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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum direkten Einspritzen von Kraftstoff, insbesondere Benzin, in einen Brennraum sowie eine Brennkraftmaschine, umfassend eine derartige Einspritzvorrichtung.
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Vorrichtungen zum direkten Einspritzen von Kraftstoff sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Beispielsweise wird bei Hochdruckeinspritzventilen Kraftstoff durch mehrere Spritzlöcher direkt in einen Brennraum eines Otto-Motors eingespritzt. Die Spritzlöcher weisen dabei üblicherweise an der zum Brennraum gerichteten Seite eine sogenannte Vorstufe auf, bei welcher sich ein Durchmesser einmal oder mehrmals stufenförmig erweitert. Der Bereich der Durchlassöffnung mit dem kleinsten Durchmesser befindet sich somit mit etwas Abstand zu einer äußeren Mündung der Durchlassöffnung. Es wurde nun festgestellt, dass sowohl der vorstufennahe Stirnflächenbereich, an welchem sich der Durchmesser der Durchlassöffnung erweitert, als auch die Wände bei jeder Einspritzung mit Kraftstoff benetzt werden, wobei an der Oberfläche verbleibende Kraftstoffreste unter Temperatureinwirkung polymerisieren können und unter Einbindung der im Brennraum gebildeten Rußpartikel eine poröse Schicht bilden können. Diese poröse Schicht bildet für nachfolgende Einspritzvorgänge eine Art Schwamm für den Kraftstoff und kann in der der Kompressionsphase nachfolgenden Expansionsphase zur Ausdampfung von Kraftstoff und insbesondere zur Partikelgenerierung im Brennraum führen. Hieraus resultiert jedoch ein erhöhter Kraftstoffbedarf der Brennkraftmaschine sowie ein verschlechtertes Emissionsverhalten.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in einem Brennraum mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist dem gegenüber den Vorteil auf, dass Kraftstoff, welcher Oberflächen an einem Spritzloch und/oder das Spritzloch umgebenden Wandbereichen benetzt, vollständig verdampfen kann. Dadurch wird insbesondere die Polymerisierung von Kraftstoffresten auf Wandbereichen am und im Spritzloch verhindert. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff einen Grundkörper und einen am Grundkörper angeordneten vorstehenden Bereich aufweist. Der vorstehende Bereich steht dabei an einem Brennraum-seitigen Ende der Vorrichtung stufenförmig in Richtung des Brennraums vor. Dadurch wird erreicht, dass eine Temperatur am vorstehenden Bereich höher als am Grundkörper ist. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass Kraftstoff, welcher während eines Einspritzvorgangs Wände am bzw. um den Bereich des Austritts am Spritzloch benetzt, vollständig verdampfen kann. Dadurch kann die Polymerisation von verbleibenden Kraftstoffresten verhindert werden. Erfindungsgemäß ist dabei eine Mündung des Spritzlochs am vorstehenden Bereich ausgebildet. Der vorstehende Bereich umfasst dabei eine Stufenfläche, welche die Verbindungsfläche zwischen dem Grundkörper und einer zum Brennraum gerichteten Fläche des vorstehenden Bereichs bildet. Die Stufenfläche stellt dabei sicher, dass eine innerhalb des Brennraums vorhandene Strömung, insbesondere eine Tumble-Strömung, gegen die Stufenfläche des vorstehenden Bereichs strömt und dort weiter verwirbelt wird. Hierdurch wird ein besserer Wärmeeintrag in den vorstehenden Bereich, an welchem auch das Spritzloch mündet, erreicht und somit eine schnellere Verdunstung des gegebenenfalls auf den Oberflächen vorhandenen Kraftstoffs erreicht. Erfindungsgemäß ist es hierbei wichtig, dass der zusätzliche Wärmeeintrag durch die Erzeugung der zusätzlichen turbulenten Strömung möglichst auf den vorstehenden Bereich beschränkt wird und der Grundkörper keine Temperaturerhöhung erfährt. Somit ist erfindungsgemäß kein strömungsgünstiger Übergang zwischen dem Grundkörper und dem vorstehenden Bereich ausgeführt, sondern die in der Strömung im Brennraum stehende Stufenfläche, welche für zusätzliche Turbulenzen und zusätzliche Wärmeeinbringung in den vorstehenden Bereich sorgt.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Vielzahl von Spritzlöchern, wobei jede Mündung jedes Spritzlochs am vorstehenden Bereich mündet. Damit werden alle Spritzlöcher durch das Vorsehen des vorstehenden Bereichs zusätzlich erwärmt, so dass der eingespritzte Kraftstoff vollständig verdampft werden kann.
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Um besonders einfach und kostengünstig aufgebaut zu sein, ist vorzugsweise der vorstehende Bereich einstückig mit dem Grundkörper ausgebildet.
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Weiter bevorzugt ist ein Winkel zwischen einer Oberfläche des Grundkörpers und der Stufenfläche in einem Bereich von 40° bis 140°, vorzugsweise 60° bis 120° und besonders bevorzugt ungefähr 90°. Da die Oberflächen des Grundkörpers und der Stufenfläche nicht zwingend Ebenen sind, wird der Winkel beispielsweise bei gebogenen Flächen durch deren Tangenten am Übergang zwischen der Stufenfläche und dem Grundkörper bestimmt.
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Weiter bevorzugt ist ein Winkel zwischen einer Oberfläche des vorstehenden Bereichs und der Stufenfläche in einem Bereich von 40° bis 140°, vorzugsweise 60° bis 120°, und insbesondere ungefähr 90°. Auch hier kann der Winkel durch Tangenten definiert werden.
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Weiter bevorzugt ist die Stufenfläche umlaufend ausgebildet. Dabei ist besonders bevorzugt, dass die Stufenfläche kreisförmig oder oval oder eckig umlaufend vorgesehen ist. Somit umfasst der vorstehende Bereich einen zylindrischen Körper, wobei eine Stirnfläche des zylindrischen Körpers, welche zum Brennraum gerichtet ist, beliebig ausgebildet sein kann, beispielsweise kuppelförmig oder kegelförmig oder dergleichen.
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Weiter bevorzugt fallen ein Mittelpunkt eines alle Spritzlöcher minimal umhüllenden Kreises und ein Mittelpunkt eines äußeren Umfangs des kreisförmigen oder ovalen oder eckigen, vorstehenden Bereichs zusammen. Hierdurch kann eine Ausdehnung des vorstehenden Bereichs exakt auf die Anordnung und Mündung der Spritzlöcher beschränkt werden.
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Das die Spritzlöcher aufweisende Bauteil ist besonders bevorzugt eine Spritzlochscheibe. Vorzugsweise weisen die Spritzlöcher auch eine oder mehrere Vorstufen an der Spritzlochmündung auf.
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Weiter bevorzugt ist der vorstehende Bereich derart ausgebildet, dass zumindest eine in der Stufenfläche des vorstehenden Bereichs liegende Linie parallel zu einer Mittelachse eines Spritzlochs ist.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine, umfassend einen Brennraum und eine direkt in den Brennraum einspritzende erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff. Besonders bevorzugt ist die Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff am Brennraum dabei zwischen einem Einlassventil und einem Auslassventil angeordnet. Es sei angemerkt, dass auch mehrere Vorrichtungen zum Einspritzen von Kraftstoff an einem Brennraum angeordnet sein können. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise eine Otto-Brennkraftmaschine.
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Zeichnung
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische Schnittansicht einer Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung zum direkten Einspritzen von Kraftstoff gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 eine schematische Schnittansicht der Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff von 1,
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3 eine schematische Draufsicht der Vorrichtung von 2 und
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4 bis 6 weitere Ausführungsbeispiele der Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 eine Vorrichtung 1 zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum 10 im Detail beschrieben.
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1 zeigt im Schnitt einen in einem Zylinder 14 befindlichen Brennraum 10. Am Zylinder 14 sind in bekannter Weise ein Einlassventil 11, ein Auslassventil 12, eine Zündkerze 13 und eine Vorrichtung 1 zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum 10 angeordnet. Wie aus 1 ersichtlich ist, ist die Vorrichtung 1 dabei zwischen dem Einlassventil 11 und dem Auslassventil 12 benachbart zur Zündkerze 13 angeordnet.
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Die Vorrichtung 1 zum direkten Einspritzen von Kraftstoff ist im Detail in den 2 und 3 dargestellt. Die Vorrichtung 1 zum direkten Einspritzen von Kraftstoff umfasst ein Bauteil 6 mit Spritzlöchern 2, welches in diesem Ausführungsbeispiel ein Ventilgehäuse ist. Das Bauteil 6 umfasst dabei einen Grundkörper 3 sowie einen vorstehenden Bereich 4, welcher unmittelbar am Grundkörper 3 gebildet ist. Mit anderen Worten sind der Grundkörper 3 und der vorstehende Bereich 4 einstückig vorgesehen. Der vorstehende Bereich 4 steht dabei in den Brennraum 10 vor und weist eine Kegelform auf.
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Ferner sind im Bauteil 6 mehrere Spritzlöcher 2 angeordnet. Wie aus den 2 und 3 ersichtlich ist, weisen die Spritzlöcher 2 jeweils Mündungen 20 auf. Die Mündungen 20 der Spritzlöcher 2 sind derart angeordnet, dass alle Spritzlöcher 2 im Bereich des vorstehenden Bereichs 4 münden.
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Zwischen dem vorstehenden Bereich 4 und dem Grundkörper 3 ist eine Stufenfläche 5 vorgesehen, welche die in diesem Ausführungsbeispiel eine zylindrische Mantelfläche ist. Die Stufenfläche 5 ist dabei koaxial zu einer Mittelachse X-X der Vorrichtung 1.
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Wie aus 2 ersichtlich ist, ist ein erster Winkel α zwischen dem Grundkörper 3 und der Stufenfläche 5 vorgesehen, welcher in diesem Ausführungsbeispiel 90° beträgt. Ferner ist ein zweiter Winkel β zwischen der Stufenfläche 5 und einer Oberfläche des vorstehenden Bereichs 4 vorgesehen, welcher ebenfalls 90° beträgt. Eine Höhe H des stufenförmigen Bereichs liegt dabei in einem Bereich zwischen 250 bis 750 µm.
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Durch die in diesem Ausführungsbeispiel kreisförmig umlaufend vorgesehene Stufenfläche 5 wird somit erreicht, dass eine Tumble-Strömung 15, welche im Brennraum 10 beispielsweise während einer Einlassphase gebildet wird, gegen die Stufenfläche 5 strömt. Hierdurch wird eine zusätzliche Turbulenz im Bereich des vorstehenden Bereichs 4 erzeugt, wodurch eine Temperaturerhöhung des vorstehenden Bereichs 4 erreicht wird. Hierdurch wird erreicht, dass Kraftstoff, welcher durch die Spritzlöcher 2 in den Brennraum 10 eingespritzt wird, und welcher insbesondere Wände im Bereich der Mündungen 20 der Spritzlöcher 2 benetzt, vollständig verdampft werden kann. Zur individuellen Strahlgestaltung weisen die Spritzlöcher im Bereich der Mündung 20 hierbei Aufweitungen (Vorstufen) auf, d.h., in diesem Ausführungsbeispiel sind die Spritzlöcher sich stufenförmig erweiternd gebildet.
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Erfindungsgemäß kann somit insbesondere eine Verrußung und Polymerisationsbildung am Bereich der Mündung 20 der Spritzlöcher verhindert werden. Da die Tumble-Strömung 15 an die Stufenfläche 5 des vorstehenden Bereichs 4 anströmt, wird erfindungsgemäß erreicht, dass nicht die gesamte Spitze, d.h., der Grundkörper 3 und der vorstehende Bereich 4, sondern lediglich der vorstehende Bereich 4 erwärmt wird. Falls nämlich die gesamte Spitze der Vorrichtung 1 erwärmt werden würde, würde insbesondere ein Risiko von Ablagerungen im Bereich der Ventilspitze ansteigen und insbesondere auch an einer Innenseite des Bauteils 6, an welcher sich ein Ventilsitz 30 befindet, die Gefahr von Ablagerungen erhöhen. Somit kann erfindungsgemäß eine Partikelemission der Brennkraftmaschine signifikant reduziert werden.
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Wie weiter aus 3 ersichtlich ist, sind die Spritzlöcher 2 derart angeordnet, dass ein die Spritzlöcher minimal umhüllender Kreis 21 (gestrichelt eingezeichnet) einen Mittelpunkt M aufweist, welcher mit einem Mittelpunkt der Stufenfläche 5 zusammenfällt. Gleichzeitig liegt auch die Mittelachse X-X der Vorrichtung 1 auf diesem Mittelpunkt. Ein Abstand zwischen dem umhüllenden Kreis 21 und der Stufenfläche 5 liegt dabei vorzugsweise in einem Bereich von 0,5 mm bis 3,0 mm.
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Die 4 bis 6 zeigen ein zweites, drittes und viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bei dem in 4 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel ist eine Form des vorstehenden Bereichs 4 nicht mehr kegelförmig, sondern der vorstehende Bereich 4 hat eine bogenförmige Form, welche zum Brennraum 10 gerichtet ist. Auch der Grundkörper 3 hat eine bogenförmige Form. Dabei bilden die jeweiligen Tangenten der Oberflächen zur Stufenfläche 5 den ersten Winkel α und den zweiten Winkel β. In diesem Ausführungsbeispiel sind die beiden Winkel α, β gleich und betragen jeweils 90°.
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Bei dem in 5 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel beträgt der erste Winkel α 60° und der zweite Winkel β ebenfalls 60°. Durch diese Ausgestaltung wird die Tumble-Strömung 15 zu hoher Turbulenz im Bereich des vorstehenden Bereichs 4 gezwungen.
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Beim in 6 gezeigten vierten Ausführungsbeispiel beträgt der erste Winkel α 120° und der zweite Winkel β 120°. Bei dieser Ausgestaltung wird eine reduzierte Turbulenz der Tumble-Strömung 15 im Bereich des vorstehenden Bereichs 4 erzeugt.
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Zu allen Ausführungsbeispielen sei angemerkt, dass die Stufenfläche 5 entlang ihres Umfangs jeweils gleich ausgebildet sein kann, wie in den Ausführungsbeispielen dargestellt, jedoch auch unterschiedlich vorgesehen sein kann. Mit anderen Worten können sich die Winkel α, β entlang des Umfangs des vorstehenden Bereichs 4 ändern. Je nach Ausbildung der Tumble-Strömung 15 im Brennraum 10 können entsprechende Winkel gewählt werden, um eine ausreichende zusätzliche Turbulenz mittels der Tumble-Strömung 15 und damit eine möglichst ausschließliche zusätzliche Erwärmung des vorstehenden Bereichs 4 zu erreichen.
