteht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftstoffeinspritzdüse der gattungsgemäßen Art derart auszubilden, daß der die Spritzlöcher aufweisende Abschnitt des Düsenkörpers auf einfache Weise und ohne Verwendung eines Kühlmediums hochwirksam vor einer Wärmeeinwirkung geschützt ist, um das Zukofcen der Spritzlöcher weitgehend zu verhindern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kr^ftstoffeinspritzdüse mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Der zwischen dem Düsenkörper und der Kappe vorgesehene Spalt reicht bis an den dem Düsenkörper anliegenden Kappenrandbereich, so daß eine gute Wärmeisolation des gesamten Düsenkörpers gegeben ist. Durch das im Mündungsbereich des Spritzlochs und der Durchspritzöffnung im Spalt eingebrachte wärmeisolierende Material ist auch der besonders kritische Bereich um das Spritzloch herum sicher vor Wärmeeinwirkung geschützt. Die Temperatur am Spritzloch kann so unterhalb kritischer Werte gehalten werden, wodurch ein Verkoken des Spritzlochs und auch der Durchspritzöffnung sicher verhindert ist. Diese erfindungsgemäße Anordnung der Kappe senkt — bei Verwendung von Gasöl — die Temperatur an der Düsenspitze um etwa 40% gegenüber derjenigen Version ohne Kappe. Die einfach zu fertigende Kappe vergrößert den Platzbedarf der
Einspritzdüse im Brennraum praktisch nicht. Änderungen am Zylinderkopf oder an der Einspritzdüse selbst sind nicht notwendig.
Bei einer Kraftsioffeinspritzdüse mit mehreren Spritzlöchern ist die Kappe mit einer entsprechenden Anzahl von korrespondierenden Durchspritzöffnungen versehen, wobei der Spalt dann zumindest jeweils in den Mündungsbereichen der Spritzlöcher und Durchspritzöffnungen mit einem wärmedämmenden Material ausgefüllt ist
Zur Wärmeisolation des Düsenkörpers wurde bereits vorgeschlagen (DE-PS 7 11 939), den Düsenkörper in einer Hülse anzuordnen, die von Kühlwasser umspült ist. Das einspritzseitige Hülsenende liegt dabei unter Zwischenschaltung einer wärmeisolierenden Schicht an der Brennraumwandung an. Der die Spritzlöcher aufweisende Düsenabschnitt ragt aus diesem Hülsenende ungeschützt in den Brennraum hinein, so daß ein Verkoken nicht auszuschließen ist. Auch die aus der FR-PS 9 87 915 bekannte Kraftstoffeinspritzdüse ragt mit ihrem die Spritzlöcher aufweisenden Düsenabsc'unitt ungeschützt in den Brennraum, während der übrige Düsenkörper durch einen Luftspalt zwischen dem Düsenkörper und einer diesen umgebenden Hülse wärmeisoliert ist Bei der Einspritzdüse gemäß der Erfindung ist aber gerade der in den Brennraum ragende Abschnitt des Düsenkörpers mit den Spritzlöchern, also der kritische Bereich einer Einspritzdüse, vor zu hohen Temperaturen besonders geschützt
In Weiterbildung der Erfindung ist die Kappe aus hochlegiertem Stahl hergestellt und hat im Bereich der Durchspritzöffnung eine Wandstärke von 0,4 bis maximal 2,0 mm. Bei einer derartigen Ausbildung treten auf der Außenseite der Kappe keine Ablagerungen aufgrund von Verkokung auf, durch die die Durchspritzöffnungen von außen vollständig zuwachsen könnten.
Der Spalt hat vorteilhaft eine Stärke von 0,2 bis 1,0 mm. Ein derartig geringer Spalt reicht aus, um eine Temperaturabsenkung von mehr als 40% zu erzielen.
Um die Kappe am Düsenkörper zu befestigen, ist es zweckmäßig, diese mit dem Düsenkörper zu verkleben. Mit der Verklebung wird vorteilhaft gleichzeitig eine Verdrehsicherung der Kappe relativ zum Düsenkörper erzielt.
Das wärmeisolierende Füllmaterial im Spalt weist vorteilhaft einen hohen Rußanteil auf. Das Füllmaterial kann z. B. eine Paste mit einem hohen Rußanteil sein. Es kann auch zweckmäßig sein, daß das Füllmaterial vollständig aus Ruß besteht.
Schließlich ist es zur Herstellung einer erfindungsgemäßen wärmegeschützten Kraftstoffeinspritzdüse vorteilhaft, entsprechend Anspruch 6 zu verfahren. Vor der Montage auf dem Düsenkörper wird in den Bodenbereich der Kappe ein wärmedämmendes Material eingefüllt. Das Füllmaterial ist zweckmäßig eine aushärtbare Paste mit einem sehr hohen Rußanteil. Dann wird die Kappe über den Düsenkörper gestülpt, vardrehsicher befestigt und nach dem Aushärten der Paste in an sich bekannter Weise das Spritzloch und die Durchspritzöffnung hergestellt. Dieses Verfahren kann vorteilhaft in den Herstellungsvorgang der Kraftstoffeinspritzdüse integriert werden. Die nach diesem Verfahren hergestellte Kraftstoffeinspritzdüse ist ohne weitere Nacharbeit für ihre gesamte Lebensdauer geschützt.
Ein weiteres, vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen, wKimegeschützten Kraftstoffeinspritzdüse besteht ferner darin, gemäß Anspruch 7 zu verfahren. Die Kappe wird hierbei ohne vorheriges Einfüllen des wännedämmenden Materials unter Bildung eines Luftspalts an der Kraftstoffeinspritzdüse befestigt. Das jeweilige Spritzloch und die zugehörige Durchspritzöffnung können dabei sowohl vor als auch nach der Montage der Kappe hergestellt werden. Allerdings ist es fertigungstechnisch vorteilhaft, diese Herstellung gemeinsam in an sich bekannter Weise nach der Montage vorzunehmen. Das sonst erforderliche Ausrichten der Kappe derart, daß jede Achse einer Durchspritzöffnung mit der jeweiligen Achse des zugehörigen Spritzlochs in etwa fluchtet, kann dann entfallen. Nach der Montage und gegebenenfalls der Herstellung von Spritzloch und Durchspritzöffnung wird die Kraftstoffeinspritzdüse einer Einlaufphase in einer Brennkraftmaschine unterzogen, wobei der Spalt im Spritzloch- bzw. Spritzöffnungsbereich zukokt Die Kraftstoffeinspritzdüse wird im Anschluß daran aus der Brennkraftmaschine ausgebaut, und jede Durchspritzöffnung und das zugehörige Spritzloch werden wieder av' ^hren ursprünglichen Durchmesser geöffnet Der Späh ist iun im Mündungsbereich des Spritzlochs und der Durchspritzöffnung mit Ruß angefüllt Dieser Ruß übernimmt die Funktion des wärmedämmenden Materials, so daß eine separat einzubringende wärmeisolierende Paste entfallen kann. Versuche haben gezeigt, daß sich der einmal zugekokte Spalt während der gesamten Einsatzzeit der Kraftstoffeinspritzdüse nicht wieder öffnet und somit während der gesamten Einsatzzeit eine wjrmeisolierende Wirkung gewährleistet ist. Insbesondere bei Verwendung von Methanol als Brennstoff ist dieses Verfahren zur Wärmeisolierung der Kraftstoffeinspritzdüse vorteilhaft So wurde mit einer derartigen Kraftstoffeinspritzdüse eine Temperaturabsenkung an der Düsenspitze von bis zu 60% erzielt
gend anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 einen Querschnitt durch eine erfindüngsgvmäße Kraftsioffeinspritzdüse mit einem in Richtung der Düsenlängsachse angeordneten Spritzloch und einer hierz- ausgerichteten Durchspritzöffnung in einer über den Düsenkörper gestülpten Kappe und
F i g. 2 einen Querschnitt durch eine trfindunesgemäße Kraftstoffeinspritzdüse mit zwei unter einem spitzen Winkel zur Düsenlängsachse angeordneten Spntzlöchern und zwei hierzu ausgerichteten Durchspritzöffnungen in der über den Düsenkörper gestülpten Kappe.
Die in Fig. 1 und Fig.2 dargestellte Kraftstoffeinspritzdüse besteht aus einem Düsenkörper 1, in dem eine zumindest ein Spritzloch 6 beherrschende Düsennadel 2 angeordnet i"=t. Die nicht näher beschriebene Einspritzdüse ist üblicher Bauart und weist einen Bund 1.1 auf über den sie mittels einer Oberwurfmutter an einem nicht dargestellten Düsenhalter befestigt ist.
Über den Düsenk*viper 1 ist eine Kappe J gestülpt, die an ihrem offenen, der Einspritzseite abgewandten Randbereich einen auswärts gerichteten Kragen 4 aufweist, mit dem sie am Bund 1.1 des Düsenkörpers abgestützt ist. Die Kappe 3 ist derart ausgebildet und angeordnet, daß sie den Düsenkörper 1 unter Bildung eines über die ganze Stirnseite sowie über den ganzen Umfang bis an den Kappenrandbereich reichenden Spalts 5 umgibt. Im Bereich ihres den Kragen 4 tragenden Randbereichs umschließt die Kappe 3 den Düsenkörper 1 ohne Spalt. Sie ist zweckmäßig im Bereich ihres Kragens 4 auf den Düsenkörper 1 aufgepreßt und zusätzlich mit Hilfe einer Überwurfmutter an einem Düsenhalter befestigt, wodurch sie auch verdrehsicher am Düsenkörper 1 gehalten ist Es kann auch vorteilhaft sein, die
Kappe 3 im Bereich ihres Kragens 4 mit dem Düsenkörper 1 zu verkleben und so gleichzeitig am Düsenkörper 1 verdrehsicher zu befestigen.
In dem dem Kragen 4 abgewandten Stirnbcrcich der Kappe 3, der den Düsenkörper 1 mit dem Spalt 5 von vorzugsweise gleicher Stärke umgibt, ist eine im Durchmesser größere Durchspritzöffnung 7 vorgesehen, die in axialer Verlängerung des im Düsenkörper 1 angeordneten Spritzlochs 6 liegt.
Der Spalt 5 hat vorzugsweise eine Stärke von 02 bis 1,0 mm. während die zweckmäßig aus hochlegiertem Stahl bestehende Kappe 3 im Bereich der Durchspritzöffnung 7 eine Wandstärke von 0,4 bis maximal 2,0 mm aufweist, um ein Zuwachsen der Durchspritzöffnung 7 durch außen an der Kappe 3 anwachsende Verbrennungsrückstände zu vermeiden.
Während in Fig. I nur ein in Richtung zur Düseniän^sschse angeordnetes Snrit2lcch 6 und eine im Durchmesser größere Durchspritzöffnung 7 vorhanden ist. weist die Kraftstoffeinspritzdüse gemäß F i g. 2 zwei unter einem spitzen Winkel zur Düsenlängsachse verlaufende Spritzlöcher 6.1 und 6.2 mit ihnen jeweils einzeln zugeordneten, im Durchmesser größeren Durchspritzöffnungen 7.1 und 7.2 auf.
In den Spalt 5 wird zumindest im Mündungsbereich des Spritzlochs 6 bzw. der Spritzlöcher 6.1 und 6.2 und der Durchspritzöffnung 7 bzw. der Durchspritzöffnungen 7.1 und 7.2 ein wärmeisolierendes Füllmaterial eingebracht, das entweder einen hohen Rußanteil aufweist oder ganz aus Ruß besteht.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzdüse mit eingebrachtem wärmeisolierenden Füllmaterial kann wie folgt verfahren werden:
Vor Montage der Kappe 3 auf dem Düsenkörper 1 wird in den Bodenbereich der Kappe 3 ein gießfähiges. aushärtbares Material geringer Wärmeleitfähigkeit eingefüllt. Dies kann zweckmäßig eine aushärtbare Paste mit einem hohen Rußanteil sein. Anschließend wird die Kappe 3 über den Düsenkörper t gestülpt und an diesem verdrehsicher befestigt. Nach dem Aushärten des den Spalt 5 nach einfüllter Menge ausfüllenden Materials geringer Wärmeleitfähigkeit wird die Durchspritzöffnung 7 in der Kappe 3 und das Spritzloch 6 in dem Düsenkörper 1 in bekannter Weise hergestellt.
In einem anderen bevorzugten Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kraftstoff einspritzdüse wird diese ohne Einfüllen eines wärmeisolierenden Füllmaterials in die Kappe komplett montiert und die Spritzlöcher sowie die Durchspritzöfmungen gebohrt. Eine derartige Krefistoffeinspritzdüse mit zunächst of- so fenem Spalt 5 wird in einen Prüfmotor eingebaut Dieser Motor wird einige Stunden in einem Betriebspunkt gefahren, derart, daß der kritische Bereich der Kraftstoffeinspritzdüse mit den Spritzlöchern bzw. Durchspritzöffnungen Temperaturen erreicht die zur Rußbildung geeignet sind. Die einsetzende Verrußung bildet sich — ausgehend von dem Spritzloch 6 bzw. den Spritzlöchern 6.1 und 6.2 — im Spalt 5, der dadurch allmählich zuwächst Mit fortschreitender Verrußung wachsen auch die Durchspritzöffnungen 7 bzw. 7.1 und 7.2 zu. Nach Ende der Einiaufphase sind die Durchspritzöffnungen 7 bzw. 7,1 und 7.2 nahezu vollständig verstopft Die Kraftstoffeinspritzdüse wird nunmehr ausgebaut und die Durchspritzöffnung sowie gegebenenfalls das zugeordnete Spritzloch mit Hilfe eines feinen Bohrers oder anderer geeigneter Mittel auf ihren ursprünglichen Durchmesser geöffnet Die den Spalt 5 verschließende Rußschicht bleibt dabei unverletzt
Es hat sich gezeigt, daß die Temperatur an der Düsenspitze einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzdüse insbesondere im Bereich der Spritzlöcher bei Verwendung von Gasöl als Brennstoff oder bei ähnlichen Betriebsbedingungen bis zu 60% geringer ist als bei bekannten Kraftstoffeinspritzdüsen. Lag z. B. die Temperatur der Düsenspitze im Betrieb einer Brennkraftmaschine vor Anbringen der wärmeisolierenden Kappe im Bereich von 350° C, so ist die Temperatur der Düsenspitze durch die vorstehend beschriebene Wärmeisolation so abgesenkt, daß die kritische Grenztemperatur von 2200C, bei der eine Gasöleinspritzdüse zur Rußbildung neigt, sicher unterschritten ist. Diese niedrige Temperatur bleibt während der gesamten Betriebszeit der Einspritzdüse gewährleistet.
In anderen Versuchen wurde nachgewiesen, daß bei Verwendung der beschriebenen, wärmegeschützten Kraftstoffcinspn'.zdüso ?'_"■ Einspritzung von Mstha.no! die Temperatur der Düsenspitze von sonst 180° C auf unter 8O0C gesenkt werden kann. Damit ist eine Betriebstemperatur der Düsenspitze erzielt, die bei Brennraumdruck unter der Verdampfungstemperatur von Methanol liegt, so daß ein Zuwachsen der Spritzlöcher bzw. Durchspritzöffnungen durch Verunreinigungen im Methanol vermieden wird.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Wärmegeschützte Kraftstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen mit einem Düsenkörper (1), einer entgegen der Kraftstoffströmungsrichtung von ihrem Sitz abhebenden und innerhalb des Düsenkörpers (1) angeordneten Düsennadel (2) und einer verdrehsicher über den Düsenkörper (1) gestülpten Kappe (3), wobei im Düsenkörper (1) zumindest ein von der Düsennadel beherrschtes Spritzloch (6) und in der Kappe (3) für jedes Spritzloch eine axial zu diesem angeordnete im Durchmesser größere Durchspritzöffnung (7) vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kappe (3) den DO-senkörper (t) unter Bildung eines über die ganze Stirnseite sowie über den ganzen Umfang bis an den am Düsenkörper (1) anliegenden Kappenrandfaereich reicheaCen Spalts (5) umgibt und daß der Spalt
DE3004033A 1980-02-05 1980-02-05 Wärmegeschützte Kraftstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen und Verfahren zur Herstellung einer solchen Einspritzdüse Expired DE3004033C2 (de)

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