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Lecköllose Kraftstoffeinspritzdüse
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Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer lecköllosen Kraftstoffeinspritzdüse
nach der Gattung des Hauptanspruchs. Solche bekannten, lecköllosen Kraftstoffeinspritzventile
besitzen eine sich in der Ausströmrichtung des eingespritzten Kraftstoffs öffnende
Ventilnadel und werden auch als sogenannte A-Ventile bezeichnet. Es ist üblich,
zur Beeinflussung des Einspritzverlaufs bei solchen Einspritzventilen eine Drosselüberdeckung
vorzusehen. Befindet sich diese Drossel überdeckung außerhalb des Ventilinneren,
dann wird sie von Brenngasen beaufschlagt. Dies führt jedoch in nachteiliger Weise
zur Verkokung des Drosselspaltes und zum Verlust der den Einspritzverlauf formenden
Drosselzapfencharakteristik.
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Wird hingegen die Drosselüberdeckung in das Ventilinnere verlegt,
dann wird die Drosselüberdeckung zwar geschützt,
man kann aber in
diesem Fall die Strahlform, die sich durch den Aufprall des ausströmenden Kraftstoffes
am Dichtkonus der Ventilnadel unvermeidlich aufweitet, nicht mehr nach den Erfordernissen
der Verbrennung gestalten.
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Gerade bei Dieseleinspritzventilen ist aber eine verbesserte Anpassung
an gegebene Brennräume bei Optimierung von Motoren erforderlich.
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Bei solchen nach außen öffnenden Kraftstoffeinspritzdüsen ist es auch
bekannt, nach dem Dichtsitz einen zylindrischen Spalt in dem dann vorgezogenen Ventilkörper
anzubringen, in welchem die Ventilnadel radial abgedichtet und axial verschlebbar
geführt ist. Hierdurch läßt sich der Kraftstoffstrahl zwar bündeln, er erfährt aber
sehr starke Geschwindigkeitsverluste und verliert an Eindringvermögen.
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Schließlich ist es bei einer Einrichtung (US-PS 2 785 926) zur Zerstäubung
von Flüssigkeiten allgemein bekannt, einen inneren Formkörper und einen diesen zur
Bildung eines ringförmigen Abstandes umgebenden und mit ihm fest verbundenen Hüllkörper
vorzusehen, wobei der Ringspalt so ausgebildet ist, daß der austretende Flüssigkeitsstrahlvorhang
im Abstand zur Ausspritzöffnung konvergiert und dadurch stärker zerstäubt wird.
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Es besteht Bedarf nach einer lecköllosen Kraftstoffeinspritzdüse,
die einerseits eine gewünschte Strahl formung und Bündelung ohne merkliche Geschwindigkeitsverluste
ermöglicht, andererseits aber die sich durch eine innenliegende oder außen liegende
Drosselüberdeckung ergebenden Probleme nicht aufweist.
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Vorteile der Erfindung -Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzdüse
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat gegenüber den bekannten
nach außen öffnenden Einspritzventilen den Vorteil, daß durch das strahiformende
Ringstück unmittelbar am Austritt des Kraftstoffstrahls eine Belüftung gebildet
wird, so daß eine wirksame Vermischung des Kraftstoffstrahls mit der Luft erzielt
wird und gleichzeitig durch die Profilgebung der inneren strahlumlenkenden Flächen
-des Ringstücks, der Zapfenform und des Ringquerschnittes gewünschte, auch variable
Strahl formen und Strahlstrukturen erreicht werden können. Die Erfindung gewährleistet
daher eine bessere Anpassung insbesondere von Dieseleinspritzventilen an gegebene
Brennräume zur Optimierung des Verbrennungsvorgangs bei beliebigen Betriebszuständen.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen und Merkmale
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen
Kraftstoffeinspritzdüse möglich. So läßt sich das strahlformende Ringstück je nach
den Erfordernissen entweder am Ventilkörper oder am Ventilnadelzapfen anbringen,
wodurch je nach dem Anbringort variable Ringquerschnitte für die Belüftung in Abhängigkeit
zur jeweiligen Dusennadelposition (Leerlauf-Vollast) möglich sind. Durch zusätzliche
in der Ringstück wandung angebrachte Uffnungen von beliebiger Form kann man aus
diesen Uffnungen in Abhängigkeit vom Betriebspunkt der Kraftstoffeinspritzdüse Kraftstoff-Hilfsstrahlen
austreten lassen, die die Zündung des Gemisches günstig beeinflussen.
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Die Lage der Uffnungen läßt sich entsprechend den motorischen Erfordernissen
wählen, wobei diese Hilfsstrahlen nach ihrer Größe, ihrem Impuls und ihrer Art aufgrund
eines veränderlichen
Aufpralls an der Ringstückwandung ergänzend
modulierbar sind.
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Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 im Schnitt
den die Ventilmündung umfassenden Teilbereich einer ersten Ausführungsform einer
Kraftstoffeinspritzdüse mit strahlformendem Ringstück und die Figuren 2a und 2b
wiederum Teilschnitte lediglich der Ventilnadel und des Ventilkörpers mit Ringstück
einer weiteren Ausführungsform einer Kraftstoffeinspritzdüse bei zwei unterschiedlichen
Betriebszuständen.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele In Fig. 1 ist ein Detail einer
Kraftstoffeinspritzdüse mit einer nach außen öffnenden Ventilnadel in stark vergrößertem
Maßstab dargestellt und mit 1 bezeichnet. Der dargestellte Bereich umfaßt die Düsenmündung,
gebildet von der Ventilnadel 2, dem Ventilnadelzapfen 3 und einem Düsenkörper 4,
in dem die Düsennadel 2 axial verschieblich geführt ist und mit dem sie einen Ventilsitz
bildet, der bei 4 dargestellt ist. Die Ventilnadel 2 ist in Schließrichtung durch
eine nicht dargestellte Schließfeder belastet; der Düsenkörper 4 ist, was ebenfalls
nicht dargestellt ist, mittels einer Oberwurfmutter an einen Düsenhalter gespannt,
der den Federraum für die Aufnahme der Schließfeder bildet. Durch den Federraum
wird der Düsenmündung unter Druck haftstoff zugeführt, der, wie bei 5 gezeigt, in
den zwischen der Ventilnadel
2 und der Bohrung 6 des Düsenkörpers
4 gebildeten Ringraum eindringt.
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Im geschlossenen Zustand stützt sich die Ventilnadel 2 mit einem radial
erweiterten Kopfteil 3a am Düsenkörper 4 ab und bildet bei diesem Ausführungsbeispiel
ein Ventil mit Flachsitz. Bei ausreichendem Druck des im Einspritzzeitpunkt zugeführten
Kraftstoffs wird aufgrund der beaufschlagten Fläche die Ventilnadel entgegen den
einwirkenden Feder-Schließkraft verschoben, so daß die Dichtfläche 4a des Ventilnadelkopfes
3a vom Ventilsitz 4b abhebt und der Kraftstoff über den so gebildeten, in radialer
Richtung sich erweiternden Austrittsringraum zwischen Dichtfläche 4a und Ventilsitz
4b in praktisch horizontaler Richtung ringförmig abgespritzt werden kann, wie dies
bei 7 gezeigt ist.
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In diesem tusammenhang sind Mittel bekannt, die je nach dem Betriebszustand
der zugeordneten Brennkraftmaschine (Leerlauf-Vollast) den Nadelhub variabel gestalten
können, indem beispielsweise bei konstantem Kraftstoffdruck der.Uffnungsquerschnitt
des Austrittsraums der einzuspritzenden Kraftstoffmenge angepaßt wird. Hierauf wird
weiter unten noch in Verbindung mit dem in den Figuren 2a und 2b dargestellten Kraftstoffeinspritzventil
eingegangen.
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Entsprechend einem wesentlichen Merkmal vorliegender Erfindung ist
im Bereich der Ventilmündung ein strahl formendes Ringstück 9 als Leitfläche für
Kraftstoff und Luft (Beltiftung) angebracht, und zwar immer In einer solchen höheren
Position, daß der abgespritzte Kraftstoffstrahl, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
etwa rotationssymmetrisch ist, auch mit der Innenwandung, also den inneren strahlumlenkenden
Flächen des Ringstücks 9 in Wirkverbindung tritt.
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Eine weitere Bedingung fUr die Positionierung des Leitstücks 9 besteht
darin, daß dleses mit dem Düsenkörper und/oder dem Ventilnadelzapfen einen. Belüftungsquerschnitt
FL bildet. Dieser Belüftungsquerschnitt FL befindet sich unmittelbar am Austritt
des Kraftstoffstrahls, wobei das Profil der inneren strahlumlenkenden Flächen des
Ringstücks 9 entsprechend einem weiteren Merkmal vorliegender Erfindung so gewählt
ist, daß sich eine konzenrisch nach innen gerichtete Bündelung des ringförmigen
Kraftstoffstrahls ergibt. Dabei müssen sich die nach innen geführten Kraftstoffsträhl-Ringtei
lsegmente nicht notwendigerweise unterhalb des Ventilmündungsbereichs effektiv.
kontaktieren; die Strahlumleitung ergibt aber in Verbindung mit der durch den Belüftungsquerschnitt
angesaugten Luft und der durch die Leitwirkung des Rlngstücks 9 bewirkte Umleitung
eine wirksame Verwirbelung mit der Luft schon in diesem Bereich.
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Im Querschnitt ist daher das Leitstück 9 konkav nach innen abgebogen
und verfügt über eine Halterung 9a, die wahlweise und je nach den Erfordernissen
entweder am Ventilkörper 8 oder am Ventilzapfen 3 befestigt werden kann.
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Bei Befestigung des Ringstücks 9 am Ventilkörper 8 ist die Belüftungsfläche
FL hubunabhängig, es verschiebt sich aber je nach dem Nadelhub der Aufprall-Flächenbereich
des austretenden Kraftstoffstrahls am Ringstück 9. Ist das Ringstück 9 am Nadelzapfen
3 befestigt, dann ändert sich der Belüftungsfldchenquerschnitt, während der Aufprallbereich
des Kraftstoffstrahls auf der Ringfläche 9 unverändert und unabhängig vom Nadelhub
ist.
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Das strahlformende Ringstück 9 bildet daher einerseits einen spaltförmigen
Belüftungsquerschnitt FL für den aus d-er Düsenmündung austretenden Kraftstoffstrahl
unmittelbar am
Austritt und dient gleichzeitig als Leitkörper für
diesen Strahl. In der Darstellung der Fig. 1 ist der im wesentlichen kraftstofführende
Bereich in dem vom Ringstück 9 gebildeten Austrittsraum durch eine dunklere Tönung
kenntlich gemacht und mit 10 bezeichnet; im wesentlichen luftführende Bereiche sind
mit lla und 11b bezeichnet. Dem auf der rechten Zeichenebene dargestellten Geschwindigkeitsprofil
läßt sich bei 10' entnehmen, daß der Kraftstoffbereich eine erhebliche, nach unten
gerichtete Geschwindigkeit und daher ein starkes weiteres Eindringvermögen besitzt,
während die hier negativen, weil rückwärts gerichtetenGeschwindigkeitsprofilella',
lib' für die Luftbereiche eine merkliche Wirbelbildung verdeutlichen, da Luftmengen
von unten nach oben zentral in den vom Ringstück 9 gebildeten abgeschirmten Bereich
einfließen und angrenzend an den Kraftstoffstrahl, von diesem mitgerissen, wieder
abfließen.
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Es versteht sich, daß der Ringquerschnitt für die Belüftung den jeweiligen
Einspritzbedingungen angepaßt wird, desgleichen auch das Profil der strahlumlenkenden
Flächen des Ringstücks 9 und insbesondere auch die Form des Zapfens, wie.
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dies durch die gestrichelten Zapfenkopfverläufe in Fig. 1 gezeigt
ist. So kann der Zapfen über eine wesentlich flacher verlaufende Kegelwandung 12,
getrennt oder in Verbindung mit einem stärker heruntergezogenen Kopfteil, wie bei
13 angedeutet, verfügen; auch ist es möglich, im vergrößerten Kopfteil 13 nach innen
gerichtete Ausnehmungen 14 oder nach außen gerichtete Vorsprünge 15 anzuordnen;
sämtliche solche Zapfenformen sind in der Lage, jeweils gewünschte Strahiformen
und Strahlstrukturen zu beeinflussen und zu erreichen, in Verbindung mit Profil
und Krümmung der strahlumlenkenden Ringstückflächen und dem Belüftungsquerschnitt.
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Es versteht sich, daß die verschiedenen Profilgestaltungen 12, 13,
14, 15 am Nadeizapfen 3 allein oder in beliebiger Kombination untereinander angeordnet
werden können. Es ist auch möglich, wie bei 16 gezeigt, den Zapfen flach abzuschließen.
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Es versteht sich, daß die erfindungsgemäße Grundkonzeption für nach
außen öffnende Kraftstoffeinspritzdüsen mit beliebigen Sitzwinkeln gilt, wie auch
beim Ausführungsbeispiel der Figuren 2a, 2b gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ergibt sich ein bewußt sehr schräg gehaltener Ventilsltz 4', gebildet zwischen dem
Dichtkegel 4a' des Ventilnadelkopfes 3a' und dem Ventilsitz 4b' des Düsenkörpers
8'. Durch eine solche Gestaltung des Ventilbereichs ergeben sich wirksame Gestaltungsmöglichkeiten
bezüglich einer variablen Einspritzstrahlstruktur, denn im in Fig. 2b dargestellten
ersten Betriebszustand - geringer Nadelhub, Leerlauf oder Teillast der Brennkraftmaschine
- tritt der Kraftstoffstrahl im spitzen Winkel nach unten aus und trifft das hier
lediglich schwach konkav mit gleichmäßiger Krümmung gebogene Ringstück 9' im unteren
Bereich. Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung vorliegender Erfindung kann
das Ringstück 9 an dieser oder an sonstigen vorgegebenen Stellen eine oder mehrere
beliebig geformte Uffnungen 17 in der Wandung aufweisen, so daß bei dem in Fig.
2b gezeigten Strahiverlauf an diesen Uffnungen Hilfsstrahlen 18 austreten können,
beispielsweise um die Zündung des Gemischs günstig zu beeinflussen. Die Lage der
Uffnungen wird entsprechend den motorischen Erfordernissen gewählt, wobei die Hilfsstrahlen
in ihrer Größe, ihrem Impuls und ihrem Auftreten - nadelhub- und damit lastabhängig
- aufgrund ihres veränderlichen Aufpralls an der Ringstückwandung modulierbar sind.
In Fig. 2b ist der im wesentlichen voneingespritztem
Kraftstoff
gebildete Strahl bereich mit 19 bezeichnet; die Pfeile 20 kennzeichnen den Luftbereich.
Im Inneren der ringflächenartigen Strahlstruktur des Kraftstoffstrahls kann die
Luftbewegung der Luftwirbel wie in Fig. 1 gezeigt verlaufen.
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Ein zweiter Betriebszustand der gleichen in Fig. 2b dargestellten
Kraftstoffeinspritzdüse ist in Fig. 2a gezeigt; und zwar bei stärkerem Nadelhub.
Man'erkennt hier, daß der Kraftstoffstrahl nach Verlassen des unmittelbaren Ventilbereichs
zunächst praktisch senkrecht nach unten abfließt, wie bei 21 gezeigt und dabei auf
die sich nach außen erweiternde, hier keglige Randkante 22 des Ventil kopfes 3a
im Zapfenbereich auftrifft.Hierdurch erfährt der Kraftstoffstrahl eine erste Umlenkung
bei 23, fließt stärker nach außen und trifft bei 24, also etwa mittig des Ringstücks
9' auf dieses auf, jedenfalls oberhalb der zusätzlichen Uffnungen 17 in diesem.
Hierdurch ergibt sich neben der Strahlaufweitung eine wirksame Ablenkung des Strahls
wieder nach innen, so daß dieser dann, wenn er weiter unten in den Bereich der Uffnungen
17 gelangt, an diesen vorbeifließt und durch diese, wie durch die Pfeile 25'angedeutet,
gegebenenfalls noch Luft angesaugt wird.
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