DE19712112A1

DE19712112A1 - Brennstoffeinspritzventil

Info

Publication number: DE19712112A1
Application number: DE19712112A
Authority: DE
Inventors: Rainer Norgauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-03-22
Filing date: 1997-03-22
Publication date: 1998-09-24
Also published as: WO1998042979A1

Description

Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei dieser bekannten Bauart handelt es sich um eine übliche Bauweise, wie sie z. B. in der US 4,520,962 oder US 5,199,648 beschrieben sind. Ein solches Brennstoffeinspritzventil weist im Düsenkörper eine Ventilsitzfläche auf, an die sich stromabwärts eine Abspritzöffnung anschließt. Die Ventilsitzfläche wirkt mit einem Ventilschließkörper zusammen, der zwischen einer an ihr anliegenden Schließstellung und eine davon abgehobenen Offenstellung bewegbar ist. Zum Öffnen und Schließen des so gebildeten Ventils dient ein elektromagnetischer Antrieb, der die Bewegung des Ventilschließkörpers steuert. Außerdem ist dem Brennstoffeinspritzventil eine Einrichtung zum Erzeugen einer Drallströmung für den durch die Abspritzöffnung strömenden Brennstoff zugeordnet, die z. B. durch wendelförmige Kanäle in einem zylindrischen Ventilschließkörper (US 4,520,962) oder in einem kugelförmigen Ventilschließkörper (US 5,199,648) gebildet sein kann. Das Strahlbild des aus der Abspritzöffnung austretenden Brennstoffs ergibt sich aus der Form des Ventilschließkörpers und der Anordnung und Form der Abspritzöffnung.

Um eine möglichst vollständige Verbrennung zu erreichen, ist eine intensive Vermischung des Brennstoff/Luft-Gemisches erforderlich.

In der DE 39 43 005 A1 ist ein Brennstoffeinspritzventil mit einem plattenförmigen Ventilschließkörper beschrieben. Dem Spritzloch ist stromaufwärts eine Kammer vorgeordnet, zu der sich tangential mehrere Brennstoffzuführungskanäle erstrecken. Hierdurch erhält der austretende Brennstoffstrahl eine Rotationsbewegung, wodurch eine bessere Brennstoffvergasung erreicht werden soll. In einem Ausführungsbeispiel dieser Druckschrift weist die Abspritzöffnung an ihrem Mündungsende eine konische Erweiterung auf.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß zum einen eine intensive Vermischung des Brennstoff/Luft-Gemisches erreicht wird und zum anderen das Brennstoff/Luftverhältnis günstig beeinflußt und optimiert wird. Im Bereich der Abspritzöffnung münden radial einwärts ein oder mehrere Kanäle, die Luft aus dem Brennraum in die Abspritzöffnung einsaugen. Hierdurch findet im Bereich der Abspritzöffnung eine Vorvermischung des. Brennstoffs mit der eingesaugten Luft statt und zwar insbesondere im Mantelbereich der vorhandenen Brennstoffströmung. Diese Vorvermischung setzt sich im Bereich des austretenden Brennstoffstrahls fort und zwar ebenfalls insbesondere in dessen Mantelbereich, was aus folgenden Gründen günstig ist. Aufgrund der Drallströmung und der daraus resultierenden Fliehkraftwirkung wird im Bereich der Vermischung des Brennstoffs mit der Luft im Brennraum der Brennstoff zur Mantelfläche des Brennstoffstrahls hin gedrängt, wodurch sich im Mantelbereich ein fetteres Brennstoff/Luft-Gemisch bildet. Dieses fettere Gemisch wird durch die im Mantelbereich eingesaugte und eingemischte Luft im Sinne eines optimalen Brennstoff/Luft-Gemisches abgemagert. Es werden somit ein gleichmäßigeres Gemisch und eine verbesserte Verbrennung erreicht.

Es wird jedoch auch durch die radiale Einsaugung der Luft die Vermischung des Brennstoffs mit der eingesaugten Luft und der Luft im Brennraum intensiviert und forciert. Bereits hierdurch werden eine Verbesserung der Brennstoff-Aufbereitung und eine optimale Verbrennung erreicht.

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

Es ist vorteilhaft, die Abspritzöffnung wenigstens in einem stromabwärtigen Bereich in der stromabwärtigen Richtung divergent auszubilden, vorzugsweise in Form eines Kegels. Durch eine solche Abspritzöffnungsausgestaltung wird der Strahlwinkel des aus der Abspritzöffnung austretenden divergenten Brennstoffstrahls stabilisiert. Liegt die Strahl-Strömung im kegelförmigen Bereich der Abspritzöffnung an dessen Wandung an, wird durch die Reibung der Drall und damit der Strahlwinkel verkleinert. Liegt die Strömung im kegelförmigen Bereich nicht an, vergrößert sich der Strahlwinkel durch den Coanda- Effekt (Unterdruck im wandnahen Bereich). Der Strahlwinkel gleicht sich somit dem sehr genau herstellbaren Kegelwinkel der Abspritzöffnung an. Es zeigt sich somit, daß an die Einrichtung zum Erzeugen einer Drallströmung keine hohen Anforderungen gestellt werden müssen, um den vorgegebenen Strahlwinkel zu erhalten. Es kann vielmehr eine gewisse Toleranz vorhanden sein, so lange sich der Strahlwinkel selbsttätig an den Kegelwinkel der Abspritzöffnung angleicht.

Die erfindungsgemäße Einsaugung von Luft aus dem Brennraum eignet sich vorzüglich in Kombination mit einer wenigstens endseitigen konischen Erweiterung der Abspritzöffnung. Bei dieser Kombination findet die bereits erwähnte Forcierung der Vermischung des Brennstoff/Luft-Gemisches insbesondere an der Mantelfläche des Strahlwinkels verstärkt statt. Dies läßt sich dadurch erklären, daß durch die Divergenz im Bereich der Erweiterung sowohl die Einführung der Luft als auch die Reibung des strömenden Brennstoffstrahls an der divergenten Erweiterung die angestrebte Vermischung weiter intensiviert.

Die Mündungsöffnung des wenigstens einen, die Luft aus dem Brennraum zuführenden Kanals ist vorzugsweise im Übergangsbereich zur divergenten Erweiterung der Abspritzöffnung oder in deren Anfangsbereich angeordnet.

Es ist im weiteren vorteilhaft, die divergente Erweiterung der Abspritzöffnung in einem Vorsatz des Düsenkörpers anzuordnen, der lösbar oder unlösbar mit dem Düsenkörper verbunden sein kann. In dem Vorsatz läßt sich der wenigstens eine Kanal zur Einführung von Luft aus dem Brennraum leichter und einfacher herstellen, insbesondere vorfertigen. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, den Vorsatz vom Düsenkörper thermisch zu entkoppeln, so daß der Vorsatz sich durch die Verbrennungswärme vermehrt aufheizt und eine Vor-Verdampfung des Brennstoffs bewirkt, wodurch die Aufbereitung zusätzlich verbessert wird.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen axialen Schnitt durch den Endbereich eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils, der dem Brennraum einer Brennkraftmaschine zugewandt ist, und Fig. 2 den erfindungsgemäßen Endbereich eines Brennstoffeinspritzventils in abgewandelter Ausgestaltung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Von dem in Fig. 1 beispielsweise dargestellten elektromagnetisch betätigbaren Brennstoffeinspritzventil ist lediglich der dem Brennraum zugewandte Endbereich dargestellt, da die übrige Ausgestaltung üblichen Bauweisen entsprechen kann und deshalb aus Vereinfachungsgründen nicht dargestellt ist.

Das Brennstoffeinspritzventil 1 eignet sich für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen, vorzugsweise für eine Benzin-Hochdruck-Direkteinspritzung, und weist einen Düsenkörper 2 auf, der zumindest in seinem dargestellten Endbereich zylindrisch oder stufenzylindrisch ausgebildet ist. Dieses Ende des Brennstoffeinspritzventils 1 wird im folgenden als abspritzseitiges Ende 3 bezeichnet. Es kann in den mit der Bezugszahl 4 angedeuteten Brennraum der Brennkraftmaschine hineinragen oder mit seiner abspritzseitigen Stirnfläche 5 mit der Innenwand des Brennraums 4 abschließen. Zur Befestigung in der Wandung des nicht dargestellten Brennkraftmaschinen-Zylinders kann der Düsenkörper 2 oder ein äußeres Anbauteil desselben ein Gewinde aufweisen, mit dem er bzw. es in den Zylinder eingeschraubt ist, wobei mittels einer ebenfalls nicht dargestellten, den Düsenkörper 2 umgebenden Ringdichtung die erforderliche Abdichtung gewährleistet ist.

Im rohrförmigen Düsenkörper 2 erstreckt sich koaxial eine Bohrung 6, in der ein Ventilschließkörper 7 axial verschiebbar geführt ist. An einer kegelförmigen Verjüngung des Düsenkörpers 2 ist eine kegelförmige Ventilsitzfläche 8 gebildet, von der sich koaxial eine Abspritzöffnung 9 erstreckt. Die Ventilsitzfläche 8 bildet mit einer Kegelfläche 11 des Ventilschließkörpers 7 ein Sitzventil 12, mit dem die Brennstoffzumessung steuerbar ist. Hierzu wird der Ventilschließkörper 7 z. B. mittels eines nicht dargestellten elektromagnetischen Antriebs von der Ventilsitzfläche 8 um einen bestimmten Ventilhub abgehoben.

Dem Ventilschließkörper 7 ist eine Einrichtung zum Erzeugen einer Drallströmung für den durch die Abspritzöffnung 9 strömenden Brennstoff zugeordnet, hier in Form von wendelförmig verlaufenden, nutenartigen Drallkanälen 13. Die kegelförmige Spitze des Ventilschließkörpers 7 weist eine Kegelfläche 14 auf, die einen größeren Keilwinkel W einschließt als der Keilwinkel W1 der Kegelfläche 11 und somit stumpfer ist.

Die Abspritzöffnung 9 erstreckt sich über einen Längsabschnitt a zunächst zylindrisch und dann kegelförmig divergent bis zur abspritzseitigen Stirnfläche 5 hin, wobei sie einen spitzen bis stumpfen Kegelwinkel W2 einschließt, der hier etwa 80 bis 1000, vorzugsweise etwa 90° beträgt, aber zwischen 60° und 120° betragen kann.

In die Innenmantelfläche der Abspritzöffnung 9 münden ein oder mehrere direkt oder sternförmig einander gegenüberliegende Kanäle 15 jeweils in einer Mündungsöffnung 16, wobei die Kanäle 15 sich von Eingangsöffnungen 17 erstrecken, die sich in dem Oberflächenbereich der abspritzseitigen Stirnfläche 5 befinden, die an den Brennraum 4 angrenzt. Bei der vorliegenden Ausgestaltung befinden sich die Eingangsöffnungen 17 vorzugsweise auf einem Teilkreis. Der radiale Abstand b der Eingangsöffnungen 17 von der Längsmittelachse 18 beträgt etwa ein Viertel des Durchmessers D des Düsenkörpers 2. Bei der vorliegenden Ausgestaltung sind die Kanäle 15 Winkelkanäle, die sich von den Eingangsöffnungen 17 zunächst axial und dann radial nach innen zu den Mündungsöffnungen 16 erstrecken.

Die Mündungsöffnungen 16 befinden sich beim vorliegenden Ausführungsbeispiel im stromaufwärtigen Bereich der kegelförmigen Erweiterung 19 der Abspritzöffnung 9. Vorzugsweise ist im stromaufwärtigen Bereich der Erweiterung 19 eine Ringausnehmung 21 in der Kegelfläche angeordnet, in die die Kanäle 15 ausmünden. Bei der vorliegenden Ausgestaltung weist die Ringausnehmung 21 einen dreieckförmigen Querschnitt auf, der durch eine radiale Schulterfläche 21a und eine hohlzylindrische Stufenfläche 21b gebildet ist, in der sich die Mündungsöffnungen 16 befinden.

Die Erweiterung 19 und/oder die Kanäle 15 können in einem Vorsatzteil 25 angeordnet sein, das als Kappe oder Scheibe die abspritzseitige Stirnseite 5 des Düsenkörpers 2 bildet. Die Befestigung des Vorsatzteils 25 kann z. B. durch nicht dargestellte Schrauben erfolgen, die z. B. das Vorsatzteil 25 in Durchgangslöchern durchfassen und in Gewindelöcher in den Düsenkörper 2 einfassen. Das Vorsatzteil 25 kann auch durch Schweißen mit dem Düsenkörper 2 verbunden sein. Die Querschnittsgröße des Vorsatzteils 25 kann der Querschnittsgröße des Düsenkörpers 2 entsprechen. Das Vorsatzteil 25 kann jedoch auch kleiner bemessen sein und in eine entsprechend groß bemessene Ausnehmung an der abspritzseitigen Stirnseite des Düsenkörpers 2 eingesetzt und verschweißt sein. Beim Vorhandensein eines Vorsatzteils 25 können die Kanäle 15, die Erweiterung 19 und die Ringausnehmung 21 am Vorsatzteil 25 in einfacher und kostengünstiger Weise vorgefertigt werden. Nach der Vorfertigung kann das Vorsatzteil 25 mit dem abspritzseitigen Ende des Düsenkörpers 2 verbunden werden. Dabei ist es im weiteren vorteilhaft, die radialen Kanalabschnitte der Kanäle 15 an der Anlagefläche 25a offen als Nuten auszubilden, wobei die durch die untere Stirnseite des Düsenkörpers 2 abgedeckten Nuten letztendlich die Kanäle 15 bilden. Hierdurch wird die Fertigung vereinfacht, weil die radialen Kanalabschnitte von der Anlagefläche 25a her in das Vorsatzteil 25 eingearbeitet werden können.

Die Ausgestaltung nach Fig. 2, bei der gleiche oder vergleichbare Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, unterscheidet sich vom vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel durch eine andere Ausgestaltung der Kanäle 15 und/oder des Vorsatzteils 25. Bei dieser Ausgestaltung ist das vorzugsweise runde Vorsatzteil 25 in seiner Querschnittsgröße kleiner bemessen als der Düsenkörper 2, wobei die Kanäle 15 sich radial erstrecken und die Eingangsöffnungen 17 am Umfang des Vorsatzteils 25 angeordnet sind.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Brennstoffeinspritzventils 1 im Bereich der Abspritzöffnung 9 hat folgende Funktion:
Im Betrieb strömt bei geöffnetem Sitzventil 12 ein Brennstoffstrom durch die Abspritzöffnung 9, der sich als Brennstoffstrahl 26 in den Brennraum 4 erstreckt und mit der darin befindlichen Verbrennungsluft vermischt wird und ein Brennstoff/Luft-Gemisch bildet. Aus den eingangs bereits angegebenen Gründen (Reibung und Coanda-Effekt) nimmt der Brennstoffstrahl 26 einen Kegelwinkel ein, der dem Winkel W2 der kegelförmigen Erweiterung 19 weitgehend entspricht. Durch die Durchströmung der Abspritzöffnung 9 mit Brennstoff wird Luft aus dem Brennraum 4 aufgrund des auftretenden Unterdrucks durch die Kanäle 15 selbsttätig angesaugt. Die Luft vermischt sich mit dem Brennstoff sowohl im Bereich der Abspritzöffnung 9 und auch stromabwärtig davon im freien Brennstoffstrahl 26. Dabei erfolgt eine intensive Vermischung, wodurch die Brennstoff-Aufbereitung verbessert wird. Die forcierte Vermischung findet aufgrund des Eintritts der Luft sowohl im Bereich der Abspritzöffnung 9 als auch im sich darin anschließenden Bereich des Brennstoffstrahls 26 statt, wobei die Reibung zwischen der Wandung der Erweiterung 19 und dem Brennstoffstrahl 26 diese Vermischung forciert. Im Bereich des Brennstoffstrahls 26 sowohl von der Wandung der Erweiterung 19 in Richtung zur Längsmittelachse 18 als auch axial setzt sich diese Vermischung fort.

Da der Unterdruck im wandnahen Bereich der Abspritzöffnung 9 proportional der Durchflußmenge ist, ist die Zuführungsmenge der Luft aus dem Brennraum 4 und somit das hierdurch erzeugte Mischungsverhältnis von der Durchflußmenge nahezu unabhängig. Dies führt zu einem gleichmäßigen Gemisch bzw. einer gleichmäßigen Aufbereitung und zu einer verbesserten oder optimalen Verbrennung.

Es ist vorteilhaft, den Vorsatz oder das Vorsatzteil 25 thermisch vom Düsenkörper 2 zu isolieren, so daß er bzw. es sich durch die Verbrennungswärme aufheizt. Hierdurch wird eine Vorverdampfung des Brennstoffs bewirkt, was die Aufbereitung zusätzlich verbessert.

Die thermische Isolierung kann durch einen Abstand c zwischen dem Vorsatzteil 25 und dem Düsenkörper 2 erfolgen. Hierzu kann das Vorsatzteil 25 an seiner dem Düsenkörper 2 zugewandten Seite Stege 25b oder Stifte aufweisen, die an der Stirnseite des Düsenkörpers 2 anliegen oder in darin ausgebildeten Löchern passender Größe einfassen können. Auch bei dieser Ausgestaltung kann die Befestigung des Vorsatzteils 25 am Düsenkörper 2 durch Schweißen erfolgen.

Der Düsenkörper 2 und das Vorsatzteil 25 können aus Metall, insbesondere Stahl, bestehen. Zwecks Verbesserung der vorbeschriebenen Vorverdampfung des Brennstoffs kann das Vorsatzteil 25 sowohl dann, wenn es am Düsenkörper anliegt (Fig. 1) als auch dann, wenn es davon im Abstand c angeordnet und befestigt ist (Fig. 2), gegebenenfalls mit den Stegen 25b oder Stiften aus Keramik bestehen, vorzugsweise als einteiliges Anbauteil.

Wenn im Anfangsbereich der konischen Fläche der Erweiterung 19 eine Ringausnehmung 21 angeordnet ist (Fig. 1) oder wenn das Vorsatzteil 25 in einem Abstand c vom Düsenkörper 2 angeordnet ist (Fig. 2), ist es aus strömungstechnischen Gründen von Vorteil, wenigstens einen stromaufwärtigen, axialen Abschnitt der Ringfläche der Erweiterung 19 konvex zu krümmen bzw. abzurunden (Krümmung 19a). Hierdurch wird ein Auftreffen des Brennstoffstrahls auf den inneren Lochrand der Erweiterung 19 vermieden.

Claims

1. Brennstoffeinspritzventil (1) zum direkten Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum (4) einer Brennkraftmaschine, mit einem eine Ventilsitzfläche (8) aufweisenden Düsenkörper (2), wenigstens einer sich an die Ventilsitzfläche (8) stromabwärts anschließenden Abspritzöffnung (9), einem Ventilschließkörper (7), der zwischen einer an der Ventilsitzfläche (8) anliegenden Schließstellung und einer davon abgehobenen Offenstellung bewegbar ist, und einer Einrichtung (13) zum Erzeugen einer Drallströmung für den durch die Abspritzöffnung (9) strömenden Brennstoff, dadurch gekennzeichnet, daß in die Abspritzöffnung (9) ein oder mehrere Kanäle (15) ausmünden, deren jeweilige Eingangsöffnungen (17) sich in dem Bereich des Brennstoffeinspritzventils (1) befinden, der an den Brennraum (4) der Brennkraftmaschine angrenzt.

2. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abspritzöffnung (9) stromabwärts mit einer divergenten Erweiterung (19) ausmündet.

3. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erweiterung (19) konisch geformt ist.

4. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (W2) der Erweiterung (19) etwa 60 bis 120°, insbesondere etwa 80 bis 100°, vorzugsweise etwa 90° beträgt.

5. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (15) im Bereich der Erweiterung (19) münden.

6. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (15) im stromaufwärtigen Bereich der Erweiterung (19) münden.

7. Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (15) in eine Ringausnehmung (21) der Abspritzöffnung (9) münden.

8. Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsöffnungen (17) der Kanäle (15) sich an einer abspritzseitigen Stirnfläche (5) des Düsenkörpers (2) befinden.

9. Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (15) in einem Vorsatz (25) des Düsenkörpers (2) angeordnet sind.

10. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorsatz (25) ein eigenständiges Bauteil ist, das mit dem Düsenkörper (2) lösbar oder unlösbar verbunden ist.

11. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (15) an der dem Düsenkörper (2) zugewandten Seite des Vorsatzes (25) als offene Nuten ausgebildet sind, die durch die gegenüberliegende Stirnfläche des Düsenkörpers (2) abgedeckt sind.

12. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorsatz (25) vom Düsenkörper (2) thermisch isoliert ist und vorzugsweise einen Abstand (c) davon aufweist.

13. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorsatz (25) scheibenförmig ausgebildet ist.

14. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche der Erweiterung (19) stromabwärts der Ausmündungen der Kanäle (15) eine Rundung (19a) aufweist.