-
Stand der Technik
-
US 5,947,389 offenbart eine
Kraftstoffeinspritzdüse, wobei die Düse einen
Düsenkopf umfasst, der verdrehbar ausgebildet ist. Der
aus
US 5,947,389 hervorgehende
Düsenkopf ist in einem Schlitz eines Mitnehmers gelagert,
der wiederum an einem in einer Hülse geführten,
im Wesentlichen nadelförmig ausgebildeten Übertragungselement
gelagert ist, welches an seinem dem Düsenkopf abgewandten
Ende mit einem weiteren Mitnehmer gekoppelt ist, wodurch ein Drehmoment
in die Anordnung eingeleitet wird.
-
DE 199 60 340 A1 bezieht
sich auf ein Brennstoffeinspritzventil. Das Brennstoffeinspritzventil
dient dem direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum
einer Brennkraftmaschine und umfasst einen Ventilschließkörper,
der mit einem Abschlusskörper einen Dichtsitz bildet, sowie
eine Betätigungsvorrichtung zum Betätigen des
Ventilschließkörpers. Die Betätigungsvorrichtung
ist ein Elektromotor, der das Brennstoffeinspritzventil durch Verdrehen
des Ventilschließkörpers öffnet und schließt.
Der Elektromotor gemäß
DE 199 60 340 A1 ist in
einer zentralen Ausnehmung des Brennstoffeinspritzventiles angeordnet.
-
Die
Einhaltung der Schadstoffgrenzwerte hat bei der Entwicklung von
Verbrennungskraftmaschinen allerhöchste Priorität.
Gerade ein Kraftstoffeinspritzsystem wie z. B. das Hochdruckspeichereinspritzsystem
(Common-Rail) hat sich als äußerst wirkungsvoll
erwiesen, die im Abgas enthaltenen Schadstoffe zu reduzieren. Der
Vorteil des Hochdruckspeichereinspritzsystems (Common-Rail) liegt in
der Unabhängigkeit des Einspritzdruckes von Last und Drehzahl
der mit Kraftstoff zu versorgenden Verbrennungskraftmaschine.
-
Für
die Einhaltung zukünftig zu erwarten stehender Abgasgrenzwerte
ist jedoch bei selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen
eine Verbesserung der Gemischbildung erforderlich. Dies wird einerseits
durch den Einsatz der Abgasrückführung (AGR) motiviert,
wodurch zwar die Stickoxidbildung reduziert wird, die Rußbildung
jedoch begünstigt wird.
-
Diesem
Effekt kann mit einer schnellen Durchmischung des Kraftstoff-Luft-Gemisches
im Brennraum selbstzündender Verbrennungskraftmaschinen
entgegengewirkt werden, was heutzutage durch ein höheres
Einspritzdruckniveau erreicht wird.
-
Des
Weiteren kann die Durchmischung von Luft und Kraftstoff durch Einleitung
eines Dralls verbessert werden, der durch eine dementsprechend gestaltete
Luftzuführung in der Brennkammer erzeugt wird. Diese Maßnahme
führt zu einer entscheidenden Verbesserung der Emissionen
der Verbrennungskraftmaschine. Dies wird durch eine Verwehung der
Sprühstrahlen erreicht, wodurch mehr Luft für
die eigentliche Verbrennung ausgenutzt werden kann. Diese Maßnahme
der Durchmischung des Kraftstoff-Luftgemisches mittels eines Dralles
hat jedoch den Nachteil, dass durch die Erzeugung des erwähnten
Dralls die Ansaugverluste stark erhöht werden, was zu einer
Verschlechterung des Wirkungsgrades führt.
-
Heute
an Hochdruckspeichereinspritzsystemen (Common-Rail) eingesetzte
Kraftstoffinjektoren werden üblicherweise mit einer Sacklochdüse
ausgeführt. Diese hat aufgrund ihrer Güte in Bezug
auf die Lage der Einspritzstrahlen und die Durchflussmengengenauigkeit
Vorteile. Ein entscheidender Nachteil der Sacklochdüse
liegt jedoch darin, dass es bei kleinen Ventilhüben, d.
h. kleinen Hubbewegungen des in der Regel nadelförmig ausgebildeten
Einspritzventilgliedes im Sitz des nadelförmig ausgebildeten
Einspritzventilgliedes zur Sitzdrosselung kommt. Das bedeutet, dass
der kleinste durchströmte Querschnitt nicht an den Spritzlöchern
in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine vorliegt, sondern
an dem den Spritzlöchern vorgeschalteten Ventilsitz des
nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes. Diese „Sitzdrosselung"
führt zu einer Verringerung des Einspritzimpulses, d. h.
die Kraftstoffstrahlen werden nicht so weit in die Brennkammer eingespritzt,
wie es theoretisch möglich wäre, sondern die Strahllänge
ist erheblich kürzer. Damit verringert sich die Eindringtiefe
der Strahlen in den Brennraum, und damit ergibt sich eine wesentlich
schlechtere Durchmischung des Kraftstoff-Luftgemisches in der Brennkammer
trotz des dort vorherrschenden hohen Druckes, und die Emissionswerte
werden negativ beeinflusst.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Erfindungsgemäß wird
ein Brennverfahren vorgestellt, bei welchem eine rotierend ausgebildete Einspritzdüse
eingesetzt wird. Brennstoffarme Bereiche, wie sie sich bei einer
Sacklochdüse zwangsläufig zwischen den Strahlen
ausbilden, werden bei diesem Verfahren stark minimiert, bei dem
eine starke Verwirbelung angeregt wird, die durch ständige
Verschiebung der Strahllage und somit des eingebrachten Impulses
intensiviert wird. Das Ergebnis des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Brennverfahrens ist ein gleichmäßiges homogenes
Brennstoff/Luftgemisch innerhalb der Brennkammer. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Rotation der Einspritzdüse wird die Ausnutzung des in der
Brennkammer vorhandenen, dort eingeschlossenen Luftvolumens und
des Brennkammervolumens begünstigt.
-
Ein
schlagender Vorteil des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Verfahrens ist darin zu erblicken, dass durch die Rotation der Strahllage
eine direkte Kraftstoffeinspritzung in die Reaktionszone vermieden
wird. Bei heute üblicherweise eingesetzten Brennverfahren
bei selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere
Dieselmotoren, erfolgt nach der rußarmen homogenen Verbrennung
des vorgemischten Brennstoffes typischerweise eine diffuse Verbrennung,
die durch die direkte Kraftstoffeinspritzung in die Reaktionszone
begünstigt wird. Die Folge davon sind Reaktionsgebiete,
in denen ein fettes Gemisch vorliegt, wobei in den Reaktionsgebieten
ein starkes Rußeigenleuchten ausgeprägt ist.
-
Bei
dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennverfahren
mit einer rotierenden Einspritzdüse läuft die
Reaktionszone der rotierenden Strahllage hinterher. Die Strahllage ändert
sich kontinuierlich aufgrund der Rotation der Einspritzdüse
in einer Einspritzebene innerhalb der Brennkammer. Die Lage der
sich jeweils neu bildenden Reaktionszone wird zum einen über
den Zündverzug und zum anderen über die Flammgeschwindigkeit
bestimmt. Beide Parameter, d. h. Zündverzug und Flammgeschwindigkeit,
lassen sich über die Abgasrückführrate
beeinflussen. Durch den beschriebenen Effekt wird die Gemischbildung
von der Verbrennung räumlich getrennt. Das Gemisch wird
bereits vor der nacheilenden Reaktionszone gebildet, so dass auf
diese Weise eine nahezu homogen vorgemischte Flamme erzeugt werden
kann, die sich durch extrem niedrige Ruß- und NOx-Emissionen auszeichnet.
-
Ein
weiterer, schlagender Vorteil des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Verfahrens ist darin zu erblicken, dass nach der Reaktion eine hohe
Konzentration an freien Radikalen zurückbleibt, die durch den
jeweils nachfolgenden Strahl mit Brennstoff und Luft vermischt werden.
Aus reaktionskinetischer Sicht ist dies extrem vorteilhaft, da das
Vorhandensein freier Radikaler ein sauberes Durchbrennen der Reaktion
begünstigt. Gegenüber einer Verbrennungskraftmaschine,
bei welcher ein Drall in den jeweiligen Brennkammern der Zylinder
der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine erzeugt wird, hat
die vorliegende Erfindung, d. h. das vorliegende Brennverfahren,
den Vorteil, dass auf eine luftseitige Drallerzeugung verzichtet
werden kann. Dadurch unterbleibt eine starke Drosselung beim Ansaugen
der Luft, die bei den bisher aus dem Stand der Technik bekannten
Dralleinleitungsverfahren zwangsläufig zu einer Verschlechterung
des Wirkungsgrades führt.
-
Die
rotierende Einspritzdüse kann an einem Kraftstoffinjektor
ausgebildet werden, der ein nach außen öffnendes
Tellerventil (A-Ventil) aufweist, um ein Beispiel zu nennen. Das
nach außen öffnende Tellerventil (A-Ventil) weist
Spritzlöcher auf, die ähnlich den Spritzlöchern
an einer Sacklochdüse ausgebildet sind und die durch eine
Schieberfunktion freigegeben und verschlossen werden. Aufgrund dieses Mechanismus'
befindet sich der engste Querschnitt zu jedem Zeitpunkt am Injektoraustritt,
an dem der statische Druck in Strömungsgeschwindigkeit
umgewandelt wird. Somit wird durch die Ausbildung der rotierenden
Einspritzdüse als nach außen öffnendes Tellerventil
(A-Ventil) die Problematik der im Zusammenhang mit den Lösungen
aus dem Stande der Technik auftretenden Sitzdrosselung umgangen.
Gegenüber üblicherweise eingesetzten nach außen öffnenden
Ventilen, d. h. A-Ventilen, die einen Ringspalt freigeben, kann über
die Ausbildung von Einspritzlöchern eine sehr genaue Mengenzumessung
erreicht werden. Die rotierende Einspritzdüse in Gestalt
eines nach außen öffnenden Tellerventiles (A-Ventil),
um ein Beispiel zu nennen, wird in vorteilhafter Weise druckausgeglichen
ausgebildet. Somit ist das nadelförmig ausgebildete Einspritzventilglied
nicht mit Hilfe einer starken Feder, die eine hohe Vorspannung erzeugt,
zuzuhalten, was bei kleinen im Hochdruckspeicherkörper
(Common-Rail) vorherrschenden Systemdrücken zu einer großen
Ventilöffnungskraft führen würde.
-
Die
erfindungsgemäß vorgeschlagene rotierende Einspritzdüse
zeichnet sich dadurch aus, dass das bevorzugt nadelförmig
ausgebildete Einspritzventilglied aufgrund der exzentrisch zueinander
angeordneten Spritzlöcher eine Drehbewegung vollführt.
Diese Drehbewegung hat für die motorische Verbrennung eine
zentrale Bedeutung: Ähnlich wie bei einer Verbrennungskraftmaschine,
bei der luftseitig ein Drall erzeugt wird, kann durch die rotierende Einbringung
des Kraftstoffs in die Brennkammer dieser sehr homogen in der Brennkammer
verteilt werden. Es gibt keine brennstoffarmen Nester in der Brennkammer
wie bei der Sacklochdüse, die sich üblicherweise
zwischen den Strahlen befinden. Aufgrund der Rotationsfunktion des
Einspritzventilgliedes beziehungsweise der Einspritzdüse
erfolgen die Gemischbildung und die Aufbereitung des Gemisches in
der gesamten Brennkammer und nicht lediglich in Teilbereichen von
dieser.
-
Gegenüber
einer Verbrennungskraftmaschine, bei der luftseitig ein Drall erzeugt
wird, hat die rotierende Einspritzung den Vorteil, dass auf diese
den Wirkungsgrad verschlechternde Maßnahme verzichtet werden
kann. Die rotierende Einspritzdüse kann so ausgelegt werden,
dass die Sprühstrahlen die gesamte Brennkammer erfassen
und dennoch ein Ineinanderlaufen der Sprühstrahlen verhindert
wird. Abhängig von der Rotationsgeschwindigkeit der rotierenden
Einspritzdüse und der Eindringtiefe des Sprühstrahles
in den Brennraum ergibt sich eine kurvenähnlich verlaufende
Tropfenverteilung, bezogen auf die Betrachtung des Absolutsystems.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
-
Es
zeigt:
-
1 eine
Prinzipskizze einer rotierenden Injektordüse eines Kraftstoffinjektors,
-
2 einen
Schnitt durch Sprühstrahl und rotierende Strahllage gemäß Schnittverlauf
A-A in 1,
-
3 die
sich in Drehrichtung gesehen hinter dem Sprühstrahl ausbildende
Gemischbildungszone, Reaktionszone und Zone mit freien Radikalen,
-
4 eine
Ausführungsmöglichkeit von Einspritzöffnungen
am brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors,
-
5 einen
Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors,
-
6 eine
in vergrößertem Maßstab dargestellte
Schnittdarstellung des brennraumseitigen Endes des nach außen öffnenden
Einspritzventilgliedes,
-
7 die
Erzeugung des Drehmomentes des Einspritzventilgliedes relativ zum
Kraftstoffinjektor und
-
8 eine
weitere Ausführungsform eines erfindungemäß ausgebildeten
Kraftstoffinjektors und
-
9 einen
erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektor
mit Servokreislauf.
-
Ausführungsformen
-
1 zeigt
eine Prinzipskizze einer rotierenden Injektordüse eines
Kraftstoffinjektors 10. Der Kraftstoffinjektor 10 umfasst
einen Injektorkörper 12 sowie einen Düsenkörper 16.
Im Injektorkörper 12 ist der Düsenkörper 16 aufgenommen,
in welchem ein bevorzugt nadelförmig ausgebildetes Einspritzventil 22 geführt
ist. Dieses ist symmetrisch zu seiner Rotationsachse 14 ausgebildet.
Im Injektorkörper 12 des Kraftstoffinjektors 10 verlaufen
sowohl eine Hochdruckleitung 20 als auch ein Rücklauf 24,
der sich zum Niederdruckbereich erstreckt. Der Düsenkörper 16 ist
in eng tolerierten Führungen im Injektorkörper 12 aufgenommen,
so dass durch die Hochdruckleckage eine Kraftstoffunterwanderung
entsteht, was ein verschleißfreies Drehen des Düsenkörpers 16 ermöglicht.
Der mit Hochdruck beaufschlagte Injektorkörper 12 ist über
ein Dichtelement 26 gegen den relativ zu diesem rotierenden
Düsenkörper 16 abgedichtet.
-
Das
brennraumseitige Ende des Düsenkörpers 16 umfasst
mindestens eine Einspritzöffnung 30, aus der mindestens
ein Sprühstrahl 34 aus unter Systemdruck stehendem
Kraftstoff in eine Brennkammer 28 eingespritzt wird. Die
mindestens eine Einspritzöffnung 30 erzeugt eine
Strahllage 32, die in Bezug auf die Decke der Brennkammer 28 nach
unten geneigt verläuft. Durch den durch den Injektorkörper 12 verlaufenden
Niederdruckrücklauf 24 wird Hochdruckleckage in
den Niederdruckteil abgeführt. Der Düsenkörper 16 wird
mit Hilfe eines Drehmomentes in Rotation versetzt, was zum Beispiel über eine
exzentrische Strahllage 32 der mindestens einen Einspritzöffnung 30 in
Bezug auf die Rotationsachse 14 erfolgen kann, oder durch
eine elektromagnetische Kraft oder dergleichen erzeugt werden kann.
-
2 zeigt
einen Schnitt durch die in 1 gemäß Schnittverlauf
A-A dargestellte Strahllage in der Brennkammer.
-
Aus
der Darstellung gemäß 2 geht hervor,
dass am Düsenkörper 16 mehrere Einspritzöffnungen – hier
in 60°-Teilung ausgebildet – verlaufen, über
welche Sprühstrahlen 34 aus unter Systemdruck
stehendem Kraftstoff sich innerhalb der Brennkammer 28 ausbilden.
Die Sprühstrahlen 34 sind ursprünglich
in Strahllage 32 in den Brennraum eingespritzt. Aufgrund
der Rotation des Düsenkörpers 16 um die
Rotationsachse 14 in Drehrichtung 36 wird der
in der ursprünglichen Strahllage 32 aus den jeweiligen
Einspritzöffnungen 30 in die Brennkammer 28 austretende
Kraftstoffstrahl – wie in 2 durch Bezugszeichen 40 angedeutet – abgelenkt.
In Bezug auf die Strahlspitze entsteht eine Strahlablenkung beziehungsweise
Strahlkrümmung 40, da das am weitesten in den
Brennraum 28 eingespritzte und den geringsten Restimpuls
aufweisende Kraftstoffvolumen am Ende des jeweiligen Sprühstrahls 34 eine Nacheilung 38 in
Bezug auf die ursprüngliche Strahllage 32 erfährt.
Aufgrund der Rotation des Düsenkörpers 16 um
die Rotationsachse 14 in Drehrichtung 36 stellt
sich das in 2 dargestellte schaufelradähnliche
Strahlprofil in der Schnittebene A-A ein. Abhängig von
der Winkelgeschwindigkeit und der Sprühstrahlpenetration
ergibt sich eine mehr oder weniger gebogene Verteilungsform des
Kraftstoffs, wie durch Bezugszeichen 40 angedeutet. Auf
diese Weise lässt sich die gesamte Brennkammer 28 mit
den Sprühstrahlen 34 erfassen, ohne dass die Strahlen
während der Rotation ineinander laufen.
-
Die
vorteilhafte Kraftstoffverteilung wird durch einen weiteren Effekt
begünstigt. Durch den Strahlimpuls werden in der Gasphase
Wirbel erzeugt, die für eine homogene Verteilung des Kraftstoffs
notwendig sind. Gerade aufgrund des Umstandes, dass die Strahllage 32 gedreht
wird, werden Turbulenzwirbel in der gesamten Brennkammer 28 generiert,
was für eine äußerst feine Durchmischung des
Brennstoff-Luftgemisches außerordentlich vorteilhaft ist.
Somit treten in großen Bereichen der Brennkammer hohe Schmidt-
und Prandelzahlen auf, was zu einer Vergrößerung
der reagierenden Bereiche in der Brennkammer 28 führt.
Eine großvolumige Reaktionszone (vergleiche Position 44 in 3)
ermöglicht eine gleichmäßigere Temperaturverteilung innerhalb
der Brennkammer 28. Dadurch werden die Spitzentemperaturen
bei gleich bleibender Temperatur nach der Verbrennung reduziert
und der NOx-Ausstoß verringert.
-
In 3 ist
das Prinzip des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Verfahrens schematisch dargestellt. Durch die Rotation der Sprühstrahlen 34 in Rotationsrichtung 36 bei
Rotation des Düsenkörpers 16 um die Rotationsachse 14 wird
vermieden, dass die Sprühstrahlen 34 jeweils direkt
in Reaktionszonen 44 eindringen, was bei einer fixierten
Strahllage der Fall wäre. Wie in 3 angedeutet,
eilen eine Gemischbildungszone 42, die bereits erwähnte
Reaktionszone 44 sowie eine Zone 46, in der es
zur Bildung freier Radikale kommt, einem jedem der vom Düsenkörper 16 in
die Brennkammer 28 eingespritzten abgelenkten Sprühstrahlen 34 hinterher.
Dies ergibt sich zum einen aus der Rotationsbewegung des Düsenkörpers 16 in
Drehrichtung 36 um seine Rotationsachse 14, zum
anderen aus der Flammgeschwindigkeit. Die Flammgeschwindigkeit kann
wiederum über die Abgasrückführrate beeinflusst
werden. Nach der Reaktion innerhalb der jeweiligen Reaktionszone 44 verbleiben
Bereiche 46, in denen freie Radikale vorliegen, die wiederum
einen wichtigen Beitrag zur Flammstabilität leisten. Dadurch, dass
der jeweils in Rotationsrichtung 36 erfolgende Sprühstrahl 34 dieses „abgebrannte"
Gebiet erfasst, werden die in der Zone 46 vorliegenden
freien Radikale sofort mit Brennstoff, Dampf und Luft vermischt, so
dass sich ein kontinuierliches Durchbrennen innerhalb der Brennkammer 28 einstellt.
-
4 zeigt
eine Ausführungsvariante eines Düsenkörpers
innerhalb des Kraftstoffinjektors.
-
Wie
aus der Darstellung gemäß 4 hervorgeht,
verlaufen am brennraumseitigen Ende des Düsenkörpers 16 des
Kraftstoffinjektors 10 mehrere in einem Winkelversatz zueinander
angeordnete Einspritzöffnungen 30. Im in 4 dargestellten
Ausführungsbeispiel sind die Einspritzöffnungen 30 in
Bezug auf die Rotationsachse 14 des Düsenkörpers 16 in
einer 90°-Anordnung, angedeutet durch Bezugszeichen 50,
orientiert. Abhängig von der Rotationsgeschwindigkeit des
Düsenkörpers 16 und der Penetration der
Sprühstrahlen 34 ergibt sich eine Krümmung beziehungsweise
Auslenkung der einzelnen Sprühstrahlen 34, wie
in 3 in Zusammenhang mit Bezugszeichen 40 bereits
erläutert. Die den geringsten Restimpuls aufweisenden Volumina
der jeweiligen Sprühstrahlen 34 fallen in Bezug
auf die ursprüngliche Strahllage 32 um die Nacheilung 38 bei
der Rotation in Drehrichtung 36 zurück. Abhängig
von der Anzahl der Einspritzöffnungen 30 und deren
Winkelanordnung in Bezug auf die Rotationsachse 14 liegen die
einzelnen Sprühstrahlen 34 weiter auseinander oder
in Bezug auf die Brennkammer 28 enger zusammen.
-
5 ist
eine Ausführungsform des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Kraftstoffinjektors mit einer rotierenden Einspritzdüse
zu entnehmen.
-
Wie
aus der Darstellung gemäß 5 hervorgeht,
umfasst der Kraftstoffinjektor 10 den Injektorkörper 12 und
den Düsenkörper 16, in welchem das in
dieser Ausführungsform einteilig ausgebildete Einspritzventilglied 22 aufgenommen
ist. Das in dieser Ausführungsform einteilig ausgebildete
Einspritzventilglied 22 ist in einer Führung 68 in
einer Hülse 66 sowie im Wesentlichen im Injektorkörper 16 geführt, an
dessen brennraumseitigem Ende ein Sitz 78 ausgebildet ist.
Beim Kraftstoffinjektor 10 handelt es sich um einen solchen,
der nach außen hin öffnet, d. h. der Sitz 78 wird
durch eine Ausfahrbewegung des Einspritzventilgliedes 22 in
den in 5 nicht dargestellten Brennraum 28 betätigt
(A-Ventil).
-
Ein
Düsenraum 54, der innerhalb des Düsenkörpers 16 ausgebildet
ist, wird über die Hochdruckleitung 20 von einem
Hochdruckspeicher 52 aus mit Druck beaufschlagt. Bei dem
Hochdruckspeicher 52 kann es sich um eine Hochdruckpumpe
oder über einen Hochdruckspeicherkörper, Hochdrucksammelraum
(Common-Rail) handeln. Im Injektorkörper 12 ist
darüber hinaus ein Niederdruckraum 58 ausgebildet,
der mit dem bereits eingangs erwähnten Niederdruckrücklauf 24 des
Kraftstoffinjektors 10 in Verbindung steht. Im Injektorkörper 12 ist
darüber hinaus eine direkte Piezosteuerung ausgebildet.
Dazu ist ein Aktor 62, bei dem es sich bevorzugt um einen
Piezoaktor handelt, der mit einer Ummantelung 63 verbunden
ist, im Niederdruckraum 58 des Injektorkörpers 12 aufgenommen.
Der Piezoaktor 62 betätigt das hier einteilig
ausgebildete Einspritzventilglied 22, welches bevorzugt
nadelförmig ausgebildet ist, direkt. Das bevorzugt nadelförmig
ausgebildete einteilige Einspritzventilglied 22 ist über
einen hydraulischen Koppler 60 direkt mit dem Aktor 62,
bei dem es sich bevorzugt um einen Piezoaktor handelt, gekoppelt.
Mittels des hydraulischen Kopplers 60 werden die thermisch
bedingten Längenausdehnungen des den Piezoaktor 62 darstellenden
geschichteten Piezokristallstapels kompensiert. Um Zugspannungen
im Aktor 62 zu vermeiden, wird der Aktor 62 über
eine Vorspannfeder 64 vorgespannt. Dem Einspritzventilglied 22 wiederum
ist eine Schließfeder 71 zugeordnet, die sich
einerseits auf der Planseite des Düsenkörpers 16 und andererseits
an einem Bund 67 des bevorzugt einteilig nadelförmig
ausgebildeten Einspritzventilgliedes 22 abstützt.
-
Bei
Bestromung des Aktors 62 dehnt sich dieser in axialer Richtung
aus, so dass das einteilig nadelförmig ausgebildete Einspritzventilglied 22 über den
Koppler 60 in Öffnungsrichtung verschoben wird. Der
am brennraumseitigen Ende des einteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 22 ausgebildete
Teller 72 fährt in den Brennraum ein. Der Sitz 78 am
brennraumseitigen Ende des Düsenkörpers 16 wird
freigegeben. Sobald in 6 und 7 in Bezug
auf ihre Anordnung näher dargestellte Einspritzöffnungen 30 am
brennraumseitigen Ende des einteilig nadelförmig ausgebildeten
Einspritzventilgliedes 22 freigegeben werden, ergibt sich
durch die exzentrische Strahllage ein Drehmoment, was zur Rotation
des nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 22 in
Drehrichtung 36 führt, vergleiche insbesondere Darstellung
gemäß 7. Sowohl innerhalb der Führung 68 gemäß 5 als
auch am hydraulischen Koppler 16 bewegt sich das bevorzugt
einteilig nadelförmig ausgebildete Einspritzventilglied 22 vollständig
in Kraftstoff, so dass eine verschleißfreie Rotation des
nadelförmig einteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 22 um
seine Rotationsachse 14 gemäß 5 möglich
ist. Eine Kontaktfläche, die sich zwischen der Schließfeder 71 und
dem nadelförmig einteilig ausgebildeten Einspritzventilglied 22 einstellt, wird
dahingehend vermieden, dass sich die Schließfeder 71 auf
der das nadelförmig einteilig ausgebildete Einspritzventilglied 22 umgebenden
Hülse 66 unmittelbar abstützt. Diese
ist aufgrund der Hochdruckleckage an den Kontaktstellen zum Düsenkörper 16 von
Kraftstoff unterspült, so dass die Schließfeder 71 eine
verschleißfreie Drehbewegung um die Rotationsachse 14 mit
dem Einspritzventilglied 22 und dem daran ausgebildeten
Bund 67 auszuführen vermag. Aus Toleranzgründen
und wegen möglicher Schwingungen des Aktors 62 ist
der maximale Hub des Einspritzventilgliedes 22 gemäß der
Darstellung in 5 durch die Hülse 66 begrenzt.
-
Bei
Kurzschließen des Aktors 62, bei dem es sich bevorzugt
um einen Piezo handelt, zieht sich dieser zusammen und nimmt seine
ursprüngliche Axialausdehnung, d. h. sein axiales Längenmaß wieder
ein. Dadurch wird das Einspritzventilglied 22, welches
bevorzugt einteilig und nadelförmig ausgebildet ist, in
seinen Sitz 78 zurückgestellt und die Drehbewegung
aufgrund des nun fehlendes Drehmomentes am brennraumseitigen Ende
des einteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 22 unterbunden.
Die Rückstellbewegung des einteilig nadelförmig
ausgebildeten Einspritzventilgliedes 22 erfolgt durch die Schließfeder 71,
die auf den am einteilig nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilglied 22 angebrachten Bund 67 wirkt.
Ein weiterer das Schließen des Kraftstoffinjektors 10 gemäß der
Ausführungsform in 5 begünstigende
Umstand ist die Tatsache, dass die in 4 dargestellten
Sprühstrahlen 34 im Düsenkörper 16 das
Einspritzventilglied am brennraumseitigen Ende oberhalb des Tellers 72 in
einer um etwa 30° nach unten geneigten Strahllage 62 verlassen.
Aufgrund dieser Orientierung (vergleiche Darstellung gemäß 6)
wird eine Schließkraftkomponente in Schließrichtung
des nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 22 wirksam,
welches die Wirkung der Schließfeder 71 unterstützt.
-
6 zeigt
das brennraumseitige Ende des in 5 dargestellten
Kraftstoffinjektors in vergrößertem Maßstab.
-
Aus
der Darstellung gemäß 6 geht hervor,
dass oberhalb eines Ansatzes am einteilig ausgebildeten Einspritzventilglied 22 eine
Zentralbohrung 74 mündet, die mit oberhalb des
Tellers 72 am brennraumseitigen Ende des einteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 22 verlaufenden
Einspritzöffnungen 30 mündet. Über
die Zentralbohrung 74 werden sämtliche oberhalb
des Sitzes 78 beziehungsweise oberhalb des Tellers 72 am
brennraumseitigen Ende des Einspritzventilgliedes 22 vorhandenen
Einspritzöffnungen 30 mit unter Systemdruck stehendem
Kraftstoff gespeist. Wie aus der Darstellung gemäß 6 hervorgeht,
sind die Einspritzöffnungen 30 mit einer Neigung 76 in
der Größenordnung von etwa 30° verlaufend
angeordnet, so dass sich die vorstehend bereits erwähnte,
in Schließrichtung wirkende Axialkraftkomponente einstellt,
die das Schließen des als A-Ventil wirkenden, nach außen öffnenden,
einteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 22 bei Aufhebung
der Bestromung des Aktors 62 unterstützt.
-
Bezugszeichen 78 bezeichnet
den Sitz oberhalb des Tellers 72, vergleiche Darstellung
gemäß 5, am einteilig, bevorzugt nadelförmig
ausgebildeten Einspritzventilglied.
-
7 zeigt
die Erzeugung eines Drehmomentes, welches durch die Orientierung
mehrerer Einspritzöffnungen am Umfang des nadelförmig
ausgebildeten Einspritzventilgliedes erzeugt wird.
-
Aus
der Darstellung gemäß 7 geht hervor,
dass in dieser Ausführungsform vier Einspritzöffnungen 30 in
Bezug auf die Rotationsachse 14 des Einspritzventilgliedes 22 in
einem Hebelarm r angeordnet sind. Beim Austreten eines Sprühstrahles 34 in
Strahllage 32 aus den dargestellten Einspritzöffnungen 30 wird
somit ein in Drehrichtung 36 wirkendes Drehmoment erzeugt,
welches das einteilig, bevorzugt nadelförmig ausgebildete
Einspritzventilglied 22 in Drehrichtung 36 bewegt.
Dies ist angedeutet durch die in Volllinien dargestellte Strahllage 32 der einzelnen
aus den Einspritzöffnungen 30 austretenden Sprühstrahlen 34 und
die demgegenüber versetzte Anordnung, gestrichelt dargestellt
bei Rotation des Einspritzventilgliedes 22 in Drehrichtung 36.
Aus der Darstellung gemäß 7 geht überdies
hervor, dass in dieser Ausführungsform am Umfang des bevorzugt
nadelförmig und einteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 22 vier
Einspritzöffnungen 30 angeordnet sind, so dass
eine 90°-Orientierung derselben, angedeutet durch Bezugszeichen 50,
zueinander die Folge ist. Bei drei Einspritzöffnungen 30 ergäbe
sich ein Winkel von 120°, bei fünf Einspritzöffnungen 30,
orientiert am Umfang des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten
einteiligen Einspritzventilgliedes 22, ergäbe
sich ein Teilungswinkel von 60°, jeweils mit einem Hebelarm
r, bezogen auf die Rotationsachse 14 des nadelförmig
ausgebildeten, reibungsarm gelagerten einteiligen Einspritzventilgliedes 22 gemäß den
Darstellungen in den 5 und 6.
-
8 zeigt
eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Kraftstoffinjektors. Diese Ausführungsvariante des Kraftstoffinjektors 10 unterscheidet
sich von der Ausführungsform des Kraftstoffinjektors 10 gemäß 5 dadurch,
dass in dieser Ausführungsform das Einspritzventilglied 22 zweiteilig
ausgebildet ist und zumindest eine Steuerstange 82 und
einen Rotationskörper 84 umfasst. Die Steuerstange 82 und
der Rotationskörper 84 sind über den
hydraulischen Koppler 60 miteinander verbunden.
-
Der
hydraulische Koppler 60 ist so ausgebildet, dass innerhalb
eines Hohlraumes, in den der Zapfen entweder der Steuerstange 82 oder
des Rotationskörpers 84 eingreift, ein Spiel 56 besteht,
welches einen Längenausgleich bei thermisch bedingter Ausdehnung
des Aktors 62 in axiale Richtung kompensiert. Analog zur
Ausführungsform des Kraftstoffinjektors 10 gemäß 5 ist
der Kraftstoffinjektor 10 gemäß der Ausführungsform
in 8 mit einer Ummantelung 63 versehen,
so dass der Aktor 62 gegen den im Niederdruckraum 58 herrschenden
Kraftstoff und dessen Druckniveau abgeschirmt ist.
-
Oberhalb
des Aktors 62 befinden sich in der Ausführungsform
des Kraftstoffinjektors 10 in 8 ein Bund 94 sowie
ein Zapfenansatz, an dem eine durch ein Federelement 92 beaufschlagte
Steuerraumhülse 90 aufgenommen ist. Das Federelement 92 stützt
sich am Bund 94 ab und ist gegen die Wand des Injektorkörpers 12 angestellt.
Der sich zwischen dem zapfenförmigen Ansatz oberhalb des
Bundes 94, dem der Wand des Injektorkörpers 12 und
der Steuerraumhülse 90 ergebende Steuerraum 88 kann zum
Beispiel durch eine Zulaufdrossel druckbeaufschlagt und durch eine
Ablaufdrossel in den niederdruckseitigen Rücklauf 24 druckentlastet
werden, wodurch die Steuerung des zweiteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 22 entgegen
der Wirkung der Schließfeder 71 erfolgt.
-
Um
im Startfall die Nulllage des Rotationskörpers 84 zu
garantieren, wird zusätzlich zur hydraulischen Kopplung 60,
wie im Ausschnitt in 8 dargestellt, an einem der
Bauteile Steuerstange 82 oder Rotationskörper 84 ein
Zapfen angebracht, der in einen Hohlraum der jeweils anderen Komponente des
zweiteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 22 hineinragt.
-
Wird
der Aktor 62 bestromt und das zweiteilig ausgebildete Einspritzventilglied 22 entgegen
der Wirkung der Schließfeder 71 geöffnet,
fährt der Teller 72 in die in 8 nicht
dargestellte Brennkammer 28 ein, so dass der Sitz 78 geöffnet
wird. Durch die in Zusammenhang mit 6 und 7 dargestellte exzentrische
Position der Einspritzöffnungen 30 oberhalb des
Tellers 72 im Bereich des Sitzes 78 am zweiteilig
ausgebildeten Einspritzventilglied 22 wird der Rotationskörper 84 in
Rotation versetzt, während der Aktor 62 mit daran
ausgebildeter Steuerstange 82 nicht rotiert. Aufgrund der
auch in dieser Ausführungsform wie in 6 dargestellten,
um die Neigung 76 nach unten in Richtung der Brennkammer orientierten
Strahllage 32 wird der Rotationskörper 84 leicht
nach oben gedrückt, was durch die Kompression der im hydraulischen
Koppler 60 zwischen Steuerstange 82 und Rotationskörper 84 bevorrateten
Flüssigkeit begründet ist. Dadurch hebt der Rotationskörper 84 unter
Ausnutzung des Spiels 96 vom an der Steuerstange 82 bevorzugt
ausgebildeten Zapfen ab, so dass sich kein direkter Kontakt des
Rotationskörpers 84 mit anderen, insbesondere
feststehenden Bauteilen ergibt. Somit kann eine verschleißfreie
Rotation des Rotationskörpers 84 in Bezug auf die
feststehende Steuerstange 82 gewährleistet werden.
-
In
dieser Ausführungsform ist im Düsenkörper 16 eine
zweiteilige Führung 68 ausgebildet, die einerseits
die Führung der Steuerstange 82, die den Bund 67 aufweist,
an dem sich die Schließfeder 71 abstützt,
gewährleistet, und andererseits eine verschleißfreie
Rotation des Rotationskörpers 84 im Düsenkörper 16 ermöglicht.
-
Die
in 8 dargestellte Ausführungsform des Kraftstoffinjektors 10 kann
auch mit einem Servokreislauf ausgebildet werden, vergleiche dazu 9. In
diesem Falle wird der Kraftstoffinjektor 10 über Druckbeaufschlagung
oder Druckentlastung des Steuerraums 88 betätigt.
Eine in diesem Falle erforderliche Zulaufdrossel 108 wird
bevorzugt über ein 2/2- Wege-Ventil 104 geschaltet,
wobei zum Öffnen des Kraftstoffinjektors 10 und
zum Öffnen des Einspritzventilgliedes 22 der Steuerraum 88 mit
dem Hochdruck, d. h. dem herrschenden Systemdruck, verbunden wird.
Das zweiteilig ausgebildete Einspritzventilglied 22 bewegt
sich in diesem Falle in Öffnungsrichtung nach oben und
gibt den am brennraumseitigen Ende einer Sacklochdüse 120 ausgebildeten
Sitz 78 frei, so dass Kraftstoff in die in 9 nicht
dargestellte Brennkammer 28 eingespritzt wird. Zum Schließen
des mit Servokreislauf betätigbaren Kraftstoffinjektors 10 wird
durch das 2/2-Wege-Ventil 104 die Ablaufdrossel 106 geschlossen,
so dass der Systemdruck im Steuerraum 88 über
die Zulaufdrossel 108 wieder aufgebaut wird. In der Ausführungsform
des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors 10 gemäß 9 ist
der Aktor 62 als 2/2-Wegeventil 104, bei dem es
sich zum Beispiel um ein Magnetventil handelt, ausgeführt.
-
Wie 9 des
weiteren entnehmbar ist, wird der Düsenraum 54 und
ein Volumen 110 direkt über die Hochdruckzuleitung 20 von
der Hochdruckquelle 52 ausgehend mit Systemdruck beaufschlagt.
Der Steuerraum 88 steht über die Zulaufdrossel 108 mit dem
Volumen 110 in Verbindung und ist im Ruhezustand ebenfalls
mit Systemdruck beaufschlagt. Das hydraulische Volumen unterhalb
des Bundes 67 am Einspritzventilglied 22 steht über
eine Leistung mit dem Niederdruckraum 58 in Verbindung,
von dem aus sich der Niederdruckseitige Rücklauf 24 erstreckt.
-
Wie
aus 9 weiter hervorgeht, befindet sich am in dieser
Ausführungsform zweiteilig ausgebildeten Einspritzventilglied 22 eine
Anschlaghülse 116. Dessen Anführungstoleranzen
sind so ausgeführt, dass ein Hydraulikdruck in einem als
hydraulischer Anschlag dienenden Raum 126 nur leicht über dem
im Niederdruckbereich liegenden Druckniveau liegt. Dementsprechend
ist ein Führungsspalt zwischen der Anschlaghülse 116 und
dem als Sacklochdüse 120 ausgebildeten Düsenkörper 16 als
Führungsdrossel 118 ausgelegt. Dadurch wird die
Anschlaghülse 116 automatisch in ihre Ausgangsposition
gebracht, so dass diese für die Sacklockdüse 120 einen
hydraulischen Anschlag darstellt. In dieser Ausführungsform
ist das Einspritzventilglied 22 zweiteilig ausgebildet
und wird durch die Schließfeder 71 in Schließrichtung
beaufschlagt. Die Sacklochdüse 122 erfüllt
zusätzlich die Funktion eines Rotationskörpers,
die in diesem Körper 16 geführt ist.
Deren Führungen sind mit Hochdruckleckage durchspült,
so dass keine Festkörperreibung auftritt. Im geschlossenen
Zustand wird über eine Steuerkante 122 verhindert,
dass Leckagemenge in den in 9 nicht
dargestellten Brennraum gelangt. Im geöffneten Zustand
wird die Hochdruckleckage über eine Leitung abgeführt
und mit Hilfe der Dichtung 26 vom Brennraum ferngehalten.
-
Die
Flächenverhältnisse an der Sacklochdüse 120 sind
so gewählt, dass diese während der Einspritzung
druckausgeglichen ist. Da das Sackloch 124 bei geschlossenem
Einspritzventilglied 22 lediglich mit dem im Brennraum
herrschenden Druck beaufschlagt ist, wirkt eine nach oben gerichtete
Druckkraft auf die Sacklochdüse 120. Die Sacklochdüse 120 wird
jedoch durch die Schließkraft des zweiteilig ausgebildeten
Einspritzventilgliedes 22 nach unten gedrückt.
Bei Ansteuerung des 2/2-Steuerventiles 104 öffnet
dieses, so dass die Ablaufdrossel 106 freigegeben wird
und der Steuerraum 88 eine Druckentlastung erfährt.
Dadurch entsteht eine in Öffnungsrichtung des hier zweiteilig
ausgebildeten Einspritzventilgliedes 22 wirkende Kraft.
Da das Sackloch 124 mit Systemdruck beaufschlagt ist, wird
ein Verbleiben des zweiteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 22 der
in 9 dargestellten Position verhindert, das zweiteilig
ausgeführte Einspritzventilglied 22 bewegt sich
in Öffnungsrichtung nach oben. Durch den durch die Sprühstrahlen 34 erzeugten
Impuls wird die Sacklochdüse 120 nach oben gedrückt
und in Rotation versetzt. Dadurch, dass durch die Aufwärtsbewegung
der Sacklochdüse 120 ein hoher Druck im hydraulischen
Anschlag 126 aufgebaut wird, wird die Sacklochdüse 120 in
ihrer Position gehalten. Durch den hydraulischen Anschlag 126 ist
die Sacklochdüse 120 während der Rotation
vollständig mit Kraftstoff umgeben, so dass deren verschleißfreies
Rotieren möglich ist.
-
Bei
erneuter Ansteuerung des 2/2-Steuerventiles 104 schließt
dieses den Steuerraum 88, so dass in diesem der Druck auf
Systemdruck ansteigt und das zweiteilig ausgebildete Einspritzventilglied 22 in
seinen Sitz 48 gestellt wird. Das 2/2-Steuerventil 104 kann
optional durch eine Fülldrossel 114 ergänzt
werden, um eine Rückbefüllung des Steuerraumes 88 und
damit ein schnelleres Schließen des hier zweiteilig ausgebildeten
Einspritzventilgliedes 22 zu ermöglichen. Selbstverständlich
kann die Rückbefüllung auch mit einem als 3/2-Steuerventil
ausgebildeten Schaltventil 104 ermöglicht werden.
Dies ermöglicht ein noch schnelleres Schließen,
wobei insbesondere die Steuermenge signifikant reduziert wird.
-
Bei
der in 9 dargestellten Ausführungsform ist der
Aktor 62 als Magnetventil ausgebildet, welches durch einen
Deckel 98 verschlossen ist. Unterhalb des Deckels 98 befindet
sich im Injektorkörper 12 ein Magnetkern 100,
der eine Magnetspule 102 umschließt. Durch den
als Magnetventil ausgebildeten Aktor 62 wird das 2/2-Steuerventil 104 zur Druckentlastung
des Steuerraumes 88 in dieser Ausführungsform
gemäß 9 betätigt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 5947389 [0001, 0001]
- - DE 19960340 A1 [0002, 0002]