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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kraftstoffeinspritzung
für Brennkraftmaschinen
und insbesondere ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung,
bei denen ein Kraftstoffsprühstrahl
von einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung in einen Ansaugkrümmer eingespritzt
wird und der Zerstäubungsgrad
des Kraftstoffsprühstrahls erhöht ist.
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Im
Hinblick auf den Umweltschutz sind in den letzten Jahren die Bestimmungen
für den
Ausstoß von
Kraftfahrzeugabgasen und für
den Kraftfahrzeug-Kraftstoffverbrauch
zunehmend strenger geworden. Um daher die Abgasreinigung und den
Kraftstoffverbrauch von Brennkraftmaschinen zu verbessern, sind
verschiedene Arten von Brennkraftmaschinen wie etwa Magerverbrennungsmotoren
und Direkteinspritzungsmotoren vorgeschlagen worden.
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Bei
dem Direkteinspritzungsmotor besteht das Problem, daß die Herstellungskosten
wegen vieler Änderungen
gegenüber
einer Basisbrennkraftmaschine hoch sind und daß der Bedarf an einem Kolbenkopf,
der eine bestimmte Form haben muß, sowie an zusätzlichen
Peripheriegeräten
besteht. Daher ist der Verbesserung der Verbrennung in Magerverbrennungsmotoren
weiterhin Aufmerksamkeit geschenkt worden.
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Der
Magerverbrennungsmotor ist eine Brennkraftmaschine, der ein Luft-/Kraftstoffgemisch mit
hohem Luft-/Kraftstoffverhältnis
zugeführt
wird, wobei ein Kraftstoffeinspritzsystem verwendet wird, bei dem
für jeden
Zylinder ein Mehrpunkt-Einspritzsystem
(MPI-System) vorgesehen ist, wobei die Kraftstoffeinspritzung, die
mit einem Ansaughub synchronisiert ist, mit hohem Luft-/Kraftstoffverhältnis erfolgt.
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Andererseits
können
durch Konzentrieren eines fetten Luft-/Kraftstoffgemischs, in dem
sich ein Funken gut ausbreiten kann, in der Umgebung einer Zündkerze
eine Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs der Brennkraftmaschine
sowie eine Verbesserung der Abgasreinigung der Brennkraftmaschine erzielt
werden. Techniken, die sich auf Verbesserungen des Magerverbrennungsmotors
beziehen, sind etwa aus
JP
08-177 689 A und
JP
11-159 424 A bekannt.
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In
dem obenbeschriebenen Stand der Technik bewirkt die Anhaftung des
eingespritzten Kraftstoffs an der Einlaßöffnung, an der Zylinderwandung und
dergleichen des Motors eine Verschlechterung der Abgasreinigung.
Um die Anhaftung von Kraftstoff zu verringern, wird der eingespritzte
Kraftstoff auf Partikeldurchmesser von 80 bis 100 μm zerstäubt, ferner
ist die Mündung
einer Einspritzbohrung der Kraftstoffeinspritzeinrichtung in der
Nähe der
Einlaßöffnung angeordnet,
so daß eine
Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs der Brennkraftmaschine und eine
Verbesserung des Abgasverhaltens der Brennkraftmaschine erzielt
werden können.
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Durch
Anordnen der Mündung
der Einspritzbohrung der Kraftstoffeinspritzeinrichtung in der Nähe der Einlaß Einlaßöffnung und
durch Ausführen einer
Zerstäubung
bis auf die obengenannten Partikeldurchmesser kann zwar eine Verschlechterung der
Abgasreinigung der Brennkraftmaschine, die durch die Anhaftung des
eingespritzten Kraftstoffs an den Zylinderwandungen und dergleichen
bedingt ist, beseitigt werden, da jedoch die kinetische Energie des
eingespritzten zerstäubten
Kraftstoffs kleiner als die kinetische Energie des mit üblichen
Partikeldurchmessern eingespritzten Kraftstoffs ist, entsteht das
Problem einer Zeitverzögerung
des eingespritzten Kraftstoffs, weshalb die Eindringkraft des eingespritzten
Kraftstoffs in den Brennraum geringer ist und der Zeitpunkt, zu
dem der eingespritzte Kraftstoff den Brennraum erreicht, verzögert wird.
Durch die Zeitverzögerung,
mit der der eingespritzte Kraftstoff den Brennraum erreicht, entsteht
das Problem, daß nicht
der gesamte eingespritzte Kraftstoff während des Ansaughubs die Brennkammer
erreicht. Mit anderen Worten, die Zeitverzögerung, mit der der eingespritzte
Kraftstoff die Brennkammer erreicht, führt zu einer Verzögerung des
Transports des in die Brenn-kammer der Brennkraftmaschine eingespritzten
Kraftstoffs.
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Aus
der
US 5 819 706 A mein
Verfahren zur Kraftstoffeinspritzung für Brennkraftmaschinen bakannt,
in welchem die Kraftstoffeinspritzung mit dem Ansaugschub der Brennkraftmaschine
synchronisiert ist. Es wird vorgeschlagen, den Kraftstoffstrahl
asymmetrisch aufzuweiten.
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Aus
der
DE 38 08 672 A1 ist
eine Brennkraftmaschine mit einer Brennstoffeinspritzdüse bekannt, die
derart ausgerichtet ist, dass der Brennstoff in den Bereich eines
der Brennstoffeinspritzdüse
gegenüberliegenden
Wandabschnitts einzuspritzen, um am Zündpunkt eine zündfähige Brennstoffwolke
zu bilden.
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Die
Erfinder haben erkannt, daß durch
diese Zeitverzögerung,
mit der der eingespritzte Kraftstoff eingespritzt wird (so daß nicht
der gesamte Kraftstoff die Brennkammer während des Ansaughubs erreicht),
eine Synchronisation der Einspritzung mit dem Ansaughub des Kraftstoffeinspritzsystems
mit Mehrpunkteinspritzung schwierig ist. Daher müssen Maßnahmen ergriffen werden, um
die Zeitverzögerung
der Kraftstoffeinspritzung während
des Ansaughubs zu beseitigen.
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Im
Stand der Technik wird jedoch nur das Kraftstoffbenetzungsphänomen betrachtet,
während der
Beseitigung der Zeitverzögerung
der Kraftstoffeinspritzung während
des Ansaughubs und der Verzögerung
beim Transport des eingespritzten Kraftstoffs während des Ansaughubs keine
Beachtung geschenkt wird.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Kraftstoffeinspritzung für Brennkraftmaschinen mit Mehrpunkt-Einspritzsystem
zu schaffen, bei denen die Qualität und die Ausbildungsbedingungen
des Luft-/Kraftstoffgemischs
im Zylinder verbessert sind, der Zerstäubungsgrad des von einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung
eingespritzten Kraftstoffsprühstrahls
erhöht
ist und somit der Kraftstoffsprühstrahl der
Brennkammer geeignet zugeführt
werden kann, die Orientierung (Bewegungsrichtung) und die Form des
Kraftstoffsprühstrahls
geeignet eingestellt werden können
und keine Zeitverzögerung
des von einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung eingespritzten Kraftstoffs
auftritt.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren zur Kraftstoffeinspritzung für Brennkraftmaschinen nach
einem der Ansprüche
1, 3, 5 und 11 bzw. durch eine Vorrichtung zur Kraftstoffeinspritzung
für Brennkraftmaschinen
nach einem der Ansprüche
6, 8, 10 und 14. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die
erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung
für Brennkraftmaschinen
umfaßt
ein Einlaßventil
zum Öffnen
und Schließen
einer Einlaß Einlaßöffnung,
eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, die entsprechend einem Steuersignal
von einer Motorsteuervorrichtung angesteuert wird und stromaufseitig
vom Einlaßventil
angeordnet ist, sowie eine Ansaugluftdurchflußmengen-Steuervorrichtung,
die stromaufseitig von der Kraftstoffeinspritzeinrichtung und in
deren Nähe
angeordnet ist, wobei die Kraftstoffeinspritzung durch die Kraftstoffeinspritzeinrichtung
mit dem Ansaughub der Brennkraftmaschine synchronisiert ist. Ein
von der Kraftstoffeinspritzeinrichtung eingespritzter Kraftstoffsprühstrahl
wird auf eine Innenwandfläche
gerichtet, die der Innenwandfläche
des Zylinderkopfs auf seiten der Kraftstoffeinspritzung gegenüberliegt,
wobei bei geöffnetem
Einlaßventil
die durch die Ansaugluftdurchflußmengen-Steuervorrichtung strömende Ansaugluft,
die stark fluidisiert ist, den Kraftstoff sprühstrahl transportiert.
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Da
in der Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen mit dem
obigen Aufbau ein Mehrpunkt-Einspritzsystem mit dem Ansaughub synchronisiert
ist und eine optimale Kraftstoffeinspritzperiode bestimmt wird,
wird die Vermischung des von der Kraftstoffeinspritzeinrichtung
eingespritzten Kraftstoffsprühstrahls
mit stark fluidisierter Ansaugluftströmung wirksam gefördert, wobei
der Kraftstoffsprühstrahl
in die jeweiligen Zylinder transportiert wird und folglich eine
verbesserte Qualität
des Luft-/Kraftstoffgemischs erhalten werden kann. Die Zerstäubung des
Kraftstoffsprühstrahls
kann unter Verwendung einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung des Typs
mit stromaufseitiger Kraftstoffverwirbelung erzielt werden. Nahezu
der gesamte Sprühstrahl
wird in die stark fluidisierte Ansaugluftströmung gelenkt. Da ferner der
Abstand zwischen der Kraftstoffeinspritzbohrung der Kraftstoffeinspritzeinrichtung
und dem Einlaßventil
des entsprechenden Zylinders kurz ist, kann eine Absenkung der Eindringkraft,
die bei der Zerstäubung
des Kraftstoffsprühstrahls
im Stand der Technik ein Problem gewesen ist, ausgeglichen werden.
Da bei dem obigen Aufbau eine Abänderung
gegenüber
einem Basismotor geringer ist, kann eine Kostensenkung erzielt werden.
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In
einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzeinrichtung
für Brennkraftmaschinen
ist eine Einspritzbohrungsachse der Kraftstoffeinspritzeinrichtung
so orientiert, daß sie
auf den Teller des Einlaßventils
gerichtet ist, ferner wird der von der Kraftstoffeinspritzeinrichtung
eingespritzte Kraftstoffsprühstrahl
auf die Innenwandfläche,
die sich gegenüber
der Innenwandfläche
auf seiten des Einlaßventils
befindet, gerichtet. Was daher die Kraftstoffsprühstrahl-Konfiguration betrifft,
ist der Verbreitungswinkel auf seiten der Innenwandfläche des
Zylinderkopfs gering (die Kraftstoffsprühstrahl-Menge ist gering),
während
der Verbreitungswinkel auf der gegenüberliegenden Innenwandfläche groß ist (die Kraftstoffsprühstrahl-Menge
ist groß),
weshalb die Menge des an der Innenwandfläche des Zylinderkopfs anhaften den
Kraftstoffs verringert werden kann.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen der Erfindung
ist die Einspritzbohrungsachse der Kraftstoffeinspritzeinrichtung
auf den Teller des Einlaßventils
gerichtet, ferner wird der Kraftstoffsprühstrahl zur Innenwandfläche gegenüber der
Innenwandfläche
des Zylinderkopfs auf seiten der Kraftstoffeinspritzeinrichtung
abgelenkt. Im Querschnitt senkrecht zur Einspritzbohrungsachse der
Kraftstoffeinspritzeinrichtung besitzt der Kraftstoffsprühstrahl eine
abgeflachte Form, weshalb bei geöffnetem
Einlaßventil
die stark fluidisierte Ansaugluftströmung, die sich durch die Ansaugluftdurchflußmengen-Steuervorrichtung
bewegt hat, den Kraftstoffsprühstrahl transportieren
kann.
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Da
in der Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen der Erfindung
der eingespritzte Sprühstrahl
im Querschnitt eine abgeflachte Form besitzt und abgelenkt wird,
kann eine Anhaftung des Kraftstoffs an der Innenwandfläche des
Zylinderkopfs, die bei einem axialsymmetrischen Sprühstrahl ein
Problem darstellt, beseitigt werden, wenn die Einspritzbohrungsachse
der Kraftstoffeinspritzeinrichtung auf den Teller des Einlaßventils
gerichtet ist.
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Da
folglich keine Änderung
des Entwurfs des Basismotors erforderlich ist, kann eine Kostensenkung
erzielt werden. Durch Anpassen des Abflachungsgrades und des Ablenkungsgrades
an die gewünschte
Form des Kraftstoffsprühstrahls
entsprechend den jeweiligen Anforderungen können verschiedene Arten und
Formen eines Kraftstoffsprühstrahls
erhalten werden.
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Wegen
der Zerstäubung
des Kraftstoffsprühstrahls
kann ein Luft-/Kraftstoffgemisch mit guter Qualität erzeugt
werden, so daß die
Abgasreinigung und der Kraftstoffverbrauch verbessert werden können.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich beim Lesen der
folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, die auf die Zeichnung
Bezug nimmt; es zeigen:
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1(a) eine Teilquerschnittsansicht eines Zylinders
einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine, in dem eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung
gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung im Ansaugkrümmer der
Brennkraftmaschine angeordnet ist;
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1(b) eine vereinfachte Ansicht des Einlaßventils
bei Betrachtung in S-Richtung in 1(a), wobei
die Zielrichtung des Kraftstoffsprühstrahls angegeben ist;
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1(c) eine tomographieartige Ansicht des Kraftstoffsprühstrahls,
der durch eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung der Erfindung erzeugt
wird;
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2 eine
Längsschnittansicht
der Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach 1(a);
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3(a) eine Querschnittsansicht eines Ventilabschnitts
der Kraftstoffeinspritzeinrichtung der Erfindung;
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3(b) eine Draufsicht des Ventilabschnitts, in
der die Kraftstoffeinspritzeinrichtung in einem Querschnitt längs der
Linie N-N in 3(a) dargestellt ist;
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4(a) eine Teilschnittansicht eines L-förmigen Einspritzbohrungsabschnitts
der Kraftstoffeinspritzeinrichtung der Erfindung, der die Kraftstoffsprühstrahl-Form
steuern kann;
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4(b) eine Draufsicht des Ventilabschnitts der
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach 4(a);
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5(a) eine Teilschnittansicht eines rechtwinkligen
Bohrungsabschnitts der Kraftstoffeinspritzeinrichtung, der die Kraftstoffsprühstrahl-Form
steuern kann;
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5(b) eine Draufsicht des Ventilabschnitts der
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach 5(a);
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6 eine
Draufsicht eines abgewandelten Beispiels der Einspritzeinrichtung
nach 4(b);
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7(a) eine Querschnittsansicht eines von einer
Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit L-förmiger Einspritzbohrung erzeugten
Kraftstoffsprühstrahls
in einer ersten Ebene;
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7(b) eine Querschnittsansicht des von der Kraftstoffeinspritzeinrichtung
mit L-förmiger
Einspritzbohrung erzeugten Kraftstoffsprühstrahls in einer zur ersten
Ebene senkrechten Ebene;
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8 eine
erläuternde
Darstellung einer Kraftstoffsprühstrahl-Meßvorrichtung;
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9 eine
Teilschnittansicht eines Zylinders einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine,
in dem eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine installiert
ist;
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10 eine
Ansicht zur Erläuterung
der Beziehung zwischen der Einlaß Einlaßöffnung und dem Kraftstoffsprühstrahl;
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11(a) eine Querschnittsansicht einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung;
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11(b) eine Draufsicht eines Düsenabschnitts der Kraftstoffeinspritzeinrichtung
nach 11(a);
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12(a)–(c)
Draufsichten von Einspritzdüsenabschnitten
einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen
der Erfindung; und
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13 einen
Graphen zur Erläuterung
der Beziehung zwischen unverbrannten Kohlenwasserstoffen und dem
Kraftstoffeinspritz-Endzeitpunkt
im Stand der Technik und gemäß der Erfindung.
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Im
folgenden werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kraftstoffeinspritzung
für Brennkraftmaschinen
mit Bezug auf die Zeichnung erläutert.
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Die 1(a) und 1(b) zeigen
eine in einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine installierte Kraftstoffeinspritzeinrichtung
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung. 1(a) ist eine Teilschnittansicht
zur Erläuterung
der Anbringung der Kraftstoffeinspritzeinrichtung, während 1(b) eine Ansicht bei Betrachtung in Richtung
S in 1(a) ist, die die räumliche
Beziehung zwischen dem Einlaßventil
und der Kraftstoffeinspritzeinrichtung zeigt.
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Das
Bezugszeichen 1 bezeichnet einen Zylinder der Mehrzylinder-Brennkraftmaschine,
während
das Bezugszeichen 2 eine Brennkammer bezeichnet, das Bezugszeichen 3 ein
Einlaßventil
zum Öffnen
und Schließen
einer Einlaßöffnung 4 bezeichnet,
das Bezugszeichen 5 einen Ansaugluftkanal bezeichnet, der
eine die Einlaßöffnung 4 unterteilende mittige
Trennwand 11 aufweist und eine Verbindung mit der Einlaßseite der
Einlaßöffnung 4 darstellt,
und das Bezugszeichen 6 einen Ansaugkrümmer bezeichnet.
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Das
Bezugszeichen 7 bezeichnet eine Ansaugluftdurchflußmengen-Steuervorrichtung,
während
das Bezugszeichen 8 eine Ansaugluftströmung bezeichnet und das Bezugszeichen 9 eine
Innenwandfläche
des Ansaugluftkanals 5 gegenüber der Innenwandfläche auf
seiten einer elektromagnetischen Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 bezeichnet. Die
Ansaugluftdurchflußmengen-Steuervorrichtung 7 besitzt
ein Öffnungs-
und Schließventil 12.
Das Bezugszeichen 13 bezeichnet einen Zylinderkopf, der einen
Innenwandabschnitt 14A auf seiten der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 und
einen weiteren Innenwandabschnitt 14B gegenüber dem
Innenwandabschnitt 14A aufweist.
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In
dieser Ausführungsform
der Erfindung ist die elektromagnetische Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 im
Ansaugkrümmer 6 installiert.
Die beiden Einlaßöffnungen 4 sind
in dieser Ausführungsform
der Erfindung parallel angeordnet, wobei ein Kraftstoffsprühstrahl 15 (15a, 15b)
so eingespritzt wird, daß er auf
die mittige Trennwand 11 des Zylinderkopfs 13 auftrifft.
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Die
Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 10 sind in den jeweiligen
Zylindern 1 stromaufseitig vom Einlaßventil 3 angeordnet,
wobei ein Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen verwendet
wird, das eine Mehrpunkteinspritzung (MPI = Multi-Point Injection)
ausführt.
Um die Qualität
der Bildung des Luft-/Kraftstoffgemischs
im Zylinder 1 zu verbessern, wird der Zerstäubungsgrad
im Kraftstoffsprühstrahl 15 erhöht, wobei
als Zerstäubungseinrichtung
eine elektromagnetische Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 des
Kraftstoffverwirbelungstyps verwendet wird.
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Wenn
jedoch wie im Stand der Technik ein Sprühstrahl mit Axialsymmetrie
erzeugt wird, entsteht das Problem, daß Kraftstoff an der Innenwandfläche des
Ansaugkrümmers
in einem die Kraftstoffeinspritzeinrichtung umgebenden Abschnitt
und im Ansaugluftkanal anhaftet und Probleme wie etwa eine Absenkung
des Zerstäubungsgrades
des Kraftstoffsprühstrahls
und eine Absenkung der Eindringkraft des Kraftstoffsprühstrahls
sowie eine Transportverzögerung
(Zeitverzögerung)
des eingespritzten Kraftstoffs in die Brennkammer entstehen.
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Um
diese Probleme des Standes der Technik zu lösen, sind erfindungsgemäß die Orientierung
des Kraftstoffsprühstrahls 15 und
die Form sowie die Einspritzperiode des Kraftstoffsprühstrahls 15 geeignet eingestellt.
Das heißt,
daß das Öffnungs-
und Schließventil 12 der
Ansaugluftdurchflußmengen-Steuervorrichtung 7 geöffnet und
geschlossen wird und der kleine Strahl 15a auf der Ansaugluftströmung 8,
die sich mit hoher Geschwindigkeit durch den Ansaugluftkanal bewegt,
befördert
wird, so daß die
Vermischung von Luft und Kraftstoff begünstigt wird und der gesamte
Kraftstoffsprühstrahl
verzögerungsfrei
in die Brennkammer 2 transportiert wird.
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Genauer
erfolgt die Kraftstoffeinspritzung von der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 durch
geeignete Zeiteinstellung des Ansaughubs des entsprechenden Zylinders 1 und
durch geeignete Ansteuerung der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 und
der Ansaugluftdurchflußmengen-Steuervorrichtung 7.
In der Ansaugluftdurchflußmengen-Steuervorrichtung 7 ist, wie
in der Figur gezeigt ist, während
eines Schließintervalls die
Durchgangsfläche
des Ansaugkrümmers 6 gering,
so daß die
Geschwindigkeit der Ansaugluftströmung 8 erhöht ist und
in der Brennkammer 2 des Motors eine Wirbelströmung erzeugt
wird.
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Im
folgenden wird der Unterschied zwischen der Kraftstoffeinspritz-Zeiteinstellung
des Standes der Technik und der Kraftstoffeinspritz-Zeiteinstellung
der Erfindung erläutert.
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13 zeigt
die Beziehung zwischen dem Kraftstoffeinspritz-Endzeitpunkt und
der Menge unverbrannter Kohlenwasserstoffe. Außerdem ist in 13 die
Ansaughub-Zeiteinstellung
gezeigt. Diese Beziehungen geben die Testergebnisse für die folgenden
Betriebsbedingungen an: Drehzahl der Brennkraftmaschine: 2000 min–1,
Ansaugkrümmerdruck: –40 kPa;
Kühlwassertemperatur:
40–80°C; Zündzeitpunkt:
16° vor
dem oberen Totpunkt; Luft-/Kraftstoffverhältnis: 14,7.
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In
der Kraftstoffeinspritzvorrichtung des Standes der Technik beträgt der Partikeldurchmesser des
eingespritzten Kraftstoffs 80 bis 100 μm. Wenn die Kraftstoffeinspritzung
im Ansaughub erfolgt, d. h. wenn der Kraftstoffeinspritz-Endzeitpunkt
im Ansaughub liegt, besteht die Tendenz zu einem plötzlichen
Anstieg der Menge an Kohlenwasserstoffen. Der Grund hierfür besteht
darin, daß die
Kraftstoffpartikel mit größerem Durchmesser,
die sich durch die Einlaßöffnung bewegt
haben, an der Wandoberfläche
der Brennkammer anhaften und die Verbrennung verschlechtern. Wegen
dieses Nachverbrennungsphänomens,
bei dem der Kraftstoff, der während
einer langen Zeit verdampft ist, nachverbrannt wird, wird ein fettes
Luft-/Kraftstoffverhältnis erzeugt.
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Da
hingegen durch die Kraftstoffeinspritzvorrichtung dieser Ausführungsform
der Erfindung Kraftstoffpartikel mit einem Durchmesser von etwa
35 μm erzeugt
werden, wird kein Anstieg der Kohlenwasserstoff-Menge bewirkt. Der
Grund hierfür besteht
darin, daß nahezu
alle Kraftstoffpartikel durch die Ansaugluftströmung transportiert werden und
somit eine Anhaftung von Kraftstoff an der Wandfläche des
Ansaugkrümmers
und an der Wandfläche
der Brennkammer vermieden werden kann. Dadurch kann ein homogenes
und gutes Luft-/Kraftstoffgemisch gebildet werden.
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In
der herkömmlichen
Kraftstoffeinspritzvorrichtung wird der Kraftstoff bei geschlossener
Einlaßöffnung eingespritzt.
Das heißt,
daß der
Kraftstoffeinspritzzeitpunkt in der Nähe von 58° vor dem oberen Totpunkt (58° im Ausstoßhub) liegt.
Der eingespritzte Kraftstoff wird auf dem Teller des Einlaßventils
gesammelt und verbleibt dort, wobei wegen der starken Erwärmung des
Tellers der eingespritzte Kraftstoff nahezu vollständig verdampft.
Da es jedoch unvermeidlich ist, daß eine geringe Menge nicht
verdampften Kraftstoffs bei geöffnetem
Einlaßventil
in die Brennkammer eintritt und da ferner die Steuerung der Ausbildung
einer guten Qualität
des Luft-/Kraftstoffgemischs schwierig ist, besteht hinsichtlich
der Verringerung der Menge an Kohlenwasserstoffen eine Grenze.
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Erfindungsgemäß wird der
Kraftstoff im Ansaughub bei geöffneter
Einlaßöffnung eingespritzt, wobei
der Einspritz-Endzeitpunkt gesteuert wird. Im Ansaughub strömt der Kraftstoff
in die Brennkammer ein, wobei im wesentlichen kein eingespritzter
Kraftstoff im Ansaugkrümmer
zurückbleibt.
Daher verdampft in dieser Ausführungsform
der Erfindung der Kraftstoff im wesentlichen nicht im Ansaugkrümmer, sondern
wird in die Brennkammer transportiert.
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In
dieser Ausführungsform
der Erfindung wird durch Vorsehen der Ansaugluftdurchflußmengen-Steuervorrichtung,
die den Querschnitt des Ansaugkanals ändern kann, die Ansaugluftdurchflußmenge so
gesteuert, daß eine
Verteilung der Ansaugluft-Strömungsgeschwindigkeit
und eine Verteilung der Ansaugluft-Durchflußmenge in einem Bereich geschaffen
werden, in denen die Ansaugluft-Strömungsgeschwindigkeit
und die Ansaugluft-Durchflußmenge
erhöht
sind. Daher kann eine große
Menge des Kraftstoffs mit der Ansaugluftströmung, die eine verhältnismäßig hohe
Geschwindigkeit hat, transportiert werden, so daß eine Verzögerung des Kraftstofftransports
verringert werden kann und eine Anhaftung des Kraftstoffs am Einlaßventil
und am Ansaugkrümmer
verringert werden kann. Um Kraftstoffpartikel mit einem Durchmesser
von weniger als 80 μm
zu erzeugen, wird der Kraftstoff vorzugsweise in Form von Partikeln
mit einem Durchmesser im Bereich von etwa 30 bis etwa 50 μm eingespritzt.
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Die
Form des zur Innenwand 14A des Zylinderkopfs 13 gerichteten
Kraftstoffsprühstrahls 15 von der
Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 besitzt, wie in 1(a) gezeigt ist, einen kleinen Verbreitungswinkel
(die Kraftstoffsprühstrahl-Menge
ist gering), während
auf seiten der gegenüberliegenden
Wandfläche 14B des
Zylinderkopfs 13 einen großen Verbreitungswinkel besitzt
(die Kraftstoffsprühstrahl-Menge ist
groß).
Ferner wird, wie in 1(b) gezeigt
ist, ein Kraftstoffsprühstrahl 15b erzeugt,
um eine Anhaftung des eingespritzten Kraftstoffs an der mittigen
Trennwand 11 des Zylinderkopfs 13 zu vermeiden
und ihn auf die Teller 3a und 3b der jeweiligen
Einlaßventile 3 zu
richten.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist eine Einspritzbohrung axial zur Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 angeordnet,
um den Kraftstoffsprühstrahl
zu den Tellern 3a und 3b der Einlaßventile 3 zu
lenken. Der von der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 eingespritzte
Kraftstoffsprühstrahl 15 wird
zu der Innenwandfläche 14B des
Zylinderkopfs 13 abgelenkt, die der Innenwandfläche 14A des
Zylinderkopfs 13 auf seiten der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 gegenüberliegt,
und in der Weise erzeugt, daß er in
einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung der Einspritz-bohrung
der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 eine abgeflachte
Form (eine im wesentlichen zweidimensionale Form) besitzt, wie in 1(c) gezeigt ist.
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Wenn
in dieser Ausführungsform
der Erfindung das Einlaßventil 3 geöffnet wird,
transportiert die stark fluidisierte Ansaugluftströmung 8,
die sich durch die Ansaugluftdurchflußmengen-Steuervorrichtung 7 bewegt
hat, den Kraftstoffsprühstrahl 15, so
daß der
gesamte Kraftstoffsprühstrahl 15 in
die Brennkammer 2 des Motors eintritt.
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Wie
in 1(b) gezeigt ist, umfaßt der von der
Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 eingespritzte Kraftstoffsprühstrahl 15b einen
Mittelabschnitt (einen Bereich mit geringer Konzentration) 16 und
einen äußeren Abschnitt 17.
Der äußere Abschnitt 17 umfaßt in seinem
Umfangsabschnitt einen fetten Sprühstrahlbereich (Bereich mit
hoher Konzentration) 18 mit einem großen Verbreitungswinkel und
einen halbfetten Sprühstrahl-Abschnitt
(Bereich mit mittlerer Konzentration) 19 mit einem kleinem
Verbreitungswinkel. Der Mittelabschnitt 16 des Kraftstoffsprühstrahls 15 umfaßt einen
dünnen
Sprühstrahl-Abschnitt.
Durch den äußeren Abschnitt 17 und
den Mittelabschnitt 16 des Kraftstoffsprühstrahls 15 wird
in einer horizontalen Richtung ein horizontaler, zusammenhängender
asymmetrischer Sprühstrahlkörper erzeugt,
wie in 1(c) gezeigt ist. Daher umfaßt der zusammenhängende asymmetrische
Sprühstrahlkörper einen
Sprühstrahlbereich 16 mit
geringer Konzentration, einen Sprühstrahlbereich 19 mit
mittlerer Konzentration und einen Sprühstrahlbereich 18 mit hoher
Konzentration. In 1(c) bezeichnet das Bezugszeichen
Z den Mittelpunkt der Einspritzbohrung.
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Der
fette Sprühstrahlbereich
(Bereich mit hoher Konzentration) 18 mit großem Verbreitungswinkel
des Kraftstoffsprühstrahls 10 ist
zur Innenwandfläche 14B gerichtet,
der der Wand des Ansaugkrümmers 6,
an der die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 angebracht
ist, gegenüberliegt.
Ferner ist der fette Sprühstrahlbereich
(Bereich mit hoher Konzentration) 18 des Kraftstoffsprühstrahls 15a symmetrisch zur
mittigen Trennwand 11 des Zylinderkopfs 13 orientiert,
welche sich in einem Mittelabschnitt der beiden nebeneinander angeordneten
Teller 3a und 3b des Einlaßventils 3 befindet.
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Die
Strömungsgeschwindigkeitsverteilung des
Kraftstoffsprühstrahls 15 im
Querschnitt des Ansaugluftkanals 5 ist so beschaffen, daß der Kraftstoff in
einen bestimmten Querschnittsbereich des Ansaugluftkanals konzentriert
ist und die Strömungsgeschwindigkeit
in diesem Querschnittsbereich des Ansaugluftkanals 5 entsprechend
der Einstellung durch die Ansaugluftdurchflußmengen-Steuervorrichtung 7 erhöht wird.
Der Kraftstoff, der in diesen Bereich eingespritzt worden ist, wird
auf der Ansaugluftströmung 8,
die eine erhöhte
Strömungsgeschwindigkeit
aufweist, in die Brennkammer 2 des Motors transportiert. Der
Verbreitungswinkel des Kraftstoffsprühstrahls am Wandflächenabschnitt 14B ist
größer als
der Verbreitungsabschnitt des Kraftstoffsprühstrahls am Wandflächenabschnitt 14A.
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Nun
wird mit Bezug auf die 2 bis 4 der Aufbau
einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 erläutert, mit
der ein Kraftstoffsprühstrahl 15 wie
oben beschrieben erzeugt werden kann. 2 ist eine Längsschnittansicht
der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10, während 3 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines
Ventilabschnitts der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 ist
und 4 eine Querschnittsansicht zur
Erläuterung
des Aufbaus eines Einspritzbohrungsabschnitts der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 ist,
der die Steuerung der Form des Kraftstoffsprühstrahls 15 ermöglicht.
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Die
Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 spritzt den Kraftstoff
ein, indem ein Sitzabschnitt entsprechend einem Ein/Aus-Signal mit
einem durch eine in der Figur nicht gezeigte Steuereinheit festgelegten Tastgrad
geöffnet
und geschlossen wird. Ein Magnetkreis umfaßt ein zylindrisches Joch 20 mit
einem unteren Abschnitt, einen Kern 21 und einen Tauchkolben 22,
der dem Kern 21 über
einen Luftspalt 21 zugewandt ist. Mit diesem Tauchkolben 22 ist
eine Stange 23 verbunden, durch die eine Kraftstoffleitung 24 verläuft und
die ihrerseits mit einem Ventilkörper 25 verbunden
ist, wobei der Ventilkörper 25 eine
Sitzfläche 27,
die in einem Düsenabschnitt 26 ausgebildet
ist, öffnet
und schließt.
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Ferner
ist in der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 im Mittelabschnitt
des Kerns 21 als elastisches Element, das den Ventilkörper 25 zur
Sitzfläche 27 vorbelastet,
ein Federelement 28 vorgesehen, an dessen oberem Ende eine
Federeinstelleinrichtung 29 vorgesehen ist, die die Last
der Feder einstellt und in den Kern 21 eingesetzt ist.
Eine elektromagnetische Spule 30 für die Erregung des Magnetkreises
ist auf eine Haspel 31 gewickelt, wobei die äußere Umfangsfläche der
Spule 31 mit Kunststoff vergossen ist. Ein Anschluß 32 der
Spule 30 ist mit einem Anschluß der in der Figur nicht gezeigten
Steuereinheit verbunden.
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In
der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 ist ferner eine Führung für die Bewegung
des Ventilkörpers 25 der
Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 in axialer Richtung vorgesehen,
um den Ventilkörper 25 längs der
Innenwand eines zylindrischen Kraftstoffverwirbelungsabschnitts 33 zu
führen,
der seinerseits in die Innenwand eines Führungsabschnitts 23a und
in einen hohlen Abschnitt des Düsenabschnitts 26 eingesetzt
ist. Dieser Kraftstoffverwirbelungsabschnitt 33 bildet
eine Kraftstoffzerstäubungseinrichtung.
Mit dem Düsenabschnitt 26,
der den zylindrischen Kraftstoffverwirbelungsabschnitt 33 umgibt,
ist die Sitzfläche 27,
auf der der Ventilkörper 25 sitzt,
verbunden, wobei im Mittelabschnitt der Sitzfläche 27 eine Kraftstoffeinspritzbohrung 36 ausgebildet
ist, die den Durchgang des eingespritzten Kraftstoffs ermöglicht.
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Die 3(a) und 3(b) sind
eine Längsschnittansicht
bzw. eine Draufsicht, die den Ventilabschnitt der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 in
vergrößertem Maßstab zeigen. 3(a) zeigt den Ventilabschnitt der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10,
während 3(b) den Ventilkörper 25 der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 in
der Richtung N in 3(a) zeigt.
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Der
Kraftstoff wird von einem oberen Abschnitt des Ventilkörpers 25 eingeleitet
und erreicht den Kraftstoffverwirbelungsabschnitt 33. In
der Kraftstoffeinspritzbohrung 36 des Düsenabschnitts 26 wird
der Kraftstoff aus einem in axialer Richtung verlaufenden Kanal 34 in
einen in radialer Richtung verlaufenden Kanal 35, der in
bezug auf die axiale Mitte des Ventils exzentrisch ausgebildet ist,
eingeleitet, um dem Kraftstoff eine Verwirbelungsenergie zu verleihen.
Wenn der Ventilkörper 25 geöffnet ist,
wird der Kraftstoff durch einen ringförmigen Spalt, der zwischen
dem Ventilkörper 25 und
der Sitzfläche 27 gebildet
ist, geleitet, ohne daß ein
Reibungsverlust erzeugt wird, woraufhin der Kraftstoff zur Kraftstoffeinspritzbohrung 36 gelenkt
wird, die ebenfalls eine Kraftstoffzerstäubungseinrichtung bildet.
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Der
Ventilkörper 25 der
Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 wird durch Erhöhen der
Anziehungskraft der Spule 30 mit hoher Geschwindigkeit
betätigt. Der Öffnungs- und Schließbetrieb,
der entsprechend dem Druck in der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 in kurzen
Intervallen erfolgt, wobei der Ventilkörper 25 mit hoher
Geschwindigkeit angetrieben wird, kann plötzliche Druckänderungen
des eingespritzten Kraftstoffs während
des Betriebs der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 hervorrufen.
Durch diesen Aufbau kann die Verwirbelungsenergie den Zerstäubungsgrad
des Kraftstoffsprühstrahls 15 stark
erhöhen.
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Die
Kraftstoffeinspritzbohrung 36 der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 ist
so beschaffen, daß die kinetische
Energie effizient an die äußere Umgebung der
Kraftstoffeinspritzbohrung 36 abgegeben wird. Ferner kann
beispielsweise in dem Fall, in dem eine Zerstäubungseinrichtung verwendet
wird, in der die Verwirbelung des Kraftstoffs nicht ausgenutzt wird, diese
Ausführungsform
der Erfindung in einem Verfahren verwendet werden, bei dem der Kraftstoff
aus einem schmalen, ringförmigen
Spalt eingespritzt wird und ein dünner Kraftstoffilm gebildet
wird, wodurch der Zerstäubungsgrad
des Kraftstoffsprühstrahls 15 erhöht wird.
Nun wird mit Bezug auf die 4 und 5 eine weitere Ausführungsform der Erfindung zur
Bildung des Kraftstoffsprühstrahls
mit der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 erläutert. 4(a) ist eine Querschnittsansicht zur Erläuterung
des Aufbaus eines L-förmigen
Abschnitts, der den Kraftstoff von der Kraftstoffeinspritzbohrung 36 der
Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 zur Sitzfläche 27 lenkt,
während 4(b) eine Draufsicht ist, die den umgebenden Abschnitt
zeigt, der die Kraftstoffeinspritzbohrung 36 der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 enthält.
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Wie
oben erwähnt,
ist ein Bodenabschnitt 37 des Düsenabschnitts 26 der
Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 mit einer ersten Oberfläche 41 und
mit einer zweiten Oberfläche 42 ausgebildet.
In der ersten Oberfläche 41 des
Bodenabschnitts 37 des Düsenabschnitts 26 enthält ein äußerer Flächenabschnitt auf
der Auslaßseite
der Kraftstoffeinspritzbohrung 36 die obengenannte Kraftstoffeinspritzbohrungsmündung, ferner
besitzt die erste Oberfläche 41 eine Wand 38,
die sich jenseits des eingespritzten Kraft stoffsprühstrahls 15 befindet
und von der ersten Oberfläche 41 unten
vorsteht. In dieser Ausführungsform
der Erfindung bilden die erste Oberfläche 41 und die Wand 38 eine
L-förmige
Oberflächenkonfiguration,
d. h., sie bilden eine L-förmige
Stufe. Die zweite Oberfläche 42 des
Bodenabschnitts 37 des Düsenabschnitts 26 der
Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 ist um die Strecke h
von der obengenannten Kraftstoffeinspritzbohrung 36 beabstandet.
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Die
erste Oberfläche 41 ist
mit einer Fläche 43,
die die Kraftstoffeinspritzbohrung 36 enthält, und mit
einer Fläche,
die von der Fläche 43 in
Strömungsrichtung
zurückversetzt
ist, versehen. Im Bodenabschnitt 37 des Düsenabschnitts 26 der
Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 sind die erste Oberfläche 41 und die
Wand 38 auf der Auslaßseite
der Kraftstoffeinspritzbohrung 36 L-förmig beschaffen. Die Wand 38 ist
von der Kraftstoffeinspritzbohrung 36 um die Strecke h
beabstandet und befindet sich jenseits des eingespritzten Kraftstoffsprühstrahls 15.
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Da
sich bei diesem Aufbau der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 ein
P-Abschnitt, der einen Auslaß bildet,
in der Nähe
des Sitzabschnitts befindet und von einem Q-Abschnitt um die Strecke L0 beabstandet
ist, wird der von der Kraftstoffeinspritzbohrung 36 eingespritzte
Kraftstoff früher
vom P-Abschnitt als vom Q-Abschnitt abgegeben, so daß die Verwirbelungsenergie,
die durch den P-Abschnitt erzeugt wird, größer als die durch den Q-Abschnitt
erzeugte Verwirbelungsenergie ist.
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Da
ferner in dem Q-Abschnitt die jenseits des Kraftstoffsprühstrahls 15 befindliche
Wand 38 vorhanden ist, erfährt die Verwirbelungsenergie
entsprechend der Wandfläche
einen Verlust. Daher ist der Verbreitungswinkel des Kraftstoffsprühstrahls 15 in Richtung
des P-Abschnitts groß (die
Kraftstoffsprühstrahl-Menge
ist groß,
d. h. es handelt sich um den fetten Sprühstrahl), der Verbreitungswinkel
des Kraftstoffsprühstrahls 15 in
Richtung des Q-Abschnitts ist jedoch gering (die Kraftstoffsprühstrahl-Menge ist klein,
d. h. es handelt sich um den mittleren Sprühstrahl). Durch die Begrenzungswirkung
der Wand 38 wird der Kraftstoffsprühstrahl 15 weiter
abgeflacht, so daß der
Kraftstoffsprühstrahl 15 eine
im wesentlichen zweidimensionale Orientierung erhält und der
zusammenhängende
Kraftstoffsprühstrahl 15 als
Folge der asymmetrischen Form des Sprühstrahls mit einem Bereich
mit geringer Konzentration, einem Bereich mit mittlerer Konzentration
und einem Bereich mit hoher Konzentration gebildet wird, wie in 1(c) gezeigt ist.
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Die
Wand 38 ist wie erwähnt
um die Strecke h von der Kraftstoffeinspritzbohrung 36 entfernt. Durch
geeignete Festlegung dieser Strecke h und der Einschnittiefe L0
können
ein gewünschter
Verbreitungswinkel (Ablenkungswinkel) und ein gewünschter
Abflachungsgrad des Kraftstoffsprühstrahls 15 erhalten
werden.
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5 zeigt eine Konstruktion, in der ein rechtwinkliger
ausgeschnittener Abschnitt (der Einschnittabschnitt) vorgesehen
ist, der von der Auslaßstirnfläche der
Kraftstoffeinspritzbohrung 36 in die Sitzfläche 27 mündet und
eine Fläche 45 besitzt.
Da der R- R-Abschnitt
ein Auslaß ist,
der vom Q-Abschnitt um die Strecke L1 entfernt ist und sich in der Nähe des Sitzabschnitts
befindet, wird der Kraftstoff zuerst vom P-Abschnitt und dann vom Q-Abschnitt ausgestoßen, so
daß die
Verwirbelungsenergie zu diesem Zeitpunkt im R-Abschnitt größer als
im Q-Abschnitt ist. Da sowohl im R-Abschnitt als auch im Q-Abschnitt die
Wände 39 gegenüber dem
Kraftstoffsprühstrahl
vorhanden sind, stellen diese Wände 39 einen
Widerstand dar.
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Daher
wird der Verbreitungswinkel des Kraftstoffsprühstrahls 15 kleiner
als oben, aufgrund des Widerstand durch die Wände 39 wird jedoch
der Kraftstoffsprühstrahl 15 weiter
abgeflacht, so daß die im
wesentlichen zweidimensionale Ausbildung des Sprühstrahls noch deutlicher hervortritt.
Der Durchmesser der Kraftstoffeinspritzöffnung 36 des Düsenabschnitts 26 der
Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 ist mit d0 bezeichnet,
während
der horizontale Abstand der beiden Wände 39 mit H bezeichnet
ist. Ferner sind die Wände 39 von
der Kraftstoffeinspritzbohrung 36 ähnlich wie oben um die Strecke
(H – d0)/2
beabstandet, so daß durch
die Werte der Strecke (H – d0)/2
und der Einschnittiefe L1 ein gewünschter Verbreitungswinkel
(Ablenkungswinkel) und der gewünschte
Abflachungsgrad des Kraftstoffsprühstrahls 15 bestimmt
werden können.
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Da
bei der obenbeschriebenen Konstruktion die Wände 38 und 39 um
die Strecke h von der Kraftstoffeinspritzbohrung 36 getrennt
sind und sich jenseits des eingespritzten Kraftstoffsprühstrahls 15 befinden,
kann der Kraftstoffsprühstrahl 15 flach
ausgebildet und abgelenkt werden. Dieser flache, abgelenkte Kraftstoffsprühstrahl 15 wird
entsprechend der Stärke
der Ansaugluftströmung 8,
die insbesondere durch die Ansaugluftdurchflußmengen-Steuervorrichtung 7 eingestellt
wird, mitgenommen, so daß die Anhaftung
des Kraftstoffs an der Innenwandfläche 32 begrenzt werden
kann, da der Kraftstoffsprühstrahl 15 mit
der stark fluidisierten Ansaugluftströmung 8 in Kontakt
gebracht wird. Die geradlinige Konfiguration der in 4 oder 5 gezeigten Wand kann durch eine Wand 38A mit
gekrümmter
Kon figuration, wie sie in 6 gezeigt
ist, ersetzt sein.
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Im
Fall von 4 kann die Größe h im
Bereich (0,05 – 0,1)d0
liegen. Im Fall von 5 kann h im Bereich
von (1,1 – 1,2)d0
liegen. Daher kann h insgesamt im Bereich von (0,05 – 1,2)d0
eingestellt werden.
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Nun
wird mit Bezug auf 1 die Funktionsweise
der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 gemäß dieser
Ausführungsform
der Erfindung erläutert.
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Die
Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 führt ein Öffnen und Schließen der
Sitzfläche 27 durch
Betätigen
des Ventilkörpers 25 entsprechend
einem elektrischen Ein-/Aus-Signal
aus, das an die elektromagnetische Spule 30 angelegt wird,
wobei die Einspritzung des Kraftstoffs entsprechend dieser Steuerung
erfolgt. Wenn an die elektromagnetische Spule 30 ein elektrisches
Signal angelegt wird, erzeugen der Kern 21, das Joch 20 und
der Tauchkolben 22 ein Magnetfeld. Dann wird der Tauchkolben 22 zur
Seite des Kerns 21 angezogen, so daß sich der Tauchkolben 22 bewegt
und der Ventilkörper 25,
der mit diesen Elementen einteilig ausgebildet ist, bewegt und von der
Sitzfläche 27 abgehoben
wird, so daß die
Kraftstoffeinspritzbohrung 36 freigegeben wird.
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Der
Kraftstoff wird durch eine nicht gezeigte Kraftstoffpumpe mit Druck
beaufschlagt, ferner stellt ein nicht gezeigter Regler den Kraftstoffdruck
ein, wobei der Kraftstoff in den Innenraum der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 eintritt.
Der Kraftstoff bewegt sich durch den inneren Kanal des Ventilkörpers 25, den äußeren Umfangsabschnitt
des Ventilkörpers 25, den
axialen Kanal 34 des Kraftstoffeinspritz-Verwirbelungsabschnitts 33 und
den radialen Kanal 35 des Kraftstoffeinspritz-Verwirbelungsabschnitts 33 und wird
zur Kraftstoffeinspritzbohrung 36 gelenkt, die die stromabseitige
Sprühstrahlerzeugungseinrichtung bildet.
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7 ist eine schematische Schnittansicht, in
der die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 mit einer Einspritzbohrung
des L-Typs gemäß dieser
Ausführungsform
der Erfindung, die in 4 gezeigt ist,
in einem Einspritzgefäß installiert
ist. 7(a) zeigt einen Kraftstoffsprühstrahl
(mit Verbreitungswinkel θ0), der erhalten wird, wenn die in 4 gezeigte Einspritzbohrung von links
betrachtet wird, während 7(b) einen Kraftstoffsprühstrahl zeigt, der erhalten
wird, wenn die in 4 gezeigte Einspritzbohrung
von vorn betrachtet wird.
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Der
Kraftstoffsprühstrahl 15 befindet
sich in einem Zustand, in dem der Kraftstoffsprühstrahl 15b im wesentlichen
zweidimensional ist. Im Kraftstoffsprühstrahl 15a ist der
Verbreitungswinkel θ1 in bezug auf die axiale Mittellinie X der
Einspritzbohrung kleiner als der Verbreitungswinkel θ2. Der Verbreitungswinkel θ2 definiert eine Richtung, in der die Beschränkung durch
die Wand 38 nicht vorhanden ist, so daß die Kraftstoffsprühstrahl-Menge
hiervon groß ist.
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Andererseits
liegt der Verbreitungswinkel θ1 auf seiten der Wand 38, so daß die Kraftstoffsprühstrahl-Menge
hiervon gering ist. Der Winkel θ3 ist der Winkel der Abweichung der Mittellinie
Y des Kraftstoffsprühstrahls
von der axialen Mittellinie X der Einspritzbohrung und wird als
Ablenkungswinkel bezeichnet. Wenn die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 an
der Brennkraftmaschine montiert ist, ist der Verbreitungswinkel θ2 des Kraftstoffsprühstrahls 15 so bemessen,
daß die
Linie, die diesem Verbreitungswinkel θ2 entspricht,
auf die innere Wandfläche
des Ansaugluftkanals 5 auftrifft.
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Beispielsweise
betragen in 7(b) der Verbreitungswinkel θ1 10°,
der Verbreitungswinkel θ2 20° und
der Verschiebungswinkel θ3 5°,
so daß die
Summe θ1 + θ2 30° beträgt. Der
Winkel θ0 in 7(a) beträgt beispielsweise
50°.
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8 zeigt
eine Meßanordnung
für den oben
beschriebenen Kraftstoffsprühstrahl 15.
Das Bezugszeichen 40 bezeichnet ein zylindrisches Sprühstrahl-Gefäß, wovon
an drei Seiten optische Linsen angeordnet sind und an einer vierten
Seite die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 installiert
ist. Eine Laserbelichtungsvorrichtung 41 erzeugt durch
einen Schlitz einen Lichtstrahl 42, wobei durch Drehen
des Schlitzes der Lichtstrahl 42 in einer Längsschnittebene
bzw. in einer Querschnittsebene belichtet wird.
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An
zwei weiteren Seiten nehmen Kameras mit Zoom-Funktion ein linkes
bzw. ein rechtes Bild auf, so daß der Kraftstoffsprühstrahl
auf einem Monitor 44 betrachtet werden kann. Das Bezugszeichen 45 bezeichnet
einen Personalcomputer, der einen Empfangsabschnitt und einen Impulserzeugungsabschnitt 47 besitzt,
die einen Ventilöffnungsbefehl
an die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 ausgeben. Das Bezugszeichen 48 bezeichnet
eine Treiberschaltung, während
das Bezugszeichen 49 einen Kraftstofftank bezeichnet, der
durch einen N2-Zylinder 50 mit
Druck beaufschlagt wird.
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In
dem Experiment wird als Ersatzprodukt für Benzin "Shell LAWS" (Shell Chemical Corporation, LAWS ist
ein Produktname) verwendet, dessen Eigenschaften den Eigenschaften
von Benzin ähnlich sind.
Der Druck in dem Kraftstoffsprühstrahl-Gefäß 40 kann
durch eine Unterdruckpumpe und den N2-Zylinder 50 abgesenkt
bzw. erhöht
werden.
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Die
Hauptmeßprozedur
ist die folgende: Erzeugen des Ventilöffnungsbefehls für die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 → Erzeugen
einer Zeiteinstellung für
die Belichtung des Kraftstoffsprühstrahls
mit dem Laserlicht → Ansteuern
der Kamera 43 für
die Bildaufnahme → Ausgeben
des Ventilöffnungsbefehls → Aufnehmen
eines Bildes → Speichern
des Bildes.
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Durch
Verwendung der obigen Meßvorrichtung
wurden die Wirkungen der Wand 38, die Wirkungen des Kraftstoffsprühstrahls 15,
der eine abgeflachte Form besitzt, sowie die Verhinderung der Anhaftung
des Kraftstoffsprühstrahls 15 an
der Innenwandfläche
durch die entsprechende Steuerung der Ansaugluftströmung 8 bestätigt.
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Nun
wird ein weiteres Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 auf
eine Mehrzylinder-Brennkraftmaschine erläutert. 9 ist eine
Ansicht, die einen an einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine montierten
Zylinderkopf veranschaulicht, während 10 eine
Ansicht ist, die die Beziehung zwischen der Position des Einlaßventils
und der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 einerseits und
dem Kraftstoffsprühstrahl
andererseits veranschaulicht.
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Das
Bezugszeichen 101 bezeichnet einen der Zylinder der Mehrzylinder-Brennkraftmaschine, während das
Bezugszeichen 102 eine Brennkammer bezeichnet, das Bezugszeichen 103 einen
Kolben bezeichnet, das Bezugszeichen 104 den Zylinderkopf
bezeichnet, das Bezugszeichen 105 ein Einlaßventil
zum Öffnen
und Schließen
einer Ansaugluftöffnung 106 bezeichnet,
das Bezugszeichen 107 ein Auslaßventil bezeichnet und das
Bezugszeichen 108 einen Abgaskrümmer bezeichnet.
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Das
Bezugszeichen 109 bezeichnet einen Ansaugluftkanal mit
einer mittigen Trennwand 109, die die Einlaßöffnung 106 unterteilt
und mit dem stromaufseitigen Abschnitt der Ansaugluftöffnung 106 in
Verbindung steht. Das Bezugszeichen 110 bezeichnet einen
Ansaugkrümmer,
während
das Bezugszeichen 111 eine Ansaugluftdurchflußmengen-Steuervorrichtung
bezeichnet, das Bezugszeichen 112 die Ansaugluftströmung bezeichnet,
das Bezugszeichen 115 eine Innenwandfläche eines Ansaugluftkanals 114,
die sich gegenüber
einer Innenwandfläche
auf seiten der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 befindet,
bezeichnet, und das Bezugszeichen 18 einen Kraftstoffsprühstrahl,
der von der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 ausgestoßen wird, bezeichnet.
In dieser Ausführungsform
der Erfindung ist die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 im
Zylinderkopf 104 installiert.
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Die
Ansaugluftdurchflußmengen-Steuervorrichtung 111 besitzt
ein Öffnungs-
und Schließventil 113.
Die beiden Einlaßventile 105 sind
parallel angeordnet, so daß in
dieser Ausführungsform
der Erfindung der Kraftstoffsprühstrahl 15 so
eingespritzt wird, daß er
auf die Teller 105a und 105b der Einlaßventile 105 trifft.
Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 ist stromaufseitig
vom Einlaßventil 105 angeordnet
und verwendet ein Mehrpunkt-Einspritzsystem (MPI-System).
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In
dieser Ausführungsform
der Erfindung sind die Qualität
und die Ausbildung des Luft-/Kraftstoffgemischs im Zylinder 101 verbessert,
indem die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10, in der die
Zerstäubung
des Kraftstoffsprühstrahls 15 erhöht ist,
am Zylinder 101 installiert ist und die Anhaftung des Kraftstoffs
an der Innenwandfläche
des Ansaugkrümmers 110 und
an der Innenwandfläche
des Ansaugluftkanals 109 nicht auftritt.
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Die
Merkmale dieses Kraftstoffsprühstrahls 15 von
der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 umfassen die Tatsache,
daß der
Verbreitungswinkel an der Innenwandfläche des Ansaugluftkanals im
Zylinderkopf 104 gering ist, jedoch an der gegenüberliegenden
Wandfläche 115 groß ist. Ferner
wird der Kraftstoffsprühstrahl 15,
wie in 10 gezeigt ist, in der Weise
erzeugt, daß eine
Anhaftung des Kraftstoffs an der mittigen Trennwand 109a vermieden
wird und der Kraftstoffsprühstrahl 15 zu
den gekrümmten
Abschnitten 105a und 105b des Einlaßventils 105 gelenkt
wird.
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Wenn
andererseits das Einlaßventil 105 geöffnet ist,
bewegt sich durch die Ansaugluftdurchflußmengen-Steuervorrichtung 111 eine
stark fluidisierte Luftströmung,
die den Kraftstoffsprühstrahl 15 transportiert.
Wie oben erwähnt
worden ist, sind die Orientierung und die Form des Kraftstoffsprühstrahls 15 optimiert
und kann eine Transportverzögerung
des Kraftstoffsprühstrahls 15 in
die Brennkammer 102 des Motors beseitigt werden. Was ferner
die Ansaugluftdurchflußmengen-Steuervorrichtung 111 betrifft, so
ist bei geschlossener Ansaugluftdurchflußmengen-Steuervorrichtung 111 die Kanalquerschnittsfläche des
Ansaugkrümmers 110 verengt,
so daß die Geschwindigkeit
der Ansaugluftströmung 112 erhöht ist und
in der Brennkammer 102 des Motors eine Verwirbelungsströmung erzeugt
wird.
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11 ist eine Längsschnittansicht eines Endabschnitts
des vorderen Endes einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung. In dieser Ausführungsform werden
für die
Erzeugung des abgelenkten Kraftstoffsprühstrahls 15 mit abgeflachter
Form mehrere feine Bohrungen verwendet. 11(b) ist
eine Ansicht des in 11(a) gezeigten
Abschnitts in der Richtung R.
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Ein
Ventilkörper 64 umfaßt eine
Stange 62, die durch Biegen eines Plattenelements gebildet
wird und einen Öffnungsabschnitt 60a besitzt
und teilweise in der inneren Umfangsfläche eines aus magnetischem
Material hergestellten Ankers 60 aufgenommen ist, sowie
ein Kugelelement 63, das am anderen Endabschnitt der Stange 62 befestigt
ist. Der Ventilkörper 64 wird
durch den äußeren Umfangsabschnitt des
Ankers 60 geführt,
wobei der äußere Umfangsabschnitt
des Kugelelements 63 auf einer Ventilsitzfläche 66 eines
Düsenkörpers 65 sitzt.
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Am
Kugelelement 63 sind mehrere Anschnittflächen 63a vorgesehen,
an denen sich der Kraftstoff vorbeibewegt. Der Düsenkörper 65 ist mit Druck
in eine innere Umfangsfläche 61a eines
dünnen
zylindrischen Elements 61 eingesetzt, das ein nicht magnetisches
oder schwach magnetisches Element und stromabwärts eine Einspritzplatte 67,
die mit Druck eingesetzt und befestigt ist, umfaßt.
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Das
Bezugszeichen 68 bezeichnet einen Schweißabschnitt,
der unter Verwendung eines Lasers hergestellt worden ist, wobei
der äußere Umfangsabschnitt
der Einspritzplatte 67 ein Entweichen von Kraftstoff nach
außen
verhindern kann. Das Bezugszeichen 70 bezeichnet einen
Kunststoffkörper, der
durch Druckguß hergestellt
ist. Zwischen diesem Kunststoffkörper 70 und
einer Stirnfläche
eines weiteren Kunststoffkörpers
ist ein O-Ringelement 71, das einen luftdichten Verschluß schafft,
vorgesehen.
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Im
folgenden wird die Funktionsweise der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 10 erläutert. Entsprechend
einem elektrischen Ein/Aus-Signal, das an eine elektromagnetische
Spule angelegt wird, wird der Ventilkörper 64 axial aufwärts und
abwärts
bewegt, wodurch ein Spalt zwischen dem Kugelelement 63 und
der Ventilsitzfläche 66 geöffnet und
geschlossen wird, wodurch die Kraftstoffeinspritzsteuerung erfolgt.
Wenn der Ventilkörper 64 bewegt
wird, wird das Kugelelement 63, das einteilig mit dem Ventilkörper 64 ausgebildet
ist, bewegt, wodurch die Kugel 63 von der Ventilsitzfläche 66 des
Düsenkörpers 65 abgehoben
wird, woraufhin der Kraftstoff auf die Einspritzplatte 67 trifft.
Dadurch wird der Kraftstoff von der Einspritzeinrichtung 10 nach
außen
ausgestoßen.
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Mit
Bezug auf 12(a) wird nun der Aufbau der
Einspritzplatte erläutert. 12(a) zeigt eine beispielhafte Einspritzplatte 67,
in der mehrere feine Bohrungen 72 und 73 vorgesehen
sind, die auf konzentrischen Teilkreisen angeordnet sind. Der jeweilige
Durchmesser der feinen Bohrungen 72 und 73 ist im
wesentlichen gleich. Insbesondere ist ein Bereich, in dem keine
feinen Bohrungen 73 vorgesehen sind, durch einen Winkel θ von mehr
als 100° begrenzt.
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Dem
Aufbau der in 12(b) gezeigten Einspritzplatte
liegt grundsätzlich
die gleiche Idee wie in 12(a) zugrunde,
die Größe der inneren
Bohrungen 76 ist jedoch kleiner als diejenige der äußeren Bohrungen 75.
In diesem Fall ist die Kraftstoff sprühstrahl-Menge auf der Außenseite
groß.
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Die
in 12(c) gezeigte Einspritzplatte 77 umfaßt mehrere
schlitzförmige
Einspritzlöcher 78 und 79,
die auf konzentrischen Teilkreisen vorgesehen sind. Die Größe der inneren
Einspritzlöcher 79 ist kleiner
als diejenige der äußeren Einspritzlöcher 78. In
diesem Fall ist die Kraftstoffsprühstrahl-Menge auf der Außenseite
groß.
Die in 12(d) gezeigte Einspritzplatte 80 besitzt
mehrere schlitzförmige
Einspritzlöcher 81,
die auf einem konzentrischen Teilkreis angeordnet sind. Die Anordnung
der Schlitzlöcher 81 beschreibt
eine C-Form, wie in 12(d) gezeigt
ist.
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Diese
mehreren Einspritzplatten 67, 74, 77 und 80,
die jeweils mehrere feine Einspritzbohrungen oder -löcher besitzen,
sind aus einem Metallelement mit einer Dicke im Bereich von 0,08
mm bis 0,15 mm hergestellt. Die Bearbeitung der Einspritzplatte
erfolgt durch Stanzen, Ätzen
und dergleichen. Die Einspritzplatte kann in großer Stückzahl und im wesentlichen
ohne Abweichungen hergestellt werden.
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Die
obenbeschriebenen Ausführungsformen der
Erfindung weisen die folgenden Merkmale auf. Was die Verbesserung
der Zerstäubung
des eingespritzten Kraftstoffs betrifft, so wird durch Vorsehen der
Einspritzplatte mit feinen Einspritzbohrungen oder -löchern die
Kraftstoffströmungsgeschwindigkeit
erhöht,
wodurch die Zerstäubung
des eingespritzten Kraftstoffs verbessert wird.
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Was
die Steuerung der Orientierung des Kraftstoffsprühstrahls betrifft, so kann
diese Orientierung durch Neigen der Einspritzplatte eingestellt
werden, wobei der Öffnungsbereich
der feinen Löcher
so bemessen ist, daß sich
die durch die einzelnen feinen Löcher
ausgespritzten Kraftstoffsprühstrahlen
nicht gegenseitig stören.
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Die
Einspritzmenge ist durch die Gesamtfläche der feinen Einspritzlöcher, die
in der Einspritzplatte vorgesehen sind, bestimmt, da jedoch die
Einspritzplatte durch eine Stanzbearbeitung, eine Ätzbearbeitung
und dergleichen erfolgt, ist die Abmessungsstreuung gering.
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Da
bei der Installation der äußere Umfangsabschnitt
der Einspritzplatte durch Laserschweißen befestigt wird, ist der
Befestigungsbereich von den Einspritzlöchern verhältnismäßig weit entfernt, so daß die Lochabmessungen
durch eine durch Wärme bedingte
Verformung nicht beeinflußt
werden.
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Erfindungsgemäß ist in
dem Verfahren zur Kraftstoffeinspritzung für Brennkraftmaschinen, die jeweils
ein Einlaßventil
zum Öffnen
und Schließen
einer Einlaßöffnung sowie
eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, die stromaufseitig vom Einlaßventil
angeordnet und durch ein Steuersignal von einer Motorsteuervorrichtung
angesteuert wird, umfaßt,
die Kraftstoffeinspritzung durch die Kraftstoffeinspritzeinrichtung
mit dem Ansaughub der Brennkraftmaschine synchronisiert. In dem
Verfahren wird von der Kraftstoffeinspritzeinrichtung ein Kraftstoffsprühstrahl
gebildet, der in einen mittigen Bereich, der einen Bereich mit geringer
Konzentration besitzt, und in einen äußeren Bereich, der einen Bereich
mit hoher Konzentration mit großem
Verbreitungswinkel und in seinem Umfang einen Bereich mit mittlerer Konzentration
mit kleinem Verbreitungswinkel besitzt, unterteilt ist. Ferner wird
ein Sprühstrahl
mit abgeflachter Form und erhöhtem
Zerstäubungsgrad
mit einem Partikeldurchmesser von etwa 30 bis etwa 50 μm erzeugt,
wobei die Geschwindigkeit der Ansaugluftströmung auf 15 bis 50 m/s gesteuert
wird (bei einer Kühlwassertemperatur
von 30°C
beträgt
hierbei die Soll-Leerlaufdrehzahl des Motors 2000 min–1, während die
Soll-Leerlaufdrehzahl bei einer Kühlwassertemperatur von 80°C 600 min–1 beträgt). Der Kraftstoffsprühstrahl
wird auf der Ansaugluftströmung
zum Einlaßventil
transportiert, wodurch eine Anhaftung des Kraftstoffsprühstrahls
an der Innenwand des Zylinderkopfs wirksam vermieden werden kann.
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Um
in dem Mehrpunkt-Einspritzsystem, das in der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung
verwendet wird, im Zylinder ein Luft-/Kraftstoffgemisch mit verbesserter
Qualität
zu erhalten, wird der Zerstäubungsgrad
des von der Kraftstoffeinspritzeinrichtung eingespritzten Kraftstoffsprühstrahls
erhöht
und wird der zerstäubte
Sprühstrahl
zum Ansaugkrümmer
geliefert, wobei der Kraftstoffsprühstrahl auf der Ansaugluftströmung, deren
Geschwindigkeit erhöht
wurde, transportiert wird. Der Kraftstoffsprühstrahl erhält eine abgeflachte Form und wird
abgelenkt, so daß die
Anhaftung des Kraftstoffs an der Innenwandfläche des Zylinderkopfs begrenzt wird
und die Vermischung des Kraftstoffsprühstrahls mit der Ansaugluft
gefördert
wird. Im Ergebnis können
die Verbrennung in der Brennkammer, das Abgas und der Kraftstoffverbrauch
verbessert werden. Da ferner für
die Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß der Erfindung keine Änderung
am Basismotor vorzunehmen ist, kann eine Kostensenkung erreicht
werden.