DE10341365A1

DE10341365A1 - Kraftstoffeinspritzventil und damit ausgerüstete Brennkraftmaschine des Zylindereinspritzungstyps

Info

Publication number: DE10341365A1
Application number: DE10341365A
Authority: DE
Inventors: Takuya Hitachinaka Shiraishi; Motoyuki Abe; Shuuichi Shimizu; Masahiko Hitachinaka Hayatani
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-09-09
Filing date: 2003-09-08
Publication date: 2004-05-06
Also published as: US20040046064A1

Abstract

Kraftstoffeinspritzventil, um dem von der Einspritzöffnung 170, 17 eingespritzten Kraftstoff durch eine Verwirbelungsvorrichtung 230 die Rotationsenergie um die Mittelachse der Einspritzöffnung 170 zu verleihen. Die Mittelachse E der Einspritzöffnung 170 ist in Bezug auf die Mittelachse C des Ventilelements um den festen Ablenkwinkel beta geneigt, wobei an dem spitzzulaufenden Ende der Einspritzöffnung 170 ein Stufenunterschied 250 ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kraftstoffeinspritzventil, das zur Kraftstoffeinspritzung in die Brennkraftmaschine verwendet wird, und auf eine damit ausgerüstete Brennkraftmaschine des Zylindereinspritzungstyps, und insbesondere auf ein Kraftstoffeinspritzventil, bei dem der Kraftstoff in Rotation versetzt wird und in den Zylinder eingespritzt wird, und auf eine damit ausgerüstete Brennkraftmaschine des Zylindereinspritzungstyps.
Ein Kraftstoffeinspritzventil des Typs Düse mit einer Verwirbelungsvorrichtung, dessen Einspritzbohrung durch ein Ventilelement geöffnet und geschlossen wird, das sich in Achsenrichtung verschiebt, wobei dem Kraftstoff, der von der Einspritzbohrung eingespritzt wird, durch ein Kraftstoffrotationsmittel, das als Verwirbelungsvorrichtung bezeichnet wird, Rotationsenergie um eine Mittelachse der Einspritzbohrung verliehen wird, ist als Kraftstoffeinspritzventil (Kraftstoffeinspritzvorrichtung) bekannt, das für die Kraftstoffeinspritzung in die Brennkraftmaschine, insbesondere eine Brennkraftmaschine mit Zylindereinspritzung, die Benzin als Kraftstoff verwendet, verwendet wird.

In einem solchen Kraftstoffeinspritzventil des Typs Düse mit der Verwirbelungsvorrichtung ist die Mittelachse der Einspritzbohrung in Bezug auf die Mittelachse des Ventilelements um den festen Ablenkwinkel geneigt (beispielsweise Japanische Offenlegungsschrift Nr. 11-159421) oder ist der Stufenunterschied an dem spitz zulaufenden Ende der Einspritzbohrung gebildet (beispielsweise Japanische Offenlegungsschrift Nr. 2000-329036), um die Richtung der Einspritzung von Kraftstoffnebel abzulenken oder die gewünschte Kraftstoffnebelform zu erhalten.

Ein Motor mit Schichtladungsverbrennung und ein Motor mit homogener Verbrennung sind bereits als Brennkraftmaschine des Zylindereinspritzungstyps bekannt. Die Optimierungseinstellung wie etwa die Richtung und die Form des Kraftstoffnebels, die Eindringlänge und das Vorhandensein oder das Fehlen von Voreilungs-Kraftstoffnebel des durch das Kraftstoffeinspritzventil in den Zylinder eingespritzten Kraftstoffs ist bei jeder Brennkraftmaschine eines jeden Modells entsprechend der relativen Position zwischen der Zündkerze und dem Kraftstoffeinspritzventil, dem Verbrennungssystem oder der Verbrennungskammerform der Brennkraftmaschine usw. verschieden.

Da bei dem herkömmlichen Kraftstoffeinspritzventil entweder ein Verfahren zur Einstellung des Ablenkwinkels der Einspritzbohrung oder ein Verfahren zum Vorsehen des Stufenunterschieds an der spitz zulaufenden Endfläche der Einspritzbohrung verwendet wird, ist der Brennkraftmaschine jedes Modells jedoch eine Grenze gesetzt, darin, alle Daten wie etwa die Richtung und die Form des Kraftstoffnebels, die Eindringlänge und das Vorhandensein oder das Fehlen von Voreilungs-Kraftstoffnebel des Kraftstoffs vom Gesichtspunkt der Verbrennungsleistung, der Kraftstoffersparnis und der Abgasleistung aus, in den besten Zustand zu versetzen, weshalb die Einstellung nicht unbedingt geeignet ist.

Bei der Einspritzvorrichtung der Japanischen Offenlegungsschrift Nr. 11-159421 wird der Kraftstoffnebel durch Anbringen einer Öffnung, die nicht zur Achsenmitte der Einspritzvorrichtung parallel ist, abgelenkt. Den Kraftstoffnebel betreffend wird in diesem Fall der Kraftstoffnebel der anderen Seite der Richtung der Ablenkung lang.

Die Notwendigkeit des Einstellens der Ablenkung des Kraftstoffnebels könnte jedoch entsprechend der Form usw. der Verbrennungskammer eines Motors verursacht sein. Gleichzeitig ist es erforderlich, bei einem Minimum an Kraftstoff die beste Verbrennungsleistung zu erhalten, indem die gebildete lange Kraftstoffnebeleindringung in Richtung der Zündkerze geführt wird.

Die vorliegende Erfindung wird unter Berücksichtigung des oben erwähnten Punkts erreicht.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kraftstoffein spritzventil, das zur Kraftstoffeinspritzung in die Brennkraftmaschine verwendet wird, und eine damit ausgerüstete Brennkraftmaschine mit Zylindereinspritzung zu schaffen, das hohe Freiheitsgrade und ausgezeichnete Mehrzweckeigenschaften aufweist, um alle Daten wie etwa die Richtung und die Form von Kraftstoffnebel, die Eindringlänge und das Vorhandensein oder das Fehlen von Voreilungs-Kraftstoffnebel des Kraftstoffs vom Gesichtspunkt der Verbrennungsleistung, der Kraftstoffersparnis und der Abgasleistung aus, in den besten Zustand zu versetzen.

Die vorliegende Erfindung nimmt die folgende Konfiguration an, um die oben erwähnte Aufgabe zu erfüllen.

Eine Einspritzvorrichtung, die den Kraftstoffdurchgang öffnet und schließt und den Kraftstoff einspritzt, kann umfassen: einen Ventilsitz, ein bewegliches Ventil, das den Kraftstoffdurchgang zwischen diesem beweglichen Ventil und dem Ventilsitz öffnet und schließt, und/oder ein Antriebsmittel mit einer Spule, das das bewegliche Ventil antreibt. Ferner kann ein Kraftstoffrotationselement enthalten sein, das stromaufseitig von der Öffnung, wo der Kraftstoff eingespritzt wird, vorgesehen ist, um dem Kraftstoff die Rotationsenergie zu verleihen, wobei die Öffnung nicht parallel zur Achsenmitte der Einspritzvorrichtung angeordnet sein kann und/oder die Austrittsseite der Öffnung nicht vertikal zur Öffnung ausgebildet sein kann.

Außerdem wird die Einspritzöffnung des Kraftstoffeinspritzventils gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein Ventilelement, das sich in Richtung der Achse verschiebt, geöffnet und geschlossen. Die Rotationsenergie um die Mittelachse der Einspritzöffnung wird dem von der Einspritzöffnung eingespritzten Kraftstoff durch die Kraft stoffrotationsmittel verliehen. Die Mittelachse der Einspritzöffnung kann in Bezug auf die Mittelachse des Ventilelements um den festen Ablenkwinkel geneigt sein. Ferner kann der Stufenunterschied an dem spitz zulaufenden Ende der Einspritzbohrung ausgebildet sein.

1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Ausführungsform der Einspritzvorrichtung zeigt.
2 ist eine vergrößerte Ansicht des Einspritzvorrichtungspunkts.
3 ist eine vergrößerte Ansicht des Einspritzvorrichtungspunkts.
4A und 413 sind vergrößerte Ansichten des Einspritzvorrichtungspunkts gemäß einer anderen Ausführungsform.
5A und 5B sind vergrößerte Ansichten des Einspritzvorrichtungspunkts gemäß einer weiteren Ausführungsform.
6 ist eine Schnittansicht, die eine Ausführungsform des Kraftstoffeinspritzventils gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
7 ist eine vergrößerte Schnittansicht des Hauptabschnitts des Kraftstoffeinspritzventils gemäß der Ausführungsform von 1.
8A und 813 sind längs einer A-A-Linie aufgenommene schematische Querschnittsansichten, die einen Langeindringungsbereich des Kraftstoffnebels zeigen.
9 ist eine Darstellung, die die Formen des Kraftstoffnebels durch den Stufenunterschied in der Düsenstruktur unter atmosphärischem Druck bei normaler Temperatur und unter Hochdruck bei hoher Temperatur zeigt.
10A und 10B sind Querschnittsansichten, die den Zustand der Einspritzung von dem Kraftstoffeinspritzventil gemäß dieser Ausführungsform in die Brennkraftmaschine des Zylindereinspritzungstyps zeigen.
11A und 11B sind schematische Ansichten, die das Kraftstoffnebelmuster in der Verbrennungskammer durch das Kraftstoffeinspritzventil gemäß dieser Ausführungsform zeigen.
12 ist ein Graph, der die Änderungen des Drucks und der Temperatur in der Verbrennungskammer der Brennkraftmaschine zeigt.
13 ist ein Graph, der das experimentelle Ergebnis der EGR-Rate (EGR = Exhaust Gas Recirculation = Abgasrückführung) und der NOx-Ausstoßmenge zeigt.
14 ist ein Graph, der das experimentelle Ergebnis des Kraftstoffnebelmusters und der HC-Ausstoßmenge (HC = Kohlenwasserstoff) zeigt.
15 ist ein Graph, der das experimentelle Ergebnis der Eindringung in Richtung der Verbrennungskammer und die HC-Ausstoßkonzentration zeigt.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung nimmt die folgende Konfiguration an, um die oben erwähnte Aufgabe zu erfüllen.
Eine Einspritzvorrichtung, die den Kraftstoffdurchgang öffnet und schließt und den Kraftstoff einspritzt, umfassend: einen Ventilsitz, ein bewegliches Ventil, das den Kraftstoffdurchgang zwischen diesem beweglichen Ventil und dem Ventilsitz öffnet und schließt, ein Antriebsmittel mit einer Spule, das das bewegliche Ventil antreibt, ferner umfassend ein Kraftstoffrotationselement, das stromaufseitig von der Öffnung, wo der Kraftstoff eingespritzt wird, vorgesehen ist, um dem Kraftstoff die Rotationsenergie zu verleihen, wobei die Öffnung nicht parallel zur Achsenmitte der Einspritzvorrichtung angeordnet ist und die Austrittsseite der Öffnung nicht vertikal zur Öffnung ausgebildet ist.
Die Länge des Kraftstoffnebels kann gemäß dieser Konfiguration gesteuert werden.
Außerdem wird die Einspritzöffnung des Kraftstoffeinspritzventils gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein Ventilelement, das sich in Richtung der Achse verschiebt, geöffnet und geschlossen. Die Rotationsenergie um die Mittelachse der Einspritzöffnung wird dem von der Einspritzöffnung eingespritzten Kraftstoff durch die Kraftstoffrotationsmittel verliehen. Die Mittelachse der Einspritzöffnung ist in Bezug auf die Mittelachse des Ventilelements um den festen Ablenkwinkel geneigt. Ferner ist der Stufenunterschied an dem spitz zulaufenden Ende der Einspritzbohrung ausgebildet.
Die Einspritzungsablenkung entsprechend dem Ablenkwinkel wird in dem Kraftstoffeinspritzventil gemäß dieser Erfindung ausgeführt, weil die Mittelachse der Einspritzöffnung in Bezug auf die Mittelachse des Ventilelements um den festen Ablenkwinkel geneigt ist. Der Konzentrationsbereich der Kraftstoffnebeleindringung kann auf die willkürliche Position um die Mittelachse der Einspritzöffnung eingestellt werden, indem zusätzlich zur Rotationseinspritzung die Länge der Achse der Einspritzöffnung eingestellt wird. Außerdem kann durch das Vorsehen des Stufenunterschieds an dem spitz zulaufenden Ende der Einspritzbohrung die Kraftstoffnebelform und die Kraftstoffnebelverteilung eingestellt werden. Die Wirkungen, die von diesen Einstellungen abhängen, sind durch Kombination dieser Einstellungen synergetisch oder kompensierend. Deshalb können alle Daten wie etwa die Richtung und die Form des Kraftstoffnebels, die Eindringlänge und das Vorhandensein oder das Fehlen von Voreilungs-Kraftstoffnebel des Kraftstoffs verschieden eingestellt werden.
Der Stufenunterschied am spitz zulaufenden Ende der Einspritzöffnung des Kraftstoffeinspritzventils gemäß der vorliegenden Erfindung kann beiderseitig parallel zur Ebene mit dem willkürlichen Neigungswinkel zur Mittelachse der Einspritzbohrung sein. Er kann eine orthogonale Ebene sein, die einen rechten Winkel mit der Mittelachse der Einspritzöffnung bildet.
Das spitz zulaufende Ende der Einspritzöffnung des Kraftstoffeinspritzventils gemäß der vorliegenden Erfindung ist durch Zerspanarbeit oder Pressarbeit entstanden, wobei die Länge der Achse der Einspritzöffnung und die Form und die Richtung des Stufenunterschieds des spitz zulaufenden Endes der Einspritzöffnung durch die Zerspanarbeit oder Pressarbeit am spitz zulaufenden Ende der Einspritzöffnung beliebig eingestellt werden kann.
Die Brennkraftmaschine des Zylindereinspritzungstyps gemäß der vorliegenden Erfindung ist mit dem Kraftstoffeinspritzventil gemäß der oben erwähnten Erfindung versehen.
In diese Brennkraftmaschine des Zylindereinspritzungstyps ist das Kraftstoffeinspritzventil eingebaut, bei dem die Länge der Achse der Einspritzbohrung und die Form und die Richtung des Stufenunterschieds des spitz zulaufenden Endes der Einspritzbohrung entsprechend der Brennkraftmaschine angepasst sind. Alle Daten wie etwa die Richtung und die Form des Kraftstoffnebels, die Eindringlänge und das Vorhandensein oder das Fehlen von Voreilungs-Kraftstoffnebel des Kraftstoffs werden zu jenen, die dem Verbrennungssystem, der Form der Verbrennungskammer, einer relativen Position zwischen der Zündkerze und dem Kraftstoffeinspritzventil usw. entsprechen. Im Ergebnis sind die Verbrennungsleistung, die Kraftstoffersparnis und die Abgasleistung verbessert.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Herstellung eines Kraftstoffeinspritzventils, dessen Einspritzbohrung durch ein Ventilelement, das sich in Achsenrichtung verschiebt, geöffnet und geschlossen wird, wobei dem Kraftstoff, der von der Einspritzbohrung eingespritzt wird, durch ein Kraftstoffrotationsmittel Rotationsenergie um die Mittelachse der Einspritzbohrung verliehen wird, wobei die Mittelachse der Einspritzbohrung in Bezug auf die Mittelachse des Ventilelements um den festen Ablenkwinkel geneigt ist und der Stufenunterschied an dem spitz zulaufenden Ende der Einspritzbohrung ausgebildet ist. Das erste Produkt ist durch Ein stellen der Länge der Achse, die das Einstellmaß enthält, gebildet. Die zweiten Produkte sind durch Bearbeiten des spitz zulaufenden Endes der Einspritzbohrung des ersten Produkts durch Aufbringen von Zerspanarbeit, Pressarbeit usw. und durch Einstellen der Länge der Achse der Einspritzbohrung, der Stufenunterschiedsform des spitz zulaufenden Endes der Einspritzbohrung und der Richtung des Stufenunterschieds zur Ablenkrichtung der Einspritzbohrung gebildet.
Gemäß dem Verfahren zur Herstellung des Kraftstoffeinspritzventils der vorliegenden Erfindung wird das beste Kraftstoffeinspritzventil für eine Brennkraftmaschine, durch die alle Daten wie etwa die Richtung und die Form des Kraftstoffnebels, die Eindringlänge und das Vorhandensein oder das Fehlen von Voreilungs-Kraftstoffnebel des Kraftstoffs gefordert werden, durch Ausführen der Zerspanarbeit, Pressarbeit usw. am spitz zulaufenden Ende der Einspritzbohrung nach Vervollständigung des ersten Produkts, durch individuelles Einstellen der Länge der Achse der Einspritzbohrung, der Form und der Richtung des Stufenunterschieds am spitz zulaufenden Ende der Einspritzbohrung und durch Bilden eines zweiten Produkts in der Fertigungsendstufe erhalten.
Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf die beigefügten Figuren genau erläutert.
In der Einspritzvorrichtung wird ein bewegliches Ventil durch magnetische Kraft (magnetische Anziehungskraft), die durch die innere Spule erzeugt wird, angezogen und vom Ventilsitz gelöst. Im Ergebnis wird der Kraftstoff eingespritzt. Bekannterweise beeinflusst die Form dieses eingespitzten Kraftstoffnebels die Verbrennungsleistung eines Motors, wenn die Einspritzvorrichtung für den Motor verwendet wird. Genauer, bei einer Einspritzvorrichtung für einen Motor des Zylindereinspritztyps ist es erforderlich, Kraftstoffnebel derjenigen Form, die mit der Form der Verbrennungskammer übereinstimmt, in den Zylinder einzuspritzen.
Ferner beeinflusst die Partikelgröße des Kraftstoffnebels die Verbrennungsleitung des Motors. Es ist erforderlich, den Kraftstoffnebel kleinkörnig zu machen, da die Verbrennungsleistung im Allgemeinen umso besser ist, je kleiner diese Partikelgröße ist.
Als Verfahren, den Kraftstoffnebel kleinkörnig zu machen, gibt es ein Kraftstoffrotationsverfahren, um dem Kraftstoff Rotationsenergie zu verleihen. Dieses Verfahren erhöht durch die Rotationsenergie die Geschwindigkeit des Kraftstoffnebels bei der Kraftstoffeinspritzung, bildet den Kraftstoffnebel zu einer konischen Form aus, verkleinert die Dicke des Films des Kraftstoffnebels und unterstützt dabei, den Kraftstoffnebel kleinkörnig zu machen.
Bei diesem Verfahren erhält der Kraftstoffnebel eine konische Form. Das Verfahren, durch das die Richtung der Einspritzung des Kraftstoffnebels verändert wird und die Länge des Kraftstoffnebels vergrößert wird, ist als Verfahren zum Steuern der Form des Kraftstoffnebels zur Anpassung an einen Motor offenbart. Bei diesem Verfahren wird der Kraftstoffnebel durch Ausbilden einer Kraftstoffeinspritzbohrung (die im folgenden Öffnung genannt wird) abgelenkt, die zur Achsenmitte der Einspritzvorrichtung nicht parallel ist.
Im Folgenden wird eine Ausführungsform auf der Grundlage der Zeichnung erläutert.
Zuerst wird unter Verwendung von 1 die Struktur der Einspritzvorrichtung 1 erläutert.
Der durch eine (nicht gezeigte) Kraftstoffpumpe mit Druck beaufschlagte Kraftstoff wird der Einspritzvorrichtung 1 zugeführt. Der Kraftstoffdurchgang wird zwischen einer Ventilsitzfläche 10 (Sitzoberfläche), die auf der Seite einer Düse gebildet ist, und einem beweglichen Ventil 7 geöffnet und geschlossen, wodurch die Einspritzmenge des Kraftstoffs von der Öffnung 11 gesteuert wird. Die Öffnung 11 und die Ventilsitzfläche 10 sind zu einer Öffnungsplatte 101 geformt.
Das bewegliche Ventil 7 ist an dem Punkt eines Plungers 6 installiert, während die Spule 2 in der Einspritzvorrichtung 1 als Mittel eingebaut ist, das die Antriebskraft für das bewegliche Ventil 7 erzeugt.
Eine Rückstellfeder 9 ist als mechanische Feder vorgesehen, so dass der Plunger 6 und das bewegliche Ventil 7 gegen die Ventilsitzfläche 10 gedrückt werden können, wobei das Ventil geschlossen werden kann, wenn die Spule 2 nicht versorgt wird und keine Anziehung besteht.
Der magnetische Fluss wird erzeugt, wenn die Spule 2 versorgt wird, wobei durch den Kern 4, das Joch 5 und den Plunger 6 ein magnetischer Pfad gebildet wird. Im Ergebnis wird zwischen dem Kern 4, dem Joch 5 und dem Plunger 6 eine magnetische Anziehungskraft erzeugt. Deshalb bewegen sich der Plunger 6 und das bewegliche Ventil 7 in eine Richtung (in 1 aufwärts), in der sie sich von der Ventilsitzfläche 10 lösen und der Kraftstoff von der Öffnung 11 ein gespritzt wird.
Ein Kraftstoffrotationselement 8 (Verwirbelungsvorrichtung) oder ein Teil, durch das dem Kraftstoff die Rotationsenergie verliehen wird, ist in der Nähe der Ventilsitzfläche 10 vorgesehen, um den Kraftstoff kleinkörnig zu machen. Deshalb ist der eingespritzte Kraftstoffnebel 18 kegelförmig.
Wenn die Öffnung 11 parallel zur Achsenmitte der Einspritzvorrichtung 1 angeordnet ist und der Austritt 12 der Öffnung nahezu vertikal zur Öffnung 11 ausgebildet ist, wie in 2 gezeigt ist, wird die Länge des Kraftstoffnebels 18 über den Umfang nahezu gleichmäßig (Längenverhältnis des Kraftstoffnebels 18: L1/L2 ÷ 1).
Wenn umgekehrt die Öffnung 11 nicht parallel zur Achsenmitte der Einspritzvorrichtung 1 angeordnet ist und der Austritt 12 der Öffnung nahezu vertikal zur Öffnung 11 ausgebildet ist, wie in 3 gezeigt ist, wird der Kraftstoffnebel 18 mit einer Neigung gegen die Achsenmitte der Einspritzvorrichtung 1 gebildet und wird die Länge des Kraftstoffnebels 18 nahezu ungleichmäßig (Längenverhältnis des Kraftstoffnebels 18: L1/L2 ≠ 1).
Als Nächstes wird unter Verwendung von 4 bis 6 eine andere Ausführungsform erläutert.
4 zeigt die Position, bei der die Eindringlänge des Kraftstoffnebels 18 am größten ist.
Der Bohrungsdurchmesser der Öffnung 11 beträgt in diesem Beispiel Ø50, 67 mm, wobei die Bohrung bei einer Neigung um etwa 20° nicht parallel zur Achsenmitte der Einspritzvorrichtung 1 angeordnet ist. Ferner beträgt die Länge L der Öffnung 1,46 mm, wobei der Austritt 12 der Öffnung nahezu vertikal zur Öffnung 11 ausgebildet ist.
Da die Öffnung 11 nicht parallel zur Achsenmitte der Einspritzvorrichtung 1 angeordnet ist, wird somit das Strömen des Kraftstoffs, der in die Öffnung 11 strömt, in Richtung der Ablenkung erleichtert und in der Richtung, die zur Ablenkung entgegengesetzt ist, nicht erleichtert. Im Ergebnis ist die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung des Kraftstoffs in der axialen Richtung der Öffnung 11 verschieden.
Kurz gesagt, der Stufenunterschied der Strömungsgeschwindigkeitsverteilung des Kraftstoffs in der axialen Richtung dieser Öffnung 11 bewirkt beim Einspritzen des Kraftstoffs von dem Öffnungsaustritt 12 eine ungleichmäßige Eindringlänge des Kraftstoffnebels 18.
Wenn, wie oben erwähnt worden ist, ein (in 4 nicht gezeigtes) Kraftstoffrotationselement 8 in der Einspritzvorrichtung 1 installiert ist, wird dem in die Öffnung 11 geströmten Kraftstoff Rotationsenergie verliehen. Deshalb kann die Position, bei der die Eindringlänge des Kraftstoffnebels 18 des von dem Öffnungsaustritt 12 eingespritzten Kraftstoffs am längsten ist, in denjenigen Teil gelegt werden, der von der mittleren Lage der Achse versetzt ist, wie in dem A-A-Schnitt von 4 gezeigt ist (Festlegung von der Düsenseite her).
Es wird möglich, bei einem Minimum an Kraftstoff die beste Verbrennung zu erreichen, wenn die Position, bei der die Eindringlänge dieses Kraftstoffnebels 18 am längsten ist, in Richtung der (nicht gezeigten) Zündkerze gedreht wird.
Dann ist in dieser Ausführungsform das Mittel zum Erzielen der besten Verbrennbarkeit durch das geeignete Steuern der Position, bei der die Eindringlänge dieses Kraftstoffnebels 18 am längsten ist, vorgesehen.
Ein Verfahren zum Steuern der Position, bei der die Eindringlänge dieses Kraftstoffnebels 18 am längsten ist, ist in 5 gezeigt.
Der von dem Öffnungsaustritt 12 eingespritzte Kraftstoffnebel 18 wird durch das Kraftstoffrotationselement 8 nach rechts gedreht. Der Kraftstoffnebel strömt durch die Ventilsitzfläche 10 in die Öffnung 11. Da die Öffnung 11 nicht parallel zur Achsenmitte 100 der Einspritzvorrichtung 1 angeordnet ist, wird gleichzeitig das Strömen des Kraftstoffs, der in die Öffnung 11 strömt, in Richtung der Ablenkung erleichtert, jedoch in der Richtung, die zur Ablenkung entgegengesetzt ist, nicht erleichtert. Die Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit des Kraftstoffs, der in die Öffnung strömt, in der axialen Richtung der Öffnung 11 wird durch das Vermischen der hohen Strömungsgeschwindigkeit mit der niedrigen Strömungsgeschwindigkeit in der axialen Richtung ungleichmäßig.
Ferner erreichen die hohe Strömungsgeschwindigkeit und die niedrige Strömungsgeschwindigkeit, die in die Öffnung 11 eingehen, den Öffnungsaustritt 12 unter Drehung in Rechtsrichtung, da dem Kraftstoff stets eine Rechtsdrehenergie verliehen wird, als Beispiel, das durch diese Ausführungsform gezeigt ist.
Kurz gesagt, der lange Eindringteil des Kraftstoffnebels 18 wird gebildet, wenn der Teil mit der hohen Strömungsgeschwindigkeit in der axialen Richtung in der Öffnung 11 von dem Öffnungsaustritt 12 ein gespritzt wird. Die Position dieses langen Eindringteils des Kraftstoffnebels 18 ist dadurch bestimmt, an welcher Position des Öffnungsaustritts 12 der Teil mit der hohen Strömungsgeschwindigkeit, der sich stets in der axialen Richtung in der Öffnung 11 dreht, eingespritzt wird.
Wie durch die vorliegende Ausführungsform gezeigt wird, ist es möglich, die Länge des Strömungspfads der Öffnung 11 einzustellen, indem die Länge L der Öffnung vertikal zur Mitte der Achse nicht parallel mit der Öffnung 11 um das Kürzungsmaß t1 (t1 = L – L1) abgeschnitten wird. Außerdem kann die Anzahl von Umdrehungen des Kraftstoffs bis zum Öffnungsaustritt eingestellt werden. Im Ergebnis kann der Langeindringteil des Kraftstoffnebels 18 auf der Mittelachse des A-A-Schnitts des Kraftstoffnebels 18 (Festlegung von der Düsenseite her) verschoben werden.
Bei dieser Ausführungsform dreht sich der Langeindringteil des Kraftstoffnebels 18 um etwa 8° nach rechts (Festlegung von der Düsenseite her) pro Kürzungsmaß t1 = etwa 0,1 mm im A-A-Schnitt.
Außerdem kann die Beziehung zwischen dem Drehwinkel Pdeg der Eindringung und diesem Kürzungsmaß t 1 erhalten werden durch [Pdeg = ((t1 × tg(θ/2))/(π × d0)) × 360].
In dem obigen Ausdruck bezeichnen t1 das Kürzungsmaß der Öffnung 11, 8 den Winkel eines Haupt-Kraftstoffnebels des Kraftstoffnebels 18 und π das Verhältnis des Umfangs eines Kreises zu seinem Durchmesser und d0 die Durchmessergröße der Öffnung 11.
Kurz gesagt, um beim Entwurf des Kraftstoffnebels 18 die erforderli che Strömungsmenge und den erforderlichen Haupt-Kraftstoffsprühwinkel θ zu bestimmen, werden die Spezifikationen der Durchmessergröße der Öffnung 11 und des Kraftstoffrotationselements 8, das dazu beiträgt, dem Kraftstoff die Rotationsenergie zu verleihen, bestimmt.
Gleichzeitig kann durch Verwendung des Ausdrucks, durch den das oben erwähnte Pdeg erhalten wird, frei festgelegt werden, an welcher Position der Langeindringteil des Kraftstoffnebels 18 festgelegt wird. (Das heißt, dass in dem Schnitt eines bestimmten Kraftstoffnebels (A-A-Schnitt in der Ausführungsform) ein Langeindringteil (konzentrierter Teil der Kraftstoffnebeleindringung) auf den willkürlichen Winkel von 360 Grad eingestellt werden kann.) Im Ergebnis ist es möglich, den Langeindringteil des Kraftstoffnebels 18 ohne Begrenzung des Einbaus der Einspritzvorrichtung 1 an eine Position zu steuern, bei der die Motorverbrennung wirksam ausgeführt wird.
Ein Langeindringteil des Kraftstoffnebels kann gemäß dieser Ausführungsform durch Steuern der Strömungsgeschwindigkeitsverteilung der Kraftstoffnebelform in Richtung des Objekts frei gedreht werden. Da die Anzahl von Umdrehungen, bis der Kraftstoff den Öffnungsaustritt erreicht, durch Einstellen der Gesamtlänge der Öffnung eingestellt werden kann, ist es darüber hinaus möglich, einen Langeindringteil des Kraftstoffnebels in eine beliebige vorgegebene Richtung zu drehen.
Außerdem ein elektromagnetisches Kraftstoffeinspritzventil, das die Struktur besitzt, die den Langeindringteil des Kraftstoffnebels durch den stromaufseitigen Wirbel zu einer konischen Form steuern kann.
Ein elektromagnetisches Kraftstoffeinspritzventil, bei dem die Position, bei der der Kraftstoffnebel lang ist, eingestellt wird, kann gemäß dieser Ausführungsform vorgesehen sein.
Als Nächstes wird eine Ausführungsform, die den gebildeten Stufenunterschied veranschaulicht, erläutert.
6 zeigt eine Ausführungsform des Kraftstoffeinspritzventils gemäß der vorliegenden Erfindung.
Ein Kraftstoffeinspritzventil 100 (das im folgenden Einspritzvorrichtung genannt wird) besitzt ein Hauptkörpergehäuse 110, ein Kraftstoffdurchgangselement 120, ein Düsenelement 130 und ein Verbindergehäuseelement 140 usw. An einem spitz zulaufenden Abschnitt des Düsenelements 130 ist eine Düsenplatte 150 angebracht. In der Düsenplatte 150 sind ein Ventilsitz 160 und eine Einspritzbohrung 170 ausgebildet.
In dem Düsenelement 130 ist ein Ventilelement 180 so vorgesehen, dass es sich in Richtung der Achse bewegen kann. Das Ventil 180 verschiebt sich in Richtung der Achse, wobei sein spitz zulaufender Abschnitt wahlweise auf der Ventilsitzfläche 160 sitzt, d. h., dass das Ventil die Einspritzbohrung 170 wahlweise öffnet und schließt. Mit einem Ventilelement 18 ist ein Plunger 19 verbunden. In dem Kraftstoffdurchgangselement 120 ist eine Druck-Schraubenfeder 200 vorgesehen. Die Druck-Schraubenfeder 200 wird in der das Ventil schließenden Richtung erregt, bei der das Ventilelement 180 durch das bewegliche Hülsenelement 210 und den Plunger 190 auf der Ventilsitzfläche 160 sitzt.
In dem Hauptkörpergehäuse 110 ist eine elektromagnetische Spule 220 vorgesehen. Die elektromagnetische Spule 220 wird durch Versorgung erregt. Im Ergebnis widersteht die Spule der Federkraft der Druck-Schraubenfeder 200, zieht den Plunger 190 an und zieht ein Ventilelement 180 von der Ventilsitzfläche 160 weg.
In dem Düsenelement 130 ist eine Verwirbelungsvorrichtung 230 als Kraftstoffrotationsmittel vorgesehen. Die Verwirbelungsvorrichtung 230 ist auf der Seite der Ventilsitzfläche 160 der Düsenplatte 150 angeordnet und verleiht dem von der Einspritzbohrung 170 eingespritzten Kraftstoff die Rotationsenergie um die Mittelachse der Einspritzbohrung 170, um den Kraftstoffnebel kleinkörnig zu machen.
Der von einer (nicht gezeigten) Kraftstoffpumpe mit Druck beaufschlagte Kraftstoff wird der Kraftstoffzufuhröffnung 240 der Einspritzvorrichtung 100 zugeführt. Dieser Kraftstoff kommt durch einen inneren Durchgang des Kraftstoffdurchgangselements 120, des Hauptkörpergehäuses 110 und des Düsenelements 130 an der Verwirbelungsvorrichtung 230 an und wird von der Einspritzbohrung 170 nach außen eingespritzt, während ein Ventilelement 180 durch die Speisung der elektromagnetischen Spule 220 von der Ventilsitzfläche 160 weggezogen wird, um das Ventil zu öffnen. Dieser Kraftstoffnebel wird zu einer Drehströmung um die Mittelachse der Einspritzbohrung 170, indem von der Verwirbelungsvorrichtung 230 Rotationsenergie verliehen wird, und ist kegelförmig, wie in 6 durch eine gestrichelte Linie F gezeigt ist. Das Maß der Kraftstoffeinspritzung in dieser Einspritzvorrichtung 100 wird in Abhängigkeit von der Öffnungszeit des Ventilelements 180, also der Versorgungszeit der elektromagnetischen Spule 220, bestimmt.
7 ist eine vergrößerte Ansicht der Einspritzvorrichtung 100 gemäß dieser Ausführungsform.
In der Einspritzvorrichtung 100 ist die Mittelachse E der Einspritzbohrung 170 in Bezug auf die Mittelachse C eines Ventilelements 180 um den festen Ablenkwinkel β (der gleich der Achsenmitte der Einspritzvorrichtung 100 ist) geneigt, wobei an dem spitz zulaufenden Ende der Einspritzbohrung 170 ein Stufenunterschied 250 gebildet ist.
Hier ist der Stufenunterschied 250 eine so genannte L-Stufe und mit zwei Flächen 250A und 250B ausgebildet, die parallel zueinander sind, wobei das spitz zulaufende Ende, das in dem spitz zulaufenden Abschnitt (Austrittsteil) der Einspritzbohrung 170 vorhanden ist, den Stufenunterschied in Richtung der Mittelachse E der Einspritzbohrung 170 aufweist.
Wenn die Mittelachse E der Einspritzbohrung 170 in Bezug auf die Mittelachse C des Ventilelements 180 um den Ablenkwinkel β geneigt ist, d. h., wenn die Einspritzbohrung 170 nicht parallel zur Achsenmitte der Einspritzvorrichtung 100 angeordnet ist und das spitz zulaufende Ende der Einspritzbohrung 170 auf der Seite ausgebildet ist, die nahezu senkrecht zur Mittelachse E der Einspritzbohrung 170 ist, wird der Kraftstoffnebel F zur Achsenmitte der Einspritzvorrichtung 100 abgelenkt und wird die Eindringlänge des Kraftstoffnebels F ungleichmäßig (L1/L2 ≠ 1).
Das Strömen des Kraftstoffs, der von Seiten der Ventilsitzfläche 160 in die Einspritzbohrung 170 strömt, wird in Richtung der Ablenkung erleichtert und in der Richtung, die zur Ablenkung entgegengesetzt ist, nicht erleichtert, weil die Einspritzbohrung 170 in Bezug auf die Achsenmitte der Einspritzvorrichtung 100 geneigt ist. Im Ergebnis wird die Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit des Kraftstoffs, der durch die Einspritzbohrung 170 strömt, in axialer Richtung der Einspritzbohrung 170 unterschiedlich.
Kurz gesagt, die Differenz in der Strömungsgeschwindigkeitsverteilung des Kraftstoffs, der durch die Einspritzbohrung 170 strömt, erzeugt eine ungleichmäßige Eindringlänge des Kraftstoffnebels F.
Da die Verwirbelungsvorrichtung 230 als Teil, das dem Kraftstoff Rotationsenergie verleiht, in der Einspritzvorrichtung 100 vorgesehen ist, wird dem Kraftstoff, der durch die Einspritzbohrung 170 strömt, die Rotationsenergie verliehen. Deshalb wird in einem Teil P, der von der mittleren Lage versetzt ist, derjenige Bereich erzeugt, in dem die Eindringlänge des von der Einspritzbohrung 170 eingespritzten Kraftstoffnebels F am größten ist, wie in 8A und 8B (im A-A-Schnitt 5 von 7) gezeigt ist.
Es wird möglich, die beste Verbrennung bei geringstem Kraftstoff zu erhalten, indem der Bereich P, in dem die Eindringlänge des Kraftstoffnebels F am größten ist, in Richtung der Zündkerze in dem Benzinmotor des Zylindereinspritzungstyps, in dem die Schichtladungsverbrennung ausgeführt wird, gedreht wird.
Dann wird die Position, bei der die Eindringlänge des Kraftstoffnebels F am größten ist, durch Einstellen der Länge L der Achse der Einspritzbohrung 170 frei erhalten. Im Ergebnis kann die beste Verbrennbarkeit erhalten werden.
Die Beziehung zwischen der Eindringlänge des Kraftstoffnebels F und der Position, bei der die Länge L der Achse der Einspritzbohrung 170 am längsten ist, ist erläutert worden.
Der Kraftstoff, dem durch die Verwirbelungsvorrichtung 230 RRC verliehen worden ist, geht durch die Ventilsitzfläche 160 und strömt in die Einspritzbohrung 170.
Das Strömen des Kraftstoffs, der in die Einspritzbohrung 170 strömt, wird in Richtung der Ablenkung erleichtert und in der Richtung, die zur Ablenkung entgegengesetzt ist, nicht erleichtert, weil die Einspritzbohrung 170 nicht parallel zur Achsenmitte C der Einspritzvorrichtung 100 angeordnet ist (Schräganordnung).
Da sich eine hohe Strömungsgeschwindigkeit und eine niedrige Strömungsgeschwindigkeit mit der Strömungsgeschwindigkeit in axialer Richtung der Einspritzbohrung 170 des Kraftstoffs, der durch die Einspritzbohrung 170 strömt, vermischen, wird die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung ungleichmäßig. Die axial hohe Strömungsgeschwindigkeit und die axial niedrige Strömungsgeschwindigkeit, die in die Einspritzbohrung 170 eingehen, erreichen den Austritt der Einspritzbohrung 170 unter Drehung nach rechts, da dem Kraftstoff stets eine Rechtsdrehenergie verliehen wird.
Kurz gesagt, der Langeindringteil des Kraftstoffnebels F wird durch den Teil mit der axial hohen Strömungsgeschwindigkeit in der Einspritzbohrung 170, der von dem Austritt der Einspritzbohrung 170 eingespritzt wird, gebildet. An welcher Position dieser Langeindringteil des Kraftstoffnebels F festgelegt wird, hängt davon ab, an welcher Position der Teil mit der axial hohen Strömungsgeschwindigkeit, der sich stets in der Einspritzbohrung 170 dreht, von dem Austritt der Einspritzbohrung 170 eingespritzt wird.
Dies (an welcher Position der Teil mit der axial hohen Strömungsgeschwindigkeit, der sich stets in der Einspritzbohrung 170 dreht, von dem Austritt der Einspritzbohrung 170 eingespritzt wird) wird bestimmt, indem die Länge L der Achse der Einspritzbohrung 170 eingestellt oder festgelegt wird und die Länge des Strömungspfads der Einspritzbohrung 170 eingestellt wird (d. h., der Drehwinkel des Kraftstoffs zum Austritt der Einspritzbohrung eingestellt wird). Im Ergebnis wird es möglich, den Langeindringbereich P des Kraftstoffnebels F um die Mittelachse in dem A-A-Schnitt von 2 (Festlegung von der Düsenseite her) zu verschieben, wie in den 8A und 8B gezeigt ist.
Die Länge L der Achse der Einspritzbohrung 170 kann entsprechend dem Kürzungsmaß Tc bei der Zerspanarbeit an dem spitz zulaufenden Ende der Einspritzbohrung willkürlich festgelegt werden. Unter der Annahme, dass sich der Langeindringteil des Kraftstoffnebels F um etwa 8 Grad (Festlegung von der Düsenseite her) pro Kürzungsmaß Tc von 0,1 mm in dem A-A-Schnitt dreht, ist die Beziehung zwischen dem Drehwinkel Pdeg der Eindringung und dem Kürzungsmaß Tc durch den folgenden Ausdruck (1) gezeigt. (π·D)Pdeg = {Tc·tg(θ/2) = /360
In dem obigen Ausdruck (1) sind θ ein Hauptsprühwinkel des Kraftstoffnebels F, π eine Kreiskonstante und D eine Durchmessergröße der Einspritzbohrung 170.
Kurz gesagt, um beim Entwurf des Kraftstoffnebels F die erforderliche Fließmenge und den Hauptsprühwinkel θ zu bestimmen, werden die Daten Durchmessergröße D der Einspritzbohrung 170, Länge L der Achse und die Verwirbelungsvorrichtung 230, die dazu beiträgt, dem Kraftstoff die Rotationsenergie zu verleihen, bestimmt. Gleichzeitig kann die Position des Langeindringteils des Kraftstoffnebels F durch Verwendung des Ausdrucks zum Erhalten des Drehwinkels Pdeg der Eindringung frei festgelegt werden.
Das heißt, dass ein Langeindringteil (der konzentrierte Teil der Fließmenge) in dem Schnitt eines bestimmten Kraftstoffnebels (A-A-Schnitt in der Ausführungsform) auf den willkürlichen Winkel von 360 Grad eingestellt werden kann. Im Ergebnis wird es möglich, den Langeindringteil des Kraftstoffnebels F ohne Beschränkung für den Einbau der Einspritzvorrichtung 100 auf eine Position festzulegen, bei der die Verbrennungsleistung am besten ist.
Ein Langeindringteil kann gemäß dieser Ausführungsform in der gewünschten Richtung frei gedreht werden, indem die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung der Kraftstoffnebelform gesteuert wird. Da die Anzahl von Umdrehungen (Ausmaß der Drehung), bis der Einspritzbohrungsaustritt erreicht wird, durch Einstellen der Länge L der Achse der Einspritzbohrung 170 eingestellt werden kann, ist es möglich, den Langsprühstrahl-Eindringteil in die beliebig vorgegebene Richtung zu drehen.
Da der Stufenunterschied 250 an dem spitz zulaufenden Ende der Einspritzbohrung 170 (Austrittsseite) ausgebildet ist, kann ein Lang-Kraftstoffsprühstrahl-Eindringteil (der im folgenden Voreilungs-Kraftstoffnebel genannt wird) weiter hervorgehoben werden.
Die Erfinden stellten fest, dass sich der Voreilungs-Kraftstoffnebel durch Festlegen des Stufenunterschieds 250 verstärkt und die Eindringung lang wird. Jedoch wurde als weitere Eigenschaft das Phänomen beobachtet, dass der Voreilungs-Kraftstoffnebel unter Hochtemperatur-Hochdruck (beispielsweise bei atmosphärischer Temperatur von 160°C und atmosphärischem Druck von 0,5 MPa) verschwindet. Die Bedingung unter Hochtemperatur-Hochdruck wird unter der Annahme, dass der Kraftstoff beim Kompressionshub des Motors eingespritzt wird, aufgestellt.
9 zeigt eines der oben erwähnten Beispiele.
9 zeigt das Vergleichsbeispiel des Kraftstoffnebels von der Einspritzvorrichtung 100, die mit der Düsenplatte mit einer Einspritzbohrung mit großer axialer Länge (La) versehen ist, und jenes von der Einspritzvorrichtung 100 mit einer Einspritzbohrung mit kleiner axialer Länge (Lb).
Bei dem Kraftstoffnebel von der Einspritzbohrung mit der axialen Länge La wird bei normaler Temperatur und atmosphärischem Druck eine lange Eindringung beobachtet, wobei der Voreilungs-Kraftstoffnebel unter Hochtemperatur-Hochdruck bleibt.
Andererseits ist der Voreilungs-Kraftstoffnebel bei normaler Temperatur und atmosphärischem Druck kurz, wobei der Voreilungs-Kraftstoffnebel unter Hochtemperatur-Hochdruck in dem Kraftstoffnebel von der Einspritzbohrung mit der axialen Länge Lb verschwunden ist.
Der Mechanismus, der dieses Phänomen hervorruft, wird als folgen der angesehen.
Der Stufenunterschied an dem spitz zulaufenden Ende der Einspritzbohrung bewirkt die Ablenkung der Fließmengenverteilung des Kraftstoffnebel an dem Austrittsteil der Einspritzbohrung, wobei das Muster des eingespritzten Kraftstoffnebels im Ergebnis mit dem konzentrierten Teil der Fließmenge teilweise eine ungleichmäßige Verteilung bildet.
Falls die Mittelachse der Einspritzbohrung 170 mit der Mittelachse der Einspritzvorrichtung 100 konzentrisch ist, wird der Kraftstoff, dem durch die Verwirbelungsvorrichtung 230 die Rotationsenergie verliehen wird, unter Drehung in der Einspritzbohrung 170 gleichmäßig verteilt und vom Austritt eingespritzt.
Die Position, an der der Stufenunterschied 250 gebildet ist, der Winkel und die Länge der Einspritzbohrung können bei der gleichmäßigen Verteilung der Fließmenge willkürlich festgelegt werden.
Andererseits wird, wie oben erwähnt worden ist, die Abweichung der Fließmengenverteilung in der Einspritzbohrung 170 hervorgerufen, falls die Mittelachse der Einspritzbohrung 170 um den Ablenkwinkel β in Bezug auf die Mittelachse C der Einspritzvorrichtung 100 geneigt ist.
Sie arbeiten synergetisch (überlagern sich), wenn sich ein tiefer Teil der Fließmengenverteilung mit dem Einfluss des Stufenunterschieds überlappt, wie in 9 auf der linken Seite gezeigt ist (La: lang).
Ferner wird angenommen, dass sie den Zustand, in dem sie sich kompensieren, einnehmen, wenn sich ein leichter Teil der Fließmengenverteilung mit dem Einfluss des Stufenunterschieds überlappt, wie in 9 auf der rechten Seite gezeigt ist (La: kurz).
Deshalb ist es möglich, die Stärke des Voreilungs-Kraftstoffnebels durch Kombinieren der Ablenkungsdüsentechnik mit der Stufenunterschied-Düsentechnik frei einzustellen und den Voreilungs-Kraftstoffnebel unter Hochtemperatur-Hochdruck aufzuheben oder beizubehalten.
Durch Anwendung dieser Technik kann unter Hochtemperatur-Hochdruck ein weiter Sprühwinkel, den der Voreilungs-Kraftstoffnebel einschließt, erhalten werden, wobei der Voreilungs-Kraftstoffnebel unter Hochtemperatur-Hochdruck verschwindet und ein kleiner Sprühwinkel erzielt werden kann. Im Ergebnis kann eine Einspritzvorrichtung 100 mit variablem Sprühwinkel geschaffen werden.
Um die Einspritzvorrichtung 100 an den Motor anzupassen, kann die Länge der Achse der Einspritzbohrung 170 auf die Länge (L + Lc), die das Einstellmaß als erstes Produkt hat, eingestellt werden.
Die Form des spitz zulaufenden Endes der Einspritzbohrung 170 des ersten Produkts ist beispielsweise eine Halbkugel mit dem Kugeldurchmesser (L + Lc), wie in 2 durch eine virtuelle Linie gezeigt ist.
Durch Ausführen der Zerspanarbeit mit festgelegter Genauigkeit an dem spitz zulaufenden Ende (Halbkugelteil) der Einspritzbohrung 170 des ersten Produkts werden die Länge der Achse der Einspritzbohrung 170, die Form des Stufenunterschieds 250 des spitz zulaufen den Endes der Einspritzbohrung und die Richtung des Stufenunterschieds 250 zur Ablenkrichtung der Einspritzbohrung 170 eingestellt, um ein zweites Produkt zu bilden. Im Ergebnis kann die Einspritzvorrichtung 100 kurzfristig und mit Allgemeingültigkeit und Verschiedenartigkeit an den Motor angepasst werden.
10A und 10B zeigen die Brennkraftmaschine des Zylindereinspritzungstyps (Benzinmotor), an der die Einspritzvorrichtung 100 gemäß der oben erwähnten Konfiguration angebracht ist.
In 10A und 10B bezeichnen 510 einen Zylinderblock, 520 einen Zylinderkopf, 530 einen Kolben, 540 eine Verbrennungskammer (Zylinder), 550 eine Zündkerze und 560 ein Einlassventil und 570 ein Abgasventil. Bei der in der Figur gezeigten Brennkraftmaschine des Zylindereinspritzungstyps ist der Einstellwinkel der Einspritzvorrichtung 100 (Winkel α von der Horizontalen bis zu Achsenmitte C der Einspritzvorrichtung) ein kleiner Winkel (etwa 20 Grad). Außerdem ist die Achsenmitte E der Einspritzbohrung zum Einspritzen von Kraftstoff in die Verbrennungskammer 540 in Bezug auf die Achsenmitte C der Einspritzvorrichtung 100 um β Grad geneigt.
Bei der in 10A gezeigten Brennkraftmaschine des Zylindereinspritzungstyps weist die Richtung der Düsenablenkung zur Zündkerzenseite. Andererseits weist die Richtung der Düsenablenkung bei der in 1013 gezeigten Brennkraftmaschine des Zylindereinspritzungstyps zur Kolbenoberseite. Wenn der Winkel, der durch die Linie, die die Position des spitz zulaufenden Spalts der Zündkerze 550 und die Position des Düsenpunkts verbindet, und die Horizontale gebildet wird, als γ angenommen wird, liegt die Ablenkrichtung der Düse im Bereich des Winkels zwischen der Achsenmitte C der Einspritzvorrichtung 100 und γ. Das heißt, dass der Ablenkwinkel β im dem Bereich, für den 0 < β < (α + γ) gilt, festgelegt werden kann.
Bei dieser Konfiguration wird anhand von 11A und 11B das Verhalten des Kraftstoffnebels in der Motor-Verbrennungskammer bei jedem Betriebszustand erläutert.
Es ist erforderlich, den Kraftstoff ausreichend mit Luft zu vermischen, um das homogene Luft-/Kraftstoffgemisch zu bilden, wenn der Kraftstoff durch das Steuersignal von einer (nicht gezeigten) Motorsteuereinheit beim Einlasshub eingespritzt wird. Deshalb wird der Kraftstoff bei dem großen Sprühwinkel, der den Voreilungs-Kraftstoffnebel Fa umfasst, wie in 11A gezeigt ist, eingespritzt. Bei der homogenen Gemischformation, d. h. bei der homogenen Verbrennung, wird der Voreilungs-Kraftstoffnebel Fa in Richtung des Kolbens 53 eingespritzt.
Andererseits ist es erforderlich, das Schichtladungs-Luft-/Kraftstoffgemisch zu bilden, bei dem das Luft-/Kraftstoffgemisch auf die Umgebung der Zündkerze 550 zentralisiert wird, wenn der Kraftstoff beim Kompressionshub eingespritzt wird. Die Temperatur und der Druck der Verbrennungskammer während des Kompressionshubs steigen entsprechend dem Anstieg des Kolbens 530 an, wie in 12 gezeigt ist. Bei 30 Grad vor dem oberen Totpunkt (TDC = top dead center) beispielsweise beträgt die Temperatur etwa 300°C, während der Druck etwa 8 bar beträgt. Wenn der Kraftstoff bei einer solchen hohen Temperatur und einem solchen hohen Druck eingespritzt wird, verschwindet deshalb, wie anhand von 9 erläutert wird, der Voreilungs-Kraftstoffnebel Fa in Richtung des Kolbens 530, wobei die in 11B gezeigte Kraftstoffnebelform erhalten wird.
Da die Achsenmitte E der Einspritzbohrung 170 nicht parallel zur Mitte C der Einspritzvorrichtung geneigt ist und in Richtung der Kerze 550 gerichtet ist, wird der Haupt-Kraftstoffnebel, der einen tiefen Teil der Fließmengenverteilung umfasst, in Richtung der Kerze eingespritzt, wobei eine Schichtladung um die Kerze gebildet wird. Gleichzeitig ist es wünschenswert, für die Unterstützung des (nicht gezeigten) Luftstroms, etwa als Taumel oder Wirbel, zu sorgen.
Im Stand der Technik wird das Steuersignal ausgegeben, um die Einspritzmenge zu erhöhen, wenn durch eine (nicht gezeigte) Motorsteuereinheit bestimmt wird, dass die Steuermenge der Beschleunigungsvorrichtung zu groß ist und das geforderte Drehmoment groß ist. Jedoch tritt das Problem auf, dass die Haftung von Kraftstoff am Kolben zunimmt und Rauch auftritt. Da bei dieser Ausführungsform die Einspritzmenge in Richtung der Achsenmitte der Einspritzbohrung 170 zunimmt, wenn die Einspritzmenge zunimmt, kann das Ausmaß der Haftung des Kraftstoffs am Kolben gesenkt und der Rauchausstoß verhindert werden.
Da die Geschwindigkeit des in Richtung der Kerze eingespritzten Haupt-Kraftstoffnebels langsamer als jene des Voreilungs-Kraftstoffnebels ist, wird ferner ein Diffundieren des Kraftstoffnebels verhindert, während der Schichtladungsgrad (Konzentrationsgrad für die Zündkerzenumgebung) zunimmt. Im Ergebnis kann die Menge der EGR (Exhaust gas Recirculation = Abgasrückführung) erhöht werden und können sowohl der Kraftstoffverbrauch als auch NOx gesenkt werden.
13 zeigt das Ergebnis. Die EGR-Rate von etwa 20% ist der herkömmliche Grenzwert, da die Verbrennung instabil wird, wenn die EGR in großem Maße eingeführt wird. Dies ist dadurch begründet, dass das Luft-/Kraftstoffgemisch mit EGR-Gas verdünnt ist und sich der Schichtladungsgrad verschlechtert. Die Einspritzvorrichtung 10 gemäß dieser Ausführungsform wurde für Versuchszwecke angefertigt, wobei nach der Leistungsvalidierung untersucht wurde. Im Ergebnis wurde bestätigt, dass es möglich war, die EGR-Rate durch Einstellen des Luft-/Kraftstoffverhältnisses um bis zu 45% zu erhöhen, wobei die Ausstoßmenge an NOx gesenkt wurde.
Außerdem macht die Emissionszunahme von HC (Kohlenwasserstoff) Sorgen, da der Voreilungs-Kraftstoffnebel Fa in Richtung des Kolbens 530 und in der in 11A gezeigten Einspritzform eingespritzt wird. Genauer, es ist erforderlich, die Menge an vom Motor abgegebenem HC zu senken, da die Temperatur des Katalysators niedrig ist und die angemessene Reinigungsleistung nicht sofort nach dem Anlassen des Motors erzielt wird.
Wenn die Leistungsvalidierung von einem solchen Gesichtspunkt aus erfolgte, wurden die in 14A bis 14C gezeigten Ergebnisse erhalten. Als Betriebsbedingungen betrugen die Motordrehzahl 1400 min^–1, wodurch der Leerlauf unmittelbar nach dem Anlassen nachgebildet ist, das Wellendrehmoment 20 Nm. das Luft-/Kraftstoffverhältnis 14,7 und die Wassertemperatur = Öltemperatur = 30°C, wobei ein Vierzylindermotor mit 1,8 l verwendet wurde.
Das Bild des Kraftstoffnebelmusters in der Verbrennungskammer wurde in dem unteren Teil zusammengefasst gezeigt.
Aus diesem Ergebnis lässt sich schließen, dass die Größe und die Kleinheit der Einspritzung in Richtung des Kolbens nicht so sehr mit dem Kohlenwasserstoffausstoß zusammenhängen.
15 zeigt das Ergebnis der Zusammenfassung vom Gesichtspunkt der Eindringung in Richtung der Verbrennungskammer aus. Die Eindringung in Richtung der Verbrennungskammer wurde durch Verwendung der Kraftstoffnebelphotographie gemessen, die 1,3 s nach Beginn der Einspritzung aufgenommen wurde, wobei der Kraftstoff an die Umgebung unter atmosphärischem Druck und der Bedingung eines Kraftstoffdrucks von 7 MPa und einer Einspritzmenge von 12,5 mcc/Mal eingespritzt wurde.
Aus diesem Ergebnis lässt sich schließen, dass der Hauptfaktor für den Ausstoß von HC als Kraftstoffkomponente angenommen werden darf, die an der Verbrennungskammerwand auf der der Einspritzposition der Einspritzvorrichtung gegenüberliegenden Seite haften bleibt, wobei die Konfiguration dieser Ausführungsform (die in 10A gezeigte Konfiguration) wirksam im Absenken der HC-Ausstoßmenge unmittelbar nach dem Anlassen ist.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Ausführungsform begrenzt, obwohl eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Detail erläutert worden ist.
Beispielsweise kann die axiale Länge L der Einspritzbohrung 17 der Einspritzvorrichtung 10 durch Zerspanarbeit an dem spitz zulaufenden Ende der Einspritzbohrung bei dieser Ausführungsform willkürlich festgelegt werden. In diesem Fall ist die Bearbeitung nicht auch die Zerspanarbeit begrenzt und kann durch eine andere Bearbeitung wie etwa Pressarbeit ausgeführt sein.
Die Einspritzvorrichtung, die die Länge des Kraftstoffnebels steuern kann, kann gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, wie aus der obigen Erläuterung hervorgeht. Ferner kann die Ablenkungseinspritzung entsprechend dem Ablenkwinkel durch Neigen der Mittelachse der Einspritzbohrung in Bezug auf die Mittelachse des Ventilkörpers um den festen Ablenkwinkel ausgeführt werden. Deshalb kann der Kraftstoffnebeleindringung-Konzentrationsbereich bei der willkürlichen Position um die Mittelachse der Einspritzbohrung durch Festlegen der Länge der Achse der Einspritzbohrung zusammen mit der Rotationseinspritzung festgelegt werden.
Darüber hinaus können die Kraftstoffnebelform und die Kraftstoffnebelverteilung durch den Stufenunterschied an dem spitz zulaufenden Ende der Einspritzbohrung eingestellt werden. Die Wirkungen, die von dieser Einstellung abhängen, sind durch Kombinieren dieser Einstellung synergetisch oder kompensierend. Deshalb können alle Daten wie etwa die Richtung und die Form des Kraftstoffnebels, die Eindringlänge und das Vorhandensein oder das Fehlen von Voreilungs-Kraftstoffnebel des Kraftstoffs verschieden festgelegt werden. Das heißt, dass das Kraftstoffeinspritzventil gemäß dieser Erfindung einen hohen Freiheitsgrad, durch den alle diese Daten in einen optimalen Zustand versetzt werden, der für die Brennkraftmaschine eines jeden Modells geeignet ist, und starke Allgemeingültigkeit besitzt.
Außerdem kann das Kraftstoffeinspritzventil, bei dem die Form und die Richtung des Stufenunterschieds an dem spitz zulaufenden Ende der Einspritzbohrung und die axiale Länge der Einspritzbohrung an die Brennkraftmaschine angepasst sind, entsprechend der Brennkraftmaschine des Zylindereinspritzungstyps gemäß der vorliegenden Erfindung festgelegt werden.
Die verschiedenen Komponenten der oben gezeigten Ausführungsformen können in jeder geeigneten Weise kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen, durch die die Erfindung in die Praxis umgesetzt wird, zu konfigurieren.
Alle Daten wie etwa die Richtung und die Form des Kraftstoffnebels, die Eindringlänge und das Vorhandensein oder das Fehlen von Voreilungs-Kraftstoffnebel des Kraftstoffs werden zu jenen, die einer relativen Position zwischen der Zündkerze und dem Kraftstoffeinspritzventils, dem Verbrennungssystem, der Verbrennungskammerform usw. entsprechen. Im Ergebnis können die Verbrennungsleistung, die Kraftstoffersparnis und die Abgasleitung verbessert werden.
Außerdem können die Länge der Achse der Einspritzbohrung und die Form und die Richtung des Stufenunterschieds des spitz zulaufenden Endes der Einspritzbohrung durch Zerspanarbeit oder Pressarbeit an dem spitz zulaufenden Ende der Einspritzbohrung des ersten Produkts bei dem Verfahren zur Herstellung des Kraftstoffeinspritzventils gemäß der vorliegenden Erfindung willkürlich festgelegt werden. Deshalb können alle Daten des Kraftstoffs im Verhältnis zum Modell der Brennkraftmaschine individuell optimiert werden, was für die Zeit der Herstellung des zweiten Produkts gilt.

Claims

Kraftstoffeinspritzventil, dessen Einspritzbohrung (11; 170) durch ein Ventilelement (7; 180), das sich in Achsenrichtung verschiebt, geöffnet und geschlossen wird, wobei dem Kraftstoff, der von der Einspritzbohrung (11; 170) eingespritzt wird, durch ein Kraftstoffrotationsmittel (8; 230) Rotationsenergie um die Mittelachse E der Einspritzbohrung verliehen wird, wobei die Mittelachse E der Einspritzbohrung (11; 170) in Bezug auf die Mittelachse C des Ventilelements um den festen Ablenkwinkel geneigt ist und wobei der Stufenunterschied (250) an dem spitz zulaufenden Ende der Einspritzbohrung (11; 170) ausgebildet ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, bei dem der Stufenunterschied an dem spitz zulaufenden Ende der Einspritzbohrung (11; 170) beiderseitig parallel zur Ebene mit dem willkürlichen Neigungswinkel in Bezug auf die Mittelachse der Einspritzbohrung (11; 170) ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das spitz zulaufende Ende der Einspritzbohrung (11; 170) durch Zerspanarbeit oder Pressarbeit entstanden ist.
Brennkraftmaschine mit Zylindereinspritzung, die mit einem Kraftstoffeinspritzventil (1; 100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 versehen ist.
Verfahren zur Herstellung eines Kraftstoffeinspritzventils (1; 100), dessen Einspritzbohrung (11; 170) durch ein Ventilelement (7; 180), das sich in Achsenrichtung verschiebt, geöffnet und geschlossen wird, wobei dem Kraftstoff, der von der Einspritzbohrung (11; 170) eingespritzt wird, durch ein Kraftstoffrotationsmittel (8; 230) Rotationsenergie um die Mittelachse der Einspritzbohrung (11; 170) verliehen wird, wobei die Mittelachse E der Einspritzbohrung (11; 170) in Bezug auf die Mittelachse C des Ventilelements (7; 180) um den festen Ablenkwinkel B geneigt ist und der Stufenunterschied (250) an dem spitz zulaufenden Ende der Einspritzbohrung (11; 170) ausgebildet ist, wobei ein erstes Produkt durch Einstellen der Länge der Achse der Einspritzbohrung (11; 170) zu der Länge der Achse, die das Einstellmaß enthält, gebildet ist und wobei ein zweites Produkt durch Bearbeiten des spitz zulaufenden Endes der Einspritzbohrung (11; 170) des ersten Produkts und durch Einstellen der Länge der Achse der Einspritzbohrung (11; 170), der Stufenunterschiedsform des spitz zulaufenden Endes der Einspritzbohrung (11; 170) und der Richtung des Stufenunterschieds (250) zur Ablenkrichtung der Einspritzbohrung (11; 170) gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Kraftstoffeinspritzventils nach Anspruch 5, bei dem die Bearbeitung am spitz zulaufenden Ende der Einspritzbohrung (11; 170) durch Zerspanarbeit oder Pressarbeit ausgeführt wird.