DE10142299A1

DE10142299A1 - Brennstoffeinspritzsystem

Info

Publication number: DE10142299A1
Application number: DE10142299A
Authority: DE
Inventors: Juergen Raimann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-08-29
Filing date: 2001-08-29
Publication date: 2003-04-17
Also published as: JP2005504217A; US20040094129A1; KR20040029045A; EP1423602A1; US6848425B2; WO2003027486A1

Abstract

Ein Brennstoffeinspritzsystem (1) für eine Brennkraftmaschine umfaßt ein Brennstoffeinpritzventil (2) zum Einspritzen von Brennstoff in einem Brennraum, welches in einer Aufnahmebohrung (3) eines Zylinderkopfes (4) der Brennkraftmaschine eingesetzt und durch eine Dichtung (13) gegen den Brennraum abgedichtet ist, wobei abspritzseitig des Brennstoffeinspritzventils (2) in der Aufnahmebohrung (3) ein Flammschutzschild (18; 20) angeordnet ist, welcher Abspritzöffnungen (21) des Brennstoffeinspritzventils (2) gegen den Brennraum der Brennkraftmaschine abschirmt. Der Flammschutzschild (18; 20) ist an einem abspritzseitigen Ende (23) des Brennstoffeinspritzventils (2) oder an einer Wandung (17) der Aufnahmebohrung (3) des Zylinderkopfes (4) abspritzseitig des Brennstoffspritzventils (2) angeordnet.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzsystem nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Aus der DE 198 04 463 A1 ist ein Brennstoffeinspritzsystem für eine gemischverdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschine bekannt, welches ein Brennstoffeinspritzventil umfaßt, das Brennstoff in einen von einer Kolben-/Zylinderkonstruktion gebildeten Brennraum einspritzt, und mit einer in den Brennraum ragenden Zündkerze versehen ist. Das Brennstoffeinspritzventil ist mit mindestens einer Reihe über den Umfang des Brennstoffeinspritzventils verteilt angeordneten Einspritzlöchern versehen. Durch eine gezielte Einspritzung von Brennstoff über die Einspritzlöcher wird ein strahlgeführtes Brennverfahren durch Bildung einer Gemischwolke mit mindestens einem Strahl realisiert.

Nachteilig an dem aus der obengenannten Druckschrift bekannten Brennstoffeinspritzsystem ist insbesondere die Verkokung der Abspritzöffnungen des Brennstoffeinspritzventils, welche dadurch verstopfen und den Durchfluß durch das Brennstoffeinspritzventil unzulässig stark vermindern. Dies führt zu Fehlfunktionen der Brennkraftmaschine.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzsystem mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß ein abströmseitig der Abspritzöffnungen des Brennstoffeinspritzventils angeordneter Flammschutzschild die Temperatur der Flammfront der durchbrennenden Gemischwolke im Bereich der Abspritzöffnungen so stark verringert, daß sich keine Verbrennungsrückstände im Bereich der Abspritzöffnungen niederschlagen können, wodurch ein Zuwachsen der Abspritzöffnungen durch Verkokungsrückstände vermieden wird.

Der Flammschutzschild kann dabei entweder am abspritzseitigen Ende des Brennstoffeinspritzventils oder an der Wandung der Aufnahmebohrung des Zylinderkopfes, in welcher das Brennstoffeinspritzventil montiert ist, angebracht sein.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Hauptanspruch angegebenen Brennstoffeinspritzsystems möglich.

Von Vorteil ist insbesondere, daß der Flammschutzschild als Kegel oder Kegelstumpf ausgebildet ist, wodurch eine einfache und kostengünstige Herstellung möglich ist.

Der Kegel oder Teilkegel kann dabei vorteilhafterweise entweder eine homogene Neigung gegenüber der Wandung der Aufnahmebohrung oder eine oder mehrere Neigungsänderungen aufweisen, wodurch die Höhe des Flammschutzschildes und damit die Einbautiefe des Brennstoffeinspritzventils in einfacher Weise an die Anforderungen angepaßt werden kann.

Weiterhin ist eine vorteilhafte Ausgestaltung des Flammschutzschildes in Form einer Teilkugel möglich, deren Radius die Einbautiefe des Brennstoffeinspritzventils bestimmt.

Vorteilhafterweise kann der Flammschutzschild in Form von Teilschilden, die sich über einen frei wählbaren Winkelbereich erstrecken, ausgebildet sein, wobei die Anzahl der Teilschilde auf die Anzahl der Abspritzöffnungen, den Abspritzwinkel oder den Öffnungswinkel der Gemischwolke abstimmbar ist.

Besonders vorteilhaft ist, daß durch eine variable Überhöhung des Flammschutzschildes über der Oberfläche des Zylinderkopfes die Schutzfunktion des Flammschutzschildes beliebig reguliert werden kann.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine allgemeine Darstellung eines Brennstoffeinspritzsystems, welches zur Ausführung der erfindungsgemäßen Maßnahmen geeignet ist, in einer Gesamtansicht;
Fig. 2A einen schematischen Schnitt durch den abspritzseitigen Teil des in Fig. 1 dargestellten Brennstoffeinspritzsystems im Bereich II in Fig. 1;
Fig. 2B den abspritzseitigen Teil des in Fig. 1 dargestellten Brennstoffeinspritzsystems mit einem Brennstoffeinspritzventil in einer den erfindungsgemäßen Maßnahmen angepaßten Einbaulage in gleicher Darstellung wie Fig. 2A;
Fig. 3A-C Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäß ausgestalteten Flammschutzschildes, der jeweils an einem abspritzseitigen Ende des Brennstoffeinspritzventils angebracht ist;
Fig. 4A-C Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäß ausgestalteten Flammschutzschildes, der jeweils an einer dem abspritzseitigen Ende des Brennstoffeinspritzventils benachbarten Wandung der Aufnahmebohrung des Zylinderkopfes angebracht ist;
Fig. 5 eine schematische Aufsicht auf den abspritzseitigen Teil des Brennstoffeinspritzventils entgegen der Abspritzrichtung; und
Fig. 6 eine schematische Ansicht des abströmseitigen Endes des Brennstoffeinspritzventils mit einem Ausführungsbeispiel eines Zusatzschildes oder einer Verlängerung des Flammschutzschildes.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt eine schematisierte und vereinfachte Ansicht eines Brennstoffeinspritzsystems 1, welches ein Brennstoffeinspritzventil 2 umfaßt, das in eine Aufnahmebohrung 3 eines Zylinderkopfes 4 einer Brennkraftmaschine eingebracht ist.
Ein Brennstoffeinspritzventil 2 ist dabei in Form eines direkt einspritzenden Brennstoffeinspritzventils 2 ausgeführt, das zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer nicht weiter dargestellten gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschine dienen kann. Das Brennstoffeinspritzventil 2 weist an einem zulaufseitigen Ende 5 eine Steckverbindung zu einer Brennstoffverteilerleitung 6 auf, die durch eine Dichtung 7 zwischen der Brennstoffverteilerleitung 6 und einem Zuleitungsstutzen 8 des Brennstoffeinspritzventils 2 abgedichtet ist. Das Brennstoffeinspritzventil 2 verfügt über einen elektrischen Anschluß 9 für die elektrische Kontaktierung zur Betätigung des Brennstoffeinspritzventils 2. Das Brennstoffeinspritzventil 2 ist zumindest in seinem den Zylinderkopf 4 überragenden Teil mit einer Kunststoffumspritzung 10 versehen, welche auch den elektrischen Anschluß 8 umgibt.
Das Brennstoffeinspritzventil 2 ist durch nicht weiter dargestellte Maßnahmen, wie z. B. eine Spannpratze, im Zylinderkopf 4 fixiert und gegen Verdrehen gesichert. In der Aufnahmebohrung 3 ist ein Elastomerring 11 zur Zentrierung und Lagerung des Brennstoffeinspritzventils 2 vorgesehen. An einem Düsenkörper 12 des Brennstoffeinspritzventils 2 ist ein Dichtring 13 vorgesehen, der das Brennstoffeinspritzventil 2 gegen den Zylinderkopf 4 der Brennkraftmaschine abdichtet. In einem Ventilsitzkörper 14 des Brennstoffeinspritzventils 2 ist zumindest eine, in Fig. 1 nicht sichtbare Abspritzöffnung ausgebildet, durch welche der Brennstoff in den Brennraum abgespritzt wird.
Das Brennstoffeinspritzventil 2 ist dabei, wie auch in der vergrößerten Darstellung in Fig. 2A zu erkennen, gängigerweise so in die Aufnahmebohrung 3 des Zylinderkopfes 4 eingesetzt, daß eine abspritzseitige Stirnseite 15 des Brennstoffeinspritzventils 2 mit einer dem Brennraum zugewandten Oberfläche 16 des Zylinderkopfes 4 bündig abschließt oder diese sogar überragt. Dies ist in Bezug auf die Aufgabenstellung, nämlich die Verringerung der Verkokungsneigung des Brennstoffeinspritzventils 2, von Nachteil, so daß zur Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahmen das Brennstoffeinspritzventil 2 zunächst gemäß Fig. 2B so in der Aufnahmebohrung 3 des Zylinderkopfes 4 montiert wird, daß die abspritzseitige Stirnseite 15 des Brennstoffeinspritzventils 2 gegenüber der dem Brennraum zugewandten Oberfläche 16 des Zylinderkopfes 4 vertieft angeordnet ist. Dabei ist die Einbautiefe des Brennstoffeinspritzventils 2 abhängig vom Öffnungswinkel α des durch das Brennstoffeinspritzventil 2 abgespritzten Kegelstrahls. Das Brennstoffeinspritzventil 2 muß so in die Aufnahmebohrung 3 eingesetzt sein, daß eine Wandung 17 der Aufnahmebohrung 3 nicht durch den Brennstoff benetzt wird.
Durch diese Anordnung kann eine erste Verbesserung der Verkokungsneigung erzielt werden, da die Abspritzöffnungen durch die vertiefte Anordnung des Brennstoffeinspritzventils 2 in der Aufnahmebohrung 3 vor der im Brennraum herrschenden Brennstoffströmung abgeschirmt werden.
Zum weiteren Schutz der Abspritzöffnungen vor Verkokungen weist das Brennstoffeinspritzsystem 1 erfindungsgemäß einen Flammschutzschild 18 auf, der entweder, wie in den Fig. 3A bis 3C dargestellt, an dem Brennstoffeinspritzventil 2 ausgebildet sein kann, oder, wie in den Fig. 4A bis 4C gezeigt, an der Wandung 17 der Aufnahmebohrung 3 des Zylinderkopfes 4 abströmseitig des Ventilsitzkörpers 14 angeordnet sein kann.
Durch die Anordnung des Flammschutzschildes 18 abströmseitig der Abspritzöffnungen kann die Verkokung der Abspritzöffnungen reduziert werden. Da der Durchmesser der Abspritzöffnungen typischerweise ca. 100 µm beträgt, ist die Gefahr, daß die Abspritzöffnungen durch Verkokung mit der Zeit verstopfen und somit die Durchflußmenge unzulässig stark eingeschränkt wird, relativ groß. Dies ist insbesondere durch die hohen Temperaturen beim Durchzünden der in den Brennraum eingespritzten Gemischwolke bedingt, da sich dadurch Bestandteile des Brennstoffs an der Spitze des Brennstoffeinspritzventils 2 absetzen. Durch die Anbringung des Flammschutzschildes 18 kann die Oberflächentemperatur im Austrittsbereich der Abspritzöffnungen so weit reduziert werden, daß die Abspritzöffnungen nicht durch Verkokungsrückstände zuwachsen können. Der Flammschutzschild 18 verhindert dadurch die Ausbreitung der Flammfront im Bereich zwischen dem Flammschutzschild 18 und dem abspritzseitigen Ende des Brennstoffeinspritzventils 2.
Die Fig. 3A bis 3C zeigen den in Fig. 2B mit III bezeichneten Ausschnitt mit unterschiedlichen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Flammschutzschildes 18 bei Ausbildung am Brennstoffeinspritzventil 2.
Fig. 3A zeigt eine einfache Form, die kegel- oder kegelstumpfförmig ausgebildet ist und sich in Abspritzrichtung von der Spitze des Brennstoffeinspritzventils 2 in Richtung Brennraum erstreckt. Die Neigung β des kegel- oder kegelstumpfförmigen Flammschutzschildes 18 gegenüber der Wandung 17 der Aufnahmebohrung 3 des Zylinderkopfes kann dabei zwischen 0° und 90° betragen. Der Flammschutzschild 18 überragt zur besseren Abschirmung vorzugsweise die dem Brennraum zugewandte Oberfläche 16 des Zylinderkopfes 4 um ein gewisses Maß, welches abhängig von der auf die Wandung 17 projizierten Höhe des Kegels bzw. dem Neigungswinkel β ist.
In Fig. 3B ist eine weitere mögliche Form des Flammschutzschildes 18 dargestellt, welche eine größere Einbautiefe des Brennstoffeinspritzventils 2 im Zylinderkopf 4 bei gleicher Schutzwirkung erlaubt. Hierbei ist der kegel- oder kegelstumpfförmige Flammschutzschild 18 zunächst an einem Ansatz 19 unter einem ersten Winkel β₁ und im weiteren Verlauf in einem sich an den Ansatz 19 anschließenden Bereich 22 unter einem zweiten Winkel β₂ gegenüber der Wandung 17 der Aufnahmebohrung 3 geneigt. Der zweite Winkel β₂ ist dabei größer oder gleich groß wie der erste Winkel β₁, wobei die Größe von β₂ zwischen 0° und 180° und die Größe von β₁ zwischen 0° und 90° betragen kann. Die Anzahl von Neigungsänderungen kann auch zwei oder mehr betragen, so daß sich mehrere unterschiedlich geneigte Bereiche aneinander anschließen.
Fig. 3C zeigt eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flammschutzschildes 18, wobei hier die Form einer Teilkugel gewählt wurde, deren Radius R die Höhe des Flammschutzschildes 18 und somit die Einbautiefe des Brennstoffeinspritzventils 2 im Zylinderkopf 4 bestimmt.
Analog zu den in Fig. 3A bis 3C dargestellten Ausführungsformen, bei denen der Flammschutzschild am Brennstoffeinspritzventil 2, beispielsweise am Ventilsitzkörper 14, ausgebildet ist, können, wie in den Fig. 4A bis 4C schematisch dargestellt, ähnliche Formen an der Wandung 17 der Aufnahmebohrung 3 des Zylinderkopfes 4 abströmseitig des Brennstoffeinspritzventils 2 angebracht werden. Dazu wird der kegel-, kegelstumpf- oder teilkugelförmige Flammschutzschild 18 in geeigneter Weise an der Wandung 17 fixiert und überragt je nach den Anforderungen für die Einbautiefe des Brennstoffeinspritzventils 2 die dem Brennraum zugewandte Oberfläche 16 des Zylinderkopfes 4.
In Fig. 4A ist dabei der Flammschutzschild 18 in gleicher Position relativ zu der dem Brennraum zugewandten Oberfläche 16 des Zylinderkopfes 4 wie in dem in Fig. 3A dargestellten Ausführungsbeispiel angebracht, während der Ansatz 19 des in Fig. 4B dargestellten Flammschutzschildes 18 in Richtung auf die Ausmündung der Aufnahmebohrung 3 in den Brennraum verschoben ist. Der Ansatz 19 des Flammschutzschildes 18 kann dabei insbesondere am Übergang der Wandung 17 der Aufnahmebohrung 3 in die Oberfläche 16 des Zylinderkopfes 4 ausgebildet sein. Dadurch können die Neigungswinkel β₁ und β₂ einen größeren Winkelbereich als in dem in Fig. 3B dargestellten Ausführungsbeispiel einnehmen. Die Größe von β₂ kann zwischen -90° und 270° und die Größe von β₁ zwischen -90° und 90° betragen.
Zur einfacheren Montage und zur gezielten Abschirmung der Spitze des Brennstoffeinspritzventils 2 vor der Gemischströmung im Brennraum können die oben beschriebenen Ausführungsformen von erfindungsgemäß ausgestalteten Flammschutzschilden 18 auch, wie in Fig. 5 dargestellt, in Form von Teilschilden 20 ausgebildet sein.
Fig. 5 zeigt dabei exemplarisch ein Brennstoffeinspritzsystem 1 mit einem Brennstoffeinspritzventil 2, welches sechs auf einem Kreis angeordnete Abspritzöffnungen 21 aufweist, die durch zwei Teilschilde 20, die einen Winkelbereich von 91 bzw. 92 einnehmen, die nicht zwangsläufig gleich groß sein müssen, abgeschirmt werden. Die Anzahl der Teilschilde 20 ist dabei frei wählbar und kann beispielsweise auf die Anzahl der Abspritzöffnungen 21 oder die Geometrie der in den Brennraum eingespritzten Gemischwolke abgestimmt werden. Die Winkelausdehnung von n Teilschilden 20 beträgt dabei jeweils 0° < φ_n < 360°. Für φ = 360° geht der Teilschild 20 in den Flammschutzschild 18 über, welcher bereits in den Fig. 3A bis 3C und 4A bis 4C beschrieben wurde.
Fig. 6 zeigt eine weitere Maßnahme zu Verbesserung der Schutzfunktion des Flammschutzschildes 18, 20. Dabei ist der Flammschutzschild 18, 20 mit einem zusätzlichen Schild 24 versehen, welcher radial innen in dem Flammschutzschild 18, 20 angeordnet ist und sich bis an die abströmseitige Stirnseite 15 des Ventilsitzkörpers 14 erstreckt. Die hohlkegelige Struktur des sich ergebenden Gesamtschildes 18, 20, 24 ermöglicht eine strömungsdynamisch verbesserte Abschirmung der Abspritzöffnungen 21 des Brennstoffeinspritzventils 1.
Eine ähnliche Anordnung kann auch dadurch hergestellt werden, daß der Flammschutzschild 18, 20 eine einstückig mit diesem ausgebildete Verlängerung 25 in axialer Richtung aufweist, welche nach radial innen umgebogen ist und sich ebenfalls bis an die abströmseitige Stirnseite 15 des Ventilsitzkörpers 14 erstreckt.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt und für beliebige Formen von Flammschutzschilden 18, welche in beliebiger Weise an der Wandung 17 der Aufnahmebohrung 3 oder am abspritzseitigen Ende des Brennstoffeinspritzventils 2 fixierbar sind, sowie für beliebige Bauweisen von Brennstoffeinspritzventilen 1 anwendbar.

Claims

1. Brennstoffeinspritzsystem (1) für eine Brennkraftmaschine mit einem Brennstoffeinspritzventil (2) zum Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum, welches in einer Aufnahmebohrung (3) eines Zylinderkopfes (4) der Brennkraftmaschine eingesetzt und durch eine Dichtung (13) gegen den Brennraum abgedichtet ist, wobei abspritzseitig des Brennstoffeinspritzventils (2) in der Aufnahmebohrung (3) ein Flammschutzschild (18; 20) angeordnet ist, welcher Abspritzöffnungen (21) des Brennstoffeinspritzventils (2) gegen den Brennraum der Brennkraftmaschine abschirmt, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammschutzschild (18; 20) an einem abspritzseitigen Ende (23) des Brennstoffeinspritzventils (2) oder an einer Wandung (17) der Aufnahmebohrung (3) des Zylinderkopfes (4) abspritzseitig des Brennstoffeinspritzventils (2) angeordnet ist.

2. Brennstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammschutzschild (18; 20) in Form eines Kegels oder Kegelstumpfes ausgebildet ist.

3. Brennstoffeinspritzsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Neigungswinkel β des kegel- oder kegelstumpfförmigen Flammschutzschildes (18; 20) zwischen 0° und 90° beträgt.

4. Brennstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammschutzschild (18; 20) in Form eines mehrstufigen Kegels oder Kegelstumpfes ausgebildet ist.

5. Brennstoffeinspritzsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Stufen des kegel- oder kegelstumpfförmigen Flammschutzschildes (18; 20) zwei beträgt.

6. Brennstoffeinspritzsystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Neigungswinkel β₁, der zwischen einem Ansatz (19) des Flammschutzschildes (18; 20) und der Wandung (17) der Aufnahmebohrung (3) ausgebildet ist, kleiner ist als ein zweiter Neigungswinkel β₂ zwischen einem sich an den Ansatz (19) anschließenden Bereich (22) des Flammschutzschildes (18; 20) und der Wandung (17).

7. Brennstoffeinspritzsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für am abspritzseitigen Ende des Brennstoffeinspritzventils (2) angeordnete Flammschutzschilde (18; 20) der erste Neigungswinkel β₁ zwischen 0° und 90° und der zweite Neigungswinkel β₂ zwischen 0° und 180° beträgt.

8. Brennstoffeinspritzsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für an der Wandung (17) der Aufnahmebohrung (3) des Zylinderkopfes (4) angeordnete Flammschutzschilde (18; 20) der erste Neigungswinkel β₁ zwischen -90° und 90° und der zweite Neigungswinkel β₂ zwischen -90° und 270° beträgt.

9. Brennstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammschutzschild (18; 20) in Form einer Teilkugel ausgebildet ist.

10. Brennstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammschutzschild (18) sich in mehrere Teilschilde (20) gliedert.

11. Brennstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammschutzschild (18; 20) eine dem Brennraum zugewandte Oberfläche (16) des Zylinderkopfes (4) in Abspritzrichtung überragt.

12. Brennstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammschutzschild (18; 20) durch einen weiteren Schild (24) ergänzt ist, welcher an einer radial inneren Seite des Flammschutzschilds (18; 20) angeordnet ist.

13. Brennstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammschutzschild (18; 20) in axialer Richtung eine Verlängerung (25) aufweist, die in Richtung auf das abspritzseitige Ende (23) des Brennstoffeinspritzventils (1) nach radial innen umgebogen ist.